КУРИТЕЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ, СОДЕРЖАЩЕЕ АЭРОГЕЛЬ
SMOKING PRODUCT CONTAINING AEROGEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к продуктам, изготовленным или выделенным из табака, или которые иным образом включают табак и предназначены для потребления человеком.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Популярные курительные изделия, такие как сигареты, имеют по существу цилиндрическую структуру в форме стержня и содержат загрузку, рулон или столбик курительного материала, такого как резаный табак (например, в форме резаного наполнителя), окруженный бумажной оберткой, образующей, тем самым, так называемый «курительный стержень», «табачный стержень» или «стержень сигареты». Как правило, сигарета содержит цилиндрический фильтрующий элемент, расположенный впритык к табачному стержню. Фильтрующий элемент предпочтительно содержит пластифицированное ацетилцеллюлозное волокно, ограниченное бумажным материалом, известным как «фицелла». Некоторые фильтрующие элементы могут содержать многоатомные спирты. См., например, патент Соединенного Королевства №755475. Некоторые сигареты включают фильтрующий элемент, содержащий несколько сегментов, при этом один из указанных сегментов может содержать частицы активированного древесного угля. См., например, патент США №5360023 Blakley с соавторами и патент США №6537186 Veluz. Фильтрующий элемент предпочтительно прикреплен к одному концу табачного стержня с помощью ограничивающего оберточного материала, известного как «ободковая бумага». Кроме того, стало желательным перфорировать ободковый материал и фицеллу для разбавления окружающим воздухом основного потока вдыхаемого дыма. Описания сигарет и их различных компонентов приведено в Tobacco Production, Chemistry and Technology, Davis et al. (Eds.) (1999). Курильщик использует сигарету путем прикуривания одного ее конца и сжигания табачного стержня. Затем основной поток дыма поступает в рот курильщика за счет затягивания на противоположном конце (например, фильтрующем конце) сигареты.
На протяжении многих лет предлагались различные способы изменения состава основного потока табачного дыма. В публикации заявки на патент РСТ №WO 02/37990 Bereman было предположено, что металлические частицы и/или углеродистые частицы могут быть включены в курительный материал сигареты с целью уменьшения количества некоторых соединений в дыму, образуемом такой сигаретой. В публикации заявки на патент США №2005/0066986 Nestor с соавторами было высказано предположение, что табачный стержень может содержать табачный наполнитель, объединенный с аэрозолеобразующим материалом, таким как глицерин. Shafer с соавторами в патенте США №6874508 предложили сигарету, содержащую табачный стержень, обернутый в бумагу, кончик которой обработан добавкой, такой как бикарбонат калия, хлорид натрия или фосфат калия.
Были предложены различные заменяющие табак материалы и основные перечни примеров таких материалов можно найти в патентах США №4079742 Rainer с соавторами и 4771795 White с соавторами, которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки. Ссылки, в которых описаны заменители табака, также перечислены в разделе «Уровень техники» публикации заявки на патент США №2007/0215168 Banerjee с соавторами, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
В многочисленных ссылках были предложены различные курительные изделия измененного формата и конфигурации или типа, которые образуют ароматизированный пар, видимый аэрозоль или смесь ароматизированного пара и видимого аэрозоля. См., например, те ссылки, которые указаны в разделе «Уровень техники» публикации заявки на патент США №2007/0215168 Banerjee с соавторами. Кроме того, некоторые типы таких курительных изделий были коммерчески доступны на рынке под торговыми марками «Premier» и «Eclipse» от табачной компании R.J. Reynolds Tobacco Company и под торговой маркой «Accord» от компании Philip Morris Inc. Совсем недавно было предположено, что углеродистые топливные элементы указанных типов сигарет могут содержать ультратонкие частицы металлов и оксидов металлов. См., например, публикацию заявки на патент США №2005/0274390 Banerjee с соавторами, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
Курительные изделия, в который используют заменяющие табак материалы, и курительные изделия, в который используют источники тепла, отличные от резаного табачного наполнителя, для получения ароматизированных табаком паров или ароматизированных табаком видимых аэрозолей, не получили широкого коммерческого успеха. Однако было бы очень желательно получить курительное изделие, демонстрирующее способность обеспечить курильщику многие из выгод и преимуществ курения традиционных сигарет при одновременном снижении доставки продуктов неполного сгорания и пиролиза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перечисленные выше и другие потребности можно удовлетворить с помощью аспектов настоящего изобретения, которые согласно одному из аспектов позволяют получить удлиненное курительное изделие, содержащее конец для закуривания и противоположный конец, помещаемый в рот. В настоящем изобретении предложены курительные изделия, содержащие аэрогель, который может быть необязательно пропитан каталитическим соединением металла или необязательно покрыт по меньшей мере одним аэрозолеобразующим материалом и/или ароматизирующим веществом. Курительное изделие содержит различные сегменты, такие как сегмент тепловыделения, сегмент генерирования аэрозоля и конец, помещаемый в рот. Аэрогель можно разместить вблизи или внутри любого из указанных сегментов. Например, согласно некоторым вариантам реализации аэрогель можно разместить рядом с сегментом тепловыделения. Согласно другому варианту реализации сегмент генерирования аэрозоля может содержать аэрогель. Согласно другому варианту реализации аэрогель может содержать конец, помещаемый в рот.
Присутствие композиции аэрогеля может уменьшить концентрацию некоторых газообразных компонентов в основном потоке дыма, образующегося при применении курительного изделия, включающего сегмент тепловыделения, содержащий топливный элемент.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения курительное изделие содержит конец для закуривания; конец, помещаемый в рот; необязательный сегмент с катализатором и сегмент генерирования аэрозоля, при этом указанный конец для закуривания содержит сегмент тепловыделения, указанный сегмент тепловыделения содержит топливный элемент, причем по меньшей мере один из сегмента с катализатором и сегмента генерирования аэрозоля содержит аэрогель, при этом каждый сегмент физически отделен и расположен с возможностью теплообмена. Согласно некоторым вариантам реализации сегмент генерирования аэрозоля содержит глицерин, пропиленгликоль или их комбинацию.
-3
2
-1
Согласно еще одному варианту реализации аэрогель содержит металл, выбранный из группы, состоящей из щелочных металлов, щелочноземельных металлов, переходных металлов в IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB и IIB группах, элементов IIIA группы, элементов IVA группы, лантанидов, актинидов и их комбинаций. Согласно дополнительным вариантам реализации аэрогель содержит металл, выбранный из кремния, меди, железа, оксида титана, алюминия, никеля, палладия, платины, кобальта или их комбинации. Согласно другому варианту реализации аэрогель представляет собой кварцевый аэрогель, аэрогель на основе оксида металла, органический аэрогель, углеродный аэрогель, халькогенидный аэрогель, аэрогель, содержащий нанотрубки, или металлический аэрогель. Согласно одному из конкретных вариантов реализации аэрогель представляет собой углеродный аэрогель. Согласно другому конкретному варианту реализации аэрогель представляет собой аэрогель на основе оксида металла. Согласно другому варианту реализации аэрогель на основе оксида металла содержит металл, выбранный из группы, состоящей из переходных металлов в IVB, VB, VIB VIIB, VIIIB, IB и IIB группах, элементов IIIA группы, элементов IVA группы и их комбинаций. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель адсорбирует монооксид углерода, содержащийся в основном потоке дыма, или катализирует превращение монооксида углерода в диоксид углерода. Согласно одному или более вариантам реализации аэрогель пропитывают каталитическим соединением металла. Согласно некоторым вариантам реализации загрузка каталитического соединения металла на аэрогель составляет от примерно 0,1% до примерно 50% в расчете на общую сухую массу аэрогеля. Согласно некоторым вариантам реализации каталитическое соединение металла содержит металл, выбранный из группы, состоящей из щелочных металлов, щелочноземельных металлов, переходных металлов в IIIB, IVB, VB, VIB VIIB, VIIIB, IB и IIB группах, элементов IIIA группы, элементов IVA группы, лантанидов, актинидов и их комбинаций. Согласно другому варианту реализации каталитическое соединение металла содержит металл, выбранный из группы, состоящей из Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Cu, Ag, Au, Zn, Y, Ce, Na, K, Cs, Mg, Ca, В, Al, Si, Ge, Sn и их комбинаций. Согласно другому варианту реализации каталитическое соединение металла содержит металл, выбранный из группы, состоящей из железа, меди, цинка, церия, серебра и их комбинаций. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель имеет объемную плотность в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 0,01 г/см. Согласно другому варианту реализации аэрогель имеет площадь поверхности в диапазоне от примерно 100 до примерно 1000 м/г. Согласно другому варианту реализации аэрогель является мезопористым. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель состоит из сферических частиц со средним размером в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 250 мкм. Согласно другому варианту реализации аэрогель составляет от примерно 0,5 до примерно 50% масс. относительно массы курительного изделия. Согласно некоторым вариантам реализации сегмент с катализатором расположен после сегмента тепловыделения и перед сегментом генерирования аэрозоля. Согласно другому варианту реализации сегмент генерирования аэрозоля содержит табак, обработанный с помощью одного или обоих аэрозолеобразующего материала и ароматизирующего вещества. Согласно другому варианту реализации курительное изделие представляет собой сигарету.
-3
2
-1
Согласно другому аспекту настоящего изобретения курительное изделие содержит конец для закуривания; конец, помещаемый в рот; и сегмент генерирования аэрозоля, при этом указанный конец для закуривания содержит сегмент тепловыделения, указанный сегмент тепловыделения содержит топливный элемент, конец, помещаемый в рот, содержит фильтр, при этом указанный фильтр содержит аэрогель, и каждый сегмент физически отделен и расположен с возможностью теплообмена. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель улавливает компоненты дыма или подвергает их превращению. Согласно другому варианту реализации конец, помещаемый в рот, содержит пористый монолитный аэрогель. Согласно другому варианту реализации конец, помещаемый в рот, содержит множество частиц аэрогеля, диспергированных на фильтре. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель представляет собой кварцевый аэрогель, аэрогель на основе оксида металла, органический аэрогель, углеродный аэрогель, халькогенидный аэрогель, аэрогель, содержащий нанотрубки, или металлический аэрогель. Согласно конкретному варианту реализации аэрогель представляет собой углеродный аэрогель. Согласно другому варианту реализации аэрогель имеет объемную плотность в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 0,01 г/см. Согласно другому варианту реализации аэрогель имеет площадь поверхности в диапазоне от примерно 100 до примерно 1000 м/г Согласно другому варианту реализации аэрогель является мезопористым. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель состоит из сферических частиц со средним размером в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 250 мкм. Согласно другому варианту реализации аэрогель составляет от примерно 0,5% масс. до примерно 50% масс. относительно массы курительного изделия.
Настоящее изобретение включает, без ограничения, следующие варианты реализации.
Вариант реализации 1: Курительное изделие, содержащее: конец для закуривания; конец, помещаемый в рот, необязательно содержащий фильтр; необязательный сегмент с катализатором и сегмент генерирования аэрозоля, при этом указанный конец для закуривания содержит сегмент тепловыделения, при этом указанный сегмент тепловыделения содержит топливный элемент, при этом по меньшей мере один компонент, выбранный из фильтра, сегмента с катализатором и сегмента генерирования аэрозоля, содержит аэрогель, причем сегмент генерирования аэрозоля и сегмент тепловыделения физически разделены и расположены с возможностью теплообмена.
Вариант реализации 2: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель содержит металл, выбранный из кремния, меди, железа, оксида титана, алюминия, никеля, палладия, платины, кобальта или их комбинации.
