一种烟气检测用棉纤维滤片及其制备方法，以及烟气检测方法

技术领域

本发明涉及检测分析领域，特别涉及一种烟气检测用棉纤维滤片及其制备方法，以及烟气检测方法。

背景技术

吸烟不仅可以引起多种疾病如慢性肺病、肺癌等，还与多种疾病如心血管疾病、脑中风、慢性支气管炎等有所关联。卷烟烟雾是一个复杂的混合体系，其中包含6000多种化学物质，通常分为主流烟气(MSS)和侧流烟气(SSS)。主流烟气可以直接被用户吸入体内。主流烟气中含有大量强致癌物质如一氧化碳(CO)、多环芳烃、亚硝胺、挥发性羰基化合物和挥发性酚等，对人体健康产生极大危害。因此，尽可能多的捕集烟气成分并建立香烟主流烟气中物质成分的高效分析方法，对研究和理解吸烟对人体健康的影响极为重要。

目前，市售的Whatman剑桥滤片可将大于0.1μm的粒相物截留，通常通过顶空或溶剂萃取等方式萃取后用GC进样分析烟气成分。然而，剑桥滤片的成分为玻璃纤维，玻璃纤维制备过程不安全，且现有的玻璃纤维滤片制作工艺相对复杂，成本较高，使用过后不易处理，对环境造成一定危害。

申请号为CN107907617A的专利申请提出在玻璃纤维滤片中添加预处理液(乙醇与0.2mol.L

另一种用于捕集烟气的滤片制作技术是将玻璃纤维滤片与合成纤维滤片制成复合纤维滤片，其中玻璃纤维层保证过滤精度，合成纤维层有效拦截吸附的烟气中的水汽。例如，申请号为CN112642222A的专利申请提出了一种双层复合纤维滤片用于捕集烟气粒相物，通过将玻璃纤维层与合成纤维层(包括涤纶纤维、锦纶纤维、维尼纶纤维、芳纶纤维、聚烯烃纤维、天丝纤维、黏胶纤维和粘结用复合纤维中的一种或几种)叠层设置，以保证过滤效率、过滤阻力、强度等特性。通过该技术制备捕集烟气的滤片，其工艺繁琐，包括疏解纤维、添加助剂、制备混合浆料、抄片等等。此外，添加的胶乳、增强助剂、消泡剂、分散剂等多种组分可能会在受热条件下产生干扰烟气组分的气相成分，从而影响烟气成分的准确定量。除此以外，上述两种技术制备的纤维滤片检测后不易处理，给环境带来一定的负担。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种烟气检测用棉纤维滤片及其制备方法，以及烟气检测方法。本发明制备的滤片，对待测物的捕集效率高，且滤片理化性能稳定，受热条件下不会产生干扰烟气成分定量分析，保证检测分析准确度，而且滤片材料环境友好、成本低廉。

本发明提供了一种烟气检测用棉纤维滤片的制备方法，包括以下步骤：

a)剪切天然棉纤维，得到碎纤维；之后，再放入粉碎机中粉碎，得到细小纤维；

b)对所述细小纤维进行疏解，得到蓬松细小纤维；

c1)取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片1；

c2)另取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片2；

c3)另取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片3；

d)将所述单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3层叠放置，通过压片机压合，得到三层复合的棉纤维滤片；

所述步骤c1)、步骤c2)和步骤c3)没有顺序限制。

优选的，所述单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3的质量分别独立的选自35～55mg；

所述单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3的质量比为1∶1∶1.57。

优选的，所述单层棉纤维滤片1的质量为35mg；

所述单层棉纤维滤片2的质量为35mg；

所述单层棉纤维滤片3的质量为55mg。

优选的，所述步骤c1)中，压制的压力为2MPa，保压时间为10s。

优选的，所述步骤c2)中，压制的压力为3MPa，保压时间为10s。

优选的，所述步骤c3)中，压制的压力为3MPa，保压时间为10s。

优选的，所述步骤a)中，所述碎纤维的长度为2cm；

所述细小纤维的长度为1～2mm。

优选的，所述步骤d)中，压制的压力为2MPa，保压时间为10s；

所述步骤b)中，所述疏解的条件为：以6000rpm进行疏解，疏解10min。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的烟气检测用棉纤维滤片。

