CN1182556A - 过滤材料的改进 - Google Patents

Abstract

一种可降解的挤出成型的过滤材料,其包括熔点高于工作温度的无机材料,还包括多糖膨胀介质、粘合剂和水。将这些成分送入挤出机,进行挤压处理,包括当从模具排出孔挤出时,压力降低高达大约70巴,致使挤出物膨胀为多孔结构。当含上述材料的香烟烟雾过滤芯暴露于自然气候条件中时,它会降解,不会留下无机材料的熔合混合物。

Description

过滤材料的改进

本发明是关于过滤芯及过滤材料的，特别是关于香烟烟雾过滤芯及其生产方法的，但又绝不仅限于此。本申请是1994年3月12日递交的中国发明专利申请号94014269.3的分案。

现有技术中已公开了很多种制造过滤材料的方法。在英国专利说明书中No.2205102A中申请人曾公开了这样一种方法，即将一种颗粒状塑料材料、多糖和水以及选择性成份粘合剂送入一挤出机中，该挤出机的工作温度和压力要保证使挤出物排出挤出机模头时其横截面大于模具的出口截面。然后可将所述膨胀后的产品送入纸烟滤芯制造机的烟枪中，或者是先将其切碎，收集在一起，再于滤芯制造机的烟枪中成形为纸烟滤芯。按照该文献方法所得产品的缺点是水份含量低，因此较脆易碎，尽管该产品被明显地膨胀，但却非常不适宜制造标准滤芯产品。故此，当把上述产品用于过滤嘴制造机中卷制成滤芯以便于与烟丝条相连接时，很可能会出现物理性断裂现象。另外，还发现，聚丙烯及具有同样熔点的其它塑料材料与其自身和/或多糖膨胀介质熔合后如果放置在自然环境中不会熔化而产生遗留下熔融的混合(amalgamation)塑料材料。

本发明的目的是提供生产过滤产品的方法，该过滤产品特别适用于过滤香烟烟雾，并且是可降解的，尤其是在自然环境的气候条件下是可降解的。

本发明的另一个目的是提供一种过滤产品，该过滤产品具有适于制造香烟烟雾滤芯和过滤嘴纸烟的物理特性，并且是可降解的，尤其是在自然环境的气候条件下是可降解的。

自然环境的气候条件是利用Q-Panel公司制造的Q.U.V.老化试验仪(水平式)模拟形成的。该仪器能够再现由光照、雨淋和露水造成的对放置在室外材料的破坏情形。试验采用本发明的过滤芯和作为对照用的常规醋酸纤维素和纸滤芯，将这些样品暴露于变换紫外光和湿度循环及控制升高温度的条件中一段预定的时间。所述的循环条件是：

1.8小时紫外光，60℃。

2.0.5小时“雨淋”，室温。

3.3.5小时冷凝，50℃。

本发明提供了一种含有无机材料、水溶性多糖膨胀介质，粘合剂和水的挤出成型的过滤材料，其中该过滤材料是可降解的。

本发明所用术语“可降解的”是指所有水溶性或水可分散性组分是可被溶解或可被分散的，非水溶性或非水分散性组分不会形成熔合或熔融混合物。这是一种物理变化，即挤出物由于水和/或阳光的作用其强度和形状受到损失。

当采用多糖膨胀介质时，“水溶性”一词是指溶于溶液(完全或部分)，或形成水悬浮液的化合物。因此，水溶性多糖介质还可以定义为水可悬浮性多糖介质。最终挤出成型产品中的介质因其所具有的特性还应该能够吸收水分，该水份会造成产品结构的破坏。

本发明所用术语“挤出成型”一词是指任何能使物料在加压或不加压下挤出通过模孔，从而使挤压材料处于压力降低状况下这样的一种方法。由模孔排出时，适宜的的压力降范围为降低15巴至降低70巴，但是当以糖为增塑剂时，压差可以高达170巴。压力降可以通过挤出进入真空而达到。

本发明还提供了另一种生产挤出成型过滤材料的方法，在该方法中，首先将无机材料、水溶性多糖膨胀介质，粘合剂和水混合在一起，然后使之挤出通过挤出机模具的排出孔，其中所选用的无机材料的熔点要高于在任何特定工作压力下的挤出过程中工作温度，由此所得的挤压产品是多孔状可降解的。

