CN1328422A - 卷烟过滤嘴 - Google Patents

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Abstract

一种卷烟过滤嘴有与烟雾流的气态组分发生化学反应而除去之的试剂。所述试剂含有与掺入过滤嘴中的非挥发性无机基质共价键合的官能团。所述过滤嘴可从烟草烟雾中除去气态组分如醛。优选的官能团是与硅胶共价键合的3－氨丙基甲硅烷基(APS硅胶)。所述试剂可装入过滤嘴的空间中或掺入一或多个过滤元件如烟嘴纸、成形纸插入物、吸口塞、实心过滤元件或自由流动过滤元件中。所述试剂可以是纸如烟嘴纸或滤纸的一部分或涂于其上或掺入由纤维材料如乙酸纤维素或聚丙烯纤维形成的非纸类过滤元件中。其它优选的试剂包括氨乙基氨丙基甲硅烷基(AEAPS)硅胶和氨乙基氨乙基氨丙基甲硅烷基(AEAEAPS)硅胶。

Description

卷烟过滤嘴
发明背景
1.发明领域
本发明一般地涉及一种卷烟过滤嘴。更具体地，本发明涉及可选择性地从烟草烟雾中除去气态组分如醛的卷烟过滤嘴。
2.现有技术
现有技术中建议用各种各样的材料作为烟草烟雾过滤嘴。此类过滤材料包括棉、纸、纤维素、和某些合成纤维。但这些过滤材料仅从烟草烟雾中除去颗粒和可凝组分。它们几乎没有或没有从烟草烟雾中除去某些气态组分如醛的作用。
为此，现有技术中已提出许多添加剂以补充过滤材料的性能。例如US2815761；2881772；2968306；3003504；和3354886中列举出一些添加剂。现有技术中已知的一些添加剂可有效地从烟草烟雾中除去一定量的气态组分。然而，那些添加剂还存在许多缺陷。
例如，US2968306公开了用某些氨基酸如氨基乙酸除去烟草烟雾中的醛。已发现虽然氨基乙酸可降低烟草烟雾中的甲醛含量，但它在卷烟过滤嘴生产过程中不稳定。此外，它在储存期间释放出氨味。
因此，本发明的目的是提供卷烟过滤嘴结构，更具体地，提供没有与已知添加剂相伴的缺陷或缺点的可选择性地从烟草烟雾中除去气态组分如醛的卷烟过滤嘴。
发明概述
已意外地发现包含至少一种与非挥发性无机基质共价键合的反应性官能团的试剂可选择性地从烟草烟雾中除去气态组分如醛。还已意外地发现该体系不表现出与现有技术已知的添加剂相伴的缺陷。所述试剂优选掺入卷烟过滤嘴中，其中所述反应性官能团与所述烟雾流的气态组分发生化学反应而从所述烟雾流中除去所述气态组分。
优选的官能团是氨丙基甲硅烷基如3-氨丙基甲硅烷基。优选的基质是颗粒形式的，更优选硅胶。最优选的官能团/基质结构(试剂)包含与硅胶键合的3-氨丙基甲硅烷基(以下称为“APS硅胶”)。该试剂可选择性地从烟草烟雾中除去气态组分如极性化合物(例如醛和氰化氢)。其它优选的试剂包括氨乙基氨丙基甲硅烷基(AEAPS)硅胶和氨乙基氨乙基氨丙基甲硅烷基(AEAEAPS)硅胶。
卷烟典型地包含两部分-含烟草的部分(有时称为烟丝或卷烟条)和过滤嘴部分(可称为滤嘴)。所述试剂可利于与卷烟的过滤嘴部分一起使用。例如，所述APS硅胶可掺入滤纸即位于卷烟的过滤嘴部分的纸中。所述APS硅胶也可掺入过滤嘴部分的纤维内或形成滤嘴塞掺入所述过滤嘴部分和/或卷烟条部分中。
附图简述
图1为按本发明一实施方案构造的卷烟的部分分解透视图，其中包含与烟雾组分发生化学反应的试剂的折叠纸插入所述卷烟的管状过滤嘴元件的中空部分内；
图2为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入折叠纸中，该纸插入管状过滤嘴元件的中空部分内；
图3为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入塞-空-塞式过滤嘴元件内；
图4为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入有三个塞的三段过滤嘴元件内；
图5为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入有塞-空-塞式结构和中空套筒的四段过滤嘴元件内；
图6为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入有两个塞和中空套筒的三段过滤嘴元件内；
图7为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入有两个塞的两段过滤嘴元件内；
图8为本发明另一实施方案的部分分解透视图，其中所述试剂掺入与电吸烟装置一起使用的卷烟的过滤嘴元件内；
图9示出本发明中试剂的代表性制备方法的起始原料、中间体、和最终APS硅胶试剂的化学结构；
