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兰德梅克公司含碳纳米管结构的聚合物纤维专利
点击次数：334 发布时间：2009/1/8
日前，正在美国威斯康辛大学访问的李辰砂博士委托北京兰德梅克公司转让其在清华大学工作期间的，《一种含碳纳米管结构的聚合物纤维》，该
申请号：200510055526.0
申请日：2005.03.16
颁证日：2006，12，12
技术领域
本发明属于化工原料制备技术领域，特别涉及一种含碳纳米管结构的聚合物纤维。
背景技术
香烟在燃烧过程中会产生大量的烟气,烟气是一种多相混合物的气溶胶,由连续的气相物质和分散的粒子相构成。卷烟燃烧产生的主流烟气通过滤嘴吸入口腔，主流烟气粒相中含有焦油、尼古丁等有害物质。它们在通过香烟过滤嘴时,被部分吸附并滞留在香烟过滤嘴上,烟气中具有多种挥发性和非挥发性有机物,如羧酸、醛、酮、醇、烟碱、酯类、酚类、萜烯类、烷烃类、植物碱及水分等。烟气的化学成分十分复杂,大约在5200种以上。1982年Mfdube等介绍,目前已鉴定出来的有3875种。其中苯并芘等十多种物质是世界公认的致癌物质,另外,如酚类、吡啶基丙烯醛、苯并蒽等是协同致癌物质。随着反吸烟运动的宣传和日益强大,促使烟草行业适应这个潮流,生产安全性卷烟,降低焦油等有害物质。许萍，宁敏，孙丰飞等在“中国烟草科学1999, (4):45—47”中的“添加无机盐对卷烟焦油量等的影响”，和赵百东“中国烟草学报2000，6（3）：26”中的“在美国研制成功降低卷烟焦油及有害成分滤嘴”报导了通过往过滤嘴的聚合物纤维丝添加无机盐的方法，改变烟碱和卷烟内在品质。刘若曼等人在“环境与健康杂志1999，16（4）：203-204”的“活性炭对香烟烟雾中有害微量元素的吸附效果”和张高科，崔国治在“建材地质 1997，（1）：33-35”的“海泡石型卷烟过滤咀的研制”中报导了在香烟过滤嘴内引入活性炭层或海泡石等吸附性物质，以达到在一定程度上脱除有害物质的目的。纳米科学的产生堪称科学史上的一次革命。纳米材料的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应等特性,使其具有广泛的应用前景,已被用作催化剂、添加剂及制造新功能材料的重要原料。张悠金等人在“化学研究与应用 2001，13（6）：709-711”的“纳米材料降低卷烟烟气粒相有害成分的研究”中报导，分别将纳米材料Al2O3、SiＯ2、TiＯ2通过直接混合混入过滤嘴中或原位熔融混纺纺丝加入到滤嘴内的聚合物过滤丝中,对卷烟烟气粒相中焦油、尼古丁等有害物质的去除起到了一定的作用。
王曙光等人在“科学通报 2002， 47（1）：14-16”的“碳纳米管负载氧化铝及其吸附水中的氟离子”、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”.中报导，碳纳米管(CNTs)具有独特一维纤维的结构、纳米级的直径、高的有效比表面积和高的长径比，化学性质稳定，被认为是一种良好的吸附过滤材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种含碳纳米管结构的聚合物纤维。其特征在于：所述含碳纳米管结构的聚合物纤维由碳纳米管与聚合物纤维构成，在滤嘴成型过程中，碳纳米管一端粘附或插入聚合物纤维内，另一端游离在外，呈“毛毛虫”形状的含碳纳米管的复合聚合物纤维。其制作工艺如下：
