新型阻燃剂在低引燃倾向卷烟纸生产中的应用

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　　摘要：为了探索新型阻燃剂（LD及APP）对低引燃倾向（LIP）卷烟纸阻燃性能的影响。分别将阻燃剂LD、阻燃剂APP以及二者复配制备成相应的阻燃剂涂料，利用涂布的方法在卷烟纸上涂布阻燃带生产LIP卷烟纸，并对用该卷烟纸卷制的LIP卷烟样进行全长燃烧比例及阻燃带扩散率的测定。结果表明，当单独使用阻燃剂LD或APP时，两者都具有阻燃性，LD的阻燃性能优于APP;但单独使用LD进行涂布时，阻燃带存在边界扩散渗透现象;且随着LD含量的增大，阻燃带上的LD容易出现脱落（掉粉）现象。LD与APP进行复配可解决上述问题。当LD与APP复配阻燃剂（LD与APP质量比7∶3）含量达到16%左右时，卷烟的全长燃烧比例为20%，卷烟纸阻燃带扩散率为1.000 cm/s，可满足LIP卷烟纸的性能要求。
　　关键词：阻燃剂LD;阻燃剂APP;低引燃倾向卷烟纸;阻燃性能
　　中图分类号：TS761.2
　　文献标识码：A
　　DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.013
　　Abstract：To explore the effects of new flame retardants （LD and APP） on flame retardancy of cigarette paper with low ignition propensity （LIP）. Flame retardants LD， APP and their mixture were used to prepare the coatings respectively， which were used to product low ignition tendency cigarette sheet sample by using coating process. The properties of smoldering rate， fulllength combustion ratio and diffusivity of retardant zone of the cigarettes prepared with the sheet sample were analyzed. The test results showed that when the flame retardant LD or APP was used alone， both of them had flame retardant property. Flame retardant LD had better flame retardant performance than flame retardant APP， but when flame retardant LD was used alone for coating， there existed boundary diffusion penetration phenomenon in the flame retardant zone， and with the increase of LD dosage， the flame retardant LD on the flame retardant band was prone to drop off powder. The problems existing in the use of flame retardant LD alone， could be solved by using the combination of flame retardants LD and APP. When the content of flame retardants LD and APP reached about 16%， fulllength combustion ratio was 20%， and diffusivity was about 1.000 cm/s， the performance of LIP cigarette paper could meet the requirements.
