CN102215706A - 浸渍有金属氧化物成分的吸收材料 - Google Patents

浸渍有金属氧化物成分的吸收材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种浸渍有金属氧化物浸的改进的吸收材料(34)，其可用于适用于吸烟物品中的过滤元件(26)。改进的吸收材料对卷烟的主烟气流中的某些气态种类显现出提高的过滤效率。可根据本发明改进的示例的吸收材料包括活性碳、分子筛、粘土、离子交换树脂、活性氧化铝、硅胶、海泡石以及它们的混合物。金属氧化物的一个实例是氧化铈。用金属氧化物浸渍可用以下方式完成：用金属氧化物直接处理吸收剂，或用诸如硝酸铈的金属氧化物前体浸渍吸收剂，其后煅烧浸渍的材料将前体转换为要求的金属氧化物。还提供了形成改进的吸收材料和包含改进吸收材料的吸烟物品过滤嘴的方法。

Description

浸渍有金属氧化物成分的吸收材料
发明背景
技术领域
本发明涉及用于过滤介质的吸收材料，以及包括吸收材料的吸烟物品过滤嘴。
背景技术
诸如卷烟那样的流行吸烟物品，具有大致圆柱形杆形的结构，并包括可吸烟材料的装料、卷筒或圆柱，可吸烟的材料诸如切碎的烟草(例如，呈切割的过滤嘴形式)，吸烟材料的装料被卷烟纸包围，由此形成所谓的“可吸烟杆”或“烟草杆”。通常地，卷烟具有圆柱形的过滤元件，其以端部-对-端部的关系与烟草杆对齐。一般地，过滤元件包括塑化过的醋酸纤维素束，其被称之为“虑棒成型纸”的纸材包裹。某些过滤元件可包括多元醇。一般地，使用被称之为“接装纸”的卷绕材料将过滤元件附连到烟草杆的一端。有关卷烟和其各种组分在David等人(Eds.)的“Tabacco Production，Chemical and Technology(烟草制品，化学与技术)”(1999)中都有阐述。吸烟者点燃卷烟的一端并燃烧烟草杆，来享用该卷烟。然后，吸烟者在卷烟的相对端(例如，过滤嘴端)抽吸，将主烟气流吸入他/她的嘴中。
有些卷烟包括过滤元件，过滤元件具有分散在其中的吸收材料，诸如活性碳或木炭材料(统一地称为含碳材料)，它们呈微粒或颗粒形状。例如，示例的卷烟过滤嘴可具有多段，其中至少一段可包括高碳含量材料的颗粒。含碳材料的颗粒可使用一般类型用于传统达尔美逊(dalmation)过滤物制造中的技术，纳入到“达尔美逊”类型的过滤嘴区域中。用于生产达尔美逊过滤嘴的技术是公知的，有代表性的达尔美逊过滤嘴由菲尔特罗纳格林斯博罗公司(Filtrona Greensboro Inc.)在市场上出售。或者，可使用传统“空穴”过滤嘴制造中所用的一般类型的技术，将含碳材料的颗粒纳入到“空穴”类型的过滤嘴区域内。各种类型的包含木炭颗粒或活性碳类型材料的过滤嘴阐述在以下专利中：授予Touey的美国专利2,881,770；授予Seligman等人的3,101,723；授予Irby等人的3,236,244；授予Touey等人的3,311,519；授予Berger的3,313,306；授予Lloyd的3,347,247；授予Sublett等人的3,349,780；授予Davis等人的3,370,595；授予Sublett等人的3,413,982；授予Watson的3,551,256；授予Dock的3,602,231；授予Tigglebeck等人的3,972,335；授予Blakley等人的5,360,023；授予Stavridis的5,909,736；以及授予Veluz的6,537,186；授予Spiers等人的美国专利公开2003/00340085；授予Chatterjee的2003/0106562；授予Hicks等人的2006/0025292；以及授予Coleman，III等人的2007/0056600；授予Banerjea等人的PCT WO 2006/064371；授予Jupe等人的PCT WO 2006/051422；以及授予Cashmore等人的PCT WO 2006/103404，本文以参见方式引入这些专利。
非常理想的是能提供具有含有吸收材料的过滤元件的卷烟，其中，过滤元件具有改变通过过滤元件的主烟气特性或性能的能力。
发明内容
本发明提供一种通过用金属氧化物浸渍吸收剂来增加多孔吸收材料的间隙孔体积的方法，这导致一种改进的吸收剂，该吸收剂可改变通过含有改进的吸收剂的卷烟过滤嘴的主烟气流的特性或性能，例如，通过提高某些气态分子的吸收特性来达到。本发明的吸收剂可用于各种过滤应用中，包括诸如卷烟的吸烟物品中主烟气流的过滤。
在一个方面，本发明提供一种适用于吸烟物品的过滤元件，其包括浸渍有金属氧化物的多孔吸收材料。示例的吸收剂包括活性碳、分子筛、粘土、离子交换树脂、活性氧化铝、硅胶、海泡石以及它们的混合物。改进的吸收材料可用作为各种形式的过滤介质，包括粉末的、颗粒的、微粒的、纤维的和单块的。
金属氧化物中的金属可从以下组群中选择：碱金属、碱土金属、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB和IIB族的过渡金属，IIIA族元素、IVA族元素、镧系元素和锕类。金属氧化物的金属的典型实例包括：铁、铜、铈、锰、镁和锌。金属氧化物的前体通常呈金属盐或有机金属化合物的形式，其能够热分解而形成金属氧化物。较佳的金属氧化物是氧化铈。
浸渍在多孔吸收材料内的金属氧化物量可根据吸收材料所要求的特征来改变。根据金属氧化物和吸收剂的总重量，存在于吸收剂内的金属氧化物量通常至少约为2重量％，通常至少约为5重量％，更为经常地至少约为10重量％。在一个实施例中，多孔吸收材料包括这样的金属氧化物量，该量足以使吸收材料的间隙孔体积增加至少25％。
在另一方面，本发明提供为吸烟物品制备过滤元件的方法，该方法包括：(i)用金属氧化物或金属氧化物前体浸渍多孔的吸收材料，以形成浸渍过的吸收材料；(ii)如果步骤(i)导致用金属氧化物前体浸渍，那么，煅烧该浸渍过的吸收材料一段时间，并在足以使金属氧化物前体转换为相应金属氧化物的温度下煅烧，以便提供浸渍有金属氧化物的多孔吸收材料；以及(iii)将浸渍有金属氧化物的多孔吸收材料包含到吸烟物品的过滤元件内。浸渍步骤例如可通过用液体成分处理多孔吸收材料来完成，所述液体成分包括液体载体(例如，水)和金属氧化物或金属氧化物前体。
