СИГАРЕТНАЯ БУМАГА С ПЛАСТИНЧАТЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ
CIGARETTE PAPER WITH LAMELLAR FILLER

Настоящее изобретение относится к сигаретной бумаге, которая содержит целлюлозные волокна и частицы наполнителя. При этом понятие «содержать» не исключает того, что сигаретная бумага содержит еще и дополнительные компоненты. В частности, оно относится к сигаретной бумаге, которая обеспечивает возможность сократить количество монооксида углерода в сигаретном дыме, а также к соответствующей сигарете.
Общеизвестно, что сигаретный дым содержит многочисленные вредоносные вещества, в том числе также монооксид углерода. Поэтому промышленность весьма заинтересована в производстве сигарет, дым которых содержит значительно меньше вредных веществ. Для сокращения количества таких веществ сигареты часто снабжаются фильтрами, как правило, выполненными из ацетата целлюлозы. Однако эти фильтры непригодны для сокращения содержания монооксида углерода в дыме сигарет, поскольку ацетат целлюлозы не может поглощать монооксид углерода. Различные предложения вводить в фильтр катализаторы, чтобы преобразовывать монооксид углерода в менее вредный диоксид углерода, до сих пор не были успешными отчасти по функциональным, отчасти по экономическим соображениям.
Также известно разбавление образующегося в сигарете дыма, например, потоком воздуха, поступающего через перфорацию в мундштучной бумаге. Хотя тем самым содержание монооксида углерода в сигаретном дыме может быть снижено, однако за счет того, что разбавляются также определяющие вкус сигареты вещества, и поэтому ухудшаются вкусовое восприятие сигареты и признание потребителем.
3
Вещества в сигаретном дыме определяются способом, в котором сигареты выкуриваются согласно нормированным предписаниям. Один такой способ описан, например, в стандарте ISO 4387. При этом сигарета сначала поджигается в начале первой затяжки, и затем каждую минуту производится затяжка на обращенном ко рту конце сигареты с продолжительностью 2 секунды и объемом 35 см при синусоидальном профиле затяжек на сигарете. При этом затяжки повторяются до тех пор, пока сигарета не израсходуется до определенной заданной в стандарте длины. Дым, выходящий из обращенного ко рту конца сигареты во время затяжек, улавливается фильтром Cambridge Filter Pad, и этот фильтр впоследствии подвергается химическому анализу для определения содержания в нем различных веществ, например никотина. Газовая фаза, протекающая через фильтр Cambridge Filter Pad из обращенного ко рту конца сигареты во время затяжек, собирается и также химически анализируется, например, для определения содержания монооксида углерода в сигаретном дыме.
3
2
3
2
Таким образом, во время нормированного выкуривания сигарета находится в двух различных в отношении режима потока состояниях. В процессе затяжки возникает значительный перепад давлений, типично в диапазоне от 200 Па до 1000 Па, между обращенной к табаку внутренней стороной и наружной стороной сигаретной бумаги. Вследствие этого перепада давлений воздух протекает сквозь сигаретную бумагу в заполненную табаком часть сигареты и разбавляет образующийся во время затяжки дым. Во время этой фазы, которая длится 2 секунды на затяжку, определяется степень разбавления сигаретного дыма, обусловленная воздухопроницаемостью бумаги. Воздухопроницаемость определяется согласно стандарту ISO 2965 и указывает, какой объем воздуха протекает через сигаретную бумагу в единицу времени через единицу площади и сообразно разности давлений, и поэтому выражается единицей «см/(мин⋅см⋅кПа)». Она часто обозначается как единица CORESTA (CU, CORESTA Unit) (1 CU=1 см/(мин⋅см⋅кПа)). На основе этого значения регулируется вентиляция табачного штранга сигареты, то есть воздушный поток, который протекает при затяжке в сигарету через сигаретную бумагу. Обычно воздухопроницаемость сигаретных бумаг варьирует в диапазоне от 0 до 200 CU, причем в общем предпочтителен диапазон от 20 до 120 CU.
