013882 B1 013882 013882 B1 B1

Евразийское
патентное
ведомство
(19)
(11)
013882
(13)
B1
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45)
Дата публикации
и выдачи патента:
2010.08.30
(21)
Номер заявки:
200870398
(22)
Дата подачи:
2007.03.30
(54)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
(72)
Изобретатель:
Луань Чжаохуа, Джи Дайан Л., Карлес Георгиос, Скиннер Айла, Непомусено Хосе
(US)
WO-A-2004043859
WO-A-2006070291
JP-A-2001031413
GB-A-244461
GB-A-247241
DATABASE WPI Week 200060
Derwent Publications Ltd., London, GB;
AN 2000-621477 XP002461747 & JP 2000
219507 A (NIPPON CARBON CO LTD) 8
August 2000 (2000-08-08) abstract
US-A1-2005133047
Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
013882
B1
(57)
Модифицированный активированный уголь и способ получения модифицированного активированного угля из подложки из активированного угля. Подложку из активированного угля предварительно обрабатывают для получения, по существу, гидрофильной открытой поверхности подложки, покрывают предшественником угля с образованием покрытой подложки из активированного угля, а затем подложку из активированного угля нагревают для карбонизации предшественника угля с образованием модифицированного активированного угля. Модифицированный активированный уголь содержит однородную пористую угольную мембрану, образованную на открытой поверхности подложки из активированного угля. Угольная мембрана может влиять на
поглощение и/или кинетику адсорбции активированного угля, используемого в качестве подложки. Модифицированный активированный уголь, который может включаться в один или более
компонентов сигарет, может избирательно удалять газообразные компоненты дыма из дыма основного потока во время курения.
B1
(74)
(56)
013882
(31) 60/787,498
(32) 2006.03.31
(33) US
(43) 2009.02.27
(86) PCT/IB2007/002120
(87) WO 2007/113694 2007.10.11
(71)(73) Заявитель и патентовладелец:
ФИЛИП МОРРИС ПРОДАКТС С.А. (CH)
(51) Int. Cl. A24D 3/16 (2006.01)
C01B 31/08 (2006.01)
013882
Обычные сигареты имеют фильтр с элементами, которые могут включать в себя такие материалы,
как уголь. Некоторые производимые промышленностью сигареты с фильтром имеют угольные частицы
или гранулы (например, материал из активированного угля или активированного древесного угля), заключенные в ацетат-целлюлозный жгут или в полость ацетат-целлюлозного жгута. Однако многие материалы, включающие активированный уголь и механически, химически и/или физически удаляющие
компоненты основного потока дыма, как правило, действуют неизбирательно. Эти материалы могут удалять компоненты, важные для аромата дыма основного потока и, в результате могут создавать нежелательный вкус и/или ослаблять желаемый вкус дыма во время курения сигареты. Соответственно, существует потребность в создании элемента сигаретного фильтра, способного удалять определенные компоненты газовой фазы дыма основного потока, без отрицательного воздействия на аромат дыма основного
потока.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, способ получения модифицированного активированного угля, содержащего подложку из активированного угля и однородную пористую угольную
мембрану, образованную на открытой поверхности подложки из активированного угля, предусматривает
следующие стадии: (i) получения подложки из активированного угля; (ii) предварительной обработки
подложки из активированного угля, чтобы сделать открытую поверхность подложки из активированного
угля, по существу, гидрофильной; (iii) покрытия подложки из активированного угля предшественником
угля с образованием покрытой подложки из активированного угля и (iv) нагревания покрытой подложки
из активированного угля при температуре, достаточной для карбонизации предшественника угля, с образованием однородной пористой угольной мембраны на подложке.
Модифицированный активированный уголь, полученный этим способом, содержит подложку из активированного угля и однородную пористую угольную мембрану, образованную на открытой поверхности подложки из активированного угля. Подложка из активированного угля может быть зерненым углем
(в форме зерен или «бусин»), или в форме гранул или волокон. При желании может быть нанесено и карбонизировано несколько слоев покрытия из предшественника угля, для регулирования толщины и/или
пористости поверхности угольной мембраны.
Подложка из активированного угля может содержать частицы активированного угля, которые могут иметь средний размер частиц от около 100 мкм до 5 мм или от около 200 мкм до 2 мм. Предпочтительно, подложка из актизированного угля имеет средний размер пор менее чем около 500 Ангстрем (Å)
или распределение размеров пор, имеющее более чем около 20% микропор (и менее чем около 80% мезопор), и предпочтительнее, более чем около 80% микропор. Площадь поверхности подложки из активированного угля может быть выше 50 м2/г (например, выше 200 м2/г, 500 м2/г или 1000 м2/г).
Предварительная обработка предпочтительно включает в себя распыление на подложку из активированного угля водного раствора, содержащего поверхностно-активное вещество, и/или погружение
подложки из активированного угля в него. Предпочтительное поверхностно-активное вещество представляет собой цетилтриметиламмоний хлорид и предпочтительный раствор для предварительной обработки содержит от около 1 до 99 мас.% поверхностно-активного вещества, более предпочтительно от
около 1 до 25 мас.% поверхностно-активного вещества.
После включения поверхностно-активного вещества в подложку из активированного угля и/или нанесения на нее, подложку из активированного угля можно высушить, предпочтительно, при температуре
менее чем около 120°С, перед нанесением на нее покрытия из предшественника угля.
Нанесение покрытия предпочтительно включает в себя распыление на предварительно обработанную подложкой из активированного угля раствора, содержащего предшественник угля, и/или погружение в него предварительно обработанной подложки из активированного угля. Нанесение покрытия может осуществляться при комнатной температуре. Соответствующие предшественники угля включают в
себя сахариды, дисахариды, полисахариды, фруктозу и этилцеллюлозу, и предпочтительный раствор
предшественника угля содержит от около 1 до 99 мас.%, более предпочтительно в пределах от около 20
до 60 мас.% предшественника угля. Предпочтительный предшественник угля представляет собой сахарозу.
Предшественник угля может включаться в количестве, необходимом для содержания от около 1 до
150 мас.%, предпочтительно от около 20 до 80 мас.%, предшественника угля в предварительно обработанной подложке из активированного угля и/или на ней.
После нанесения покрытия на подложку из активированного угля, подложка с покрытием может
сушиться при температуре менее чем около 120°С, а затем нагреваться, предпочтительно при температуре от около 150 до 400°С, с образованием угольной мембраны. Подложка с покрытием предпочтительно
нагревается в окислительной атмосфере (например, на воздухе). После преобразования предшественника
угля в угольную мембрану, угольная мембрана может составлять от около 1 до 150 мас.% подложки из
активированного угля. Средний размер пор на поверхности модифицированного активированного угля
(то есть размер пор угольной мембраны) может отличаться от среднего размера пор на поверхности подложки из активированного угля. Предпочтительно, модифицированный активированный уголь имеет
средний размер пор на поверхности, который по меньшей мере на 25% меньше среднего размера пор на
поверхности подложки из активированного угля.