在本发明的另一方面，提供包括有本发明改进过的吸收剂的卷烟过滤嘴，诸如包括定位在纤维素过滤嘴材料两个部分之间的空穴，以及定位在空穴内并呈颗粒形式的吸收剂的卷烟过滤嘴。或者，卷烟过滤嘴的纤维素过滤嘴材料的至少一个部分可包括改进过的吸收剂，其呈颗粒形式嵌入在纤维素过滤嘴材料内。还提供了包括含有改进过的吸收材料的过滤嘴的吸烟物品。
14.适用于吸烟物品中的过滤元件包括浸渍有至少约为2重量％的金属氧化物的多孔吸收材料，吸收材料具有至少约为0.1cc/g的总间隙孔体积，和至少为30％的间隙孔体积百分比。
附图说明
为了有助于理解本发明的实施例，现将参照附图，这些附图不一定要按比例绘出。附图仅是起示例作用而已，不应认为其限制本发明。
图1是具有卷烟形式的吸烟物品的分解立体图，示出卷烟的可吸烟的材料、包裹材料部件以及过滤元件；
图2是根据本发明一个实施例的包括吸收材料的过滤元件的剖视图；以及
图3是根据本发明另一个实施例的包括吸收材料的过滤元件的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图，较完整地描述本发明。本发明可以许多不同形式来实现，不应认为局限于这里所阐述的实施例；相反，提供这些实施例，是为了使得本发明将满足适用的法律要求。相同的附图标记表示相同的元件。如本说明书和权利要求书中所使用的，单数形式的冠词“一”、“一个”和“所述”包括复数指示物，除非文中另有清楚地表示。
本发明提供改进的、多孔吸收材料，该种材料对于某种气态类的卷烟主烟气流显现出高的过滤效率。本发明的多孔吸收材料用金属氧化物浸渍。多孔吸收材料可直接用金属氧化物材料浸渍，或用金属氧化物前体材料浸渍，金属氧化物前体随后进行煅烧而形成要求的金属氧化物。
吸收材料的孔内存在有金属氧化物，被认为可提高某些分子的气态过滤特性，这至少部分地是由于吸收材料内孔大小的分布有了变化。用金属氧化物浸渍多孔吸收材料，导致间隙孔体积的增大和大空隙体积的减小，以及BET表面面积的增大。
本文中使用术语“间隙孔”与LUPAC分类相一致，意味着孔的宽度在2nm和50nm之间。大空隙是宽度大于50nm的任何孔。小空隙是宽度小于2nm的孔。参见小Rouquerol等人(1994)的“Pure Appl.Chem(纯应用化学)”66，1976出乎意料的是，发现增大间隙孔的体积可提高各种气态分子的吸收效率，甚至是相对小的分子的吸收效率。
加载在总的BET表面面积上的金属氧化物的效果和基于孔大小的BET表面面积的分布，将根据所用金属氧化物量、未改进的吸收材料的类型和BET表面面积特性等变化。然而，根据本发明的浸渍过的吸收材料通常的总间隙孔体积至少约为0.1cc/g，更为经常的是至少约为0.2cc/g，最为常见的是至少约为0.3cc/g。通常地，总间隙孔体积小于约2.0cc/g，经常地小于约1.0cc/g，最为常见的是小于约0.7cc/g。改进过的吸收材料通常的作为间隙孔存在的总的孔至少约为30％的体积百分比，较为常见的是至少约为40％，最为常见的是至少约为50％。通常地，间隙孔体积百分比小于约95％，经常小于约90％，最常见的小于约85％。间隙孔百分比的示例范围约为60％至约95％，较为经常的是约为80％至约90％。
用金属氧化物浸渍吸收材料还导致总BET表面面积增大。根据本发明浸渍的吸收材料通常的总BET表面面积至少约为200m2/g，经常地至少约为250m2/g，且最为常见的是至少约为300m2/g。表面面积和间隙孔体积范围很大地依赖于吸收材料的类别，例如，活性碳、沸石，或活性氧化铝。这些范围还依赖于金属氧化物的处理类型。一般地说，用单一金属氧化物或金属氧化物前体进行的单一处理，使间隙孔体积和间隙孔表面面积至少提高约25％。如果需要进一步提高，则可反复地处理。可使用Brunauer，Emmet和Teller(BET)方法来确定孔体积(总的孔、大孔、间隙孔和小孔)和表面面积(总的孔、大孔、间隙孔和小孔)，J.美国化学协会(Amer.Chem.Soc.)卷60(2)，第309-319页(1938)描述了该种方法。
涂覆在多孔吸收材料上的金属氧化物或金属氧化物前体可以变化。某些示例的金属氧化物是含有金属的化合物，其能够直接与吸烟物品产生的主烟气流的一种或多种气态组分反应，或者催化包含主烟气流的气态成分的反应，或两种方式兼而有之。在授予Banerjee等人的US2007/0215168中，描述了铈氧化物的使用，本文以参见方式引入该专利的全部内容。另外的含有金属的化合物描述在以下的专利中：授予McCormick的美国专利6,503,475；授予McCormick的6,503,475，授予Li等人的7,011,096；以及授予Billiet等人的美国专利公开2002/0167118；授予Yadav等人的2002/0172826；授予Lee等人的2002/0194958；授予小Lilly等人的2002/014453；授予Bereman等人的2003/0000538；以及授予Banerjee等人的2005/0274390，本文以参见方式引入该专利的全部内容。
金属氧化物前体可以是可热分解形成金属氧化物的任何前体化合物。示例的催化剂前体包括金属盐(例如，金属柠檬酸盐、氢化物、硫醇盐、氨基化合物、硝酸盐、硝酸铵、碳酸盐、氰酸盐、硫酸盐、溴化物、氯化物，以及它们的氢氧化物)，以及包括键合到有机基团的金属原子的金属有机化合物(例如，醋酸盐、醇盐、β-二酮盐、羧酸盐和草酸盐)。授予Gedevanishvili等人的US2007/0251658揭示了各种可用于本发明的催化剂前体，本文以参见方式引入该专利的全部内容。
金属氧化物或金属氧化物前体化合物的金属组分的实例包括但不限于：碱金属、碱土金属、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB和IIB族的过渡金属，IIIA族元素、IVA族元素、镧系元素和锕类。特殊的示例金属元素包括：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Y、Ce、Na、K、Cs、Mg、Ca、B、Al、Si、Ge和Sn。
