用于减少烟雾流中成分的烟雾过滤器的制造方法

文档序号:9277441阅读:634来源:国知局
用于减少烟雾流中成分的烟雾过滤器的制造方法
【专利说明】用于减少烟雾流中成分的烟雾过滤器
[0001] 发明背景
[0002] 本发明涉及降低烟雾流中成分浓度的烟雾过滤器,包括与之相关的方法与吸烟装 置。
[0003] 政府法规日益要求从烟草烟雾中去除有害成分(例如一氧化碳和酚类)的更高过 滤效力。采用现有的醋酸纤维素,可以通过用提高浓度的类似活性炭的颗粒掺杂该过滤器 来实现更高的过滤效力。但是,提高的颗粒浓度改变了对吸烟者的抽吸特性。
[0004] 抽吸特性的一个量度是封装压降。本文中所用的术语"封装压降"或"Ero"指的 是当出口端的体积流速为17. 5毫升/秒时并且当试样完全封装在测试装置中以使得没有 空气穿过该包装时,当试样在稳态条件下被空气流贯穿时在试样两段之间的静态压力差。 在本文中根据 CORESTA( "Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco")Reco_ended Method No. 41 (日期为 2007 年 6 月)测量 EPD。更高的 EPD 值解 读为吸烟者必须用更大的力来抽吸吸烟装置。
[0005] 由于提高的过滤器效力改变了过滤器的EPD,公众(由此导致制造商)不轻易采 取大多数技术。因此,尽管始终在研宄,仍有兴趣开发改善和更有效的组合物,其能够在去 除更高水平的主流烟草烟雾中的某些成分(如一氧化碳和酚类)的同时尽量不影响抽吸特 性。
[0006] 发明详述
[0007] 本发明涉及降低烟雾流中成分浓度的烟雾过滤器,包括与之相关的方法与吸烟装 置。
[0008] 本文中描述的烟雾过滤器可以包括设计为降低烟雾流中一氧化碳和/或酚类的 浓度并同时能够获得可设计为制造商规格的可定制抽吸特性。本文中描述的烟雾过滤器包 括至少一个多孔物质段和至少一个过滤器段。
[0009] 本文中所用的术语"多孔物质"指的是包含在多个接触点处机械粘合的多个粘合 剂颗粒与多个活性颗粒的物质。所述接触点可以是活性颗粒-粘合剂接触点、粘合剂-粘 合剂接触点和/或活性颗粒-活性颗粒接触点。本文中所用的术语"机械粘合"、"机械粘合 的"、"物理粘合"等等指的是将两个颗粒固定在一起的物理连接。机械粘合可以是刚性或柔 性的,取决于粘合材料。机械粘合可以包括或不包括化学粘合。通常,机械粘合不涉及胶粘 剂(adhesive),尽管在一些实施方案中,可以在机械粘合后使用胶粘剂以便将其它添加剂 粘接到该有机多孔物质的部分上。
[0010] 本文中所用的术语"颗粒"和"颗粒状"可以互换使用并包括所有已知的材料形状, 包括球形和/或卵形、基本球形和/或卵形、饼状和/或片状、薄片、带状、针状、纤维状、多 边形(如立方体)、随机形状(如碎石形状)、带刻面(如晶体形状)或其任意混合。多孔 物质的非限制性实例详细描述在共同未决申请PCT/US2011/043264、PCT/US2011/043268、 PCT/US2011/043269和PCT/US2011/043271中,其全部公开内容经此引用并入本文。
[0011] 应当注意的是,当在下文中对于数字提供"大约"时,术语"大约"修饰数字列表的 各个数字。应该指出,在某些数字范围列表中,列举的某些下限可能大于列举的某些上限。 本领域技术人员将认识到,所选择的子集要求选择超过所选择的下限的上限。
[0012] 在一些实施方案中,本文中描述的多孔物质段可以包含活性颗粒和粘合剂颗粒。