Вариант реализации 3: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель представляет собой кварцевый аэрогель, аэрогель на основе оксида металла, органический аэрогель, углеродный аэрогель, халькогенидный аэрогель, аэрогель, содержащий нанотрубки, или металлический аэрогель.
Вариант реализации 4: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель представляет собой углеродный аэрогель или аэрогель на основе оксида металла.
Вариант реализации 5: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель на основе оксида металла содержит металл, выбранный из группы, состоящей из переходных металлов в IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB и IIB группах, элементов IIIA группы, элементов IVA группы и их комбинаций.
Вариант реализации 6: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель адсорбирует монооксид углерода, содержащийся в основном потоке дыма, или катализирует превращение монооксида углерода в диоксид углерода.
Вариант реализации 7: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель пропитан каталитическим соединением металла, при этом указанное каталитическое соединение металла содержит металл, выбранный из группы, состоящей из железа, меди, цинка, церия, серебра и их комбинаций.
Вариант реализации 8: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что загрузка каталитического соединения металла на аэрогель составляет от примерно 0,1% до примерно 50% в расчете на общую сухую массу аэрогеля.
-3
2
-1
Вариант реализации 9: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель имеет по меньшей мере один параметр, выбранный из объемной плотности в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 0,01 г/см и площади поверхности в диапазоне от примерно 100 до примерно 1000 м/г.
Вариант реализации 10: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель является мезопористым.
Вариант реализации 11: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель содержит сферические частицы со средним размером в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 250 мкм.
Вариант реализации 12: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что аэрогель составляет от примерно 0,5 до примерно 50% масс, относительно массы курительного изделия.
Вариант реализации 13: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что сегмент с катализатором расположен после сегмента тепловыделения и перед сегментом генерирования аэрозоля.
Вариант реализации 14: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что сегмент генерирования аэрозоля содержит табак, обработанный с помощью одного или обоих аэрозолеобразующего материала и ароматизирующего вещества.
Вариант реализации 15: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что фильтр содержит аэрогель, выполненный с возможностью улавливания или превращения компонентов дыма.
Вариант реализации 16: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что фильтр содержит пористый монолитный аэрогель.
Вариант реализации 17: Курительное изделие по любому предыдущему или последующему варианту реализации, отличающееся тем, что конец, помещаемый в рот, содержит множество частиц аэрогеля, диспергированных на фильтре, при этом средний размер указанных частиц составляет от примерно 1 мкм до примерно 250 мкм.
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны при прочтении следующего подробного описания вместе с прилагаемыми чертежами, которые кратко описаны ниже. Настоящее изобретение включает любую комбинацию двух, трех, четырех или более указанных выше вариантов реализации, а также комбинации любых двух, трех, четырех или более особенностей или элементов, описанных в настоящем изобретении, независимо от того специально ли объединены такие особенности или элементы в описании конкретного варианта реализации, приведенном в настоящем документе. Настоящее изобретение предназначено для прочтения в целом, так что любые раздельные признаки или элементы описанного изобретения согласно любым из его различных аспектов и вариантов реализации следует рассматривать как предназначенные для комбинирования, если контекст явно не указывает на иное. Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Таким образом, опираясь на описанное в общих чертах изобретение, теперь будет сделана ссылка на прилагаемые графические материалы, которые не обязательно нарисованы в масштабе, при этом:
На фиг. 1 приведено изображение продольного поперечного сечения типичного курительного изделия;
Фиг. 2 представляет собой изображение, на котором показан аэрогель, подвергнутый сверхкритической сушке; и
Фиг. 3 представляет собой изображение, на котором показан углеродный аэрогель.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИ
Более подробно настоящее изобретение будет описано ниже. Однако изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное вариантами реализации, изложенными в настоящем документе; скорее указанные варианты реализации приведены с тем, чтобы данное описание было исчерпывающим и полным и целиком транслировало объем настоящего изобретения специалистам в данной области техники. Похожие компоненты приведены в виде одинаковых числовых обозначений на всех фигурах. В настоящем описании и формуле изобретения существительные в единственном числе включают существительные во множественном числе, если контекст явно не указывает на иное.
В настоящем изобретении предложены курительные изделия, содержащие аэрогель, который необязательно может быть пропитан каталитическим соединением металла или необязательно может быть покрыт по меньшей мере одним аэрозолеобразующим материалом и/или ароматизирующим веществом. Курительное изделие содержит различные сегменты, такие как сегмент тепловыделения, сегмент генерирования аэрозоля и конец, помещаемый в рот. Аэрогель можно разместить вблизи или внутри любого из указанных сегментов. Например, согласно некоторым вариантам реализации аэрогель можно разместить рядом с сегментом тепловыделения. Согласно другому варианту реализации аэрогель может содержать сегмент генерирования аэрозоля. Согласно другому варианту реализации аэрогель может содержать конец, помещаемый в рот. Аэрогель может обеспечить в курительном изделии несколько функций, в том числе использование в качестве газопроницаемой подложки для катализатора или фильтрующего материала, в качестве структурного поддерживающего элемента, обеспечивающего прочность при низкой массе, или в качестве газопроницаемой основы для доставки аэрозоля потребителю, например, применение в качестве основы для аэрозолеобразующего материала или ароматизатора. Согласно некоторым вариантам реализации присутствие аэрогеля может уменьшить концентрацию некоторых газообразных компонентов в основном потоке дыма, образующегося при применении курительного изделия, включающего сегмент тепловыделения, содержащий топливный элемент.
Состав аэрогеля
Курительное изделие согласно настоящему изобретению содержит аэрогель. В настоящем документе термин «аэрогель» относится к открыто-ячеистой, мезопористой, твердой пене, выполненной из соединения на основе металла или органического соединения, состоящей из сети связанных между собой наноструктур и имеющей пористость (объем нетвердой фазы) не менее примерно 50%. Аэрогель может улавливать компоненты дыма или повергать их превращению. Аэрогель может либо непосредственно взаимодействовать с одним или более газообразными компонентами в основном потоке дыма, образуемого курительным изделием, либо катализировать реакцию с участием газообразного компонента в основном потоке дыма, или и то и другое, так что концентрация газообразного компонента уменьшается. Аэрогель может также адсорбировать или улавливать один или более газообразных компонентов в основном потоке дыма, образуемого курительным изделием, так что концентрация газообразного компонента уменьшается. Аэрогель может быть необязательно пропитан каталитическим соединением металла или может быть покрыт по меньшей мере одним аэрозолеобразующим материалом и/или ароматизирующим веществом.
3
Как упоминалось выше, аэрогели представляют собой многообразный класс сухих, пористых, твердых материалов, имеющих низкоплотную, пористую, твердую структуру геля (часть геля, придающая гелю его целостность, подобно твердому веществу), изолированную в неповрежденном виде от жидкого компонента геля (часть, составляющая большую часть объема геля). Аэрогели являются открытопористыми (то есть газ в аэрогеле не заперт внутри твердых карманов) и содержат поры с диаметром в диапазоне от <1 до 100 нанометров (миллиардные доли метра), обычно <20 нм. В общем случае большинство аэрогелей можно описать как «мезопористые», что относится к материалу, содержащему поры в диапазоне от 2 до 50 нм в диаметре. Большинство пор в аэрогеле попадают в этот диапазон размеров и имеют пористость примерно от 90 до 99,8+% и также содержат значительное количество микропористости (пор, диаметр которых составляет менее 2 нм). Согласно одному или более вариантам реализации аэрогель является мезопористым. Недостаточный объем аэрогеля зависит от диаметра пор и, как правило, может составлять от примерно 0,01 до примерно 10 см/г.
Аэрогель может быть в форме одной монолитной структуры или в форме множества частиц. Например, материал аэрогеля можно разрезать с получением предварительно заданной формы (например, цилиндрической формы) для применения в курительном изделии согласно настоящему изобретению или измельчить с получением гранулированной формы или формы в виде частиц. При применении формы в виде частиц размер частиц аэрогеля может различаться. Как правило, аэрогель содержит частицы (например, по существу сферические частицы) со средним размером в диапазоне от примерно 0,001 мкм до примерно 250 мкм, предпочтительно от 1 мкм до примерно 250 мкм.
3
Кроме того, объемная плотность аэрогеля составляет от примерно 0,01 до примерно 0,5 г/см. Объемная плотность может зависеть от состава аэрогеля и плотности геля-предшественника, применяемого для получения аэрогеля.
2
Кроме того, площадь поверхности аэрогеля составляет от примерно 100 до примерно 1000 м/г. Размер площади поверхности может зависеть от состава аэрогеля и плотности геля-предшественника, применяемого для получения аэрогеля.
Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель выбирают из кварцевого аэрогеля, аэрогеля на основе оксида металла, органического аэрогеля, углеродного аэрогеля, халькогенидного аэрогеля, аэрогеля, содержащего нанотрубки, или металлического аэрогеля.
Согласно некоторому варианту реализации композиция аэрогеля содержит соединение металла. Примеры металлов, присутствующих в соединении металла композиции аэрогеля включают, но не ограничиваются ими, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы в IIIB, IVB, VB, VIB VIIB, VIIIB, IB и IIB группах, элементы IIIA группы, элементы IVA группы, лантаниды и актиниды. Примеры конкретных элементов-металлов включают кремний, медь, железо, оксид титана, алюминий, никель, палладий, платину, кобальт или их комбинацию.
4
Аэрогели получают путем создания геля в растворе и затем осторожного удаления жидкости, что позволяет оставить структуру аэрогеля неповрежденной. В общем случае гель получают путем объединения предшественника соединения на основе металла, гелеобразующего агента и жидкости. Предшественник соединения на основе металла можно выбрать из любой соли металла или алкоксида металла. Например, соль металла независимо выбирают из хлорида, нитрата, ацетата, оксихлорида или их комбинации, но не ограничиваются перечисленными конкретными солями. В другом примере алкоксид металла независимо выбирают из метоксида, этоксида, трет-бутоксида или их комбинации, но не ограничиваются перечисленными конкретными алкоксидами. Гелеобразующий агент способствует образованию геля и может быть кислым или основным по природе, в том числе, но не ограничиваясь ими, представлять собой минеральные кислоты или соединения и предшественники на основе аммиака (например, NHCl). Жидкость представляет собой органический растворитель, когда предшественник металла представляет собой алкоксид металла, но представляет собой растворитель на водной основе, когда предшественник металла представляет собой соль металла. Примеры органических растворителей включают, но не ограничиваются ими, спирты, ацетон, метиленхлорид, бензол, толуол, ацетонитрил и их комбинацию.
Согласно многим вариантам реализации жидкость удаляют из геля посредством сверхкритической экстракции или сверхкритической сушки. Примеры способов получения металлсодержащих аэрогелей описаны Hwang с соавторами в патенте США №8436065; Joung с соавторами в патенте США №8518335; Ahn с соавторами в патенте США №8894893; Zeng с соавторами в патенте США №9073759; Doshi с соавторами в патенте США №9102076; Bauer с соавторами в патенте США №9115025; Droege с соавторами в патенте США №5395805; Yoldas с соавторами в патенте США №5911658; Sonoda с соавторами в патенте США №6197270; Heinrichs с соавторами в патенте США №6307116; Jin с соавторами в патенте США №6271170; Rhine с соавторами в патенте США №7071287; Erkey с соавторами в патенте США №7378450; Yeung с соавторами в патенте США №8222302; Tillotson с соавторами в патенте США №5275796; Cogliati с соавторами в патенте США №5207814; Graser с соавторами в патенте США №4667417; и Worsley с соавторами в патенте США №8629076, которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель представляет собой органический или углеродный аэрогель. Органические аэрогели содержат по меньшей мере примерно 75% по массе, более предпочтительно по меньшей мере 90% по массе органических соединений. Органические соединения включают любое соединение, обычно называемое органическим, например, соединения, входящие в номенклатуру ИЮПАК по органической химии. Органические аэрогели содержат элементы, такие как углерод, азот, кислород, фосфор и серу. Примеры включают природные или синтетические полимеры, сахара, белки, целлюлозные материалы и тому подобное. Некоторые из перечисленных материалов можно карбонизировать, пиролизовать или нагревать иным образом для создания активированных углеродных структур и получения углеродного аэрогеля.
