CN102892317B - 环境可降解的香烟过滤嘴 - Google Patents
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Abstract
环境降解型香烟过滤嘴包括开松的醋酸纤维素丝束的过滤嘴元件和围绕所述过滤嘴元件的插入套。弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐被包封在与丝束接触的基质材料中。pH值经调节的无机酯盐具有的pH值小于或等于8。当香烟过滤嘴被丢弃在环境当中时，水释放出基质材料中的弱酸和酯盐。弱酸使酯水解释放出强酸。强酸催化醋酸纤维素丝束的降解(弱酸也水解醋酸纤维素丝束，但在产生强酸之后，强酸成为醋酸纤维素丝束降解的主导酸催化剂)。
Description
技术领域
本发明涉及环境降解型香烟过滤嘴。
背景技术
美国专利公开文本No.2009/0151738以引用的方式并入本文，其讲授了通过以下方式获得可降解的香烟过滤嘴：在一个实施方案中使醋酸纤维素烟用丝束与一种混合物接触，所述混合物为水溶性基质材料和弱有机酸同能被水解成强酸的化合物的组合的混合物。
确定能被水解成强酸的化合物有：硫酸纤维素、十二烷基硫酸盐、抗坏血酸-2-硫酸酯、抗坏血酸-2-磷酸酯、五氧化二磷、基于五氧化二磷的酯、硝酸纤维素、磷酸2-乙基己酯、以及它们的组合。这些化合物是强酸的酯，并且许多都是不稳定的(就是说，它们在相对短的时间段内会分解，从而使它们不能用于许多应用中)。因此，这些酯在商业上通常以酯的盐的形式提供。这些酯盐是稳定的，并且不会像它们的非盐形式那样随着时间的推移而降解。然而，它们的稳定性妨碍了它们在本申请中的使用。
因此，必须对能被水解成强酸的前述化合物进行改性，以使它们在本申请中的作用性更强(即，水解成强酸，所述强酸继而催化醋酸纤维素的降解)。
发明内容
环境降解型香烟过滤嘴包括开松的醋酸纤维素丝束的滤芯或称过滤嘴元件(filterelement)和围绕所述滤芯的插入套(plugwrap)。弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐被包封在与丝束接触的基质材料中。pH值经调节的无机酯盐具有的pH值小于或等于8。当将香烟过滤嘴丢弃到环境当中的时候，水释放基质材料中的弱酸和酯盐。弱酸将酯水解，释放出强酸。强酸催化醋酸纤维素丝束的降解(弱酸也水解醋酸纤维素丝束，但在产生强酸之后，强酸成为醋酸纤维素丝束降解的主导酸催化剂)。
对本发明的说明
环境降解型香烟过滤嘴一般包括由开松的醋酸纤维素丝束制成的过滤嘴元件(或称滤塞、滤芯)、围绕所述过滤嘴元件的插入套、以及包封在基质材料中的弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐。封装材料与丝束相接触。下面将对这些组成中的每一个进行更详细的讨论。
如本文所用，环境降解型香烟过滤嘴是指在接触室外环境(即，接触雨、露或其它水源)时会分解的香烟过滤嘴。降解程度最低应足以使全部或部分的醋酸纤维素(在香烟过滤嘴中，醋酸纤维素通常具有2.0-2.6的取代度(D.S.))转化成纤维素(D.S.≤1.0)，并且最高应足以使醋酸纤维素转化成葡萄糖。这种降解的时间比等量未经处理的醋酸纤维素分解的时间短，通常可以是几个月(例如2-6个月或更短)。
由开松的醋酸纤维素丝束和插入套制成的过滤嘴元件是常规的。醋酸纤维素丝束是D.S.在2.0至2.6范围内的二醋酸纤维素。随后按已知的方式使这些附着于香烟的烟草柱。
弱有机酸包括：抗坏血酸、柠檬酸、乳酸、烟酸、羟基琥珀酸(苹果酸)、以及它们的组合。抗坏血酸和柠檬酸是优选的。
