周明珠 邢軍 張文燦 李佳奇

摘要：為了探索新型阻燃劑（LD及APP）對低引燃傾向（LIP）卷煙紙阻燃性能的影響。分別將阻燃劑LD、阻燃劑APP以及二者復配制備成相應的阻燃劑涂料，利用涂布的方法在卷煙紙上涂布阻燃帶生產LIP卷煙紙，并對用該卷煙紙卷制的LIP卷煙樣進行全長燃燒比例及阻燃帶擴散率的測定。結果表明，當單獨使用阻燃劑LD或APP時，兩者都具有阻燃性，LD的阻燃性能優(yōu)于APP;但單獨使用LD進行涂布時，阻燃帶存在邊界擴散滲透現(xiàn)象;且隨著LD含量的增大，阻燃帶上的LD容易出現(xiàn)脫落（掉粉）現(xiàn)象。LD與APP進行復配可解決上述問題。當LD與APP復配阻燃劑（LD與APP質量比7∶3）含量達到16%左右時，卷煙的全長燃燒比例為20%，卷煙紙阻燃帶擴散率為1.000 cm/s，可滿足LIP卷煙紙的性能要求。

關鍵詞：阻燃劑LD;阻燃劑APP;低引燃傾向卷煙紙;阻燃性能

中圖分類號：TS761.2

文獻標識碼：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

近年來，由于吸煙所引起的火災問題越來越被重視。美國消防協(xié)會多年的火災統(tǒng)計資料表明，在美國，吸煙是造成火災的最主要原因之一，每年有800人左右死于因吸煙引起的火災、2200多人因此受傷，同時造成的直接財產損失也高達幾十億美元[12]。為了減少火災的發(fā)生，許多國家和地區(qū)已經制定了低引燃傾向（LIP）卷煙的相關法規(guī)，要求在本國生產和銷售的卷煙必須為LIP卷煙[3]。

LIP卷煙紙可以通過卷煙紙表面涂布阻燃帶、雙層卷煙紙以及漿內加填等技術得以實現(xiàn)。在眾多的技術中，由于表面涂布阻燃帶的方法操作相對簡便、價格低廉、高效實用、無毒環(huán)保，且使卷煙制造工藝更加完整等優(yōu)點，從而成為LIP卷煙紙制作的主要技術手段并加以研究 [47]。一般LIP卷煙紙的阻燃帶位置應符合以下要求：卷煙煙柱上必須至少有2條寬度完全相同的阻燃帶，且必須有一個完整的阻燃帶距離卷煙點燃端15 mm以上;另一條阻燃帶距離煙絲柱末端10 mm以上。且明確規(guī)定每條阻燃帶的寬度約為6 mm，兩條阻燃帶的間距約為18～21 mm。

本課題采用新型阻燃劑、使用涂布方法將阻燃劑涂布在卷煙紙阻燃帶上，以期利用新型阻燃劑的分子結構與常規(guī)低引燃阻燃劑的分子結構不同，使LIP卷煙紙阻燃帶的擴散率得到最大程度的保持（常規(guī)LIP卷煙紙阻燃帶的擴散率在0.1～0.3 cm/s之間，沒有阻燃帶的普通卷煙紙擴散率在1.6～1.8 cm/s之間），并且其阻燃性能又能達到LIP卷煙所規(guī)定的標準要求，也使卷煙能最大程度地保持原有的品質。

1實驗

1.1實驗原料

橫紋卷煙紙：定量27 g/m2 ，透氣度90 CU，助燃劑含量1.8%，全木漿制作，杭州華豐紙業(yè)有限公司提供。

阻燃劑：LD（納米級阻燃劑），APP（聚磷酸銨），北京理工大學提供。

LD阻燃機理：由于LD是納米級材料組成的阻燃劑，當卷煙燃燒至LD阻燃帶時，LD的阻燃特性使卷煙燃燒所需要的氧氣不能及時提供，從而導致卷煙在阻燃帶處熄火。

APP阻燃機理：APP兼具凝聚相阻燃機理和氣相阻燃機理。凝聚相阻燃機理為：APP在阻燃過程中，并不單獨起到阻燃作用，需結合碳源和氣源，組成膨脹阻燃體系;氣相阻燃機理為：APP分解后得到的磷酸類產物在高溫下又會發(fā)生歧化反應，生成PO·和HPO·等游離基，在氣相狀態(tài)下捕捉活性H·游離基和HO·游離基。因此，在APP的阻燃機理中，是凝聚相阻燃和氣相阻燃共同作用的結果。