本发明还提供了一种烟气检测方法，所用的滤片为上述技术方案中所述的烟气检测用棉纤维滤片。

本发明提供的上述制备方法中，以天然棉纤维作为原料，其为一种天然的生物质材料，具有非常丰富的孔隙结构，是一种具有毛细管多孔性特殊结构的物质，且棉纤维具有优异的天然形态，纵面呈不规则的而且沿纤维长度不断改变转向的螺旋形扭曲，这是滤片形成不同孔结构的前提。其次，棉纤维主要成分为纤维素，其纤维素大分子上存在许多亲水性基因(-OH)，一方面可以通过氢键更好的吸附烟气中的亲水性成分，另一方面可以截留水汽，降低测试结果的误差。除此以外，棉纤维组分简单，不会影响烟气成分的定量分析。本发明通过调节纤维含量和压片机压力大小，制备出递减孔径且各层孔径级分配理想的滤片，其中上层孔径范围为0.3-0.5μm，中层孔径范围为0.2-0.3μm，下层孔径范围为0.05-0.2μm，既保证了捕集效果、过滤精度，还有效截留了水汽；而且本方案方法简单、成本低廉环境友好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为实施例1和对比例1的GC-FID定量分析对比图；

图2为三乙酸甘油酯标准曲线图；

图3为甘油标准曲线图；

图4为实施例1与对比例1定量分析对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种烟气检测用棉纤维滤片的制备方法，包括以下步骤：

a)剪切天然棉纤维，得到碎纤维；之后，再放入粉碎机中粉碎，得到细小纤维；

b)对所述细小纤维进行疏解，得到蓬松细小纤维；

c1)取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片1；

c2)另取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片2；

c3)另取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片3；

d)将所述单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3层叠放置，通过压片机压合，得到三层复合的棉纤维滤片；

所述步骤c1)、步骤c2)和步骤c3)没有顺序限制。

本发明提供的上述制备方法中，以天然棉纤维作为原料，其为一种天然的生物质材料，具有非常丰富的孔隙结构，是一种具有毛细管多孔性特殊结构的物质，且棉纤维具有优异的天然形态，纵面呈不规则的而且沿纤维长度不断改变转向的螺旋形扭曲，这是滤片形成不同孔结构的前提。其次，棉纤维主要成分为纤维素，其纤维素大分子上存在许多亲水性基因(-OH)，一方面可以通过氢键更好的吸附烟气中的亲水性成分，另一方面可以截留水汽，降低测试结果的误差。除此以外，棉纤维组分简单，不会影响烟气成分的定量分析。本发明通过调节纤维含量和压片机压力大小，制备出递减孔径且各层孔径级分配理想的滤片，其中上层孔径范围为0.3-0.5μm，中层孔径范围为0.2-0.3μm，下层孔径范围为0.05-0.2μm，既保证了捕集效果、过滤精度，还有效截留了水汽；而且本方案方法简单、成本低廉环境友好。

[关于步骤a]：

a)：剪切天然棉纤维，得到碎纤维；之后，再放入粉碎机中粉碎，得到细小纤维。

本发明采用天然棉纤维为原料，其强度高、纤维抱合力大，可以保证滤片的强度；而且，天然棉纤维主要成分为纤维素，纤维素大分子上存在许多亲水性基团(-OH)，不仅可以通过氢键更好的吸附烟气中的亲水性成分，也可以截留水汽，降低测试结果的误差；同时，天然棉纤维本身是多孔物质，可有效捕集烟气中的小分子化合物；而且，天然棉纤维组分简单，不影响烟气成分的定量分析。本发明中，首先对天然棉纤维进行剪切，得到小段碎纤维。本发明中，所述碎纤维的长度优选为2cm。

本发明中，在上述剪切后，放入粉碎机中进行粉碎处理。本发明中，优选将所述碎纤维分多次加入高速多功能粉碎机中进行粉碎。本发明中，控制粉碎所得细小纤维的长度为1～2mm，若长度太大，会使滤片形成大孔，容易使烟气中的小分子物质逃逸，若长度太小，会降低滤片孔隙率，影响捕集效果。

[关于步骤b]：

b)：对所述细小纤维进行疏解，得到蓬松细小纤维。

本发明中，所述疏解利用纤维疏解机进行，通过纤维疏解机将细小纤维疏解开，使其变蓬松，防止因纤维团聚而降低滤片的均匀度。本发明中，所述疏解的条件优选为：以6000rpm进行疏解，疏解10min。在本发明的一些实施例中，采用SE003标准纤维疏解机进行疏解。经上述疏解处理后，得到蓬松细小纤维。