图10给出硅胶的图示，其中典型的Si-O-Si键角为145°，Si-O键长为约1.62埃，典型的Si-Si间距为约3.06埃；
图11给出APS硅胶的图示，其中典型的Si-O-Si键角为145°，Si-O键长为约1.62埃，典型的Si-Si间距为约3.06埃；
图12示出AEAPS硅胶及其硅烷前体；
图13示出AEAEAPS硅胶及其硅胶前体；和
图14示出香烟烟雾与APS硅胶接触时甲醛如何与APS硅胶化学键合的化学式。
发明详述
本发明提供一种过滤嘴结构，通过与其中的试剂发生化学反应有效地除去香烟烟雾的组分。所述试剂优选包含至少一个反应性官能团。为防止所述试剂或其与目标香烟烟雾组分的反应产物被带入香烟烟雾流中，使所述官能团与非挥发性无机基质共价键合。此结构优于从烟雾流中吸收、吸附、或以其它非化学方式除去气态组分的过滤嘴结构。这种非化学方式除去的组分可能只是暂时除去，可能再进入烟雾流中，或者与挥发性试剂反应产生本身挥发性产品，因而可再进入烟雾流中。根据本发明，由于所述反应性官能团与基质共价键合，一旦所述气态组分与所述试剂发生化学反应，就可防止已除去的组分(及其反应产物)再进入烟雾流中。
就其中所述试剂为APS硅胶的最优选实施方案提供以下解释。不希望受理论限制，相信所述APS硅胶包含伯胺基。在普通吸烟条件下，所述伯胺基与烟草烟雾中的醛发生化学反应而与之共价键合。从而选择性地从烟草烟雾中除去醛。此外，由于所述反应性官能团及其与醛反应所得产物与非挥发性硅胶共价键合，所以主流烟草烟雾基本上不含APS硅胶及与之键合的醛。
烟草烟雾中可用本发明试剂选择性地去除的醛包括但不限于甲醛、乙醛、丙烯醛、丙二醛、巴豆醛等。
在第一优选实施方案中，所述试剂如APS硅胶掺入位于卷烟过滤嘴部分的载体如纸(例如烟嘴纸(tipping paper))内或其上。如本领域技术人员所知，这种纸可用作例如卷烟过滤嘴部分的包装材料或衬里。也可将所述试剂如APS硅胶装在载体如轻度或紧密折叠的纸上插入卷烟过滤嘴的中空部分内。所述载体优选为片材形式如绉纹纸、滤纸、或烟嘴纸。但也可使用其它适合的载体材料如适合于卷烟的有机或无机材料。
图1说明有烟丝条4、过滤嘴部分6、和吸口滤塞8的卷烟2。如图所示，APS硅胶试剂可装在折叠纸10上插入空腔如形成过滤嘴部分6的部分的自由流动套筒12的内部。
图2示出有烟丝条4和过滤嘴部分6的卷烟2，其中折叠纸10放在位于吸口滤塞8和第二自由流动套筒15之间的第一自由流动套筒13的空腔内。纸10可使用除折叠纸以外的形式。例如，纸10可采用一或多个单独的纸条、卷筒等形式。无论采用哪种形式，都可通过试剂涂布量/纸的面积和/或过滤嘴中所用涂布纸的总面积在卷烟过滤嘴部分中提供要求量的试剂如APS硅胶，例如可简单地通过使用更大的涂布纸片提供更大量的APS硅胶。图1和2中所示卷烟中，用烟嘴纸14将烟丝条4和过滤嘴部分6连接在一起。这两个卷烟中，可用过滤嘴外包装纸11使过滤嘴部分6合在一起。
试剂如APS硅胶可以各种方式掺入滤纸中。例如，可使APS硅胶与水混合形成浆液。然后将所述浆液涂布在预制滤纸上，使之干燥。再以图1和2中所示方式将所述滤纸掺入卷烟的过滤嘴部分中。或者，可将干燥后的纸卷成塞状，插入卷烟的过滤嘴部分内。例如可将所述纸卷成塞状，作为塞插入自由流动过滤嘴元件如聚丙烯或乙酸纤维素套筒内部。在另一结构中，所述纸可构成这种自由流动过滤嘴元件的内衬。
或者更优选地，在造纸过程中将所述试剂如APS硅胶加入滤纸中。例如，可使APS硅胶与纤维素主体混合形成纤维素纸浆混合物。然后按本领域已知方法将所述混合物制成滤纸。
在本发明另一优选实施方案中，所述试剂如APS硅胶掺入卷烟过滤嘴部分的纤维材料中。这种过滤材料包括但不限于纤维过滤材料(包括纸)、乙酸纤维素纤维、和聚丙烯纤维。该实施方案示于图3中，图3示出由烟丝条4和有吸口过滤嘴8、塞16和空间18的塞-空-塞式过滤嘴形式的过滤嘴部分6组成的卷烟2。塞16可包括管状或实心的材料如聚丙烯或乙酸纤维素纤维。用烟嘴纸14使烟丝条4和过滤嘴部分6连接在一起。过滤嘴部分6可包括过滤嘴外包装纸11。过滤嘴外包装纸11包含传统的纤维状过滤材料，试剂如APS硅胶可掺入过滤嘴外包装纸11内或其上如涂布于其上。或者，可将APS硅胶掺入吸口过滤嘴8、塞16、和/或空间18内。此外，可将APS硅胶掺入卷烟过滤嘴部分的任何元件内。例如，所述过滤嘴部分可仅由吸口过滤嘴8构成，所述APS硅胶可掺入吸口过滤嘴8和/或烟嘴纸14内。