1.2實驗儀器

擴散度測試儀（A50，BKC公司）;數(shù)顯攪拌器（D2025W，上海梅穎浦儀器儀器儀表制造有限公司）;恒溫水浴鍋（江蘇科析儀器有限公司）;凹版印刷機（海寧騰達機械廠生產）。

1.3實驗方法

（1） 分別配制不同濃度的LD、APP兩種阻燃劑溶液，進行阻燃帶涂布實驗，得到涂布有不同阻燃劑的卷煙紙。測定涂布后卷煙紙阻燃劑含量和阻燃帶擴散率。阻燃帶區(qū)域寬度為6 mm，間隔區(qū)域寬度為18 mm。

（2）按照LD∶APP=7∶3（質量比）進行LDAPP復配阻燃劑的配制，然后進行涂布得到復配阻燃劑的卷煙紙，測定卷煙紙阻燃劑含量和阻燃帶擴散率。阻燃帶區(qū)域寬度為6 mm，間隔區(qū)域寬度為18 mm。

（3）用涂布有阻燃劑的卷煙紙卷制卷煙，進行卷煙樣品的性能測定。

1.4性能測定

LIP卷煙紙阻燃帶擴散率測定[8]：用擴散度測試儀進行阻燃帶擴散率測定，每種樣品測試10個點，取10次的平均值作為結果。該儀器的測量原理基于兩種氣體透過紙張時的擴散率（N2與CO2）。當N2擴散進入CO2時將會導致一定體積的CO2擴散入N2中，由標準的CO2分析儀進行分析測出純N2中純CO2的擴散度，用cm/s表示，以此來分析紙張的擴散度性能和均勻性。

卷煙引燃性能的測定：采用ASTM E2187—09的標準方法[3]，分別對卷煙樣品的引燃性能進行測定，用卷煙全長燃燒比例（FLB）表示。每種樣品測試3輪，每輪40支卷煙。取3輪的平均值作為結果，以%表示。

2結果與討論

2.1阻燃劑LD對LIP卷煙阻燃性能的影響

2.1.1阻燃劑LD含量對卷煙全長燃燒比例的影響

圖1為阻燃劑LD含量對卷煙全長燃燒比例的影響。由圖1可知，卷煙全長燃燒比例隨著阻燃劑LD含量的增加而降低，這是由于隨著阻燃帶LD含量的增加，造成阻燃帶燃燒處接觸氧氣面積降低，從而致使卷煙紙在阻燃帶處熄滅，并且阻燃劑含量不同，卷煙全長燃燒比例也存在很大差異。阻燃劑LD含量為10%、12%、14%、16%的全長燃燒比例分別為60%、30%、22%、10%。由于需要滿足LIP卷煙

2.1.2阻燃劑LD含量對阻燃帶擴散率的影響

圖2為阻燃劑LD含量對阻燃帶擴散率的影響。由圖2可知，阻燃帶擴散率隨著阻燃劑LD含量的增加而減小。原因為卷煙紙的透氣度也是影響卷煙全長燃燒比例的重要因素，阻燃劑LD含量的增加降低了氧氣在阻燃帶處外側到內側的擴散速度。阻燃劑LD含量從10%增加到16%時，阻燃帶擴散率從1.327 cm/s減小到0.913 cm/s，減幅達45.6%;當阻燃劑LD含量從10%增加到12%時，其擴散率從1.327 cm/s減小到1.255 cm/s，減幅達5.7%;阻燃劑LD含量從12%增加到14%時，其擴散率從1.255 cm/s減小到1.014 cm/s，減幅達23.8%?？梢姡斪枞紕㎜D含量在14%時，對阻燃帶擴散率的影響比較大。實驗中還發(fā)現(xiàn)，隨著阻燃劑LD含量的增加，卷煙紙阻燃帶處出現(xiàn)龜裂和掉粉現(xiàn)象。

