煙用濾棒二醋酸纖維素的回收及靜電紡絲研究

沈靖軒，肖維毅，李景權，堯珍玉

(云南瑞升煙草技術(集團)有限公司，云南 昆明 650106)

煙用濾棒二醋酸纖維素的回收及靜電紡絲研究

沈靖軒，肖維毅，李景權*，堯珍玉

(云南瑞升煙草技術(集團)有限公司，云南 昆明 650106)

為實現(xiàn)廢棄煙用濾棒中有用資源的回收和利用，對廢棄煙用濾棒進行除雜、除紙、解纖、篩分處理，回收了其中的二醋酸纖維素，并采用靜電紡絲方法制備了二醋酸纖維素膜，對纖維素膜的過濾性能及吸附性能進行了表征。結果表明：回收的二醋酸纖維素表面光滑，無機械損傷，單根纖維呈Y型，長度為3～10 mm的纖維素占纖維總量的62.34%，三醋酸甘油酯含量為6.11 mg/g；當紡絲液中二醋酸纖維素的質量分數為12%時，靜電紡二醋酸纖維素膜中纖維表面光滑，粗細纖維相互纏結，纖維素膜的純水通量為1.125×104L/(m2·h)，對卵清蛋白的截留率為48.7%，對分散紅染料的吸附率為59.8%。

煙用濾棒 二醋酸纖維素 回收利用 靜電紡絲 過濾性能 吸附性能

在濾棒制造和卷煙生產過程中，產生大量的廢棄煙用濾棒，2015年中國銷售卷煙4 979.04萬箱[1]，消耗煙用絲束總量約為400 kt，按1.5%的成棒損耗計算，約產生廢棄煙用濾棒6 kt[2]。目前廢棄煙用濾棒的處理方式主要是焚燒和填埋，處理成本約300元/t，形成巨大的能源損耗及環(huán)境污染[3]。廢棄煙用濾棒主要成分包括質量分數為6%～10%的三醋酸甘油酯、6%～8% 的水分、0.2%的二氧化鈦、1%的油劑以及約90%的二醋酸纖維素[4]，其中二醋酸纖維素可回收利用，除了用于香煙過濾嘴外，也可以用作過濾材料等，用途十分廣泛[5-7]。

靜電紡絲制備的二醋酸纖維素納米纖維膜具有較高的比表面積和孔隙率，在吸附領域有著廣闊的應用前景，相關的研究也正在開展[8-9]。作者采用自主開發(fā)的廢棄煙用濾棒回收工藝，回收了廢棄煙用濾棒中的二醋酸纖維素，并通過靜電紡絲方法制備了二醋酸纖維素膜，研究了二醋酸纖維素膜的純水通量、截留率和吸附性能，實現(xiàn)了廢棄煙用濾棒的回收再利用，具有一定的經濟效益和社會效益。

1 實驗

1.1 原料及試劑

廢棄煙用二醋酸纖維素濾棒：云南瑞升煙草技術(集團)有限公司提供；異丙醇：分析純，汕頭市西隴化工廠有限公司產；正十七烷：純度大于等于99%，美國Acros公司產；N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、丙酮：分析純，國藥集團化學試劑有限公司產；卵清蛋白：分析純，美國Sigma公司產；分散紅染料：分析純，常州美勝生物材料有限公司產。

1.2 設備及儀器

除紙、篩分及解纖設備：自制；ZQS15型纖維篩分儀：陜西科技大學機械廠制；電子分析天平：瑞士梅特勒公司制；THZ-82恒溫振蕩器：常州國華儀器有限公司制；6890N/5973N氣/質聯(lián)用色譜儀：美國Agilent公司制； XL30E SEM型臺式掃描電子顯微鏡：日本Philips公司制；UV 759紫外可見光光度計：上海精密科學儀器有限公司制。

1.3 廢棄二醋酸纖維素濾棒的回收工藝

由于廢棄煙用濾棒在生產加工過程中需通過施加增塑劑、包裹成型紙、施膠卷制而成，要想達到廢棄煙用濾棒回收再利用目的，需要對廢棄煙用濾棒進行除雜、除紙、解纖、篩分等工序處理，才能獲得煙用絲束產品中的二醋酸纖維素，其回收工藝流程如圖1所示。