2
2
Например, согласно одному из вариантов реализации органический аэрогель представляет собой композицию аэрогеля на основе резорцина-формальдегида, которую можно подвергнуть пиролизу с получением углеродного аэрогеля. Композицию резорцин-формальдегидного геля можно получить путем полимеризации органических соединений резорцина и формальдегида в водном растворе в присутствии основного катализатора полимеризации (например, карбоната натрия). Согласно одному из вариантов реализации полимеризация может протекать при повышенной температуре. Затем полученный резорцин-формальдегидный гель можно промыть и высушить с получением композиции резорцин-формальдегидного аэрогеля. Например, согласно некоторым вариантам реализации резорцин-формальдегидный гель промывают в органическом растворителе до тех пор, пока вся вода из геля не будет заменена на органический растворитель, который может представлять собой спирт, ацетон и тому подобное. Сушку промытого геля проводят с применением способов сверхкритической сушки, используя диоксид углерода, с получением композиции резорцин-формальдегидного аэрогеля. Площадь поверхности и плотность композиции резорцин-формальдегидного аэрогеля зависит от соотношения резорцина и катализатора, используемого при получении геля. Например, соотношение, равное примерно 50, позволяет получить аэрогель с площадью поверхности примерно 900 м/г, тогда как соотношение, равное примерно 200, позволяет получить аэрогель с площадью поверхности примерно 575 м/г. Согласно одному из вариантов реализации органический аэрогель можно подвергнуть пиролизу в диапазоне температур от примерно 400°С до примерно 1400°С в течение периода времени, составляющего от примерно 1 до примерно 24 часов. Согласно некоторым вариантам реализации диапазон температур составляет от примерно 600°С до примерно 1050°С в течение от примерно 1 до примерно 3 часов. Температура, используемая для пиролиза, может определять степень карбонизации и/или графитизации геля. Примеры способов получения органических и углеродных аэрогелей описаны Kim с соавторами в патенте США №8436060; Park с соавторами в патенте США №8119700; Mendenhall с соавторами в патенте США №6090861; Biesmans с соавторами в патенте США №5942553; Pekala с соавторами в патенте США №5744510; Ramamurthi с соавторами в патенте США №5306555; Pekala с соавторами в патенте США №5086085; Pekala с соавторами в патенте США №4997804; Moes с соавторами в патенте США №8865351; Wang с соавторами в патенте США №8871821; Park с соавторами в патенте США №8470901; Park с соавторами в патенте США №8119700; Bell с соавторами в патенте США №6737445; Kaschmitter с соавторами в патенте США №5529971; и Kaschmitter с соавторами в патенте США №5789338, которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
В настоящем изобретении дополнительно предложены курительные изделия, содержащие аэрогель, который может быть необязательно пропитан каталитическим соединением металла. Примеры металлов, присутствующих в каталитическом соединении металла аэрогеля включают, но не ограничиваются ими, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы в IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB и IIB группах, элементы IIIA группы, элементы IVA группы, лантаниды и актиниды. Примеры конкретных элементов-металлов включают кремний, медь, железо, оксид титана, алюминий, никель, палладий, платину, кобальт или их комбинацию.
Каталитические соединения металлов можно использовать в форме различных твердых частиц, включая осажденные металлические частицы, частицы оксидов металлов (например, оксиды железа, оксид меди, оксид цинка и оксид церия) и частицы катализатора на подложке, при этом такое каталитическое соединение металла диспергируют внутри пористого несущего материала (например, молекулярного сита). Размер частиц каталитических соединений металлов может различаться, но обычно составляет от примерно 1 нм до примерно 1 микрон.
В способах согласно настоящему изобретению каталитическое соединение металла можно получить в результате термического разложения предшественника металла. Предшественник металла можно нанести на аэрогель в форме материала в виде твердых частиц или в форме суспензии или раствора, содержащего растворитель. Растворители, которые можно использовать, включают воду (например, деионизированную воду), пентаны, гексаны, циклогексаны, ксилолы, уайт-спириты, спирты (например, метанол, этанол, пропанол, изопропанол и бутанол) и их смеси. В суспензии или растворы предшественника металла можно добавлять стабилизаторы, такие как уксусная кислота, азотная кислота и некоторые органические соединения. Нанесение предшественника металла на аэрогель в виде суспензии или раствора может быть целесообразным вследствие большей растворимости предшественников металлов в воде (и других обычных растворителях) по сравнению с каталитическим соединением металла. Большая растворимость предшественника приводит к образованию активных центров катализатора, которые, как правило, более равномерно распределены по всему аэрогелю в аэрогеле, обработанном предшественником, по сравнению с аэрогелем, обработанным непосредственно каталитическим соединением металла. Согласно некоторым вариантам реализации смешивание предшественника металла с аэрогелем в растворе может происходить при повышенной температуре.
Предшественник металла представляет собой любое соединение, которое термически разлагается с образованием каталитического соединения металла. Примеры предшественников металлов включают соли металлов (например, цитраты, гидриды, тиолаты, амиды, нитраты металлов, нитраты, карбонаты, цианаты, сульфаты, бромиды, хлориды аммония, а также их гидраты) и металлоорганические соединения, содержащие атом металла, связанный с органическим радикалом (например, алкоксиды, β-дикетонаты, карбоксилаты и оксалаты металлов). В публикации заявки на патент США №2007/0251658 Gedevanishvili с соавторами, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки, описаны различные предшественники металлов, которые можно использовать в настоящем изобретении. Примеры солей металлов, которые можно использовать, включают нитрат железа, нитрат меди, нитрат церия, аммонийный нитрат церия, нитрат марганца, нитрат магния, нитрат цинка и их гидраты. Для обработки аэрогеля можно использовать комбинации нескольких предшественников металлов или комбинации предшественника металла с соединением металла. При применении нескольких предшественников металлов и/или соединений металлов различные компоненты указанной комбинации можно добавлять в аэрогель вместе или по отдельности.
Предшественник металла можно также нанести на поверхность аэрогеля путем удаления жидкости, например, путем испарения таким образом, чтобы предшественник металла оставался на аэрогеле. Жидкость можно по существу удалить из подложки во время или перед термической обработкой предшественника металла, например, путем нагревания аэрогеля при температуре, более высокой, чем точка кипения жидкости, или путем снижения давления атмосферы, окружающей аэрогель. Затем пропитанный аэрогель можно высушить в печи.
Количество предшественника металла, добавленного в аэрогель, будет зависеть, по меньшей мере частично, от требуемого количества каталитического соединения металла, присутствующего в аэрогеле. Количество предшественника металла, обычно нанесенного на типичный аэрогель или введенного в него, может составлять от примерно 1 мг до примерно 200 мг. В общем случае, такое количество составляет по меньшей мере примерно 5 мг и часто по меньшей мере примерно 10 мг. Как правило, указанное количество не превышает примерно 100 мг и часто не превышает примерно 50 мг. Часто указанное количество может составлять от примерно 5 мг до примерно 20 мг.
Количество загрузки предшественника металла на аэрогель может различаться, но, как правило, будет составлять от примерно 0,1% до примерно 50% в расчете на общую сухую массу аэрогеля.
Согласно некоторым вариантам реализации после обработки аэрогеля предшественником металла аэрогель подвергают термической обработке для термического разложения предшественника металла и получения требуемого каталитического соединения металла, или подвергают микроволновому облучению при подходящей длине волны, интенсивности и продолжительности для превращения предшественника металла в каталитическое соединение металла. Стадия термической обработки может протекать в течение определенного времени и при температуре, достаточной для превращения предшественника металла в требуемое каталитическое соединение металла. Согласно некоторым вариантам реализации такая стадия обработки приводит к превращению по меньшей мере примерно 50% молекул предшественника металла, обычно по меньшей мере примерно 75%, чаще по меньшей мере примерно 90% и наиболее часто по меньшей мере примерно 99% молекул предшественника металла. Стадию термической обработки можно осуществить в любой имеющейся в продаже печи, способной регулировать скорость нагревания, конечную температуру, время пребывания и атмосферу. Термообработанный аэрогель можно либо сразу же использовать в курительном изделии, либо хранить для будущего применения.
Температура на стадии термической обработки может различаться. Температура обработки, главным образом, зависит от температуры разложения предшественника. В общем случае, предшественники с более низкой температурой разложения являются предпочтительными. Температура обычно составляет от примерно 100°С до примерно 600°С, чаще от примерно 150°С до примерно 450°С и наиболее часто от примерно 200°С до примерно 400°С. Температура обычно больше примерно 100°С, часто больше примерно 150°С и наиболее часто больше примерно 200°С. Температура обычно ниже примерно 550°С, часто ниже примерно 500°С и наиболее часто ниже примерно 450°С.
Продолжительность стадии термической обработки может различаться, но обычно составляет от примерно 0,25 часа до примерно 8 часов, чаще от примерно 0,5 часа до примерно 6 часов и наиболее часто от примерно 1 часа и примерно 5 часов. Стадия термической обработки обычно продолжается в течение по меньшей мере примерно 1 часа, чаще по меньшей мере примерно 1,5 часов и наиболее часто по меньшей мере примерно 2 часа.
Например, композиции аэрогелей согласно настоящему изобретению, пропитанные предшественником металла, можно высушить путем термической обработки частиц при повышенной температуре (например, от 100 до 150°С) в течение определенного периода времени (например, от 1 до 3 часов) и затем прокаливания для превращения предшественника металла в каталитически более активную оксидную форму. Типичный процесс прокаливания включает термическую обработку на воздухе при температуре примерно от 500 до 800°С в течение примерно от 1 до 3 часов.
Стадия термической обработки происходит в инертной атмосфере, что означает атмосферу или свободное пространство над продуктом, по существу не содержащее кислород, который может взаимодействовать с углеродом внутри топливного элемента. Можно использовать газы, такие как азот, аргон и гелий.
Количество каталитического соединения металла, импрегнированного в аэрогель, может различаться. Например, количество такого соединения, обычно нанесенного на типичный аэрогель или введенного в него, может составлять от примерно 0,01 мг до примерно 100 мг, предпочтительно от примерно 0,1 мг до примерно 100 мг.
Количество загрузки каталитического соединения металла на аэрогеле может различаться, но, как правило, будет составлять от примерно 0,1% до примерно 50% в расчете на общую сухую массу аэрогеля.
Для обработки аэрогеля с помощью предшественника металла можно также использовать дополнительные способы. Например, частицы можно нанести путем распыления или нанесения покрытия на аэрогель. Частицы можно смешивать с компонентами аэрогеля, т.е., во время образования геля, таким образом, чтобы частицы были беспорядочно или преимущественно гомогенно распределены внутри композиции аэрогеля. Например, предшественник металла можно растворить в растворе и добавить в коллоидный раствор, т.е., гель, с получением смеси, которую затем можно промыть и подвергнуть термической обработке. Согласно некоторым вариантам реализации коллоидный раствор представляет собой органический гель. Согласно другому варианту реализации композицию аэрогеля покрывают путем погружения с применением суспензии частиц предшественника металла. Нанесение покрытий методом погружения можно осуществить для нанесения на аэрогель равномерного поверхностного покрытия.