2.2阻燃劑APP對LIP卷煙阻燃性能的影響

2.2.1阻燃劑APP含量對卷煙全長燃燒比例的影響

圖3 為阻燃劑APP含量對卷煙全長燃燒比例的影響。由圖3可知，卷煙全長燃燒比例隨著阻燃劑APP含量的增加而降低。當阻燃劑APP含量為14%時，卷煙全長燃燒比例為55%;阻燃劑APP含量為16%時，卷煙全長燃燒比例為28%;這是由于阻燃劑APP本身就是阻燃材料，故而在含量很小時就能有較大的阻燃效果。當阻燃劑APP含量為18%、20%時，卷煙全長燃燒比例為16%、5%。由于需要滿足LIP卷煙全長燃燒比例不超過25%的法規(guī)要求，故而阻燃劑APP含量為14%、16%不能選取。阻燃劑APP含量為20%的全長燃燒比例為5%，數(shù)據(jù)過低，因此選取阻燃劑APP含量為18%左右比較合適。

2.2.2阻燃劑APP含量對阻燃帶擴散率的影響

圖4為阻燃劑APP含量對阻燃帶擴散率的影響。由圖4可知，阻燃帶擴散率隨著阻燃劑APP含量的增加而減小。阻燃劑APP含量為14%、16%、18%、20%時，其阻燃帶擴散率分別為1.315、1.172、1.086、0.942 cm/s。造成阻燃帶擴散率減小的主要原因是隨著阻燃劑APP含量的增加，造成阻燃帶上的孔隙率減小從而導致阻燃帶擴散率的減小。

2.3阻燃劑LDAPP對LIP卷煙阻燃性能的影響

2.3.1阻燃劑LDAPP含量對卷煙全長燃燒比例的影響

LDAPP含量的增加而降低。當阻燃劑LDAPP含量為12%時，卷煙全長燃燒比例為56%;阻燃劑LDAPP含量為14%時，卷煙全長燃燒比例為37%，減幅達到33.9%。當阻燃劑LDAPP含量為16%、18%時，卷煙全長燃燒比例為20%、12%。由于需要滿足LIP卷煙全長燃燒比例不超過25%的要求，故而阻燃劑LDAPP含量為12%、14%不能選取;因此阻燃劑LDAPP含量為16%比較合適。

2.3.2阻燃劑LDAPP含量對阻燃帶擴散率的影響

圖6為 阻燃劑LDAPP含量對阻燃帶擴散率的影響。由圖6可知，阻燃帶擴散率隨著阻燃劑LDAPP含量的增加而減小，阻燃劑LDAPP含量為12%、14%、16%、18%時，阻燃帶擴散率分別為1.256、1.147、1.020、0.984 cm/s。從圖6中還可以看出，當阻燃劑LDAPP含量從12%增加到16%時，阻燃帶擴散率呈直線下降，這是由于阻燃劑APP具有一定的黏性，當阻燃劑APP與LD復配后，增加了LD原溶液的黏性，使阻燃帶上的阻燃劑含量比單獨使用LD時增加，從而使擴散率減小，且當阻燃劑LDAPP含量超過16%后，對阻燃帶擴散率的影響減緩;因此阻燃劑LDAPP含量在16%時較為合適。

3結論

研究了新型阻燃劑（LD及APP）對低引燃傾向（LIP）卷煙紙阻燃性能的影響。

（1）當單獨使用阻燃劑LD或APP時，兩者都具有阻燃性能。在相同阻燃劑含量下，LD的阻燃性能優(yōu)于APP;但單獨使用阻燃劑LD進行涂布時，阻燃帶存在邊界擴散滲透現(xiàn)象;且隨著LD含量的增大，阻燃帶上的LD出現(xiàn)脫落（掉粉）現(xiàn)象。

（2）將LD與APP復配的阻燃劑，可解決上述問題，當阻燃劑LDAPP含量達到16%左右時，卷煙紙阻燃帶具有阻燃性能，LIP卷煙的全長燃燒比例能滿足要求。

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（責任編輯：常青）