新型阻燃劑在低引燃傾向卷煙紙生產(chǎn)中的應(yīng)用

周明珠 邢軍 張文燦 李佳奇

摘要：為了探索新型阻燃劑（LD及APP）對(duì)低引燃傾向（LIP）卷煙紙阻燃性能的影響。分別將阻燃劑LD、阻燃劑APP以及二者復(fù)配制備成相應(yīng)的阻燃劑涂料，利用涂布的方法在卷煙紙上涂布阻燃帶生產(chǎn)LIP卷煙紙，并對(duì)用該卷煙紙卷制的LIP卷煙樣進(jìn)行全長(zhǎng)燃燒比例及阻燃帶擴(kuò)散率的測(cè)定。結(jié)果表明，當(dāng)單獨(dú)使用阻燃劑LD或APP時(shí)，兩者都具有阻燃性，LD的阻燃性能優(yōu)于APP;但單獨(dú)使用LD進(jìn)行涂布時(shí)，阻燃帶存在邊界擴(kuò)散滲透現(xiàn)象;且隨著LD含量的增大，阻燃帶上的LD容易出現(xiàn)脫落（掉粉）現(xiàn)象。LD與APP進(jìn)行復(fù)配可解決上述問(wèn)題。當(dāng)LD與APP復(fù)配阻燃劑（LD與APP質(zhì)量比7∶3）含量達(dá)到16%左右時(shí)，卷煙的全長(zhǎng)燃燒比例為20%，卷煙紙阻燃帶擴(kuò)散率為1.000 cm/s，可滿足LIP卷煙紙的性能要求。

關(guān)鍵詞：阻燃劑LD;阻燃劑APP;低引燃傾向卷煙紙;阻燃性能

中圖分類號(hào)：TS761.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.013

Abstract：To explore the effects of new flame retardants （LD and APP） on flame retardancy of cigarette paper with low ignition propensity （LIP）. Flame retardants LD， APP and their mixture were used to prepare the coatings respectively， which were used to product low ignition tendency cigarette sheet sample by using coating process. The properties of smoldering rate， fulllength combustion ratio and diffusivity of retardant zone of the cigarettes prepared with the sheet sample were analyzed. The test results showed that when the flame retardant LD or APP was used alone， both of them had flame retardant property. Flame retardant LD had better flame retardant performance than flame retardant APP， but when flame retardant LD was used alone for coating， there existed boundary diffusion penetration phenomenon in the flame retardant zone， and with the increase of LD dosage， the flame retardant LD on the flame retardant band was prone to drop off powder. The problems existing in the use of flame retardant LD alone， could be solved by using the combination of flame retardants LD and APP. When the content of flame retardants LD and APP reached about 16%， fulllength combustion ratio was 20%， and diffusivity was about 1.000 cm/s， the performance of LIP cigarette paper could meet the requirements.

Key words：flame retardant LD; flane retordant APP; cigarette paper with low ignition propensity; flame retardant performance

近年來(lái)，由于吸煙所引起的火災(zāi)問(wèn)題越來(lái)越被重視。美國(guó)消防協(xié)會(huì)多年的火災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料表明，在美國(guó)，吸煙是造成火災(zāi)的最主要原因之一，每年有800人左右死于因吸煙引起的火災(zāi)、2200多人因此受傷，同時(shí)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失也高達(dá)幾十億美元[12]。為了減少火災(zāi)的發(fā)生，許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)制定了低引燃傾向（LIP）卷煙的相關(guān)法規(guī)，要求在本國(guó)生產(chǎn)和銷售的卷煙必須為L(zhǎng)IP卷煙[3]。

