CN109476488A - 一种石墨烯基烟草烟雾过滤器及一种合成石墨烯复合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于香烟的过滤器，其包括封装在壳体中、以石墨烯纳米复合物为基础的材料。所述过滤器可以重复使用并且插入任何香烟或烟草吸烟产品。所述过滤器为独立产品或与每根香烟一体地制造。通过减少吸入烟雾中的焦油含量和其他有毒化学物质，所述过滤器为吸烟者提供安全的吸烟选择，而不改变他们的吸烟习惯。石墨烯基纳米复合材料过滤器从(香烟、比迪烟、水烟等的)烟雾中吸附有毒因子。通过对陶瓷粒子进行处理并且以碳粒子涂覆陶瓷粒子来制造所述过滤器。所述碳粒子被碳化。以碳涂覆的陶瓷粒子根据形状和尺寸而分离，并且在惰性条件下对其进行化学处理以将碳转化为石墨烯。以石墨烯涂覆的粒子经化学修饰以增进过滤。

Description

一种石墨烯基烟草烟雾过滤器及一种合成石墨烯复合物的 方法

技术领域

本申请案主张2016年4月29日提交的印度临时专利申请案的优先权，其申请号为201611015050，名称为“一种使用石墨烯基烟草烟雾过滤器用于过滤烟草烟雾的系统及方法”，并且其全部内容在此作为参考。

本发明一般而言涉及石墨烯纳米技术领域和石墨烯纳米技术在消费产品中的应用。本发明具体地涉及一种用于过滤烟草烟雾的烟草过滤器。本发明更具体地涉及一种具有石墨烯基材料的烟草过滤器和合成石墨烯基材料的方法。

背景技术

石墨烯是由仅具有一个原子厚度的sp2-混成轨域的碳组成的二维(2D)结构，由于其突出且广泛的应用而被称为“奇迹材料”。由于石墨烯从气态和水溶液中去除各种有害化学物质和化合物的突出的能力或特性，石墨烯作为一种新型吸附剂而受到广泛的关注。各种有机化合物在石墨烯层之间被捕获，这提供了有效的过滤。由于层之间的化学的吸附(化学吸附)，使有机化合物被捕获。

燃烧的香烟产生烟雾，烟雾是悬浮在气相中的液体粒子的复杂浓缩气溶胶，并且由环境中的氧气、氮气、以及从香烟产生的一氧化碳和二氧化碳组成。气溶胶中的这些次微米级液体粒子本身是由烟草的蒸馏、热裂解和燃烧产生的多种化合物的复杂组合物。因此，存在于香烟烟雾中的化合物与气溶胶相结合或在气相中游离。在烟草燃烧过程中产生的这些化合物直接蒸馏到烟雾中，或在彼此之间发生反应。然后将由这种化学反应产生的反应产物蒸馏到烟雾中。香烟烟雾中存在7000多种不同的化合物。香烟烟雾中存在的许多化合物是有毒的并且具有严重的健康风险。吸烟的主要健康风险包括呼吸道相关疾病和心血管风险。研究显示1,3-丁二烯是最重要的致癌物质。丙烯醛和乙醛是产生呼吸道相关疾病的最大风险的原因。心血管风险主要归因于氰化物、砷和甲酚。其他具有显着健康风险的化合物包括N-亚硝胺和多环芳香烃(PAHs)。

在石墨烯基平面上具有诸如-CHO、-C＝O、-COOH、-OH等官能团的官能团化石墨烯层显示出对有机化合物的优异吸附。石墨烯的这种能力用于过滤香烟烟雾中的各种有毒成份。然而，在香烟过滤器中单独使用石墨烯并不是利用石墨烯的突出性质来获得更安全的吸烟解决方案的具成本效益的途径。此外，使用原始的石墨烯基过滤器不能确定过滤器的结构和化学完整性。

因此，需要一种具成本效益且可重复使用的过滤器，其在吸烟过程中从香烟烟雾中去除有毒化学化合物而不损失化学和结构完整性，并且还允许烟雾容易通过。对于设计这种过滤器也有一需求，以便于与复数个等级、类别或品牌的烟草吸烟产品一起使用。更有对于石墨烯基烟草烟雾过滤器的需求。还有对于具有石墨烯基复合物的烟草过滤器和合成石墨烯基复合物的方法的需求。

本发明解决了上述缺点、劣势和问题，通过阅读和研究以下说明书将理解这些缺点、劣势和问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的是提供一种石墨烯基过滤器，其用于从香烟烟雾中去除有毒化学化合物并为吸烟者提供安全的替代方案。

本发明实施例的另一个目的是提供一种香烟过滤器，其为一种独立产品，并且可附接在任何品牌的烟草类别或等级的吸烟产品上，例如香烟、雪茄、小雪茄烟、小雪茄、比迪烟、水烟、丁香烟、烟斗、电子烟等。

