技术领域
本发明涉及卷烟滤嘴领域，具体涉及一种含超长TiO2水合物纳米管、TiO2纳米粉、活 性炭纤维和SiO2气凝胶的卷烟过滤嘴及其用途。
背景技术
公开号CN1302570A公开了一种新型除毒卷烟过滤嘴及其生产方法。其特点是在现 有过滤嘴过滤层的基础上，加入一层活性炭与氢氧化钙混合而成的吸附吸收层，使吸附 吸收层紧贴过滤层。
公开号CN1383764A公开了一种制备含黄土粘土矿物卷烟的方法以及由此制得的卷 烟产品。其特点是制备黄土均质悬浮液，将此悬浮液施用于卷烟过滤嘴、填料或封装， 随后干燥。
公开号CN101637307A公开了一种滤毒释放微量元素负离子的卷烟纤维过滤嘴。其 特点是以甲壳素、电气石、麦饭石、有机硒、有机锗、蜂系列产品混合物制成的纳米微 粒子嵌入直丝醋酸纤维制成卷烟过滤嘴。
上述的现有技术，存在以下不足：（1）对卷烟主流烟气中的氨等成分的降解不明显； （2）添加物质为微粒子，不易于与醋酸纤维交织混合，不适应于卷烟过滤嘴的规模化 生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种含超长TiO2水合物纳米管、TiO2纳 米粉、活性炭纤维和SiO2气凝胶的卷烟过滤嘴，在卷烟燃烧和抽吸过程中，吸附卷烟主流 烟气中的多种成分。
本发明的技术方案为：一种卷烟过滤嘴，含有吸附过滤层，所述吸附过滤层由醋酸纤 维、TiO2水合物纳米管、TiO2纳米粉、活性炭纤维以及SiO2气凝胶组成。
本发明的卷烟过滤嘴还可以包含常规的完全由醋酸纤维构成的醋酸纤维段。
较优的，本发明所述吸附过滤层充满整个所述卷烟过滤嘴；或者，所述吸附过滤层位 于所述卷烟过滤嘴的前端、中部或后端，与完全由醋酸纤维构成的醋酸纤维段共同构成所 述卷烟过滤嘴。即本发明的卷烟过滤嘴由完全由醋酸纤维构成的醋酸纤维段和吸附过滤层 组成，或者完全由吸附过滤层构成。
较优的，所述吸附过滤层中TiO2水合物纳米管的含量不少于卷烟过滤嘴总醋酸纤维含 量的0.01wt%；所述TiO2纳米粉的含量为TiO2水合物纳米管的5～20wt%，所述活性炭的含 量为TiO2水合物纳米管的1～10wt%；所述SiO2气凝胶的含量为TiO2水合物纳米管的5～ 20wt%。
更优的，所述TiO2水合物纳米管的含量为卷烟过滤嘴总醋酸纤维含量的0.01wt%～ 10wt%。
由于本发明的减害卷烟过滤嘴既可以完全由吸附过滤层构成，也可以由醋酸纤维段和 吸附过滤层拼接而成；因此，当减害卷烟过滤嘴完全由吸附过滤层构成时，本发明所述卷 烟过滤嘴总醋酸纤维含量即为吸附过滤层中的醋酸纤维含量；当减害卷烟过滤嘴由醋酸纤 维段和吸附过滤层拼接构成时，本发明所述卷烟过滤嘴总醋酸纤维含量包括醋酸纤维段的 醋酸纤维和吸附过滤层的醋酸纤维两部分。
较优的，所述TiO2水合物纳米管的长度大于等于1微米，直径为5～100nm。
更优的，所述TiO2水合物纳米管的长度为5～25微米。
本发明TiO2水合物纳米管的制备方法为低温水热法，以二氧化钛和碱为原料，用低温 搅拌水热法，制备了高分散的超长TiO2水合物纳米管。
较优的，所述TiO2水合物纳米管的制备方法如下：
1）将TiO2溶于碱溶液中获得混合物，将混合物置于高压釜中100～200℃下，以 5～20r/min的转速进行水热反应18～96h；
2）反应结束后收集白色沉淀产物，蒸馏水洗涤至中性后，将沉淀产物在酸溶液 中浸泡18～24h，反应结束后抽滤并洗涤沉淀至中性，烘干沉淀，获得TiO2水合物纳米管。