用于本发明的金属氧化物化合物的实例包括：氧化铁、氧化铜、氧化锌和氧化铈。示例的金属氧化物前体包括：硝酸铁、硝酸铜、硝酸铈、硝酸铵铈、硝酸锰、硝酸镁、硝酸锌和它们的氢氧化物。可采用多个金属氧化物和/或金属氧化物前体的组合。金属氧化物或金属氧化物前体化合物的颗粒大小可变化，但通常在约1nm至约1微米之间。
施加到吸收材料上的金属氧化物或金属氧化物前体的量可以变化，例如，根据改进的吸收材料所需要的表面面积和孔尺寸特性来变化。所用金属氧化物或金属氧化物前体的量应足以提供最后的金属氧化物含量，使该金属氧化物含量增加吸收材料的BET表面面积和间隙孔体积。可通过单一处理金属氧化物和/或金属氧化物前体，或通过多重处理金属氧化物和/或金属氧化物前体，来实现所要求的间隙孔表面面积和体积的提高。通常地，添加到吸收材料上的金属氧化物或金属氧化物前体的量，可根据金属氧化物或前体和吸收材料的总重量，表达为至少约2重量％，通常至少约为5％或至少约10％，更为经常的是至少约30％，最为经常的是至少约40％或至少约50％。金属氧化物或前体的量通常小于约99重量％，经常小于约80％，且最为经常的是小于60％。
多孔的吸收材料可以是具有相对高的表面面积的任何吸收材料，其能够以高度专一性或不以高度专一性吸收烟气中的成分。吸收材料的类型包括含碳材料(例如，活性碳)、分子筛(例如，沸石和碳分子筛)、粘土、离子交换树脂、活性氧化铝、硅胶、海泡石和它们的混合物。可采用具有改变通过吸烟物品过滤元件的主烟气流的特性和性质的能力的任何吸收材料或材料混合物，而不脱离本发明的范围。如果吸收材料不是固有地为多孔的，则可使用行内公知的方法处理吸收材料来提高孔隙率。
在根据本发明进行改进之前，示例的金属氧化物(铝和钛)吸收材料的表面面积大于约50m2/g，经常为大于约100m2/g，更常见为大于约150m2/g，该表面面积采用BET方法来确定。示例的活性碳在改进之前具有的表面面积大于约800m2/g，经常为大于约1200m2/g，更常见为大于约1300m2/g。
用作为吸收剂的示例的含碳材料可从合成的或天然的源头得到。诸如人造纤维或尼龙之类的材料可以被碳化，其后用氧气处理而提供含碳活性材料。诸如木材和椰子壳之类的材料可以被碳化，其后用氧气处理而提供含碳活性材料。通过碳化或热解含沥青的煤、烟草材料、软木纸浆、硬木纸浆、椰子壳、杏仁壳、葡萄籽、胡桃壳、澳洲坚果壳、木棉纤维、棉纤维、棉绒等，可提供较佳的含碳材料。合适的含碳材料的实例是可从卡尔根公司(Calgon Corp.)以PCB和GRC-11购得，或从PICA以G277购得的基于活性的椰子壳的碳，可从卡尔根公司(Calgon Corp.)以S-Sorb、Sorbite、BPL、CRC-11F、FCA和SGL购得的煤基的碳，可从Westvaco公司以WV-B、SA-20和BSA-20购得的木炭基的碳，可从Calgon Corp.以HMC、ASC/GR-1和SC II购得的含碳材料，可从罗姆和哈斯公司(Rohm and Haas)购得的Witco Carbon(维特科碳)637号、AMBERSORB 572或AMBEERSORB 563树脂，可从卓越系统公司(Prominent Systems，Inc.)购得的各种活性碳材料。其它的含碳材料在以下专利中有描述：授予White等人的美国专利4,771,795、授予Clearman等人的5,027,837；以及欧洲专利申请236,992；419,733和419,981。
较佳的含碳材料是椰子壳型的活性碳，其可从以下的源头购得：卡尔根碳公司(Calgon Carbon Corporation)，戈瑞仙卡化学公司(Gowrishankar Chemical)，活性碳公司(Carbon Activated Corp.)以及通用碳公司(General Carbon Corp.)。一般地，碳具有约60至约150的四氯化碳活性(即，四氯化碳吸收的重量百分比)。例如还可参见“Activated CarbonCompendium，Marsh(活性碳目录，马什)”(Ed)(2001)，本文以参见方式引入其内容。
某些含碳材料可用如下物质浸渍：过渡金属(例如，银、金、铜、铂和钯)，碳酸氢钾、烟草萃取物、聚乙烯、二氧化锰、丁香酚和4-酮酸。碳的组分还可包括一个或多个填料，例如，粗面粉。葡萄籽萃取物也可纳入到含碳材料中作为自由基团清除剂。
适于纳入到卷烟过滤嘴内的各种类型的木炭和活性碳材料、各种其他的过滤元件成分材料、各种类型的卷烟过滤元件结构和格式，以及将各种含碳材料纳入到卷烟过滤元件内的各种方式和方法，均阐述在以下专利中：授予Berger等人的美国专利3,217,715；授予Berger等人的3,648,711；授予Sexstone的3,957,563；授予Hall的4,174,720；授予Neukomm的4,201,234；授予Lebert的4,223,597；授予Perfetti等人的5,137,034；授予Blakley等人的5,360,023；授予Gentry等人的5,568,819；授予Arterbery等人的5,622,190；授予Veluz的6,537,186；授予Xue等人的6,584,979；授予Jupe等人的6,761,174；授予PaineIII的6,789,547；授予Bereman的6,789,548；以及授予Zhuang等人的7,370,657；授予Jupe等人的美国专利申请公开2002/0166563；授予Xue人的2002/0020420；授予Xue等人的2003/0200973；授予Paine等人的2003/0154993；授予Xue等人的2003/0168070；授予Zhuang等人的2004/0194792；授予Yang等人的2004/0226569；授予Figlar等人的2004/0237984；授予Luan等人的2005/0133051；授予Buhl等人的2005/0049128；授予Crooks等人的2005/0066984；授予Luan等人的2006/0144410；授予Paine，III等人的2006/0180164；以及授予Coleman，III等人的2007/0056600；授予White的欧洲专利申请579410；授予Jung等人的EP 913100；授予Banerjea等人的PCT WO 2006/064371；授予Tennison等人的WO 2008/043982；授予White等人的WO 2007/104908；授予Cashmore等人的WO 2006/103404；以及授予Branton等人的WO 2005/023026；本文以参见方式引入它们。