pH值经调节的无机酯盐包括有机硫酸酯盐和有机磷酸酯盐。强酸的无机酯可能是不稳定的并易于分解，所以它们在本申请中的适用性可能会受到影响。因此，将这些酯以其盐的形式稳定化。然而，这些无机酯盐是如此地稳定，以至可能难于水解并释放出它们的强酸。如果无机酯盐经pH值调节，则会使其稳定性差些并易于水解。pH值经调节意味着无机酯盐的一些但非所有的金属部分(通常，钠或钾，但不限于此)是解离的(且因此无机酯盐溶液的pH值降低，即，酸性变得更强)。pH值调节应使pH值小于或等于8，或者使pH值在2.5-8范围内。在另一实施方案中，pH值可在3-7.5范围内。在另一实施方案中，pH值可在4-7范围内。在另一实施方案中，pH值可在5.3-7范围内。pH值越低，降解发生得越快；然而，如果pH值太低，则化合物的不稳定性可产生负面的影响。此外，可提供多强酸部分的有机化合物是优选的，因为当它们水解时会释放出更多的强酸。
有机硫酸酯盐包括但不限于：肌醇六硫酸酯六钾盐；蔗糖八硫酸酯八钠盐；纤维素硫酸酯盐；十二烷基硫酸酯盐；葡萄糖硫酸酯钠盐；抗坏血酸硫酸酯钠盐；月桂基硫酸酯钠盐；淀粉硫酸酯钠盐；辛基硫酸酯钠盐；以及它们的组合。
有机磷酸酯盐包括但不限于：肌醇六磷酸酯六钾盐；蔗糖磷酸酯二钠盐；葡萄糖磷酸酯二钠盐；抗坏血酸磷酸酯二钠盐；月桂基磷酸酯二钠盐；淀粉磷酸酯钠盐；2-乙基己基磷酸酯盐；辛基磷酸酯二钠盐；以及它们的组合。
pH值经调节的无机酯盐的量必须足以使所有或部分的醋酸纤维素丝束以快于同等未经处理的过滤嘴元件的速度降解。例如，在本发明的一个实施方案中，降解的时间可以是2-6个月。pH值经调节的无机酯盐的量将取决于例如：过滤嘴元件中的醋酸纤维素重量、所需的过滤嘴元件降解时间和选定的pH值经调节的无机酯盐(仅举几例)。
例如，如果目标降解时间是2-6个月，则在一个实施方案中，由pH值经调节的无机酯盐释放的酸量范围按过滤嘴元件中的醋酸纤维素重量计，可以是2-200％。在另一实施方案中，采用了与如上所述相同的期望结果，由pH值经调节的无机酯盐释放的酸量范围按醋酸纤维素重量计，可以是5-100％。在又一实施方案中，由pH值经调节的无机酯盐释放的酸量范围按醋酸纤维素重量计可以是10-50％。
基质材料可以是能包封(即，容纳弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐)的任何水溶性和/或透水性材料；但在与水接触时会溶解和/或允许水通过以与弱酸和pH值经调节的无机酯混合。一经混合，pH值经调节的酯的酸催化水解便开始。随着时间的推移，催化剂迁移进入醋酸纤维素滤嘴/烟蒂并促进醋酸纤维素滤嘴/烟蒂的水解。包封的重要性至少有两个原因：首先，包封防止过早的水解，其次，保持产品(过滤嘴)的保质期。水溶性基质材料可以是醋酸纤维素(D.S.＝0.8±0.2)、羧甲基纤维素(CMC)、乙基纤维素、羟丙基纤维素(HPC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素、聚乙二醇(PEG)、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、淀粉、糖、以及它们的组合。糖可以是葡萄糖、蔗糖、乳糖、以及它们的组合。在大多数实施方案中，水溶性基质材料可以是羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、以及它们的组合。透水性材料可以包括乙基纤维素、虫胶、玉米醇溶蛋白(见于玉米中的醇溶蛋白)、醋酸纤维素(D.S.＝2.0-2.6)、邻苯二甲酸纤维素、多孔有机硅弹性体(即，加有PEG的有机硅弹性体，其中PEG溶出以形成孔)、丙烯酸酯(例如，可以商标EUDRAGIT商购自新泽西州皮斯卡塔韦的EvonikDegussa公司)、以及它们的组合。
基质材料的量应足以完全包封弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐。完全包封是指覆盖并隔开弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐，从而使之不能催化水解，直到水已溶解掉至少一部分基质材料。一般来说，弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐与水溶性基质材料的重量比可以在0.75-4.0∶1范围内。在一个实施方案中，该比例可以为2∶1。
弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐及基质材料的形式可以为与丝束接触的涂层或丸粒。参见美国专利公开No.2009/0151738，其内容以引用的方式并入本文。
可以在制造丝束之后(即，不加到纺丝溶液中)对醋酸纤维素丝束和/或对插入套施加涂层。在一个实施方案中，可以在形成过滤嘴元件之前将混合物涂布到丝束上面。例如，在常规的制棒机中，可以在丝束通过烟枪之前或通过烟枪之时将混合物的溶液喷洒到开松的丝束上面。或者，在形成过滤嘴元件之后，可以将混合物的溶液注(例如，通过注射器)入丝束。在另一实施方案中，可以将混合物作为线条涂布(或施加)到插入套的内表面上。
可以在香烟过滤嘴的制造期间将丸粒加到过滤嘴元件中。如本文所用，丸粒可指例如：包含混合物的单丸粒(可以被封闭在明胶胶囊中或涂有保护性阻挡涂层或者不被封闭在明胶胶囊中或涂有保护性阻挡涂层)或混合物的颗粒或混合物的粉末或混合物的片(例如，单独的混合物或具有常规片剂粘结剂的混合物)。可以在形成过滤嘴元件之前(或正在形成过滤嘴元件之时)将丸粒加到过滤嘴元件的醋酸纤维素中。例如，在常规的制棒机中，可以在丝束通过烟枪之前或之时将混合物的丸粒嵌入到开松的丝束当中。
另一种丸粒构造使弱酸和pH值经调节的无机酯盐被水溶性或透水性材料的内层和围绕所述内层的醋酸纤维素外层所围绕，所述醋酸纤维素的D.S.在2.0-2.6范围内。此丸粒构造阐述在2010年1月15日提交的系列号为12/687,912的美国申请中，该申请的内容以引用的方式并入本文。在下文中描述此实施方案的组成。
弱酸和pH值经调节的酯盐如先前所述。
内层和外层围绕并包封弱酸和pH值经调节的无机酯盐，以便使得：1)过多的水不会只是冲走弱酸和pH值经调节的无机酯盐，随着时间的推移，有足够的弱酸和pH值经调节的无机酯盐以催化水解，2)防止烟吸收醋酸纤维素以外的弱酸和pH值经调节的无机酯盐的滋味，这样可能会不利地影响烟味属性，和3)通过常规的丝束结合材料(如三醋精或三醋酸甘油酯)促进丸粒与丝束的丝结合。内层和外层可共同发挥作用以控制弱酸和pH值经调节的无机酯盐的释放，且外层发挥作用以掩盖弱酸和pH值经调节的无机酯盐及内层的味道并促进结合。
内层是水溶性材料或透水性材料。这些材料可以是能包封(即，容纳弱酸和pH值经调节的无机酯盐)的任何材料；但在与水接触时将溶解并从而能够进行催化水解，或者允许水通过并之后使催化剂能够脱出。采用水溶性材料，水将使该材料胶凝，然后胶凝的材料可控制水移入芯或催化剂移出芯。此外，胶凝的材料可溶胀，于是这样可以使外层破裂。包封的重要性至少有两个原因：首先，包封防止过早的水解，其次，保持产品(过滤嘴)的保质期。水溶性基质材料和透水材料如上所述。
外层是D.S.为2.0-2.6的醋酸纤维素。D.S.为2.0-2.6的醋酸纤维素是透水性的。这种醋酸纤维素作为丝束优选是相同或大致相同的(例如，“大致相同”的情况是D.S.波动在丝束的±25％以内)。
内层和外层的量应足以完全包封(或围绕)弱酸和pH值经调节的无机酯盐。完全包封(或围绕)是指覆盖并隔开弱酸和pH值经调节的无机酯盐，从而使之不能催化水解，直到水已渗透外层并溶解掉内层的至少一部分水溶性材料(或渗透了透水性材料)。例如，内层按重量计可为弱酸和pH值经调节的无机酯盐的5-100％，或在另一实施方案中按重量计为5-30％。外层按重量计可以为5-100％，或在另一实施方案中按重量计为5-30％。或者，可以用衰减的速率(即“半衰期”)来推定内层和外层的量。半衰期是催化剂材料使溶液的pH值降低初始pH值的1/2所需的时间。在下面给出的数据中，1mL水大约相当于标准香烟过滤嘴的体积。在本发明中，材料的半衰期应为至少25分钟，或者在25-1000分钟，或50-500分钟，或75-300分钟范围内。