本发明制备方法中作为原料的TiO2为商业级TiO2。优选的，所述TiO2为P25型纳米 二氧化钛。本发明获得的所述TiO2水合物为H2Ti3O7·nH2O；优选的，n取值1或2。
较优的，步骤1）所述混合物中，TiO2的质量百分比为0.1%～10%。
更优的，步骤1）所述混合物中，TiO2的质量百分比为0.13%～6.67%。
较优的，步骤1）所述碱溶液为NaOH水溶液或KOH水溶液。
更优的，所述NaOH水溶液或KOH水溶液的浓度为8～12M。最优选为10M。
较优的，步骤2）所述酸溶液为盐酸或硝酸（盐酸或硝酸为酸的水溶液）。
更优的，所述酸溶液的浓度为0.001～2M。
较优的，所述烘干温度为55～65℃。更优的，所述烘干温度为60℃。
较优的，所述TiO2纳米粉的粒径为6～30nm。
较优的，所述活性炭纤维的粒径为5～100微米。更优的，所述活性炭纤维的比表面积 为1000m2/g以上（优选为1000～1300m2/g）。
较优的，所述SiO2气凝胶的粒径为2～5nm。更优的，所述SiO2气凝胶的比表面积为 1000m2/g以上。
本发明的卷烟过滤嘴中，所述TiO2水合物纳米管、活性炭纤维与醋酸纤维交织混合， 其缝隙中填充TiO2纳米粉和SiO2气凝胶纳米粉，共同构成卷烟过滤嘴的吸附过滤层。并且， 本发明的吸附过滤层既可以作为整个卷烟过滤嘴，也可以作为卷烟过滤嘴的其中一部分， 位于卷烟过滤嘴的前端、中部或后端。
TiO2水合物纳米管具有很强的吸附氨的能力；活性炭纤维对焦油、CO有强的吸附能力； 同时，超长TiO2纳米管和活性炭纤维能够与醋酸纤维牢固交织混合，另外，其缝隙由对氨 有强吸附能力的TiO2纳米粉以及对乙醛、乙酸、重金属离子有强吸附能力的SiO2气凝胶粉 体填充，因此，解决了既有技术对卷烟主流烟气中氨等成分降解不明显及吸附剂不易与醋 酸纤维交织混合的缺陷。
本发明其次还公开了前述卷烟过滤嘴用于吸附并去除卷烟主流烟气中多种成分的用 途。
所述卷烟主流烟气中多种成分包括焦油、一氧化碳、氨、乙醛、乙酸和/或重金属离子。
本发明最后还公开了一种卷烟，含有前述卷烟过滤嘴。
TiO2水合物纳米管的长度短于1微米时，不易与醋酸纤维混合，要与醋酸纤维牢固交织 混合，其长度需要超过1微米，最佳长度在5微米以上；TiO2水合物纳米管直径在5至100 纳米为宜，小于5纳米时，其分散性差，不易操作，大于100纳米时，其比表面积小，对 主烟气中相关成分的吸附能力降低；卷烟过滤嘴的吸附过滤层中的TiO2水合物纳米管含量 （重量比）为醋酸纤维的0.01%至10%为宜，小于0.01%时，其含量低，对主流烟气中相关 成分的吸附能力降低，大于10%时，成本提高。活性炭纤维比表面积大于1000m2/g为适宜， 小于1000m2/g时，吸附能力下降，其粒径为5至100微米适宜，小于5微米时，容易断， 不易操作，大于100微米时，比表面积小，吸附能力降低，其含量（重量比）为TiO2水合 物纳米管的1%至10%为宜，小于1%时，影响性能提高，大于10%时，成本提高。TiO2纳 米粉的粒径小于6纳米时，其分散性差，不易操作，大于30纳米时，其比表面积小，吸附 能力降低；TiO2纳米粉的含量（重量比）为TiO2水合物纳米管的5%至20%为宜，低于5% 时，缝隙填充量低，影响吸附性能的提高，大于20%时，粉体容易从缝隙中脱落。SiO2气 凝胶的比表面积1000m2/g以上为宜，低于1000m2/g时，影响吸附性能，一次粒径2至5 纳米为宜，低于2纳米时，分散性差，不易操作，大于5纳米时，比表面积降低，影响吸 附性能，其重量比为TiO2水合物纳米管的5%至20%为宜，低于5%时，缝隙填充量低，影 响吸附性能，大于20%时，粉体容易从缝隙中脱落。
