ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ПОЛИЛАКТИДНЫЕ ВОЛОКНА
FILTERING MATERIAL, INCLUDING POLYLACTIDE FIBRES

Область, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к фильтровальным материалам, предназначенным для применения в фильтрах или фильтрующих элементах курительных изделий, к материалам, включающим полилактидные волокна и один или более пластификаторов.
Предпосылки создания изобретения
В качестве фильтров сигаретного дыма был предложен широкий спектр волоконных материалов. Жгут из волокон ацетата целлюлозы (АЦ) является наиболее распространенным фильтровальным материалом. Однако один из недостатков, связанных с этим фильтровальным материалом, заключается в его медленном разложении. В то время как большинство компонентов использованного курительного изделия разлагаются на его составные части в течение относительно короткого периода времени под действием влаги и/или механического истирания, фильтровальный материал из АЦ разлагается медленно, так как волокна из АЦ сами по себе плохо растворяются в воде и, следовательно, характеризуются низкой биодеградабельностью.
Для изготовления продуктов разового потребления желательно использовать биодеградабельные материалы. Биодеградабельные полимеры, которые утилизируют в биологически активной окружающей среде, разлагаются при ферментативном действии микроорганизмов, таких как бактерии, грибы и водоросли. Их полимерные цепи могут также расщепляться в условиях неферментативного процесса, такого как химический гидролиз. Термин «биодеградабельный», использованный в данном контексте, означает, что композиция разлагается в течение одного года в условиях стандартного метода испытаний для оценки аэробной биодеградации пластических материалов в условиях контролируемого компостирования.
Полимолочная кислота или полилактид (ПЛА) является перспективным биодеградабельным и биосовместимым полимером. Его получают из возобновляемых источников (например, кукуруза, пшеница или рис) и он подвергается биодеградации, вторичной переработке и компостированию. Кроме того, ПЛА обладает чрезвычайно высокой технологичностью. Действительно, ПЛА характеризуется улучшенной термической технологичностью по сравнению с другими биодеградабельными материалами, такими как поли(гидроксиалканоаты), поли(ε-капролактон) и т.п. Указанный полимер можно перерабатывать с использованием процессов литьевого прессования, пленочной экструзии, формования раздувом, термоформования, формования волокон и пленкообразования. Однако применение ПЛА может быть ограничено в связи с его гидрофобностью и не способностью солюбилизироваться или диспергироваться в воде.
Существует потребность в получении биодеградабельных фильтровальных материалов, предпочтительно изготовленных из материалов, которые можно перерабатывать простым методом в волокна, которые обладают термической технологичностью и достаточно высокими механическими и физическими свойствами.
Для применения при изготовлении фильтров курительных изделий ацетат целлюлозы (АЦ) можно обрабатывать в присутствии пластификатора. Такой способ включает нанесение пластификатора (обычно в жидкой форме) на поверхность АЦ-волокон, например, при распылении жидкого пластификатора на жгут из АЦ-волокон. Действие пластификатора заключается в связывании соседних волокон друг с другом в участках их контактирования, тем самым придавая фильтровальному стержню твердость, достаточную для изготовления и применения сигарет. Таким образом, несмотря на то, что материалы, добавляемые таким способом к АЦ, в основном рассматривают как пластификаторы, в действительности они действуют в качестве связующих или отвердителей, а не в качестве пластификаторов. Пригодные пластификаторы такого назначения включают триацетин (ТА, триацетат глицерина), ТЭЦ (триэтилцитрат) и ПЭГ 400 (низкомолекулярный полиэтиленгликоль). Известно также, что пластифицированные АЦ-жгуты улучшают селективное удаление полулетучих соединений, найденных в сигаретном дыме (например, фенол, орто-крезол, пара-крезол и мета-крезол). Для проявления этого эффекта считается необходимым присутствие пластификатора на поверхности АЦ-волокон.
К сожалению, в действительности добавление пластификатора, который связывает волокна, может привести к снижению деградабельности фильтровального материала. Связывание волокон в определенной степени замедляет разделение на индивидуальные волокна, что приводит к сохранению жгутов в использованных курительных изделиях, и таким образом пучки волокон остаются в изделии и снижают степень воздействия на них элементов, которые принимают участие в любом процессе деградации.
В связи со связывающим волокна эффектом пластификаторов, стандартные АЦ-фильтры часто содержат от 6 до 8% пластификатора. Было установлено, что включение пластификатора в большем количестве по сравнению с указанным выше оказывает отрицательное действие на жгут АЦ-волокон, то есть приводит к формированию полостей.