[关于步骤c1～c3]：

c1)取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片1；

c2)另取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片2；

c3)另取蓬松细小纤维制成圆饼状，通过压片机压制，得到单层棉纤维滤片3。

本发明中，分别取3份蓬松细小纤维，制成圆饼状，并通过压片机压制，得到3份单层棉纤维滤片。本发明对步骤c1)、步骤c2)和步骤c3)没有顺序限制。

其中，所述单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3的质量分别独立的选自35～55mg；而且，单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3的质量比优选为1∶1∶1.57。更优选的，所述单层棉纤维滤片1的质量为35mg，所述单层棉纤维滤片2的质量为35mg，所述单层棉纤维滤片3的质量为55mg，即步骤c1)～c3)取料时，分别按照35mg、35mg、55mg称取蓬松细小纤维。

其中，所述步骤c1)中，压片机压制的条件优选为：压力2MPa，保压时间为10s。所述步骤c2)中，压片机压制的条件优选为：压力3MPa，保压时间为10s。所述步骤c3)中，压片机压制的条件优选为：压力3MPa，保压时间为10s。

本发明对步骤c1)～c3)从质量及压制条件两方面协同控制，分别采用不同的质量和压制条件，从而使得3层滤片形成孔径逐级递减结构且每一层的孔径达到特定尺寸，即单层棉纤维滤片1的孔径＞单层棉纤维滤片2的孔径＞单层棉纤维滤片3的孔径，其中，单层棉纤维滤片1的孔径分布为0.3～0.5μm，单层棉纤维滤片2的孔径分布为0.2～0.3μm，单层棉纤维滤片3的孔径分布为0.05～0.2μm。本发明中，上述3个单层棉纤维滤片的直径优选为44mm。

[关于步骤d]：

d)：将所述单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3层叠放置，通过压片机压合，得到三层复合的棉纤维滤片。

本发明中，单层棉纤维滤片1、单层棉纤维滤片2和单层棉纤维滤片3依次层叠放置，即单层棉纤维滤片2为中间层，单层棉纤维滤片1和单层棉纤维滤片3为两侧的表层。更优选的，单层棉纤维滤片3置于底层，然后放置单层棉纤维滤片2作为中间层，最后再放置单层棉纤维滤片1作为顶层。

本发明中，所述压合的条件优选为：压力2MPa，保压10s。通过压合处理，使三层棉纤维滤片紧密复合，形成三层复合的棉纤维滤片产品。在将上述产品应用于烟气检测时，单层棉纤维滤片1面对烟气，单层棉纤维滤片3背向烟气，即烟气沿着单层棉纤维滤片1→单层棉纤维滤片3的方向穿过滤片。

本发明提供的上述制备方法中，以天然棉纤维作为原料，其为一种天然的生物质材料，具有非常丰富的孔隙结构，是一种具有毛细管多孔性特殊结构的物质，且棉纤维具有优异的天然形态，纵面呈不规则的而且沿纤维长度不断改变转向的螺旋形扭曲，这是滤片形成不同孔结构的前提。其次，棉纤维主要成分为纤维素，其纤维素大分子上存在许多亲水性基因(-OH)，一方面可以通过氢键更好的吸附烟气中的亲水性成分，另一方面可以截留水汽，降低测试结果的误差。除此以外，棉纤维组分简单，不会影响烟气成分的定量分析。本发明通过调节纤维含量和压片机压力大小，制备出递减孔径且各层孔径级分配理想的滤片，其中上层孔径范围为0.3-0.5μm，中层孔径范围为0.2-0.3μm，下层孔径范围为0.05-0.2μm，既保证了捕集效果、过滤精度，还有效截留了水汽；而且本方案方法简单、成本低廉环境友好。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的烟气检测用棉纤维滤片。

本发明还提供了一种烟气检测方法，所用的滤片为上述技术方案中所述的烟气检测用棉纤维滤片。具体的，将棉纤维滤片放入滤片夹持器中，放入卷烟抽吸设备中进行抽吸实验，然后再取出滤片并对滤片上捕集的成分进行提取和定量分析，从而完成烟气检测。所述定量分析具体为GC-FID定量分析。

本发明提供的棉纤维滤片能够有效捕集烟气成分，尤其是对甘油和三乙酸甘油酯能够高效捕集，提高测试准确度。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明以天然棉纤维作为原料，其孔隙结构相当丰富，是一种具有毛细管多孔性特殊结构的物质，棉纤维经剪切、粉碎、疏解使纤维接触面增大，改善了对于烟气成分的捕集效果；而且，本发明制备三层复合的滤片，孔径逐级递减，大孔径层主要用于吸附烟气中的粒相物，中孔径层保证过滤精度，小孔径层主要用于截留水汽，三层协同配合，能够有效提高捕集效果。同时，本发明所选择的材料组分简单且具有良好的物理及化学稳定性，在受热条件下不会产生干扰烟气成分的定量分析。另外，本发明方法简单、环境友好，选用的棉纤维材料天然、含杂质少，提高了棉纤维得利用价值。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