本发明实施例的另一个目的是提供一种具有石墨烯组成的石墨烯基过滤器，所述石墨烯组成包括石墨烯和陶瓷的纳米复合物。

本发明实施例的另一个目的是提供一种用于烟草的石墨烯基过滤器，其具有颗粒状形式或烧结的陶瓷形式的石墨烯基复合物。

本发明实施例的又一个目的是提供一种石墨烯基过滤器，其具有化学修饰的石墨烯基复合物，以从吸入的烟雾中去除有毒的有机化学化合物。

本发明实施例的又一个目的是提供一种具有石墨烯基复合物的石墨烯基过滤器，其用于从吸入的烟雾中去除有毒物质。

本发明实施例的又一个目的是提供一种具有石墨烯基复合物的石墨烯基过滤器，其用于降低吸入烟雾中的焦油含量。

本发明实施例的又一个目的是提供一种具有石墨烯基复合物的石墨烯基过滤器，其用于烟草吸烟产品，对吸入的烟雾的尼古丁含量的影响最小。

由于以下结合附图的详细描述，本发明的这些和其他目的和优点将变得显而易见。

本发明的各种实施例提供一种石墨烯基过滤器，其从烟草烟雾中去除焦油和有毒化学化合物，并且为吸烟者提供安全的吸烟替代方案。

根据本发明的一实施例，提供一种制造由石墨烯陶瓷纳米复合材料制成的香烟过滤器的方法。所述方法包括以下步骤：以酸清洗陶瓷材料。所述酸对陶瓷材料的表面进行去污。所述酸也活化陶瓷材料的表面。所述酸使用预定的浓度。所述酸的预定浓度范围为10-60％v/v。在预定温度范围对陶瓷粒子进行退火。所述预定温度范围为600-900℃。以使用溶剂的碳前驱物涂覆陶瓷粒子以获得涂覆的陶瓷粒子。陶瓷粒子和碳前驱物在液相或分散相中混合。在混和碳前驱物、溶剂和陶瓷粒子之后，通过在预定温度范围加热以使碳前驱物干燥。碳前驱物的浓度范围为5-20％w/w。通过在空气中以预定温度范围加热来碳化存在于陶瓷粒子表面的碳前驱物。加热将碳前驱物转化为无定形碳层。所述预定温度范围为200-400℃。在加热之后，获得以无定形碳涂覆的陶瓷粒子。根据粒度、颗粒形状和模压来分离以无定形碳涂覆的陶瓷粒子。以无定形碳涂覆的陶瓷粒子根据粒度在直径300-900微米的范围内而分离。以无定形碳涂覆的陶瓷粒子根据具有不规则形和不平整表面的圆形形状而分离。在一惰性环境条件中以预定温度范围对以无定形碳涂覆的陶瓷粒子进行退火。退火将无定形碳转化为石墨烯。预定温度范围为600-900℃。惰性环境包括氩气、氮气和氢气。退火产生具有石墨烯或石墨烯纳米复合材料的陶瓷粒子。对具有石墨烯或石墨烯纳米复合材料的陶瓷粒子进行化学处理以活化表面。所述化学处理为酸处理。所述酸选自由硫酸、盐酸以及硝酸组成的群组。酸处理使所述石墨烯层多孔化并且增加对香烟烟雾的化学吸附或复数个有毒化合物的吸附。吸附的有毒化合物为氨、甲醛、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油以及亚硝胺。根据香烟烟雾中待吸附的有毒物质或化合物，通过化学修饰，将复数个官能团结合到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组。通过在环境空气中加热石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将氧基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。通过对所需官能团特有的化学处理，将硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。将官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对官能团的亲合力，从香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

通过将石墨烯陶瓷纳米复合材料填充到管状壳体中来制造烟草烟雾过滤器。所述石墨烯陶瓷纳米复合材料以0.5-1.5公克的量填入。

根据本发明的一实施例，陶瓷材料选自由二氧化硅、氧化铝、氧化钛以及氧化锆组成的群组。

根据本发明的一实施例，碳前驱物选自由糖、焦油以及沥青组成的群组。

根据本发明的一实施例，溶剂选自由水、乙醇以及己烷组成的群组。

根据本发明的一实施例，用于香烟烟草烟雾的石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器包括：口部件、过滤管柱、前塞、后塞、香烟固定部分以及固定香烟用圆柱管。过滤管柱包括石墨烯陶瓷纳米复合材料。过滤管柱位于前塞和后塞之间。

根据本发明的一实施例，填入过滤管柱之石墨烯陶瓷纳米复合材料的量为0.5-1.5公克。

根据本发明的一实施例，前塞和后塞由多孔材料制造。所述多孔材料为醋酸纤维素、棉、塑料毛或塑料网等。

根据本发明的一实施例，石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器设计为从香烟烟雾中吸附有毒化合物。从香烟烟雾中吸附的有毒化合物为氨、甲醛、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油以及亚硝胺。依香烟烟雾中待吸附的有毒物质或化合物决定，通过化学修饰，将复数个官能团结合到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组。通过在环境空气中加热石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将氧基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。通过对所需官能团特有的化学处理，将硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。将官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对官能团的亲合力，从香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

根据本发明的一实施例，后塞和前塞包装石墨烯陶瓷纳米复合材料。后塞使石墨烯陶瓷纳米复合材料保持在过滤管柱中。后塞和前塞包装石墨烯陶瓷纳米复合材料。后塞使石墨烯陶瓷纳米复合材料保持在过滤管柱中。前塞由醋酸纤维素制造。后塞由醋酸纤维素或塑料网制造，并且通过直径比过滤器壳体小的塑料管的帮忙，后塞紧密地安装到口部件中。

根据本发明的一实施例，固定香烟的圆柱管设计为与复数个吸烟产品配合。固定香烟的圆柱管是锥形的从内部以配合香烟。

根据本发明的一实施例，提供一种与烟草产品一起使用的石墨烯基过滤器，其本身为独立产品，并且可附接在任何品牌的烟草类别或等级的吸烟产品上，例如香烟、雪茄、小雪茄烟、小雪茄、比迪烟、水烟、丁香烟、烟斗、电子烟等。

