СЕГМЕНТ СИГАРЕТНОГО ФИЛЬТРА

Заявляемая полезная модель относится к фильтрам, а именно к сегменту сигаретного фильтра, предназначенного для использования в сигаретах с целью фильтрации табачного дыма от вредных компонентов.
Традиционный сигаретный фильтр - это устройство из пористого материала (например, бумаги, ваты, пробки), приложенное к концу сигары или сигареты для абсорбции влаги, смолы, никотина и различных примесей. Фильтр также может представлять собой специальный держатель, в который вставляют сигару или сигарету (мундштук).
Наиболее популярным в табачной промышленности является сигаретный фильтр из ацетата целлюлозы, содержащий 5-10% триацетата глицерина в качестве пластификатора. Фильтры на его основе несколько уменьшают поступление в организм курильщика взвешенных частиц дыма. Акролеин, фенолы и высоко канцерогенные нитрозамины удаляются такими фильтрами выборочно. Их эффективность можно увеличить, уменьшая диаметр нитей (волокон), увеличивая длину фильтра или добавляя к волокнам определенные вещества, например, активированный уголь, который широко известен способностью удалять, некоторые компоненты газовой фазы из дыма. Фильтры из ацетата целлюлозы с активированным углем, могут удалять из дыма сигарет до 40% оксидов углерода и азота, 80% цианида водорода и 70% акролеина и бензола. Однако такие фильтры хуже задерживают взвешенные частицы, чем чисто ацетатные фильтры. Это приводит к тому, что в большинстве случаев в организм курящего сигареты с фильтром попадает практически столько же смол и никотина, сколько он получал бы из сигарет без фильтра.
В настоящий момент продолжаются разработки новых сигаретных фильтров, путем применения полимерных волокон и различных добавок.
2
Разработан табачный фильтр (патент РФ 94024343, МПК А24D 3/14, 1996 (опубл.)), который состоит, по меньшей мере, из двух последовательно расположенных по ходу табачного дыма секций: наружной, расположенной со стороны курильщика и выполненной из целлюлозосодержащего или ацетатного волокна, и средней, расположенной со стороны табака, заполненной адсорбирующим средством (14-28 мг) из пористых углеродных волокон (могут иметь тканевую структуру) с количеством углерода не менее 95% и удельной поверхностью от 700 до 1500 м/г, что повышает поглотительную способность фильтра по отношению к никотину, смолам, монооксиду углерода.
Известен фильтр изделия, который выполнен из нескольких, чередующихся слоев, первый из которых, ограничивающий длину табачной композиции, выполнен из пористого сорбента табачной сажи, второй слой выполнен из микропористого сорбента летучих фракций и фаз, содержащих остатки сажи с включением никотиновой парогазовой части (фазы), а третий слой, ограничивающий длину табачного изделия, выполнен из материала, включающего нановолокна, нанотрубки и нанокластеры, и предназначенного для сорбирования тонких и сверхтонких фракций фаз сажи и никотина.
В данном изделии часть и весь фильтр выполнен в виде отдельных трех таблеток, формирующих указанные три слоя фильтра, при этом поверхности таблеток по образующей и на торцах выполнены микрошероховатыми для более плотного и прочного прилегания между собой и при взаимодействии с оболочкой изделия.
В этом изделии первый слой сорбента содержит отвержденные продукты возгонки 20 Ca, 14 Si и 12 C, второй - те же материалы с добавлением 20-32 C и 60 C, а третий - выполнен из нановолокон, нанотрубок и нанокластеров из указанных материалов и с размером частиц от 50-300 нм до 50-100 мкм с пористостью между частицами 40-60% в виде микро-нанопор стахостического характера (расположением микро-наночастиц и пор между ними). (RU полезная модель патент №66662, 2007113223/22, 09.04.2007)
Недостатком вышеописанного фильтра является наличие нанотрубок и нанокластеров размером менее 100 нм. Считается установленным фактом, что попадание таких объектов в организм человека может привести к нарушению здоровья. По крайней мере, вопрос о влиянии нанотрубок и нанокластеров на здоровье человека активно изучается в настоящее время и, поэтому использование изделий, содержащих эти нанообъекты, требует дополнительного тестирования. Другим недостатком вышеописанного фильтра можно считать большое сопротивление газовому потоку, т.е. сопротивление затяжке. Хотя эта величина не конкретизирована в патенте №66662, тем не менее, исходя из указанной там пористости фильтра, можно ожидать существенного перепада давления, создаваемого этим фильтром при курении.