实施例
在以下实施例中研究无机酯盐的pH值调节和温度对醋酸纤维素香烟过滤嘴降解速度的影响。
如下，得到pH值经调节的纤维素硫酸酯钠盐：
1.将2克购自FisherScientific(Acros)的硫酸纤维素钠溶解在200mL去离子水中并搅拌。这样制成1％溶液。
2.一经溶解，在不断搅拌溶液的同时用pH计测定溶液pH值。该溶液pH值等于9。
3.使用1000微升注射器滴加1摩尔浓度盐酸，直至达到pH＝7。
4.重复步骤1-3，以得到pH值5和3的1％硫酸纤维素溶液。
5.对照溶液为在搅拌下溶于200mL去离子水中的2克硫酸纤维素钠。
6.将2克柠檬酸加到标记pH＝9、pH＝7、pH＝5、pH＝3的四个溶液中的每一个当中。
如下，用前述溶液处理滤棒：
1.将80根增塑滤棒(24.45mmx102mm)上的纸取下。
2.将这些棒分成4组，每组20根。
3.将20根棒浸在pH＝9的溶液中并使之饱和。
4.用镊子取出棒，将其排干并放在塑料片上风干(3-4天)。
5.对于pH＝7、pH＝5、pH＝3，重复步骤3-4。
6.然后，将干棒分组，每组10根棒，并放入广口瓶中。
7.将广口瓶标记如下：
21摄氏度pH＝930摄氏度pH＝9
21摄氏度pH＝730摄氏度pH＝7
21摄氏度pH＝530摄氏度pH＝5
21摄氏度pH＝330摄氏度pH＝3
测试棒随时间推移的取代度(DS)损失。基于已知的醋酸纤维素标准物，由保留时间计算D.S.。高效液相色谱(HPLC)法基于以下工作：T.R.Floyd，Floyd，T.R.“ChemicalCharacterizationofCelluloseAcetatebyNon-exclusionLiquidChromatography”，J.Chromatogr.1993，629，243-254。优点是可由小样品尺寸(＜0.3g)计算D.S.。与传统的2.0克湿滴定法(ASTMD871-91)相比，这提供了一个主要优点。HPLC方法不像ASTM程序那样准确；然而，HPLC方法容易跟踪D.S.损失。HPLC分析限于1.5的较低D.S.。这是因为D.S.低于1.5的醋酸纤维素不溶于丙酮。表1至表3汇总HPLC测试的结果。表3比较回归方程的斜率。数据表明，纤维素硫酸酯钠盐的起始pH值越低，增塑醋酸纤维素滤棒水解(降解)就越快。此外，降解速度随温度而提高。
A.此为每个样品的回归斜率各自除以样品1回归斜率的比值。
B.此为相同样品在两个温度下的回归斜率比：(样品1在30℃/样品1在21℃)。
确定56天样品的丙酮不溶物百分比。按以下程序处理样品以得到列于表4的丙酮不溶物。
1.从经处理的滤棒上切下20毫米样品并称重。
2.用水洗涤样品以除去柠檬酸、纤维素硫酸酯钠盐、醋酸及任何残留的盐。
3.将样品风干3天，之后记录重量。
4.将样品溶于10mL丙酮，然后过滤并用过量的丙酮漂洗。
5.将过滤物风干，之后记录重量。
表4中的数据显示了纤维素硫酸酯钠盐的初始pH值与丙酮不溶物百分比之间的反比关系。纤维素硫酸酯钠盐的初始pH值越低，丙酮不溶物百分比就越高。升高温度对丙酮不溶物百分比有直接的影响。此数据表明当用pH值经调节的纤维素硫酸酯钠盐处理时，增塑醋酸纤维素滤棒降解或水解较快。较低pH值的硫酸纤维素材料更容易发生有机酸催化的水解。水解释放的硫酸氢钠是pKa＝1.9的强无机酸盐。硫酸氢钠成为增加增塑醋酸纤维素过滤嘴降解或水解的主导催化剂。这提供了有关想要以何种速度降解丢弃的香烟过滤嘴/烟蒂的设计灵活性。
在不偏离实质和本质属性的情况下，可以其它形式实施本发明，因此，应参考所附《权利要求书》而非前述的《说明书》来确定本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种环境降解型香烟过滤嘴，包括开松的醋酸纤维素丝束的过滤嘴元件和围绕所述过滤嘴元件的插入套，其特征在于，所述香烟过滤嘴还包含：
