陳水平，李海山，蔣志輝，王 靜，院國軍，韓 軍

（1.湖北金葉玉陽化纖有限公司，湖北 宜昌 444100；2.昆明瑞豐印刷有限公司，云南 昆明 650217；3.陜西金葉印務有限公司，陜西 西安 710000）

隨著科技進步和人民生活水平的提高，各種新穎、獨特的香煙濾嘴棒[1]陸續(xù)推出，在提升卷煙產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)的同時，也強化了煙民的視覺效果和品質(zhì)感，得到了廣大煙民的歡迎和認可。作為新型特種濾棒的一種，彩色濾嘴棒的研發(fā)也引起了部分科研人員的重視。

對濾嘴棒來說，安全衛(wèi)生指標至關重要，實行一票否決制。從濾棒的生產(chǎn)工藝和安全角度考慮，彩色絲束的制備不能像紡織品那樣通過印染的方式來完成，只能考慮比較安全的原液著色方式對煙用絲束進行染色，然后用彩色煙用絲束進一步加工制成幻彩濾嘴棒。

單純從技術角度考慮，醋纖絲束也可以通過原液著色的方式生產(chǎn)出彩色絲束[2]，但是在彩色絲束生產(chǎn)轉(zhuǎn)換時，需要較長時間用丙酮清洗漿液儲罐和輸送管道，特別是由彩色絲束轉(zhuǎn)換成白色絲束時，有時需要一周左右才能徹底清洗干凈，從而使生產(chǎn)成本大幅上升。醋纖絲束的生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量大都在萬噸以上，一些廠家曾嘗試過開發(fā)彩色絲束，但最終因產(chǎn)品過渡時清洗麻煩、成本過高，放棄了彩色醋纖絲束的生產(chǎn)。

聚乳酸（PLA）擁有良好的安全環(huán)保性能，PLA 薄膜濾棒和PLA 纖維濾棒已開始在部分的卷煙品牌上應用推廣。由于聚乳酸是采用熔融法紡絲，工藝流程短、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換靈活、過渡清洗成本低，在彩色絲束生產(chǎn)方面有較大優(yōu)勢，有必要對彩色PLA 絲束及濾棒進行研究。

1 PLA 纖維原液著色

原液著色是指在聚合物合成或紡絲過程中，在原料中加入顏料或染料，使顏料或染料與聚合物一起進入螺桿擠出機，在熔融輸送過程中顏料顆粒會分散在聚合物熔體中，有機染料也會溶解在聚合物熔體中，經(jīng)噴絲孔擠出后，可直接生產(chǎn)出有色纖維。該方法具有生產(chǎn)工藝簡單、污染物排放少、制品色澤均勻和著色牢度高等優(yōu)點，是一項節(jié)能環(huán)保的著色技術[3-4]，能充分發(fā)揮PLA 纖維綠色環(huán)保的優(yōu)勢。

1.1 著色劑與著色原理

著色劑分為染料和顏料兩大類。染料通過溶解于媒介中進行染色，PLA 具有疏水親油性，與有機染料相容性好，有機染料可以通過熔融共混與PLA 均勻混合而染色，也可以通過與PLA 端部的羧基和羥基進行化學結(jié)合而增加著色效果。顏料是通過均勻分布在纖維內(nèi)的細微顆粒對光線進行吸收、反射和折射等作用使纖維達到著色效果，其著色過程沒有化學變化，只要顏料能以微粒狀態(tài)均勻分散在PLA 纖維中即可，對與PLA 的親和力和結(jié)合力要求低，因此顏料的選擇范圍相應較寬。

1.2 著色工藝

纖維原液著色工藝可以分為聚合過程著色和紡絲過程著色。針對采用熔融紡絲的PLA 纖維來說，根據(jù)著色劑的處理方法不同又可分為直接染料著色和色母粒著色2 種。

1.2.1 聚合階段著色法

這是一種在聚合物合成時加入著色劑，直接生產(chǎn)出有色聚合物，再將著色聚合物紡成有色纖維的方法。由于著色劑會玷污反應釜，更換顏色時清洗成本高、非常麻煩，只適用于單品種大批量生產(chǎn)。對聚乳酸樹脂來說，目前還沒有批量的彩色工業(yè)產(chǎn)品銷售。

1.2.2 直接染料著色法

直接染料著色法是將有機染料與聚合物樹脂，按一定比例直接混合后進行熔融紡絲的方法。部分有機染料與PLA 樹脂相容性好，在常溫或加熱狀態(tài)下有一定粘合性，通過攪拌后可以粘附在PLA 樹脂上達到均勻混合。該方法染料會污染混合加料系統(tǒng)，更換顏色時需要進行清洗，或者選擇不同的混合加料裝置，但清洗成本并不高，具有一定的經(jīng)濟性和實用性。

