PEG/SiC對(duì)PLA材料改性研究及其在加熱卷煙中的應(yīng)用

曹蕓，王鵬，王成虎，張勁，邢偉義，周慕天，周順,*，王孝峰，張亞平,，張曉宇，李延巖，管明婧，陳剛，宮向群，胡源

煙草與煙氣化學(xué)

PEG/SiC對(duì)PLA材料改性研究及其在加熱卷煙中的應(yīng)用

曹蕓1，王鵬1，王成虎1，張勁1，邢偉義3，周慕天3，周順1,2*，王孝峰1，張亞平1,2，張曉宇1，李延巖1，管明婧1，陳剛2，宮向群1，胡源3

1 安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，煙草行業(yè)燃燒熱解研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥市高新區(qū)天達(dá)路9號(hào) 230088；2 安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，煙草化學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥市高新區(qū)天達(dá)路9號(hào) 230088；3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥市蜀山區(qū)金寨路96號(hào) 230026

【】加熱卷煙煙支結(jié)構(gòu)較短，入口煙氣溫度相對(duì)傳統(tǒng)卷煙較高，需添加降溫材料以降低煙氣溫度。通過對(duì)聚乳酸（PLA）材料進(jìn)行改性處理，以開發(fā)出適用于加熱卷煙用的降溫材料?！尽坎捎萌廴跀D出方法制備聚乙二醇（PEG）/碳化硅（SiC）改性PLA復(fù)合材料，利用拉伸機(jī)、熱重（TG）、差示掃描量熱儀（DSC）與加熱卷煙吸煙機(jī)考察復(fù)合材料力學(xué)性能、熱特性以及對(duì)煙氣降溫效果、關(guān)鍵成分釋放的影響。【】（1）較純相PLA而言，添加PEG后復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度明顯下降，熔融指數(shù)與斷裂延伸率增大，韌性增強(qiáng)；進(jìn)一步添加SiC后，復(fù)合材料斷裂延伸率與熔融指數(shù)減小。（2）添加PEG后，復(fù)合材料起始熱分解溫度降低，20%添加量下DSC曲線在53.32℃處出現(xiàn)主吸熱峰，熱焓變化值為48.63 J/g；加入SiC后，該峰熱焓變化值減小，主吸熱峰轉(zhuǎn)至PLA熔融吸熱峰處。（3）逐口煙氣溫度隨PEG含量增加呈明顯降低趨勢(shì)，加入SiC后，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)增大，對(duì)煙氣降溫效果進(jìn)一步提高；添加改性復(fù)合材料后，主流煙氣中總粒相物、煙堿、水分、甘油含量降低，CO釋放量變化不明顯，不同改性樣品間各成分釋放差異較小。【】利用PEG、SiC對(duì)PLA進(jìn)行改性處理，可有效提升對(duì)煙氣的降溫效果。

復(fù)合降溫材料；煙氣溫度；PLA；PEG；SiC

加熱卷煙是在較低溫度下對(duì)煙草材料進(jìn)行加熱，使煙草材料中的香味物質(zhì)、煙堿等成分釋放出來，以滿足抽煙者的生理需求。較低的加熱溫度避免了因燃燒而產(chǎn)生的焦油等有害物質(zhì)生成[1-4]。市售加熱卷煙煙支長(zhǎng)度較短，入口煙氣溫度較高，對(duì)消費(fèi)者口腔黏膜、氣管黏膜等可能造成損傷，存在一定的安全性隱 患[5-7]。因此，需對(duì)煙支進(jìn)行降溫處理，以提高消費(fèi)者抽吸體驗(yàn)。

目前對(duì)煙氣的降溫方式主要可分為添加相變降溫材料和煙支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大類[8]。由于PLA具有無毒無害、受熱相變無異味產(chǎn)生、生物可降解等一系列優(yōu)點(diǎn)，最早被菲利普·莫里斯公司應(yīng)用于加熱卷煙中作為煙氣降溫材料，也是目前各煙草公司煙氣降溫材料的首選[8-10]。但片狀PLA受熱后易產(chǎn)生收縮，使煙氣流通受阻，且PLA導(dǎo)熱性較差，抽吸時(shí)煙氣流速較快，對(duì)熱量的傳遞效果較差，這都對(duì)煙氣的降溫效果產(chǎn)生影響[11]，如何提高PLA材料熱穩(wěn)定性與導(dǎo)熱性，以提高對(duì)煙氣的降溫效果成為目前降溫材料研究熱點(diǎn)之一[12-14]，而SiC因具有較高的導(dǎo)熱率和一定的韌性常被用作為高分子材料改性劑，以提高基材導(dǎo)熱性能[15-16]。