S1、将天然棉纤维剪切至长度为2cm的碎纤维。

S2、分多次将上述碎纤维放入高速多功能粉碎机中，粉碎至长度约2mm的细小纤维。

S3、将上述细小纤维放入SE003标准纤维疏解机中，以6000rpm疏解10min，得到蓬松细小纤维。

S4、取蓬松细小纤维35mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在2MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片1。

S5、取蓬松细小纤维35mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在3MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片2。

S6、取蓬松细小纤维55mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在3MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片3。

S7、将步骤S4所得单层棉纤维滤片1置于上层，步骤S5所得单层棉纤维滤片2置于中间层，步骤S6所得单层棉纤维滤片3置于下层，在2MPa压力下保持10s，将三层滤片压合，得到孔径逐级递减的三层复合棉纤维滤片。

对比例1

市售的Whatman公司生产的F319-04烟草检验用纯玻璃纤维滤片。

对比例2：单层滤片

S1、将天然棉纤维剪切至长度为2cm的碎纤维。

S2、分多次将上述碎纤维放入高速多功能粉碎机中，粉碎至长度约2mm的细小纤维。

S3、将上述细小纤维放入SE003标准纤维疏解机中，以6000rpm疏解10min，得到蓬松细小纤维。

S4、取蓬松细小纤维35mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在2MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片1。

对比例3：单层滤片

S1、将天然棉纤维剪切至长度为2cm的碎纤维。

S2、分多次将上述碎纤维放入高速多功能粉碎机中，粉碎至长度约2mm的细小纤维。

S3、将上述细小纤维放入SE003标准纤维疏解机中，以6000rpm疏解10min，得到蓬松细小纤维。

S4、取蓬松细小纤维55mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在3MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片3。

对比例4：双层滤片

S1、将天然棉纤维剪切至长度为2cm的碎纤维。

S2、分多次将上述碎纤维放入高速多功能粉碎机中，粉碎至长度约2mm的细小纤维。

S3、将上述细小纤维放入SE003标准纤维疏解机中，以6000rpm疏解10min，得到蓬松细小纤维。

S4、取蓬松细小纤维35mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在2MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片1。

S5、取蓬松细小纤维55mg，制成厚度均匀的圆饼状，通过压片机压制，控制在3MPa压力下保持10s，得到单层棉纤维滤片3。

S6、将步骤S4所得单层棉纤维滤片1置于上层，步骤S5所得单层棉纤维滤片3置于下层，在2MPa压力下保持10s，将双层复合棉纤维滤片。

实施例2：检测

1、GC-FID定量分析：

将滤片放入滤片夹持器中，放入卷烟抽吸设备中在250℃加热温度下进行卷烟抽吸实验。之后，用内标(萘)的异丙醇溶液提取滤片捕集到的烟气成分，震荡萃取60min后取上层清液，0.45μm有机滤膜过滤，进行GC-FID定量分析。

色谱设置条件为：DB-FFAP毛细管柱(30m×0.53mm×0.25mm)，柱温80℃，保持1min，以10℃/min的速率升温至220℃，保持9min。进样口温度220℃，分流比2:1，载气H

结果参见图1，图1为实施例1和对比例1的GC-FID定量分析对比图。由滤片捕集的烟气粒相物定量分析结果可以看出，同一条件下，无论是烟碱还是甘油及三乙酸甘油酯，实施例1所得棉纤维滤片的峰高及峰面积都略大于商业剑桥滤片，因此，本发明所制备的棉纤维滤片对烟气中的粒相物捕集效果优于商业剑桥滤片。

2、分析检测

选择加热不燃烧卷烟作为待测样，以烟气中含量较高的甘油和三乙酸甘油酯为例，分别配制2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L的甘油和三乙酸甘油酯溶液，绘制标准曲线，对所述制备的天然纤维滤片捕集到的烟气中的甘油和三乙酸甘油酯定量分析，检验其捕集效果。

结果如图2～4所示，其中，图2为三乙酸甘油酯标准曲线图，图3为甘油标准曲线图，图4为实施例1与对比例1定量分析对比图。具体数据参见表1。

表1实施例及对比例检测结果

由图3及表1测试结果可以看出，本发明制备的滤片的捕集效果优于商业剑桥滤片。与对比例2-4的效果对比证明，本发明采用特定的三层复合，才能有效提高烟气捕集效果，若采用单层或双层，效果均较差。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。