РАЗЛАГАЕМЫЙ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ СИГАРЕТНЫЙ ФИЛЬТР
ENVIRONMENTALLY DEGRADABLE CIGARETTE FILTER

2420-189669RU/015
РАЗЛАГАЕМЫЙ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ СИГАРЕТНЫЙ ФИЛЬТР
ОПИСАНИЕ
Область техники
Настоящее изобретение направлено на разлагаемый в окружающей среде сигаретный фильтр.
Уровень техники
Опубликованная заявка США 2009/0151738, включенная сюда путем ссылки, раскрывает разлагаемый сигаретный фильтр, получаемый посредством контактирования сигаретного жгута из ацетата целлюлозы, в одном варианте исполнения, со смесью водорастворимого матричного материала и комбинации слабой органической кислоты и соединения, которое может быть гидролизовано до сильной кислоты.
Соединения, которые могут быть гидролизованы до сильной кислоты, идентифицированы как: сульфат целлюлозы, додецилсульфат, аскорбил-2-сульфат, аскорбил-2-фосфат, пентаоксид фосфора, сложные эфиры на основе пентаоксида фосфора, нитрат целлюлозы, 2-этилгексилфосфат, и их комбинации. Эти соединения представляют собой сложные эфиры сильных кислот, и многие являются нестабильными (это значит, что они будут разлагаться за относительно короткий период времени, и тем самым делает их непригодными к использованию во многих вариантах применения). Поэтому эти сложные эфиры обычно поставляются промышленностью в виде соли сложного эфира. Эти соли сложных эфиров устойчивы и не разлагаются со временем подобно их несолевым вариантам. Однако их стабильность не позволяет использовать их в данной заявке.
Соответственно этому, вышеуказанные соединения, которые могут быть гидролизованы до сильных кислот, должны быть модифицированы, чтобы сделать их действие в данной заявке более активным (то есть, с гидролизом до сильных кислот, которые, в свою очередь, катализируют разложение ацетата целлюлозы).
Сущность изобретения
Разлагаемый в окружающей среде сигаретный фильтр включает фильтрующий элемент из пластифицированного жгута ацетата целлюлозы и обертку заглушки, окружающую указанный фильтрующий элемент. Слабую органическую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира инкапсулируют в матричном материале, который находится в контакте со жгутом. рН-отрегулированная соль сложного эфира имеет рН меньше или равный 8. Когда сигаретный фильтр выбрасывают в окружающую среду, вода высвобождает слабую кислоту и соль сложного эфира из матричного материала. Слабая кислота гидролизует сложный эфир, высвобождая сильную кислоту. Сильная кислота катализирует разложение жгута ацетата целлюлозы. (Слабая кислота также гидролизует жгут ацетата целлюлозы, но после того, как генерируется сильная кислота, сильная кислота становится доминирующим кислотным катализатором для разложения жгута из ацетата целлюлозы).
Описание изобретения
Разлагаемый в окружающей среде сигаретный фильтр в основном включает фильтрующий элемент (или фильтрующую заглушку), выполненный из пластифицированного жгута ацетата целлюлозы, обертку заглушки, окружающую фильтрующий элемент, и слабую органическую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира, инкапсулированные в матричном материале. Инкапсулированные материалы находятся в контакте со жгутом. Каждый из этих компонентов будет более подробно обсужден ниже.
Разлагаемый в окружающей среде сигаретный фильтр, как использовано здесь, имеет отношение к сигаретному фильтру, который будет разлагаться под воздействием окружающей среды вне помещения (то есть, под воздействием дождя, росы, или других источников воды). Степень разложения является, как минимум, достаточной для преобразования всего ацетата целлюлозы или его части (в сигаретных фильтрах ацетат целлюлозы в основном имеет Степень Замещения (D.S.) 2,0-2,6) в целлюлозу (D.S.≤1,0), и, как максимум, достаточной для преобразования ацетата целлюлозы в глюкозу. Период времени для такого разложения является меньшим, чем время для разложения эквивалентного количества необработанного ацетата целлюлозы, и обычно может составлять несколько месяцев (например, 2-6 месяцев или менее).
