日前，正在美國威斯康辛大學訪問的李辰砂博士委托北京蘭德梅克公司轉讓其在清華大學工作期間的，《一種含碳納米管結構的聚合物纖維》，該
申請?zhí)枺?/span>200510055526.0
申請日：2005.03.16
頒證日：2006，12，12
技術領域
本發(fā)明屬于化工原料制備技術領域，特別涉及一種含碳納米管結構的聚合物纖維。
背景技術
香煙在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的煙氣,煙氣是一種多相混合物的氣溶膠,由連續(xù)的氣相物質(zhì)和分散的粒子相構成。卷煙燃燒產(chǎn)生的主流煙氣通過濾嘴吸入口腔，主流煙氣粒相中含有焦油、尼古丁等有害物質(zhì)。它們在通過香煙過濾嘴時,被部分吸附并滯留在香煙過濾嘴上,煙氣中具有多種揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機物,如羧酸、醛、酮、醇、煙堿、酯類、酚類、萜烯類、烷烴類、植物堿及水分等。煙氣的化學成分十分復雜,大約在5200種以上。1982年Mfdube等介紹,目前已鑒定出來的有3875種。其中苯并芘等十多種物質(zhì)是*的致癌物質(zhì),另外,如酚類、吡啶基丙烯醛、苯并蒽等是協(xié)同致癌物質(zhì)。隨著反吸煙運動的宣傳和日益強大,促使煙草行業(yè)適應這個潮流,生產(chǎn)安全性卷煙,降低焦油等有害物質(zhì)。許萍，寧敏，孫豐飛等在“中國煙草科學1999, (4):45—47”中的“添加無機鹽對卷煙焦油量等的影響”，和趙百東“中國煙草學報2000，6（3）：26”中的“在美國研制成功降低卷煙焦油及有害成分濾嘴”報導了通過往過濾嘴的聚合物纖維絲添加無機鹽的方法，改變煙堿和卷煙內(nèi)在品質(zhì)。劉若曼等人在“環(huán)境與健康雜志1999，16（4）：203-204”的“活性炭對香煙煙霧中有害微量元素的吸附效果”和張高科，崔國治在“建材地質(zhì) 1997，（1）：33-35”的“海泡石型卷煙過濾咀的研制”中報導了在香煙過濾嘴內(nèi)引入活性炭層或海泡石等吸附性物質(zhì)，以達到在一定程度上脫除有害物質(zhì)的目的。納米科學的產(chǎn)生堪稱科學*的一次革命。納米材料的小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應等特性,使其具有廣泛的應用前景,已被用作催化劑、添加劑及制造新功能材料的重要原料。張悠金等人在“化學研究與應用 2001，13（6）：709-711”的“納米材料降低卷煙煙氣粒相有害成分的研究”中報導，分別將納米材料Al2O3、SiＯ2、TiＯ2通過直接混合混入過濾嘴中或原位熔融混紡紡絲加入到濾嘴內(nèi)的聚合物過濾絲中,對卷煙煙氣粒相中焦油、尼古丁等有害物質(zhì)的去除起到了一定的作用。
王曙光等人在“科學通報 2002， 47（1）：14-16”的“碳納米管負載氧化鋁及其吸附水中的氟離子”、Yan-Hui Li等人“Chemical Physics Letters, 2002, (357): 263–266”的“adsorption on carbon nanotubes.”和“Carbon, 2003, (41): 1057–1062”的“dsorption of cadmium(II) from aqueous solution by surface oxidized carbon nanotubes”.中報導，碳納米管(CNTs)具有*一維纖維的結構、納米級的直徑、高的有效比表面積和高的長徑比，化學性質(zhì)穩(wěn)定，被認為是一種良好的吸附過濾材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種含碳納米管結構的聚合物纖維。其特征在于：所述含碳納米管結構的聚合物纖維由碳納米管與聚合物纖維構成，在濾嘴成型過程中，碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，呈“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復合聚合物纖維。其制作工藝如下：