本发明的有益效果为：TiO2水合物纳米管和TiO2纳米粉均具有很强的吸附氨能力，活 性碳纤维对烟气中的焦油和一氧化碳具有强的吸附力；并且SiO2气凝胶对乙醛、乙酸和重 金属离子有强吸附能力；四者共同作用，解决了现有技术对卷烟主流烟气中多种成分降解 不明显及吸附剂不易与醋酸纤维交织混合的缺陷。
附图说明
图1：TiO2水合物纳米管扫描电镜图
图2：TiO2水合物纳米管扫描电镜图
图3：吸附过滤层作为整个卷烟过滤嘴
图4：吸附滤层作为卷烟过滤嘴的一部分（前端）
图5：吸附过滤层作为卷烟过滤嘴的一部分（中部）
图6：吸附过滤层作为卷烟过滤嘴的一部分（后端）
1.卷烟过滤嘴 11.吸附过滤层 12.醋酸纤维段
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于说明本发明，而非限制本 发明的范围。
实施例1TiO2水合物纳米管的制备
1.制备方法：
方法1：将2g商业级TiO2（P25）溶于75ml10M NaOH溶液中，将混合物移入100mL 高压釜并放入油浴锅内，在150℃的温度范围和10r/min的转速下水热24h。反应结束后 得到的白色沉淀用蒸馏水洗涤至中性，随后在酸溶液中浸泡24h，再抽滤淋洗至中性、60 ℃烘干，最终得到TiO2水合物纳米管。
方法2：将0.1g商业级TiO2（P25）溶于75ml8M NaOH溶液中，将混合物移入100mL 高压釜并放入油浴锅内，在200℃的温度范围和5r/min的转速下水热18h。反应结束后得 到的白色沉淀用蒸馏水洗涤至中性，随后在酸溶液中浸泡20h，再抽滤淋洗至中性、55℃ 烘干，最终得到TiO2水合物纳米管。
方法3：将5g商业级TiO2（P25）溶于75ml12M KOH溶液中，将混合物移入100mL 高压釜并放入油浴锅内，在100℃的温度范围和20r/min的转速下水热72h。反应结束后 得到的白色沉淀用蒸馏水洗涤至中性，随后在酸溶液中浸泡18h，再抽滤淋洗至中性、65 ℃烘干，最终得到TiO2水合物纳米管。
2.产品表征
对前述方法制备获得的TiO2水合物纳米管进行扫描电镜分析，可知TiO2水合物纳米管 长度为1-25um，直径为100nm左右，具体见图1-2。附图1显示了实施例1制备的TiO2水合物纳米管的扫描电镜（SEM）照片(放大倍数2000倍)，可以看出TiO2水合物纳米管呈 管状结构，分散性良好，长度约1-25um；附图2显示了实施例1制备的TiO2水合物纳米管 的扫描电镜（SEM）照片(放大倍数30000倍)。可以看出TiO2水合物纳米管呈管状结构， 分散性良好，管壁上无污染，直径约为100nm。
实施例2卷烟过滤嘴的制备
1.原料
加工原料：TiO2纳米粉，购自ISHIHARA SANGYO KAISYA,LTD.；醋酸纤维，购自 贵州中烟工业有限公司；活性炭纤维，购自南通新通活性炭纤维有限公司。
SiO2气凝胶粉体，采用酸碱两步催化合成法制备：将正硅酸乙酯与一定量的乙醇混合 搅拌，加入盐酸和乙醇混合溶液进行酸催化，待正硅酸乙酯充分水解后再加入氨水和乙醇 的混合溶液，进行碱催化，老化后最后得到SiO2溶胶，所得SiO2溶胶的比表面积为500m2/g， 粒径为6nm（具体制备方法参考申请号为201010205734.5的专利“一种常压下制备超疏水 性二氧化硅气凝胶的方法”）。