Задачей настоящей полезной модели является снижение сопротивления фильтрующего элемента газовому потоку при сохранении или повышении его фильтрующей способности по отношению к смоле и никотину, а так же повышение безопасности для здоровья потребителя за счет устранения возможности попадания нановотрубок и нанокластеров в организм потребителя.
2
Поставленная задача решается сегментом сигаретного фильтра, содержащим пористую газопроницаемую основу, с нанесенным слоем полимерных нановолокон со средним диаметром волокна от 100 до 200 нм, поверхностной плотностью слоя от 0,02 до 0,2 г/м, и сопротивлением потоку воздуха не более 20 Па при скорости воздушного потока 0,2±0,03 м/с.
Предпочтительно, чтобы слой полимерных нановолокон был нанесен методом электроформования из растворов полимеров выбранных из ряда: целлюлоза, ацетат целлюлозы, полиамид, поливинилхлорид, поливиниловый спирт, полиэтиленоксид, стирол-бутадиен-стирольный сополимер, полилактид, полиэтилентерефталат, сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом.
Предпочтительно, чтобы в качестве пористой газопроницаемой основы были использованы фильтровальная бумага, или нетканый материал типа спанбонд.
Материал основы должен создавать как можно меньшее дополнительное сопротивление потоку воздуха, но при этом должен иметь механическую прочность достаточную для его использования на установках лентопротяжки.
В дальнейшем описание полезной модели поясняется примерами конкретного выполнения.
Электроформование слоя нановолокон полимеров проводилось на промышленной установке NS-1600 и лабораторной установке NS-200 М производства «Elmarco» (Чешская Республика). Эти установки позволяют использовать рулонные материалы основы шириной до 1600 мм и до 450 мм соответственно. Параметры процесса электроформования для обеих установок были идентичны. Стандартные параметры процесса электроформования были следующие: электрическое напряжение 60-95 кВ, расстояние между электродами 16-20 см.
Диаметр полимерных нановолокон определялся на сканирующем электронном микроскопе NeoScope JCM 5000 производства «Jeol» с использованием программы «Image Scope». Предварительно нановолокнистый материал покрывали слоем платины на установке JFC-1600 производства «Jeol».
Поверхностная плотность слоя полимерных нановолокон определялась по увеличению веса единицы площади подложечного материала после нанесения на него слоя нановолокон. Для взвешиваний использовались весы Ohaus Explorer Pro с точностью 0,0001 г.
В качестве материала основы, на который происходило осаждение слоя полимерных нановолокон, использовалась фильтровальная бумага для фильтрации воздуха марки БФВ-105П (ГОСТ 20358-78), бумаги для фильтрации воздуха марок ВФБ-550АБ и ВФБ-750АБ производства ЗАО НПП «Фильтровальные материалы», а также спанбонды марки «Полиспан Меди» марок СС-50 и СС-80 производства ЗАО «ПОЛИМАТИЗ» (СТО 96891647-002-2009). Основные свойства этих материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Физико-механические свойства фильтровальной бумаги и спанбонда, используемых в качестве материала основы.
БФВ-105П
ВФБ-550АБ
ВФБ-750АБ
СС-50
СС-80
Поверхностная плотность, г/см<sup>2</sup>
140±10
120±5
110±5
50±3
80±5
Воздухопроницаемость, л/м<sup>2</sup>с
>800
550±50
750±60
1700±200
700±100
Сопротивление потоку воздуха, Па
<2,5
3,5±0,3
2,6±0,3
1,3±0,2
2,7±0,4
Разрушающее усилие, Н
>12
>90
>75
>55
>85
После осаждения слоя полимерных нановолокон на основу из полученного двухслойного материала вырубались сегменты фильтра в виде дисков.