Напротив, в промежутке времени между затяжками сигарета тлеет без существенной разности давлений между внутренностью табачной части сигареты и окружающей средой, так что подача газа определяется разностью концентраций газа между табачной частью и окружением. При этом монооксид углерода также диффундирует сквозь сигаретную бумагу из табачной части в окружающий воздух. В этой фазе, которая согласно описанному в стандарте ISO 4387 способу длится 58 секунд на каждую затяжку, определяющим параметром снижения количества монооксида углерода является диффузионная емкость.
3
2
2
2
2
Диффузионная емкость представляет собой коэффициент переноса и описывает проницаемость сигаретной бумаги для газового потока, который обусловливается разностью концентраций. Точнее, диффузионная емкость характеризует объем газа, проходящий через бумагу в единицу времени через единицу площади сообразно разности концентраций, и поэтому описывается единицей «см/сек⋅см) = см/сек». Например, диффузионная емкость сигаретной бумаги для СО может быть определена с помощью измерителя коэффициента диффузии СО (CO Diffusivity Meter) фирмы Sodim и тесно связана с диффузионной емкостью сигаретной бумаги для СО.
Из приведенных выше соображений следует, что диффузионная емкость должна иметь самостоятельное большое значение для содержания монооксида углерода в сигаретном дыме, и что величины содержания монооксида углерода в сигаретном дыме могли бы быть снижены повышением диффузионной емкости. В частности, это имеет значение применительно к известным из прототипа самогаснущим сигаретам, для которых наблюдаются сравнительно высокие уровни содержания монооксида углерода. В таких сигаретах на сигаретную бумагу нанесены огнезадерживающие полоски, чтобы достигать самогашения в нормированном испытании (стандарт ISO 12863). Это или подобное испытание составляет, например, часть законодательных предписаний в США, Канаде, Австралии и в Европейском Союзе. Повышенные уровни содержания монооксида углерода обусловливаются тем, что монооксид углерода лишь в очень незначительной степени может диффундировать из сигареты через огнезадерживающие полоски. Поэтому было бы весьма благоприятным обладание сигаретными бумагами, которые компенсировали бы этот нежелательный побочный эффект.
*
(1/2)
*
Правда, на практике оказалось чрезвычайно затруднительным регулирование диффузионной емкости независимо от воздухопроницаемости бумаги в процессе производства бумаги. Однако воздухопроницаемость, со своей стороны, в большинстве случаев является предметом заданных изготовителями бумаги технических спецификаций на бумагу, так что - при данном предписании - диффузионная емкость практически определяется условиями технологического процесса изготовления бумаги и может варьировать лишь в очень узком диапазоне (сравни также публикацию: B.E.: The influence of the pore size distribution of cigarette paper on its diffusion constant and air permeability («Влияние распределения пор по величине в сигаретной бумаге на ее коэффициент диффузии и воздухопроницаемость»), SSPT17, 2005, Материалы конференции CORESTA, Стратфорд-на-Эйвоне, Великобритания). В таком случае как воздухопроницаемость, так и диффузионная емкость определяются структурой пор в сигаретной бумаге, причем между этими величинами существует взаимосвязь, которая приближенно описывается выражением D~Z, причем D представляет диффузионную емкость, и Z означает воздухопроницаемость. Эта взаимосвязь в очень хорошем приближении действительна прежде всего тогда, когда воздухопроницаемость бумаги регулируется в основном степенью измельчения целлюлозных волокон.
Из уровня техники известны различные подходы для повышения коэффициента диффузии сигаретной бумаги, например, добавлением термически нестабильных веществ (WO 2012013334) или выбором среднего размера частиц наполнителя (ЕР 1450632, ЕР 1809128). Несмотря на эти попытки, все еще есть потребность в том, чтобы найти возможность значительного повышения диффузионной емкости при заданной воздухопроницаемости.
В основу настоящего изобретения положена задача создания сигаретной бумаги, которая позволяет избирательно снижать содержание монооксида углерода в сигаретном дыме при заданной воздухопроницаемости.
