煙用廢棄濾棒中二醋酸纖維的回收與再利用初探

梁荷葉 張寅江 徐熊耀2 吳海波

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.浙江王金非織造布有限公司，浙江 湖州 313100

如今，人們對(duì)“吸煙與健康”話題的格外關(guān)注促使降焦減害成為煙草行業(yè)發(fā)展的必然[1]98，[2-3]。中國(guó)有著全球最多的煙民群體。據(jù)有關(guān)報(bào)道，2015年中國(guó)卷煙銷售總量約為4 979.04萬箱，耗用煙用絲束總量近40萬t，按1.5%的成棒損耗計(jì)算，產(chǎn)生的煙用廢棄濾棒約在6 000 t[4]15,[5]83。目前，煙草行業(yè)對(duì)煙用廢棄濾棒的主要處理方式是委托焚燒和填埋，這無疑會(huì)造成巨大的能源損耗及環(huán)境污染問題[4]15。

煙用濾棒常用的纖維有二醋酸纖維和聚丙烯纖維兩種。二醋酸纖維自身無毒、無味，表面積大，吸阻小，彈性和熱穩(wěn)定性好，且質(zhì)地堅(jiān)硬，對(duì)煙氣中的焦油和尼古丁等有害成分截留率高，被廣泛應(yīng)用于中高檔香煙產(chǎn)品中[6]480,[7]40。聚丙烯纖維大分子鏈上有較多的非極性基團(tuán)，它們對(duì)煙氣中低沸點(diǎn)物質(zhì)的截留率較低，因此人們?cè)诔槲^程中會(huì)體會(huì)到更多的辛辣味，影響卷煙本身醇香的口感，故多被用于低檔香煙中[1]99,[7]40。也正因如此，二醋酸纖維在煙用過濾材料中的地位至今無可撼動(dòng)[5]85。

三乙酸甘油酯在煙用濾棒中主要起支撐、強(qiáng)化、定型的作用，是煙用濾棒常用的增塑劑[4]15。三乙酸甘油酯在超聲噴霧等工藝條件下被均勻地噴灑在二醋酸纖維絲束上，用量一般在10%左右[4]15,[8]32,[9]1。三乙酸甘油酯固化后，絲束會(huì)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。煙用廢棄濾棒幾乎不被再次利用的主要原因與三乙酸甘油酯的脫除這一關(guān)鍵點(diǎn)有關(guān)[9]1。如果煙用廢棄濾棒可以回收利用，則可以在一定程度上緩解煙用絲束的供需不平衡問題，這既有利于煙草行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，又具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。沈靖軒等[8]32-35研發(fā)了一種煙用廢棄濾棒回收工藝，利用該工藝回收的二醋酸纖維可以以摻配料的方式加入并進(jìn)行靜電紡絲。葉兆清等[9]1-2在其發(fā)明專利中提到，利用10～500 mg/L的季胺鹽型表面活性劑溶液去除煙用廢棄濾棒中的三乙酸甘油酯后，回收得到的二醋酸纖維溶液可作為二醋酸纖維絲束的生產(chǎn)原料。

本文將以醇?jí)A溶液作為煙用廢棄濾棒中三乙酸甘油酯的脫除劑，在回收得到的脫酯二醋酸纖維中摻配不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木漿纖維，再利用濕法成網(wǎng)工藝制備成非織造材料用于煙用濾棒，以期解決煙草行業(yè)廢棄濾棒不能有效回收再利用的難題，從而實(shí)現(xiàn)變廢為寶。

1 試驗(yàn)

1.1 煙用廢棄濾棒中二醋酸纖維的回收

1.1.1 原料和化學(xué)藥品

煙用廢棄濾棒，上海白玉蘭煙草材料有限公司提供；木漿纖維，平均長(zhǎng)度約2.000 mm，Buckeye公司提供。

NaOH固體，分析純，片狀，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97.00%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；無水乙醇，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.70%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；乙酸，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.50%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。

1.1.2 儀器和設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海宏泰儀器設(shè)備廠)、電子天平(上海天平儀器廠)、PL4-00型瓦利打漿機(jī)(咸陽泰思特試驗(yàn)設(shè)備有限公司)、PL6-C型紙樣抄取器(咸陽泰思特試驗(yàn)設(shè)備有限公司)、PL8-D型電熱壓榨機(jī)(咸陽泰思特試驗(yàn)設(shè)備有限公司)、JSM-5600 LV掃描電子顯微鏡(日本電子光學(xué)公司)、YG141型織物厚度測(cè)試儀(溫州方圓儀器有限公司)、YG065型電子織物強(qiáng)力儀(寧波紡織儀器廠)、CFP-1100A 型毛細(xì)管流動(dòng)孔徑測(cè)定儀(美國(guó)PMI公司)。

1.1.3 回收工藝

首先，剝?nèi)熡脧U棄濾棒表層的水松紙，切斷濾棒，長(zhǎng)度控制在10.000 mm左右；隨后，分撕切斷的濾棒，并盡量使二醋酸纖維之間有效分離；接著，將分離的二醋酸纖維集合體放入配好的脫酯溶液中，于室溫環(huán)境下放置3 h；處理完成后，先用弱酸中和清洗，再用去離子水清洗并烘干，得到脫酯二醋酸纖維，其將用作濕法成網(wǎng)的纖維原料。