最好，该挤出成型的过滤材料含有以挤出成型材料干重计为0-85％的无机材料，0-20％的水溶性多糖膨胀介质和0-25％的粘合剂。

挤出最好是在挤出机模具处的压力高于大气压下进行。另外，挤出可以在基本上大气压进入真空时发生，如注模法。

本发明还提供了一种可降解的吸烟制品及可降解的滤芯，前者包括包卷在可降解的外包装材料中的可降解吸烟材料，后者包括包卷在可降解的外包装材料中的挤出成型过滤材料，所说的过滤材料含有65-90％无机材料，5-20％水溶性多糖膨胀介质和5-25％粘合剂，以挤出成型的过滤材料的总干重计，并且该过滤材料是按前述方法制造的。

过滤材料最好是香烟烟雾过滤材料。

适用的无材料可以是矿物土材料，如蛭石和氧化铝，或者诸如炭、氢氧化铝或白垩之类的材料。象Metaspheres 50，硅铝酸盐如Garolite以及Trihyde这样的材料也是可以使用的。Garolite是Croxton & Garry，Dorking的商品名称，是一种惰性低密度空心硅酸盐玻璃球填料。Metaspheres 50是Phillite有限公司的商品名称。Trihyde是Croxton & Garry，Dorking的商品名称，即氧化铝三水合物。无机材料最好是颗粒状的。也可以采用上述这些化合物的混合物。

膨胀介质优选淀粉，可以是天然淀粉，如具有高比例支链淀粉而非直链淀粉的玉米淀粉，或是具有高比例直链淀粉这样的淀粉，如Natiohal Starch and Chemical公司出售的Hylon(VII)(注册商标)。也可以采用大米或木薯淀粉。如果化学改性淀粉的水溶性达到足够的程度，那么也是可以使用的，例如以Ecofoam注册商标出售的羟丙基直链淀粉。酸解或酶解之类的化学改性淀粉也是适用的。适用的淀粉是食品级的淀粉。混合淀粉亦可采用。混合膨胀介质同样可以使用。

粘合剂材料优选纤维素粘合剂，如羟乙基经纤维素，特别是羟丙基纤维素，或者是羧甲基纤维素，如羧甲基纤维素钠。果胶，藻酸盐或其它类似水溶性的粘合剂同样可以使用。亦可采用粘合剂混合物。

按送入挤出机的物料加上水的重量计，水可以占1-35％，优选1-30％，更优选1-25％，最优选5-20％。当上述某一组分为0％时，该组分应视为是选择性组分。

在本发明所列举的所有实施方式中，增塑剂的存在能赋予挤出物以弹性，这对于挤出物的加工是特别有用的。

送入挤出机物料中的0-25％(以干重量计)可以是选择性成分增塑剂，如甘油、糖或一种湿润剂。根据产品的要求，可以优选使用0-20％，更优选0-15％，最优选0-l0％的增塑剂。最好是使用以送入挤出机中的干物质重计为3-10％的增塑剂。

在常用的一种实施方式中，根据所要求的产品特性，无机材料的用量优选占送入挤出机中的干物质的约65％(重)，多糖占约10(重)，粘合剂占20％(重)。

在本发明的另一类实施方式中，以送入挤出机中的物料干重计，其配方包括65-80％的无机材料，8-15％的多糖材料以及9-20％的粘合剂材料。

挤出机筒体的适宜温度分布是：进料部分即第一段低于65℃，第二段65℃，第三段85℃，模具端即第四段115℃。在模具处挤出物的温度以大于100℃为宜，但也可以在50℃-200℃的范围内。当然，模具处的温度将取决于送入挤出机的塑料材料，其熔点以及制造的过滤材料的物理要求。

挤出机的工作压力以及转矩和排出物的过程取决于例如试验中所用的物料及物料配方，螺旋转速，螺旋构造，筒体内混合物中的水量，进料速度以及模具尺寸。确切的操作条作将取决于物料配方，挤出机构造以及所要求的挤出成型产品的特性。这些条件本领域技术人员是很容易确定的，无需花费创造性劳动。

向挤出机中引入水的目的是为了得到泡沫状结构的挤出物。送进挤出机的物料在其中受到加热、剪切和压力的作用，这样，当从挤出机的模具出口排料时，水或者说至少有一部分水会立即蒸发变成蒸汽，由此在挤出物内部造成微孔，继而得到膨胀的挤出物。水可以通过挤出机筒体上的各口注入进挤出机，并且可以同时/或通过挤出机的进料斗把水引入挤出机。

在挤出机的模具出口处排料时由于水份蒸发而产生的多孔结构最好是能提供一种适于空气和/或烟雾通过的多微孔结构。多孔结构可以包括一部分封闭的微孔和一部分相互连通或敞露的微孔，只要沿着挤出物的长度方向有足够多的相互连通的微孔使截断的挤出物部分具有可接受的压力降即可。例如，把截断的挤出物部分放入压力降测试机中可以测定出压力降。压力降测定值表示空气沿着挤出物截段的长度方向排出时对空气的阻力大小。