Для проведения испытаний сегмент соединяли с сигаретой «Ява оригинальная» двумя способами. Первый способ - сегмент расположен внутри сигаретного фильтра:
1) вынимали исходный стандартный сигаретный фильтр из сигарет «Ява Оригинальная»;
2) отрезали от него часть длиной 4 мм;
3) помещали оставшуюся часть фильтра длиной обратно в сигарету;
4) помещали описываемый в полезной модели сегмент фильтра так, чтобы слой нановолокон был обращен к уже помещенному в сигарету фрагменту исходного фильтра;
5) закрывали оставшимся фрагментом исходного фильтра длиной 4 мм.
Длина отрезаемых фрагментов фильтра длиной 4 мм выбрана исключительно исходя из удобства манипулирования и надежности фиксации всех элементов.
Второй способ - сегмент расположен снаружи сигаретного фильтра:
1) описываемый в полезной модели сегмент прикладывали к фильтру сигареты стороной, на которой расположен слой нановолокон;
2) сегмент фиксировали вместе с сигаретой при помощи бумажной трубки длиной 15 мм, которая плотно надевалась на сигаретный фильтр и с одной стороны которой имелась внутренняя кромка, которая прижимала сегмент к фильтру сигареты при надевании трубки на сигаретный фильтр.
Последующие испытания показали, что фильтрующая способность модифицированного фильтра не зависела от способа соединения заявляемого сегмента с образцовым фильтром сигарет «Ява оригинальная».
В каждом из ниже описываемых примеров было изготовлено по 40 сегментов сигаретного фильтра и соответственно испытано по 40 образцов модифицированных сигаретных фильтров, содержащих новые фильтрующие сегменты. В каждом примере 10 образцов изготавливались в соответствии с первым способом соединения нового сегмента сигаретного фильтра с образцовым фильтром, а 30 образцов изготавливались в соответствии со вторым способом соединения. Разницы в фильтрующей способности образцов от способа соединения выявлено не было. В таблице 2 приведены данные, усредненные по 40 образцам для каждого примера.
После соединения сегмента с сигаретой проводилось тестирование этих сигарет на 20-позиционной роторной курительной машине-автомате Borgwaldt rm20/cs при следующих условиях:
объем затяжки 35 мл, скорость воздушного потока 0,20±0,03 м/с, время затяжки 2 с,
время паузы 1 с, параметры окружающей среды (давление, температура и влажность) - в соответствии с ГОСТ Р ИСО 3402-2002.
Контрольный образец, т.е. образец сигареты «Ява оригинальная» без дополнительного сегмента, имел следующие характеристики:
длина: сигареты - 79,0 мм, фильтра - 18,0 мм, курительной части - 61,0 мм (определялись в соответствии с ГОСТ 3935-2000);
диаметр сигареты - 7,82 мм (определялся в соответствии с ГОСТ Р 51974-2002);
масса: сигареты - 0,860 г, табачного жгута - 0,729 г, табака нетто - 0,685 г, фильтра - 0,131 г (определялись в соответствии с ГОСТ Р 51974-2002);
сопротивление затяжке: сигареты - 101 мм. вод. ст., фильтра - 76 мм. вод. ст. (определялись в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6565-2002);
содержание в табачном дыме: никотина - 0,430 мг/сиг (определялось в соответствии с ГОСТ Р 51974-2002); смолы - 6,570 мг/сиг (определялось в соответствии с ГОСТ Р 51976-2002); монооксида углерода - 6,06 мг/сиг (определялось в соответствии с ГОСТ Р 51358-2008).
Пример 1. Сегмент сигаретного фильтра с нановолокнами из ацетата целлюлозы.