Краткое содержание сущности настоящего изобретения
Согласно первому объекту настоящего изобретения предлагается фильтровальный материал для включения в фильтр или фильтрующий элемент курительного изделия, причем указанный фильтровальный материал включает полилактидные волокна и по крайней мере один пластификатор.
Во втором объекте настоящего изобретения предлагаются фильтры и фильтрующие элементы, включающие фильтровальный материал по первому объекту.
В третьем объекте настоящего изобретения предлагаются курительные изделия, включающие фильтр или фильтрующие элементы по второму объекту.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 показаны графики эффективности ПЛА-жгутов и АЦ-жгутов.
На фиг. 2 показан график зависимости фильтровальной эффективности ПЛА-фильтра от падения давления.
На фиг. 3 показан график зависимости фильтровальной эффективности (по адсорбции не-содержащих никотин сухих частиц, NFDM) от падения давления для ПЛА-жгута и АЦ-жгута.
На фиг. 4 показано действие триацетина (ТА), использованного в качестве добавки в ПЛА-фильтр, на адсорбцию фенольных соединений в составе дыма.
На фиг. 5 показан график влияния триэтилцитрата (ТЭЦ), использованного в качестве добавки в ПЛА-фильтр, на адсорбцию фенольных соединений в составе дыма.
На фиг. 6 показан график влияния различных добавок в ПЛА-фильтр на адсорбцию фенольных соединений в составе дыма.
Подробное описание настоящего изобретения
В вариантах осуществления настоящего изобретения предлагаются фильтровальные материалы с достаточно высокими механическими свойствами, такими как прочность и высокая технологичность, и в то же время также или в другом варианте указанные материалы являются биодеградабельными и/или характеризуются отличными адсобционными параметрами при их включении в фильтр или фильтрующий элемент курительного изделия.
Термин «курительное изделие», использованный в данном контексте, включает курительные продукты, такие как сигареты, сигары и сигариллы, полученные на основе табака, производных табака, расширенного табака, восстановленного табака или заменителей табака, а также продукты типа "heat-not-burn" (нагревание-не-горение).
Волокна фильтровального материала могут состоять в основном из полилактидных волокон.
Дополнительно или в другом варианте полилактидные волокна могут состоять в основном из полилактида.
Волокна можно изготовить из ПЛА таким же способом, как АЦ-волокна изготавливают из АЦ. АЦ-волокна изготавливают с использованием процесса прядения из раствора, однако для получения волокон из ПЛА можно использовать процесс экструзии из расплава.
ПЛА, использованный в настоящем изобретении, можно получать различными методами синтеза, такими как полимеризация лактида с раскрытием цикла или прямая конденсационная полимеризация молочной кислоты. Для применения в настоящем изобретении можно выбрать ПЛА любой марки, а молекулярная масса ПЛА может изменяться в зависимости от требуемых свойств и назначения. Предпочтительным является поли(L-лактид) (ПЛЛА) благодаря его кристалличности, которая является наиболее благоприятной для получения волокон.
На фиг. 1 показаны графики эффективности ПЛА-жгута и АЦ-жгута марки 3Y40000. На фиг. 1 показано изменение падения давления в фильтре в зависимости от массы жгута, использованного в фильтре. Данные представлены для стержня фильтра с длиной 132 мм и окружностью 24,30 мм. Эта информация позволяет подобрать массу фильтра, обеспечивающую требуемое падение давления, которое может соответствовать стандартному фильтру из АЦ. На графике эффективности можно также определить пределы технологичности жгута (самое высокое и самое низкое падение давления).
На фиг. 2 показана фильтрационная эффективность фильтра из ПЛА в зависимости от падения давления. S1-S4 обозначают образцы, представленные в табл. 1. Анализ дыма проводили в условиях согласно стандарту ISO (35/2/60) с блокированной зоной вентиляции. Данные, представленные на фиг. 2, свидетельствуют о том, что для фильтра, изготовленного только из ПЛА-волокон, наблюдаются относительно низкие адсорбционные параметры по сравнению со стандартным пластифицированным АЦ-фильтром (8,6% пластификатора) при равном падении давления. На графике представлены данные испытаний четырех образцов фильтров, изготовленных из не пластифицированного ПЛА-жгута, на основе падения давления этих фильтров (377, 421, 486, 570 мм водн. столба соответственно, длина стержня фильтра 132 мм). Как будет более подробно обсуждено ниже, падение давления этих образцов связано с массой ПЛА (см. табл. 1).