Эта задача решена с помощью сигаретной бумаги согласно пункту 1 формулы изобретения. Полезные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению, сигаретная бумага содержит целлюлозные волокна и частицы наполнителя, причем по меньшей мере часть частиц наполнителя имеет пластинчатую форму. Изобретатели настоящего изобретения установили, что диффузионная емкость сигаретной бумаги - при неизменной воздухопроницаемости - может быть значительно повышена, если по меньшей мере часть частиц наполнителя имеет пластинчатую форму. Особенно высокие значения диффузионной емкости могут быть достигнуты, если весь наполнитель составлен пластинчатыми частицами. Тем не менее, в отдельных случаях из соображений стоимости можно использовать меньшую долю пластинчатого наполнителя. Согласно изобретению, все же по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 40%, особенно предпочтительно по меньшей мере 55% и, в частности, по меньшей мере 70% частиц наполнителя в расчете на массу или на число частиц должны иметь пластинчатую форму. Подобные различные доли пластинчатых и непластинчатых частиц могут быть достигнуты, например, тем, что в бумагу вводятся наполнители различных сортов в смеси.
В одном предпочтительном варианте исполнения пластинчатые частицы наполнителя имеют длину «l», ширину «b» и толщину «d», которые в каждом случае соответствуют максимальным размерам в трех перпендикулярных относительно друг друга пространственных ориентациях, причем как длина «l», так и ширина «b» являются по меньшей мере вдвое большими, предпочтительно по меньшей мере вчетверо большими, чем толщина «d».
При этом длина «l» и ширина «b» обычно отличаются друг от друга, но должны различаться менее чем в 5 раз, предпочтительно менее чем в 3 раза и в особенности предпочтительно менее чем в 2 раза.
При идеализированном представлении почти прямоугольной геометрической формы длина «l», ширина «b» и толщина «d» могли бы соответствовать, например, длинам ребер прямоугольного параллелепипеда, то есть никоим образом не обязательно, чтобы длина «l» соответствовала самому длинному размеру частицы, который при идеализированном прямоугольном параллелепипеде соответствовал бы пространственной диагонали. Однако, как правило, длина «l» будет большей или равной ширине «b» и, в свою очередь, в 2,5 или менее раза отличается от самого длинного пространственного измерения частицы.
Для иллюстрации следует сослаться на сопроводительную Фигуру 1, которая иллюстрирует пластинчатую частицу наполнителя, в которой обозначены длина «l», ширина «b» и толщина «d».
*
*
(1/2)
*
*
*
*
*
*
*⋅
(1/2)
*
*
2
2
2
х
50
х
Как было упомянуто вначале, диффузионная емкость Dв обычных бумагах в хорошем приближении пропорциональна квадратному корню из значения Z воздухопроницаемости в CU, то есть справедливо выражение D~Z. Типичное значение диффузионной емкости для СО при воздухопроницаемости Z=50 CU составляет, например, 1,65 см/сек. До сих пор было технически чрезвычайно сложно варьировать диффузионную емкость D независимо от воздухопроницаемости Z таким образом, чтобы при заданной воздухопроницаемости Z получать повышенную диффузионную емкость D. Однако посредством соответствующего изобретению применения пластинчатого наполнителя можно повысить диффузионную емкость D для СО при одинаковой в остальном бумаге с величиной воздухопроницаемости Z=50 CU до значения D≥1,80 см/сек. Подобное относительное повышение диффузионной емкости D с помощью пластинчатого наполнителя достигается также при воздухопроницаемости Z, величина которой отличается от Z=50 CU. Чтобы количественно оценить этот эффект также для общих величин воздухопроницаемости «x CU», можно нормировать диффузионную емкость D для СО с использованием отношения D~Z на ожидаемую диффузионную емкость при 50 CU, для чего ее умножают на коэффициент √50/√х, следовательно, D=D⋅√50/√х.