PEG因具有安全無毒、相變溫度低、相變焓大等一系列特點(diǎn)[8]，成為繼PLA后的又一類具有良好降溫效果的材料。羅瑋等[17-18]報(bào)道了一種基于PEG的改性復(fù)合材料，通過將不同分子量的PEG負(fù)載于纖維素紙中，通過濾棒成型工藝制備具有降溫效果的降溫濾棒，但由于其相變溫度點(diǎn)過低，通常需涂覆于耐高溫基材上進(jìn)行應(yīng)用[19-20]。

本文采用熔融擠出方法，利用PEG與SiC對(duì)PLA進(jìn)行復(fù)合改性，研究PEG對(duì)PLA力學(xué)性能與低溫相變焓的影響，通過進(jìn)一步添加SiC，提高其對(duì)PLA熱穩(wěn)定性以及導(dǎo)熱性，并在同一加熱煙具條件下，探討復(fù)合材料對(duì)煙氣降溫效果以及對(duì)煙氣中關(guān)鍵成分釋放的影響規(guī)律，旨在為加熱卷煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

聚乳酸（山東圣和），聚乙二醇2000（天津中和盛泰化工有限公司），SiC（粒徑1～2 μm），TAQ5000熱重分析儀（美國(guó)TA儀器公司）；Q2000差示掃描量熱儀（美國(guó)TA公司）；TC 3000E型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀（西安夏溪電子科技有限公司）；擠出設(shè)備（LSSJ?20雙螺桿擠出機(jī)）；拉伸機(jī)（YF?900，揚(yáng)州市源峰檢測(cè)設(shè)備有限公司）；熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀（SRZ?400C，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司）；擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（ZBC?1400A，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司）；掃描電子顯微鏡（Hitachi SU8200，日本）；加熱卷煙吸煙機(jī)（SML600E&H）；氣相色譜（Agilent 7890A），氣相色譜（Agilent 6890N），BP?21毛細(xì)管柱，F(xiàn)ID檢測(cè)器，RV-300A熱變形維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀（承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司）。

1.2 PEG/PLA與（PEG+SiC）/PLA復(fù)合材料制備

將PLA、PEG與SiC按照表1比例先密煉共混，再利用雙螺桿擠出設(shè)備進(jìn)行擠出，螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min，喂料速度為30 g/cm，雙螺桿擠出設(shè)備共有7個(gè)加熱區(qū)域，各區(qū)域設(shè)置溫度依次為100℃、145℃、145℃、150℃、130℃、145℃、110℃，空氣慢冷后將試樣條切割成顆粒。

表1 PEG改性PLA復(fù)合材料各組分配比

Tab.1 The ratio of components of PEG?PLA composite material %

編號(hào)PLAPEGSiC 110000 290100 380200 478202 575205

1.3 復(fù)合材料測(cè)試表征

1.3.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試[21]

利用瞬態(tài)熱線法測(cè)量復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)。將顆粒狀復(fù)合材料均勻鋪覆于熱傳感器上，測(cè)試條件為1 V、300 K，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為5 s。重復(fù)測(cè)試5次，取平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。

1.3.2 SEM測(cè)試

將顆粒狀復(fù)合材料置于液氮中充分冷凍，再將淬斷后的復(fù)合材料樣品進(jìn)行噴金處理，觀察斷面微觀形貌。

1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試

拉伸性能測(cè)試按照GB 1040.3/2006塑料拉伸測(cè)試方法，在萬能電子拉力機(jī)上測(cè)試。試樣尺寸為啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條，樣條寬4 mm，厚1 mm，拉伸速度100 mm/ min。

沖擊測(cè)試按照GB/T1843—2008懸臂梁沖擊試驗(yàn)方法測(cè)試，在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。式樣尺寸為80 mm×10 mm×3 mm，沖擊能量為4 J。

