專利名稱：一種保水型改性活性炭材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及卷煙技術領域，具體地說是一種保水型改性活性炭材料及制備方法，該材料能夠增加卷煙煙氣中水分的含量。
背景技術：
卷煙煙氣是一種復雜的氣溶膠體系，其中含有大量的煙草特有的致香成分。消費者在吸食卷煙的過程中，經常會感到煙氣較為干燥，大大影響了卷煙的品質。這一情況在北方和氣候干燥的地區顯的尤為突出。通常的解決手段是在卷煙中(包括煙條和嘴棒)加入 一種保濕材料，在卷煙燃燒和抽吸時，能夠釋放出水分，從而增加卷煙主流煙氣中的水分含量。用于卷煙的保水材料應當具有較強的保水能力，加在卷煙中不產生異味，不會對卷煙內在品質產生負面影響。目前，我國煙草行業中主要采用甘油、丙二醇、木糖醇和山梨醇等多羥基物質作為保潤劑，這類化合物的羥基(OH)可以與水分子形成化學鍵，因而具有一定的吸濕性。使用此類保潤劑的主要目的在于維持加工過程中煙絲的含水率，提高煙絲的耐加工性，而對于成品卷煙含水率的維持、感官舒適度的改善效果則不太理想。理想的保潤劑應具有保濕和防潮雙重功效，即降低煙草含水率對環境溫濕度變化的敏感程度，始終保持煙絲含水率在一個相對穩定的范圍；同時注重對口感的改善效果。工業使用的卷煙保水材料均為有機材料，目前尚無無機保水材料報導。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型的無機保水材料一一保水型改性活性炭材料及制備方法。該材料其本身不參與燃燒，不產生負面影響物質，且具有良好的保水效果。本發明是在保證卷煙燃燒中不產生負面影響物質的基礎上，在卷煙中加入一定量的活性炭改性材料作為保水材料。在卷煙燃燒過程中，吸附在微孔中的水分被釋放出，增加卷煙煙氣中的水分。本發明解決技術問題的技術方案是作為保水材料的活性炭改性材料是用羥基鐵改性劑在煙用活性炭的表面增加一層羥基鐵化合物層。保水型改性活性炭材料的制備方法如下
1)分別配制O.2 O. 6mol/L Fe3+濃度的Fe鐵鹽溶液和O. 4 I. 2mol/L氫氧根離子濃度的堿溶液，攪拌條件下，將兩份溶液混合，使溶液中鐵離子與氫氧根離子的物質的量之比為1:2，鐵元素的最終濃度為O. I O. 15mol/L，攪拌Ih后，靜置，陳化24 36小時得羥基鐵改性劑；
2)將卷煙濾棒用的40-60目的活性炭材料加入去離子水中，活性炭與水的質量比范圍為1:100至1:50，攪拌30分鐘后，按活性炭懸濁液與羥基鐵試劑的質量比范圍為10:1至8:1的比例，加入陳化好的羥基鐵試劑，并劇烈攪拌10 16小時，棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀，過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。
羥基化鐵鹽包括氯化鐵、硝酸鐵等可溶性鐵鹽通過加入堿性物質，使鐵離子轉變為羥基化離子，并最終負載在活性炭表面，形成一層新的多孔表面，以增大材料表面對水分子的吸附作用，而達到保水的作用。經羥基化鐵鹽的改性，其比表面積增大，微孔數目增多。經水分吸附處理后，吸收進入材料孔內的水分通常狀況下不容易逸出，但在高溫燃燒過程中則會隨著主流煙氣一起向濾嘴端遷移，從而達到增大主流煙氣中水分的作用。在卷煙的煙絲中加入一定量的經水分吸附處理的改性活性炭材料。在卷煙的燃燒過程中，由于活性炭成分只會生成一氧化碳和二氧化碳，其中二氧化碳無負面影響，一氧化碳很容易通過增大卷煙紙和濾嘴透氣度而除去。該保水材料能很好地滿足卷煙保水的需求，且價格低廉，適用高效。
圖I現有的活性炭原料(左)與改性后活性炭(右)掃描電鏡示意圖。圖2現有的活性炭原料(a)與改性后活性炭(b)動態水分分析(DVS)曲線。
具體實施例方式實施例I :
分別配制O. 2mol/L的氯化鐵溶液和O. 4mol/L的氫氧化鈉溶液，攪拌條件下，將兩份溶液按體積比1:1混合，攪拌Ih后，靜置，陳化24小時。將卷煙濾棒用活性炭材料Ig加入IOOg去離子水中，攪拌30分鐘后，加入陳化好的羥基鐵試劑10g，并劇烈攪拌10小時。棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀。過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。將所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生產工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷煙中。實施例2