кип
кип
Электроформование проводилось на промышленной установке непрерывного действия NS-1600 компании «Elmarco». Формовочный раствор - раствор ацетата целлюлозы (15±1% вес.) в смеси уксусной кислоты и воды (70/30). Материал подложки - фильтровальная бумага ВФБ-750АБ в рулонах шириной 1000 мм. Напряжение на электродах - 90-95 кВ - для формования нановолокон со средним диаметром 70 нм, 80-90 кВ - для формования нановолокон со средним диаметром 100 нм, 70-85 кВ - для формования нановолокон со средним диаметром 150 нм, 65-80 кВ - для формования нановолокон со средним диаметром и 60-75 кВ - для формования нановолокон со средним диаметром 250 нм. Расстояние между электродами: 20 см - для формования нановолокон со средним диаметром 150 нм и 16 см - для формования нановолокон со средним диаметром 250 нм. Скорость протяжки подложечного материала задавалась в соответствии с техническим регламентом для установки NS-1600 для получения необходимой поверхностной плотности нановолокон, соответствующего диаметра. Для удаления остатков растворителя после осаждения нановолокон рулоны материала с нанесенными слоями нановолокон высушивали при 90°C. Во всех нижеописанных примерах температура сушки составляла около 0,7 Т (°C) от температуры кипения Т (°C) используемого растворителя. После этого проводились измерения параметров слоя нановолокон: определялся их средний диаметр и поверхностная плотность. В случае если значения этих параметров отклонялись от требуемых значений более чем на величину среднеквадратичной ошибки измерений, проводилась корректировка параметров процесса электроформования. В частности, корректировались концентрация формовочного раствора (в этом случае указан интервал концентраций), электрическое напряжение между электродами (указан интервал, в котором проводилось варьирование), а также скорость протяжки подложечного материала. После получения слоя нановолокон с требуемыми свойствами из полученного фильтровального материала вырубалось 40 фильтрующих сегментов в виде дисков диаметром 7,78 мм. Далее, сегменты фильтра соединялись с фильтрами 40 сигарет «Ява Оригинальная» по одному из описанных выше способов и проводилось тестирование сигарет с модифицированным фильтром на курительной машине-автомате Borgwaldt rm20/cs. Полученные данные по фильтрующей способности фильтров, содержащих заявляемые сегменты фильтров, приведены в таблице 2.
Пример 2. Установка электроформования NS-1600; полимер - полиамид-6 (9±1% вес); растворитель - смесь муравьиной и уксусной кислот (1/2); материал подложки - рулон фильтровальной бумаги ВФБ-750АБ шириной 1000 мм. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 3. Установка электроформования NS-1600; полимер - сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом (фторопласт-42) (7±1% вес); растворитель - ДМФА; материал подложки - рулон фильтровальной бумаги ВФБ-550 шириной 1000 мм. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 4. Установка электроформования NS-1600; полимер - полиэтилентерефталат (7±1% вес); растворитель - циклогексанон; материал подложки - рулоны спанбонда СС-50 и СС-80 производства ЗАО «ПОЛИМАТИЗ» шириной 1600 мм. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 5. Установка электроформования NS-1600; полимер - поливинилхлорид (6±1% вес); растворитель - ДМФА; материал подложки - рулоны спанбонда СС-50 и СС-80 производства ЗАО «ПОЛИМАТИЗ» шириной 1600 мм. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 6. Установка электроформования NS-1600; полимер - полиэтиленоксид (7±1% вес); растворитель - смесь этилового спирта и воды (90/10); материал подложки - рулоны фильтровальной бумаги ВФБ-750АБ и ВФБ-550АБ шириной по 1000 мм соответственно. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 7. Установка электроформования NS-200 М; полимер - поливиниловый спирт (9±1% вес); растворитель - смесь этилового спирта и воды (90/10); материал подложки - рулон фильтровальной бумаги БФВ-105П и ВФБ-750АБ шириной 430 и 450 мм соответственно. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 8. Установка электроформования NS-200 М; полимер - полилактид (7±1% вес); растворитель - тетрагидрофуран; материал подложки - рулоны спанбонда СС-50 производства ЗАО «ПОЛИМАТИЗ» шириной 400 мм. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 9. Установка электроформования NS-200 М; полимер - целлюлоза (хирургическая вата) (2,5±0,5% вес); растворитель - N,N-диметилацетамид/LiCl (92/8); материал подложки - рулоны спанбонда СС-50 производства ЗАО «ПОЛИМАТИЗ» шириной 400 мм. Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Пример 10. Установка электроформования NS-200 М; полимер - стирол-бутадиен-стирольный триблок полимер (9±1% вес); растворитель - смесь тетрагидрофурана и диметилформамида (75/25); материал подложки - рулоны спанбонда СС-80 производства ЗАО «ПОЛИМАТИЗ» шириной 400 мм.