具有包括含碳材料的过滤元件的代表类型的卷烟，是由佛罗里达州的菲利普莫里斯公司(Philip Morris Inc.)出售的“本生&树篱(Benson & Hedges)多过滤嘴”卷烟，在2005年，作为菲利普莫里斯公司(Philip Morris Inc.)的市场试销的商标“马尔伯勒极顺(Marlboro Ultra Smooth)”，并作为日本烟草公司(Japan Tobacco Inc.)的“野七(Mild Seven)”卷烟。烧结或发泡的碳材料(例如，参见授予Haftka等人的美国专利7,049,382)或集拢的卷材(例如，参见授予Robinson等人的美国专利申请公开US2008/0092912，以及授予Coleman，III等人的US 2007/0056600)也可用于本发明中。
以合适的形式使用吸收材料。例如，吸收材料具有一定的形式，其特征为粉末状、颗粒状、纤维、微粒、单块等。典型的颗粒大小大于约10目，经常为大于约20目，最常的是大于约30目。典型的微粒大小为小于约400目，经常为小于约300目，最常的是小于约200目。术语“颗粒”和“微粒”是用来包括非球形的颗粒和球形的颗粒，诸如PCT WO 03/059096A1中所述的所谓“碳珠子”，本文以参见方式引入该专利。
金属氧化物或金属氧化物前体(下文中统一称为“金属化合物”)浸渍在多孔吸收材料内的方式可以改变。可采用任何导致金属氧化物或金属氧化物前体渗透到吸收材料孔体积内的涂覆或浸渍技术。通常地，是用液体组分浸泡涂覆或喷溅涂覆多孔的吸收剂，该液体组分包括液体载体和呈颗粒状的金属化合物(即，悬浮液或溶液)。可用作为液体载体的溶剂实例包水(例如，去离子水)、戊烷、己烷、环己烷、二甲苯、矿物油精、酒精(甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和丁醇)以及它们的混合物。可将稳定剂添加到悬浮液或溶液中，稳定剂诸如醋酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化铵以及某些其它有机化合物。或者，金属化合物可以干粉形式施加到多孔吸收剂的表面上，例如，在有粉末金属化合物的情况下，通过搅拌或振动多孔的吸收剂来进行施加。
为了促进均匀的浸渍，金属化合物通常溶解在等于吸收剂孔体积的溶剂体积内。金属化合物溶液与吸收剂彻底混合并使其浸渍在真空腔室内，在室温下持续约两小时。
多孔吸收材料涂覆之后，如果有必要的话，可使涂覆材料干燥而除去多余的溶剂，例如，通过将涂覆材料加热到中等温度(例如，100-150℃)，加热时间应足以实现理想的干燥(例如，约为1至约10小时)。
在可选的干燥步骤之后，如果用金属氧化物前体浸渍吸收材料，则涂覆的材料可经受煅烧加热处理，而将金属氧化物前体转换为氧化物形式。如本文中所使用的煅烧是指应用到固体材料的热处理过程，以便实现热分解和/或从固体材料中除去挥发性馏分。或者，吸收材料可用于浸渍的金属氧化物前体，而不将前体转换为对应的氧化物。
煅烧处理的时间和温度可变化，且至少部分地根据前体的分解温度变化。一般地，煅烧发生的温度在约150℃至约600℃之间。在某些实施例中，煅烧处理温度至少约为250℃，更经常地至少约为275℃，且最为经常地至少约为300℃。然而，煅烧处理并不要求极高温度的处理。例如，温度特征可以是低于活性碳的蒸汽活化所用的温度。因此，煅烧温度可低于约600℃，更为经常地是低于约550℃，最经常地是低于约500℃。
煅烧处理步骤的长度可变化，但通常约在0.50小时和约24小时之间，更为经常地是在1小时和约18小时之间，且最为经常地是在2小时和约10小时之间。热处理步骤通常持续至少约1小时，更为经常地是至少约1.5小时，且最为经常地是约2小时。
煅烧期间涂覆的碳材料所暴露的气氛可变化，但通常是空气或诸如氮气、氩气和氦气之类的惰性气体。在煅烧过程的某些实施例中，气氛可以描述为是干的，这意味着，煅烧过程中的气氛湿度小于约5重量％，根据煅烧过程中顶端空间内的总重量而定。本发明的方法中不需要蒸汽，某些煅烧处理实施例可描述为在没有蒸汽的情况下进行。
此后，处理过的吸收材料可被用作为诸如卷烟的吸烟物品过滤元件内的吸收剂。处理过的吸收剂可以行内公知的任何方式纳入到过滤元件内。例如，吸收材料可按如下方式纳入过滤元件内，即，放入纸或其它片状材料内(例如，集拢起来、剪断的或其它方式构造的纸样材料的纵向设置的段)、放入过滤嘴空腔段内(例如，如图2所示的三段或节的过滤元件的中心空腔区域内的微粒或颗粒)、或分散在过滤嘴材料内(例如，以微粒或颗粒分散在全部的过滤嘴束或集拢的无纺织物材料内，如图3所示)作为纵向多段过滤元件的一段。吸收材料可分散在包裹过滤元件的包卷材料内，或吸收材料可以插入或编织在过滤嘴材料部分内的细丝形式使用。
本发明的过滤元件包括有效量的改进过的吸收材料。该有效量是指这样的定量，即当其纳入到过滤元件内时，它使包含该过滤元件的卷烟主烟气流有要求的一定程度的变化。例如，根据本发明的包含吸收剂微粒或颗粒的卷烟过滤元件可起到降低通过该过滤元件的主烟气流中产生的某些气态组分。一般地，过滤元件内的吸收材料量至少约为20mg，经常地至少约为30mg，且最为经常地至少约为40mg(按照干重计算)。通常地，过滤元件内的吸收材料不超过约500mg，一般不超过约400mg，经常地不超过约300mg，且最为经常地不超过约200mg(按照重计算)。