1）称取碳纳米管、聚合物纤维（滤嘴丝束）和粘合剂三乙酸甘油酯混合，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯质量20%～50%的碳纳米管组成复合粘接剂，复合粘接剂的质量占聚合物纤维的10%－60%；用超声波振荡进行分散，将复合粘接剂加入到聚合物纤维（滤嘴丝束）中；
2）采用“PlaTntex-SPA”喷丝板短程纺设备进行纺丝。纺丝过程如下：聚合物纤维与碳纳米管混合、熔融纺丝、一道上油、牵伸、二道上油、卷曲、热定型、摆丝和打包成含碳纳米管结构的聚合物纤维滤嘴丝束；
纺丝条件：温度240～250℃，卷绕速度400m/min；
拉伸与定型：拉伸温度75℃，拉伸倍数6，定型温度130℃，定型时间25分钟，使碳纳米管一端粘附或插入聚合物纤维内，另一端游离在外，形成“毛毛虫”形状的含碳纳米管的复合聚合物纤维。
所述聚合物纤维为丙纶或醋酸纤维
所述一道上油和二道上油所上的油为甘油，占聚合物纤维的质量比为0.1%
本发明的有益效果是将碳纳米管引入香烟过滤嘴的聚合物纤维，所制备的香烟过滤嘴内部在细观上具有纳米级的吸附过滤孔道，吸附比表面积大，而且发挥碳纳米管的优异的吸附性能。实验结果显示对有害物质的脱除率显著增高。另外，纳米结构的过滤纤维上碳纳米管与纤维丝有着牢固的结合，碳纳米管不会被吸入肺内。探讨了纳米材料降低卷烟烟气中有害成分的新途径，不但可以以减少吸烟对健康的危害。而且，制备的附带碳纳米管的聚合物纤维丝还可以织成过滤布，用于医用口罩以及其它与去除有害物质相关的应用领域。
具体实施方式
本发明提供一种含碳纳米管结构的聚合物纤维。所述含碳纳米管结构的聚合物纤维由碳纳米管与聚合物纤维构成，在滤嘴成型过程中，形成“毛毛虫”形状的含碳纳米管的复合聚合物纤维。其制作工艺如下：
1）称取碳纳米管、聚合物纤维丙纶或醋酸纤维（滤嘴丝束）和粘合剂三乙酸甘油酯混合，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯质量20%～50%的碳纳米管组成复合粘接剂，复合粘接剂的质量占聚合物纤维的10%－60%；用超声波振荡进行分散，将复合粘接剂加入到聚合物纤维中
2）采用“PlaTntex-SPA”喷丝板短程纺设备进行纺丝。纺丝过程如下：聚合物纤维与碳纳米管混合、熔融纺丝、一道上油（甘油，占聚合物纤维的质量比为0.1%）、牵伸、二道上油（甘油，占聚合物纤维的质量比为0.1%)卷曲、热定型、摆丝和打包成含碳纳米管结构的聚合物纤维滤嘴丝束。
纺丝条件：温度240～250℃，卷绕速度400m/min
拉伸与定型：拉伸温度75℃，拉伸倍数6，定型温度130℃，定型时间25分钟。使碳纳米管一端粘附或插入聚合物纤维内，另一端游离在外，形成“毛毛虫”形状的含碳纳米管的复合聚合物纤维。
在混纺中形成上述形貌的含碳纳米管的聚合物丝原理：所纺制的用于制备香烟过滤嘴的聚合物丝直径小，只有几μm。碳纳米管的长径比非常大（这是碳纳米管相对于其它纳米材料的独特特点），可以达到几千以上，直径30-40nm的碳纳米管，长度可以达到μm。碳纳米管的长度接近聚合物纤维丝的直径，可以在纺丝过程中形成碳纳米管“半插入”纤维丝表面，使含碳纳米管的复合纤维丝呈现“毛毛虫”形貌。但是需要控制碳纳米管的含量不能太低，否则可能大部分碳纳米管被完全埋没于聚合物纤维丝内。而碳纳米管的含量过大，则影响纺丝。还须兼顾成本与效益来控制加入的碳纳米管的量。在滤嘴成型过程中，上述碳纳米管的质量占三乙酸甘油酯的较好比例为30%；由“碳纳米管和三乙酸甘油酯形成的复合粘接剂的质量占滤嘴丝束（聚合物纤维丝）的较好比例为15%。