Остальные параметры такие же, как в примере 1. Полученные данные приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Данные по фильтрующей способности сегментов сигаретного фильтра, содержащих нановолокна различных полимеров, имеющих разный диаметр и разную поверхностную плотность. Все измерения проводились при параметрах окружающей среды, соответствующих ГОСТ Р ИСО 3402-2002. Данные усреднены по 40 образцам для каждого примера.
Пример
Полимер
Растворитель
Материал подложки
Средний диаметр волокон, нм
Поверхностная плотность, г/см<sup>2</sup>
Содержание никотина, мг/сиг.
Содержание смолы, мг/сиг.
Содержание CO, мг/сиг.
1
Ацетат целлюлозы (15% вес.)
Уксусная кислота+вода (70/30)
ВФБ-750АБ
70
0,10
0,133
2,016
2,43
100
0,10
0,139
2,100
3,39
150
0,02
0,295
4,125
5,55
150
0,10
0,147
2,201
4,21
150
0,20
0,003
0,248
3,18
200
0,10
0,263
3,419
5,01
250
0,10
0,370
4,437
5,72
2
Поли-амид-6 (найлон-6) (9% вес.)
Муравьиная+уксусная кислота (1/2)
ВФБ-750АБ
70
0,10
0,138
2,021
2,64
100
0,10
0,143
2,113
3,56
150
0,02
0,306
4,183
5,70
150
0,10
0,151
2,217
4,49
150
0,20
0,000
0,260
3,37
200
0,10
0,267
3,430
5,19
250
0,10
0,384
4,443
5,83
3
Сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом (фторопласт - 42) (7% вес.)
ДМФА
ВФБ-550
70
0,10
0,144
2,033
2,69
100
0,10
0,149
2,133
3,61
150
0,02
0,326
4,201
5,81
150
0,10
0,158
2,227
4,54
150
0,20
0,009
0,285
3,44
200
0,10
0,270
3,436
5,27
250
0,10
0,391
4,501
5,94
4
Полиэтилен-терефтал ат (7% вес.)
Циклогексанон
СС-50
150
0,02
0,323
4,482
5,95
СС-80
150
0,10
0,165
2,609
4,63
СС-50
150
0,20
0,017
0,371
3,52
5
Поливинил-хлорид (6% вес.)
ДМФА
СС-50
150
0,02
0,309
4,191
5,78
СС-80
150
0,10
0,156
2,223
4,53
СС-50
150
0,20
0,008
0,266
3,41
6
Полиэтилен-оксид (7% вес.)
Этиловый спирт+вода (90/10)
ВФБ-750АБ
150
0,02
0,281
4,022
5,42
ВФБ-550АБ
150
0,10
0,140
2,130
4,17
ВФБ-750АБ
150
0,20
0,000
0,211
3,15
7
Поливиниловый спирт
Этиловый спирт+вода
БФВ-105П
150
0,02
0,275
4,032
5,31
ВФБ-750АБ
150
0,10
0,138
2,120
4,12
(9% вес.)
(90/10)
БФВ-105П
150
0,20
0,000
0,209
3,11
8
Полилактид (7% вес.)
Тетрагидрофуран (ТГФ)
СС-50
150
0,02
0,291
4,079
5,49
150
0,10
0,143
2,141
4,22
150
0,20
0,003
0,242
3,17
9
Целлюлоза (хирургическая вата) (3% вес.)