图4示出由烟丝条4和过滤嘴部分6组成的卷烟2。该结构与图3类似，但空间18中填充APS硅胶颗粒或者塞15由包含APS硅胶的材料如聚丙烯或乙酸纤维素纤维制成。与前面的实施方案一样，塞16可以是中空或实心的，烟丝条4和过滤嘴部分6用烟嘴纸14连接在一起。也有过滤嘴外包装纸11。
图5示出由烟丝条4和过滤嘴部分6组成的卷烟2，其中过滤嘴部分6包括吸口过滤嘴8、过滤嘴外包装纸11、连接烟丝条4和过滤嘴部分6的烟嘴纸14、空间18、塞16、和中空套筒20。所述APS硅胶可掺入过滤嘴部分6的一或多个元件中。例如，可将APS硅胶掺入套筒20内或将APS硅胶颗粒填充至套筒20的空间内。如需要，所述塞16和套筒20可由含APS硅胶的材料如聚丙烯或乙酸纤维素纤维制成。与前面的实施方案一样，塞16可以是空心或实心的。
图6和7示出过滤嘴部分6的其它修改。图6中，卷烟2由烟丝条4和过滤嘴部分6组成。过滤嘴部分6包括吸口过滤嘴8、过滤嘴外包装纸11、塞22、和套筒20，APS硅胶可掺入这些过滤嘴元件之一或多个中。图7中，过滤嘴部分6包括吸口过滤嘴8和塞24，APS硅胶可掺入这些过滤嘴元件之一或多个中。与塞16一样，塞22和24可以是空心或实心的。在图6和7所示卷烟中，烟丝条4和过滤嘴部分6通过烟嘴纸14连接在一起。
可用各种技术将所述试剂如APS硅胶施于过滤纤维或其它基质载体。例如，可在过滤纤维制成滤芯(例如烟嘴)之前将APS硅胶加入过滤纤维中。例如，APS硅胶可以干粉或浆液形式通过本领域已知方法加入过滤纤维中。如果APS硅胶以浆液形式施加，则在纤维制成滤芯之前使之干燥。
另一优选实施方案中，所述试剂如APS硅胶用于卷烟过滤嘴的中空部分。例如，某些卷烟过滤嘴有塞/空/塞构型，其中所述塞包含纤维状过滤材料，所述空间只是在两个过滤塞之间的空隙。该空隙可填充本发明的APS硅胶。该实施方案的一例示于图3中。所述APS硅胶可以是颗粒状的或者可载于适合的载体如纤维或纱上。
在本发明另一实施方案中，所述试剂如APS硅胶用于与US5692525中所述吸烟装置一起使用的卷烟的过滤嘴部分，该文献引入本文供参考。图8示出一类可与电吸烟装置一起使用的卷烟100的构造。如图所示，卷烟100包括通过烟嘴纸64连接的烟丝条60和过滤嘴部分62。过滤嘴部分62优选包含管状的自由流动过滤元件102和吸口过滤塞104。所述自由流动过滤元件102和吸口过滤塞104可用包塞纸112以组合塞110的形式连接在一起。烟丝条60可以各种形式掺入以下之一或多项：外包装纸71、另一管状自由流动过滤元件74、圆柱状烟丝塞80(优选包裹在包塞纸84中)、包括基网片68和烟香材料70的卷烟网片66、和空隙空间91。所述自由流动过滤元件74在烟丝条60的烟嘴端72提供结构限定和支承。在烟丝条60的自由端78，卷烟网片66及外包装纸71包裹在圆柱状烟丝塞80周围。可对该卷烟的过滤嘴结构做各种改变掺入本发明试剂。
在该卷烟中，可以各种方式掺入所述试剂如APS硅胶，例如通过负载于装入所述管状自由流动过滤元件102的通道内的纸或其它基材上。也可作为所述管状自由流动过滤元件102内部的衬里或塞使用。或者，所述试剂如APS硅胶可掺入管状自由流动过滤元件102本身的纤维壁部分中。例如，所述管状自由流动过滤元件或套筒102可由适合的材料如聚丙烯或乙酸纤维素纤维制成，可在形成套筒之前或作为套筒形成工艺的一部分，使所述试剂如APS硅胶与所述纤维混合。
另一实施方案中，所述试剂如APS硅胶可掺入吸口过滤塞104中，代替掺入元件102中。然而，与前面所述实施方案一样，根据本发明，所述试剂如APS硅胶可掺入过滤嘴部分的多于一个组分中，如掺入吸口过滤塞104和管状自由流动过滤元件102中。
图8的过滤嘴部分62还可改成产生空隙空间，在其中插入所述试剂如颗粒状APS硅胶。
如上所述，所述APS硅胶可掺入各种载体材料中。当所述APS硅胶用于滤纸时，所述硅胶粒的平均粒径可为10至100μm，优选40至50μm。所述APS硅胶用于过滤纤维或其它机械支承时，可使用更大的硅胶颗粒。该颗粒优选筛目尺寸优选为14至60、更优选35至60目。所述硅胶颗粒的平均孔径优选为约40至约250埃，更优选约150埃。
通过掺入适合的载体如滤纸和/或过滤纤维上用于卷烟过滤嘴的APS硅胶量取决于烟草烟雾中醛的量和要求除去的醛量。例如，所述过滤纸和过滤纤维可包含10至50％(重)的APS硅胶。
任何商购的APS硅胶如购自J.T.Baker Chemical Co.，Philipsburg，New Jersey的那些均可用于本发明。应注意所述J.T.Baker产品被“封闭”。这意味着通过用憎水基团覆盖使所述游离硅胶表面即未与APS硅胶基共价键合的表面为非极性。