-1-
013882
Угольная мембрана образует однородное пористое покрытие на подложке из активированного угля
и предпочтительно покрывает по меньшей мере 80% открытой поверхности подложки из активированного угля, и/или угольная мембрана имеет среднюю толщину, имеющую стандартное отклонение, которое
составляет менее чем около 25% от средней толщины. Предпочтительно, угольная мембрана имеет среднюю толщину от около 1 мкм до 0,1 мм. Посредством получения однородного пористого угольного покрытия на подложке из активированного угля, характеристики фильтрации и/или механическая целостность модифицированного активированного угля может быть улучшена по сравнению с подложкой из
активированного угля. Например, модифицированный активированный уголь может избирательно удалять целевые компоненты газовой фазы из дыма основного потока, в тоже время, преимущественно,
производя меньше пыли, чем активированный уголь.
В соответствии с другим вариантом выполнения, сигарета содержит частицы модифицированного
активированного угля. Частицы модифицированного активированного угля предпочтительно включают в
элемент фильтра сигареты. Однако частицы модифицированного активированного угля могут быть размещены в других компонентах сигареты, таких как табачная мешка (табачный наполнитель).
Фиг. 1 - схема устройства с псевдоожиженным слоем загрузочного типа, которое может использоваться для обработки частиц активированного угля предшественником угля.
Фиг. 2 - схема устройства с псевдоожиженным слоем непрерывного типа, которое может использоваться для обработки частиц активированного угля предшественником угля.
Фиг. 3A и 3B - полученные на сканирующем электронном микроскопе фотографии исходных частиц активированного угля.
Фиг. 4А и 4В - полученные на сканирующем электронном микроскопе фотографии модифицированных частиц активированного угля.
Фиг. 5 - график процента доставки (по отношению к контролю) выбранных компонентов газовой
фазы как функции содержания сахарозы для модифицированного активированного угля.
Фиг. 6 - общий вид сигареты с частичным вырывом, где сфальцованная гармошкой бумага, содержащая модифицированный активированный уголь, вставляется в полую часть трубчатого элемента
фильтра сигареты.
Фиг. 7 - общий вид сигареты с частичным вырывом, где модифицированный активированный уголь
включен в фильтрующие элементы в виде двух заглушек, разделенных пространством.
Фиг. 8 - общий вид элемента фильтра с частичным вырывом, имеющим модифицированный активированный уголь, включенный в него, который может использоваться для получения сигареты, которая
может прикуриваться в системе прикуривания сигареты с электрическим нагревом.
Изобретение предлагает способ получения модифицированного активированного угля, содержащего однородную пористую углеродную мембрану на подложке из активированного угля. Способ предусматривает: (i) получение подложки из активированного угля; (ii) предварительную обработку подложки
из активированного угля с получением открытой, по существу, гидрофильной поверхности подложки из
активированного угля; (iii) нанесение покрытия на подложку из активированного угля из предшественника угля с образованием покрытой подложки из активированного угля и (iv) нагревание покрытой подложки из активированного угля при температуре, достаточной для карбонизации предшественника угля с
образованием однородной пористой углеродной мембраны. Стадии нанесения покрытия на подложку из
активированного угля из предшественника угля и нагревание покрытой подложки из активированного
угля с образованием углеродной мембраны может повторяться для образования углеродной мембраны,
имеющей желаемую толщину, долю покрытия поверхности и/или пористости поверхности.
Растворы, содержащие соединения, используемые для предварительной обработки, и/или растворы,
содержащие предшественник угля, могут наноситься на подложку из активированного угля (например,
на частицы активированного угля) посредством распыления раствора над углем или посредством погружения угля в раствор. Соединение для предварительной обработки и/или предшественник угля могут
включаться в подложку из активированного угля и/или на нее посредством поглощения и/или адсорбции.
В соответствии с предпочтительным способом подложка из активированного угля в форме зерен
(«бусин»), гранул или волокон может вводиться в резервуар, подвергаться псевдоожижению посредством введения псевдоожижающего газа в резервуар, и предварительная обработка или нанесение покрытия может осуществляться посредством введения раствора по меньшей мере одного соединения для
предварительной обработки или по меньшей мере одного предшественника угля в резервуар, в то время
как подложка из активированного угля находится в псевдоожиженном состоянии. Растворы соединения
для предварительной обработки и/или предшественника угля могут также включаться в подложку из
активированного угля и/или на нее, с использованием технологий начальной влажности, где подложка из
активированного угля погружается в раствор в течение указанного периода времени, а затем сушится.
Стадии предварительной обработки, нанесения покрытия и нагрева производят активированный
уголь, который покрыт однородным слоем пористого углерода (то есть модифицированный активированный уголь). Характеристики поглощения, характеристики адсорбции и/или механические свойства
модифицированного активированного угля могут контролироваться посредством контроля образования
углеродного покрытия. Например, пористость углеродного покрытия может контролировать кинетику
-2-
013882
поглощения/адсорбции подложки из активированного угля. Углеродная мембрана может уменьшить количество пыли, образующейся из подложки из активированного угля во время обработки (например, во
время включения модифицированного активированного угля в один или более компонентов сигареты),
во время хранения сигарет и/или во время курения. Также предусматриваются фильтры для сигарет и
сигареты, имеющие модифицированный активированный уголь, включенный в них.
Под "активированным углем" подразумевается любая пористая форма углерода с высокой площадью поверхности. Активированный уголь может быть получен посредством термической обработки любого пригодного для использования источника углерода. Активационная обработка, как правило, повышает пористость, и активированный уголь может быть получен с широким диапазоном размеров пор,
или размеры пор могут контролироваться с получением желаемого распределения размеров пор.
В предпочтительном варианте осуществления активированный уголь содержит гранулированные
частицы угля с размерами в пределах от около 100 мкм до нескольких мм. Например, углеродные частицы могут представлять собой гранулы угля, имеющие размеры от около 0,2 до 2 мм (например, около
200, 500, 1000 или 2000 мкм).
Подложка из активированного угля может иметь любое желаемое распределение размеров пор, которое содержит поры, такие как микропоры, мезопоры и макропоры. Термин "микропористый", как правило, относится к таким материалам, имеющим размер пор около 20 Å или меньше, в то время как термин "мезопористый" как правило, относится к таким материалам с размером пор от около 20 до 500 Å.
Предпочтительная подложка из активированного угля содержит 20% или более микропор (то есть 80%
или меньше мезопор). Более предпочтительная подложка из активированного угля содержит по меньшей
мере 80% микропор. Посредством осаждения предшественника угля и образования углеродной мембраны на открытой (например, внешней) поверхности активированного угля соотношение между микропорами, мезопорами и макропорами может контролироваться для контроля селективности поглощения
и/или адсорбции модифицированного активированного угля по отношению к выбранным газообразным
составляющим (например, газообразным составляющим потока табачного дыма).
Модифицированный активированный уголь может отфильтровывать одно или более выбранных
компонентов из дыма основного потока. Термин "основной поток" дыма включает в себя смесь газов,
проходящую через табачный стержень и выходящую через торец с фильтром, то есть количество дыма,
выходящее или извлекаемое из мундштука курительного изделия во время курения курительного изделия. Основной поток дыма содержит дым, который проникает внутрь как через область торца курительного изделия, так и через бумажную гильзу.