Фильтрующий элемент, выполненный из пластифицированного жгута ацетата целлюлозы, и обертка заглушки являются традиционными. Жгут ацетата целлюлозы представляет собой диацетат целлюлозы с величиной D.S. в диапазоне от 2,0 до 2,6. Впоследствии их присоединяют к табачному стержню сигареты известным способом.
Слабые органические кислоты включают: аскорбиновую кислоту, лимонную кислоту, молочную кислоту, никотиновую кислоту, гидроксиянтарную кислоту (яблочную кислоту), и их комбинации. Предпочтительными являются аскорбиновая кислота и лимонная кислота.
РН-отрегулированные соли сложного эфира включают такие соли, как органические сульфаты и органические фосфаты. Сложные эфиры неорганических сильных кислот могут быть нестабильными и легко разлагаются, так что их применимость в настоящей заявке может быть ограничена. Поэтому эти сложные эфиры стабилизируют превращением в их солевые формы. Однако эти неорганические соли сложных эфиров настолько устойчивы, что они могут с трудом подвергаться гидролизу и высвобождать соответствующую сильную кислоту. Если же регулировать рН неорганической соли сложного эфира, то она является несколько менее стабильной и гидролизуется легче. Под регулированием рН подразумевается, что некоторая часть металлического фрагмента (обычно натрия или калия, но без ограничения этим) неорганической соли сложного эфира, но не он весь, диссоциирует (и тем самым величина рН неорганической соли сложного эфира в растворе снижается, то есть, раствор становится более кислым). рН следует устанавливать на уровне меньше или равном 8, или в диапазоне рН 2,5-8. В еще одном варианте исполнения диапазон рН может составлять 3-7,5. В еще одном варианте исполнения диапазон рН может составлять 4-7. В еще одном варианте исполнения диапазон рН может составлять 5,3-7. Чем ниже рН, тем быстрее происходит разложение; однако, если рН является слишком низким, нестабильность соединения может оказывать негативное влияние. Дополнительно, предпочтительны органические соединения, которые содержат многочисленные фрагменты сильных кислот, поскольку, когда они гидролизуются, они будут высвобождать большее количество сильной кислоты.
Такие соли, как органические сульфаты, включают, но не ограничиваются таковыми: гексанатриевую соль гексасульфата инозита; октанатриевую соль октасульфата сахарозы; такие соли, как сульфат целлюлозы; додецилсульфат; натриевая соль сульфата глюкозы; аскорбилсульфат натрия; лаурилсульфат натрия; натриевая соль сульфата крахмала; октилсульфат натрия; и их комбинации.
Такие соли, как органические фосфаты, включают, но не ограничиваются таковыми: гексакалиевую соль гексафосфата инозита; динатриевую соль фосфата сахарозы; динатриевую соль фосфата глюкозы; динатриевую соль аскорбилфосфата; динатриевую соль лаурилфосфата; натриевую соль фосфата крахмала; 2-этилгексилфосфат; динатриевую соль октилфосфата; и их комбинации.
Количество рН-отрегулированной соли сложного эфира должно быть достаточным для стимулирования разложения всего жгута ацетата целлюлозы или его части с большей скоростью, нежели для эквивалентного необработанного фильтрующего элемента. Например, в одном варианте осуществления изобретения продолжительность разложения может составлять 2-6 месяцев. Количество рН-отрегулированной соли сложного эфира будет зависеть, например, от: веса ацетата целлюлозы в фильтрующем элементе, желательной продолжительности разложения фильтрующего элемента, и выбранной рН-отрегулированной соли сложного эфира (названо лишь несколько факторов).
Например, если намеченная продолжительность разложения составляет 2-6 месяцев, то, в одном варианте исполнения, количество кислоты, выделяющейся из рН-отрегулированной соли сложного эфира, может варьировать в диапазоне 2-200% по весу от ацетата целлюлозы в фильтрующем элементе. В еще одном варианте исполнения, для достижения таких же желательных результатов, как указано выше, количество кислоты, выделяющейся из рН-отрегулированной соли сложного эфира, может варьировать в диапазоне 5-100% по весу от ацетата целлюлозы. В еще одном дополнительном варианте исполнения количество кислоты, выделяющейся из рН-отрегулированной соли сложного эфира, может варьировать в диапазоне 10-50% по весу от ацетата целлюлозы.