Что касается применения комбинаций предшественников металлов и/или соединений металлов, один из примеров таких комбинаций представляет собой комбинацию предшественника металла, такого как нитрат церия, с соединением металла VIIIB группы, таким как палладий, платина, родий или их галогениды (например, хлорид палладия или хлорид платины). Два компонента могут быть по отдельности нанесены на аэрогель или введены внутрь аэрогеля. Альтернативно, два компонента могут быть добавлены в аэрогель вместе, например, путем добавления обоих компонентов во время получения геля. В общем случае отношение количества соединения металла (например, металла группы VIIIB или галогенида металла группы VIIIB) к количеству предшественника металла составляет от примерно 1:2 до примерно 1:10000 в расчете на массу. Как правило, количество соединения металла на аэрогель составляет от примерно 1 мкг до примерно 100 мг, чаще от примерно 10 мкг до примерно 15 мг, наиболее часто от примерно 50 мкг до примерно 1 мг.
Количество аэрогеля в пропитанном металлом аэрогеле обычно составляет от примерно 10 до примерно 99,9% масс., более типично от примерно 40 до примерно 99% масс. и часто примерно от 50 до 90% масс. в расчете на общую массу относительно общей сухой массы аэрогеля.
Согласно другому аспекту вместо того, чтобы служить в качестве материала катализатора или в качестве основы для материала катализатора, аэрогель может служить в качестве основы или носителя для аэрозолеобразующего материала и/или ароматизатора, так что при протягивании потребителем воздуха через аэрогель аэрозолеобразующий материал или ароматизатор испаряется и поступает в газовый поток, проходящий через аэрогель. Таким образом, настоящее изобретение дополнительно обеспечивает курительные изделия, содержащие аэрогель, пропитанный по меньшей мере одним аэрозолеобразующим материалом и ароматизирующим веществом.
Можно использовать самые разнообразные ароматизирующие вещества или материалы, изменяющие характер восприятия или природу выпускаемого основного потока аэрозоля, образуемого курительным изделием согласно настоящему изобретению. Например, такие необязательные ароматизирующие вещества можно использовать для изменения вкуса, запаха и органолептических свойств аэрозоля. Некоторые ароматизирующие вещества можно получить из источников, отличных от табака. Типичные ароматизирующие вещества могут быть природными или искусственными по природе и могут использоваться в виде концентратов или ароматизированных пакетов.
Примеры ароматизирующих веществ включают ванилин, этилванилин, бензальдегид, этилавалерат, сливки, чай, кофе, фрукты (например, яблочный, вишневый, клубничный, персиковый и цитрусовый ароматизаторы, в том числе лаймовые и лимонные ароматизаторы), клен, ментол, мяту, перечную мяту, колосковую мяту, винтергрен, мускатный орех, гвоздику, лаванду, кардамон, имбирь, мед, анис, шалфей, корицу, сандаловое дерево, жасмин, каскариллу, какао, солодковый корень и ароматизирующие добавки и ароматизированные пакеты того типа и природы, которые традиционно используются для ароматизации табака сигарет, сигар и трубок. Также можно применять сиропы, такие как кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы. Некоторые ароматизирующие вещества могут быть введены в аэрозолеобразующие материалы перед приготовлением конечной смеси предшественника аэрозоля (например, некоторые водорастворимые ароматизирующие вещества могут быть введены в воду, ментол может быть введен в пропиленгликоль и в пропиленгликоль могут быть включены некоторые комплексные ароматизированные пакеты).
Ароматизирующее вещество включает любое одно или более из ароматизирующих веществ, обычно применяемых с целью ароматизации табачного дыма, и содержит органические кислоты, аминокислоты, спирты, альдегиды, ацетали, амиды, амины, ангидриды, сложные эфиры, простые эфиры, пироны, имиды, кетоны, лактоны, фенолы, пиридины, хинолоны, индолы, пиразины, дигидропиразины, пирролы, соединения серы, травы, эфирные масла, экстракты, углеводороды или их комбинацию.
Аэрозолеобразующий материал включает любой один или более из материалов, обычно применяемых с целью ароматизации табачного дыма, и содержит, без ограничения, глицерин, пропиленгликоль и их комбинации.
Обработку аэрогеля ароматизирующим веществом и/или аэрозолеобразующим материалом можно осуществить различными способами путем приведения аэрогеля в непосредственный контакт с ароматизирующим веществом и/или аэрозолеобразующим материалом. Например, адсорбцию ароматизирующего вещества и/или аэрозолеобразующего материала можно осуществить с применением высоко насыщенного раствора ароматизирующего вещества в его растворителе в присутствии аэрогеля. Степень насыщения такого раствора можно повысить путем применения парных растворителей. Адсорбцию ароматизирующего вещества и/или аэрозолеобразующего материала аэрогелем также эффективно осуществляют путем воздействия на аэрогель парами ароматизирующего вещества или чистым ароматизирующим веществом и/или аэрозолеобразующим материалом в жидкой форме. Ароматизирующее вещество и аэрозолеобразующий материал можно привести в контакт с аэрогелем одновременно или последовательно. Можно также использовать дополнительные обычные способы нанесения ароматизирующего вещества и аэрозолеобразующего материала, известные в данной области техники.
Количество ароматизирующего вещества и/или аэрозолеобразующего материала в аэрогеле обычно составляет от примерно 0,5 до примерно 50% масс. в расчете на общую массу аэрогеля, чаще от примерно 1 до примерно 20% масс.
Курительное изделие
Аэрогель, полученный согласно настоящему изобретению, можно использовать в различных курительных изделиях, таких как любые из курительных изделий, описанные Crooks с соавторами в патенте США №7971590 или Banerjee с соавторами в публикации заявки на патент США №2007/0215168, которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки. В общем случае, аэрогель составляет от примерно 0,5 до примерно 50% масс. относительно массы курительного изделия. На фиг. 1 показано типичное курительное изделие 10 в форме сигареты. Курительное изделие 10 имеет стержнеобразную форму и содержит конец 14 для закуривания и конец 18, помещаемый в рот. Конец 14 для закуривания содержит проходящий в продольном направлении, обычно цилиндрический, сегмент 35 тепловыделения. Сегмент 35 тепловыделения содержит источник 40 тепла, ограниченный изоляционным материалом 42, который может быть коаксиально окружен оберточным материалом 45. Источник тепла 40 предпочтительно выполнен с возможностью активирования путем непосредственного зажигания конца 14 для закуривания. Курительное изделие 10 также содержит фильтрующий сегмент 65, расположенный на другом конце (конце 18, помещаемом в рот), и сегмент 51 генерирования аэрозоля (который может содержать табак), расположенный между указанными двумя сегментами.
3
3
3
Источник тепла 40 может включать горючий топливный элемент, который имеет в целом цилиндрическую форму и может содержать горючий углеродистый материал. Такие горючие углеродистые материалы обычно характеризуются высоким содержанием углерода. Предпочтительные углеродистые материалы могут преимущественно состоять из углерода, причем содержание углерода обычно составляет более примерно 60 процентов, обычно более примерно 70 процентов, часто более примерно 80 процентов и часто более примерно 90 процентов в расчете на сухую массу. Такие горючие топливные элементы могут содержать компоненты, не относящиеся к горючим углеродистым материалам (например, табачные компоненты, такие как порошкообразные виды табака или табачные экстракты; ароматизирующие вещества; соли, такие как хлорид натрия, хлорид калия и карбонат натрия; теплостойкие графитовые волокна; порошок оксида железа; стеклянные нити; порошкообразный карбонат кальция; гранулы глинозема; источники аммиака, такие как соли аммиака; и/или связующие агенты, такие как гуаровая смола, альгинат аммония и альгинат натрия). Длина типичного топливного элемента составляет, например, примерно 12 мм, и полный наружный диаметр составляет примерно 4,2 мм. Типичный топливный элемент можно экструдировать или компаундировать с применением измельченного или порошкообразного углеродистого материала, при этом плотность указанного элемента составляет более примерно 0,5 г/см, часто более примерно 0,7 г/см и часто более примерно 1 г/см в расчете на сухую массу. См., например, виды компонентов топливного элемента, составы и конструктивные решения, описанные в патентах США №№5551451 Riggs с соавторами; 7836897 Borschke с соавторами и 5469871 Barnes с соавторами; и публикацию заявки на патент США №2007/0215167 Llewellyn Crooks с соавторами и публикацию заявки на патент США №2007/0215168 Banerjee с соавторами; которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
Другой вариант реализации топливного элемента 40 может включать вспененный углеродный монолит, полученный в процессе пенообразования. Согласно еще одному варианту реализации топливный элемент 40 можно экструдировать совместно со слоем изоляционного материала 42, снижая, тем самым, время производства и технологические расходы. Еще другие варианты реализации топливных элементов могут включать элементы типов, описанных Roberts с соавторами в патенте США №4819665 или Takeuchi с соавторами в публикации заявки на патент США №2009/0044818, каждая из которых в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
Типичный слой изоляционного материала 42 может содержать стеклянные нити или волокна. Изоляционный материал 42 может действовать как оболочка, которая помогает надежно удерживать источник 40 тепла на своем месте внутри курительного изделия 10. Изоляционный материал 42 можно обеспечить в виде многослойного компонента, содержащего внутренний слой или мат 47 из нетканых стеклянных нитей, промежуточный слой бумаги 48 для восстановленного табака и наружный слой из нетканых стеклянных нитей 49. Указанные слои могут быть ориентированы концентрически или каждый слой может обматывать и/или ограничивать источник тепла.
Согласно одному из вариантов реализации внутренний слой 47 изоляционного материала может включать различные стеклянные или нестеклянные нити или волокна, которые являются ткаными, вязаными, или как ткаными, так и вязаными (такими как, например, так называемые 3-D тканые/вязаные гибридные маты). В случае тканого материала внутренний слой 47 можно выполнить в виде тканого мата или трубки. Тканый или вязаный мат или трубка могут обеспечить улучшенное управление воздушным потоком с точки зрения равномерности распределения по всему изолирующему слою (в том числе, когда со слоем могут происходить какие-либо термические изменения). Специалисты в данной области техники поймут, что тканый, вязаный или гибридный материал может обеспечить более равномерные и однородные воздушные пространства/зазоры между нитями или волокнами по сравнению с нетканым материалом, который, скорее всего, содержит неравномерно закрытые и открытые пространства, которые могут обеспечить сравнительно неравномерный и/или уменьшенный воздушный поток. Различные другие варианты реализации изоляционного материала можно формовать, экструдировать, вспенивать или получать иным способом. Конкретные варианты реализации изоляционных структур могут включать структуры, описанные Stone с соавторами в публикации заявки на патент США №2012/0042885, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
Оба конца сегмента 35 тепловыделения предпочтительно открыты, что позволяет воздействовать на по меньшей мере источник 40 тепла и изоляционный материал 42 на конце 14 для закуривания. Источник 40 тепла и окружающий его изоляционный материал 42 можно расположить таким образом, чтобы длина обоих материалов была одинаковой по протяженности (т.е., концы изоляционного материала 42 находятся на одном уровне с соответствующими концами источника 40 тепла и, в частности, на выходном конце сегмента тепловыделения). Возможно, хотя и не обязательно предпочтительно, изоляционный материал 42 может немного выходить за пределы (например, на расстояние от примерно 0,5 мм до примерно 2 мм) одного или обоих концов источника 40 тепла. Кроме того, дым и/или нагретый воздух, образующийся при зажигании конца 14 для закуривания при применении курительного изделия 10, может легко проходить через сегмент 35 тепловыделения во время затяжки, которую делает курильщик на конце 18, помещаемом в рот.