　　Key words：flame retardant LD; flane retordant APP; cigarette paper with low ignition propensity; flame retardant performance
　　近年来，由于吸烟所引起的火灾问题越来越被重视。美国消防协会多年的火灾统计资料表明，在美国，吸烟是造成火灾的最主要原因之一，每年有800人左右死于因吸烟引起的火灾、2200多人因此受伤，同时造成的直接财产损失也高达几十亿美元[12]。为了减少火灾的发生，许多国家和地区已经制定了低引燃倾向（LIP）卷烟的相关法规，要求在本国生产和销售的卷烟必须为LIP卷烟[3]。
　　LIP卷烟纸可以通过卷烟纸表面涂布阻燃带、双层卷烟纸以及浆内加填等技术得以实现。在众多的技术中，由于表面涂布阻燃带的方法操作相对简便、價格低廉、高效实用、无毒环保，且使卷烟制造工艺更加完整等优点，从而成为LIP卷烟纸制作的主要技术手段并加以研究 [47]。一般LIP卷烟纸的阻燃带位置应符合以下要求：卷烟烟柱上必须至少有2条宽度完全相同的阻燃带，且必须有一个完整的阻燃带距离卷烟点燃端15 mm以上;另一条阻燃带距离烟丝柱末端10 mm以上。且明确规定每条阻燃带的宽度约为6 mm，两条阻燃带的间距约为18～21 mm。
　　本课题采用新型阻燃剂、使用涂布方法将阻燃剂涂布在卷烟纸阻燃带上，以期利用新型阻燃剂的分子结构与常规低引燃阻燃剂的分子结构不同，使LIP卷烟纸阻燃带的扩散率得到最大程度的保持（常规LIP卷烟纸阻燃带的扩散率在0.1～0.3 cm/s之间，没有阻燃带的普通卷烟纸扩散率在1.6～1.8 cm/s之间），并且其阻燃性能又能达到LIP卷烟所规定的标准要求，也使卷烟能最大程度地保持原有的品质。 　　1实验
　　1.1实验原料
　　横纹卷烟纸：定量27 g/m2 ，透气度90 CU，助燃剂含量1.8%，全木浆制作，杭州华丰纸业有限公司提供。
　　阻燃剂：LD（纳米级阻燃剂），APP（聚磷酸铵），北京理工大学提供。
　　LD阻燃机理：由于LD是纳米级材料组成的阻燃剂，当卷烟燃烧至LD阻燃带时，LD的阻燃特性使卷烟燃烧所需要的氧气不能及时提供，从而导致卷烟在阻燃带处熄火。
　　APP阻燃机理：APP兼具凝聚相阻燃机理和气相阻燃机理。凝聚相阻燃机理为：APP在阻燃过程中，并不单独起到阻燃作用，需结合碳源和气源，组成膨胀阻燃体系;气相阻燃机理为：APP分解后得到的磷酸类产物在高温下又会发生歧化反应，生成PO·和HPO·等游离基，在气相状态下捕捉活性H·游离基和HO·游离基。因此，在APP的阻燃机理中，是凝聚相阻燃和气相阻燃共同作用的结果。
　　1.2实验仪器
　　扩散度测试仪（A50，BKC公司）;数显搅拌器（D2025W，上海梅颖浦仪器仪器仪表制造有限公司）;恒温水浴锅（江苏科析仪器有限公司）;凹版印刷机（海宁腾达机械厂生产）。
　　1.3实验方法
　　（1） 分別配制不同浓度的LD、APP两种阻燃剂溶液，进行阻燃带涂布实验，得到涂布有不同阻燃剂的卷烟纸。测定涂布后卷烟纸阻燃剂含量和阻燃带扩散率。阻燃带区域宽度为6 mm，间隔区域宽度为18 mm。
　　（2）按照LD∶APP=7∶3（质量比）进行LDAPP复配阻燃剂的配制，然后进行涂布得到复配阻燃剂的卷烟纸，测定卷烟纸阻燃剂含量和阻燃带扩散率。阻燃带区域宽度为6 mm，间隔区域宽度为18 mm。
　　（3）用涂布有阻燃剂的卷烟纸卷制卷烟，进行卷烟样品的性能测定。
　　1.4性能测定
　　LIP卷烟纸阻燃带扩散率测定[8]：用扩散度测试仪进行阻燃带扩散率测定，每种样品测试10个点，取10次的平均值作为结果。该仪器的测量原理基于两种气体透过纸张时的扩散率（N2与CO2）。当N2扩散进入CO2时将会导致一定体积的CO2扩散入N2中，由标准的CO2分析仪进行分析测出纯N2中纯CO2的扩散度，用cm/s表示，以此来分析纸张的扩散度性能和均匀性。
　　卷烟引燃性能的测定：采用ASTM E2187—09的标准方法[3]，分别对卷烟样品的引燃性能进行测定，用卷烟全长燃烧比例（FLB）表示。每种样品测试3轮，每轮40支卷烟。取3轮的平均值作为结果，以%表示。
　　2结果与讨论
　　2.1阻燃剂LD对LIP卷烟阻燃性能的影响
　　2.1.1阻燃剂LD含量对卷烟全长燃烧比例的影响