包封在基质材料中的弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐，该无机酯盐为纤维素硫酸酯钠盐，
所述pH值经调节的无机酯盐是经调节后具有小于或等于8的pH值的无机酯盐，
所述基质材料包封与所述丝束相接触的所述弱有机酸和所述pH值经调节的无机酯盐。
2.根据权利要求1所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述pH值在5.3-7范围内。
3.根据权利要求1所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述弱有机酸选自：抗坏血酸、柠檬酸、乳酸、烟酸、羟基琥珀酸(苹果酸)、以及它们的组合。
4.根据权利要求1所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述基质材料为水溶性材料和/或透水性材料。
5.根据权利要求4所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述水溶性基质材料选自：D.S.＝0.8±0.2的醋酸纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙二醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、淀粉、糖、以及它们的组合。
6.根据权利要求4所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述透水性材料选自：乙基纤维素、虫胶、玉米醇溶蛋白、D.S.＝2.0-2.6的醋酸纤维素、邻苯二甲酸纤维素、多孔有机硅弹性体、丙烯酸酯、以及它们的组合。
7.一种环境降解型香烟过滤嘴，包括开松的醋酸纤维素丝束的过滤嘴元件和围绕所述过滤嘴元件的插入套，其特征在于，所述香烟过滤嘴还包含：
包括弱有机酸和pH值经调节的无机酯盐的丸粒，该无机酯盐为纤维素硫酸酯钠盐，
所述pH值经调节的酯盐是经调节具有小于或等于8的pH值的酯盐，其被水溶性基质材料或透水性材料的内层和D.S.在2.0-2.6范围内的醋酸纤维素外层所围绕，所述外层围绕所述内层。
8.根据权利要求7所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述pH值在1-8范围内。
9.根据权利要求7所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述pH值在4-7范围内。
10.根据权利要求7所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述弱有机酸选自：抗坏血酸、柠檬酸、乳酸、烟酸、羟基琥珀酸(苹果酸)、以及它们的组合。
11.根据权利要求7所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述水溶性基质材料选自：D.S.＝0.8±0.2的醋酸纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙二醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、淀粉、糖、以及它们的组合。
12.根据权利要求7所述的环境降解型香烟过滤嘴，其中，所述透水性材料选自：乙基纤维素、虫胶、玉米醇溶蛋白、D.S.＝2.0-2.6的醋酸纤维素、邻苯二甲酸纤维素、多孔有机硅弹性体、丙烯酸酯、以及它们的组合。
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