Сегмент 35 тепловыделения предпочтительно устанавливают таким образом, чтобы один его конец размещался на конце 14 для закуривания, при этом сам сегмент 35 расположен в аксиальном направлении впритык к последующему сегменту 30 с катализатором, который в свою очередь также расположен впритык в аксиальном направлении к сегменту 51 генерирования аэрозоля, при этом все соседние сегменты предпочтительно примыкают друг к другу, но при отсутствии барьера (не считая открытого воздушного пространства) между ними. Непосредственная близость сегмента 35 тепловыделения к концу 14 для закуривания обеспечивает непосредственное зажигание источника тепла/топливного элемента 40 сегмента 35 тепловыделения.
Форма и размеры поперечного сечения сегмента 35 тепловыделения до сжигания могут различаться. Площадь поперечного сечения источника 40 тепла предпочтительно составляет от примерно 10 процентов до примерно 35 процентов, часто от примерно 15 процентов до примерно 25 процентов относительно общей площади поперечного сечения указанного сегмента 35; тогда как площадь поперечного сечения наружного или ограничивающего участка (содержащего изоляционный материал 42 и соответствующие наружные оберточные материалы) составляет от примерно 65 процентов до примерно 90 процентов, часто от примерно 75 процентов до примерно 85 процентов относительно общей площади поперечного сечения указанного сегмента 35. Например, для цилиндрического курительного изделия с длиной окружности от примерно 24 мм до примерно 26 мм типичный источник 40 тепла имеет в целом круглую форму поперечного сечения с наружным диаметром от примерно 2,5 мм до примерно 5 мм, часто от примерно 3 мм до примерно 4,5 мм.
Согласно одному из вариантов реализации проходящий в продольном направлении цилиндрический сегмент 30 с катализатором расположен после сегмента 35 тепловыделения. Сегмент 30 с катализатором содержит аэрогель 22, который согласно некоторым вариантам реализации действует как окислитель для превращения монооксида углерода в диоксид углерода, присутствующий в воздушном потоке, выделяющемся при горении топливного элемента. Как отмечалось ранее, аэрогель можно необязательно пропитать соединением металла, которое может превращать монооксид углерода в диоксид углерода. При горении топливного элемента монооксид углерода выделяется в основной поток дыма, который направляется через сегмент 30 с катализатором. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель 22, присутствующий в сегменте 30 с катализатором, способствует превращению монооксида углерода в диоксид углерода. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель 22 добавляют в количестве, эффективном для уменьшения количества монооксида углерода, превращающегося в диоксид углерода в основном потоке дыма.
Проходящий в продольном направлении цилиндрический сегмент 51 генерирования аэрозоля расположен после сегмента 30 с катализатором и сегмента 35 тепловыделения. Сегмент 51 генерирования аэрозоля содержит материал-основу 55, которая, в свою очередь, действует как носитель для аэрозолеобразующего вещества или материала (не показано). Например, сегмент 51 генерирования аэрозоля может включать восстановленный табачный материал, содержащий технологические добавки, ароматизирующие вещества и глицерин.
Согласно еще одному варианту реализации материал-основа 55 может представлять собой композицию аэрогеля, как указано в настоящем документе, которая может быть покрыта по меньшей мере одним аэрозолеобразующим материалом и/или ароматизирующим веществом. Упомянутые выше компоненты сегмента 51 генерирования аэрозоля могут быть расположены внутри оберточного материала 58 и ограничены им. Оберточный материал 58 можно выполнить таким образом, чтобы он способствовал переносу тепла от конца 14 для закуривания курительного изделия 10 (например, от сегмента 35 тепловыделения) к сегменту с катализатором, при наличии, и компонентам сегмента 51 генерирования аэрозоля. То есть сегмент 51 генерирования аэрозоля, сегмент 30 с катализатором, при наличии, и сегмент 35 тепловыделения можно расположить с возможностью теплообмена друг с другом. Теплообмен происходит таким образом, чтобы достаточное количество тепла от источника 40 тепла поступало через сегмент 30 с катализатором, при наличии, на участок генерирования аэрозоля для испарения аэрозолеобразующего материала и образования аэрозоля. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения теплообмен осуществляют путем размещения всех указанных сегментов в непосредственной близости друг к другу. Теплообмен также можно осуществить за счет растягивания теплопроводящего материала от участка, расположенного вблизи источника 40 тепла, на участок, занимаемый сегментом 30 с катализатором, при наличии, и сегментом генерирования 51 аэрозоля, или вокруг указанных участков. Конкретные варианты реализации основ могут включать основы, описанные ниже, или основы, описанные Stone с соавторами в публикации заявки на патент США №2012/0042885, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
Типичный оберточный материал 58 для материала-основы 55 может иметь теплопроводные свойства, которые позволяют проводить тепло от сегмента 35 тепловыделения через сегмент 30 с катализатором, при наличии, в сегмент 51 генерирования аэрозоля, для обеспечения испарения аэрозолеобразующих компонентов, содержащихся в указанном сегменте. Длина материала-основы 55 может составлять от примерно 10 мм до примерно 22 мм, при этом длина некоторых вариантов реализации составляет примерно от 11 мм до примерно 21 мм. Материал-основу 55 можно получить из смеси душистых и ароматических видов табака в форме резаного наполнителя или можно получить в виде аэрогеля. Такие виды табака и аэрогели, в свою очередь, можно обработать с помощью аэрозолеобразующего материала и/или по меньшей мере одного ароматизирующего вещества. Когда материал-основа 55 содержит табак, указанный табак можно получить из обработанного табака (например, восстановленного табака, полученного с применением способом получения листа методом полива или с помощью способов, используемых при производстве бумаги) в форме резаного наполнителя. Некоторые конструкции листа, полученного методом полива, могут включать примерно от 270 до примерно 300 мг табака на 10 мм длины в продольном направлении. Такой табак, в свою очередь, можно обработать с помощью аэрозолеобразующего материала и/или по меньшей мере одного ароматизирующего вещества, а также ингибитора горения (например, диаммония фосфата или другой соли), предназначенного для предотвращения воспламенения и/или выгорания под действием сегмента тепловыделения, или переработать для введения указанных веществ. Если материал-основа 55 представляет собой аэрогель, такую композицию можно также обработать с помощью аэрозолеобразующего материала и/или равным образом по меньшей мере одного ароматизирующего вещества, или переработать для введения указанных веществ. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель представляет собой пористый монолит, который можно обработать с помощью аэрозолеобразующего материала и/или по меньшей мере одного ароматизирующего вещества, или переработать для введения указанных веществ. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель представляет собой множество частиц, распределенных по всему табаку, которые также могут быть обработаны с помощью аэрозолеобразующего материала и/или по меньшей мере одного ароматизирующего вещества, или переработаны для введения указанных веществ. Согласно некоторым вариантам реализации аэрогель также представляет собой множество частиц, распределенных по всему табаку, которые необязательно могут быть пропитаны каталитическим соединением металла.
Металлическая внутренняя поверхность оберточного материала 58 сегмента 51 генерирования аэрозоля может действовать как носитель для аэрозолеобразующего материала и/или по меньшей мере одного ароматизирующего вещества.
3
3
Согласно другим вариантам реализации настоящего изобретения основа 55 может включать бумагу для табака или сборную бумагу, не используемую для табака, полученную в виде секции штранга. Секцию штранга можно загрузить аэрозолеобразующими материалами, ароматизаторами, табачными экстрактами или т.п. в различных формах (например, в форме микрокапсул, жидкости, порошка). Ингибитор горения (например, фосфат диаммония или другую соль) можно нанести на по меньшей мере дистальную/головную часть основы для предотвращения воспламенения и/или выгорания под действием сегмента тепловыделения. Согласно этим и/или другим вариантам реализации основа 55 может содержать гранулы или шарики, выполненные из марумеризированного и/или немарумеризированного табака. Марумеризированный табак описан, например, Banerjee с соавторами в патенте США №5105831, который в полном объеме включен в настоящую заявку посредством ссылки. Марумеризированный табак может содержать от примерно 20 до примерно 50 процентов (по массе) табачной смеси в порошковой форме, содержащей глицерин (от примерно 20 до примерно 30 процентов по массе), карбонат кальция (в общем случае от примерно 10 до примерно 60 процентов по массе, часто от примерно 40 до примерно 60 процентов по массе) вместе со связующим веществом и ароматизирующими веществами. Связующее вещество может включать, например, карбоксиметилцеллюлозу (CMC), смолы (например, гуаровую смолу), ксантан, пуллулан и/или альгинаты. Шарики, гранулы или другие марумеризированные формы могут быть изготовлены таким образом, чтобы их размеры подходили для встраивания внутрь секции для основы и обеспечения оптимального воздушного потока и получения требуемого аэрозоля. Для удержания основы на своем месте внутри курительного изделия можно сформировать емкость, такую как полость или капсула. Указанная емкость может быть полезна для размещения, например, гранул или шариков марумеризированного и/или немарумеризированного табака. Емкость можно сформировать с помощью оберточных материалов, как дополнительно описано ниже. В настоящем документе определение термина «табачные гранулы» включает шарики, гранулы или другие дискретные маленькие частички табака, которые могут содержать марумеризированный и/или немарумеризированный табак. Табачные гранулы могут иметь гладкие, правильные наружные формы (например, сферы, цилиндры, яйцевидные формы и т.д.) и/или они могут иметь неправильные наружные формы. В одном примере, диаметр каждой табачной гранулы может составлять от менее примерно 1 мм до примерно 2 мм. Табачные гранулы могут по меньшей мере частично заполнять полость для основы курительного изделия, как описано в настоящей заявке. В одном примере объем полости для основы может составлять от примерно 500 мм до примерно 700 мм (например, полость для основы курительного изделия, диаметр которой составляет от примерно 7,5 до примерно 7,8 мм и длина которой составляет от примерно 11 до примерно 15 мм, при этом указанная полость обычно имеет цилиндрическую геометрию). В одном примере масса табачных гранул внутри полости для основы может составлять от примерно 200 мг до примерно 500 мг.
Согласно еще другим вариантам реализации основу 55 можно выполнить в виде монолитной основы, полученной, например, как описано Stone с соавторами в публикации заявки на патент США №2012/0042885, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки. Такая основа может включать или быть изготовленной из экструдированного материала. Кроме того, основу можно получить путем прессовой посадки или формования/отливки и конвективного теплопереноса из источника 40 тепла в прилегающий сегмент 30 с катализатором, а затем в материал-основу 55, в течение всего времени, пока источник тепла активирован (например, горит) при применении курительного изделия 10.
Буферная область 53 может снизить возможное выгорание или иную термическую деструкцию участков сегмента 30 с катализатором, при наличии. Буферная область 53 может преимущественно включать пустое воздушное пространство, или ее можно частично или по существу полностью заполнить негорючим материалом, таким как, например, металлсодержащие, органические, неорганические, керамические или полимерные материалы или любая их комбинация. Толщина (длина) буферных областей может составлять от примерно 1 мм до примерно 10 мм или более, но часто толщина (длина) будет составлять от примерно 2 мм до примерно 5 мм.