*
*
х
2
х
Отсюда в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения для диффузионной емкости Dв отношении СО сигаретной бумаги с воздухопроницаемостью «x CU» справедливо отношение: D⋅√50/√х≥1,80 см/сек, предпочтительно ≥1,85 см/сек. В частности, это действительно для значений «x» воздухопроницаемости, варьирующих в диапазоне 20≤x≤120, предпочтительно 30≤x≤100, и по меньшей мере для бумаг с уровнями содержания наполнителя между 20 и 40% по весу.
50
Оказалось, что для соответствующего изобретению эффекта значительно более существенным фактором является геометрическая форма, то есть пластинчатая конфигурация, нежели средний размер частиц, то есть желательное действие в известных пределах достигается независимо от среднего размера частиц. В одном предпочтительном варианте исполнения масс-медианное значение d измеренного согласно стандарту ISO 13317-3 распределения частиц по величине составляет между 0,2 и 4,0 мкм, предпочтительно между 0,5 и 3,0 мкм.
Поскольку, согласно исследованиям изобретателей настоящего изобретения, решающее значение для повышения диффузионной емкости имеет прежде всего геометрическая форма, соответственно, конфигурация частиц, материал наполнителя теперь уже больше не ограничивается в той мере, насколько наполнитель является приемлемым для сигаретной бумаги по токсикологическим или законодательным нормативам. Однако наполнитель предпочтительно содержит пластинчатый карбонат кальция, который в отношении санитарно-гигиенических и законодательных соображений не вызывает никаких сомнений. Однако, как упоминалось вначале, при этом не требуется, чтобы наполнитель был полностью сформирован пластинчатым карбонатом кальция, но могут быть примешаны также карбонаты кальция без пластинчатой геометрической формы или совершенно другие наполнители.
В одном предпочтительном варианте исполнения карбонат кальция представляет собой кальцит, ватерит или их смесь, которые являются предпочтительными сравнительно с арагонитом или прочими модификациями карбоната кальция. Смесь предпочтительно состоит из кальцита в количестве от 50 до 70% по весу и ватерита с содержанием от 30 до 50% по весу.
Соответствующий изобретению наполнитель может быть введен в бумагу обычным способом, как это известно из уровня техники специалисту в области производства бумаги. При изготовлении бумаги после введения соответствующего изобретению наполнителя также не нужно принимать никаких дополнительных особенных мер.
2
2
Совокупное содержание наполнителя в бумаге предпочтительно составляет между 10 и 45% по весу, особенно предпочтительно между 20 и 40% по весу. Кроме того, сигаретная бумага предпочтительно имеет удельный вес на единицу площади от 10 до 60 г/м, особенно предпочтительно от 20 до 35 г/м.
В одном особенно предпочтительном варианте исполнения бумага на отдельных участках обработана огнезадерживающими материалами, которые пригодны для придания изготовленной из бумаги сигарете свойств самогашения. Как уже упоминалось вначале, подобные огнезадерживающие участки препятствуют диффузии СО из сигареты наружу между двумя последовательными затяжками. Это является причиной того, почему в случае подобных самогаснущих сигарет обычно наблюдается повышенное содержание СО. Это составляет серьезную проблему, так как усиленная противопожарная защита не должна быть обеспечена за счет вредности сигаретного дыма для здоровья. С помощью соответствующей изобретению сигаретной бумаги типичное возрастание содержания СО в сигаретном дыме, обусловленное огнезадерживающими участками, может быть, по меньшей мере частично, компенсировано повышенной диффузионной емкостью бумаги на необработанных участках. Поэтому изобретение в связи с подобным образом обработанной бумагой проявляет особенный технический эффект.
Фиг. 1 представляет схематическое изображение пластинчатой частицы наполнителя, в котором обозначены длина «l», ширина «b» и толщина «d».