復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度通過實(shí)驗(yàn)試樣的平均值獲得，每個(gè)條件下取5個(gè)樣，取平均值。

1.3.4 熔體流動(dòng)性測(cè)試

樣品熔融指數(shù)按照GB 3682技術(shù)要求，在熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀上測(cè)試。Pb值為2.7，溫度為190℃，加料時(shí)間1 min，料樣溫度恢復(fù)4 min，壓料時(shí)間1 min，樣品每次切割時(shí)間為5 s。

1.3.5 熱重測(cè)試

稱?。?2±2）mg顆粒狀復(fù)合材料置于坩堝中，在空氣氛圍下，以10 ℃/min的升溫速率從30℃升溫至800 ℃，載氣流速為50 mL/min。

1.3.6 DSC測(cè)試

使用Q2000差示掃描量熱儀，以10℃/min速率從0℃升溫至200℃，同速率進(jìn)行降溫，測(cè)試氣氛為氮?dú)狻?/p>

1.3.7 維卡軟化溫度測(cè)試

放置50 N的砝碼，以50℃/h的升溫速率升溫，當(dāng)測(cè)試試樣被1 mm2針頭壓入1 mm時(shí)的溫度即為維卡軟化點(diǎn)，樣片尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，疊合層數(shù)1層。

1.3.8 煙氣溫度與關(guān)鍵成分測(cè)試

煙氣溫度：稱取（300±5）mg降溫材料于顆粒型加熱卷煙降溫段中，利用熱電偶測(cè)試煙氣溫度。將煙支插入至加熱煙具中，濾嘴端插入至等直徑的劍橋?yàn)V片捕集器端口，濾嘴端面距離測(cè)溫?zé)犭娕?.5 mm，啟動(dòng)煙具完成預(yù)熱后開始抽吸，抽吸容量35 mL，抽吸間隔28 s，抽吸時(shí)間2 s，共抽吸12口，每個(gè)樣品煙支測(cè)3次，取3次測(cè)試結(jié)果平均值為最終煙氣溫度。

煙氣關(guān)鍵成分：相同抽吸模式下抽吸3支樣品煙支，利用劍橋?yàn)V片捕集煙氣，以抽吸前后濾片質(zhì)量差為總粒相物質(zhì)量；煙堿測(cè)試方法參照GB/T 23355—2009；水分測(cè)試方法參照GB/T 23203.1—2008；甘油測(cè)試時(shí)將劍橋?yàn)V片用乙醇震蕩萃取1 h，取上清液于氣相色譜進(jìn)行檢測(cè)；吸煙機(jī)配有CO檢測(cè)模塊，可直接給出CO釋放量。所有煙氣成分測(cè)試均平行進(jìn)行2次，取兩次平均值為最終測(cè)試結(jié)果。

1.3.9 TG?FTIR測(cè)試

稱?。?2±2）mg樣品置于坩堝中，以10℃/min的升溫速率從30℃升溫至400℃并保持1 min，載氣流速為50 mL/min，利用傳輸管道將熱重與紅外分析儀連接，傳輸管溫度設(shè)置為250℃，熱解產(chǎn)物進(jìn)入氣體樣品池中進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，測(cè)試波數(shù)范圍為450～4000 cm-1，掃描頻率32次/s，分辨率為4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能與熔體流動(dòng)性

2.1.1 PEG/PLA復(fù)合材料

表2為不同比例PEG改性PLA復(fù)合材料力學(xué)性能與熔融指數(shù)測(cè)試結(jié)果。從表中可看出添加10% PEG后，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均發(fā)生降低，且添加量越大，降低幅度越大，這是由于PEG進(jìn)入PLA大分子后，降低了PLA大分子之間的作用力，增加了聚合物的自由體積和分子鏈的流動(dòng)性，使得拉伸強(qiáng)度下降，同時(shí)非晶區(qū)由于分子間作用力減少而形成微裂紋，當(dāng)外力沖擊時(shí)裂紋處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度降低[22-23]。斷裂延伸率隨PEG含量增加呈先增大后減小趨勢(shì)，圖1顯示10% PEG?PLA復(fù)合材料斷面整體光滑平整，說明兩相相容性較好，且斷裂處有明顯拔出現(xiàn)象，呈明顯韌性斷裂，而20%添加下，斷面凹凸不平，呈明顯脆性斷裂，說明適量PEG對(duì)PLA具有增韌作用，含量過高會(huì)反而會(huì)降低增韌效果。熔融指數(shù)隨PEG含量增加呈明顯增大趨勢(shì)，維卡軟化溫度則逐漸減小，說明材料抗熱塌陷能力減弱，可能是由于PEG破化了PLA分子鏈結(jié)構(gòu)，且PEG熔點(diǎn)較低造成的。