Компоненты системы 60 генерирования аэрозоля предпочтительно соединены друг с другом и закреплены на своем месте с помощью оберточного материала 64. Например, оберточный материал 64 может включать бумажный оберточный материал или ламинированный материал бумажного типа, который ограничивает каждый из сегмента 35 тепловыделения и сегмента 30 с катализатором, при наличии, и по меньшей мере часть наружной проходящей в продольном направлении поверхности сегмента 51 генерирования аэрозоля. Внутреннюю поверхность оберточного материала 64 можно прикрепить к наружным поверхностям компонентов, которые указанный материал ограничивает, с помощью подходящего клея.
Курительное изделие 10 предпочтительно содержит подходящий мундштук, такой как, например, фильтрующий элемент 65, расположенный на его конце 18, помещаемом в рот. Фильтрующий элемент 65 предпочтительно расположен на одном конце стержня сигареты, прилегающем к одному концу сегмента 51 генерирования аэрозоля, так что фильтрующий элемент 65 и сегмент 51 генерирования аэрозоля располагаются в аксиальном направлении впритык, примыкая друг к другу, но без присутствия какого-либо барьера между ними. Основные формы и размеры поперечного сечения указанных сегментов 51 и 65 предпочтительно по существу идентичны друг другу, если смотреть в поперечном направлении относительно продольной оси курительного изделия. Фильтрующий элемент 65 может включать фильтрующий материал 70, который обертывают ограничивающим материалом 72 фицеллы вдоль его поверхности, проходящей в продольном направлении.
В одном примере фильтрующий материал 70 содержит пластифицированное ацетилцеллюлозное волокно, тогда как в других примерах фильтрующий материал может содержать аэрогель, описанный в настоящем документе, либо в форме монолита, либо в виде материала в форме частиц. По мере сгорания топливного элемента монооксид углерода высвобождается в основной поток дыма, направляемый через фильтр. При применении курительного изделия аэрогель, присутствующий в фильтре, может адсорбировать газообразные компоненты основного потока дыма и, согласно некоторым вариантам реализации, когда аэрогель содержит каталитический металл, он может катализировать некоторые реакции, в которых участвуют компоненты основного потока дыма, такие как монооксид углерода. Оба конца фильтрующего элемента 65 предпочтительно открыты, что позволяет аэрозолю проходить через указанный элемент. Система 60 генерирования аэрозоля предпочтительно прикреплена к фильтрующему элементу 65 с помощью ободкового материала 78. Фильтрующий элемент 65 может также содержать разрушаемую ароматизирующую капсулу типа, описанного Thomas с соавторами в патенте США №7479098; Dube с соавторами в патенте США №7793665; и Ademe с соавторами в патенте США №8186359, которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
Курительное изделие 10 может содержать средство разбавления воздухом, такое как серия перфорационных отверстий 81, каждое из которых может проходить через ободковый материал 78 фильтрующего элемента и материал 72 фицеллы показанным способом и/или которые могут проходить к основе 55 или в основу 55.
Полные размеры курительного изделия 10 перед сжиганием могут различаться. Как правило, курительные изделия 10 представляют собой стержни цилиндрической формы, длина окружности которых составляет от примерно 20 мм до примерно 27 мм, и полная длина составляет от примерно 70 мм до примерно 130 мм, часто от примерно 83 мм до примерно 100 мм. Длины курительных концевых сегментов 22 для закуривания обычно составляют от примерно 3 мм до примерно 15 м, но могут доходить до примерно 30 мм. Полная длина системы 60 генерирования аэрозоля может меняться от примерно 20 мм до примерно 65 мм. Длина сегмента 35 тепловыделения системы 60 генерирования аэрозоля может составлять от примерно 5 мм до примерно 30 мм; длина сегмента 30 с катализатором системы 60 генерирования аэрозоля может составлять от примерно 1 мм до примерно 30 м; и полная длина сегмента 51 генерирования аэрозоля системы 60 генерирования аэрозоля может составлять от примерно 10 мм до примерно 60 мм.
3
Совокупное количество аэрозолеобразующего агента и материала-основы 55, применяемых в сегменте 51 генерирования аэрозоля, может различаться. Указанный материал предпочтительно можно использовать для заполнения подходящей секции сегмента 51 генерирования аэрозоля (например, области внутри его оберточного материала 58) при плотности упаковки от примерно 100 до примерно 400 мг/см.
При применении курильщик зажигает конец 14 для закуривания курительного изделия 10, используя спичку или зажигалку, способом, аналогичным тому, которым зажигают обычные курительные изделия, так что источник тепла/топливный элемент 40 на конце 14 для закуривания воспламеняется. Конец 18 курительного изделия 10, помещаемый в рот, находится во рту курильщика. Выделяются продукты термического разложения (например, компоненты табачного дыма), образуемые системой 60 генерирования аэрозоля. Таким образом, общий термин «монолитная основа» может включать основу, полученную посредством экструзии или с применением одного из перечисленных других способов.
В некоторых предпочтительных курительных изделиях оба конца сегмента 51 генерирования аэрозоля открыты, что позволяет воздействовать на их материал-основу 55. Тепловыделяющий сегмент 35, сегмент 30 с катализатором, при наличии, и сегмент 51 генерирования аэрозоля вместе образуют систему 60 генерирования аэрозоля. Сегмент 51 генерирования аэрозоля расположен рядом с выходным концом сегмента 30 с катализатором, который в свою очередь расположен рядом с выходным концом сегмента 35 тепловыделения, так что все указанные сегменты 51, 30 и 35 размещаются в аксиальном направлении впритык. Такие сегменты могут примыкать друг к другу или находиться на небольшом расстоянии друг от друга, которое может включать буферную область 53. Формы и размеры наружного поперечного сечения указанных сегментов, если смотреть в поперечном направлении относительно продольной оси курительного изделия 10, могут быть по существу идентичны друг другу. Физическое расположение указанных компонентов предпочтительно таково, что тепло передается (например, способом, включающим кондуктивный и конвективный теплоперенос) от источника 40 тепла к прилегающему материалу 30, при наличии, и/или материалу-основе 55 в течение всего времени, пока источник тепла активирован (например, горит) при применении курительного изделия 10.
Непосредственное зажигание приводит в действие топливный элемент 40 сегмента 35 тепловыделения, так что он предпочтительно будет воспламеняться или иным образом активироваться (например, начнет гореть). Источник 40 тепла внутри системы 60 генерирования аэрозоля будет гореть и обеспечивать тепло, необходимое для испарения аэрозолеобразующего материала внутри сегмента 51 генерирования аэрозоля в результате теплообмена между двумя указанными сегментами. Некоторые предпочтительные источники 40 тепла не будут испытывать уменьшение объема при активации, тогда как другие могут деградировать способом, приводящим к сокращению их объема. Предпочтительно, когда компоненты сегмента 51 генерирования аэрозоля не подвергаются термическому разложению (например, обугливанию или горению) в сколько-нибудь значительной степени. Испаренные компоненты увлекаются воздухом, проходящим через область 51 генерирования аэрозоля. Образующийся таким образом аэрозоль будет проходить через фильтрующий элемент 65 и поступать в рот курильщика.
Во время некоторых периодов применения, аэрозоль, образовавшийся внутри сегмента 51 генерирования аэрозоля, будет проходить через фильтрующий элемент 65 и поступать в рот курильщика. Таким образом, основной поток аэрозоля, образованного курительным изделием 10, содержит табачный дым, образовавшийся при испарении аэрозолеобразующего материала.
Как описано выше, фильтрующий элемент 65 предпочтительно прикрепляют к стержню сигареты, полученному таким образом, с помощью ободкового материала 78. В курительное изделие необязательно можно подавать воздух путем обеспечения подходящих перфорационных отверстий 81 вблизи концевого участка 18, помещаемого в рот, как известно в данной области техники. Фильтры могут содержать материалы и могут быть изготовлены с применением способов, таких как, например, способы, описанные в патентах США №7740019 Nelson с соавторами, 7972254 Stokes с соавторами, 8375958 Hutchens с соавторами; и в публикациях заявки на патент США №№2008/0142028 Fagg, с соавторами; и 2009/0090372 Thomas с соавторами, каждый из которых в полном объеме включен в настоящий документ посредством ссылки.
Аромат можно обеспечить или усилить с помощью заключенных в капсулы или микрокапсулы материалов, помещаемых поверх или внутрь материала-основы 55 сегмента 51 генерирования аэрозоля, оберточных материалов, фильтрующего элемента 65 или любого другого компонента, способного удерживать и высвобождать ароматизаторы, предпочтительно, при минимальной термической деструкции, которая будет нежелательно изменять аромат. Можно также использовать и другие ароматизирующие компоненты, связанные с фильтром; см., например, патент США №5724997 Fagg с соавторами, который в полном объеме включен в настоящий документ посредством ссылки.
Сигареты, описанные со ссылкой на фиг. 1, можно использовать почти таким же способом, что и сигареты, продаваемые на рынке под торговой маркой «Eclipse» компанией R. J. Reynolds Tobacco Company. См. также сигарету «Steam Hot One», продаваемую на рынке компанией Japan Tobacco Inc.
Топливные элементы сегмента тепловыделения могут различаться. Подходящие топливные элементы и типичные компоненты, их конструкции и конфигурации, и методы и способы получения указанных топливных элементов и их компонентов описаны Banerjee с соавторами в патенте США №4714082; Clearman с соавторами в патенте США №4756318; Clearman с соавторами в патенте США №4881556; Clearman с соавторами в патенте США №4989619; Farrier с соавторами в патенте США №5020548; Clearman с соавторами в патенте США №5027837; Banerjee с соавторами в патенте США №5067499; Farrier с соавторами в патенте США №5076297; Clearman с соавторами в патенте США №5099861; Banerjee с соавторами в патенте США №5105831; White с соавторами в патенте США №5129409; Best с соавторами в патенте США №5148821; Clearman с соавторами в патенте США №5156170; Riggs с соавторами в патенте США №5178167; Shannon с соавторами в патенте США №5211684; Clearman с соавторами в патенте США №5247947; Clearman с соавторами в патенте США №5345955; Barnes с соавторами в патенте США №5469871; Riggs с соавторами в патенте США №5551451; Meiring с соавторами в патенте США №5560376; Meiring с соавторами в патенте США №5706834; Meiring с соавторами в патенте США №5727571; Banerjee с соавторами в патенте США №8469035; и в публикациях заявки на патент США №№2005/0274390 Banerjee с соавторами; и 2013/0269720 Stone с соавторами; которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
Топливные элементы часто содержат углеродистый материал и могут включать такие ингредиенты, как графит или глинозем, а также углеродистый материал с высоким содержанием углерода. Углеродистые топливные элементы включают материалы того типа, который был введен в сигареты, продаваемые на рынке под торговыми марками «Premier» и «Eclipse» компанией R.J. Reynolds Tobacco Company. См. также сигарету «Steam Hot One», продаваемую на рынке компанией Japan Tobacco Inc. Некоторые другие варианты реализации топливных элементов описаны в патентах США №№5178167 Riggs с соавторами и 5551451 Riggs с соавторами, которые оба в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки, но в некоторых вариантах реализации могут отсутствовать натрий, графит и/или карбонат кальция, описанные в перечисленных выше документах. Некоторые варианты реализации топливных элементов могут включать монолит из вспененного углерода. Согласно другому варианту реализации топливный элемент 40 можно совместно экструдировать со слоем изоляционного материала 42, снижая, тем самым, время производства и технологические расходы.