Матричный материал может представлять собой любой водорастворимый и/или водопроницаемый материал, который может инкапсулировать (то есть, содержать слабую органическую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира); но в контакте с водой будет растворяться и/или пропускать воду для смешивания со слабой кислотой и рН-отрегулированной солью сложного эфира. При смешивании начинается катализируемый кислотой гидролиз рН-отрегулированной соли сложного эфира. Со временем катализатор(-ры) мигрирует(-ют) в фильтр из ацетата целлюлозы или окурок и стимулирует(-ют) гидролиз фильтра из ацетата целлюлозы или окурка. Инкапсулирование является важным по меньшей мере из двух соображений: во-первых, инкапсулирование предотвращает преждевременный гидролиз, и, во-вторых, сохраняет срок годности при хранении продукта (фильтра). Водорастворимый матричный материал может представлять собой ацетат целлюлозы (D.S.=0,8 ±0,2), карбоксиметилцеллюлозу (CMC), этилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу (НРС), гидроксипропилметилцеллюлозу (НРМС), метилцеллюлозу, полиэтиленгликоль (PEG), поливинилацетат, поливиниловый спирт, крахмал, сахар, и их комбинации. Сахара могут представлять собой глюкозу, сахарозу, лактозу, и их комбинации. Во многих вариантах исполнения водорастворимый матричный материал может представлять собой карбоксиметилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксипропилметилцеллюлозу, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, и их комбинации. Водопроницаемые материалы могут включать этилцеллюлозу, шеллак, зеин (проламиновый белок, находящийся в кукурузе), ацетат целлюлозы (D.S.=2,0-2,6), фталат целлюлозы, пористые силиконовые эластомеры (то есть, кремнийорганические эластомеры с добавлением PEG, где PEG вымывают растворением для формирования пор), сложные эфиры акриловой кислоты (например, имеющиеся в продаже на рынке под торговым наименованием EUDRAGIT от фирмы Evonik Degussa Corp., Пискатавэй, Нью-Джерси), и их комбинации.
Количество матричного материала должно быть достаточным для полного инкапсулирования слабой органической кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира. Полное инкапсулирование имеет отношение к покрытию и изолированию слабой органической кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира так, что они не могут катализировать гидролиз, пока вода не растворит по меньшей мере часть матричного материала. В основном, весовое отношение слабой органической кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира к водорастворимому матричному материалу может варьировать в диапазоне 0,75-4,0:1. В одном варианте исполнения соотношение может составлять 2:1.
Слабая органическая кислота и рН-отрегулированная соль сложного эфира, и матричный материал могут быть в форме покрытия или частицы, находящейся в контакте со жгутом. Смотри публикацию патентного документа США № 2009/0151738, включенную здесь ссылкой.
Покрытие может быть нанесено на жгут ацетата целлюлозы после изготовления жгута (то есть, не добавляется в прядильный раствор), и/или на обертку заглушки. В одном варианте исполнения смесь может быть нанесена в виде покрытия на жгут до формирования фильтрующего элемента. Например, в традиционной машине для изготовления заглушки раствор смеси может быть набрызган на пластифицированный жгут перед прохождением жгута через гарнитуру или во время него. В альтернативном варианте, после формирования фильтрующего элемента раствор смеси может быть впрыснут (например, через шприц) в жгут. В еще одном варианте исполнения смесь может быть добавлена в виде покрытия (или нанесена) как линия на внутренней поверхности обертки заглушки.
Частица может быть добавлена в фильтрующий элемент во время изготовления сигаретного фильтра. Частица, как использовано здесь, может означать, например: единственную частицу, включающую смесь (которая может быть заключена в желатиновую капсулу или покрыта защитным барьерным покрытием, или без инкапсуляции или покрытия), или гранулу из смеси, или порошок из смеси, или таблетку из смеси (например, самой смеси отдельно или с традиционным связующим агентом для таблеток). Частица может быть добавлена к ацетату целлюлозы фильтрующего элемента до (или в ходе) формирования фильтрующего элемента. Например, в традиционной машине для изготовления заглушки частица из смеси может быть введена в пластифицированный жгут перед прохождением жгута через гарнитуру или во время него.