表2 PEG改性PLA復(fù)合材料力學(xué)性能與熔融指數(shù)測(cè)試結(jié)果

Tab.2 The results of mechanical properties and melt index of PEG-modified PLA composite

2.1.2 （PEG+SiC）/PLA復(fù)合材料

表3為不同比例SiC改性20% PEG?PLA復(fù)合材料力學(xué)性能與熔融指數(shù)測(cè)試結(jié)果。對(duì)比看出，添加SiC后，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率降低，說明韌性變差，熔融指數(shù)減小，且隨添加量增加減小幅度越大，說明SiC對(duì)PEG?PLA復(fù)合材料分子鏈的流動(dòng)產(chǎn)生了阻礙作用。沖擊強(qiáng)度隨SiC含量增加而增大，主要是由于SiC粒子可吸收部分沖擊能量。

表3 SiC改性PEG/PLA復(fù)合材料力學(xué)性能與熔融指數(shù)測(cè)試結(jié)果

Tab.3 The results of mechanical properties and melt index of SiC-modified PEG?PLA composite

2.2 熱特性結(jié)果分析

2.2.1 TG結(jié)果分析

熱穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)加熱卷煙降溫材料的重要指標(biāo)之一，圖2為改性樣品TG曲線圖。以樣品失重5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為起始失重溫度。從圖A可看出，PLA失重溫區(qū)為270～380℃，添加PEG后，樣品失重溫區(qū)增大至230～415℃，起始失重溫度向低溫區(qū)移動(dòng)約58.9℃，不同添加量間差異較小，這是由于PEG的引入破壞了PLA分子鏈整體結(jié)構(gòu)，且其熔沸點(diǎn)較低。加入SiC后，TG曲線整體向高溫區(qū)移動(dòng)，復(fù)合材料起始失重溫度升高，不同添加量間差異不明顯，說明添加SiC后提高了PLA?PEG復(fù)合材料熱穩(wěn)定性。

圖2 復(fù)合材料TG曲線圖((A):PEG?PLA, (B):SiC?PEG?PLA)

2.2.2 DSC結(jié)果分析

基于熱重結(jié)果，對(duì)20%PEG?PLA以及5%SiC? PEG?PLA復(fù)合材料進(jìn)行DSC測(cè)試，結(jié)果如圖3、4?？煽闯觯瑔我籔LA樣品DSC曲線中出現(xiàn)兩處吸熱峰，位于53.0℃吸熱峰為PLA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，位于148.8℃吸熱峰則為PLA熔融吸熱峰，熱焓變化值為2.20 J/g，100.15～114.55℃處出現(xiàn)微弱放熱峰，對(duì)應(yīng)于PLA冷結(jié)晶峰。加入20% PEG后，復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變峰與冷結(jié)晶峰消失，可能是由于PEG使PLA分子鏈運(yùn)動(dòng)能力提高[24]，熔融峰位置則向高溫區(qū)稍有移動(dòng)，同時(shí)在48.65℃處增加一吸熱峰，也為DSC曲線最大吸熱峰，熱焓變化值為48.63 J/g。由于PEG與PLA共混時(shí)是以物理鍵合的方式連接，二者結(jié)合能力較弱，且有文獻(xiàn)研究表明在100℃加熱條件下，PEG即可緩慢滲透至復(fù)合材料表面揮發(fā)[25]，結(jié)合PEG熔點(diǎn)，猜測(cè)該處吸熱峰為PEG熔融吸熱峰。由此說明PEG提高了PLA在低溫下的焓變值，有利于提高復(fù)合材料在低溫下對(duì)熱量的吸收能力。