还可通过以下方法制备所述APS硅胶：例如，在水和乙醇溶剂中混合氨丙基三乙氧基硅烷(更优选3-氨丙基三乙氧基硅烷)与硅胶。也可使用其它溶剂如甲苯。将所述混合物加热几小时使3-氨丙基三乙氧基硅烷与硅胶表面反应并与之化学键合。然后滗析出反应混合物得到含APS硅胶的反应产品。随后将所述反应产品用溶剂漂洗，在烘箱中在约100℃或更高的温度下干燥。虽然所述漂洗和干燥步骤是可任选的，但所述干燥步骤是优选的。与所述J.T.Baker产品不同，通过此方法制备的APS硅胶未被“封闭”。
上一段描述的工艺路线可用其它氨丙基三烷氧基硅烷如3-氨丙基三甲氧基硅烷实施。
所述APS硅胶也可通过以下更具体的步骤制备。在水和乙醇的溶液中迅速搅拌所选硅胶的悬浮液。向该混合物中加入3-氨丙基三烷氧基硅烷(优选3-氨丙基三乙氧基硅烷)。可在加热之前、期间或之后加入所述3-氨丙基三烷氧基硅烷。优选预先用无水乙醇稀释所述3-氨丙基三烷氧基硅烷。然后将所得混合物加热，优选加热至沸点。在最优选的实施方案中，将乙醇蒸出而被水置换。通过诸如过滤和任选地用溶剂(优选水)漂洗等步骤分离出所述固体。然后在烘箱中加热所述固体直至失水已达到与环境的平衡。典型的实施方案涉及在约105℃下加热过夜。
图9示出用3-氨丙基三乙氧基硅烷和硅胶作为起始原料时APS硅胶的制备过程中发生的反应的最有可能的机理。此机理也适用于其它3-氨丙基三烷氧基硅烷。如图所示，3-氨丙基三乙氧基硅烷在适当条件下与水接触时，乙氧基被羟基置换而得到3-氨丙基三羟基硅烷中间体。据信该中间体在与硅胶反应之前经历构象变化(使所述单体形式稳定足以使之可用于含水介质)，如图9中所示。图9进一步示出3-氨丙基三羟基硅烷和硅胶的中间反应产物的结构。图9最后示出固化后交联的APS硅胶产物。所述固化导致失去羟基形成所述反应基团的至少一个双连接的硅锚。
如图9中所示，硅胶的每个硅原子都以四面体与四个氧原子配位，氧原子与两个硅原子键合或与一个硅和一个质子(OH)键合。孔的尺寸(图9中以环表示)可改变，但典型地为直径约150埃。
3-氨丙基三乙氧基硅烷可购自Dow Corning Corp.。硅胶可购自Grace Davison Division of W.R.Grace & Co.。
实施例
APS硅胶材料的制备
将Grace Davison 646(35×60目，孔径150埃)硅胶(约1700至2000g)放入12升Pyrex玻璃釜中。加入蒸馏水(4L)和95％乙醇(2L；100％乙醇也可接受)。闭合夹头有用于搅拌棒的中颈和用于添加试剂和蒸汽出口的三个外围颈。不锈钢桨式搅拌器连接在高扭矩(50in-lb)数字控制的搅拌器上。所述高扭矩搅拌器需要双固定在坚固的支架系统上，起到该釜的参考点的作用。后者由“Lab-Jacks”系统升高和降低，相对于固定的搅拌棒精确地安置。要求搅拌桨相当接近釜底但不触及。搅拌桨必须决不触及釜底，甚至在“暴沸”导致烧瓶/釜回弹期间也不触及釜底。必须束缚该烧瓶防止在“暴沸”期间移动，暴沸是不可避免的，但搅拌使它减小。发现塑料轴承是有利的，因为不锈钢轴承容易卡住，玻璃轴承容易断裂。将所述混合物以200至300RPM搅拌，加热(12升的罩，双加热区，每区100伏特)。将用100％乙醇(1L，包括漂洗)稀释的3-氨丙基三乙氧基硅烷(1×500g瓶)尽可能快地加入所述搅拌加热的混合物中。(掺入更高含量的APS官能团可通过增加试剂用量实现)。
蒸出乙醇。已收集到约2L含水的乙醇馏出液时，向反应中加水(2L)以恢复原体积。再收集两升馏出液，再加入两升置换水。停止加热，继续搅拌直至暴沸停息。使所述混合物冷却过夜。拆下所述装置，手动地使所述硅胶打漩，倒入4升塑料杯中，用重复使用的上层清液完成固体的取出。在大(直径18至24cm)Buchner漏斗上滤出固体，用少量水漂洗(最多几百毫升)。抽吸出大多数液体之后，将湿固体移至不锈钢盘中，在烘箱中于105℃干燥过夜。
根据3-氨丙基三乙氧基硅烷相对于起始硅胶的用量，所述干燥产品标称增重在约8至约24％的范围内。以下实施例中所用批料之一是由1692.4g Grace Division Silica Gel 646和500.1g 3-氨丙基三乙氧基硅烷在上述一般条件下制备的。干燥后，得到1891g APS二氧化硅。分析试样的C、H和N。得到：C，4.21％、H，1.37％、N，1.58％。基于所述氮的分析结果，所述二氧化硅的3-氨丙基含量为产品总量的6.55％(重)。
卷烟试验