1.2.3 色母粒著色法

這是先將著色劑制成色母粒，然后在紡絲時加入色母粒使聚合物熔體著色，進而生產(chǎn)出著色纖維的方法，其特點為：上料可采用氣流輸送、自動化程度高；該方法的上料過程不產(chǎn)生污染，對紡絲機污染較小，過度清洗成本低、經(jīng)濟高效；纖維的顏色可通過調(diào)節(jié)色母粒添加量精確量化；顏色更換也方便快捷。

此外，還可以通過在色母粒中添加一些功能成分物質(zhì)，進而使著色纖維附加上一些功能，比如消光、抗靜電、耐熱性、粘接性和選擇性吸附等。色母粒著色法是目前纖維原液著色應用中最成功、最廣范的方法[5-7]。

1.3 PLA 纖維原液著色

原液著色PLA 纖維通常是使用聚乳酸作為載體型色母，再與本白色的聚乳酸熔體混合而制備成有色熔體，再紡制成有色纖維。

王寧寧等[8]采用聚乳酸作載體樹脂、木質(zhì)素作顏料，制備出可生物降解的“木質(zhì)素/聚乳酸”色母粒，該色母粒熔融后為典型的假塑性流體，可以著色聚乳酸制品。木質(zhì)素的加入使材料黏度降低，當木質(zhì)素加入比例為25%時，色母粒的遮蓋力和著色力最強。

董浩等[9]針對聚乳酸原液著色過程中炭黑與聚乳酸相容性差導致其力學性能下降的問題，采用原位聚合法制備了聚乳酸改性炭黑，并對聚乳酸纖維進行原液著色，在丙交酯單體的用量為1.5g、聚合時間為6h和聚合溫度為70℃時，制備出的改性炭黑的粒徑最小，為184.2nm，且其在聚乳酸紡絲溶劑中可以穩(wěn)定分散，與聚乳酸相容性良好，分散更為均勻；與未改性的炭黑相比，加入炭黑后PLA 纖維的拉伸強力和斷裂伸長率分別得到不同程度的提高。

張帥[10]使用多種納米顏料調(diào)配得到橙黃、紫紅兩種拼色顏料，同時通過對紅、黃、藍三原色顏料，紫色、綠色兩種間色顏料，以及橙黃、紫紅兩種拼色顏料進行原液著色試驗，結(jié)果表明了PLA 原液著色具有完整、齊全的色譜。

1.4 色母粒原液著色PLA 纖維的應用

李文俊等[11]將3 種干燥的聚乳酸切片，分別加入3種色母粒，用3 個擠出機擠出并計量，分別得到第1、第2、第3 紡絲熔體，將得到的第1、第2 及第3 紡絲熔體引入紡絲箱，并通過各自的熔體流道流向噴絲板，從噴絲孔匯合并擠出，經(jīng)吹風冷卻和上油，得到初生纖維，初生纖維經(jīng)平衡后再依次經(jīng)預牽伸、主牽伸、網(wǎng)絡、熱盤定型和卷繞成筒，得到成品纖維。該纖維3 個葉的顏色和性能不同，具有豐富的彩色效果及優(yōu)異的蓬松性和透氣性。

尚佳[12]采用聚乳酸切片和色母?；旌?，在加熱熔融后經(jīng)噴絲板擠出成型，經(jīng)拉伸和熱處理后得到具備顏色的聚乳酸纖維色絲，色絲截面呈圓形或長方形，可直接用于純紡或色紡，色絲呈中空狀，提升了纖維的保暖性和吸濕排汗性能，同時由于聚乳酸具備的天然抗菌抑菌等性能，因此在紡絲階段無需加入任何抗菌材料，即可實現(xiàn)色絲的天然抗菌抑菌性能。

2 彩色PLA 煙用絲束和濾棒的開發(fā)研究

2.1 加入顏料（色母粒）著色

吳景強等[13]采用不同熔點的聚乳酸母粒、精制的有機和無機顏料以及蠟類、樹脂類或硬脂酸鹽類分散劑，混合均勻后熔融紡絲制備出彩色PLA 絲束，用彩色絲束進一步可以制備出相應的彩色PLA 濾棒。其中，有機顏料為酞青紅、酞青藍、酞青綠、永固黃、永固紫和偶氮紅；無機顏料為鎘紅、鎘黃、鈦白、炭黑、氧化鐵黃和氧化鐵紅。