根据本发明的一实施例，石墨烯陶瓷纳米复合材料以颗粒状或烧结的陶瓷的形式作为烟草产品的过滤器使用。石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入过滤管柱，或将石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为圆柱形管柱。所述圆柱形管柱包括模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料。在烧结之后，将包括模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料的圆柱形管柱安装到过滤管柱中。石墨烯基纳米复合物通过添加官能团和纳米粒子进行化学修饰，以对尼古丁含量的影响最小的方式去除焦油和有机有毒化合物。

根据本发明的一实施例，提供一种用于烟草产品的石墨烯基过滤器壳体。所述壳体容纳石墨烯纳米复合材料，并且允许环境中的氧气有效地混合到烟雾中，其降低烟雾中的一氧化碳浓度。

根据本发明的一实施例，提供一种用于经济上可行地、具有成本效益的前驱物材料的石墨烯纳米复合材料的合成过程。

根据本发明的一实施例，提供一种用于香烟过滤器的石墨烯基纳米复合材料的合成工艺。所述方法包括以下步骤：对陶瓷成份进行预退火，并进行去污处理和表面活化处理。将碳基材料涂覆在陶瓷粒子上并干燥。将涂覆的碳材料碳化为无定形碳。根据粒子的尺寸、形状和模压等，在结构上分离以碳材料涂覆的陶瓷粒子。在惰性环境中对碳层进行退火，以将无定形碳转化为石墨烯结构，并且烧结纳米复合物。石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入过滤管柱，或先将石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为圆柱形管柱。所述圆柱形管柱包括模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料。将包括模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料的、烧结的圆柱形管柱安装到过滤管柱中。纳米复合物的表面经由化学处理而活化。石墨烯基纳米复合物烟雾过滤器通过将石墨烯材料填充到管状壳体而制造。

根据本发明的一实施例，提供一种可附接-可拆卸型的香烟过滤器。所述过滤器包括：口部件、过滤管柱、香烟固定部分、后塞、过滤用石墨烯纳米复合物、塑料壳体、前塞以及固定香烟用圆柱管。由醋酸纤维素或其他多孔材料组成的后塞安装在塑料壳体中的口部件，然后将石墨烯纳米复合材料填充到过滤管柱中，并请以另一个醋酸纤维素或其他多孔材料的后塞密封过滤器。石墨烯纳米复合物香烟过滤器可立即使用，并且吸烟用的香烟插入香烟固定部分的圆柱管中。

根据本发明的一实施例，提供一次性的、固定到香烟的石墨烯基香烟过滤器。所述实施例包括：过滤部件、烟草部件、后塞、石墨烯纳米复合材料以及前塞。在制造香烟期间，不是在过滤部件中放置完整的醋酸纤维素塞，而是将较小的醋酸纤维素塞或其他多孔材料塞作为前塞，然后填充石墨烯纳米复合材料，并且以醋酸纤维素或其他多孔材料的后塞将其密封。所述香烟像任何其他传统香烟一样地吸烟。

根据本发明的一实施例，提供一种使用石墨烯基香烟过滤器吸烟和用于烟雾流动的机制。所述实施例经由可附接-可拆卸型的可重复使用的石墨烯基过滤器提供一种过滤烟雾。任何普通的香烟都与过滤器连接，以使烟雾能够通过过滤器。通过将香烟插入圆柱管中将香烟附接到过滤器。当香烟被点燃并且当使用者通过口部件经由过滤器吸入空气时，新鲜空气被吸入香烟中。香烟燃烧并产生两种烟雾成份：通过未燃烧的香烟的烟雾和二手烟。通过香烟的烟雾通过过滤器的过滤管柱，并且产生焦油和有机致癌物质含量降低的过滤烟雾。依有毒物质或从香烟烟雾中吸附的化合物决定，通过化学修饰将复数个官能团结合到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组。通过在环境空气中加热石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将氧基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。通过对所需官能团特有的化学处理，将硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。将官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对官能团的亲合力，从香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

根据本发明的一实施例，通过降低烟雾中的焦油含量和有机致癌化合物含量，合成一种应用于香烟和其他烟草烟雾的过滤器的石墨烯基纳米复合物。石墨烯基陶瓷纳米复合材料由陶瓷增强材料如硅砂、氧化铝砂或其他金属氧化物的微粒形式的陶瓷开始合成。首先以水和酸(例如硝酸)清洗微粒形式的陶瓷材料，然后在600至900℃退火(步骤1)。这使陶瓷去污并活化粒子表面。在这个过程之后，使用合适的溶剂如水、乙醇、己烷等，以碳前驱物如糖、焦油、沥青等涂覆陶瓷粒子(步骤2)。然后，通过在空气中以200至400℃加热涂覆的陶瓷粒子来碳化碳前驱物(步骤3)。根据其粒度、颗粒形状和模压来分离以碳涂覆的陶瓷粒子(步骤4)。此外，在被控制的环境下(氩气、氮气、氢气等)，以600至900℃对以无定形碳涂覆的陶瓷粒子进行退火(步骤5)。这在陶瓷粒子上形成石墨碳层(石墨烯)。石墨烯基纳米复合材料形成的最后步骤涉及使用硫酸、盐酸和硝酸进行酸处理，以化学活化石墨烯层并且使其多孔化以增加化学吸附(步骤6)。当石墨烯基纳米复合材料准备好，便将其填充在塑料壳体中以在固定型过滤器中的可附接-可拆卸型过滤器或过滤器部件中形成过滤管柱。

