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摘 要

香烟滤嘴棒可在一定程度上吸附烟草燃烧产生的对人体有害的多组分烟雾，目前香烟滤棒滤芯以二醋酸纤维素(CDA)及其复合纤维为主。相较于一般纤维，纳米纤维拥有庞大的比表面积，可大大增加被吸附分子和吸附剂间的接触几率，但由于纳米纤维直径较小，纤维在受力时容易发生断裂从而影响材料的过滤效率，因而制备多组分复合纳米纤维，就成为克服其不足之处的必经之路。

在本研究中，借助聚丙烯腈(PAN)良好的力学性能、热稳定性及较好的可纺性，将CDA和PAN溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，借助静电纺丝技术来制取不同组成的CDA-PAN纳米纤维膜，并对所制得的多组纳米纤维膜开展性能测试，特别是烟碱的截留率。

关键词：二醋酸纤维素 聚丙烯腈 复合纳米纤维膜 静电纺丝 烟碱吸附

Study on Adsorption of Nicotine by CDA Nanofiber Membrane

ABSTRACT

Cigarette filter rods can absorb the harmful multi-component smoke produced by tobacco burning to a certain extent. At present, cigarette filter rod filter cores are mainly composed of cellulose diacetate (CDA) and its composite fibers. Compared with ordinary fibers, nanofibers have a large specific surface area, which can greatly increase the probability of contact between the adsorbed molecules and the adsorbent. However, due to the small diameter of the nanofibers, the fibers are likely to break when subjected to force, which affects the filtration efficiency of the material. Therefore, the preparation of multi-component composite nanofiber has become the only way to overcome its shortcomings.

In this study, with the help of polyacrylonitrile (PAN) good mechanical properties, thermal stability and good spinnability, using electrospinning technology, with N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent. Preparation of CDA-PAN composite nanofiber membrane. The obtained nanofiber membrane was characterized for performance, especially the rejection rate of nicotine.

Keywords: Cellulose diacetate; polyacrylonitrile; composite nanofiber membrane; electrospinning; nicotine adsorption

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1选题背景及研究意义 1

1.2香烟烟雾及香烟滤嘴 1

1.3二醋酸纤维素 2

1.4聚丙烯腈 3

1.5本课题思路 3

第二章 实验原理 5

2.1静电纺丝简介 5

2.2静电纺丝原理 5

2.3静电纺丝设备 6

第三章 实验部分 8

3.1实验材料和实验仪器 8

3.2实验方案 9

3.2.1静电纺CDA-PAN纤维 9

3.2.2断裂强力测定 10

3.2.3接触角测定 10

3.2.4烟碱吸附 11

3.2.5实验的注意事项 11

第四章 实验结果与讨论 12

4.1断裂强力测定 12

4.2扫描电镜分析 12

4.3接触角测定 14

4.4 复合膜对烟碱的吸附性能 15

第五章 结论与展望 16

5.1结论 16

5.2展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第一章 前言

1.1选题背景及研究意义

我国是烟草大国，根据有关数据表明，吸烟是导致肺癌发生的最重要的环境要素，吸烟者发生肺癌的几率是非吸烟者的近10倍^[1]。作为一种并不罕见的恶性肿瘤，高居榜首的发病率和死亡率使肺癌对人们的生命和健康构成了严峻的威胁，也使其危险系数远远大于其他的恶性肿瘤。吸烟的致癌性来自于香烟烟雾中包含的多种致癌物质，因此香烟滤嘴的功能从出现之初的装饰作用逐渐演变为吸附香烟烟雾中的有害物质，以此来达到人们对低害香烟的需求^[2]。目前二醋酸纤维素仍是香烟滤嘴的主要有效成分之一，然而它还有很多的不足，如大部分有害物质的去除效率较低，力学性能和热稳定性较差，因此烟用滤嘴棒的研究方向有二醋纤的改性和研发新型滤嘴等^[3]。身为膜材料家族中并不罕见的一员，聚丙烯腈具备优异的力学性能，高度的热稳定性，且可纺性较好，因此本论文对二醋酸纤维素-聚丙烯腈复合纳米纤维膜对烟碱的吸附性能研究，具有一定程度上的实际意义。