进行数次试验确定本发明卷烟过滤嘴与传统装置相比从烟草烟雾中除去醛的能力。这些试验测量卷烟吸完后从全部烟雾流中除去的醛量。WS代表所述烟雾全部收集和分析之后从全部烟雾流中除去的醛量(％)。TPM代表卷烟过滤嘴部分中收集的颗粒材料量(mg/支烟)。
以下试验中，所用硅胶在上述制备过程中从原硅胶的标称增重为约8至25％。根据以下试验，优选的增重为约8至16％，优选10至15％。重要的是注意此增重不是指因除去醛所致增重。是指给所述硅胶加入官能团如APS官能团的反应所致增重。用于本发明特别有效的APS硅胶显示氮含量优选在约1至3％(重)的范围内，更优选在约1.5至约2.1％的范围内。
实施例1
按图1构造卷烟的过滤嘴部分，有图8的烟丝条部分。按本发明构造的定为试样2的过滤嘴部分含有16.5mg APS硅胶，在一张折叠的滤纸10(17mm×23mm)上，该纸插入管状过滤嘴12的中空部分。按本发明构造的定为试样3的另一过滤嘴部分含有21mg APS硅胶，在一张折叠的滤纸10(22mm×23mm)上，该纸插入管状过滤嘴12的中空部分。构造使用无任何APS硅胶的折叠滤纸(17mm×23mm)插入管状过滤嘴中空部分的对比过滤嘴部分作为对照，定为试样1。对于试样2和3，制备15支卷烟用于TPM测量，制备9支卷烟用于WS测量。对于对照试样1，制备15支卷烟用于TPM测量，制备15支卷烟用于WS测量。结果示于下表1中。
表1
    试样     TPM       WS
  1(对照)     2.85
2(16.5mg试剂)     2.83     ～61％
3(21.0mg试剂)     3.11     ～78％
实施例2
与实施例1中类似的卷烟包括更短的含所述APS硅胶的部分。在试样1-3中，按图2构造过滤嘴部分，包括16mm套筒13、7mm套筒12和7mm过滤塞8。套筒12装有一张(7mm×75mm)折叠的涂或未涂APS硅胶的纸。试验定为对照试样1(未涂纸)、试样2(涂有11mg APS硅胶的纸)、和试样3(涂有22mg APS硅胶的纸)的三个试样。每个试样制备15支卷烟用于TPM测量，9支用于WS测量。结果示于下表2中。
表2
    试样     TPM       WS
  1(对照)     3.37
2(11mg试剂)     3.14     ～69％
3(22mg试剂)     2.35     ～78％
实施例3
按有图2所示烟丝条和传统过滤嘴元件的更传统卷烟构造卷烟。试样1为无APS硅胶的对照试样，试样2在过滤嘴元件中装有50mg APS硅胶。测量WS，结果示于表3中。
表3
    试样     WS
    1(对照)
    2(50mg试剂)     ～71％
实施例4
按图8构造卷烟，在吸口过滤嘴中装有APS硅胶。试样1为对照试样，不含APS硅胶，试样2和3在7mm长的吸口过滤嘴104中装有APS硅胶。这些试样还包括与所述吸口过滤嘴相邻由聚丙烯制成的23mm长的套筒102。试样3中，在位于与过滤嘴元件相邻端的烟丝条内长7mm的另一聚丙烯套筒74中装有11mg APS硅胶。测量WS，结果示于表4中。
表4
    试样     WS
    1 对照
    2 有12mg试剂的聚丙烯吸口过滤嘴     ～46％
    3 有11mg试剂的聚丙烯吸口过滤嘴     ～41％
实施例5
按图8构造卷烟，APS硅胶装在不同过滤元件中。测试卷烟的WS和TPM含量，结果示于下表5中。
表5
    试样 TPM  WS
    1 对照
    2 有40mg试剂的聚丙烯套筒102和有11mg试剂的第二聚丙烯套筒74 5.88 ～38％
    3 有40mg试剂的聚丙烯套筒 5.11 ～35％
    4 有50mg试剂的乙酸纤维素套筒 4.71 ～35％
    5 有25mg试剂和25mg炭的聚丙烯套筒 5.73 ～33％
所有试样都有在过滤嘴部分内的23mm长的套筒102和7mm长吸口过滤嘴104。试样2中，装有APS硅胶的第二套筒74位于与过滤嘴部分相邻的烟丝条中，有4.0mm的内径。试样3-5中，与试样2的相似但无APS硅胶的第二套筒74有3.5mm的内径。
实施例6
按图5中所示塞-空-塞式实施方案构造卷烟。各卷烟中，管状自由流动过滤元件20长13mm，过滤塞8长5mm，过滤塞16长7mm，空隙空间18长5mm。对照试样1和3在空隙空间18中装有50mg无任何APS硅胶的硅胶，试样2和4在空隙空间18中装有50mg APS硅胶颗粒。测量WS，结果示于下表6中。
表6
    试样     WS
    1(对照)     ～50％
    2     ～87％
    3(对照)     ～78％
    4     超过93％