[0013] 活性颗粒的一个实例是活性炭(或活化炭或活性炭)。该活性炭可以是低活性的 (大约50%至大约75%的CCl 4吸附)或高活性的(大约75%至大约95%的CCl4吸附) 或其组合。在一些实施方案中,该活性炭颗粒可以是纳米级碳颗粒,如任意壁数量的碳纳米 管、碳纳米角、竹节状碳纳米结构、富勒烯和富勒烯聚集体、以及石墨烯,包括少层石墨烯和 氧化石墨烯。活性颗粒的其它实例可以包括但不限于离子交换树脂、干燥剂、硅酸盐、分子 筛、硅胶、活性氧化铝、沸石、珍珠岩、海泡石、漂白土、硅酸镁、金属氧化物(例如,氧化铁和 氧化铁纳米颗粒,例如大约12nm的Fe 3O4,氧化锰,氧化铜和氧化铝)、金、铂、醋酸纤维素、 五氧化二碘、五氧化二磷、纳米颗粒(例如金属纳米颗粒,如金和银;金属氧化物纳米颗粒, 如氧化错;磁性、顺磁性和超顺磁性纳米颗粒,如氧化札,氧化铁的各种晶体结构,如赤铁矿 和磁铁矿,钆-纳米管和腔内金属嵌入富勒烯,如GdOC 6tl;和核壳与洋葱状纳米颗粒,如金和 银纳米壳,洋葱状氧化铁,以及具有任意所述材料的外壳的其它纳米颗粒或微粒)及其前 述的任意组合(包括活性炭)。离子交换树脂包括例如具有骨架(如苯乙烯-二乙烯基苯 (DVB)共聚物、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、酚醛缩合物以及表氯醇胺缩合物)和多个连接到 该聚合物骨架上的带电荷官能团的聚合物。在一些实施方案中,该活性颗粒是各种活性颗 粒的组合。在一些实施方案中,该多孔物质可以包含多个活性颗粒。在一些实施方案中,活 性颗粒可以包含至少一个选自本文中公开的活性颗粒的要素。应当注意的是,"要素"用作 描述列表中项目的一般术语。在一些实施方案中,该活性颗粒与至少一种增香剂组合。
[0014] 在一些实施方案中,可以选择该活性颗粒以降低一氧化碳的浓度。通过现有香烟 过滤嘴设计减少一氧化碳主要依赖于烟草共混物、烟草燃烧速率和提高通风以稀释一氧化 碳的纸张孔隙率。在商业上,缺乏减少烟雾流中一氧化碳的有效途径。适于减少一氧化碳 的活性颗粒的实例可以包括但不限于五氧化二碘、五氧化二磷、氧化锰、氧化铜、氧化铁、分 子筛、氧化铝、金、铂等等,以及其任意组合。
[0015] 在一些实施方案中,该活性颗粒可以在至少一个维度中具有大约小于1纳米(例 如石墨稀)、大约0. 1纳米、0. 5纳米、1纳米、10纳米、100纳米、500纳米、1微米、5微米、10 微米、50微米、100微米、150微米、200微米和250微米的下限至大约5000微米、2000微米、 1000微米、900微米、700微米、500微米、400微米、300微米、250微米、200微米、150微米、 100微米、50微米、10微米和500纳米的下限的平均直径,其中该平均直径可以为任意下限 至上限并涵盖其中的任何子集。在一些实施方案中,该活性颗粒可以是粒度的混合。
[0016] 粘合剂颗粒的实例可以包括但不限于聚烯烃、聚酯、聚酰胺(或尼龙)、聚丙烯酸 类、聚苯乙烯、聚乙烯基类化合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、其任何共聚物、其 任何衍生物、及其任意组合。合适的聚烯烃的实例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚 甲基戊烯等等,其任何共聚物、其任何衍生物、及其任意组合。合适的聚乙烯的实例进一步 包括低密度聚乙烯、线形低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、其任何共聚物、其任何衍生物、及其 任意组合等等。合适的聚酯的实例包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁 二醇酯、聚对苯二甲酸环己烯二亚甲酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯等等、其任何共聚物、其任 何衍生物、及其任意组合等等。合适的聚丙烯酸类的实例包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯 等等、其任何共聚物、其任何衍生物、及其任意组合等等。