Активированный уголь может выбираться так, чтобы он имел соответствующую площадь поверхности, чтобы преимущественно адсорбировать выбранные компоненты из сигаретного дыма. Активированный уголь, как правило, имеет площадь поверхности более чем около 50 м2/г (например по меньшей
мере около 100, 200, 500, 1000 или 2000 м2/г). Как правило, резервуар поглощения активированного угля
увеличивается с увеличением площади поверхности. Кроме того, площадь поверхности увеличивается с
уменьшением размера частиц. Однако когда они используются как материал для сигаретного фильтра,
частицы активированного угля, имеющие малый размер частиц, могут упаковываться вместе со слишком
большой плотностью, чтобы сделать возможным протекание дыма основного потока через фильтр с желаемым сопротивлением прохождению (RTD) во время курения. С другой стороны, если размер частиц
является слишком большим, может образоваться площадь поверхности, недостаточная для получения
желаемой степени фильтрования. По этой причине такие факторы могут приниматься во внимание при
выборе активированного угля, имеющего конкретный размер частиц.
Особенно предпочтительный активированный уголь является коммерчески доступным (например,
от PICA USA, Inc., Truth or Consequences, New Mexico). Активированный уголь может также быть получен посредством карбонизации кожуры кокосовых орехов, угля, дерева, смолы, торфа, целлюлозных волокон, лигнита и оливковых косточек. Карбонизация обычно осуществляется при повышенных температурах, например от 400 до 1000°С, в инертной атмосфере с последующим активированием (то есть, кальцинированием), как правило, в атмосфере пара или двуокиси углерода. Подложка из активированного
угля может находиться в форме зерен («бусин»), гранул и/или волокон.
Предварительная обработка может модифицировать открытую поверхность активированного угля.
Во время предварительной обработки соединение в растворе поглощается и/или адсорбируется активированным углем, например, соединение для предварительной обработки может включаться на наружных
и/или внутренних поверхностях активированного угля. Соединение для предварительной обработки, используемое, чтобы сделать открытую поверхность (поверхности) активированного угля, по существу,
гидрофильной, предпочтительно представляет собой поверхностно-активное вещество (то есть амфифильное соединение).
Поверхностно-активные вещества, как правило, представляют собой органические соединения, которые содержат как гидрофобный остаток, так и гидрофильный остаток. Поверхностно-активное вещество может представлять собой анионное, амфотерное, цвиттерионное, неионное или катионное поверхностно-активное вещество, или их сочетания. Предпочтительное соединение для предварительной обработки представляет собой цетилтриметиламмоний хлорид. Например, раствор 10 мас.% цетилтримети-3-
013882
ламмоний хлорида в воде может включаться на активированном угле посредством погружения активированного угля в раствор.
Поверхностно-активное вещество может представлять собой анионное соединение. Пригодные для
использования анионные соединения включают в себя, но, не ограничиваясь этим, алкилсульфаты, сульфаты простых алкиловых эфиров, алкил- или алкарилсульфонаты, алкилсукцинаты, алкилсульфосукцинаты, алкилфосфаты, фосфаты простых алкиловых эфиров, карбоксилаты простых алкиловых эфиров,
алкиламинокислоты, алкилпептиды, карбоновые кислоты, ацил- и алкилглютаматы, алкилизетионаты и
альфа-олефинсульфонаты, в частности, их соли с натрием, калием, магнием, аммонием и моно-, ди- и
триэтаноламином. Алкильные группы, как правило, содержат от 8 до 18 атомов углерода и могут быть
насыщенными или ненасыщенными. Сульфаты простых алкиловых эфиров, фосфаты простых алкиловых
эфиров и карбоксилаты простых алкиловых эфиров могут содержать от 1 до 10 единиц этиленоксида или
пропиленоксида на молекулу, а предпочтительно содержат 1-3 единиц этиленоксида на молекулу.
Примеры пригодных для использования анионных поверхностно-активных веществ включают в себя соли сульфатов простого лаурилового эфира и натрия и аммония (с 1, 2, и 3 моль зтиленоксида), натрий, аммоний и триэтаноламин лаурилсульфат, динатрий лауретсульфосукцинат, натрий кокоилизетионат, натрий C12-C14 олефинсульфонат, натрий лаурет-6 карбоксилат, натрий C12-C15 паретсульфат, натрий
метилкокоилтаурат, натрий додецилбензолсульфонат, натрий кокоилсаркозинат, триэтаноламин монолаурилфосфат и мыла жирных кислот.
Неионные поверхностно-активные вещества могут включать в себя, но, не ограничиваясь этим,
алифатические (C6-C18)первичные или вторичные кислоты, спирты или фенолы, алкилэтоксилаты, алкилфенолалкоксилаты (в частности, этоксилаты и смешанные этокси/пропокси), конденсаты блокалкиленоксидов и алкилфенолов, конденсаты алкиленоксидов и алканолов, блок-сополимеры этиленоксид/пропиленоксид, полуполярные неионные соединения (например, амин оксиды и фосфиноксиды), а
также алкиламиноксиды, с линейной или разветвленной цепью. Другие пригодные для использования
неионные соединения включают в себя моно- или диалкилалканоламиды и алкилполисахариды, сорбитановые сложные эфиры жирных кислот, сложные полиоксиэтиленсорбитановые эфиры жирных кислот,
сложные полиоксиэтиленсорбитоловые эфиры, полиоксиэтиленовые кислоты и полиоксиэтиленовые
спирты. Примеры пригодных для использования неионных поверхностно-активных веществ включают в
себя коко-моно- или диэтаноламид, кокодиглюкозид, алкилполиглюкозид, полисорбат 20, этоксилированные линейные спирты, цетеариловый спирт, ланолиновый спирт, стеариновую кислоту, глицерилстеарат, стеарат PEG-100 и oleth 20.
Поверхностно-активное вещество может представлять собой амфотерное или цвиттерионное поверхностно-активное вещество. Амфотерные и цвиттерионные поверхностно-активные вещества представляют собой такие соединения, которые обладают способностью вести себя либо как кислота, либо
как основание. Примеры амфотерных поверхностно-активных веществ включают в себя C8-C18 сультаины, такие как кокосультаин и кокоамидопропилгидроксисультаин; C8-C18 жирные производные аминокислот, таких как кокоамфокарбоксиглицинат и лаурамфоглицинат; C8-C18 алкилбетаины, такие как децилбетаин, кокобетаин, лаурилбетаин, миристилбетаин и стеарилбетаин; и C8-C18 амидоалкилбетаины,
такие как кокоамидоэтилбетаин, кокоамидопропилбетаин, лаурамидопропилбетаин, миристамидопропилбетаин и олеамидопропилбетаин.
Поверхностно-активное вещество может представлять собой катионное поверхностно-активное вещество. Пригодные для использования катионные поверхностно-активные вещества включают в себя,
но, не ограничиваясь этим, алкиламины, алкилимидазолины, этоксилированные амины, четвертичные
соединения и кватернизованные сложные эфиры. В дополнение этому алкиламиноксиды могут вести
себя как катионное поверхностно-активное вещество при низких значениях рН. Примеры включают в
себя лаураминоксид, дицетилдимоний хлорид и цетримоний хлорид.