圖1 廢棄煙用濾棒回收工藝流程
Fig.1 Recovery flow chart of waste cigarette filter tip

1.4 靜電紡絲制備二醋酸纖維素膜

將回收的二醋酸纖維素溶于質量比為1:1的丙酮/DMAc混合溶液中，攪拌均勻，配制成二醋酸纖維素質量分數為10%～14%的靜電紡絲溶液；靜電紡絲電壓為14 kV，接收距離10 cm，溶液推進速度為2.5 mL/h，制得靜電紡二醋酸纖維素膜。

1.5 分析測試

表面形貌：對二醋酸纖維素和纖維膜試樣進行噴金處理后，采用掃描電鏡(SEM)對試樣表面形貌進行分析，工作參數為電壓20.0 kV，束流30～40 μA，真空度8～10 Pa。

三醋酸甘油酯含量：采用氣/質聯(lián)用色譜儀對回收二醋酸纖維素試樣進行測試。

纖維長度及其分布：依據GB/T 14336—2008 《化學纖維短纖維長度試驗方法》測試。

純水通量(J)：將二醋酸纖維素膜在0.15 MPa下預壓30 min，然后在0.1 MPa下測定一定時間內通過纖維膜的水的體積(V)，按式(1)計算J:

J=V/Amt

(1)

式中:Am為待測膜有效面積，取15 cm2，t為滲透時間。

截留率(R)：在0.1 MPa的壓力下，測試二醋酸纖維素膜在1 g/L卵清蛋白溶液中的吸光度，按式(2)計算R：

R=(Af-Ap)/Af×100%

(2)

式中：Af和Ap分別為卵清蛋白原液和濾液的吸光度。

吸附性能：在0.1 MPa的壓力下，用纖維素膜對100 mg/L分散紅染料廢水進行吸附，測試纖維素膜過濾前后廢水的吸光度。吸附率(C)按式(3)計算：

C=(1-Ae/A0)×100%

(3)

式中：A0和Ae分別為纖維素膜過濾前后染料廢水的吸光度。

2 結果與討論

2.1 回收二醋酸纖維素表面形貌

由圖2可知，回收的二醋酸纖維素表面光滑，無機械損傷，單根纖維為Y型形狀，有明顯溝槽，截面呈苜蓿葉形，保持了二醋酸纖維素的原有形貌，這說明采用自主開發(fā)的廢棄煙用濾棒回收處理技術可以很好地實現(xiàn)廢棄煙用濾棒中二醋酸纖維素的回收。

圖2 回收二醋酸纖維素的表面形貌Fig.2 Surface morphology of recycled cellulose diacetate fiber

2.2 回收二醋酸纖維素的纖維長度及其分布

由表1可知，廢棄煙用濾棒經解纖、篩分工藝處理后，回收的二醋酸纖維素纖維長度小于20 mm，其中長度為10～20 mm的纖維占纖維總量的3.09%，長度3～10 mmr的纖維占62.34%，長度為0.15～3.00 mm的纖維占17.29%。這主要是由于廢棄煙用濾棒解纖和篩分工藝分別采用了一定孔徑的篩網和滾筒篩分等技術，對二醋酸纖維素形成了一定規(guī)格范圍的分離和篩選，從而實現(xiàn)不同長度纖維的回收利用。

表1 回收二醋酸纖維素的纖維長度及分布Tab.1 Fiber length distribution of recycled cellulose diacetate fiber

注：回收醋酸纖維素質量為9.653 g。

2.3 回收二醋酸纖維素中三醋酸甘油酯含量

由表2可知，回收二醋酸纖維素中三醋酸甘油酯含量為6.11 mg/g，滿足煙用絲束和其他用途的生產原料要求。這是因為回收工藝中設置了去除三醋酸甘油酯的工序，從而降低了三醋酸甘油酯在二醋酸纖維素中的含量。

表2 回收二醋酸纖維素中三醋酸甘油酯含量Tab.2 Glyceryl triacetate content of recycled cellulose diacetate fiber