实施例7
下表7中试样2和3的卷烟分别按图6和7所示实施方案构造。试样2中，管状过滤元件20长16mm，过滤塞8长7mm，实心塞22长7mm，由手卷的APS硅胶和聚丙烯纤维混合物组成。试样3中，塞24长23mm，由手卷的APS硅胶和聚丙烯纤维混合物组成，过滤塞8长7mm。试样1为对照卷烟。测量TPM和WS。结果示于下表7中。
表7
  试样     TPM     WS
    1
    2     3.92     ～66％
    3     未测     ～81％
根据本发明，硅胶表面可化学改性获得要求的选择性过滤性能。在APS硅胶的情况下，氨丙基甲硅烷基通过一或多个硅-氧-硅共价键与硅胶骨架相连。位于氨丙基甲硅烷基末端(暴露或自由端)的伯胺基易与醛和酮反应。伯胺与醛反应生成亚胺和/或醛的其它共价键合衍生物。亚胺基或醛的其它共价键合衍生物锚定于硅胶上，因而该衍生物的形成足以从烟草烟雾中有效地除去醛和酮及其反应产物。伯胺基还通过酸碱反应与氰化氢反应从而降低烟草烟雾中此化合物的含量。硅胶是不定的水合形式的二氧化硅，有时称为“硅酸”，可通过酸从硅酸钠溶液中沉淀制备。硅胶可表征为硅氧烷四面体的多孔无序三维聚合物，形成片、带、链和有不同孔径大小的渗透孔的框架，通过全部三维结构的不同性质的交联形成。每个硅原子与位于四面体角处的四个氧原子键合。所述氧原子大多数与两个硅原子键合，但有些可与一个硅原子和一个氢原子键合产生“硅烷醇”官能团。多数氧原子为与两个硅原子键合的“硅氧烷”氧原子。有些称为“偕”硅烷二醇的硅原子与两个硅烷醇氧键合。绝大多数的硅烷醇基由一个硅原子及一个羟基和三个硅氧烷氧组成。这种硅烷醇可彼此隔离，但彼此相邻时称为“邻近的”硅烷醇(氧合-双-硅烷醇)。任何此硅烷醇官能团都为衍生基团如3-氨丙基甲硅烷基提供连接点。图10示出硅胶的图示，其中典型的Si-O-Si键角为145°，Si-O键长为约1.62埃，典型的Si-Si间距为约3.06埃。
APS硅胶可表征为在某些羟基位被衍生试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷改性的硅胶，使3-氨丙基甲硅烷基(APS)永久地连在多孔硅胶骨架上。所附的3-氨丙基甲硅烷基团可与含目标羰基的基质反应。图11示出APS硅胶的图示，其中典型的Si-O-Si键角为145°，Si-O键长为约1.62埃，典型的Si-Si间距为约3.06埃。可认为所述3-氨丙基甲硅烷基呈碱性，因为它们可从烟草烟雾主流中除去酸如氰化氢。这种APS硅胶的制备中，优选所述硅胶有较大的平均孔径。例如，尽管“干燥剂”硅胶有约20埃的孔径，APS硅胶的优选孔径为约60至150埃。大孔径的硅胶可由the Davison Chemical Division of the W.R.Grace& Company，Baltimore，Maryland得到。
制备这种大孔径硅胶的技术之一是：使硅酸钠溶液与稀硫酸混合，使溶液逐渐胶凝，水洗(几天)，干燥和研磨所述硅胶。在硅胶转化成APS硅胶中，可将所需粒度的硅胶与衍生试剂3-氨丙基三乙氧基硅烷一起在溶剂如水、乙醇、或甲苯等中加热，加热干燥所述反应产物使产品“固化”。任何未使用的试剂可在生产其它批APS硅胶中重复使用。
所述APS硅胶可用其它衍生试剂制备。例如，另一种可用的衍生试剂是3-氨丙基三甲氧基硅烷，它在生产过程中产生甲醇。相反，3-氨丙基三乙氧基硅烷产生乙醇。此外，可使所述硅胶改性引入除APS以外的基团或代替之。例如，可使硅胶改性形成氨乙基氨丙基甲硅烷基(AEAPS)硅胶，可用N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-乙二胺(Chemical Abstracts Service Registry No.1760-24-3)作为衍生试剂制备。图12示出所述起始硅烷和最终AEAPS硅胶的化学结构。或者，可使硅胶改性形成氨乙基氨乙基氨丙基甲硅烷基(AEAEAPS)硅胶，可用N1-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-二亚乙基三胺(ChemicalAbstracts Service Registry No.35141-30-1)作为衍生试剂制备。图13示出所述起始硅烷和最终AEAEAPS硅胶的化学结构。上述APS、AEAPS和AEAEAPS表面改性的硅胶可以工业量通过经济的生产条件制备。显而易见任何与二氧化硅共价键合的胺基如有其它胺官能团的同系物或类似物也可用作空气过滤器如本发明卷烟过滤嘴的组分。