Раствор соединения для предварительной обработки в водном или другом растворителе может распыляться над активированным углем или активированный уголь может погружаться в раствор. "Водный", как здесь используется, относится к смесям (например, растворам и эмульсиям), которые содержат
воду как компонент. Водная смесь может также включать в себя органические растворители, которые
являются либо смешиваемыми, либо несмешиваемыми с водой. Концентрация соединения для предварительной обработки в растворителе может составлять от около 1 до 99 мас.%. Предпочтительный раствор
соединения для предварительной обработки содержит от около 1 до 25 мас.%, более предпочтительно от
около 1 до 10 мас.% соединения для предварительной обработки в соответствующем растворителе. Соответствующие растворители включают в себя пропиленгликоль, спирты (например, метиловый спирт,
этиловый спирт и т.п.), воду, глицерин и их смеси. Предпочтительный растворитель для соединения для
предварительной обработки представляет собой воду. После нанесения на подложку из активированного
угля покрытия из раствора соединения для предварительной обработки, предварительно обработанная
подложка из активированного угля может сушиться на воздухе и/или сушиться в печи при низкой температуре (например, менее чем около 120°С, предпочтительно около 100°С) с образованием предварительно обработанного активированного угля. Соединение для предварительной обработки предпочтительно
инкорпорируется поверх открытой поверхности подложки из активированного угля и после сушки, это
-4-
013882
приводит к получению подложки из активированного угля, имеющей поверхность (то есть, открытую
поверхность внутри и снаружи подложки из активированного угля), которая является, по существу, гидрофильной.
Раствор, содержащий предшественник угля, может включаться в предварительно обработанную
подложку из активированного угля и/или на нее. Как описано ниже, раствор предшественника угля в
водном или другом растворителе может распыляться над предварительно обработанным активированным углем, или предварительно обработанный активированный уголь может погружаться в раствор
предшественника угля. Углеродные предшественники предпочтительно представляют собой органические композиции. Особенно предпочтительные углеродные предшественники представляют собой сахариды, например пентозу и гексозу; моносахариды, такие как глюкоза; и дисахариды, в частности сахарозу. Дополнительные углеродные предшественники включают в себя полисахариды, фруктозу и этилцеллюлозу.
Раствор, содержащий соединение предшественника угля, используемый при получении модифицированного активированного угля, может поглощаться и/или адсорбироваться предварительно обработанным активированным углем, например, соединение предшественника угля может включаться на наружных и/или внутренних поверхностях подложки из активированного угля. Посредством получения предварительно обработанной подложки из активированного угля водный раствор предшественника угля
может формировать однородное покрытие из предшественника угля на подложке из активированного
угля.
Предпочтительно, соединение предшественника угля, по существу, не проникает в поры подложки
из активированного угля. Вместо этого соединение предшественника угля предпочтительно формирует
однородное покрытие поверх открытой поверхности активированного угля, которое при разложении
предшественника угля формирует однородное пористое углеродное покрытие, способное опосредовать
поглощение и/или адсорбцию подложки из активированного угля.
Предшественник угля может включаться в частицы активированного угля и/или на них с использованием псевдоожиженного слоя, или, альтернативно, предшественник угля может распыляться над активированным углем, или активированный уголь может погружаться в раствор, содержащий предшественник угля.
Предшественник угля предпочтительно используют в количестве от около 1 до 150%, предпочтительно по меньшей мере около 10% (например, по меньшей мере 20, 40, 60 или 80%±5 мас.%) от исходной массы активированного угля. Перед карбонизацией покрытие из предшественника угля, по существу, полностью покрывает подложку из активированного угля (то есть, покрытие из предшественника угля, по существу, блокирует всю поверхностную пористость активированного угля).
Подложку из активированного угля и раствор предшественника угля предпочтительно объединяют
при комнатной температуре, хотя пригодные для использования температуры находятся в диапазоне от
около 0 до 80°С. После включения раствора предшественника угля в подложку из активированного угля
и/или на нее, активированный уголь с покрытием сушат при температуре от около 80 до 120°С, предпочтительно при температуре около 100°С, а затем нагревается до температуры от около 150 до 400°С в течение периода от около 1 мин до 72 ч для карбонизации предшественника угля и образования модифицированного активированного угля. Карбонизация покрытия из предшественника угля может создавать
пористое углеродное покрытие.
Предпочтительно углеродное покрытие, образованное из предшественника угля, будет иметь средний размер пор на поверхности, который отличается от среднего размера пор поверхности подложки, а
еще предпочтительнее меньше этого размера. Например, средний размер пор поверхности модифицированного активированного угля может быть по меньшей мере на 10, 15, 20 или 25% меньше среднего размера пор поверхности подложки из активированного угля. В предпочтительном варианте осуществления
углеродная мембрана модифицированного активированного угля имеет средний размер пор, который по
меньшей мере на 25% меньше среднего размера пор поверхности подложки из активированного угля.
Посредством изменения поверхностной пористости подложки из активированного угля может изменяться кинетика поглощения и/или адсорбции активированного угля.
Для больших количеств модифицированный активированный уголь может быть получен с помощью следующего способа, в котором псевдоожиженный слой используется для нанесения по меньшей
мере одного вещества из соединения для предварительной обработки и предшественника угля на подложку из активированного угля (например, частиц активированного угля). В способе частицы активированного угля вводятся в резервуар для псевдоожижения частиц, газ, такой как азот, вводится в нижнюю
часть резервуара. Затем раствор соединения для предварительной обработки или предшественника угля
вводится в резервуар, в то время как угольные частицы находятся в псевдоожиженном состоянии. Предпочтительно, эти материалы инкорпорируются на открытой поверхности подложки из активированного
угля, в то время как частицы поддерживаются при температуре окружающей среды, то есть способ осуществляется без нагрева частиц. Хотя материалы предпочтительно наносятся на верхнюю поверхность
псевдоожиженного слоя, перемешивание угольных частиц распределяет материалы по слою угольных
частиц.
-5-
013882
При обработке в псевдоожиженном слое инертный газ, такой как азот, используется для псевдоожижения частиц активированного угля. Скорость потока псевдоожижающего газа будет зависеть от
размера псевдоожиженного слоя. В предпочтительном варианте осуществления скорость потока составляет по меньшей мере 140 л/мин (5 фут3/мин), более предпочтительно от 250 до 600 л/мин (от 10 до 20
фут3/мин). Скорость потока предшественника угля на угольные частицы будет зависеть от обрабатываемого количества угля и/или от продолжительности обработки в псевдоожиженном слое. В предпочтительном варианте осуществления предшественник угля наносят в жидком виде при скорости потока по
меньшей мере 10 г/мин, например от 15 до 25 г/мин для партии в 11 кг (25 фунтов) активированного угля. Предшественник угля может быть растворен или суспендирован в носителе, таком как пропиленгликоль, спирт (например, метиловый спирт, этиловый спирт и т.п.), вода, глицерин и их смеси, например, в
водном растворе, содержащем предшественник угля и воду. Концентрация предшественника угля в носителе может составлять от около 1 до 99 мас.%. Предпочтительная концентрация предшественника угля
составляет от около 20 до 60 мас.%. После нанесения предшественника угля на активированный уголь в
псевдоожиженном слое псевдоожижающее действие может продолжаться, чтобы облегчить тщательное
распределение предшественника угля в псевдоожиженном слое. В качестве примера, предшественник
угля может наноситься на частицы активированного угля в течение периода времени 15 мин и псевдоожижающее действие может продолжаться в течение еще 5 мин после этого. Не ограничивая себя теорией, авторы полагают, что псевдоожижающий газ является эффективным в качестве движущей силы для
равномерного распределения предшественника угля на угольных частицах посредством массопереноса
и/или соударений частиц.