过滤材料优选被挤出成型为棒状，例如，通过一圆形模具向大气压挤压得到过滤材料棒。用作香烟烟雾过滤材料时，这种形状的过滤材料是特别有好处的，因为其形式接近传统滤芯棒的外观。滤芯棒尺寸和特性也是可以得到控制的。另外，例如，挤出物可以制成片状，然后再将其切碎，通过一个烟筒送入纸烟制造机的烟枪。还有一种方法是，可以在真空下把挤出物挤出排入一管形模具。

本发明提供了一种包括棒状挤出成型的过滤材料的香烟烟雾滤芯，该棒状过滤材料是可降解的并是按本发明方法生产的。

在一种试验规模的挤出机中，如Clextral BC21，模具直径可以为2.5-10mm。然后可以将排出模具的膨胀挤出物规格成型化达到常规或要求的芯棒直径。当把试验设计按比例放大到实际尺寸时即可以很容易地确定用于产生目的的优选模具尺寸。

挤出成型后的过滤材料的组成将会与送入挤出机的物料组成相类似，因为采用的是封闭系统操作。最终产品的组成取决于测定产品时的湿度条件。

挤出物排出模具时的水份含量一般为约5％-35％。挤出成型后成品的密度可以在100mg/cc-560mg/cc。成品的密度优选100mg/cc-400mg/cc，最好为125mg/cc-300mg/cc。按照本发明方法可以生产得到密度与常规滤芯棒密度类似的棒状过滤材料。当然，成品的密度取决于送入挤出机的原配方，挤出机的操作条件，挤出成型对挤出物进行处理的方法。

本发明的过滤材料挤出成型棒当用外包叶加外包装时可以先用激光穿孔，以改变当滤芯棒与吸烟材料连接时香烟烟雾的释放。以在挤出成型棒的表面进行激光穿孔为宜。也可以采用多孔外包烟叶。

已发现，在压力降为30-120mm W.G./20mm棒范围内，挤出成型的过滤材料的过滤效率基本上可以是恒定的。该特性是意想不到的，是从常规的棒状过滤材料看不出的。

还发现，在老化试验仪中，当暴露在自然环境中挤出过滤材料的截断棒于老化试验仪中会很快开始崩解，相当于24小时暴露在自然环境中。该特征被阐述于本申请中，和该特征是常规醋酸纤维素滤芯棒所不具有的。

本发明的滤芯棒在100mm长度上的棒压力降为100mn WG-700mm WG。该压力降范围明显宽于常规醋酸纤维素滤芯棒的范围。宽的压力降范围是有益的，例如，对于由从模具出来进一步加工挤出成型棒造成的压降范围的减少可提供很大的范围。

本发明所述的对大多数样品测定的压力降是指不对模具出口的挤出棒进行下步加工的样品的压力降，而不是用手工把长棒收集到盘中处的压力降。

已发现，按本发明挤出的滤芯棒的硬度比用常规醋酸纤维素短纤维制造的硬度至少高约10％。但是申请人发现，通过改变挤出机的进料配方可以使硬度值接近常规醋酸素滤棒的硬度值。目前申请人认为，调节挤出机操作条件对硬度的影响比改变配方要小。

挤出成型棒中还可以含有能够促进在阳光下降解的可光降解物质。

为了便于本发明，请参照附图，其中：

图1示出了实施本发明方法的设备。

下面用实施例来进一步详细说明本发明。

                    实施例1

利用Baker Perkins MPS 50挤出机，添加无机填料做一系列实验。筒体分五段，沿着模具端段的方向，筒温分别为50℃、65℃、75℃、85℃和95℃。

按近似的干重计，每种掺混物的基础配方是65％的无机填料，10％淀粉，20％的粘合剂和5％的甘油，其中粘合剂是由12％的羟丙基纤维素和8％的羧甲基纤维素组成的。另外把水加到挤出机的筒体中。在一部分实验中，无机填料是一种混合材料。无机填料的详细情况和挤出成型产品的物理特性在下表1中给出。

                    表1

无机填料(％干重)	过滤芯特性					螺旋转速(rpm)
							长度(mm)	重量(mg)	周长(mm)	压力降(mm W.G.)	模具尺寸(mm)
	65％氢氧化铝	70.45	1826	20.6	195							4.0	225
32.5％氢氧化铝						70.2	994	23.48	88	4.0	225
	32.5％氧化铝
49％氢氧化铝						70.45	1493	24.3	126	4.5	225
	16％氧化铝
Metaspherres 50						99.7	2730	24.18	579	6.5	225
	Garolite 50	99.9	2460	24.29	309							6.5	225
蛭石						99.9	3410	24.91	194	6.5	230
	Trihyde	101.8	6400	23.83	NM							9.0	270