过滤期间，所述APS硅胶可永久性地从空气流如烟草烟雾流中除去选定的气态组分。例如，通过在卷烟过滤嘴、卷烟纸、烟草填料和/或卷烟的装烟草的片材中掺入APS硅胶，可用所述APS硅胶从烟草烟雾中选择性地除去甲醛。图14示出香烟烟雾与APS硅胶接触时甲醛如何与APS硅胶化学键合的化学式。
虽然已结合优选实施方案描述了本发明，但应理解可做改变和修改对本领域技术人员来说是显而易见的。这种改变和修改应认为在所附权利要求书所限定的本发明范围内。例如，图9所示环结构是高度无序的硅胶结构内存在的宽范围的环尺寸的代表，不是要从通过本专利申请涵盖的物质组分中排除其它尺寸的环。

Claims (36)

1.一种卷烟过滤嘴，包含基本上由至少一种与非挥发性无机基质共价键合的反应性官能团组成的试剂，其中所述试剂与烟雾流的气态组分发生化学反应而从所述烟雾流中除去所述气态组分。
2.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述过滤嘴通过烟嘴纸与烟丝条相连，或所述试剂掺入选自烟嘴纸、成形纸插入物、塞、空间、或自由流动套筒之一或多个卷烟过滤嘴组成部分中。
3.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述官能团为氨丙基甲硅烷基如3-氨丙基甲硅烷基。
4.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述基质包括硅胶的颗粒或成形制品。
5.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中要从所述烟雾流中除去的所述气态组分是极性的如醛。
6.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述试剂掺入位于自由流动过滤器内的卷烟滤纸中，所述滤纸任选地有三维形状和/或所述滤纸为中空管状元件内部的衬里。
7.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述试剂与形成塞或自由流动过滤元件的乙酸纤维素纤维和/或聚丙烯纤维一起掺入。
8.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述试剂掺入空腔中，或所述试剂掺入吸口过滤塞和与所述吸口过滤塞相邻的管状过滤元件至少之一中，或者所述试剂掺入吸口过滤塞、与所述吸口过滤塞相邻的第一管状过滤元件、和与所述第一管状过滤元件相邻的第二管状过滤元件至少之一中，或者所述试剂掺入包括吸口过滤塞、与所述吸口过滤塞相邻的第一过滤塞、和与所述第一过滤塞相邻的第二过滤塞的三段过滤嘴的至少一部分中。
9.权利要求1的卷烟过滤嘴，其中所述试剂包含与硅胶共价键合的3-氨丙基甲硅烷基。
10.权利要求9的卷烟过滤嘴，其中所述硅胶的平均粒径为10至50μm，或者所述硅胶为25至60目的颗粒形式。
11.权利要求9的卷烟过滤嘴，其中所述试剂掺入空腔中，或所述试剂掺入吸口过滤塞和与所述吸口过滤塞相邻的管状过滤元件至少之一中，或者所述试剂掺入吸口过滤塞、与所述吸口过滤塞相邻的第一管状过滤元件、和与所述第一管状过滤元件相邻的第二管状过滤元件至少之一中，或者所述试剂掺入包括吸口过滤塞、与所述吸口过滤塞相邻的第一过滤塞、和与所述第一过滤塞相邻的第二过滤塞的三段过滤嘴的至少一部分中。
12.权利要求9的卷烟过滤嘴，其中所述硅胶的总氮含量在约1至3％(重)、优选1.5至2.1％(重)的范围内。
13.一种适用于除去烟草烟雾的气态组分的卷烟过滤嘴的制备方法，包括以下步骤：
制备基本上由至少一种与非挥发性无机基质共价键合的反应性官能团组成的试剂；和
将所述试剂掺入卷烟过滤嘴中，其中所述试剂与烟草烟雾的气态组分发生化学反应而从所述气体混合物中除去所述气态组分。
14.权利要求13的方法，还包括用烟嘴纸使所述卷烟过滤嘴与烟丝条相连，或将所述试剂掺入选自烟嘴纸、成形纸插入物、塞、空间、或自由流动套筒之一或多个卷烟过滤嘴组成部分中。
15.权利要求14的方法，还包括以下步骤：将所述滤纸放入卷烟的自由流动过滤嘴内，如将所述滤纸制成三维形状；或者将所述滤纸放在中空管状元件内部作为衬里；或者使所述试剂与纤维混合，由所述试剂和纤维制成过滤元件；或者使所述试剂与纤维素和/或聚丙烯纤维混合，制成塞或自由流动过滤元件；或将所述试剂掺入所述过滤嘴的空腔内。