Может использоваться любой подходящий резервуар, способный поддерживать частицы активированного угля в псевдоожиженном состоянии. Такие резервуары могут быть выполнены в виде технологического устройства периодического или непрерывного действия. Примерная система псевдоожиженного слоя периодического типа показана на фиг. 1, а примерная система псевдоожиженного слоя непрерывного действия показана на фиг. 2. Крайне выгодная особенность технологии нанесения предшественника угля на предварительно обработанную подложку из активированного угля с псевдоожиженным
слоем состоит в том, что может быть получено однородное покрытие из предшественника угля на подложке из активированного угля. В нижеследующем описании описано включение предшественника угля
в активированный уголь и/или нанесение на него с использованием псевдоожиженного слоя. Система с
псевдоожиженным слоем также может использоваться для включения раствора соединения для предварительной обработки в активированный уголь и/или на него.
В системе на фиг. 1 резервуар 210 загружается активированным углем 212 и псевдоожижающий газ
протекает снизу вверх через отверстия в распределительной пластине 214. Газ предпочтительно содержит инертный газ, такой как азот, подаваемый через линию подачи 216. После прохождения через слой
угольных частиц псевдоожижающий газ проходит через фильтры 220, 222 и удаляется из резервуара через выпускную линию 218. Угольные частицы могут подаваться в резервуар 210 через узел ввода 224.
Для очистки аккумулированного материала, такого как мелкодисперсные угольные частицы, газ для очистки, такой как азот, может продуваться обратно через фильтры 220, 222, посредством линии подачи 226.
Ряд клапанов может использоваться для изоляции выпускной линии 218 от линии подачи 226, при этом
предотвращается протекание азота в линию подачи 226, когда газы извлекаются через выпускную линию
218. Подобным же образом клапаны могут изолировать выпускную линию 218 от обратного вдувания
газа, подающегося с помощью линии подачи 226 во время очистки фильтров 220, 222. Очистка фильтров
может осуществляться во время обработки угля, например, обратная продувка азота может осуществляться периодически, в то время как активированный уголь находится в псевдоожиженном состоянии. В
качестве примера, если уголь обрабатывается в течение 15 мин, обратная продувка азота может осуществляться в виде 2-секундных импульсов каждые 60 с во время обработки угля. Раствор предшественника
угля в танке 228 может удаляться с помощью насоса 230, который направляет предшественник через линию подачи 232 и в резервуар после прохождения через сопла 234, 236. Предварительно обработанные и
снабженные покрытием частицы активированного угля могут удаляться из резервуара через выпускную
линию 238.
В системе на фиг. 2 имеющий несколько отделений резервуар 240 загружается активированным углем 242 и псевдоожижающий газ протекает снизу вверх через отверстия в распределительной пластине
(не показана). Газ предпочтительно содержит азот, подаваемый через линию подачи 246. После прохождения через слой угольных частиц псевдоожижающий газ проходит через фильтры 250, 251, 252, 253 и
удаляется из резервуара через выпускную линию 248. Угольные частицы могут подаваться в резервуар
240 через линию ввода 254.
Для очистки от аккумулируемого материала, такого как мелкодисперсные частицы угля, очистной
газ, такой как азот, может продуваться обратно через фильтры 250, 252 посредством линии подачи 256.
Ряд клапанов может использоваться для изоляции выпускной линии 248 от линии подачи 256, при этом
предотвращается протекание азота в линии подачи 256, когда газы извлекаются через выпускную линию
248. Подобным же образом, клапаны могут изолировать выпускную линию 248 от обратной продувки
газа, подающегося с помощью линии подачи 256 во время очистки фильтров 250-253. Очистка фильтров
-6-
013882
может осуществляться во время обработки угля, например, обратная продувка азота может осуществляться периодически, в то время как уголь находится в псевдоожиженном состоянии. В качестве примера, если уголь обрабатывают в течение 15 мин, обратная продувка азота может осуществляться в 2секундных импульсах каждые 60 с во время обработки угля.
Раствор предшественника угля в танке 258 может удаляться с помощью насоса 260, который направляет раствор предшественника через линию подачи 262 и в резервуар после прохождения через сопла 264, 265, 266, 267. Активированный уголь с покрытием может удаляться из резервуара через выпускную линию 268. Резервуар 240 может иметь любое желаемое количество отделений, например, в показанном варианте осуществления резервуар содержит шесть отделений 270, 272, 274, 276, 278, 280, разделенных перегородками 282, 284, 286, 288, 290.
Предшественник угля может подаваться только в среднее отделение 272, 274, 276, 278, при этом
первое отделение 270 может использоваться в качестве отделения для загрузки, а последнее отделение
280 может использоваться в качестве выпускного отделения.
Прохождение угольных частиц из одного отделения в другое достигается посредством образования
одного или нескольких отверстий в перегородках 282, 284, 286, 288, 290. Например, может предусматриваться по одному отверстию в нижней части каждой перегородки, например прямоугольное отверстие 12 дюйма на 2-4 дюйма. Для предотвращения прямого протекания угольных частиц из одного отделения в
другое является преимущественным расположение отверстий на расстоянии друг от друга, например,
первая перегородка 282 может иметь отверстие вблизи одной стороны резервуара, а следующая перегородка 284 может иметь отверстие вблизи противоположной стороны резервуара, и так далее, для создания извилистого пути перемещения угля через резервуар.
Псевдоожиженный слой угольных частиц ведет себя подобно жидкости, при этом часть псевдоожиженных частиц движется снизу вверх под действием псевдоожижающего газа, и некоторые частицы
переносятся из первого отделения 270 во второе отделение 272, протекая через отверстие (например, отверстие 25 мм на 50 мм (1 на 2 дюйма)) между отделениями 270, 272 в нижней части перегородки 282.
Подобным же способом частицы перемещаются от отделения к отделению до тех пор, пока не достигнут
выпускного отделения. Таким образом, частицы перемещаются от отделения к отделению, находясь при
этом в псевдоожиженном состоянии и, наконец, удаляются из резервуара через заданное время пребывания. Время пребывания может изменяться в зависимости от размера резервуара и количества отделений.
Время пребывания может находиться в пределах от 5 до 60 мин, более предпочтительно от 10 до 20 мин.
Размеры отделений резервуара предпочтительно являются одинаковыми, и предшественник угля
может распределяться в средних отделениях с помощью двух или более выходов в каждом отделении.
Предшественник угля предпочтительно подается в каждое отделение с такой скоростью потока, что достигается однородное распределение предшественника угля на частицах активированного угля. Например, предшественник угля может подаваться с такой скоростью потока, которая приводит к возникновению капель жидкости, к распылению жидкости или к возникновению непрерывного потока жидкости на
слой псевдоожиженных частиц. Не имея желания ограничиваться теорией, предполагается, что однородное распределение предшественника угля облегчается псевдоожижающим газом, который облегчает
массоперенос предшественника от частицы к частице, когда частицы перемещаются в псевдоожиженном
слое в вертикальном и/или горизонтальном направлении. Предпочтительное расположение выходов
обеспечивает один выход для распределения предшественника угля на площади от 1,3⋅104 до 4⋅104 мм2
(от 20 до 60 дюйм2), например от около 2,104 до 2,6⋅104 мм2 (от 30 до 40 дюйм2) на верхней поверхности
псевдоожиженного слоя.