Пример 1
2
*
2
2
46,9
Исходным пунктом для Примера 1 является не соответствующая изобретению сигаретная бумага, состоящая из целлюлозных волокон древесного происхождения и 25,5% по весу обыкновенного, непластинчатого, осажденного карбоната кальция, которая служит в качестве сравнительного примера. Однако могут быть предусмотрены также дополнительные вещества, например, поддерживающие тление соли. Сигаретная бумага имела удельный вес 28,2 г/м и воздухопроницаемость 46,9 CU. Диффузионная емкость для СО была измерена с использованием измерителя коэффициента диффузии СОфирмы Sodim после кондиционирования бумаги согласно стандарту ISO 187 и составляла D=1,59 см/сек.
Кроме того, была изготовлена в целом идентичная сигаретная бумага, в которой, однако, вместо стандартного карбоната кальция использовался карбонат кальция с пластинчатыми частицами. Рентгеноструктурный анализ показал, что в этом случае речь идет о смеси примерно 60% по весу кальцита и около 40% по весу ватерита. Средний диаметр частиц составлял около 1,1 мкм. Способ получения подобного пластинчатого карбоната кальция описан в ЕР 1151966 В1.
*
*
50
50
Очевидно, что заменой известняка при практически идентичных характеристиках бумаги может быть обеспечено повышение диффузионной емкости от 1,59 до 1,81 см/сек, то есть на 13,8%. При этом следует принимать во внимание, что воздухопроницаемость бумаги с соответствующим изобретению известняком при величине 41,7 CU является несколько более низкой, чем воздухопроницаемость бумаги сравнительного примера с величиной 46,9 CU. Это небольшое различие в воздухопроницаемости может быть очень простым путем скомпенсировано, например, изменением интенсивности измельчения целлюлозы, и следует ожидать, что при идентичной воздухопроницаемости произойдет еще большее возрастание диффузионной емкости. А именно, если диффузионная емкость нормирована вышеописанным путем на воздухопроницаемость 50 CU, то для сравнительного примера получается нормированная диффузионная емкость D=1,59 см/сек⋅√50/√46,9=1,64 см/сек, тогда как для сигаретной бумаги Примера 1 с соответствующим изобретению пластинчатым известняком получается нормированная диффузионная емкость Dс величиной 1,81 см/сек⋅√50/√41,7=1,98 см/сек.
Пример 2
2
*
2
50
В качестве сравнительного примера была изготовлена не соответствующая изобретению сигаретная бумага, состоящая из целлюлозных волокон и из 30,2% по весу стандартного непластинчатого осажденного карбоната кальция. Бумага имела удельный вес 28,2 г/м, воздухопроницаемость 60,6 CU, и диффузионную емкость 1,84 см/сек, опять же измеренную с использованием измерителя коэффициента диффузии СОфирмы Sodim после кондиционирования бумаги согласно стандарту ISO 187. Это соответствует нормированному на 50 CU значению D=1,84 см/сек⋅ √50/√60,6=1,67 см/сек, которое, таким образом, подобно величине сравнительного для Примера 1 примера.
2
*
50
Эта сигаретная бумага была изменена, для чего вместо стандартного карбоната кальция опять была применена смесь кальцита и ватерита с пластинчатой структурой. Модифицированная сигаретная бумага имела содержание наполнителя 31,0% по весу, удельный вес 29,1 г/м и воздухопроницаемость 59,5 CU. Диффузионная емкость составляла 2,17 см/сек. Тем самым при почти идентичных свойствах бумаги удалось достигнуть повышения диффузионной емкости от 1,84 до 2,17 см/сек, то есть на 17,9%. Столь высокая диффузионная емкость, как достигнутая с помощью соответствующей изобретению бумаги согласно Примеру 2, ожидалась бы для стандартных сигаретных бумаг лишь при воздухопроницаемости около 85 CU. При этом нормированная на 50 CU диффузионная емкость D составляет 2,17 см/сек⋅√50/√59,5=1,99 см/сек, что, следовательно, подобно ситуации в Примере 1.
Таким образом, соответствующие изобретению сигаретные бумаги позволяют значительно улучшить диффузию монооксида углерода из табачного штранга в изготовленной с этой бумагой сигарете, без необходимости изменения воздухопроницаемости сигаретной бумаги.