2.4 二醋酸纖維素膜的表面形貌

從圖3可以看出：當紡絲液中回收二醋酸纖維素的質量分數為10%時，二醋酸纖維素膜中纖維表面粗糙，且存在串珠現(xiàn)象，這是因為紡絲液濃度較低時，靜電紡絲時溶液流動性大，且溶劑丙酮快速揮發(fā)，從而導致纖維形貌粗糙；當紡絲液中回收二醋酸纖維素的質量分數為12%時，二醋酸纖維素膜中纖維表面光滑，粗細兩種纖維相互纏結，細纖維直徑約200 nm，粗纖維直徑約2 μm，這是因為二醋酸纖維素在質量比為1:1的丙酮/DMAc的溶液中發(fā)生了均勻的相分離過程，靜電紡絲時效果較好；當紡絲液中回收二醋酸纖維素的質量分數為14%時，二醋酸纖維素膜中纖維表面粗糙，且纖維之間相互纏結粘連，這是因為紡絲液濃度較高時，溶液黏度較大，溶液流動性變差，溶液噴出時會出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。

圖3 不同紡絲溶液濃度下二醋酸纖維素膜的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of cellulose diacetate fiber membrane at different spinning solution concentration

2.5 二醋酸纖維素膜的J和R

從表3可看出：隨著靜電紡絲溶液濃度提高，二醋酸纖維素膜的J先增大后減小，當紡絲液中回收二醋酸纖維素的質量分數為12%時，二醋酸纖維素膜的J最大，為1.125×104L/(m2·h)。這是因為當紡絲液濃度較低時，纖維表面會產生串珠，串珠的出現(xiàn)會降低纖維素膜的孔隙率，隨著紡絲液濃度的提高，纖維表面變得光滑，且粗細纖維纏結，因而J增加；但當紡絲液濃度較高時，粗細纖維纏結變得更加緊密，纖維之間的空隙變小，因此J又會降低。隨著靜電紡絲溶液濃度提高，二醋酸纖維素膜的R逐漸增大，這是因為紡絲溶液濃度提高，粗細纖維之前纏結變得更緊密，纖維素膜比表面積增大，因而對卵清蛋白的R增大。

表3 不同紡絲溶液濃度下二醋酸纖維素膜的J和RTab.3 J and R of cellulose diacetate fiber membrane at different spinning solution concentration

2.6 二醋酸纖維素膜的吸附性能

纖維膜對分散染料的吸附能力一般由纖維膜的比表面積決定，而纖維膜的比表面積與纖維膜的孔隙率成正比。從表4可以看出，隨著靜電紡絲溶液濃度的提高，二醋酸纖維素膜對分散紅染料的C先增大后減小，當紡絲溶液中回收二醋酸纖維素的質量分數為12%時，二醋酸纖維素膜的C最大，為59.8%。這是由于紡絲液濃度較低時，纖維表面出現(xiàn)串珠，紡絲液濃度較高時，纖維膜出現(xiàn)大面積纏結，導致纖維膜孔隙率下降所致。

表4 不同紡絲溶液濃度下二醋酸纖維素膜對分散紅染料的CTab.4 C of cellulose diacetate fiber membrane in Disperse Red at different spinning solution concentration

3 結論

a. 廢棄煙用濾棒經回收工藝處理后，回收的二醋酸纖維素表面光滑,無機械損傷，單根纖維呈Y型，長度為3～10 mm的纖維素占纖維總量的62.34%，三醋酸甘油酯含量為6.11 mg/g，可以滿足靜電紡絲的相關要求。

b. 將回收二醋酸纖維素溶于丙酮/DMAc的混合溶液中，在靜電紡絲電壓為14kV，接收距離10 cm，溶液推進速度為2.5mL/h的紡絲條件下可制備靜電紡二醋酸纖維素膜。

c. 當靜電紡絲溶液中回收的二醋酸纖維素質量分數為12%時，得到的二醋酸纖維素膜中纖維表面光滑，粗細兩種纖維相互纏結，纖維素膜的J為1.125×104L/(m2·h)，對卵清蛋白的R為48.7%，對分散紅染料的C為59.8%。

[1] 韓彥東.中國煙草2015年發(fā)展報告[N].東方煙草報,2016-04-22.

Han Yandong. Chinese tobacco development report 2015 [N]. Orient Tobacco Daily, 2016-04-22.