1.2 脫酯二醋酸纖維濕法成網(wǎng)非織造材料的制備

濕法成網(wǎng)所用的整套設(shè)備由咸陽泰思特試驗(yàn)設(shè)備有限公司提供。

先按照制備面密度60.000 g/m2的非織造材料，稱取不同質(zhì)量配比所需的脫酯二醋酸纖維和木漿纖維原料，再將纖維原料放入加有足量水的PL4-00型瓦利打漿機(jī)中進(jìn)行機(jī)械式開松使纖維分散，然后將纖維混合漿液倒入PL6-C型紙樣抄取器的脫水筒中脫水，以形成纖維網(wǎng)。抄造過程涉及的工藝參數(shù)如表1所示。此外，為方便纖維網(wǎng)快速干燥，特將從濾網(wǎng)上抄造下來的纖維網(wǎng)放置在PL8-D型電熱壓榨機(jī)上進(jìn)行干燥處理，最后得到非織造材料。

表1 濕法成網(wǎng)工藝參數(shù)

1.3 性能測(cè)試

根據(jù)相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)裁剪非織造材料試樣，并將試樣置于恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室[溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%]預(yù)調(diào)濕24 h。脫酯二醋酸纖維濕法成網(wǎng)非織造材料厚度測(cè)試根據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，壓腳面積2 000 mm2，壓腳壓強(qiáng)500 Pa，加壓時(shí)間10 s，測(cè)試10次后結(jié)果取平均值；面密度測(cè)試根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣規(guī)格100.000 mm×100.000 mm，試樣數(shù)量10塊，結(jié)果取平均值；斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試根據(jù)GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 條樣法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣規(guī)格為100.000 mm×50.000 mm，夾持距為100.000 mm，拉伸速度為100 mm/min，試樣數(shù)量5塊，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 二醋酸纖維回收前表面形態(tài)

煙用廢棄濾棒中二醋酸纖維回收前(即脫酯前)的表面形態(tài)如圖1所示。二醋酸纖維截面呈Y形，比表面積大。纖維表面較光滑，但有一些溶洞，周邊會(huì)出現(xiàn)少許淺的鋸齒狀紋理，這與二醋酸纖維本身生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定有關(guān)。這些溶洞形成了二醋酸纖維受力的弱節(jié)，是導(dǎo)致二醋酸纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率較低的一個(gè)重要原因。圖1(c)中纖維表面的凸起即為增塑劑三乙酸甘油酯，其是采用超聲霧化方式噴灑在二醋酸纖維絲束表面的二醋酸纖維之間被無數(shù)個(gè)點(diǎn)狀增塑劑三乙酸甘油酯粘連，若其直接用于濕法成網(wǎng)工藝，則較難滿足抄造要求。

(a) 二醋酸纖維的Y形截面

(b) 二醋酸纖維表面的弱節(jié)

(c) 二醋酸纖維表面的凸起——三乙酸甘油酯

2.2 二醋酸纖維回收后表面形態(tài)

煙用廢棄濾棒中二醋酸纖維回收后(即脫酯后)的表面形態(tài)如圖2所示。脫酯后的二醋酸纖維表面出現(xiàn)了有規(guī)律的橫向紋理，它們以波浪形同向排列，且紋理間鋪疊的深淺程度較為一致。波浪形紋理增加了脫酯二醋酸纖維之間的接觸面積，摩擦作用增加，抱合力增大，這有利于濕法成網(wǎng)非織造材料斷裂強(qiáng)力的提高。

圖2 脫酯后的二醋酸纖維表面形態(tài)

2.3 脫酯二醋酸纖維濕法成網(wǎng)非織造材料的性能

濕法成網(wǎng)工藝要求纖維原料具有一定的吸濕性，且在水中具有良好的分散性。纖維長(zhǎng)寬比越小，則打漿時(shí)越不易出現(xiàn)絮聚傾向，纖維越易被打散成單纖維狀態(tài)，最終形成均勻分散的纖維懸浮液。因此，在長(zhǎng)度為10.000 mm左右的脫酯二醋酸纖維中摻配一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木漿短纖(平均長(zhǎng)度約2.000 mm)，可有效改善純脫酯二醋酸纖維濕法非織造材料成網(wǎng)的均勻性。

不同質(zhì)量配比下的濕法成網(wǎng)非織造材料的基本性能如表2所示。其中，濕法成網(wǎng)非織造材料的孔隙率是指材料的孔隙體積與總體積的比值，一般利用式(1)計(jì)算得到[10]。

(1)