包括本发明改进过的吸收剂的过滤元件可用于各种吸烟物品。参照图1，图中示出示例的吸烟物品10，其呈卷烟形式并具有本发明吸烟物品的某些代表性的部件。卷烟10包括大致圆柱形的烟杆12，烟杆12装有或卷有可吸烟的填料材料，该填料材料被包卷在包裹材料16内。烟杆12传统上被称之为“烟草杆”。烟草杆12的端部敞开而露出可吸烟的填料。卷烟10显示为具有施加到包裹材料16上的选配的带子22(例如，印刷的涂层，包括形成薄膜的试剂，诸如淀粉、乙基纤维素或海藻酸钠)，该带子沿横向于卷烟纵向轴线的方向围绕卷烟杆。即，带子22提供相对于卷烟纵向轴线的横向方向区域。带子22可印刷在包裹材料的内表面上(即，面向可吸烟的填料)，或欠佳地，印刷在包裹材料的外表面上。尽管卷烟可具有带有选配的带子的包裹材料，但卷烟也可具有带有数量为两个、三个或更多个间距开的选配的带子的包裹材料
在烟草杆12的一端是点火端18，过滤元件26定位在嘴端20。过滤元件26定位在靠近烟草杆12的一端，使过滤元件和烟草杆以端对端关系轴向地对齐，最好是彼此对接。过滤元件26可具有大致圆柱形的形状，其直径可基本上等于烟草杆的直径。过滤元件26端部允许空气和烟气通过其中。过滤元件26沿着其外圆周或纵向外围被一层外部虑棒成型纸28包围。
通气的或空气稀释的吸烟物品可设有选配的空气稀释装置，诸如一系列的穿孔30，每个穿孔延伸通过接装材料40(如图2所示)和虑棒成型纸28。可供选择的穿孔30可用本技术领域内技术人员公知的各种技术穿孔，诸如激光穿孔技术。或者，可使用所谓的离线的空气稀释技术(例如，利用多孔的纸插入包卷和预打孔的接装纸)。
如图2所示，使用接装材料40(例如，基本上空气不可渗透的接装纸)将过滤元件26附连到烟草杆12，接装材料40包围过滤元件26的全部长度和烟草杆12的临近区域。使用合适的粘结剂，将接装材料40的内表面固定地固定到虑棒成型纸28的外表面以及烟草杆的包裹材料16的外表面，因此，过滤元件和烟草杆互相连接在一起。
过滤元件26包括内腔32，内腔32包括颗粒吸收剂34。内腔32形成在两段过滤嘴材料之间(例如，两段塑化的醋酸纤维素束)，即，嘴端段36和烟草端段38之间。或者，吸收剂不放在内腔内，过滤元件26可包括过滤嘴材料38的烟草端的段，该段具有分散在其中吸收剂34，如图3所示。
在使用过程中，吸烟者用火柴或卷烟打火机点燃卷烟10的点火端18。这样，可吸烟材料12开始燃烧。卷烟10的嘴端20放置在吸烟者的嘴唇上。燃烧可吸烟材料12产生的热分解产物(例如，烟草烟气成分)通过烟草杆12、通过过滤元件26吸入吸烟者的嘴内。在抽吸过程中，主烟气流中的某些气态组分量从主烟气流中除去，或被过滤元件26内的吸收材料34中和。包括这种吸收材料34的过滤嘴具有捕捉烟草各种主烟气流中蒸发态组分的能力。
代表性卷烟10的尺寸可变化，较佳的卷烟呈杆形，并可具有约7.5mm的直径(例如，周长约为20mm至约27mm，经常地约为22.5mm至约25mm)；且总长可约为70mm至约120mm的，经常地约为80mm至约100mm。过滤元件26长度可变化。典型过滤元件的长度可约为15mm至约65mm，经常地约为20mm至约40mm。
代表性的过滤嘴材料可由纤维束材料(例如，醋酸纤维素或聚丙烯)或集拢的卷材(例如，纸、再构的烟草、醋酸纤维素、聚丙烯或聚酯的集拢卷材)制成。尽管本发明的过滤元件包括一种或多种部分的塑化纤维束材料，但也可存在有包括其他过滤材料的附加的过滤嘴段，而不脱离本发明范围。本发明过滤元件内的过滤嘴段数可以变化。在某些实施例中，过滤元件可包括2-5段的塑化过滤嘴材料。
用于多段过滤的卷烟的过滤元件的过滤元件成分或节段，通常由过滤嘴杆提供，可使用传统类型的杆形成单元来生产过滤嘴杆，杆形成单元诸如由豪尼沃克考博有限两合公司(Hauni-Werk Korber & Co.KG)出品的KDF-2和KDF-3E那样的产品。一般地，使用纤维束处理单元来提供诸如过滤嘴束的过滤嘴材料。示例的束处理单元可作为由国北卡罗莱纳州温斯顿赛伦市的亚加设备公司(Arjay Equipmenty Corp.)供应的E-60产品在市场上购得。其他示例的束处理单元可在市场上购得作为由豪尼沃克考博有限两合公司(Hauni-Werk Korber & Co.KG.)出品的AF-2、AF-3和AF-4A之类产品在市场上购得。此外，操作过滤嘴材料供应单元和过滤嘴制造单元的代表性方式和方法阐述在以下专利中：授予Byrne的美国专利4,281,671；授予Green，Jr.等人的4,862,905；授予Siems等人的5,060,664；授予River的5,387,285；以及授予小Lanier等人的7,074,170。将过滤嘴材料供应到过滤嘴杆形成单元的其它类型的技术阐述在以下专利中：授予Pryor等人的美国专利4,807,809；以及授予Raker的5,025,814；本文以参见方式引入它们。
多段过滤嘴杆可用于具有多段过滤元件的过滤嘴卷烟的生产中。两段过滤元件的实例是具有第一圆柱形段和第二圆柱形段的过滤元件，第一圆柱形段在一端处包括分散在醋酸纤维素束内或全部的醋酸纤维素束的活性木炭颗粒(例如，“达尔马”型的过滤嘴段)，第二圆柱形段由另一端的过滤嘴杆产生，该过滤嘴杆主要由塑化的醋酸纤维素束过滤嘴材料形成。过滤元件还可具有所谓的“修补过滤嘴”形式，并具有包括含碳材料的段。代表性类型的过滤嘴设计和成分，包括代表性类型的分段的卷烟过滤嘴，在下面的专利中有阐述：授予Lawrence等人的美国专利4,920,990；授予Thesing等人的5,012,829；授予Raker的5,025,814；授予Jones等人的5,074,320；授予White等人的5,105,838；授予Arzonico等人的5,271,419；授予Blakley等人的5,360,023；授予Gentry等人的5,396,909；授予Banerjee等人的5,718,250；授予Jupe等人的美国专利申请公开2002/0166563；授予Dube等人的2004/0261807；授予Crooks等人的2005/0066981；授予Woodson的2006/0090769；授予Zhang等人的2006/0124142；授予Mishra等人的2006/0144412；授予Belcastro等人的2006/0157070；以及授予Coleman，III等人的2007/0056600；授予Kim的PCTWO 03/009711；以及授予Xue等人的PCT WO 03/047836，本文以参见方式引入它们。