16.权利要求13的方法，还包括以下步骤：将所述试剂掺入吸口过滤塞和与所述吸口过滤塞相邻的管状过滤元件至少之一中；或将所述试剂掺入吸口过滤塞、与所述吸口过滤塞相邻的第一管状过滤元件、和与所述第一管状过滤元件相邻的第二管状过滤元件至少之一中；或者将所述试剂掺入包括吸口过滤塞、与所述吸口过滤塞相邻的第一过滤塞、和与所述第一过滤塞相邻的第二过滤塞的三段过滤嘴之至少一部分中。
17.权利要求13的方法，其中所述试剂包含与硅胶共价键合的3-氨丙基甲硅烷基团，所述硅胶任选地平均粒径为至少10μm，或者所述硅胶为至少60目的颗粒形式。
18.权利要求17的方法，还包括以下步骤：使所述与硅胶共价键合的3-氨丙基甲硅烷基载于载体材料上形成所述卷烟过滤嘴的过滤元件；或者用所述与硅胶共价键合的3-氨丙基甲硅烷基涂布滤纸；或者使所述硅胶载于纤维上形成所述卷烟过滤嘴的过滤元件。
19.权利要求17的方法，其中所述硅胶以颗粒形式，所述方法还包括使所述硅胶颗粒载于过滤纤维或其它机械支承物上的步骤，所述硅胶颗粒的筛目尺寸为至少60目，平均孔径为约40至约250埃；或者所述硅胶包含球或粒，所述方法还包括将所述硅胶球或粒掺入载体材料中的步骤，所述硅胶球或粒的平均粒径为至少10μm。
20.一种除去烟草烟雾的气态组分的方法，包括使所述烟草烟雾与卷烟过滤嘴接触，所述卷烟过滤嘴包含基本上由至少一种与非挥发性无机基质共价键合的反应性官能团组成的试剂，所述试剂与所述烟草烟雾的气态组分发生化学反应而从所述烟草烟雾中除去所述气态组分。
21.权利要求20的方法，还包括以下步骤：燃烧烟草，使包含所述烟草烟雾的气流通过所述卷烟过滤嘴，以致要除去的烟草烟雾组分与所述试剂发生化学反应而防止其再进入所述气流。
22.权利要求20的方法，其中所述试剂掺入选自滤纸、烟嘴纸、成形纸插入物、塞、空间、或自由流动套筒之一或多个卷烟过滤嘴组成部分中，所述烟草烟雾通过所述一或多个过滤嘴组成部分。
23.权利要求20的方法，其中所述官能团为氨丙基甲硅烷基，所述官能团能有效地从烟草烟雾中除去醛，所述官能团优选为能有效地从烟草烟雾中除去甲醛的3-氨丙基甲硅烷基。
24.权利要求20的方法，其中所述基质包括颗粒或成形制品，所述烟草烟雾通过大量所述颗粒或通过所述成形制品。
25.权利要求20的方法，其中所述卷烟过滤嘴除去极性气态组分如醛。
26.权利要求20的方法，其中所述试剂包含与硅胶共价键合的3-氨丙基甲硅烷基，所述试剂放在一或多个过滤元件中，所述烟草烟雾通过所述一或多个过滤元件。
27.权利要求26的方法，其中所述硅胶的平均粒径为至少10μm，或者所述硅胶为至少60目的颗粒形式，所述烟草烟雾通过所述硅胶的大量颗粒。
28.权利要求26的方法，其中所述硅胶与乙酸纤维素纤维和/或聚丙烯纤维一起掺入，所述烟草烟雾是燃烧卷烟产生的烟雾流。
29.权利要求26的方法，其中所述卷烟过滤嘴包括装有所述硅胶的疏松颗粒的空间，所述烟草烟雾通过所述疏松颗粒；或者所述硅胶载于载体材料上，所述烟草烟雾流动而与载于所述载体材料上的所述硅胶接触。
30.权利要求26的方法，其中所述卷烟过滤嘴是吸口过滤塞、管状过滤元件、实心塞、或开放空间的部分，所述烟草烟雾通过所述过滤嘴。
31.权利要求26的方法，其中所述烟草烟雾通过装有或涂有所述硅胶的纸；或者所述烟草烟雾通过包含载有所述硅胶的纤维的卷烟过滤嘴。
32.权利要求26的方法，其中所述硅胶为过滤纤维或其它机械支承体上的颗粒形式，所述颗粒的筛目尺寸为至少60目，平均孔径为约40至约250埃，所述烟草烟雾通过包含所述硅胶颗粒和所述纤维或其它机械支承体的卷烟过滤嘴。
33.权利要求26的方法，其中所述硅胶包含掺入载体材料中的球或粒，所述硅胶球或粒的平均粒径为至少10μm，所述烟草烟雾通过包含所述硅胶球或粒的卷烟过滤嘴。
34.权利要求13的方法，其中所述试剂这样制备以致所述官能团包括3-氨丙基甲硅烷基或N-[2-氨乙基]-3-氨丙基甲硅烷基或N-[3-氨乙基]-3-氨丙基甲硅烷基或N-[N-(2-氨乙基)-2-氨乙基]-3-氨丙基甲硅烷基。
35.权利要求34的方法，其中通过硅胶与包含3-氨丙基三乙氧基硅烷或3-氨丙基三甲氧基硅烷或N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-乙二胺或N1-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]二亚乙基三胺的水或非水溶液反应制备所述试剂。
36.权利要求20的方法，其中所述基质包含过滤纤维，所述试剂以10至50％(重)的量与所述过滤纤维共价键合。
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