当结合以下描述和附图考虑时，将更好地体会和理解本发明的实施例的这些和其他态样。然而，应当理解，以下描述虽然表明了优选实施例及其许多具体细节，但是它们是说明而非限制的方式。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的实施例的范围内进行许多改变和修改，并且本发明的实施例包括所有这些修改。

附图说明

从以下优选实施例的描述和附图中，本领域的技术人员将想到其他目的、特征和优点，其中：

图1说明根据本发明的一实施例的解释用于合成石墨烯基过滤材料的广义工艺的流程图。

图2说明根据本发明的一实施例的可附接-可拆卸型的石墨烯基纳米复合香烟过滤器的侧视图。

图3说明根据本发明的一实施例的固定到香烟的一次性石墨烯基香烟过滤器的侧视图。

图4说明根据本发明的一实施例的石墨烯基香烟过滤器的侧视图。

虽然在某些图式中展现了本发明的具体特征，而在其他图式中没有展现。但这仅仅是为了方便，因为根据本发明，每个特征可以与任何或所有其他特征组合。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中，通过说明的方式展现了可以实践的具体实施例。这些实施例被足够详细地描述，以使得本领域的技术人员能够实践实施例，并且应当理解，在不脱离实施例的范围的情况下，可以进行其他改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。

本发明的各种实施例提供一种石墨烯基过滤器，其从烟草烟雾中去除焦油和有毒化学化合物，并且为吸烟者提供安全的吸烟替代方案。

根据本发明的一实施例，提供一种制造由石墨烯陶瓷纳米复合材料制成的香烟过滤器的方法。所述方法包括以下步骤：以酸清洗陶瓷材料。所述酸对陶瓷材料的表面进行去污。所述酸活化陶瓷材料的表面。所述酸使用预定的浓度。所述酸的预定浓度范围为10-60％v/v。在预定温度范围对陶瓷粒子进行退火。所述预定温度范围为600-900℃。以使用溶剂的碳前驱物涂覆陶瓷粒子以获得涂覆的陶瓷粒子。陶瓷粒子和碳前驱物在液相或分散相中混合。在混和碳前驱物、溶剂和陶瓷粒子之后，通过在预定温度范围加热以使碳前驱物干燥。碳前驱物的浓度范围为5-20％w/w。通过在空气中以预定温度范围加热来碳化存在于陶瓷粒子表面的碳前驱物。加热将碳前驱物转化为无定形碳层。预定温度范围为200-400℃。在加热之后，获得以无定形碳涂覆的陶瓷粒子。以无定形碳涂覆的陶瓷粒子根据粒度和颗粒形状而分离。以无定形碳涂覆的陶瓷粒子根据粒度在直径300-900微米的范围内而分离。以无定形碳涂覆的陶瓷粒子根据具有不规则形和不平整表面的圆形形状而分离。在一惰性环境条件中以预定温度范围对以无定形碳涂覆的陶瓷粒子进行退火。退火将无定形碳转化为石墨烯。预定温度范围为600-900℃。惰性环境包括氩气、氮气和氢气。退火产生具有石墨烯或石墨烯纳米复合材料的陶瓷粒子。对具有石墨烯或石墨烯纳米复合材料的陶瓷粒子进行化学处理以活化表面。所述化学处理为酸处理。所述酸选自由硫酸、盐酸以及硝酸组成的群组。酸处理使所述石墨烯层多孔化并且增加对香烟烟雾的化学吸附或复数个有毒化合物的吸附。吸附的有毒化合物为氨、甲醛、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油以及亚硝胺。依有毒物质或从香烟烟雾中吸附的化合物决定，通过化学修饰将复数个官能团结合到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组。通过在环境空气中加热石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将氧基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。通过对所需官能团特有的化学处理，将硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。将官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对官能团的亲合力，从香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

通过将石墨烯陶瓷纳米复合材料填充到管状壳体中来制造烟草烟雾过滤器。所述石墨烯陶瓷纳米复合材料以0.5-1.5公克的量填入。石墨烯陶瓷纳米复合材料以颗粒状形式直接填充，或者模压为圆柱形管柱，然后烧结后再安装到过滤管柱中。石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入过滤管柱，或将石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为圆柱形管柱。所述圆柱形管柱包括模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料。将包括模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料的、烧结的圆柱形管柱安装到过滤管柱中。

根据本发明的一实施例，陶瓷材料选自由二氧化硅、氧化铝、氧化钛以及氧化锆组成的群组。

根据本发明的一实施例，碳前驱物选自由糖、焦油以及沥青组成的群组。

根据本发明的一实施例，溶剂选自由水、乙醇以及己烷组成的群组。

根据本发明的一实施例，用于香烟烟草烟雾的石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器包括：口部件、过滤管柱、前塞、后塞、香烟固定部分以及固定香烟用圆柱管。过滤管柱包括石墨烯陶瓷纳米复合材料。过滤管柱位于前塞和后塞之间。

根据本发明的一实施例，填入过滤管柱的石墨烯陶瓷纳米复合材料的量为0.5-1.5公克。

根据本发明的一实施例，前塞和后塞由多孔材料制造。适用于本应用的多孔材料之一为醋酸纤维素。

根据本发明的一实施例，石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器设计为从香烟烟雾中吸附有毒化合物。从香烟烟雾中吸附的有毒化合物为氨、甲醛、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油以及亚硝胺。依有毒物质或从香烟烟雾中吸附的化合物决定，通过化学修饰将复数个官能团结合到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组。通过在环境空气中加热石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将氧基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。通过对所需官能团特有的化学处理，将硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。将官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对官能团的亲合力，从香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