1.2香烟烟雾及香烟滤嘴

香烟烟雾是由于在吸烟过程中烟草未完全燃烧而产生的。香烟烟雾是一种包含2000多种化学成分的气雾剂，例如尼古丁（烟碱），焦油，一氧化碳(CO)，可吸入颗粒物，重金属（As，Cr，Cd，Pb等），芳烃等以及许多其他对人体有害的致癌物质^[4]，吸入这种有毒的香烟烟雾是导致多种致命疾病(例如癌症，哮喘，高血压等)的主要因素^[5-7]。烟碱作为香烟烟雾的主要成分之一，除具有高度的成瘾性外，还具有严重的副作用。一根普通的香烟大约能吸收2毫克的烟碱，这对于无限制吸烟者来说太多了。过量摄入会对吸烟者的心脏，肺，肾脏，生殖系统等产生不利影响^[8]。只需要很少的烟碱就能使人保持高度的兴奋状态，对人的神经敏感度造成影响并使人体处于麻痹状态，而且会对人的神经系统造成比较消极的强烈刺激作用，若是吸入大量则会引发晕眩，呕吐甚至是死亡^[9]。因此，对于其均衡和安全的摄入量，降低在香烟烟雾中的浓度至关重要，为香烟过滤嘴开发更好的烟雾过滤器及吸附技术也成为人们的迫切需要。

早期人们还没有意识到香烟烟雾的危害，就使得香烟结构中缺少滤嘴这一组成部分，香烟滤嘴的正式出现是在1925年，匈牙利人民共和国人Aivaz把皱纸当做香烟滤嘴的主要成分造出了第一支带有滤嘴的香烟。直到1950年过滤材料醋酸纤维的出现，才使香烟滤嘴逐渐受到人们的关注与认可。为了更好地实现香烟滤嘴的降焦减害，许多科研人员开始着手探究香烟滤嘴在主流烟气截留方面有哪些吸附机理。Keith首先研究了单一材质滤嘴的吸附机理，经研究后发现了烟气截留的三种主要机理，分别是惯性碰撞、扩散沉积、直接拦截；欧文吨探讨了上述三种吸附机理的截留效率的优劣，尤其是对烟气微粒，他发现起主要作用的是扩散沉积吸附机理和直接拦截吸附机理，相对来说比较常见的惯性碰撞吸附机理的贡献反而比较低。此外，重力沉降、热扩散和涡旋扩散等截留机制也发挥了作用^[10]。目前香烟滤嘴有普通单一滤嘴，特殊滤嘴和新型滤嘴。特殊滤嘴按其构造形式可分为二元复合滤嘴，三元复合滤嘴，异型结构滤嘴；其中异型结构滤嘴又包括沟槽滤嘴和空腔滤嘴^[11]。由于CA兼具无毒、无味、无臭和很高的过滤效率，同时具有选择性过滤的特性，即既能保持香味又能去除不愉快的气味^[12]，因此，香烟过滤嘴有90%由CA组成^[13]。

1.3二醋酸纤维素

作为纤维素的衍生物中的一种，CA是纤维素结构单元六元环上的羟基或羟乙基与乙酸酐进行乙酰化反应后制得的一类纤维素酯，其结构如下图1-1所示。醋酸纤维素是以天然木浆作为反应物料，通过醋化过程和纺丝过程而得的再生纤维素纤维，而且根据醋酸纤维素结构单元六元环上的羟基和羟甲基被取代的程度不同，又可分为二醋纤[cellulose diacetate fiber，(CDA)]和三醋纤，它们两者的不同点就在于三醋纤的羟基取代度大于2.8而CDA的则小于2.8。CDA既具有合成纤维和人造纤维的优良特性，比如热稳定性，又具有天然纤维的优点，比如良好的孔隙率。工业上生产出来的CDA有以下几个特点：丝束截面的形状表现为Ｙ形，较高的比表面积，较强的吸附能力，较小的吸阻，十分显著过滤效果，并且他自身无毒无味，能够在吸附去除异味的同时又能有选择性地将周围的有毒物质（如香烟烟气中的烟碱等）很好地吸附掉，抗菌、抑菌效果良好^[14]。

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