На фиг. 3 показана фильтрационная эффективность (по адсорбции не-содержащих никотин сухих частиц, NFDM) в зависимости от падения давления для фильтров, изготовленных из ПЛА-жгутов и АЦ-жгутов. Фильтры (с длиной 22 мм и окружностью 24,3 мм) были изготовлены из жгутов одной и той же марки (3.OY40000). Анализ дыма проводили в условиях согласно стандарту ISO (35/2/60) с блокированной зоной вентиляции.
Как указано выше, пластификатор, включенный в АЦ-жгут, действует в качестве связующего, что приводит к связыванию соседних волокон друг с другом, тем самым увеличивая прочность и структурную целостность жгута. Напротив, при добавлении тех же самых пластификаторов в ПЛА-волокна они действуют как истинные пластификаторы, обеспечивая смягчающий эффект, и не приводят к связыванию между волокнами.
Однако было установлено, что добавление по крайней мере одного пластификатора в ПЛА-волокна оказывает значительный эффект на адсорбционные параметры жгута.
Данные, представленные на фиг. 4-6, свидетельствуют о том, что ПЛА-жгут без пластификатора характеризуется относительно низкой адсорбцией ряда аналитических веществ Хоффмана, прежде всего фенольных соединений. Значение 0% на этих графиках указывает на соответствие жгута на основе ПЛА характеристикам стандартного пластифицированного АЦ-жгута, который использовали в качестве контроля (на графике АЦ-контроль).
Очевидно, что при добавлении пластификатора для некоторых анализируемых веществ адсорбция АЦ приближается, равна или в некоторых случаях даже улучшается. Отрицательное значение в процентах означает улучшение адсорбции по сравнению с АЦ-контролем.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения фильтровальный материал включает один или более пластификаторов, выбранных из группы, включающей ПЭГ, триацетин и ТЭЦ.
Общее количество пластификатора, включенного в фильтровальный материал, составляет от 4 до 15 мас.% в расчете на общее количество материала фильтровального жгута. Таким образом, если используется только один пластификатор, его можно включать в количестве от 4 до 15 мас.% в расчете на массу материала фильтровального жгута. Если используется комбинация пластификаторов, то их общее количество должно составлять от 4 до 15 мас.% в расчете на общее количество материала фильтровального жгута.
В некоторых вариантах фильтровальные материалы могут обеспечивать увеличение степени селективного удаления полулетучих соединений из дыма, который пропускают через фильтровальный материал. Следует полагать, что применение полиэтиленгликоля, ТЭЦ и/или триацетина в качестве пластификатора, нанесенного на поверхность ПЛА-волокон, может вносить вклад в этот эффект.
В некоторых вариантах фильтровальные материалы могут улучшать вкусовые характеристики дыма, который пропускают через фильтровальный материал. В некоторых других вариантах применение ТЭЦ и/или триацетина в качестве пластификатора, нанесенного на поверхность ПЛА-волокон, может вносить в этот эффект.
Примеры
Следующие специфические примеры представлены для более подробной иллюстрации настоящего изобретения. Следует понимать, что эти примеры являются иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения и ни один из примеров не ограничивает его объем.
В примерах использовали жгут из ПЛА марки 3.0Y40000, то есть весовой номер филаментной нити в денье составляет 3,0, форма волокна - Y, массовый номер жгута - 40000.
Обработку проводили с использованием машины KDF2, которая представляет собой установку, используемую для переработки жгута в стержни фильтра (фильтропалочки).
В таблице 1 ниже представлены различные величины падения давления при сравнении с массой ПЛА-жгута и АЦ-жгута, включенных в стандартный стержень фильтра длинной 132 мм и окружностью 24,30 мм. Различные образцы изготавливали из одного и того же ПЛА-жгута, но с различной массой жгута в составе стержня фильтра, что связано с различной степенью упаковки и следовательно с различием массы ПЛА-жгута, включенного в фильтры одинакового размера.
Таблица 1:
Различные величины падения давления (ПД) при сравнении с массой жгута, стержень фильтра длинной 132 мм и окружностью 24,30 мм
Масса (мг)
ПД (мм водн.ст.)