圖3 PLA與PEG-PLA復(fù)合材料DSC曲線圖

進(jìn)一步添加5% SiC后，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)較PEG?PLA復(fù)合材料增加23.4%（表4）。圖4的DSC曲線顯示，較20% PEG?PLA復(fù)合材料而言，添加SiC后材料熔融吸熱峰減小，熱焓變化值減小至1.35 J/g，熔融吸熱峰則向高溫區(qū)略有偏移，成為主要吸熱峰，熔融焓變值由0.44 J/g增大至18.30 J/g，說明SiC的添加使20% PEG?PLA復(fù)合材料在低溫下對(duì)熱量的吸收能力減弱，結(jié)合熱重測(cè)試結(jié)果猜測(cè)，這可能是由于無機(jī)填料的加入使得基材分子鏈移動(dòng)受限，熱穩(wěn)定性提高，同時(shí)β?SiC表面層具有較多親水基團(tuán)[26]，與PEG可能發(fā)生了某種程度的耦合，使得游離態(tài)PEG含量減少，受熱時(shí)低溫下的相變焓減小。

表4 PLA與改性復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果

Tab.4 Test results of thermal conductivity of PLA and modified composite materials

2.3 煙氣溫度與關(guān)鍵成分測(cè)試結(jié)果分析

圖5為PLA及其改性材料煙氣溫度測(cè)試結(jié)果。圖中各樣品逐口煙氣溫度曲線變化趨勢(shì)一致，約在第三、第四口達(dá)到最大煙氣溫度，隨后煙氣溫度降低，這是由加熱煙具溫控設(shè)置造成的。純PLA粒子在第三口達(dá)到最高煙氣溫度47.67℃，隨PEG含量增加，逐口煙氣溫度發(fā)生明顯降低，且減低程度與PEG含量呈正比變化趨勢(shì)，20% PEG?PLA樣品最高煙氣溫度約為39.03℃，降低幅度達(dá)到18%，說明PEG的添加有利于提高煙氣降溫效果，結(jié)合DSC測(cè)試結(jié)果猜測(cè)可能是由于PEG在低溫下相變焓較大，高溫?zé)煔饬鹘?jīng)材料后，熱量可被快速吸收。

添加SiC后復(fù)合材料對(duì)煙氣的降溫效果進(jìn)一步提高，最高煙氣溫度僅為36.83℃，較20% PEG?PLA復(fù)合材料進(jìn)一步降低5.6%。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，隨SiC含量增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。DSC結(jié)果顯示，SiC的添加降低了復(fù)合材料在低溫下的相變焓值，但對(duì)煙氣的降溫效果卻優(yōu)于20% PEG?PLA復(fù)合材料。這可能是由于煙氣經(jīng)過降溫材料時(shí)流速較快，因此發(fā)生熱量交換時(shí)間相對(duì)較短，而SiC的添加提高了復(fù)合材料導(dǎo)熱性，加快了復(fù)合材料與煙氣的熱交換，從而提高了復(fù)合材料對(duì)煙氣的降溫效果。因此，提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性是提高材料對(duì)煙氣降溫效果的有效方法。

圖5 添加復(fù)合材料后逐口煙氣溫度測(cè)試結(jié)果

降溫材料在降低煙氣溫度的同時(shí)會(huì)使得煙氣中物質(zhì)冷凝截留。由于煙堿含量對(duì)產(chǎn)品勁頭影響較大，甘油作為霧化劑，對(duì)煙霧釋放量具有一定影響，而水分對(duì)煙氣溫度具有明顯影響。因此，本文選擇煙堿、水分、甘油、粒相物以及CO為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)降溫材料截留效果進(jìn)行研究。表5為添加PLA、20% PEG?PLA以及5% SiC?PEG?PLA降溫材料后各成分測(cè)試結(jié)果。按照下述公式進(jìn)行截留率測(cè)試。