分別配制O. 3mol/L的硝酸鐵溶液和O. 6mol/L的氫氧化鈉溶液，攪拌條件下，將兩份溶液按體積比1:1混合，攪拌Ih后，靜置，陳化24小時。將卷煙濾棒用活性炭材料Ig加入IOOg去離子水中，攪拌30分鐘后，加入陳化好的羥基鐵試劑12. 5g,并劇烈攪拌10小時。棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀。過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。將所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生產工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷煙中。實施例3:
分別配制O. 4mol/L的氯化鐵溶液和O. 8mol/L的氫氧化鉀溶液，攪拌條件下，將兩份溶液按體積比1:1混合，攪拌Ih后，靜置，陳化24小時。將卷煙濾棒用活性炭材料Ig加入IOOg去離子水中，攪拌30分鐘后，加入陳化好的羥基鐵試劑12. 5g,并劇烈攪拌10小時。棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀。過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。將所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生產工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷煙中。實施例4:
分別配制O. 2mol/L的硝酸鐵溶液和O. 4mol/L的氫氧化鉀溶液，攪拌條件下，將兩份溶液按體積比1:1混合，攪拌Ih后，靜置，陳化24小時。將卷煙濾棒用活性炭材料Ig加入50g去離子水中，攪拌30分鐘后，加入陳化好的羥基鐵試劑5g，并劇烈攪拌16小時。棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀。過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。將所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生產工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷煙中。實施例5:
分別配制O. 2mol/L的氯化鐵溶液和O. 4mol/L的氫氧化鈉溶液，攪拌條件下，將兩份溶液按體積比1:1混合，攪拌Ih后，靜置，陳化24小時。將卷煙濾棒用活性炭材料Ig加入IOOg去離子水中，攪拌30分鐘后，加入陳化好的羥基鐵試劑12. 5g,并劇烈攪拌16小時。棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀。過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。將所得的改性活性炭材料研磨后，在煙絲混合過程中直接以粉末態干法加入到卷煙濾棒中，并最終卷制成卷煙。 實施例6:
分別配制O. 4mol/L的氯化鐵溶液和O. 8mol/L的氫氧化鉀溶液，攪拌條件下，將兩份溶液按體積比1:1混合，攪拌Ih后，靜置，陳化24小時。將卷煙濾棒用活性炭材料Ig加入50g去離子水中，攪拌30分鐘后，加入陳化好的羥基鐵試劑5g，并劇烈攪拌10小時。棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀。過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。將所得的改性活性炭材料研磨后，在煙絲混合過程中直接以粉末態干法加入到卷煙濾棒中，并最終卷制成卷煙。所得改性活性炭樣品與原活性炭進行氮氣物理吸附測試，其平均比表面積、孔徑和孔容如表I所示(實施例I)。表I原活性炭和改性活性炭的平均比較面積、孔徑和孔容對比