LIP卷煙紙可以通過(guò)卷煙紙表面涂布阻燃帶、雙層卷煙紙以及漿內(nèi)加填等技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。在眾多的技術(shù)中，由于表面涂布阻燃帶的方法操作相對(duì)簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、高效實(shí)用、無(wú)毒環(huán)保，且使卷煙制造工藝更加完整等優(yōu)點(diǎn)，從而成為L(zhǎng)IP卷煙紙制作的主要技術(shù)手段并加以研究 [47]。一般LIP卷煙紙的阻燃帶位置應(yīng)符合以下要求：卷煙煙柱上必須至少有2條寬度完全相同的阻燃帶，且必須有一個(gè)完整的阻燃帶距離卷煙點(diǎn)燃端15 mm以上;另一條阻燃帶距離煙絲柱末端10 mm以上。且明確規(guī)定每條阻燃帶的寬度約為6 mm，兩條阻燃帶的間距約為18～21 mm。

本課題采用新型阻燃劑、使用涂布方法將阻燃劑涂布在卷煙紙阻燃帶上，以期利用新型阻燃劑的分子結(jié)構(gòu)與常規(guī)低引燃阻燃劑的分子結(jié)構(gòu)不同，使LIP卷煙紙阻燃帶的擴(kuò)散率得到最大程度的保持（常規(guī)LIP卷煙紙阻燃帶的擴(kuò)散率在0.1～0.3 cm/s之間，沒(méi)有阻燃帶的普通卷煙紙擴(kuò)散率在1.6～1.8 cm/s之間），并且其阻燃性能又能達(dá)到LIP卷煙所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，也使卷煙能最大程度地保持原有的品質(zhì)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

橫紋卷煙紙：定量27 g/m2 ，透氣度90 CU，助燃劑含量1.8%，全木漿制作，杭州華豐紙業(yè)有限公司提供。

阻燃劑：LD（納米級(jí)阻燃劑），APP（聚磷酸銨），北京理工大學(xué)提供。

LD阻燃機(jī)理：由于LD是納米級(jí)材料組成的阻燃劑，當(dāng)卷煙燃燒至LD阻燃帶時(shí)，LD的阻燃特性使卷煙燃燒所需要的氧氣不能及時(shí)提供，從而導(dǎo)致卷煙在阻燃帶處熄火。

APP阻燃機(jī)理：APP兼具凝聚相阻燃機(jī)理和氣相阻燃機(jī)理。凝聚相阻燃機(jī)理為：APP在阻燃過(guò)程中，并不單獨(dú)起到阻燃作用，需結(jié)合碳源和氣源，組成膨脹阻燃體系;氣相阻燃機(jī)理為：APP分解后得到的磷酸類產(chǎn)物在高溫下又會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，生成PO·和HPO·等游離基，在氣相狀態(tài)下捕捉活性H·游離基和HO·游離基。因此，在APP的阻燃機(jī)理中，是凝聚相阻燃和氣相阻燃共同作用的結(jié)果。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

擴(kuò)散度測(cè)試儀（A50，BKC公司）;數(shù)顯攪拌器（D2025W，上海梅穎浦儀器儀器儀表制造有限公司）;恒溫水浴鍋（江蘇科析儀器有限公司）;凹版印刷機(jī)（海寧騰達(dá)機(jī)械廠生產(chǎn)）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

（1） 分別配制不同濃度的LD、APP兩種阻燃劑溶液，進(jìn)行阻燃帶涂布實(shí)驗(yàn)，得到涂布有不同阻燃劑的卷煙紙。測(cè)定涂布后卷煙紙阻燃劑含量和阻燃帶擴(kuò)散率。阻燃帶區(qū)域?qū)挾葹? mm，間隔區(qū)域?qū)挾葹?8 mm。

（2）按照LD∶APP=7∶3（質(zhì)量比）進(jìn)行LDAPP復(fù)配阻燃劑的配制，然后進(jìn)行涂布得到復(fù)配阻燃劑的卷煙紙，測(cè)定卷煙紙阻燃劑含量和阻燃帶擴(kuò)散率。阻燃帶區(qū)域?qū)挾葹? mm，間隔區(qū)域?qū)挾葹?8 mm。