根据本发明的一实施例，后塞和前塞包装石墨烯陶瓷纳米复合材料。后塞使石墨烯陶瓷纳米复合材料保持在过滤管柱中。后塞和前塞包装石墨烯陶瓷纳米复合材料。后塞使石墨烯陶瓷纳米复合材料保持在过滤管柱中。前塞由醋酸纤维素制造。后塞由醋酸纤维素或塑料网制造，并且通过直径比过滤器壳体小的塑料管的帮忙，后塞紧密地安装到口部件中。

根据本发明的一实施例，固定香烟的圆柱管设计为与复数个吸烟产品配合。固定香烟的圆柱管是锥形的从内部以配合香烟。

根据本发明的一实施例，提供一种与烟草产品一起使用的石墨烯基过滤器，其本身为独立产品，并且可附着在任何品牌的烟草类别或等级的吸烟产品上，例如香烟、雪茄、小雪茄烟、小雪茄、比迪烟、水烟、丁香烟、烟斗、电子烟等。

根据本发明的一实施例，石墨烯陶瓷纳米复合材料以颗粒状或烧结的陶瓷的形式作为烟草产品的过滤器使用。石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入过滤管柱，或先将石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为圆柱形管柱。所述圆柱形管柱包括模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料。将包括模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料的、烧结的圆柱形管柱安装到过滤管柱中。

通过添加官能团和纳米粒子来化学修饰石墨烯基纳米复合物，以对尼古丁含量的影响最小的方式去除焦油和有机有毒化合物。

根据本发明的一实施例，用于烟草产品的塑料过滤器壳体专门设计为容纳石墨烯基陶瓷纳米复合材料，并且完美地安装到各种类型的吸烟烟草产品上。

根据本发明的一实施例，提供一种用于经济上可行地、具有成本效益的前驱物材料的石墨烯纳米复合材料的合成过程。

根据本发明的一实施例，提供一种用于香烟过滤器的石墨烯基纳米复合材料的合成工艺。所述方法包括以下步骤：对陶瓷成份进行预退火，并进行去污处理和表面活化处理。将碳基材料涂覆在陶瓷粒子上并干燥。将涂覆的碳材料碳化为无定形碳。以碳材料涂覆的陶瓷粒子在结构上根据粒度和形状等而分离。陶瓷粒子上的碳层为化学修饰的。碳层在惰性环境中退火以将无定形碳转化为石墨烯结构，并且烧结纳米复合材料。石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入过滤管柱，或先将石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为圆柱形管柱。所述圆柱形管柱包括模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料。将包括模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料的、烧结的圆柱形管柱安装到过滤管柱中。纳米复合物的表面经由化学处理而活化。石墨烯基纳米复合物烟雾过滤器通过将石墨烯材料填充到管状壳体而制造。

根据本发明的一实施例，提供一种可附接-可拆卸型的香烟过滤器。所述过滤器包括：口部件、过滤管柱、香烟固定部分、后塞、过滤用石墨烯纳米复合物、塑料壳体、前塞以及固定香烟用圆柱管。由醋酸纤维素或其他多孔材料组成的后塞安装在塑料壳体的口部件中。然后将石墨烯纳米复合材料填充在过滤管柱中，并且以另一个醋酸纤维素或其他多孔材料的后塞密封过滤器。石墨烯纳米复合物香烟过滤器可立即使用，并且吸烟用的香烟插入香烟固定部分的圆柱管中。

根据本发明的一实施例，提供一次性的、固定到香烟上的石墨烯基香烟过滤器。所述实施例包括：过滤部件、烟草部件、后塞、石墨烯纳米复合材料以及前塞。在制造香烟期间，不是在过滤部件中放置完整的醋酸纤维素塞，而是将较小的醋酸纤维素塞或其他多孔材料塞作为前塞，然后填充石墨烯纳米复合材料，并且以醋酸纤维素或其他多孔材料的后塞将其密封。所述香烟像任何其他传统香烟一样地吸烟。

根据本发明的一实施例，提供一种使用石墨烯基香烟过滤器吸烟和用于烟雾流动的机构。所述实施例经由可附接-可拆卸型的可重复使用的石墨烯基过滤器提供一种过滤烟雾。任何普通的香烟都与过滤器连接，以使烟雾能够通过过滤器。通过将香烟插入圆柱管中将香烟附接到过滤器。当香烟被点燃并且当使用者通过口部件经由过滤器吸入空气时，新鲜空气被吸入香烟中。香烟燃烧并产生两种烟雾成份：通过未燃烧的香烟的烟雾和二手烟。通过香烟的烟雾通过过滤器的过滤管柱，并且产生焦油和有机致癌物质含量降低的过滤烟雾。