多段过滤元件通常由所谓的“六段式”过滤嘴杆、“四段式”过滤嘴杆和“二段式”过滤嘴杆提供，它们是传统用于过滤嘴卷烟制造的一般格式和构造，可使用传统类型或合适改进过的卷烟杆加工装置进行加工，诸如由豪尼沃克考博有限两合公司(Hauni-Werk Korber & Co.KG)出品的型号为Lab MAX、MAX、MAX S或MAX 80的接装装置。例如可参见以下专利中阐述的各种类型的装置：授予Erdmann等人的美国专利3,308,600；授予Heitmann等人的4,281,670；授予Reuland等人的4,280,187；授予Green，Jr.等人的4,850,301；以及授予Vos等人的6,229,115；以及授予Holmes的美国专利申请公开2005/0103355；授予Read，Jr.的2005/1094014；以及授予Draghetti的2006/0169295；本文以参见方式引入各专利。
本发明的过滤元件可纳入到以下专利中所阐述的各种类型的卷烟内：授予Clearman等人的4,756,318；授予Banerjea等人的4,714,082；授予White等人的4,771,795；授予Sensabaugh等人的4,793,365；授予Clearman等人的4,989,619；授予Clearman等人的4,917,128；授予Korte的4,961,438；授予Serrano等人的4,966,171；授予Bale等人的4,969,476；授予Serrano等人的4,991,606；授予Farrier等人的5,020,548；授予Shannon等人的5,027,836；授予Clearman等人的5,033,483；授予Schlatter等人的5,040,551；授予Creighton等人的5,050,621；授予Baker等人的5,052,413；授予Lawson等人的5,065,776；授予Nystrom等人的5,076,296；授予Farrier等人的5,076,297；授予Clearman等人的5,099,861；授予Drewett等人的5,105,835；授予Banes等人的5,105,837；授予Hauser等人的5,115,820；授予Best等人的5,148,821；授予Hayward等人的5,159,940；授予Riggs等人的5,178,167；授予Clearman等人的5,183,062；授予Shannon等人的5,211,684；授予Deevi等人的5,240,014；授予Nichols等人的5,240,016；授予Clearman等人的5,345,955；授予Casey，III等人的5,396,911；授予Riggs等人的5,551,451；授予Bensalem等人的5,595,577；授予Meiring等人的5,727,571；授予Barnes等人的5,819,751；授予Matsuura等人的6,089,857；授予Beven等人的6,095,152；授予Beven的6,578,584号美国专利；授予Crooks等人的US 2007/0215167；以及授予Robinson等人的US2008/00092912号美国专利申请；本文以参见方式引入它们。例如，本发明的过滤元件可包括在市场上出售的各种类型卷烟内，这些卷烟是R.J.雷诺兹烟草公司(R.J.Reynolds Tobacco Company)出品的牌子名为“普勒米尔(Premier)”和“艾里普斯(Eclipse)”的卷烟。例如可参见以下文献中所描述类型的卷烟：“Chemical and Biological Studies on New Cigarette Prototypes that Heat Instead of Burn Tobacco(对加热替代燃烧式新型卷烟原型的化学和生物研究)”，R.J.Reynolds Tobacco Company Monograph(R.J.雷诺公司专著)(1988)和“Inhalation Toxicology(吸入毒理学)”，12：5，第1-58页(2000)；本文以参见方式引入它们。
卷烟杆通常使用制烟机制造，诸如传统的自动卷烟杆制造机。示例的卷烟杆制造机通常是市场上由莫林斯股份有限公司(Molins PLC)或豪尼沃克考博有限两合公司(Hauni-Werke Korber & Co.KG)出品的类型。例如，可使用称之为MkX(由莫林斯股份有限公司(Molins PLC)出品)或PROTOS(由豪尼沃克考博有限两合公司(Hauni-Werke Korber & Co.KG)出品)的卷烟杆制造机。授予Brand等人的美国专利4,474,190中，第5栏第48行至第8栏第3行提供了对PROTOS制烟机的描述，本文以参见方式引入该专利。适用于卷烟制造的设备类型还阐述在以下专利中：授予La Hue的美国专利4,781,203；授予Holznagel的4,844,100；授予Gentry的5,131,416；授予Holmes等人的5,156,169；授予Myracle Jr.等人的5,191,906；授予Blau等人的6,647,870；授予Kitao等人的6,848,449；以及授予Kitao等人的6,904,917；以及授予Hartman的美国专利公开2003/0145866；授予Hancock等人的2004/0129281；授予Barnes等人的2005/0039764；以及授予Fitzgerald等人的2005/0076929；本文以参见方式引入各个专利。
传统的自动制烟机的部件和操作对于制烟机设计和操作行业内的技术人员来说是易于明白的。例如，有关好几种类型的烟道、烟草填料供应设备、抽吸传送机系统和装饰系统的部件和操作的描述，阐述在以下专利中：授予Molins等人的3,288,147；授予Heitmann等人的3,915,176；授予Frank的4,291,713；授予Rudszinat的4,574,816；授予Heitmann等人的4,736,754；授予Pinck等人的4,878,506；授予Heitmann的5,060,665；授予Keritsis等人的5,012,823；以及授予Fagg等人的6,360,751号美国专利；以及授予Muller的美国专利公开2003/0136419；本文以参见方式引入各个专利。本文所阐述类型的自动制烟机提供成形的连续的卷烟杆或可吸烟的杆，其可再分割成要求长度的成形的可吸烟的烟杆。