Предшественник угля может наноситься на псевдоожиженные частицы при любой желаемой температуре. Предпочтительно, слой не нагревается и частицы могут находиться при температуре в пределах от около 0 до 80°С, более предпочтительно от около 15 до 30°С. Нагрева угольных частиц во время
обработки не требуется, поскольку и без нагрева может получаться адекватное покрытие частиц с помощью предшественника угля.
Предпочтительно, по существу, весь предшественник угля, вводимый в резервуар, наносится на
угольные частицы. В терминах добавленной массы, угольные частицы могут обрабатываться, чтобы они
содержали от около 1 до 150 мас.% (сухая масса) предшественника угля.
Как рассматривалось выше, технология начальной влажности может использоваться для включения
раствора соединения для предварительной обработки и/или раствора предшественника угля в подложку
из активированного угля и/или на нее. Например, частицы активированного угля могут погружаться в
водный или неводный раствор предшественника угля в течение заданного периода времени, а затем сушиться для включения покрытия из предшественника на открытой поверхности частиц. Период времени
предпочтительно выбирается так, чтобы он был достаточным для образования, по существу, однородного покрытия из соединения в угле и/или на нем (например, от около 1 до 48 ч, предпочтительно от около
12 до 24 ч). Предпочтительная концентрация раствора, содержащего соединение для предварительной
обработки, составляет от около 1 до 25 мас.%, а предпочтительная концентрация раствора предшественника угля составляет от около 20 до 60 мас.%. В то время как активированный уголь погружен в раство-7-
013882
ритель, содержащий растворенный предшественник, предшественник поглощается и/или адсорбируется
в активированном угле и/или на нем (например, на открытой поверхности активированного угля). Предшественник угля может включаться в подложку из активированного угля на одной стадии нанесения покрытия или на множестве стадий нанесения покрытия.
После включения раствора предшественника угля в подложку из активированного угля и/или на нее
уголь с покрытием сушится, предпочтительно, посредством сушки на воздухе или посредством нагрева
при температуре от около 80 до 120°С. После сушки активированный уголь с покрытием нагревается при
температуре, достаточной для карбонизации (то есть термического разложения) предшественника угля и
образования углеродного покрытия.
Время и температура нагрева будут зависеть, по меньшей мере частично, от подложки из активированного угля, предшественника угля и желаемой структуры модифицированного активированного угля.
Модифицированный активированный уголь предпочтительно формируется посредством кагрева активированного угля с покрытием при температуре менее чем около 400°С, более предпочтительно менее чем
около 300°С в течение времени менее чем около 2 ч, хотя могут использоваться и более высокие температуры и/или более продолжительные времена. Предпочтительно температурные параметры (то есть,
время и температура), используемые для разложения предшественника угля, являются достаточными для
преобразования по существу всего предшественника угля в углерод.
Подложка из активированного угля с покрытием может нагреваться в окислительной или инертной
атмосфере.
Окислительная атмосфера может содержать O2, СО, воздух и их смеси. Инертная атмосфера может
содержать N2, Ar, He и их смеси. Не имея желания ограничиваться теорией, предполагается, что нагревание в окислительной атмосфере, которая вызывает разложение и окисление предшественника угля, создает более высокую среднюю пористость поверхности, чем нагревание в инертной атмосфере, в которой
предшественник угля разлагается, но не окисляется с легкостью.
Сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа фотографии исходного активированного угля и модифицированного активированного угля показаны на фиг. 3 и 4 соответственно. Фиг.
3A и 3B показывают исходный уголь PICA. Для образования модифицированного активированного угля,
показанного на фиг. 4А и 4В, исходный активированный уголь сначала погружается в раствор 10 мас.%
цетилтриметиламмоний хлорида, сушится на воздухе, при комнатной температуре, а затем сушится в
печи при 100°С в течение 5 ч с образованием предварительно обработанного активированного угля. Модифицированный активированный уголь получают посредством погружения 20 г предварительно обработанного активированного угля с 1 г раствора 67 мас.% сахарозы в воде в течение 12 ч с образованием
угля с покрытием, сушки угля с покрытием при 100°С в течение около 5 ч, а затем нагрева угля с покрытием при 300°С в течение 1 ч. Площадь поверхности модифицированного активированного угля после
нагрева при 300°С в азоте составляет около 80 м2/г.
Частицы активированного угля могут быть получены посредством загрузки от около 1 до 150 мас.%
угля. Не ограничивая себя теорией, авторы полагают, что общая площадь поверхности (измеренная согласно БЭТ) модифицированного активированного угля будет в преобладающей степени представлена
микропористостью подложки из активированного угля. Поскольку пористое углеродное покрытие, по
существу, не блокирует доступа к микропорам, общая площадь поверхности модифицированного активированного угля, по существу, равна общей площади поверхности подложки из активированного угля.
Предпочтительно, общая площадь поверхности модифицированного активированного угля составляет по
меньшей мере 90%, более предпочтительно по меньшей мере 95% от общей площади поверхности подложки из активированного угля. Хотя общая площадь поверхности активированного угля предпочтительно, не уменьшается существенно, включение однородной пористой углеродной мембраны может
изменить, предпочтительно уменьшить, средний размер пор на поверхности модифицированного активированного угля, по сравнению с подложкой из активированного угля. Характеристики поглощения/адсорбции активированного угля могут контролироваться посредством контроля распределения размера пор (например, средней пористости поверхности) в углеродном покрытии. Кроме того, посредством
предварительной обработки активированного угля (то есть преобразования типичной гидрофобной поверхности угля в гидрофильную, по существу, поверхность) на подложке из активированного угля может
формироваться однородное покрытие из предшественника угля. Однородная углеродная мембрана покрывает по меньшей мере 80% открытой поверхности (то есть открытой для взгляда внешней поверхности) подложки из активированного угля, более предпочтительно по меньшей мере 90% открытой поверхности, и/или имеет среднюю толщину, имеющую стандартное отклонение, которое менее чем около
25%, более предпочтительно менее чем около 10% от средней толщины.
Нанесение углеродной мембраны может придать механическую устойчивость подложке из активированного угля. Например, посредством нанесения углеродной мембраны на подложку из активированного угля может быть уменьшена склонность подложки из активированного угля к образованию хлопьев
или пыли. Предпочтительно средняя толщина углеродной мембраны находится от около 1 мкм до 0,1 мм
(например, от около 1-5, 2-20, 5-50, 10-20, 40-60, 50-100 или 80-100 мкм).
Модифицированный активированный уголь может иметь улучшенные характеристики фильтрации
-8-
013882
по сравнению с подложкой из активированного угля. Углеродная мембрана может наноситься способом,
который дает возможность модифицированному активированному углю для уменьшения содержания
одного или более газообразных компонентов, таких как 1,3-бутадиен, акролеин, изопрен, пропиональдегид, акрилонитрил, бензол, толуол, стирол, ацетальдегид и цианистый водород, в основном потоке дыма.
Предпочтительно, однако, модифицированный активированный уголь, по существу, не уменьшает концентрацию в основном потоке дыма ароматизирующих компонентов дыма. Таким образом, модифицированный активированный уголь может демонстрировать пониженный резервуар удерживания по сравнению с подложкой из активированного угля посредством включения однородной пористой углеродной
мембраны, которая изменяет кинетику поглощения и/или адсорбции подложки из активированного угля.