（3）用涂布有阻燃劑的卷煙紙卷制卷煙，進(jìn)行卷煙樣品的性能測(cè)定。

1.4性能測(cè)定

LIP卷煙紙阻燃帶擴(kuò)散率測(cè)定[8]：用擴(kuò)散度測(cè)試儀進(jìn)行阻燃帶擴(kuò)散率測(cè)定，每種樣品測(cè)試10個(gè)點(diǎn)，取10次的平均值作為結(jié)果。該儀器的測(cè)量原理基于兩種氣體透過(guò)紙張時(shí)的擴(kuò)散率（N2與CO2）。當(dāng)N2擴(kuò)散進(jìn)入CO2時(shí)將會(huì)導(dǎo)致一定體積的CO2擴(kuò)散入N2中，由標(biāo)準(zhǔn)的CO2分析儀進(jìn)行分析測(cè)出純N2中純CO2的擴(kuò)散度，用cm/s表示，以此來(lái)分析紙張的擴(kuò)散度性能和均勻性。

卷煙引燃性能的測(cè)定：采用ASTM E2187—09的標(biāo)準(zhǔn)方法[3]，分別對(duì)卷煙樣品的引燃性能進(jìn)行測(cè)定，用卷煙全長(zhǎng)燃燒比例（FLB）表示。每種樣品測(cè)試3輪，每輪40支卷煙。取3輪的平均值作為結(jié)果，以%表示。

2結(jié)果與討論

2.1阻燃劑LD對(duì)LIP卷煙阻燃性能的影響

2.1.1阻燃劑LD含量對(duì)卷煙全長(zhǎng)燃燒比例的影響

圖1為阻燃劑LD含量對(duì)卷煙全長(zhǎng)燃燒比例的影響。由圖1可知，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例隨著阻燃劑LD含量的增加而降低，這是由于隨著阻燃帶LD含量的增加，造成阻燃帶燃燒處接觸氧氣面積降低，從而致使卷煙紙?jiān)谧枞紟幭纾⑶易枞紕┖坎煌?，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例也存在很大差異。阻燃劑LD含量為10%、12%、14%、16%的全長(zhǎng)燃燒比例分別為60%、30%、22%、10%。由于需要滿足LIP卷煙

2.1.2阻燃劑LD含量對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響

圖2為阻燃劑LD含量對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響。由圖2可知，阻燃帶擴(kuò)散率隨著阻燃劑LD含量的增加而減小。原因?yàn)榫頍熂埖耐笟舛纫彩怯绊懢頍熑L(zhǎng)燃燒比例的重要因素，阻燃劑LD含量的增加降低了氧氣在阻燃帶處外側(cè)到內(nèi)側(cè)的擴(kuò)散速度。阻燃劑LD含量從10%增加到16%時(shí)，阻燃帶擴(kuò)散率從1.327 cm/s減小到0.913 cm/s，減幅達(dá)45.6%;當(dāng)阻燃劑LD含量從10%增加到12%時(shí)，其擴(kuò)散率從1.327 cm/s減小到1.255 cm/s，減幅達(dá)5.7%;阻燃劑LD含量從12%增加到14%時(shí)，其擴(kuò)散率從1.255 cm/s減小到1.014 cm/s，減幅達(dá)23.8%?？梢?jiàn)，當(dāng)阻燃劑LD含量在14%時(shí)，對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響比較大。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，隨著阻燃劑LD含量的增加，卷煙紙阻燃帶處出現(xiàn)龜裂和掉粉現(xiàn)象。

2.2阻燃劑APP對(duì)LIP卷煙阻燃性能的影響

2.2.1阻燃劑APP含量對(duì)卷煙全長(zhǎng)燃燒比例的影響

圖3 為阻燃劑APP含量對(duì)卷煙全長(zhǎng)燃燒比例的影響。由圖3可知，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例隨著阻燃劑APP含量的增加而降低。當(dāng)阻燃劑APP含量為14%時(shí)，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例為55%;阻燃劑APP含量為16%時(shí)，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例為28%;這是由于阻燃劑APP本身就是阻燃材料，故而在含量很小時(shí)就能有較大的阻燃效果。當(dāng)阻燃劑APP含量為18%、20%時(shí)，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例為16%、5%。由于需要滿足LIP卷煙全長(zhǎng)燃燒比例不超過(guò)25%的法規(guī)要求，故而阻燃劑APP含量為14%、16%不能選取。阻燃劑APP含量為20%的全長(zhǎng)燃燒比例為5%，數(shù)據(jù)過(guò)低，因此選取阻燃劑APP含量為18%左右比較合適。