Альтернативно, частица содержит слабую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира, окруженные внутренним слоем водорастворимого или водопроницаемого материала, и наружным слоем из ацетата целлюлозы, имеющего D.S. в диапазоне 2,0-2,6, окружающим внутренний слой. Эта конструкция частицы изложена в патентном документе США с серийным № 12/687912, поданном 15 января 2010 года, включенном здесь ссылкой. Далее описаны компоненты этого варианта исполнения.
Слабая кислота и рН-отрегулированная соль сложного эфира являются такими, как описано ранее.
Внутренний слой и наружный слой, который окружает и инкапсулирует слабую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира так, что 1) избыток воды не просто вымывает слабую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира, и имеется достаточное количество слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира на протяжении времени, чтобы катализировать гидролиз, 2) предотвращает восприятие дымом запаха слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира, иного, нежели ацетата целлюлозы, который может оказывать вредное воздействие на вкусовые качества дыма, и 3) облегчает связывание частицы с нитями в жгуте традиционными связующими материалами для жгута, например, такими как триацетин, или триацетат глицерина. Внутренний и наружный слои могут действовать совместно для регулирования высвобождения слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира, и наружный слой действует для маскирования вкуса слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира, и внутреннего слоя, и для облегчения связывания.
Внутренний слой представляет собой водорастворимый материал или водопроницаемый материал. Эти материалы могут представлять собой любые материалы, которые могут инкапсулировать (то есть, содержать слабую кислоту и рН-отрегулированную соль сложного эфира); но в контакте с водой будут либо растворяться и тем самым позволять катализировать гидролиз, либо пропускать воду и после этого обеспечивать возможность высвобождения катализатора. В случае водорастворимого материала вода будет превращать этот материал в гель, и гелеобразный материал затем может регулировать перемещение воды в сердцевину или выход катализатора из сердцевины. Кроме того, гелеобразный материал может набухать, чем затем может разрушать наружный слой. Инкапсулирование является важным по меньшей мере по двум причинам: во-первых, инкапсулирование предотвращает преждевременный гидролиз, и, во-вторых, сохраняет срок годности при хранении продукта (фильтра). Водорастворимый матричный материал и водопроницаемый материал являются такими, как описано выше.
Наружный слой представляет собой ацетат целлюлозы с D.S. 2,0-2,6. Ацетат целлюлозы с D.S. 2,0-2,6 является водопроницаемым. Этот ацетат целлюлозы предпочтительно имеет такое же или примерно такое же D.S., как и жгут волокон («примерно такое же» означает, что D.S. находится в пределах ±25% D.S. жгута волокон).
Количество внутреннего слоя и наружного слоя должно быть достаточным для полного инкапсулирования (или окружения) слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира. Полное инкапсулирование (или окружение) имеет отношение к покрытию и изолированию слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира так, что они не могут катализировать гидролиз, пока вода не проникнет сквозь наружный слой и не растворит по меньшей мере часть водорастворимого материала (или проникнет сквозь водопроницаемый материал) внутреннего слоя. Например, внутренний слой может варьировать в диапазоне 5-100% по весу от слабой кислоты и рН-отрегулированной соли сложного эфира, или 5-30% по весу в еще одном варианте исполнения. Наружный слой может варьировать в диапазоне 5-100% по весу или 5-30% по весу в еще одном варианте исполнения. В альтернативном варианте, количество внутреннего слоя и наружного слоя может быть выполнено сопоставимым со степенью задержки, то есть, «периодом полупревращения». Период полупревращения представляет собой время, необходимое для того, чтобы каталитический материал снизил величину рН раствора на ½ первоначального рН. В приведенных ниже данных 1 мл воды приблизительно эквивалентен объему стандартного сигаретного фильтра. В настоящем изобретении период полупревращения материала должен составлять по меньшей мере 25 минут, или быть в диапазоне 25-1000 минут, или 50-500 минут, или 75-300 минут.