其中M為純PLA樣品煙氣中各成分質(zhì)量，為改性樣品中對(duì)應(yīng)成分質(zhì)量。表5可看出，相比于純PLA而言，煙氣流經(jīng)20% PEG?PLA復(fù)合材料后，煙氣中大部分關(guān)鍵成分含量降低，CO釋放量變化不明顯，說明對(duì)煙氣中部分成分截留增大。計(jì)算結(jié)果表明，5% SiC含量降溫材料對(duì)于水分與甘油的截留率較未添加SiC樣品減小，對(duì)煙堿的截留率則增大。有研究表明，PEG改性PLA復(fù)合材料親水性提高[27]，因此可能對(duì)水、甘油等多羥基分子吸附性提高。DSC結(jié)果顯示，添加SiC后，PEG低溫相變焓大幅減小，可能是SiC與PEG發(fā)生耦合作用，使得與PLA基材直接接觸的PEG含量降低，對(duì)煙氣中水分、甘油的吸附量略有減小。較純PLA而言，添加PEG后，煙氣中總粒相物與水分含量明顯降低，煙堿、甘油、CO釋放量變化不明顯，進(jìn)一步添加SiC后，煙氣中各成分變化不 明顯。

表5 添加復(fù)合材料后煙氣中關(guān)鍵成分測(cè)試結(jié)果

Tab.5 Test results of key components in flue gas after addition of composite materials

2.4 TG?FTIR測(cè)試結(jié)果分析

圖6為PLA以及PLA改性材料在不同加熱溫度下紅外光譜圖。在200℃以下時(shí)，PLA及其改性復(fù)合材料受熱后釋放物主要在2250～2400 cm-1處出現(xiàn)特征吸收峰，結(jié)合文獻(xiàn)可知該峰為CO2特征吸收峰[28]。加熱至250℃時(shí)，20%PEG-PLA復(fù)合材料在1206～1264 cm-1、1764～1822 cm-1處出現(xiàn)微弱特征吸收峰，分別對(duì)應(yīng)于C-O伸展振動(dòng)和C=O伸縮振動(dòng)吸收峰[28]，結(jié)合熱重結(jié)果可知，PEG-PLA改性復(fù)合材料在該溫度下已開始分解失重。PLA與5%SiC-PEG-PLA復(fù)合材料紅外曲線在300℃時(shí)1740～1856 cm-1處特征吸收峰出現(xiàn)。350℃時(shí)，紅外曲線顯示氣相產(chǎn)物明顯增多，結(jié)合熱重結(jié)果可知，復(fù)合材料在該溫度下劇烈分解失重。加熱卷煙近煙芯段煙氣溫度一般不高于200℃，TG?FTIR結(jié)果表明，PEG與SiC改性PLA復(fù)合材料在該溫度下氣相產(chǎn)物以CO2為主，未見有害氣相物質(zhì)生成，在加熱卷煙降溫段中應(yīng)用較為安全。

圖6 不同溫度條件下復(fù)合材料TG?FTIR曲線

3 結(jié)論

（1）與純相PLA而言，添加PEG使得PLA分子鏈整體結(jié)構(gòu)受到破化，拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能明顯下降，熔融指數(shù)增大，說明材料受熱后抗熱塌陷能力減小，韌性稍有改善；SiC可提高PEG?PLA復(fù)合材料抗熱塌陷能力，但同時(shí)會(huì)降低其韌性。

（2）PEG的添加使PLA起始熱解溫度向低溫區(qū)移動(dòng)約60℃，添加SiC后PEG?PLA復(fù)合材料起始熱分解溫度又向高溫區(qū)移動(dòng)，這是由于粒子在基材中對(duì)PLA分子鏈的移動(dòng)具有一定阻礙作用，說明粒子的加入可提高復(fù)合材料熱穩(wěn)定性；PEG的添加提高了復(fù)合材料低溫下吸熱能力，加入SiC復(fù)合材料導(dǎo)熱性明顯提高，PEG低溫熔融吸熱峰減小，PLA熔融吸熱峰增大。

（3）PEG的添加提高了PLA對(duì)煙氣的降溫效果，且添加量越大，降溫效果越好，SiC可提高PEG?PLA導(dǎo)熱性，進(jìn)一步提高復(fù)合材料對(duì)煙氣的降溫效果，結(jié)合DSC測(cè)試結(jié)果看，提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性以提升降溫效果相比于提高低溫焓變值更有效；較純PLA而言，添加PEG后，煙氣中總粒相物與水分含量明顯降低，煙堿、甘油、CO釋放量變化不明顯，進(jìn)一步添加SiC后，煙氣中各成分變化不明顯。