2.卷烟过滤嘴的制备
方法一：
将实施例1制备的TiO2水合物纳米管与活性炭纤维、TiO2纳米粉、SiO2气凝胶粉体和 醋酸纤维混合：先将TiO2水合物纳米管和醋酸纤维混合，最后再掺入活性炭纤维、TiO2纳 米粉和SiO2气凝胶粉体，均匀交织混合，制备卷烟过滤嘴的吸附过滤层。其中，吸附过滤 层中TiO2水合物纳米管的质量为卷烟过滤嘴总醋酸纤维质量的10%，TiO2纳米粉的质量为 TiO2水合物纳米管质量的5%，活性炭纤维的质量为TiO2水合物纳米管质量的5%；SiO2气 凝胶的质量为TiO2水合物纳米管质量的10%。
采用前一步骤的吸附过滤层通过滤棒的工业化成型步骤制备滤棒，切割，获得卷烟过 滤嘴。本发明方法中，含TiO2水合物纳米管的吸附过滤层作为过滤嘴一部分（中部，如图 5所示），与完全由醋酸纤维制成的醋酸纤维段拼接，获得卷烟过滤嘴。
方法二：
将实施例1制备的TiO2水合物纳米管、醋酸纤维、TiO2纳米粉、活性炭纤维以及SiO2气凝胶混合制备卷烟过滤嘴的吸附过滤层，其中吸附过滤层中TiO2水合物纳米管的质量为 卷烟过滤嘴总醋酸纤维质量的1%，TiO2纳米粉的质量为TiO2水合物纳米管的10%，活性炭 纤维的质量为TiO2水合物纳米管质量的10%；SiO2气凝胶的质量为TiO2水合物纳米管质量 的20%。
采用前一步骤的吸附过滤层通过滤棒的工业化成型步骤制备滤棒，并且含TiO2水合物 纳米管的过滤层作为过滤嘴一部分（前端，如图4所示），与完全由醋酸纤维制成的醋酸纤 维段拼接，获得卷烟过滤嘴。
方法三：
将实施例1制备的TiO2水合物纳米管、醋酸纤维、TiO2纳米粉、活性炭纤维以及SiO2气凝胶混合制备卷烟过滤嘴的吸附过滤层，其中，吸附过滤层中TiO2水合物纳米管的质量 为卷烟过滤嘴总醋酸纤维质量的0.01%，TiO2纳米粉的质量为TiO2水合物纳米管的20%， 活性炭纤维的质量为TiO2水合物纳米管质量的1%；SiO2气凝胶的质量为TiO2水合物纳米管 质量的5%。
采用前一步骤的吸附过滤层通过滤棒的工业化成型步骤制备滤棒，并且含TiO2水合物 纳米管的过滤层作为过滤嘴一部分（后端，如图6所示），与完全由醋酸纤维制成的醋酸纤 维段拼接，获得卷烟过滤嘴。
实施例3过滤嘴吸附过滤效果的检测
1.实验方法
实验对象：根据实施例2制备过滤嘴，吸附过滤层位于滤棒前端，其中吸附过滤层中 TiO2水合物纳米管的质量为总醋酸纤维质量的10%，TiO2纳米粉的质量为TiO2水合物纳米 管质量的5%，活性炭纤维的质量为TiO2水合物纳米管质量的5%；SiO2气凝胶的质量为TiO2水合物纳米管质量的10%。用该过滤嘴制备卷烟，获得过滤嘴中含吸附过滤层的卷烟。
对照：采用完全由醋酸纤维组成的滤嘴，制备卷烟作为对照样。
检测方法：过滤嘴吸附过滤效果的检测方法参考：YC/T377-2010卷烟主流烟气中氨 的测定；GB/T19609-2004卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油；GB/T 23356-2009卷烟烟气气相中一氧化碳的测定；YC/T254-2008卷烟主流烟气中主要羰 基化合物的测定。
2.实验结果
由前述方法制得的过滤嘴中含吸附过滤层的卷烟在降低卷烟主流烟气中多种成分释放 量的试验结果见下表：
表1过滤嘴中含吸附过滤层的卷烟的吸附过滤效果
实验结果表明：具有含上述吸附过滤层的过滤嘴的卷烟能明显降低卷烟主流烟气中氨 等多种成分的释放量。