ПРИМЕРЫ
В нижеследующих примерах исследовано влияние регулирования рН неорганической соли сложного эфира и температуры на скорость разложения сигаретных фильтров из ацетата целлюлозы.
рН-отрегулированную натриевую соль сульфата целлюлозы получили следующим образом:
1. 2 грамма натриевой соли сульфата целлюлозы, приобретенной в фирме Fischer Scientific (Acros), растворили в 200 мл деминерализованной воды при перемешивании. Тем самым приготовили 1%-ный раствор.
2. Сразу после растворения измерили величину рН раствора с помощью рН-метра, в то же время с непрерывным перемешиванием раствора. РН раствора было равно 9.
3. Одномолярный раствор соляной кислоты добавляли по каплям с использованием шприца емкостью 1000 микролитров, пока не получили рН=7.
4. Повторили стадии 1-3 для получения 1%-ного раствора сульфата целлюлозы с величиной рН 5 и 3.
5. Контрольный раствор имел 2 грамма натриевой соли сульфата целлюлозы, растворенной в 200 мл деминерализованной воды при перемешивании.
6. К каждому из четырех растворов, маркированных «рН=9», «рН=7», «рН=5», «рН=3», добавили 2 грамма лимонной кислоты.
Фильтровые стержни обработали вышеуказанными растворами следующим образом:
1. Удалили бумагу из 80 пластифицированных фильтровых стержней (24,45 мм × 102 мм).
2. Эти стержни разделили на 4 группы по 20.
3. 20 стержней погрузили в раствор с рН=9 и оставили до насыщения.
4. Извлекли стержни с помощью пинцетов, оставили для стекания и поместили на пластиковый лист для высыхания на воздухе (3-4 дня).
5. Повторили стадии 3-4 для образцов «рН=7», «рН=5», «рН=3».
6. Затем сухие стержни подразделили на группы по 10 стержней и поместили в банки.
7. Банки маркировали следующим образом:
21° Цельсия рН=9
30° Цельсия рН=9
21° Цельсия рН=7
30° Цельсия рН=7
21° Цельсия рН=5
30° Цельсия рН=5
21° Цельсия рН=3
30° Цельсия рН=3
J. Chromatogr
том 629
Стержни протестировали на потерю степени замещения (DS) со временем. Значение D.S. рассчитали по времени удерживания на основе известных стандартных образцов ацетата целлюлозы. Использовали метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC), основанный на работе автора T.R. Floyd, а именно, Floyd, T.R. «Chemical Characterization of Cellulose Acetate by Non-exclusion Liquid Chromatography («Химическая характеристика ацетата целлюлозы с помощью неэксклюзионной жидкостной хроматографии»)», . 1993, , стр. 243-254. Преимущество состоит в том, что значение D.S. может быть рассчитано по малоразмерным образцам (<0,3 г). Этим обеспечивается основное преимущество по сравнению с традиционным методом титрования раствора 2,0-граммового образца (стандарт ASTM D871-91). Метод HPLC не является столь же точным, как методика согласно ASTM; однако методом HPLC легко отслеживаются потери D.S. HPLC-анализ ограничен нижним значением D.S. на уровне 1,5. Это обусловлено тем, что ацетат целлюлозы с D.S. ниже 1,5 не растворяется в ацетоне. Таблицы 1-3 обобщают результаты HPLC-испытания. Таблица 3 сравнивает градиенты уравнений регрессии. Данные показывают, что чем ниже исходный рН раствора натриевой соли сульфата целлюлозы, тем быстрее гидролизуется (разлагается) фильтровый стержень из пластифицированного ацетата целлюлозы. Кроме того, скорость разложения повышается с температурой.