[2] 全國煙草標準化技術委員會.YC/T 413—2011,煙用材料消耗限額[S].北京:中國標準出版社,2012.

National Tabacco Standardization Technical Committees of China.YC/T 413—2011,Consumption quota of materials for cigarette[S].Beijing:Standards Press of China,2012.

[3] 蘆長椿. 醋酯纖維的開發(fā)與應用新進展[J]. 紡織導報，2016(3)：36,38,40-42.

Lu Changchun.Latest progress in the development and application of acetate fiber[J].Chin Text Lead,2016(3):36,38,40-42.

[4] 韓云輝. 煙用材料生產技術與應用[M].北京:中國質檢出版社，2012:29-75.

Han Yunhui. Production technology and application of tobacco materials [M]. Beijing: China Quality Inspection press, 2012:29-75.

[5] 陶美玲. 新型合成纖維醋酸纖維的生產和應用[J]. 四川化工，2006,9(1)：28-30,39.

Tao Meiling. Production and application of new synthetic acetate fiber[J]. Sichuan Chem Ind, 2006,9(1):28-30,39.

[6] 王石磊,張建波,張林. 醋酸纖維在紡織中的應用[J]. 染整技術，2009,21(9)：7-10.

Wang Shilei, Zhang Jianbo, Zhang Lin. Application of cellulose acetate in textile industry [J].Text Dye Finish J, 2009，21(9)：7-10.

[7] 張淑潔,司祥平,陳昀,等. 醋酸纖維的性能及應用[J]. 天津工業(yè)大學學報，2015(2)：38-42.

Zhang Shujie,Si Xiangping,Chen Yun,et al.Property and application of cellulose acetate fiber[J].J Tianjin Polytech Univ, 2015(2):38-42.

[8] 閆成成, 賈永堂 ,曾顯華,等.靜電紡納米纖維膜用于重金屬離子吸附的研究進展[J].材料導報, 2014,28(9):139-143.

Yan Chengcheng,Jia Yongtang,Zeng Xianhua,et al.Research development of electrospinning nanofiber mats for heavy metal ions adsorption[J].Mater Rev,2014,28(9):139-143.

[9] 臧傳鋒，任煜，林紅，等.靜電紡絲工藝對二醋酸纖維素納米纖維形貌及直徑的影響[J].合成纖維工業(yè),2016,39(1):31-34.

Zang Chuanfeng, Ren Yu, Lin Hong.Effect of electrospinning process on morphology and diameter of cellulose diacetate nanofiber[J].Chin Syn Fiber Ind,2016,39(1):31-34.

Recycling and electrospinning process of cellulose diacetate from waste cigarette filter tip

Shen Jingxuan, Xiao Weiyi, Li Jingquan, Yao Zhenyu

(Yunnan Reascend Tobacco Technology (Group) Co., Ltd., Kunming 650106)

In order to realize the recycling and re-using the useful resource from waste cigarette filter tip, the waste cigarette filter tips were subjected to impurity removal, paper removal, defibrination and screening to recycle cellulose diacetate which was produced into cellulose diacetate fiber membrane via electrospinning process. The filtration performance and adsorption property of the cellulose fiber membrane were characterized. The results showed that the recycled cellulose diacetate possessed smooth surface with no mechanical damage, Y-shaped single fiber, 62.34% cellulose fiber with the diameter of 3-10 mm based on the total fiber, and glyceryl triacetate content of 6.11 mg/g; and the electrospun cellulose diacetate fiber membrane had smooth fiber surface and thick-and-thin fibers entanglement, pure water flux 1.125×104L/(m2·h), albumin egg rejection of 48.7%, and adsorption rate for Disperse Red of 59.8% when the mass fraction of cellulose diacetate was 12% in the spinning solution.

cigarette filter tip; cellulose diacetate; recycling and utilizing; electrospinning process; filtration performance; adsorption property

2017- 03-20； 修改稿收到日期：2017- 06-25。

沈靖軒(1980—)，男，高級工程師，主要從事卷煙技術研發(fā)及管理。E-mail：shenjingxuan@reascend.com。

云南省科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新暨產業(yè)發(fā)展專項(2015XB041)。

TQ341+.2

A

1001- 0041(2017)04- 0032- 04

*通訊聯(lián)系人。E-mail：43887855@qq.com。