根据本发明的一实施例，通过降低烟雾中的焦油含量和有机致癌化合物含量，合成一种应用于香烟和其他烟草烟雾的过滤器的石墨烯基纳米复合物。石墨烯基陶瓷纳米复合材料由陶瓷增强材料如硅砂、氧化铝砂或其他金属氧化物的微粒形式的陶瓷开始合成。首先以水和酸(例如硝酸)清洗微粒形式的陶瓷材料，然后在600至900℃退火(步骤1)。这使陶瓷去污并活化粒子表面。在这个过程之后，使用合适的溶剂如水、乙醇、己烷等，以碳前驱物如糖、焦油、沥青等涂覆陶瓷粒子(步骤2)。然后，通过在空气中以200至400℃加热涂覆的陶瓷粒子来碳化碳前驱物(步骤3)。以碳涂覆的陶瓷粒子根据其粒度和颗粒形状而分离(步骤4)。此外，在被控制的环境下(氩气、氮气、氢气等)，以600至900℃对以无定形碳涂覆的陶瓷粒子进行退火(步骤5)。这在陶瓷粒子上形成石墨碳层(石墨烯)。石墨烯基纳米复合材料形成的最后步骤涉及使用硫酸、盐酸和硝酸进行酸处理，以化学活化石墨烯层并且使其多孔化以增加化学吸附(步骤6)。当石墨烯基纳米复合材料准备好，便将其填充在塑料壳体中以在固定型过滤器中的可附接-可拆卸型过滤器或过滤器部件中形成过滤管柱。石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入过滤管柱，或先将石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为圆柱形管柱。所述圆柱形管柱包括模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料。将包括模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料的、烧结的圆柱形管柱安装到过滤管柱中。

图1说明根据本发明的一实施例的以逐步方式合成用于香烟过滤器的石墨烯基纳米复合材料的工艺。第一步是预退火和陶瓷成份的去污处理和表面活化处理(101)。酸的浓度为10-60％v/v，用于陶瓷成份的预退火和处理。酸的体积是陶瓷成份的10-20倍。陶瓷材料选自由二氧化硅、氧化铝、氧化钛和氧化锆组成的群组。退火温度在600-900℃的范围内。将碳基材料涂覆在陶瓷粒子上并干燥(102)。使用合适的溶剂将碳基材料涂覆在陶瓷粒子上。陶瓷粒子与碳基材料/前驱物(液相或分散相)精确地混合。使用热干燥碳基材料/前驱物，以用前驱物涂覆陶瓷粒子。用于涂覆陶瓷粒子的碳前驱物的量为5-20％w/w(干重)。使用合适的溶剂如水、乙醇、己烷等，用碳基材料/前驱物如糖、焦油、沥青等涂覆陶瓷粒子。将涂覆的碳基材料碳化为无定形碳(103)。通过在空气中以200至400℃加热涂覆的陶瓷粒子来碳化碳基材料/前驱物。以碳涂覆的陶瓷粒子根据其粒度和颗粒形状而分离(104)。粒子根据直径300-900微米的尺寸而分离，并且优选的形状是具有不规则或不平整表面的圆形。在惰性环境中通过退火以将无定形碳转化为石墨烯结构，并且烧结复合物(105)。在包括(氩气、氮气、氢气等)的惰性环境中，在600至900℃的温度下，通过退火将无定形碳转化为石墨烯结构。对复合物进行化学处理以进行表面活化(106)。石墨烯纳米复合材料的形成包括使用硫酸、盐酸和硝酸进行酸处理，以化学活化石墨烯层并使其多孔化以增加化学吸附。酸的用量为石墨烯纳米复合材料的量的3至10倍。通过将石墨烯纳米复合材料填充到管状壳体中来制造烟草烟雾过滤器(107)。填入的石墨烯纳米复合材料的量为0.5-1.5公克。

根据本发明的一实施例，根据从烟雾中吸附的有毒物质或化合物选择待结合到石墨烯表面的官能团。依有毒物质或化合物决定，通过化学修饰，将对这些化合物具有亲合力的官能团结合到石墨烯上。通过在环境空气中加热石墨烯纳米复合物(煅烧)以及化学处理，以添加氧基官能团。类似地，通过对所需官能团特有的化学处理，添加含硫、氮、卤素、磷和硼的官能团中的任何一种。依有毒物质或从香烟烟雾中吸附的化合物决定，通过化学修饰将复数个官能团结合到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组。通过在环境空气中加热石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将氧基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。通过对所需官能团特有的化学处理，将硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上。将官能团添加到石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对官能团的亲合力，从香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

图2说明根据本发明的一实施例的可附接-可拆卸型的石墨烯基纳米复合香烟过滤器的侧视图。可附接-可拆卸型的石墨烯基纳米复合香烟过滤器包括：口部件201、过滤管柱202、香烟固定部分203、后塞204、过滤用石墨烯纳米复合物205、塑料壳体206、前塞208和固定香烟用圆柱管207。后塞204包括：醋酸纤维素或塑料管，其直径小于过滤器的塑料壳体206的直径，以将塑料网紧密地安装到口部件201中。过滤管柱202包括：石墨烯纳米复合材料205，过滤器由另一个醋酸纤维素或其他多孔材料如网204的后塞密封。可附接-可拆卸型的石墨烯基纳米复合香烟过滤器可立即用于吸烟，并且将香烟插入香烟固定部分203的圆柱管207中。固定香烟的香烟固定部分203的圆柱管207设计为配合复数个吸烟产品。固定香烟的圆柱管207是锥形的从内部以配合香烟。