经选用仪器：FiltronaCOA200二十孔道吸烟机、HP5890气相色谱仪、HP6890带自动进样器气相色谱仪、HP3393Ａ数据处理机、HP5890气相色谱和5988质谱联用仪，分别使用来测试，比较，可以确保测试结果的可靠性。采用ISO4387，ISO10315标准测试过滤嘴的滤除香烟中有害物质的程度。并经扫描电镜观察，纺制的聚合物丝（直径小于3μm）表面被纤维状的碳纳米管（直径为30-40nm）插入，碳纳米管的状态呈现一部分端插入聚合物丝表面，其余部分呈现游离状态，被碳纳米管插入的聚合物丝呈现为“毛毛虫”模样。如此丝束结合一起形成的丝束，制成过滤嘴，内部具有由碳纳米管形成的纳米级的过滤孔道。
经过检测，经碳纳米管改性的聚合物纤维丝制备的过滤嘴使香烟中的焦油、苯并芘、酚类、吡啶基丙烯醛、苯并蒽等物质的滤除率显著高于不含碳纳米管的聚合物纤维丝制备的过滤嘴。本研究的经碳纳米管改性的特殊结构的聚合物纤维丝与碳纳米管结合牢固，碳纳米管“半插入”纤维丝表面，或被粘合剂部分粘于纤维丝表面（部分游离）。因此不会溢出或被吸入肺里，相对于将碳纳米管或其它纳米材料直接混合于过滤嘴中，更加安全。
摘要
本发明公开了属于化工原料制备技术领域的一种含碳纳米管结构的聚合物纤维。在含碳纳米管结构的聚合物纤维滤嘴成型过程中，先称取碳纳米管、聚合物纤维和粘合剂三乙酸甘油酯混合，用超声波振荡进行分散，将复合粘接剂加入到聚合物纤维中、经过熔融纺丝、热定型等多道工序，使碳纳米管一端粘附或插入聚合物纤维内，另一端游离在外，呈“毛毛虫”形状的含碳纳米管的复合聚合物纤维过滤嘴，各个复合纤维丝上的碳纳米管可以相互之间形成纳米网状结构形成纳米级过滤孔道，而且碳纳米管本身具有有效的吸附能力，因此可以充分吸除烟气中的有害物质。也可以织成滤布，用于医用口罩，可以防非典等。成为具有实质意义的纳米过滤材料。
权利要求
1.一种含碳纳米管结构的聚合物纤维，其特征在于：所述含碳纳米管结构的聚合物纤维由碳纳米管、聚合物纤维（滤嘴丝束）和粘合剂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质量20%～50%的碳纳米管组成复合粘接剂，复合粘接剂的质量占聚合物纤维的10%－－-60%。
2.一种含碳纳米管结构的聚合物纤维制作工艺，其特征在于：所述制作工艺如下：
1）先称取占三乙酸甘油酯质量20%～50%的碳纳米管和粘合剂三乙酸甘油酯混合组成复合粘接剂；再将占聚合物纤维质量的10%－60%的复合粘接剂加入到聚合物纤维中，用超声波振荡进行分散，将复合粘接剂加入到聚合物纤维（滤嘴丝束）中；
2）采用“PlaTntex-SPA”喷丝板短程纺设备进行纺丝。纺丝过程如下：聚合物纤维与碳纳米管混合、熔融纺丝、一道上油、牵伸、二道上油、卷曲、热定型、摆丝和打包成含碳纳米管结构的聚合物纤维滤嘴丝束；
纺丝条件：温度240～250℃，卷绕速度400m/min；
拉伸与定型：拉伸温度75℃，拉伸倍数6，定型温度130℃，定型时间25分钟，使碳纳米管一端粘附或插入聚合物纤维内，另一端游离在外，形成“毛毛虫”形状的含碳纳米管的复合聚合物纤维。
3.根据权利要求1所述含碳纳米管结构的聚合物纤维，其特征在于：所述聚合物纤维为丙纶或醋酸纤维。
4.根据权利要求2所述含碳纳米管结构的聚合物纤维，其特征在于：所述一道上油和二道上油所上的油为甘油，占聚合物纤维的质量比为0.1%。