Образец 1 (S1)
721
377
Образец 2 (S2)
772
421
Образец 3 (S3)
803
486
Образец 4 (S4)
845
540
На фиг. 2 показан график зависимости эффективности фильтрации ПЛА-фильтра от падения давления. Анализ дыма проводили в курительной машине в условиях ISO (35/2/60) с блокированной зоной вентиляции.
На фиг. 2 представлена эффективность фильтрации ПЛА-фильтров, перечисленных в табл. 1. Эффективность фильтрации оценивали по степени удерживания перечисленных компонентов дыма. Эту эффективность измеряли при выкуривании контрольной сигареты без фильтра и исследуемых сигарет с ПЛА-фильтрами и при определении количеств смолы (NFDPM), никотина и воды, выделяющихся в обоих случаях. Результаты свидетельствуют о том, что количество выделившихся компонентов можно подбирать при изменении падения давления в фильтре.
На фиг. 4 показан график влияния триацетина (ТА), использованного в качестве добавки в ПЛА-фильтр, на содержание фенольных соединений в дыме. Анализ дыма проводили в курительной машине в условиях ISO (35/2/60) с блокированной зоной вентиляции. Результаты нормализовали по содержанию смолы и выражали в виде разницы по сравнению с АЦ в %. Данные представлены при сравнении выделения фенольных соединений из сигарет с фильтрами, содержащими различное количество ТА. Стандартную сигарету с фильтром из пластифицированной АЦ использовали в качестве базовой линии. Результаты представляли в виде величины в %, которую рассчитывали по следующей формуле:
(Выделенные компоненты из ПЛА - Выделенные компоненты из контроля)×100/Выделенные компоненты из контроля
Результаты свидетельствовали о снижении выделенных анализируемых компонентов по мере увеличения количества ТА.
На фиг. 5 показан график влияния триэтилцитрата (ТЭЦ), использованного в качестве добавки в ПЛА-фильтр, на содержание фенольных соединений в дыме. Анализ дыма проводили в курительной машине в условиях ISO (35/2/60) с блокированной зоной вентиляции. Результаты нормализовали по содержанию смолы и выражали в виде разницы по сравнению с АЦ в %. Данные рассчитывали, как описано выше при описании фиг. 4. Результаты свидетельствовали о том, что при добавлении ТЭЦ в ПЛА-фильтры наблюдается увеличение селективной адсорбции анализируемых компонентов.
На фиг. 6 показан график влияния различных добавок в ПЛА-фильтр на содержание фенольных соединений в дыме. Анализ дыма проводили в курительной машине в условиях ISO (35/2/60) с блокированной зоной вентиляции. Результаты нормализовали по содержанию смолы и выражали в виде разницы по сравнению с АЦ в %. Данные рассчитывали, как описано выше при описании фиг. 4. Результаты свидетельствуют о том, что добавка ТЭЦ в ПЛА-волокна оказывает наиболее сильный эффект на селективную адсорбцию анализируемых компонентов по сравнению с добавкой такого же количества триацетина.
Таким образом, полученные нами данные позволяют сделать вывод о том, что применение добавок в ПЛА-фильтр может повысить селективное удаление определенных анализируемых компонентов Хоффмана.
С целью преодоления различных проблем и вклада в прогресс уровня техники в настоящем описании предлагаются в качестве иллюстрации различные варианты осуществления настоящего изобретения, в которых описано, как использовать заявленное изобретение на практике, и предлагается усовершенствованный фильтровальный материал. Преимущества и признаки настоящего изобретения представлены только в виде типичного образца вариантов осуществления и не являются ни исключительными и/или ни всеобъемлющими. Эти варианты осуществления изобретения представлены только для понимания заявленных признаков и в качестве рекомендаций для их осуществления. Следует также понимать, что преимущества, варианты осуществления, примеры, функции, признаки, структуры и/или другие аспекты изобретения не следует рассматривать как ограничения изобретения, как заявлено в пунктах формулы изобретения, или как ограничения эквивалентов пунктов формулы изобретения, и что можно использовать другие варианты и модификации объектов изобретения, не выходя за пределы объема и/или сущности изобретения. Различные варианты осуществления изобретения соответствующим образом могут включать различные комбинации заявленных элементов, компонентов, признаков, частей, стадий, средств и т.п., состоять из них или в основном состоять из них. Кроме того, настоящее описание включает другие в настоящее время не заявленные изобретения, но которые могут быть заявлены в будущем.