根据本发明的一实施例，“过滤管柱”是其中存在石墨烯基纳米复合物的过滤器的部分。在过滤管柱中过滤或去除烟雾中的有毒物质。通过吸附去除有毒物质。石墨烯基纳米复合材料或烟雾过滤管柱填充在“前塞”和“后塞”之间。“后塞”位于过滤器的一侧，其进入使用者的口中。后塞使石墨烯纳米复合材料保持在过滤管柱中，并防止石墨烯纳米复合材料进入使用者的口中。“前塞”是烟雾过滤器的香烟固定侧上的醋酸纤维素塞，其包装石墨烯基纳米复合物。石墨烯纳米复合物通过吸附其表面上的有毒物质来过滤烟雾。“口部件”是过滤器的部分，其帮助使用者将与过滤管柱附接/配置的过滤器保持在口中。“香烟固定部分”包括前塞和香烟管。“塑料壳体”包括并配合所有组件，特别是：后塞、石墨烯基纳米复合物过滤器、前塞、固定吸烟物品(香烟或比迪烟等)用圆柱管。用于固定吸烟物品(香烟或比迪烟)的“圆柱管”是紧密地安装在吸烟物品上的空腔。“圆柱管”是锥形的，从内部以紧密安装到所有品牌的香烟上，这些香烟通常具有微小的直径变化。

图3说明根据本发明的一实施例的固定到香烟的一次性石墨烯基香烟过滤器的侧视图。固定到香烟上的一次性石墨烯基香烟过滤器包括：过滤管柱301、烟草部件302、后塞303、石墨烯复合材料304、前塞305。在制造香烟期间，不是将完整的醋酸纤维素塞放入过滤管柱301中，而是将较小的醋酸纤维素塞或其他多孔材料塞作为前塞305，然后填充石墨烯复合材料304，并且以醋酸纤维素或其他多孔材料的后塞303将其密封。固定到香烟的这种一次性石墨烯香烟过滤器像任何其他传统香烟一样地吸烟。

根据本发明的一实施例，“过滤管柱”是其中存在石墨烯基纳米复合物的过滤器的部分。在过滤管柱中过滤或去除烟雾中的有毒物质。通过吸附去除有毒物质。石墨烯基纳米复合材料或烟雾过滤管柱填充在“前塞”和“后塞”之间。“后塞”是过滤器一侧的醋酸纤维素塞，其进入使用者的口中。后塞使石墨烯纳米复合材料保持在过滤管柱中，并防止石墨烯纳米复合材料进入使用者的口中。“前塞”是烟雾过滤器的香烟固定侧上的醋酸纤维素塞，其包装石墨烯基纳米复合物。石墨烯纳米复合物通过吸附其表面上的有毒物质来过滤烟雾。“烟草部件”是包括吸烟物品或香烟的含烟草部分的部分。

根据本发明的一实施例，在传统香烟中，整个烟头(过滤器部分)由纤维状醋酸纤维素制造。在本发明中，通过在香烟烟草部分之后设置一小片纤维状醋酸纤维素(前塞)来改良烟头。前塞之后是石墨烯基纳米复合材料和后塞。后塞也由纤维状醋酸纤维素制造。

根据本发明的一实施例，石墨烯基纳米复合材料填充在由纤维状醋酸纤维素制造的前塞和后塞之间。纤维状醋酸纤维素将石墨烯复合材料保持在适当位置。

图4说明根据本发明的一实施例，使用石墨烯基香烟过滤器的吸烟机制和系统中的烟雾流动机制。根据图4，经由附接香烟403的可附接-可拆卸型的可重复使用的石墨烯基过滤器402接收过滤烟雾401。

环境空气/新鲜空气406被吸入香烟403，并且烟雾404通过香烟403，并且二手烟405从香烟403释放。通过将香烟403插入圆柱管中，将香烟403附接到过滤器402上。当使用者通过口部件点燃香烟并经由过滤器402吸入空气时，新鲜空气406被吸入香烟中。香烟燃烧并产生两种烟雾成分，一种是通过未燃烧的香烟403的烟雾，另一种是二手烟405。通过香烟403的烟雾通过过滤器402，其产生具有降低的焦油和有机致癌物质含量的过滤烟雾401。

根据本发明的一实施例，本发明提供的石墨烯基香烟过滤器为吸烟者提供了真正更安全的烟草吸烟的唯一解决方案。过滤器降低烟雾中的焦油含量，否则烟雾会聚集在肺部，导致肺部问题。过滤器还极大地降低了吸入烟雾中有机和无机致癌物质、呼吸道刺激物和其他有毒化学物质的含量。此外，过滤器与任何形式的香烟或其他吸烟产品一起使用，而不会改变使用者的任何吸烟习惯，例如烟草吸烟产品的类型、品牌等。

根据本发明的一实施例，以下给出的表1说明在香烟烟雾通过石墨烯基纳米复合物过滤器后，氨含量、甲醛含量、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油和亚硝胺的降低：

(关键：FR＝联邦公报/ISO＝国际标准组织/HC＝加拿大卫生部)

尽管用各种具体实施例描述了本发明的实施例，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，通过修改来实践本发明的实施例。

本公开案具体实施例的前面描述将充分揭露本发明实施例的一般性质，其他人可通过应用现有知识，容易地修改和/或调整各种应用，例如不脱离一般概念的具体实施例，因此，在所揭露的实施例的等同物的含义和范围内，应当并且旨在理解这些调整和修改。

应当理解，本发明采用的措辞或术语是用于描述的目的而非限制。因此，虽然已经根据优选实施例描述了本发明的实施例，但是本领域的技术人员将认识到，可以通过修改来实践本文中的实施例。然而，所有这些修改都被视为在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种制造用于香烟烟草烟雾的石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器的方法，其特征在于，所述方法包括：

以一酸清洗陶瓷材料，并且其中，所述酸对所述陶瓷材料的表面进行去污，并且其中，所述酸活化所述陶瓷材料的表面，并且其中，所述酸使用预定的浓度，并且其中，所述酸的预定浓度范围为10-60％v/v；