Топливный элемент предпочтительно будет ограничен или иным образом помещен в оболочку из изоляционного материала или другого подходящего материала. Изоляционный материал можно расположить и применять таким образом, чтобы поддержать, удержать и сохранить топливный элемент на своем месте внутри курительного изделия. Кроме того, изоляционный материал можно расположить таким образом, чтобы выпускаемый воздух и аэрозоль могли легко через него пройти. Примеры изоляционных материалов, компонентов изоляционных модулей, конфигураций типичных изоляционных модулей внутри сегментов тепловыделения, оберточных материалов, применяемых для изготовления изоляционных модулей, и методы и способы получения указанных компонентов и модулей описаны Pryor с соавторами в патенте США №4807809; Hancock с соавторами в патенте США №4893637; Barnes с соавторами в патенте США №4938238; Shannon с соавторами в патенте США №5027836; Lawson с соавторами в патенте США №5065776; White с соавторами в патенте США №5105838; Clearman с соавторами в патенте США №5247947; Banerjee с соавторами в патенте США №5303720; Clearman с соавторами в патенте США №5345955; Casey III с соавторами в патенте США №5396911; White с соавторами в патенте США №5546965; Meiring с соавторами в патенте США №5727571; Wilkinson с соавторами в патенте США №5902431; Cook с соавторами в патенте США №5944025; Thomas с соавторами в патенте США №8424538; и Sebastian с соавторами в патенте США №8464726; которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки. Изоляционные модули были введены внутрь определенных типов сигарет, продаваемых на рынке под торговыми марками «Premier» и «Eclipse» компанией R.J. Reynolds Tobacco Company, и в виде сигареты «Steam Hot One», продаваемой на рынке компанией Japan Tobacco Inc.
Огнезащитные материалы и добавки/ингибиторы горения, применяемые в изоляционном материале, могут включать кремнезем, углерод, керамические, металлические волокна и/или частицы. При обработке целлюлозных или других волокон, таких как, например, хлопок, требуемые огнезащитные свойства могут обеспечить борная кислота или различные фосфаторганические соединения. Кроме того, требуемое свойство огнестойкости могут придавать различные органические или металлические наночастицы, которые могут представлять собой диаммонияфосфат и/или другие соли. Другие применяемые материалы могут включать фосфорорганические соединения, буру, гидратированный глинозем, графит, триполифосфат калия, дипентаэритрит, пентаэритрит и высокомолекулярные спирты. Можно использовать и другие соединения, такие как соли азотистых и фосфоновых кислот, фосфат моноаммония, полифосфат аммония, бромид аммония, хлорид аммония, борат аммония, борат этаноламмония, сульфамат аммония, галогенированные органические соединения, тиомочевина и оксиды сурьмы, но перечисленные соединения не являются предпочтительными агентами. Согласно каждому варианту реализации огнезащитных материалов, ингибиторов горения и/или ингибиторов выгорания, применяемых в изоляционном материале, материале-основе и других компонентах (по отдельности или в любой комбинации друг с другом и/или другими материалами), нужные свойства наиболее предпочтительно обеспечивают без нежелательного выделения газов или расплавления.
Изоляционная ткань предпочтительно будет иметь достаточную способность к диффузии кислорода для поддержания условия горения курительного изделия, такого как сигарета, в течение требуемого времени использования. Соответственно, изоляционная ткань в силу своей структуры предпочтительно будет пористой. В вязаной, тканой или комбинированных тканой и вязаной структурах требуемую пористость можно регулировать за счет расположения модульного оборудования таким образом, чтобы между волокнами оставались достаточные (требуемых размеров) зазоры, позволяющие кислороду диффундировать в источник тепла. В случае нетканых тканей, которые могут быть недостаточно пористыми для поддержания равномерного устойчивого горения, дополнительную пористость можно придать за счет перфорационных отверстий в изоляционном материале, применяя способы, известные в данной области техники, в том числе, например, горячую или холодную перфорацию, перфорацию в пламени, тиснение, лазерную резку, высверливание, резку ножами, химическую перфорацию, пробивание отверстий и другие способы. Каждый из буферного и изоляционного материала может включать нестеклянный материал, представляющий собой тканый материал, вязаный материал или их комбинацию, вспененный металлсодержащий материал, вспененный керамический материал, вспененный керамический металлсодержащий композиционный материал и любую их комбинацию, при этом указанный материал, содержащийся в изоляционном материале, может представлять собой тот же материал, который содержится в буферном материале, или отличаться от него.
Аэрозолеобразующий материал может различаться, при этом можно использовать смеси различных аэрозолеобразующих материалов, которые могут представлять собой различные комбинации и разновидности ароматизирующих веществ (в том числе, различные материалы, которые меняют характер восприятия и/или органолептический характер или природу основного потока аэрозоля курительного изделия), оберточных материалов, частей, помещаемых в рот, фильтрующих элементов, фицеллы и ободкового материала. Типичные виды таких компонентов описаны Llewellyn Crooks с соавторами в публикации заявки на патент США №2007/0215167, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
Материал-основа может содержать табак определенной формы и может практически целиком состоять из табачного материала. Материал-основа может содержать аэрогель, который может представлять собой монолит аэрогеля, или может состоять из частиц, распределенных по всей композиции, содержащей какой-либо табак. Форма материала-основы может различаться. Согласно некоторым вариантам реализации материал-основу применяют в форме по существу традиционного наполнителя (например, в виде резаного наполнителя). Материал-основу в требуемых конфигурациях можно получить и иным образом (см., например, публикацию заявки на патент США №2011/0271971 Conner с соавторами, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки). Материал-основу можно использовать в форме собранного полотна или листа, используя разные методы, в целом описанные Pryor с соавторами в патенте США №4807809, который в полном объеме включен в настоящий документ посредством ссылки. Материал-основу можно использовать в форме полотна или листа, который нарезают на множество проходящих в продольном направлении полосок, используя разные методы, в целом описанные Raker с соавторами в патенте США №5025814, который в полном объеме включен в настоящий документ посредством ссылки. Материал-основа может иметь форму неплотно скатанного листа, так что проход для воздуха спирального типа проходит в продольном направлении через сегмент генерирования аэрозоля. Типичные виды содержащей табак материала-основы можно получить из смесей различных типов табака; или из одного преобладающего типа табака (например, восстановленного табака в виде отлитого листа или восстановленного табака бумажного типа, состоящего главным образом из табака берли, или восстановленного табака в виде отлитого листа или восстановленного табака бумажного типа, состоящего главным образом из табака восточного типа).
Материал-основу можно также обработать с помощью добавок к табаку того типа, который традиционно используют для изготовления сигарет, например с помощью компонентов для придания оттенков вкуса и/или аромата. См., например, типы компонентов, описанные Crooks с соавторами в публикации заявки на патент США 2004/0173229, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
Способ, посредством которого аэрозолеобразующий материал приводят в контакт с материалом-основой (например, табачным материалом), может различаться. Аэрозолеобразующий материал можно нанести на полученный табачный материал или его можно ввести в обработанные табачные материалы при производстве указанных материалов. Аэрозолеобразующий материал можно растворить или диспергировать в водной жидкости или другом подходящем растворителе или жидком носителе и распылить на указанный материал-основу. См., например, публикацию заявки на патент США №2005/0066986 Nestor с соавторами, которая в полном объеме включена в настоящую заявку посредством ссылки. Количество применяемого аэрозолеобразующего материала относительно сухой массы материала-основы может различаться. Материалы, содержащие очень высокие уровни аэрозолеобразующего материала, могут с трудом поддаваться обработке с получением стержней сигарет при использовании обычных видов автоматизированного оборудования для изготовления сигарет.
Основной поток аэрозоля, образованного курительным изделием 10, содержит табачный дым, образовавшийся при испарении аэрозолеобразующего материала в сегменте 51 генерирования аэрозоля. Для каждой затяжки большая часть получаемого основного потока аэрозоля образуется в системе 60 генерирования аэрозоля. Курильщик может курить курительное изделие в течение требуемого количества затяжек. Однако после того как курительный материал 55 был израсходован и источник 40 тепла гаснет, применение курительного изделия прекращается (т.е., процесс курения закончен).
Как правило, концевой сегмент для закуривания можно изготовить путем обеспечения «двойного» концевого сегмента для закуривания, выравнивания сегмента источника тепла на каждом конце «двойного» сегмента и обертывания выровненных компонентов с получением «двойного» объединенного сегмента. Затем такой «двойной» объединенный сегмент разрезают пополам перпендикулярно его продольной оси с получением двух объединенных сегментов. Альтернативно, два сегмента можно совместить и обернуть с получением объединенного сегмента.
Как правило, концевой сегмент, помещаемый в рот, можно получить путем соединения сегмента генерирования аэрозоля с каждым концом «двойного» сегмента фильтрующего элемента с обеспечением «двойного» объединенного сегмента; и разделения «двойного» объединенного сегмента с получением двух объединенных концевых сегментов, помещаемых в рот. Альтернативно, такой объединенный сегмент можно получить путем соединения сегмента фильтрующего элемента с каждым концом «двойного» сегмента генерирования аэрозоля с обеспечением «двойного» объединенного сегмента; и разделения «двойного» объединенного сегмента с получением двух объединенных концевых сегментов, помещаемых в рот.
Курительные концевые сегменты для закуривания, сегменты тепловыделения, сегменты генерирования аэрозоля, табаксодержащие сегменты, концевые части, помещаемые в рот, и различные компоненты перечисленных выше деталей можно изготовить с применением общепринятых методов и оборудования для изготовления сигарет и компонентов сигарет или подходящим образом модифицированного оборудования для изготовления сигарет и компонентов сигарет. То есть, различные комплектующие части и детали можно подвергнуть обработке и собрать в виде сигарет, используя обычные виды технологий, известные специалистам в области техники, связанной с разработкой и производством сигарет и компонентов сигарет, и в области техники, связанной со сборкой компонентов сигарет. См., например, типы конфигураций компонентов, материалов компонентов, методологий сборки и технологий сборки, описанные Baker с соавторами в патенте США №5052413; Baker с соавторами в патенте США №5088507; White с соавторами в патенте США №5105838; Barnes с соавторами в патенте США №5469871; и Riggs с соавторами в патенте США №5551451; и Nestor с соавторами в публикации заявки на патент США. №2005/0066986, которые в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
Производство многосегментных компонентов можно осуществить с помощью комбинированного оборудования типа, доступного под торговой маркой Mulfi или Merlin от компании Hauni Maschinenbau AG of Hamburg, Германия; или в виде LKF-01 Laboratory Multi Filter Maker от компании Heinrich Burghart GmbH. Комбинирование различных сегментов или компонентов сигарет также может быть выполнено с применением общепринятых или подходящим образом модифицированных устройств, таких как опрокидывающие устройства, доступные в виде обвязочных устройств Lab МАХ, МАХ, MAX S или MAX 80 от компании Hauni Maschinenbau AG. To есть, стержни, сегменты и объединенные сегменты можно загружать (например, с использованием поддонов, ковшей, рабочих колес и тому подобное), совмещать, опрокидывать или иным образом соединять, разделять, поворачивать, транспортировать, отделять и собирать (например, используя поддоны, ленты, ковши и тому подобное) с помощью подходящим образом модифицированных и расположенных опрокидывающих устройств. См., например, типы устройств и способы комбинирования, описанные Erdmann с соавторами в патенте США №3308600; Reuland с соавторами в патенте США №4280187; Heitmann с соавторами в патенте США №4281670; и Vos с соавторами в патенте США №6229115; и Read, Jr. в публикации заявки на патент США №2005/0194014, которые все в полном объеме включены в настоящий документ посредством ссылки.