2.2 紡絲過程中化學反應著色

糖可以與氨基化合物進行美拉德反應產(chǎn)生褐變。沒有氨基化合物時，糖類物質(zhì)加熱到熔點以上的高溫就會發(fā)生脫水與降解，進行焦糖化反應產(chǎn)生褐變。

利用焦糖化及美拉德褐變反應，將適當比例的糖類物質(zhì)、氨基化合物與聚乳酸共混，然后加入到螺桿擠出機中進行熔融紡絲，通過調(diào)整紡絲溫度、糖類物質(zhì)和氨基化合物的比例，可以生產(chǎn)出從淺黃、黃色、棕色直到褐色等一系列彩色聚乳酸煙用絲束[14]。

2.3 加入天然有機色素著色

天然色素如番茄紅素、葉黃素等，由于穩(wěn)定性差，在傳統(tǒng)纖維和紡織印染過程中不能使用。鑒于天然色素良好的安全性能，以及煙用絲束和濾棒都是避光密閉儲存、卷煙為一次性消費的特殊性，可采用直接染料著色法，將番茄紅素、葉黃素及其酯類等天然有機色素直接與PLA 樹脂按一定比例進行混合，然后投入螺桿擠出機中進行熔融紡絲，通過調(diào)節(jié)色素比例和紡絲溫度，可生產(chǎn)出從金黃、正黃、檸檬黃和淺黃等一系列彩色聚乳酸纖維[15]。

番茄紅素、葉黃素等這些天然色素在日曬、高溫等條件下容易被氧化變色，PLA 紡絲時在高溫下容易發(fā)生氧化降解，上述色素和PLA 樹脂混合紡絲時可產(chǎn)生協(xié)同抑制作用。PLA 樹脂氧化降解生成的少量羧基基團也有可能與天然色素反應，生成新的酯類色素，進而增加天然色素的穩(wěn)定性。這些有機色素與PLA 相容性好、可紡性好，可添加物質(zhì)的比例高，但是添加比例高時會讓絲束的結(jié)晶度下降、耐熱性下降，經(jīng)過研究認為，添加物的比例在1%以內(nèi)最為適宜。

3 PLA 幻彩（多彩）濾棒的開發(fā)

在彩色PLA 濾棒的研發(fā)過程中，可將不同顏色的PLA 初生纖維集束合并后進行牽伸、卷曲等后加工制作，制備出多種顏色（多彩/幻彩）的PLA 絲束，然后用PLA 幻彩絲束、醋酸纖維絲束，在雙開松濾棒成型機上經(jīng)導絲、開松、施加固化劑、混合成型、分切和包裝等工序，制備出PLA 幻彩濾棒[16]。

由于PLA 幻彩絲束在濾棒中的位置、外觀圖案不固定，不同顏色絲束混合疊加后在視角上顏色又發(fā)生變化，呈現(xiàn)出魔幻色彩。PLA 絲束將其特有的弱酸性、疏水性、降溫性、抑菌性和降解性等優(yōu)良性能帶入醋纖過濾材料，賦予新的過濾材料更好的過濾效果和抽吸品質(zhì)。

幻彩過濾材料尤其適用于煙用過濾嘴行業(yè)，在外觀上具有不固定的魔幻色彩，新穎、獨特，視覺沖擊力強。在過濾性能方面采用差別化的絲束規(guī)格和二種材料的絲束，可以兼顧醋酸纖維絲束和聚乳酸（PLA）絲束的性能優(yōu)勢，調(diào)節(jié)煙氣在濾棒中的運行軌跡和嘴棒的吸附行為，能進一步改善卷煙的吸味，提升卷煙的吸食品質(zhì)。

4 結(jié)語

聚乳酸（PLA）纖維絲束是采用熔融法紡絲，工藝流程短、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換靈活、過渡清洗成本低，在彩色絲束生產(chǎn)方面有較大優(yōu)勢。鑒于彩色聚乳酸（PLA）濾棒是與口腔接觸的一次性產(chǎn)品，必須把安全性放在首位，只能采用原液著色的方式?？紤]到PLA 絲束及濾棒產(chǎn)品采用密封儲存，以及接裝的卷煙打開后會短時間內(nèi)抽完、廢棄的特點，可以采用加入天然色素和利用糖焦化反應的方式生產(chǎn)彩色絲束，這是與民用纖維原液著色的不同之處，對彩色煙用絲束的開發(fā)不失為一種較好的方式。