2.2.2阻燃劑APP含量對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響

圖4為阻燃劑APP含量對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響。由圖4可知，阻燃帶擴(kuò)散率隨著阻燃劑APP含量的增加而減小。阻燃劑APP含量為14%、16%、18%、20%時(shí)，其阻燃帶擴(kuò)散率分別為1.315、1.172、1.086、0.942 cm/s。造成阻燃帶擴(kuò)散率減小的主要原因是隨著阻燃劑APP含量的增加，造成阻燃帶上的孔隙率減小從而導(dǎo)致阻燃帶擴(kuò)散率的減小。

2.3阻燃劑LDAPP對(duì)LIP卷煙阻燃性能的影響

2.3.1阻燃劑LDAPP含量對(duì)卷煙全長(zhǎng)燃燒比例的影響

LDAPP含量的增加而降低。當(dāng)阻燃劑LDAPP含量為12%時(shí)，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例為56%;阻燃劑LDAPP含量為14%時(shí)，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例為37%，減幅達(dá)到33.9%。當(dāng)阻燃劑LDAPP含量為16%、18%時(shí)，卷煙全長(zhǎng)燃燒比例為20%、12%。由于需要滿足LIP卷煙全長(zhǎng)燃燒比例不超過(guò)25%的要求，故而阻燃劑LDAPP含量為12%、14%不能選取;因此阻燃劑LDAPP含量為16%比較合適。

2.3.2阻燃劑LDAPP含量對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響

圖6為 阻燃劑LDAPP含量對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響。由圖6可知，阻燃帶擴(kuò)散率隨著阻燃劑LDAPP含量的增加而減小，阻燃劑LDAPP含量為12%、14%、16%、18%時(shí)，阻燃帶擴(kuò)散率分別為1.256、1.147、1.020、0.984 cm/s。從圖6中還可以看出，當(dāng)阻燃劑LDAPP含量從12%增加到16%時(shí)，阻燃帶擴(kuò)散率呈直線下降，這是由于阻燃劑APP具有一定的黏性，當(dāng)阻燃劑APP與LD復(fù)配后，增加了LD原溶液的黏性，使阻燃帶上的阻燃劑含量比單獨(dú)使用LD時(shí)增加，從而使擴(kuò)散率減小，且當(dāng)阻燃劑LDAPP含量超過(guò)16%后，對(duì)阻燃帶擴(kuò)散率的影響減緩;因此阻燃劑LDAPP含量在16%時(shí)較為合適。

3結(jié)論

研究了新型阻燃劑（LD及APP）對(duì)低引燃傾向（LIP）卷煙紙阻燃性能的影響。

（1）當(dāng)單獨(dú)使用阻燃劑LD或APP時(shí)，兩者都具有阻燃性能。在相同阻燃劑含量下，LD的阻燃性能優(yōu)于APP;但單獨(dú)使用阻燃劑LD進(jìn)行涂布時(shí)，阻燃帶存在邊界擴(kuò)散滲透現(xiàn)象;且隨著LD含量的增大，阻燃帶上的LD出現(xiàn)脫落（掉粉）現(xiàn)象。

（2）將LD與APP復(fù)配的阻燃劑，可解決上述問(wèn)題，當(dāng)阻燃劑LDAPP含量達(dá)到16%左右時(shí)，卷煙紙阻燃帶具有阻燃性能，LIP卷煙的全長(zhǎng)燃燒比例能滿足要求。

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（責(zé)任編輯：常青）