可使用各种类型的卷烟成分，其包括烟草类型、烟草混合物、顶部敷料和包装材料、混合包装密度以及烟草杆的纸包裹材料的类型，例如，参见各种代表性类型的卷烟部件以及各种卷烟设计、格式、结构和特征，它们在以下文献中有阐述：“Development of Cigarette Components to Meet Iindustry Needs(满足工业需求的卷烟部件发展，52期T.S.R.C.(1998年9月)”；授予Jakob等人的美国专利5,101,839；授予Arzonico等人的5,159,944；授予Gentry的5,220,930；以及授予Kraker的6,779,530；授予Ashcraft等人的美国专利公开2005/0016556；授予Nestor等人的2005/0066986；授予Fitzgerald等人的2005/0076929；以及授予Coleman，III等人的2007/0056600；授予Thomas等人的2006年3月14日提交的美国专利申请序列号第11/375,700；以及授予Oglesby的2006年4月21提交的11/408,625；本文以参见方式引入各个文献。还可参见授予Dube等人的美国专利公开2008/0029111中所阐述的接装材料和结构；本文以参见方式引入它。
对于空气稀释或通气的本发明的卷烟，空气稀释或通气量或程度可变化。经常地，空气稀释的卷烟的空气稀释量大于约10％，一般地大于约20％，经常地大于约30％，有时大于约40％。典型的是，空气稀释的卷烟的空气稀释量上限小于约80％，经常地是小于约70％。如本文中所采用的，术语“空气稀释”是抽吸通过空气稀释装置的空气体积对总体积和抽吸通过卷烟并流出卷烟最后嘴端部分的空气和烟雾浮质之比。
本发明较佳的卷烟显现理想的抽吸阻力。例如，示例的卷烟在17.5立方厘米/秒气流情况下显现出的压降在约50和约200mm水柱压降之间。在17.5立方厘米/秒气流下，较佳的卷烟显现出介于约60mm和约180mm水柱之间的压降值，更加较佳地是约在70mm至约150mm水柱之间的压降值。典型的是，使用由菲尔特罗纳格林斯博罗公司(Filtrona Instruments and Automation Ltd.)出品的菲尔特罗纳卷烟测试工位(Filtrona Cigarette Test Station)(CTS系列)来测量卷烟的压降值。
本发明的卷烟在吸烟时产生可接受数量的喷烟。当在FTC吸烟条件下机器进行吸烟时，这种卷烟通常每支卷烟提供大于约6次喷烟，一般地大于约8次喷烟。当在FTC吸烟条件下进行吸烟时，这种卷烟通常每支卷烟提供少于约15次喷烟，一般地少于约12次喷烟。FTC吸烟条件由58秒闷烧隔开的2秒时间的35ml的喷烟组成。
本发明的卷烟在吸烟时得到主烟气浮质。每支卷烟产生的主烟气浮质量可变化。当在FTC吸烟条件下进行吸烟时，示例的卷烟产生FTC“焦油”的量，通常至少约为1mg，经常地至少约为3mg，最为经常地至少约为5mg。当在FTC吸烟条件下进行吸烟时，示例的卷烟产生的FTC“tar”的量，通常不超过约20mg，经常地不超过约为15mg，最为经常地不超过约为12mg。
此外，尽管本发明的改进的吸收材料被描述为用于吸烟物品过滤嘴中，但本发明的吸收材料也可用于其它气体或液体过滤的应用中，而不会脱离本发明的范围，例如，水过滤、溶剂萃取、HVAC过滤、金子回收等。
实验
本发明可用以下实例完整地加以说明，阐述这些实例是用来说明本发明，不应认为限制本发明。
实例1
γ-氧化铝的颗粒(费歇尔科学公司(Fisher Scientific))在研钵杵内研磨，并收集-30+80US目的部分。颗粒用去离子水清洗并在120℃下干燥过夜。接下来，约15g的六水合硝酸铈(阿尔法埃塞公司(Alfa Aesar))溶解在15ml的水中，生成的溶液通过均质地浸渍，添加到24g的(-30+80)US目的γ-氧化铝。浸渍的试样在120℃温度下干燥过夜，其后在500℃温度下煅烧两个小时。煅烧过程使六水合硝酸铈转换为氧化铈，并可认为不可逆地使化合物脱水。
表1示出在氧化铝的BET表面面积上的六水合硝酸铈处理的效果。用氧化铝与硝酸铈进行的单一处理导致BET表面面积增加26.7％，而孔平均宽度减小28.8％。可以认为，表面面积的增加连同孔宽度的减小将导致吸收能力的增加。
表1
用硝酸铈处理的γ-氧化铝的BET分析
Figure BPA00001373634800171
实例2
通过在45/40/2吸烟状态(即，45cc喷烟体积；喷烟间隔40秒；以及喷烟时间2秒)下，抽吸肯塔基参考卷烟(Kentucky Reference Cigarette)(即，2R4F卷烟)，让蒸发态的主烟气流通过包含约25mg实例1的改进氧化铝材料的床，由此确定氧化铈处理的氧化铝对某些蒸发态化合物的除去效率的影响。为了控制，该床含有25mg未改进的氧化铝。蒸气态的化合物用GC/MS识别和量化。
使用氧化铈改进的氧化铝可导致比未加处理的控制少约29.9％的2-甲基-1-丙烯。氧化铈改进的氧化铝还导致约少29.7％的正丁醛，约少19.3％的柠檬油精，约少13.0％的苯乙烯，约少12.9％的1，2-丙二烯，约少11.9％的2-甲基呋喃，以及约少10.3％的1-甲基吡咯。因此，用金属氧化物处理吸收材料可导致提高吸收各种气态分子，包括不饱和有机分子、杂环的分子、含羰基的分子等。
得益于以上描述的与本发明相关的技术领域内的技术人员，将会想到本发明的许多修改和其它的实施例；且行内的技术人员将会认识到，本发明还可作出各种变化和修改而不脱离本发明的范围或精神。因此，可以理解到，本发明不局限于所公开的具体的实施例，且意欲将所作的修改和其它的实施例都包括在附后权利要求书的范围之内。尽管这里使用了具体的术语，但它们用于一般类属的，仅具有描述的含义而无限制的目的。