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Study on PEG/SiC modification of PLA material and its application in heated tobacco

CAO Yun1, WANG Peng1, WANG Chenghu1, ZAHNG Jin1, XING Weiyi3, ZHOU Mutian3, ZHOU Shun1,2*, WANG Xiaofeng1, ZHANG Yaping1,2, ZHANG Xiaoyu1, LI Yanyan1, GUAN Mingjing1, CHEN Gang2, GONG Xiangqun1, HU Yuan3

1 Key Laboratory of Combustion & Pyrolysis Study of CNTC, Anhui Tobacco Industrial Co., Ltd., Hefei 230088, China;2 Key Laboratory for Tobacco Chemistry of Anhui Province, Anhui Tobacco Industrial Co., Ltd., Hefei 230088, China;3 State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, 96Jinzhai Road, Hefei 230026, China

Heated cigarettes have higher smoke temperature than traditional cigarettes because of shorter stick structure, so cooling materials need to be added to reduce the smoke temperature. In this paper, we developed a cooling material suitable for heating cigarettes by modified polylactic acid (PLA).The stretching machine, thermogravimetry (TG), differential scanning calorimeter (DSC), and heated cigarette smoking machine were used to investigate PLA composite materials modified by polyethylene glycol (PEG)/silicon carbide (SiC) in terms of the mechanical properties, thermal properties, cooling effect, and release of key components in the smoke.(1) Compared with the pure-phase PLA, the composite material had increased fracture elongation and toughness after adding PEG, but the melt index and the resistance to thermal collapse were reduced. After further addition of SiC, the fracture elongation of the composite material decreased and the melt index increased. The toughness was reduced, and the thermal collapse resistance was improved. Compared with pure-phase PLA, the mechanical properties such as tensile strength and impact strength of the composite material decreased significantly after adding PEG. The melt index and elongation at break increased. The elongation at break and the melt index of the composite decreased after further adding SiC. (2) After adding PEG, the initial thermal decomposition temperature of the composite material was reduced, and the main endothermic peak appeared in the DSC curve at 53.32℃ under dosage of 20%, and the enthalpy change value was 48.63 J/g. After the addition of SiC, the variation in enthalpy decreased, while the main endothermic peak shifted to the PLA melting endothermic peak. (3) Compared with pure PLA, the temperature of puff-by-puff flue gas showed a significant decreasing trend with the increase of PEG content. The contents of total particulate matter, nicotine, moisture, and glycerin in mainstream flue gas decreased, whereas the CO release did not change significantly. For the composite material, the thermal conductivity of composite material after adding SiC increased, thus improving cooling effect of the flue gas. . The emissions of total particulate matter, nicotine, moisture, and glycerin content in mainstream flue gas decreased, while the release of CO was almost unchanged compared to the sample without SiC addition. The samples with different dosages of SiC showed insignificant difference in emission amounts.The results of this study show that the use of PEG and SiC to modify PLA can effectively improve the cooling effect of flue gas.

composite cooling material; temperature of smoke; PLA; PEG; SiC

Corresponding author. Email：tobacco_shun@163.com

中國(guó)煙草總公司新型煙草制品研制重大專項(xiàng)項(xiàng)目(110201901007 XX-07）；中國(guó)煙草總公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（110201903002）；安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（js2019105）（js2020130）

曹蕓（1993—），碩士，工程師，主要從事新型煙草制品和煙草燃燒化學(xué)研究，Tel：0551-65738649，Email：yunc61@126.com

周順（1982—），博士，副研究員，主要從事新型煙草制品和煙草燃燒化學(xué)研究，Tel：0551-65339078，Email：tobacco_shun@163.com

2021-02-25；

2022-02-21

曹蕓，王鵬，王成虎，等. PEG/SiC對(duì)PLA材料改性研究及其在加熱卷煙中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2022，28（3）.CAO Yun, WANG Peng, WANG Chenghu, et al. Study on PEG/SiC modification of PLA material and its application in heated tobacco[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(3). doi: 10.16472/j.chinatobacco.2021.034