Подложка из немодифицированного активированного угля, которая инкорпорируется в сигарету, может
удалять желательные ароматизирующие соединения и/или придавать нежелательный угольный запах
сигаретному дыму во время курения сигареты. Преимущественно, нанесение однородного покрытия на
модифицированный активированный уголь может по существу устранить неприятный вкус, связанный с
активированным углем.
Фиг. 5 показывает процент уменьшения по отношению к стандартам для трех газообразных компонентов (1,3-бутадиен, акролеин, бензол) при использовании исходного активированного угля (соответствует данным при 0% сахарозы) или модифицированного активированного угля в экспериментальной установке. Отношение сахароза/уголь относится к увеличению массы (в массовых) подложки из активированного угля при разложении покрытия из сахарозы с образованием модифицированного активированного угля. Для получения модифицированного активированного угля 10 мас.% раствора цетилтриметиламмоний хлорида объединяют с исходным активированным углем PICA, сушат на воздухе, а затем сушат при 100°С в течение около 5 ч с образованием предварительно обработанного активированного угля.
Приблизительно 20 г предварительно обработанного активированного угля объединяют с 10 г водного
раствора 67 мас.% сахарозы посредством технологии начальной влажности. После 12-часового экспонирования смесь сушат при 100°С в течение 5 ч, а затем нагревают при 300°С в течение 1 ч с образованием
модифицированного активированного угля. Посредством повторного погружения модифицированного
активированного угля в раствор сахарозы нагрузка углерода на подложке из активированного угля (выраженная как мас.%/мас.%) увеличивается.
Обращаясь опять к фиг. 5 процент уменьшения содержания 1,3-бутадиена, акролеина и бензола
улучшается при добавлениях углеродного покрытия до около 65%. Однако углеродное покрытие, соответствующее увеличению массы около 135%, приводит к уменьшению эффективности фильтрования для
1,3-бутадиена, акролеина и бензола.
Модифицированный активированный уголь может использоваться в разнообразных применениях,
включая сигареты, композиции нарезанных наполнителей и сигаретные фильтры. В сигарете содержащей модифицированный активированный уголь, частицы модифицированного активированного угля
могут располагаться в фильтре и/или диспергироваться в нарезанном наполнителе. Типичная сигарета
будет содержать от около 10 мг до около 200 мг частиц модифицированного активированного угля, хотя
необходимое количество может также определяться с помощью рутинных экспериментов и/или регулироваться соответствующим образом. Модифицированный активированный уголь может использоваться
для селективной адсорбции/фильтрации конкретных компонентов дыма основного потока сигареты.
Примеры соответствующих типов табачных материалов, которые могут использоваться, включают
в себя табак дымовой сушки, табаки Burley, Bright, Maryland или Oriental, редкие или специальные табаки и их смеси. Табачный материал может быть получен в форме табачного слоя обработанных табачных
материалов, таких как взорванный табак или вспушенный табак, обработанные табачные черенки, таких
как резанные-катанные или резанные-вспушенные черенки, разбавленные табачные материалы или их
смеси. Могут использоваться заменители табака.
При производстве сигарет табак обычно используют в форме нарезанного наполнителя, например, в
форме ленточек или нитей, нарезанных с шириной, находящейся в пределах от около 2,5 мм (1/10 дюйма) до около 1,2 мм (1/20 дюйма) или даже 0,6 мм (1/40 дюйма). Длина нитей находится в пределах от
около 6 мм (0,25 дюйма) до 75 мм (3 дюйма). Кроме того, сигареты могут содержать один или более ароматизаторов или других добавок (например, поджигающих добавок, агентов, модифицирующих горение,
подкрашивающих агентов, связующих и т.п.).
Технологии производства сигарет известны в данной области и могут использоваться для включения модифицированного активированного угля. Полученные сигареты могут производиться в соответствии с любым желаемым описанием с использованием стандартных или модифицированных технологий и
оборудования для изготовления сигарет. Сигареты могут иметь длину в пределах от около 50 до 120 мм.
Окружность составляет от около 15 до 30 мм в окружности, а предпочтительно около 25 мм. Плотность
упаковки, как правило, находится в пределах от около 100 до 300 мг/см3, а предпочтительно от около 150
до 275 мг/см3.
Любой обычный или модифицированный сигаретный фильтр может содержать частицы модифицированного активированного угля. Модифицированный активированный уголь может включаться в основу, такую как бумага (например, прокладка, сверток в виде заглушки или мундштучная бумага), которая
-9-
013882
располагается вдоль части сигареты, содержащей фильтр, или на нее. Модифицированный активированный уголь может также нагружаться на основу, такую как слегка или сильно сфальцованная гармошкой
бумага, вставленная в полую часть сигаретного фильтра. Основа предпочтительно находится в форме
листового материала, такого как крепированная бумага, фильтровальная бумага или мундштучная бумага. Однако могут также использоваться и другие соответствующие материалы для основы, такие как органические или неорганические материалы, совместимые с сигаретами.
На фиг. 6 показана сигарета 2, имеющая табачный стержень 4, фильтрующую часть 6 и мундштучную фильтрующую заглушку 8. Частицы модифицированного активированного угля могут загружаться
на сложенную бумагу 10, вставленную в полость, такую как внутреннее пространство свободной гильзы
12, образующей часть фильтрующей части 6. Бумага 10 может использоваться в других формах, чем
сложенный лист. Например, бумага 10 может использоваться в виде одной или более отдельных полос,
свернутого рулона и т.п. В любой форме желаемое количество частиц модифицированного активированного угля может создаваться в фильтрующей части сигареты посредством регулировки количества модифицированного активированного угля, нанесенного в виде покрытия на единицу площади бумаги
и/или на общую площадь бумаги с покрытием, используемой в фильтре (например, более высокие количества адсорбента с модифицированной поверхностью могут создаваться просто посредством использования кусков бумаги с покрытием большего размера). В сигарете на фиг. 6 фильтрующая часть 6 может
удерживаться фильтровой оберткой 11, а табачный стержень 4 и фильтрующая часть 6 могут быть соединены вместе мундштучной бумагой 14.
Модифицированный активированный уголь может включаться в бумагу фильтра с помощью ряда
способов. Например, модифицированный активированный уголь может смешиваться с водой с образованием суспензии. Суспензия может затем наноситься в виде покрытия на предварительно образованную
бумагу фильтра, которой дают высохнуть. Затем бумага фильтра может включаться в фильтрующую
часть сигареты способом, показанным на фиг. 6. Альтернативно, высушенная бумага, содержащая модифицированный активированный уголь, может быть свернута в форме заглушки и вставлена в фильтрующую часть сигареты. Например, бумага может свертываться в форме заглушки и вставляться во внутреннее пространство проточного элемента фильтра, такого как гильза из полипропилена или ацетата целлюлозы. В другом варианте выполнения бумага может содержать внутреннюю прокладку из такого проточного элемента.
Модифицированный активированный уголь может добавляться к бумаге фильтра во время процесса
изготовления бумаги. Например, модифицированный активированный уголь может смешиваться с объемом целлюлозы с образованием смеси в целлюлозной пульпе. Смесь может затем формоваться в виде
бумаги фильтра.
Модифицированный активированный уголь может включаться в полую часть фильтра сигареты.