Claims (27)

1.一种适用于吸烟物品的过滤元件，所述过滤元件包括浸渍有金属氧化物的多孔吸收材料。
2.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述吸收剂选自以下的组群：活性碳、分子筛、粘土、离子交换树脂、活性氧化铝、硅胶、海泡石及其混合物。
3.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述吸收剂是活性碳或活性氧化铝。
4.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述多孔吸收材料包括至少约为2重量％的金属氧化物。
5.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述多孔吸收材料包括至少约为5重量％的金属氧化物。
6.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述多孔吸收材料包括至少约为10重量％的金属氧化物。
7.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述多孔吸收材料包括足以使吸收材料的间隙孔体积增加至少25％的金属氧化物量。
8.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述吸收材料呈颗粒形式。
9.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，还包括至少一部分的纤维束，其中，所述吸收材料分散在所述部分的纤维束内。
10.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，还包括形成在两部分纤维束之间的内腔，其中，所述吸收材料定位在所述内腔内。
11.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述多孔吸收材料浸渍有至少约为2重量％的金属氧化物，所述吸收材料的总间隙孔体积至少约为0.1cm3/g，且间隙孔体积百分比至少为30％。
12.如权利要求1至11中任一项所述的过滤元件，其特征在于，所述金属氧化物中的金属选自以下组群中：碱金属、碱土金属、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB和IIB族的过渡金属，IIIA族元素、IVA族元素、镧系元素和锕类。
13.如权利要求1至11中任一项所述的过滤元件，其特征在于，所述金属氧化物中的金属选自以下组群：铁、铜、铈、锰、镁和锌。
14.如权利要求1至11中任一项所述的过滤元件，其特征在于，所述金属氧化物是氧化铈。
15.一种吸烟物品，包括附连到烟草杆的如权利要求1至14中任一项所述的过滤元件。
16.一种制备用于吸烟物品的过滤元件的方法，所述方法包括：
(i)用金属氧化物或金属氧化物前体浸渍多孔吸收材料，以形成浸渍过的吸收材料；
(ii)如果步骤(i)导致用金属氧化物前体浸渍，则煅烧所述浸渍过的吸收材料一段时间，并在足以使所述金属氧化物前体转化为相应金属氧化物的温度下煅烧，以便提供浸渍有金属氧化物的多孔吸收材料；以及
(iii)将浸渍有金属氧化物的多孔吸收材料包含到吸烟物品的过滤元件内。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述浸渍步骤包括用液体成分处理所述多孔吸收材料，所述液体成分包括液体载体和金属氧化物或金属氧化物前体。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述液体载体是水。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤(i)导致用金属氧化物前体浸渍，且所述金属氧化物前体呈金属盐或有机金属化合物的形式，所述金属盐或有机金属化合物能够热分解而形成金属氧化物。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物前体选自以下组群：金属柠檬酸盐、金属氢化物、金属硫醇盐、金属氨基化合物、金属硝酸盐、金属硝酸铵盐、金属碳酸盐、金属氰酸盐、金属硫酸盐、金属溴化物、金属氯化物，金属醋酸盐、金属醇盐、金属β-二酮盐、金属羧酸盐和金属草酸盐以及金属氢氧化物。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物前体选自以下组群：硝酸铁、硝酸铜、硝酸铈、硝酸铵铈、硝酸锰、硝酸镁、硝酸锌及其氢氧化物。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多孔吸收材料包括至少约为2重量％的金属氧化物。
23.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多孔吸收材料包括至少约为5重量％的金属氧化物。
24.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多孔吸收材料包括至少约为10重量％的金属氧化物。
25.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多孔吸收材料包括足以使所述吸收材料的间隙孔体积增加至少25％的金属氧化物量。
26.如权利要求16至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物中的金属选自以下组群：碱金属、碱土金属、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB和IIB族的过渡金属，IIIA族元素、IVA族元素、镧系元素和锕类。
27.如权利要求16至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物是氧化铈。
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