Типы материалов и конфигураций, применяемые при изготовлении курительных материалов, изоляционных материалов, аэрозолеобразующих материалов, ароматизирующих веществ, оберточных материалов, концевых деталей, помещаемых в рот (например, фильтрующих элементов), фицелл и ободковых материалов в курительных изделиях согласно настоящему изобретению могут различаться. Варианты реализации таких компонентов курительного изделия описаны Crooks с соавторами в публикации заявки на патент США №2007/02015167 и Banerjee с соавторами в публикации заявки на патент США №2007/0215168, которые в полном объеме включены посредством ссылки.
Для сигарет согласно настоящему изобретению, в которые подают воздух или вентилируют, количество или степень разбавления воздухом или вентиляции может различаться. Часто степень разбавления воздухом для сигареты, в которую подают воздух, составляет больше примерно 10 процентов, обычно больше примерно 20 процентов, часто больше примерно 30 процентов и иногда больше примерно 40 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации верхний уровень разбавления воздухом для сигареты, в которую подают воздух, составляет менее примерно 80 процентов и часто менее примерно 70 процентов. В настоящем документе термин «разбавление воздухом» представляет собой отношение (выраженное в виде процента) объема воздуха, прошедшего через средство разбавления воздухом, к общему объему воздуха и аэрозоля, прошедшему через сигарету и выходящему из конечной части сигареты, помещаемой в рот. Более высокие уровни разбавления воздухом могут вызвать уменьшение эффективности переноса аэрозолеобразующего материала в основной поток аэрозоля.
3
3
Согласно некоторым вариантам реализации сигареты, предложенные в настоящем изобретении, имеют требуемое сопротивление затяжке. Например, типичная сигарета характеризуется перепадом давления от примерно 50 до примерно 200 мм водяного столба при расходе воздуха 17,5 см/сек. Предпочтительные сигареты характеризуется значениями перепада давления от примерно 60 мм до примерно 180 мм и согласно некоторым вариантам реализации от примерно 70 мм до примерно 150 мм водяного столба при расходе воздуха 17,5 см/сек. Значения перепада давления сигарет измеряют с применением установки для испытания сигарет Filtrona (CTS Series), которую можно приобрести в компании Filtrona Instruments and Automation Ltd.
Предпочтительные варианты реализации сигарет согласно настоящему изобретению позволяют сделать при курении приемлемое количество затяжек. Как правило, такие сигареты обеспечивают более примерно 6 затяжек и в целом более примерно 8 затяжек на сигарету при использовании курительной машины в условиях курения согласно FTC (Федеральной торговой комиссии). Как правило, такие сигареты обеспечивают менее примерно 15 затяжек и в целом менее примерно 12 затяжек на сигарету, при курении согласно FTC более примерно 5. Сигарета (например, сигарета, содержащая углеродистый топливный элемент, в котором отсутствует расположенный в центре или внутри канал для воздуха, проходящий в продольном направлении) характеризуется отношением выхода монооксида углерода согласно FTC к «смоле» согласно FTC, составляющим менее примерно 1, часто менее примерно 0,8 и часто менее примерно 0,6. Методы определения «смолы» согласно FTC и никотина согласно FTC описаны Pillsbury с соавторами в J. Assoc. Off. Anal. Chem., 52, 458-462 (1969), который в полном объеме включен посредством ссылки. Методы определения монооксида углерода согласно FTC описаны Horton с соавторами в J. Assoc. Off. Anal. Chem., 57, 1-7 (1974), который в полном объеме включен посредством ссылки.
Аэрозоли, которые образуются в сигаретах согласно настоящему изобретению, представляют собой аэрозоли, включающие воздухсодержащие компоненты, такие как пары, газы, взвешенные частицы и т.п.Аэрозольные компоненты могут образоваться при испарении аэрозолеобразующего агента. По существу, аэрозоль может содержать испаренные компоненты, продукты сгорания (например, диоксид углерода и воду) и продукты неполного сгорания и продукты пиролиза. Аэрозольные компоненты также могут образоваться под действием тепла, выделяющегося при горении табака определенной формы (и возможно других компонентов, которые сгорают с выделением тепла), из веществ, расположенных с возможностью теплообмена со сжигаемым табачным материалом и другими сжигаемыми компонентами. Аэрозольные компоненты могут также образоваться в системе генерирования аэрозоля в результате действия сегмента тепловыделения из сегмента генерирования аэрозоля. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения компоненты сегмента генерирования аэрозоля имеют общий состав и расположены внутри курительного изделия таким образом, что указанные компоненты, как правило, не будут подвергаться термическому разложению в значительной степени (например, в результате горения, тления или пиролиза) в условиях нормального применения.
Курительные изделия согласно настоящему изобретению можно упаковать для дистрибуции, продажи и применения. Сигареты можно упаковать способом, применяемым для тех сигарет, которые продаются на рынке под торговыми названиями «Premier» и «Eclipse» компанией R.J. Reynolds Tobacco Company. Сигареты также могут быть упакованы способом, применяемым для тех сигарет, которые продаются на рынке под торговым названием Camel Blackjack Gin компанией R.J. Reynolds Tobacco Company. Сигареты также можно упаковать способом, применяемым для тех сигарет, которые продаются на рынке под торговым названием Salem Dark Currents Silver Label компанией R.J. Reynolds Tobacco Company. См., также, типы упаковок, описанные Focke с соавторами в патенте США №4715497; Focke с соавторами в патенте США №4294353; Bouchard в патенте США №4534463; Allen с соавторами в патенте США №4852734; Burrows с соавторами в патенте США №5139140; и Keaveney с соавторами в патенте США №5938018; в патенте США №1042000; Marx с соавторами в публикации немецкой заявки на патент №DE 10238906; и в публикациях заявки на патент США №№2004/0217023 Fagg с соавторами; 2004/0256253 Henson с соавторами; и 2005/0150786 Mitten с соавторами, которые в полном объеме включены посредством ссылки.
ПРИМЕРЫ
ПРИМЕР 1: Типичный способ получения углеродного аэрогеля Стадия 1: Получение геля
2
3
Раствор катализатора получали путем растворения 0,20 г NaCO в 100 г воды. В отдельной емкости растворяли 1,00 грамм резорцина в 47,1 г воды. К полученному раствору добавляли 47 г раствора формальдегида с последующим добавлением 2,41 г приготовленного раствора катализатора. Реакционную смесь герметизировали и перемешивали в течение 24 часов. Через 24 часа реакционную смесь переносили в печь при 80°С. Гель подвергали затвердеванию в течение от нескольких часов до суток и оставляли в печи в течение примерно 3 дней.
Стадия 2: Условия обработки геля
2
2
Гель удаляли и осуществляли замену растворителя на ацетон, метанол или изопропанол в течение от 3 до 5 дней, заменяя растворитель по меньшей мере один раз в день. Гель помещали в сверхкритическую сушилку. Осуществляли обмен на жидкий СО в течение от 2 до 3 дней. При проведении указанной процедуры СО нагревался, проходя через свою критическую точку (31,1°С и 72,9 бар), до ~45°С при одновременном поддержании давления на уровне -100 бар, и после чего понижали давление со скоростью ~7 бар в час.
Стадия 3: Способ пиролиза
Органический аэрогель, полученный на стадии 2, нагревали при высокой температуре в высокотемпературной (максимум 1100°С) трубчатой печи, такой как Lindberg Blue/M™ Mini-Mite™, используя технологическую трубку из плавленого кварца. Применяемые концевые колпачки соединяли резервуар для газа с кварцевой трубкой, а также соединяли другой конец кварцевой трубки с выпускной линией. Альтернативно, гель можно нагревать в высокотемпературной коробчатой печи или печи, оборудованной термометром, керамическим тиглем и трубным фитингом для адаптирования выходного отверстия резервуара для газа к входному отверстию печи, а также выпускной линии из печи.
3
Аэрогель помещали в центр кварцевой трубки или тигля. При применении трубчатой печи кварцевую трубку помещали в центр трубчатой печи таким образом, чтобы аэрогель находился посередине линии нагрева. При использовании коробчатой печи тигель помещали в центр печи, где это возможно. Подсоединяли линию азота или аргона. При применении кварцевой трубки закрепляли концевой колпачок и соединяли резервуар для газа с одним из концов трубки. При применении коробчатой печи линию подачи газа подсоединяли к подходящему герметичному фиттингу (такому как адаптер с зубцами с нормальной трубной резьбой (barb-to-NPT adapter)), прикрепленному к печи. Выпускную линию присоединяли к указанной системе и направляли в подходящее вентиляционное отверстие, такое как вытяжная труба или химический вытяжной шкаф. Открывали резервуар для газа. Открывали регулирующее устройство для обеспечения прохождения газа. Подходящая скорость потока для 1-дюймовой (2,54 см) кварцевой трубки составляла 200 см газа/мин (стандартные кубические сантиметры в минуту). При отсутствии массового расходомера для создания относительно медленного потока следовало применять давление, составляющее только несколько psi (1 psi составляет примерно 14,5 бар). Температуру печи устанавливали в диапазоне от 600 до 1050°С (хотя работали температуры от 400 до 1800°С). Указанный диапазон температур определял степень пиролизации (для органических аэрогелей степень карбонизации и/или графитизации). Один раз при температуре аэрогель подвергали пиролизу в течение от 3 до 10 часов. Следует отметить, что если системе требуется много времени для доведения ее до заданного значения температуры, такое время доведения следует учитывать в общем времени пиролиза. При применении печи с быстрым нагревом, подобно Mini-Mite™, достижение температуры занимало минуты и требовалось более длительное время выдержки при заданном значении температуры, чем при использовании большой коробчатой печи, доведение которой до нужной температуры занимало от 1 до 3 часов (поскольку во время большей части фазы доведения аэрогель будет находиться при температурах, выше температур, при которых возможен пиролиз). Печь выключали и охлаждали до ~200°С или менее перед открытием. Резервуар для газа закрывали.
ПРИМЕР 2: Получение углеродного аэрогеля
2
2
2
Углеродный аэрогель получали согласно общей процедуре, описанной в примере 1, за исключением того, что на стадии 2 гель помещали в изопропанол и заменяли 5 раз. Кроме того, сверхкритическую сушку проводили в сверхкритическом экстракторе, как описано ниже. Способ сверхкритической сушки СО осуществляли на сверхкритическом жидкостном экстракторе Jasco в течение трех дней. Исходный материал аэрогеля помещали в колонку из нержавеющей стали и нагревали в колоночном термостате до 32°С. Для сушки исходного материала аэрогеля выполняли три последовательных 999 минутных экспериментов при постоянных температуре и давлении, составляющих 32°С и 10 МПа, используя 100% СО в качестве осушающего растворителя. После завершению трех указанных экспериментов была проведена разгерметизация при 0,7 МПа/час при постоянной температуре 32°С и 100% СО. Фиг. 2 представляет собой фотографию аэрогеля после сверхкритической сушки. Аэрогель на этой стадии является чрезвычайно легким и имеет клюквенно-красный цвет.
Сверхкритически высушенный аэрогель помещали в кварцевую трубку и вводили в печь в атмосфере газообразного азота. Образец нагревали до 800°С в течение 3 часов и оставляли охлаждаться на ночь в атмосфере газообразного азота. Фиг. 3 представляет собой фотографию аэрогеля после пиролиза. Аэрогель является чрезвычайно легким и имеет цвет углеродной сажи. При разработке продуктов можно использовать технологию получения углеродного аэрогеля при применениях, включающих изоляцию, матричную подложку для технологии снижения вреда (т.е. катализаторы), фильтрацию (активированный углерод) и для применения в специальных электронных сигаретах.