在预定温度范围对所述陶瓷粒子进行退火，并且其中，所述预定温度范围为600-900℃；以使用一溶剂的一碳前驱物涂覆所述陶瓷粒子以获得涂覆的陶瓷粒子，并且其中，所述陶瓷粒子和所述碳前驱物在液相或分散相中混合，并且其中，在混和所述碳前驱物、溶剂和所述陶瓷粒子之后，通过在预定温度范围加热以使所述碳前驱物干燥，并且其中，所述碳前驱物的浓度范围为5-20％w/w；

通过在空气中以预定温度范围加热来碳化存在于所述陶瓷粒子表面的所述碳前驱物，并且其中，加热将所述碳前驱物转化为无定形碳，并且其中，所述预定温度范围为200-400℃，并且其中，在加热之后，以无定形碳涂覆获得所述陶瓷粒子；

依照粒度和颗粒形状分离以无定形碳涂覆的所述陶瓷粒子，并且其中，以无定形碳涂覆的所述陶瓷粒子根据粒度在直径300-500微米的范围内而分离，并且其中，以无定形碳涂覆的所述陶瓷粒子根据具有不规则形和不平整表面的圆形形状而分离；

在一惰性环境条件中以预定温度范围对以无定形碳涂覆的所述陶瓷粒子进行退火，并且其中，退火将无定形碳转化为石墨烯，并且其中，所述预定温度范围为600-900℃，并且其中，所述惰性环境条件包括氩气、氮气和氢气，并且其中，退火产生具有石墨烯或石墨烯纳米复合材料的陶瓷粒子；

对具有石墨烯或石墨烯纳米复合材料的所述陶瓷粒子进行化学处理以活化表面，并且其中，所述化学处理为一酸处理，并且其中，所述酸选自由硫酸、盐酸以及硝酸组成的群组，并且其中，所述酸处理使所述石墨烯层多孔化并且增加对香烟烟雾的化学吸附或复数个有毒化合物的吸附，并且其中，所述吸附的有毒化合物为氨、甲醛、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油以及亚硝胺；并且

通过将所述石墨烯陶瓷纳米复合材料填充到一具有管状构造的壳体中以形成一过滤管柱，来制造一烟草烟雾过滤器，并且其中，填入的所述石墨烯陶瓷纳米复合材料的量为0.5-1.5公克，并且其中，所述石墨烯陶瓷纳米复合材料直接以颗粒状形式填入所述过滤管柱，或先将所述石墨烯陶瓷纳米复合材料模压为一圆柱形管柱，并且其中，所述圆柱形管柱包括一模压的、烧结的石墨烯陶瓷纳米复合材料，并且其中，所述烧结的圆柱形管柱包括安装到所述过滤管柱中的、模压的石墨烯陶瓷纳米复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料选自由二氧化硅、氧化铝、氧化钛以及氧化锆组成的群组。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳前驱物选自由糖、焦油以及沥青组成的群组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂选自由水、乙醇以及己烷组成的群组。

5.一种用于香烟的石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器，其特征在于，所述过滤器包括：

一口部件；

一过滤管柱，并且其中，所述过滤管柱包括石墨烯陶瓷纳米复合材料；

一前塞；

一后塞；

一香烟固定部分；以及

一固定所述香烟的圆柱管，

并且其中，所述过滤管柱位于前塞和后塞之间。

6.根据权利要求5所述的过滤器，其特征在于，所述石墨烯陶瓷纳米复合材料以0.5-1.5公克的量填入所述过滤管柱。

7.根据权利要求5所述的过滤器，其特征在于，所述前塞和所述后塞由多孔材料制造，并且其中，所述多孔材料为醋酸纤维素。

8.根据权利要求5所述的过滤器，其特征在于，所述石墨烯陶瓷纳米复合材料过滤器从香烟烟雾中吸附所述有毒化合物，并且其中，所述从香烟烟雾中吸附的有毒化合物为氨、甲醛、主流总粒相物(MS-TPM)、尼古丁、焦油以及亚硝胺，并且其中，依所述香烟烟雾中待吸附的有毒物质或化合物决定，通过化学修饰，将复数个官能团结合到所述石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，并且其中，所述官能团选自由氧基官能团、硫基官能团、硝基官能团、卤素基官能团、磷基官能团以及硼基官能团组成的群组，并且其中，通过在环境空气中加热所述石墨烯陶瓷纳米复合材料(煅烧)以及化学处理，将所述氧基官能团添加到所述石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，并且其中，通过对所需官能团特有的化学处理，将所述硫基官能团、所述硝基官能团、所述卤素基官能团、所述磷基官能团以及所述硼基官能团添加到所述石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，并且其中，将所述官能团添加到所述石墨烯陶瓷纳米复合材料的表面上，以根据有毒化合物对所述官能团的亲合力，从所述香烟烟雾中去除复数个有毒化合物。

9.根据权利要求5所述的过滤器，其特征在于，以所述后塞和所述前塞包装所述石墨烯陶瓷纳米复合材料，并且其中，所述后塞使所述石墨烯陶瓷纳米复合材料保持在所述过滤管柱中，并且其中，所述前塞由醋酸纤维素制造，并且其中，所述后塞由醋酸纤维素或塑料网制造，并且通过直径比过滤器壳体小的塑料管的帮忙，所述后塞紧密地安装到所述口部件中。

10.根据权利要求5所述的过滤器，其特征在于，所述固定香烟的圆柱管设计为与复数个吸烟产品配合，并且其中，所述固定香烟的圆柱管是锥形的，从内部以配合香烟。