Например, некоторые фильтры сигарет имеют конфигурацию тампон/свободное пространство/тампон, в
которой тампоны содержат волокнистый материал фильтра (например, волокна из полипропилена или
ацетата целлюлозы), а свободное пространство представляет собой просто пустоту между двумя заглушкими фильтра. Пустота может заполняться модифицированным активированным углем. Модифицированный активированный уголь может использоваться в гранулированной форме или нагружаться на соответствующую основу, такую как волокно или нить (например, модифицированный активированный
уголь может включаться в тампон из материала из пакли из ацетата целлюлозы).
На фиг. 7 показана сигарета 2, содержащая табачный стержень 4 и фильтрующую часть 6 в виде
фильтра типа «заглушка-промежуток-заглушка», имеющую мундштучную фильтрующую заглушку 8,
заглушку 16 и свободное пространство 18 между ними. Заглушка 16 может быть трубчатой или сплошной, из такого материала, как волокна из полипропилена или ацетата целлюлозы. Табачный стержень 4 и
фильтрующая часть 6 соединены вместе мундштучной бумагой 14. Фильтрующая часть 6 может включать обертку 11 фильтра. Частицы модифицированного активированного угля могут включаться в обертку 11 фильтра и/или на нее, например, могут быть на нее нанесены в виде покрытия. Альтернативно, частицы модифицированного активированного угля могут быть включены в мундштучную заглушку 8, в
заглушку 16 и/или в свободное пространство 18. Дополнительно модифицированный активированный
уголь может быть включен в любой элемент фильтрующей части сигареты.
В другом варианте осуществления модифицированный активированный уголь используется в
фильтрующей части сигареты для использования вместе с курительным устройством, описанным в патенте США 5692525, содержание которого включено сюда путем ссылки. На фиг. 8 показана примерная
конструкция сигареты 100, которая может использоваться с электрическим курительным устройством.
Сигарета 100 содержит табачный стержень 60 и фильтрующую часть 62, соединенные вместе мундштучной бумагой 64. Фильтрующая часть 62 предпочтительно содержит трубчатый проточный элемент 102 и
мундштучную фильтрующую заглушку 104. Проточный элемент 102 и мундштучная фильтрующая заглушка 104 могут быть соединены вместе в виде комбинированной заглушки 110 с помощью обертки
112. Табачный стержень 60 может иметь различные выполнения, включающие один или более из следующих элементов: внешнюю обертку 71; другой трубчатый проточный элемент 74; цилиндрическую
заглушку 80 из табака, предпочтительно обернутую в обертку 84; табачное полотно 66, содержащее ос- 10 -
013882
нову 68 и табачный ароматизатор 70; и свободное пространство 91. Проточный элемент 74 фильтра
обеспечивает структурное ограничение и поддержку на мунштучном конце 72 табачного стержня 60. На
свободном конце 78 табачного стержня 60 табачное полотно 66 вместе с внешней оберткой 71 обернуты
вокруг цилиндрической табачной заглушки 80. Возможны различные модификации в конструкции такого сигаретного фильтра, включающего модифицированный активированный уголь.
В такую сигарету модифицированный активированный уголь может быть включен различными путями, например загружен на бумагу или другой материал подложки, помещенной в канал трубчатого
проточного элемента 102 фильтра. Модифицированный активированный уголь может также использоваться в качестве прокладки или заглушки во внутреннем пространстве трубчатого проточного элемента
102. Альтернативно или дополнительно, модифицированный активированный уголь может быть включен непосредственно в волокнистые стенки трубчатого проточного элемента 102. Например, трубчатый
проточный элемент, или гильза, 102 может быть изготовлен из соответствующих материалов, таких как
волокна полипропилена или ацетата целлюлозы, и модифицированный активированный уголь может
быть смешан с такими волокнами до образования гильзы или в процессе ее образования.
Модифицированный активированный уголь может включаться в мундштучную фильтрующую заглушку 104 вместо проточного элемента 102. Однако, как и в вариантах, описанных выше, модифицированный активированный уголь может включаться ни в один, а в несколько компонентов фильтрующей части, например, включаться в мундштучную фильтрующую заглушку 104 и в трубчатый проточный элемент
102 фильтра. Фильтрующую часть 62 на фиг. 8 можно модифицировать путем обеспечения свободного
пространства, в котором могут быть размещены частицы модифицированного активированного угля.
Как объясняется выше, модифицированный активированный уголь может включаться в различные
материалы основы. Когда частицы модифицированного активированного угля используются в бумаге
фильтра, частицы могут иметь средний размер частиц от 10 до 100 мкм, предпочтительно 30-80 мкм. Когда адсорбент с модифицированной поверхностью используется в волокнах фильтра или других механических основах, могут использоваться частицы больших размеров. Такие частицы предпочтительно
имеют размер от 10 до 70 меш, а более предпочтительно от 20 до 50 меш.
Количество модифицированного активированного угля, используемого в сигаретном фильтре посредством включения на соответствующую основу, такую как бумага для фильтра и/или волокна фильтра, зависит от количества компонентов в табачном дыме и от количества компонентов, которые желательно удалить. В качестве примера бумага для фильтра и волокна фильтра могут содержать от 10 до 50
мас.% частиц модифицированного активированного угля.
Хотя описываются предпочтительные варианты осуществления, необходимо понять, что могут
быть проделаны различные вариации и модификации, как будет понятно специалистам в данной области.
Такие вариации и модификации должны рассматриваться в пределах области действия и рамок прилагаемой формулы изобретения.
Все вышеупомянутые публикации включены сюда путем ссылки полностью, как если бы вместо
каждой отдельной ссылки было приведено полное содержание соответствующей публикации.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ изготовления модифицированного активированного угля, содержащего подложку из активированного угля и однородную пористую угольную мембрану, образованную на открытой поверхности подложки из активированного угля, предусматривающий:
(i) получение подложки из активированного угля;
(ii) предварительную обработку подложки из активированного угля, чтобы сделать открытую поверхность подложки из активированного угля, по существу, гидрофильной;
(iii) покрытие подложки из активированного угля предшественником угля с образованием покрытой
подложки из активированного угля; и
(iv) нагревание покрытой подложки из активированного угля при температуре, достаточной для
карбонизации предшественника угля, с образованием однородной пористой угольной мембраны.
2. Модифицированный активированный уголь, содержащий подложку из активированного угля и
однородную пористую угольную мембрану, образованную на открытой поверхности подложки из активированного угля, причем угольная мембрана имеет поверхностную пористость, отличающуюся по
меньшей мере на 10% от поверхностной пористости подложки из активированного угля.
3. Модифицированный активированный уголь по п.2 в форме зерен («бусин»), гранул или волокон.
4. Модифицированный активированный уголь по п.2, в котором угольная мембрана составляет от
около 1 до 150 мас.% подложки из активированного угля.
5. Модифицированный активированный уголь по п.2, в котором угольная мембрана составляет от
около 20 до 80 мас.% подложки из активированного угля.
6. Сигарета, содержащая частицы модифицированного активированного угля по любому из пп.2-5,
в которой частицы модифицированного активированного угля диспергированы в табачном мешке и/или
расположены в элементе фильтра сигареты.
- 11 -
013882
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3A-3B
Фиг. 4А-3В
- 12 -
013882
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
- 13 -