​PLA(聚乳酸)材料在电子烟上应用

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今年8月份,电子烟品牌小叶 soyee 创新性地推出了一款PLA滤嘴电子烟,旨在防止电子烟漏油、冷凝液吸进嘴里。 
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从外形来看,这款PLA滤嘴电子烟跟加热不燃烧烟具很相似,它的PLA滤嘴跟加热不燃烧的烟弹又比较相似,但不同之处在于它就仅仅是一个滤嘴,并没有新型烟草成分。
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图 加热不燃烧烟具 国健华烟 KOKEN K1S MAX
所以这个PLA材料是什么?怎么生产出来的?它又有什么特性?下面一起来看看。

一、PLA材料简介

PLA是聚乳酸的英文简称,英文全称是Polylactic Acid 或 Polylactide,是 α-羟基丙酸缩合的产物,属于热塑性脂肪族聚酯的一种。
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图 聚乳酸结构式
 
PLA的出现,最早是1932年由杜邦(Dupont)的科学家Wallace Carothers在真空中将乳酸进行直接缩合所得,由于产生的聚合物分子量低,同时生产成本过高,当时未能实现商业化生产。
 
直到1987年食品公司Cargill开始投资研发新的聚乳酸制造过程,Cargill 于2001年与陶氏(Dow)合资进行商业化生产名为:Nature-Works的聚乳酸商品,PLA才正式大量进入我们生活中的方方面面。
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图 PLA颗粒,海正生物
二、PLA材料合成工艺

 PLA是高分子材料的一种,因此它的制备就是从小分子单体聚合成高分子聚合物的过程。

1.PLA的单体原料制备

PLA的单体原料是乳酸,它一般是将玉米等壳类作物碾碎后,从中提取淀粉,然后将淀粉制成未精化的葡萄糖。接着通过类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖,最终经过提纯工艺得到乳酸单体。

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图 PLA纤维制备全流程,源自网络
2.PLA的聚合方法

PLA的合成主要有两种方法,分别是乳酸直接缩聚法和丙交酯开环聚合法(又叫二步法)。其中二步法最为常用,其过程是首先将乳酸进行减压蒸馏制得丙交酯(LA),再以丙交酯为单体,在引发剂、高温、高真空度的条件下反应数小时制得PLA。

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图 直接缩聚法,源自高分子材料改性和防老化技术咨询

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图 二步法,源自高分子材料改性和防老化技术咨询
 
三、PLA材料性能及加工工艺


 PLA是浅黄色透明固体,热稳定性好,加工温度170~230℃,有好的抗溶剂性,可用多种方式进行加工,如挤压、纺丝、双轴拉伸,注射吹塑。

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图 3D打印PLA单丝,乐天
 
四、PLA材料在电子烟上应用分析


1、因其良好吸油性,传统香烟、加热不燃烧均有应用

 
通过以上内容,我们对PLA材料已经有了一个基本的认识。事实上,加热不燃烧烟弹、传统香烟的滤嘴都有应用到PLA材料。
 
在加热不燃烧烟弹中基本都会有PLA材料通过褶皱成型而制成的降温段。有拆解类文章显示,IQOS烟弹结构就包含有PLA烟油过滤片,如下图,从左到右的结构分别是过滤棉、PLA烟油过滤片、空心过滤、烟丝。

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图 IQOS烟弹结构拆解,源自 IQOS健康搬运工

除此之外,在传统香烟滤嘴的材料选用上,乙酸纤维素丝束是应用最广泛的材料,但它的降解速度较慢,因此近几年有人将PLA丝束用在香烟滤嘴上面,它在降解性、疏水性、抑菌性、降温、成本方面都有一定优势。值得注意的是,PLA材料对精油类的物质具有极高的阻碍性,也就是有很好的吸油性。
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图 soyee小叶电子烟用PLA滤嘴

除了生物降解性、生物相容性,良好的吸油性想必也是soyee小叶电子烟用PLA滤嘴来防漏油、冷凝液的原因之一。

2、不是PLA材料都能很好吸油

不过并不是用了PLA材料就能吸油,它首先得是PLA纤维,可采用溶液纺丝、熔体纺丝(主要方法)和静电纺丝等加工方法生产,同时它的吸油性能与PLA纤维形态结构、纤维膜孔隙结构有关。
 
有研究文献对比了纯PLA、PVA/PLA多孔芯壳结构和PLA中空多孔结构纤维膜的吸油性能。结果显示,PLA纤维膜有吸油性,PVA/PLA多孔芯壳结构和PLA中空多孔纤维膜吸油性较好,PLA中空多孔纤维膜吸油性能优于PVA/PLA多孔芯壳结构膜。

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图 源自纺织视界

五、PLA材料其他应用


PLA材料得益于生物降解性、生物相容性、光泽度、透明性、手感、耐热性等优良特性,它正被广泛应用于各行各业中,除了电子烟行业,还有3D打印、服装、包装、医疗卫生等领域。

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图 玻纤改性PLA+TPU应用,科莱恩

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图 PLA材料3D打印的进气栅格,上海复志

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图 PLA材料3D打印的汽车改装模具,上海复志

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图 PLA材料3D打印的涡轮引擎部件原型

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图PLA+PVA,远铸智能

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图PLA+ABS,远铸智能
 
END
主要参考文献:
1、《药用高分子材料(第二版)》
2、一文读懂聚乳酸PLA,艾邦高分子
3、中空多孔聚乳酸纤维膜制备及疏水吸油性研究,纺织视界
 

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