                    实施例2

用白垩和碳进行另外一系列实验，挤出机和筒体条件与实施例1相同，具体如下：

材料               重量(％干重)

         实验A    实验B     实验C    实验D

白垩       -        -         80       71

 炭        65       70        -        -

淀粉       10       8         -        15羟丙基纤维素   12       12        9        9羧甲基纤维素   8        5         6        -

甘油       5        5         5        5

另外将水送入挤出机筒体中。挤出成型棒的物理特性详见下表2。

                    表2实验  长度   重量    周长    压力降  模具尺寸  螺旋转速

    (mm)   (mg)    (mm)   (mmW.G.)   (mm)     (rpm)A     70.2   1600    24.51    231        -        -B     69.5   1700    24.24    390        -        -C     71.1   2660    22.48    NM        6.5      225D     69.6   1450    24.08    NM        5.0      225

可以注意到，试验滤芯的过滤效率与常规结构的纯醋酸纤维素滤芯的预期过滤效率对压力降的增大有不同的反映。本发明的滤芯棒的过滤效果在30-120mmWG压力降范围内有效地保持不变。相反，常规滤芯随着压力降增大过滤效果提高。

常规醋酸纤维素滤芯的压力降和效率与滤芯构造中所用的纤维总表面积有直接的关系。本发明滤芯和常规醋酸纤维素短纤维滤芯在效率上的差异说明本发明滤芯具有不同的物理结构。

本发明滤芯在过滤效率上的同一性可以被纸烟设计者所利用。例如，对于长20mm，压力降为20-120mm WG，过滤效率基本不变的滤芯棒来说，大概可以通过增加或减小滤芯棒的长度来改变所说滤芯棒的过滤效率。

还可以利用穿孔来改变滤芯压力降和烟雾释放量。本发明能够生产出比同样长度的常规醋酸纤维素短纤纸滤芯的压力降大但过滤效率低的过滤芯。按本发明生产的穿孔的滤芯可以降低压力降，但同时某些主要烟雾成份的释放量总体上有所减少，这样，由本发明生产的滤芯的压力降和释放量将与类似纸烟设计中所看到的醋酸纤维素滤芯的情况相同。但是，通常不受过滤影向的一些烟雾成份(如二氧化碳之类的气体，蒸气相组分等)通过所说的穿孔将会有所减少。

据信，改变挤出机的操作条件，可以使挤出物的直径变得大得多。但是，挤出物的参数，如直径，当比常规直径大得多时，用常规测试设备是很难测定的。

Claims (7)

1.一种包含无机材料，水溶性多糖膨胀介质、粘合剂和水的挤出成型的过滤材料，其特征在于过滤材料是可降解的。

2.一种制造权利要求1的挤出成型的过滤材料的方法，其特征在于将无机材料，水溶性多糖膨胀介质、粘合剂与水混合在一起，使之挤压通过挤出机模具的排出孔，选用的无机材料其熔点应高于在挤出过程中任一具体工作压力下的工作温度，其中所得的挤出成型产品是多孔状可降解的。

3.根据权利要求1的挤出成型的过滤材料，其中所说的无机材料是下列物质中的一种或一种以上：蛭石、氧化铝、氢氧化铝、炭、白垩、Metaspheres 50(商品名)、硅铝酸盐、如Garolite(商品名)和Trihyde(商品名)。

4.根据权利要求2或3的挤出成型的过滤材料，其中以送入挤出机中的干物料重量计，所说的无机填充材料占60-85％(重量)，所说的多糖膨胀介质占5-20％(重量)，所说的粘合剂占5-25％(重量)。

5.根据权利要求4的挤出成型的过滤材料，其中另将3-10％的增塑剂送入所说的挤出机。

6.根据权利要求1的可降解的香烟制品，其包括用可降解的外包装材料包卷的可降解的香烟材料和可降解的过滤芯，该过滤芯包括以挤出成型材料的干重计为0-85％的无机材料，0-20％的水溶性多糖膨胀介质和0-25％的粘合剂。

7.根据权利要求7的可降解的香烟制品，其中送入挤出机的干材料包括60-85％(重量)的无机过滤材料，5-20％(重量)的水溶性多糖膨胀介质和5-25(重量)的粘合剂。