N,N-диметилацетамид+LiCl (92/8)
СС-50
150
0,02
0,285
4,113
5,47
150
0,10
0,141
2,151
4,13
150
0,20
0,000
0,245
3,14
10
Стирол-бутадиенстирольныйтриблок полимер (9% вес.)
ТГФ+ДМФА (75/25)
СС-80
150
0,02
0,307
4,203
5,91
150
0,10
0,161
2,230
4,59
150
0,20
0,011
0,269
3,43
Данные в таблице 2 получены для сигаретного сегмента, имеющего форму диска, с диаметром равным диаметру фильтра сигареты, с которой он соединялся. Следует отметить, что сегмент сигаретного фильтра может иметь и другие формы, в частности, диска с отверстием посередине, которое может использоваться для соединения сегмента с сигаретой. Также сегмент может иметь форму квадрата или равностороннего треугольника, которые вписываются в круг с диаметром, равным диаметру фильтра сигареты, с которой он соединяется. Такая форма сегмента позволяет сократить отходы материалов за счет рациональной вырубки сегментов из листовой заготовки. Во всех этих случаях данные, приведенные в таблице 2, корректируются в сторону уменьшения фильтрующей способности пропорционально уменьшению площади фильтрующей поверхности сегмента сигаретного фильтра.
2
2
2
Следует отметить, что повышение сопротивления затяжке не зависело от типа полимерного материала, но соотносилось с поверхностной плотностью слоя нановолокон и составляло приблизительно 10 Па при поверхностной плотности 0,20 г/см, 5 Па - при поверхностной плотности 0,10 г/см и менее 1 Па - при поверхностной плотности 0,02 г/см.
Приведенные в таблице 2 данные указывают, что фильтрующая способность сегментов сигаретного фильтра, содержащего слой нановолокон, не зависит от материала подложки, мало зависит от материала нановолокон, но определяется их диаметром и поверхностной плотностью. Следует отметить, что электроформование нановолокон с диаметром менее 100 нм является технологически более сложным процессом, т.к. при этом интервал всех технологических параметров процесса электроформования (электрическое напряжение, вязкость и электропроводность формовочного раствора, влажность атмосферы и т.п.) сильно сужается. Поэтому оптимальным нижним значением диаметра нановолокон можно считать 100 нм. Фильтрующая способность по отношению к смоле и никотину у сегментов фильтра с нановолокна со средним диаметром 250 нм хуже, чем у сегментов с волокнами диаметром 150 нм при одинаковой поверхностной плотности. Этот результат наблюдается на нановолокнах, изготовленных из трех разных типов полимеров (примеры 1-3 в таблице 2), что позволяет предположить, что он не связан с типом полимера, а связан, по-видимому, с увеличением пористости слоя нановолокон. Таким образом, оптимальный средний диаметр волокон соответствует интервалу 100-200 нм. По этой причине, в примерах с номера 4 по номер 10 зафиксирован средний диаметр волокон в 150 нм, т.е. посередине оптимального интервала диаметров и варьировалась поверхностная плотность, поскольку это является более технологичным (поверхностная плотность варьируется за счет скорости протяжки ленты-подложки). Следует отметить, что образцы со средним диаметром нановолокон в 150 нм являются репрезентативными для всего интервала диаметров 100-200 нм с учетом наблюдаемой дисперсии диаметров волокон в 30-35%.
2
2
2
2
2
Слой нановолокон со средним диаметром 150 нм и поверхностной плотностью 0,02 г/см задерживает никотин в среднем на 30% и смолу на 35%. Это существенно снижает содержание вредных для человека веществ, поэтому уменьшать поверхностную плотность менее 0,02 г/см нецелесообразно. Слой нановолокон со средним диаметром 150 нм и поверхностной плотностью 0,2 г/см, практически полностью задерживает никотин, что ведет к снижению потребительских свойств сигарет. Таким образом, оптимальная поверхностная плотность слоя полимерных нановолокон составляет от 0,02 г/см до 0,2 г/см.