式中：n——材料的孔隙率，%；

m——材料的面密度，g/m2；

ρ——纖維原料的密度，g/m3；

δ——材料的厚度，m。

表2 濕法成網(wǎng)非織造材料的基本性能

濕法成網(wǎng)制備的非織造材料用于煙用濾棒時(shí)，應(yīng)具備一定的抗張強(qiáng)度以滿足上機(jī)適應(yīng)性。本文的濕法成網(wǎng)工藝中未添加任何黏合劑，纖維混合漿液在兩面壓差的作用下脫水形成纖維網(wǎng)，試樣的強(qiáng)力由纖維間的彼此交錯(cuò)、纏結(jié)提供。由表2可以看出：4種濕法成網(wǎng)非織造材料試樣的斷裂強(qiáng)力小于21.0 N，斷裂伸長(zhǎng)率小于10.000%；與其他3種試樣相比，木漿/脫酯二醋酸纖維(60/40)試樣因擁有更多的木漿短纖填塞其中，且更多的纖維排列在受力方向上，故而斷裂強(qiáng)力更大。

圖3進(jìn)一步反映了4種不同質(zhì)量配比的濕法成網(wǎng)非織造材料的孔徑分布狀況。

(a) 純脫酯二醋酸纖維試樣

(b) 木漿與脫酯二醋酸纖維質(zhì)量配比為15/85的試樣

(c) 木漿與脫酯二醋酸纖維質(zhì)量配比為40/60的試樣

(d) 木漿與脫酯二醋酸纖維質(zhì)量配比為60/40的試樣

由表2和圖3可以看出：(1)純脫酯二醋酸纖維非織造材料的平均孔徑為18.104 μm、孔隙率為72.272%，孔徑主要集中在15.000～30.000 μm，孔徑分布呈單峰狀，相對(duì)較集中，這說明打漿時(shí)脫酯二醋酸纖維在打漿槽中分散較均勻，脫酯二醋酸纖維滿足濕法成網(wǎng)的工藝要求。(2)當(dāng)木漿纖維與脫酯二醋酸纖維的質(zhì)量配比為15/85時(shí)，非織造材料的平均孔徑較純脫酯二醋酸纖維非織造材料減小了23.586%，孔隙率也提高了14.851%，孔徑分布更集中，20.000 μm以下的孔徑占比高達(dá)80%以上。(3)當(dāng)木漿纖維與脫酯二醋酸纖維的質(zhì)量配比為40/60時(shí)，非織造材料的平均孔徑最小(為9.103 μm)，孔隙率最大(為83.799%)，孔徑主要集中在6.000～16.000 μm，孔徑分布仍呈單峰狀。(4)當(dāng)木漿纖維與脫酯二醋酸纖維的質(zhì)量配比為60/40時(shí)，非織造材料的平均孔徑相較于木漿/脫酯二醋酸纖維(40/60)非織造材料有所增加，孔隙率有所減小，孔徑分布不再呈單峰狀，這不利于對(duì)煙氣中有害成分的過濾，非織造材料過濾性能下降。

可見，木漿纖維的摻入在一定程度上改善了純脫酯二醋酸纖維的成網(wǎng)均勻性。非織造材料中纖網(wǎng)的孔徑、孔徑分布和孔隙率是決定其過濾性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素?？讖皆叫?，孔隙率越大，孔徑分布越集中，則材料的過濾性能越好。木漿纖維長(zhǎng)度較短，因此，在纖維混合漿液成網(wǎng)時(shí)，一部分木漿纖維以填料的方式散落在脫酯二醋酸纖維彼此交纏、扭結(jié)形成的孔隙中(圖4)，故木漿纖維的少量加入可以較明顯地減小纖網(wǎng)孔徑，提高孔隙率；當(dāng)木漿纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定數(shù)值時(shí)，纖網(wǎng)中的孔隙被更多的木漿短纖填塞，孔隙率出現(xiàn)下降，如圖3(d)中，木漿/脫酯二醋酸纖維(60/40)非織造材料的孔徑分布不再呈單峰狀，且分布較分散。

圖4 木漿纖維對(duì)非織造材料中孔隙的填充

因此，綜合比較后確定，木漿/脫酯二醋酸纖維(40/60)非織造材料適合用作煙用濾棒的材料，其可滿足過濾要求。

3 結(jié)論

(1) 煙用廢棄濾棒中二醋酸纖維經(jīng)脫酯后，纖維表面出現(xiàn)有規(guī)律的橫向紋理，并以波浪形同向排列。脫酯二醋酸纖維具有一定的吸濕性，且在纖維混合漿液中具有較好的分散性，滿足濕法成網(wǎng)工藝要求。

(2) 制備的純脫酯二醋酸纖維非織造材料的孔徑分布呈單峰狀，平均孔徑為18.104 μm，孔隙率為72.272%，斷裂強(qiáng)力為6.8 N，斷裂伸長(zhǎng)率為8.481%。

(3) 木漿纖維的摻入可改善脫酯二醋酸纖維非織造材料的孔隙結(jié)構(gòu)，且當(dāng)木漿纖維/脫酯二醋酸纖維的質(zhì)量配比為40/60時(shí)，平均孔徑最小，孔隙率最大，斷裂強(qiáng)力為8.0 N，斷裂伸長(zhǎng)率為3.860%，更適合用作煙用濾棒的材料，滿足過濾要求。