樣品I平均比表面積(m2/g) I平均孔容(ml/g) I平均孔徑(mn)_
原活性炭 1221. 1852_O. 739632_2. 42267_
改性活性炭 | 289·7113|θ. 774648\2.40255
從表I的數據可以看出，改性后的活性炭材料相對于原活性炭，其平均表面積和孔容
都有所增大，但孔徑略有減小。這說明羥基鐵試劑被吸附在了活性炭表面，并形成了一層新
的小孔結構。但這一層新的多孔層并沒有完全覆蓋活性炭層，因此，平均孔徑的減小幅度不大。將原活性炭和改性活性炭分別進行掃描電鏡測試，如圖I所示。可以明顯看出，活性炭表面被一層更為細致的多孔層覆蓋，但覆蓋的并不完全，仍有很大面積的活性炭暴露在外。這也證實了我們前述的推測。為了測試改性后的活性炭材料對水分保持的效果，將原活性炭和改性活性炭分別進行動態水分分析(DVS)，其結果如圖2所示。從圖中可以清楚看出，改性后的活性炭對水分的保持能力大幅度提高。以80%濕度下平衡的樣品為例，原活性炭只能在60%的環境濕度下保持原有水分量，當環境濕度降至40%時，幾乎已失去全部吸收的水分；而改性后的活性炭在40%的環境濕度下的保水量和80%時幾乎沒有區別。這主要是因為改性活性炭的表面小孔增多，對水分子的吸附力加大；且由于羥基鐵具有很多的羥基基團，也能夠通過氫鍵作用而增強材料對水分子的吸附能力。以上結果都說明改性后的活性炭材料具有很好的保水性能，且不會產生負面影響物質，能夠作為煙草中保水材料使用。
該材料可以在卷煙制作過程中不能以常規的溶于香精香料溶液的方式添加；需要將粉末改性活炭材料加工成型，以薄片的形式加入；或將粉末態的改性活性炭材料直接加入到卷煙濾棒中制成特殊嘴棒，并應用到卷煙上。在卷煙燃燒過程中，水分子受熱會釋放出 來，增加煙氣中的水分含量。
權利要求
1.一種保水型改性活性炭材料的制備方法，其特征在于按以下步驟進行 1)分別配制0.2 0. 6mol/L Fe3+濃度的Fe鐵鹽溶液和0. 4 I. 2mol/L氫氧根離子濃度的堿溶液，攪拌條件下，將兩份溶液混合，使溶液中鐵離子與氫氧根離子的物質的量之比為1:2，鐵元素的最終濃度為0. I 0. 15mol/L，攪拌Ih后，靜置，陳化24 36小時得羥基鐵改性劑； 2)將卷煙濾棒用的40-60目的活性炭材料加入去離子水中，活性炭與水的質量比范圍為1:100至1:50，攪拌30分鐘后，按活性炭懸濁液與羥基鐵試劑的質量比范圍為10:1至8:1的比例，加入陳化好的羥基鐵試劑，并劇烈攪拌10 16小時，棄去上層溶液，并用去離子水清洗多次，直至上層水呈無色透明狀，過濾出改性好的活性炭，并真空干燥。
2.根據權利要求I所述的保水型改性活性炭材料的制備方法，其特征在于所述的羥基化鐵鹽包括氯化鐵、硝酸鐵可溶性鐵鹽。
3.根據權利要求I所述的保水型改性活性炭材料的制備方法，其特征在于所述的堿溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
4.一種用權利要求I所述的改性活性炭保水材料的制備方法制備的在改性活性炭保水材料。
全文摘要
本發明涉及一種保水型改性活性炭材料及制備方法。采用卷煙嘴棒中常用的活性炭材料為基質進行改性。用羥基鐵改性劑在煙用活性炭的表面增加一層羥基鐵化合物層。通過物理吸附、掃描電鏡和動態水分分析的測試，結果表明經改性后的活性炭材料表面小孔增多，對水分子的吸附力加大；且由于羥基鐵具有很多的羥基基團，也能夠通過氫鍵作用而增強材料對水分子的吸附能力。在其添加到卷煙中以后，卷煙燃燒時，高溫會使水分子從材料中逸出，從而增加卷煙主流煙氣中水分的含量。該保水材料能很好地滿足卷煙保水的需求，且價格低廉，適用高效。
文檔編號B01J20/32GK102806067SQ20121026378
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月29日 優先權日2012年7月29日
發明者何沛, 劉志華, 王昆淼, 耿俊, 韓敬美, 趙偉, 劉春波, 陳永寬, 繆明明 申請人:云南煙草科學研究院