1）稱取碳納米管、聚合物纖維（濾嘴絲束）和粘合劑三乙酸甘油酯混合，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管組成復合粘接劑，復合粘接劑的質(zhì)量占聚合物纖維的10%－60%；用超聲波振蕩進行分散，將復合粘接劑加入到聚合物纖維（濾嘴絲束）中；
2）采用“PlaTntex-SPA”噴絲板短程紡設備進行紡絲。紡絲過程如下：聚合物纖維與碳納米管混合、熔融紡絲、一道上油、牽伸、二道上油、卷曲、熱定型、擺絲和打包成含碳納米管結構的聚合物纖維濾嘴絲束；
紡絲條件：溫度240～250℃，卷繞速度400m/min；
拉伸與定型：拉伸溫度75℃，拉伸倍數(shù)6，定型溫度130℃，定型時間25分鐘，使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復合聚合物纖維。
所述聚合物纖維為丙綸或醋酸纖維
所述一道上油和二道上油所上的油為甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%
本發(fā)明的有益效果是將碳納米管引入香煙過濾嘴的聚合物纖維，所制備的香煙過濾嘴內(nèi)部在細觀上具有納米級的吸附過濾孔道，吸附比表面積大，而且發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異的吸附性能。實驗結果顯示對有害物質(zhì)的脫除率顯著增高。另外，納米結構的過濾纖維上碳納米管與纖維絲有著牢固的結合，碳納米管不會被吸入肺內(nèi)。探討了納米材料降低卷煙煙氣中有害成分的新途徑，不但可以以減少吸煙對健康的危害。而且，制備的附帶碳納米管的聚合物纖維絲還可以織成過濾布，用于醫(yī)用口罩以及其它與去除有害物質(zhì)相關的應用領域。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種含碳納米管結構的聚合物纖維。所述含碳納米管結構的聚合物纖維由碳納米管與聚合物纖維構成，在濾嘴成型過程中，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復合聚合物纖維。其制作工藝如下：
1）稱取碳納米管、聚合物纖維丙綸或醋酸纖維（濾嘴絲束）和粘合劑三乙酸甘油酯混合，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管組成復合粘接劑，復合粘接劑的質(zhì)量占聚合物纖維的10%－60%；用超聲波振蕩進行分散，將復合粘接劑加入到聚合物纖維中
2）采用“PlaTntex-SPA”噴絲板短程紡設備進行紡絲。紡絲過程如下：聚合物纖維與碳納米管混合、熔融紡絲、一道上油（甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%）、牽伸、二道上油（甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%)卷曲、熱定型、擺絲和打包成含碳納米管結構的聚合物纖維濾嘴絲束。
紡絲條件：溫度240～250℃，卷繞速度400m/min
拉伸與定型：拉伸溫度75℃，拉伸倍數(shù)6，定型溫度130℃，定型時間25分鐘。使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復合聚合物纖維。
在混紡中形成上述形貌的含碳納米管的聚合物絲原理：所紡制的用于制備香煙過濾嘴的聚合物絲直徑小，只有幾μm。碳納米管的長徑比非常大（這是碳納米管相對于其它納米材料的*特點之一），可以達到幾千以上，直徑30-40nm的碳納米管，長度可以達到μm。碳納米管的長度接近聚合物纖維絲的直徑，可以在紡絲過程中形成碳納米管“半插入”纖維絲表面，使含碳納米管的復合纖維絲呈現(xiàn)“毛毛蟲”形貌。但是需要控制碳納米管的含量不能太低，否則可能大部分碳納米管被*埋沒于聚合物纖維絲內(nèi)。而碳納米管的含量過大，則影響紡絲。還須兼顧成本與效益來控制加入的碳納米管的量。在濾嘴成型過程中，上述碳納米管的質(zhì)量占三乙酸甘油酯的較好比例為30%；由“碳納米管和三乙酸甘油酯形成的復合粘接劑的質(zhì)量占濾嘴絲束（聚合物纖維絲）的較好比例為15%。