Таблица 1
Исходный рН сульфата целлюлозы
Уравнение регрессии при 21° Цельсия для степени замещения
Коэффициент корреляции
Образец 1
9
y=-0,0024х+2,4757
0,985
Образец 2
7
y=-0,003х+2,4625
0,982
Образец 3
5
y=-0,0031х+2,4639
0,989
Образец 4
3
y=-0,0031х+2,4659
0,995
Таблица 2
Исходный рН сульфата целлюлозы
Уравнение регрессии при 30° Цельсия для степени замещения
Коэффициент корреляции
Образец 1
9
y=-0,0037х+2,4517
0,931
Образец 2
7
y=-0,0052х+2,4669
0,999
Образец 3
5
y=-0,0053х+2,4667
0,984
Образец 4
3
y=-0,008х+2,5004
0,959
Таблица 3
Исходный рН сульфата целлюлозы
Повышение скорости при 21° Цельсия на основе рН<sup>А</sup>
Повышение скорости при 30° Цельсия на основе рН<sup>А</sup>
Повышение скорости на основе температуры<sup>В</sup>
Образец 1
9
1
1
1,5
Образец 2
7
1,3
1,4
1,7
Образец 3
5
1,3
1,4
1,7
Образец 4
3
1,3
2,2
2,6
А. Представляет собой величину градиента регрессии каждого образца, каждая деленная на градиент регрессии Образца 1.В. Представляет собой величину градиентов регрессии одного и того же образца при двух температурах: (Образец 1 при 30°С/Образец 1 при 21°С)
Процентное содержание нерастворимого в ацетоне материала определяли для образца через 56 дней. Образцы были обработаны по следующей методике для получения нерастворимого в ацетоне материала и перечислены в таблице 4.
1. Образец величиной 20 миллиметров отрезали от обработанного фильтрового стержня и взвесили.
2. Образец промыли водой для удаления лимонной кислоты, натриевой соли сульфата целлюлозы, уксусной кислоты и любых остаточных солей.
3. Образцы оставили для высыхания на воздухе в течение 3 дней перед регистрацией их веса.
4. Образцы растворили в 10 мл ацетона, затем отфильтровали и промыли избытком ацетона.
5. Отфильтрованный материал оставили для высыхания на воздухе перед регистрацией его веса.
Таблица 4
Исходный рН сульфата целлюлозы
Вес экстрагиро-ванного водой образца - граммов
Вес нераство-римого в ацетоне остатка - граммов
Процентов нераствори-мого в ацетоне вещества
Образец 1, 21°С
9
0,1203
0
0
Образец 2, 21°С
7
0,1174
0,0065
5,54
Образец 3, 21°С
5
0,1328
0,0102
7,68
Образец 4, 21°С
3
0,1234
0,0135
10,94
Образец 1, 30°С
9
0,1293
0,0106
8,20
Образец 2, 30°С
7
0,1284
0,0165
12,85
Образец 3, 30°С
5
0,1173
0,0169
14,41
Образец 4, 30°С
3
0,1158
0,02
17,27
p
Данные в таблице 4 показывают обратную взаимозависимость между исходным рН натриевой соли сульфата целлюлозы и процентным содержанием нерастворимого в ацетоне вещества. Чем ниже исходный рН натриевой соли сульфата целлюлозы, тем выше процентное содержание нерастворимого в ацетоне вещества. Повышение температуры оказывает непосредственное влияние на процентное содержание нерастворимого в ацетоне вещества. Эти данные демонстрируют, что фильтровые стержни из пластифицированного ацетата целлюлозы разлагаются или гидролизуются быстрее, когда обработаны рН-отрегулированной натриевой солью сульфата целлюлозы. Материал сульфата целлюлозы с более низким рН является более чувствительным к гидролизу, катализируемому органической кислотой. Гидролиз высвобождает гидросульфат натрия, соль сильной минеральной кислоты с величиной Ka=1,9. Гидросульфат натрия становится доминирующим катализатором, который усиливает разложение или гидролиз фильтров из пластифицированного ацетата целлюлозы. Это обеспечивает возможность гибкого конструирования в плане того, насколько быстрым желательно разложение выброшенных сигаретных фильтров/окурков.
Настоящее изобретение может быть реализовано в других формах без выхода за пределы его смысла и существенных признаков, и, соответственно этому, в плане определения области изобретения следует ориентироваться скорее на пункты прилагаемой патентной формулы, нежели на вышеприведенное описание.