合适的聚苯乙烯的实例包括但不 限于聚苯乙稀、丙稀腈-丁二稀-苯乙稀、苯乙稀-丙稀腈、苯乙稀-丁二稀、苯乙稀-马来 酸酐等等、其任何共聚物、其任何衍生物、及其任意组合等等。合适的聚乙烯基类化合物的 实施例包括但不限于乙烯乙酸乙烯酯、乙烯乙烯基醇、聚氯乙烯等等、其任何共聚物、其任 何衍生物、及其任意组合等等。合适的纤维素的实例包括但不限于乙酸纤维素、乙酸丁酸纤 维素、塑化纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素等等、其任何共聚物、其任何衍生物、及其任意 组合等等。在一些实施方案中,粘合剂颗粒可以是上面列举的粘合剂的任何共聚物、任意衍 生物以及任意组合。
[0017] 在一些实施方案中,本文中描述的粘合剂颗粒可以具有亲水性表面处理。亲水性 表面处理(例如含氧官能如羧基、羟基和环氧)可以通过暴露于化学氧化剂、火焰、离子、等 离子体、电晕放电、紫外辐射、臭氧及其组合(例如臭氧与紫外处理)的至少一种来实现。 由于本文中描述的许多活性颗粒是亲水性的(或是作为它们的组合物的功能或是吸附的 水),对该粘合剂颗粒的亲水性表面处理可以提高该粘合剂颗粒与该活性颗粒之间的吸引 力(例如范德华力、静电、氢键等等)。这种提高的吸引力可以减轻活性颗粒与粘合剂颗粒 在该基质材料中的分离,由此尽量减少在EPD、完整性、周长、横截面形状以及所得多孔物质 的其它性质方面的可变性。此外,已经观察到,提高的吸引力提供了更均质的基质材料,这 可以提高过滤器设计的灵活性(例如降低了整体EPD,或降低了该粘合剂颗粒的浓度,或这 两者)。
[0018] 该粘合剂颗粒可以呈现任何形状。此类形状包括球形、hyperion、星形、 chrondular或星际尘埃状、颗粒状、马铃薯、不规则形状以及其任意组合。在优选的实施方 案中,适用于本发明的粘合剂颗粒是非纤维的。在一些实施方案中,该粘合剂颗粒为粉末、 丸粒或颗粒形式。
[0019] 在一些实施方案中,该粘合剂颗粒可以在至少一个维度上具有大约0. 1纳米、0. 5 纳米、1纳米、10纳米、100纳米、500纳米、1微米、5微米、10微米、50微米、100微米、150微 米、200微米或250微米的下限至大约5000微米、2000微米、1000微米、900微米、700微米、 500微米、400微米、300微米、250微米、200微米、150微米、100微米、50微米、10微米或500 纳米的上限的平均直径,其中该平均直径可以为任意下限至上限并涵盖在此之间的任何子 集。在一些实施方案中,该粘合剂颗粒可以是粒度的混合。
[0020] 在一些实施方案中,该粘合剂颗粒可以具有大约0. 10g/cm3至大约0. 55g/cm3的堆 积密度,包括在此之间的任何子集(例如大约0. 17g/cm3至大约0. 50g/cm 3,或大约0. 20g/ cm3至大约 0· 47g/cm 3)。
[0021] 在一些实施方案中,该粘合剂颗粒在其熔融温度下可以表现出几乎不流动,即当 加热至其熔融温度时表现出极少或不表现出聚合物流动。符合这些标准的材料可以包括但 不限于超高分子量聚乙烯("UHMWPE")、特高分子量聚乙烯("VHMWPE")、高分子量聚乙烯 ("HMWPE")以及其任意组合。本文中所用的术语"UHMWPE"指的是具有至少大约3X10 6克 /摩尔(例如大约3 X IO6克/摩尔至大约30 X IO6克/摩尔,包括在此之间的任何子集)的 重均分子量的聚乙烯组合物。本文中所用的术语"VHMWPE"指的是具有小于大约3X IO6克 /摩尔和大于大约IX IO6克/摩尔(包括在此之间的任何子集)的重均分子量的聚乙烯组 合物。本文中所用的术语"HMWPE"指的是具有至少大约3
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