　　图1为阻燃剂LD含量对卷烟全长燃烧比例的影响。由图1可知，卷烟全长燃烧比例随着阻燃剂LD含量的增加而降低，这是由于随着阻燃带LD含量的增加，造成阻燃带燃烧处接触氧气面积降低，从而致使卷烟纸在阻燃带处熄灭，并且阻燃剂含量不同，卷烟全长燃烧比例也存在很大差异。阻燃剂LD含量为10%、12%、14%、16%的全长燃烧比例分别为60%、30%、22%、10%。由于需要满足LIP卷烟
　　2.1.2阻燃剂LD含量对阻燃带扩散率的影响
　　图2为阻燃剂LD含量对阻燃带扩散率的影响。由图2可知，阻燃带扩散率随着阻燃剂LD含量的增加而减小。原因为卷烟纸的透气度也是影响卷烟全长燃烧比例的重要因素，阻燃剂LD含量的增加降低了氧气在阻燃带处外侧到内侧的扩散速度。阻燃剂LD含量从10%增加到16%时，阻燃带扩散率从1.327 cm/s减小到0.913 cm/s，减幅达45.6%;当阻燃剂LD含量从10%增加到12%时，其扩散率从1.327 cm/s减小到1.255 cm/s，减幅达5.7%;阻燃剂LD含量从12%增加到14%时，其扩散率从1.255 cm/s减小到1.014 cm/s，减幅达23.8%。可见，当阻燃剂LD含量在14%时，对阻燃带扩散率的影响比较大。实验中还发现，随着阻燃剂LD含量的增加，卷烟纸阻燃带处出现龟裂和掉粉现象。
　　2.2阻燃剂APP对LIP卷烟阻燃性能的影响
　　2.2.1阻燃剂APP含量对卷烟全长燃烧比例的影响
　　图3 为阻燃剂APP含量对卷烟全长燃烧比例的影响。由图3可知，卷烟全长燃烧比例随着阻燃剂APP含量的增加而降低。当阻燃剂APP含量为14%时，卷烟全长燃烧比例为55%;阻燃剂APP含量为16%时，卷烟全长燃烧比例为28%;这是由于阻燃剂APP本身就是阻燃材料，故而在含量很小时就能有较大的阻燃效果。当阻燃剂APP含量为18%、20%时，卷烟全长燃烧比例为16%、5%。由于需要满足LIP卷烟全长燃烧比例不超过25%的法规要求，故而阻燃剂APP含量为14%、16%不能选取。阻燃剂APP含量为20%的全长燃烧比例为5%，数据过低，因此选取阻燃剂APP含量为18%左右比较合适。
　　2.2.2阻燃剂APP含量对阻燃带扩散率的影响
　　图4为阻燃剂APP含量对阻燃带扩散率的影响。由图4可知，阻燃带扩散率随着阻燃剂APP含量的增加而减小。阻燃剂APP含量为14%、16%、18%、20%时，其阻燃带扩散率分别为1.315、1.172、1.086、0.942 cm/s。造成阻燃带扩散率减小的主要原因是随着阻燃剂APP含量的增加，造成阻燃带上的孔隙率减小从而导致阻燃带扩散率的减小。
　　2.3阻燃剂LDAPP对LIP卷烟阻燃性能的影响
　　2.3.1阻燃剂LDAPP含量对卷烟全长燃烧比例的影响
　　LDAPP含量的增加而降低。当阻燃剂LDAPP含量为12%时，卷烟全长燃烧比例为56%;阻燃剂LDAPP含量为14%时，卷烟全长燃烧比例为37%，减幅达到33.9%。当阻燃剂LDAPP含量为16%、18%时，卷烟全长燃烧比例为20%、12%。由于需要满足LIP卷烟全长燃烧比例不超过25%的要求，故而阻燃剂LDAPP含量为12%、14%不能选取;因此阻燃剂LDAPP含量为16%比较合适。 　　2.3.2阻燃剂LDAPP含量对阻燃带扩散率的影响
　　图6为 阻燃剂LDAPP含量对阻燃带扩散率的影响。由图6可知，阻燃带扩散率随着阻燃剂LDAPP含量的增加而减小，阻燃剂LDAPP含量為12%、14%、16%、18%时，阻燃带扩散率分别为1.256、1.147、1.020、0.984 cm/s。从图6中还可以看出，当阻燃剂LDAPP含量从12%增加到16%时，阻燃带扩散率呈直线下降，这是由于阻燃剂APP具有一定的黏性，当阻燃剂APP与LD复配后，增加了LD原溶液的黏性，使阻燃带上的阻燃剂含量比单独使用LD时增加，从而使扩散率减小，且当阻燃剂LDAPP含量超过16%后，对阻燃带扩散率的影响减缓;因此阻燃剂LDAPP含量在16%时较为合适。
　　3结论
　　研究了新型阻燃剂（LD及APP）对低引燃倾向（LIP）卷烟纸阻燃性能的影响。
　　（1）当单独使用阻燃剂LD或APP时，两者都具有阻燃性能。在相同阻燃剂含量下，LD的阻燃性能优于APP;但单独使用阻燃剂LD进行涂布时，阻燃带存在边界扩散渗透现象;且随着LD含量的增大，阻燃带上的LD出现脱落（掉粉）现象。
　　（2）将LD与APP复配的阻燃剂，可解决上述问题，当阻燃剂LDAPP含量达到16%左右时，卷烟纸阻燃带具有阻燃性能，LIP卷烟的全长燃烧比例能满足要求。
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