經(jīng)選用儀器：FiltronaCOA200二十孔道吸煙機、HP5890氣相色譜儀、HP6890帶自動進樣器氣相色譜儀、HP3393Ａ數(shù)據(jù)處理機、HP5890氣相色譜和5988質(zhì)譜聯(lián)用儀，分別使用來測試，比較，可以確保測試結果的可靠性。采用ISO4387，ISO10315標準測試過濾嘴的濾除香煙中有害物質(zhì)的程度。并經(jīng)掃描電鏡觀察，紡制的聚合物絲（直徑小于3μm）表面被纖維狀的碳納米管（直徑為30-40nm）插入，碳納米管的狀態(tài)呈現(xiàn)一部分端插入聚合物絲表面，其余部分呈現(xiàn)游離狀態(tài)，被碳納米管插入的聚合物絲呈現(xiàn)為“毛毛蟲”模樣。如此絲束結合一起形成的絲束，制成過濾嘴，內(nèi)部具有由碳納米管形成的納米級的過濾孔道。
經(jīng)過檢測，經(jīng)碳納米管改性的聚合物纖維絲制備的過濾嘴使香煙中的焦油、苯并芘、酚類、吡啶基丙烯醛、苯并蒽等物質(zhì)的濾除率顯著高于不含碳納米管的聚合物纖維絲制備的過濾嘴。本研究的經(jīng)碳納米管改性的特殊結構的聚合物纖維絲與碳納米管結合牢固，碳納米管“半插入”纖維絲表面，或被粘合劑部分粘于纖維絲表面（部分游離）。因此不會溢出或被吸入肺里，相對于將碳納米管或其它納米材料直接混合于過濾嘴中，更加安全。
摘要
本發(fā)明公開了屬于化工原料制備技術領域的一種含碳納米管結構的聚合物纖維。在含碳納米管結構的聚合物纖維濾嘴成型過程中，先稱取碳納米管、聚合物纖維和粘合劑三乙酸甘油酯混合，用超聲波振蕩進行分散，將復合粘接劑加入到聚合物纖維中、經(jīng)過熔融紡絲、熱定型等多道工序，使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，呈“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復合聚合物纖維過濾嘴，各個復合纖維絲上的碳納米管可以相互之間形成納米網(wǎng)狀結構形成納米級過濾孔道，而且碳納米管本身具有有效的吸附能力，因此可以充分吸除煙氣中的有害物質(zhì)。也可以織成濾布，用于醫(yī)用口罩，可以防非典等。成為具有實質(zhì)意義的納米過濾材料。
權利要求
1.一種含碳納米管結構的聚合物纖維，其特征在于：所述含碳納米管結構的聚合物纖維由碳納米管、聚合物纖維（濾嘴絲束）和粘合劑三乙酸甘油酯混合而成，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管組成復合粘接劑，復合粘接劑的質(zhì)量占聚合物纖維的10%---60%。
2.一種含碳納米管結構的聚合物纖維制作工藝，其特征在于：所述制作工藝如下：
1）先稱取占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管和粘合劑三乙酸甘油酯混合組成復合粘接劑；再將占聚合物纖維質(zhì)量的10%－60%的復合粘接劑加入到聚合物纖維中，用超聲波振蕩進行分散，將復合粘接劑加入到聚合物纖維（濾嘴絲束）中；
2）采用“PlaTntex-SPA”噴絲板短程紡設備進行紡絲。紡絲過程如下：聚合物纖維與碳納米管混合、熔融紡絲、一道上油、牽伸、二道上油、卷曲、熱定型、擺絲和打包成含碳納米管結構的聚合物纖維濾嘴絲束；
紡絲條件：溫度240～250℃，卷繞速度400m/min；
拉伸與定型：拉伸溫度75℃，拉伸倍數(shù)6，定型溫度130℃，定型時間25分鐘，使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復合聚合物纖維。
3.根據(jù)權利要求1所述含碳納米管結構的聚合物纖維，其特征在于：所述聚合物纖維為丙綸或醋酸纖維。
4.根據(jù)權利要求2所述含碳納米管結構的聚合物纖維，其特征在于：所述一道上油和二道上油所上的油為甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%。
