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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Rauch-Gegenstände wie beispielsweise Zigaretten
und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Zusammensetzung
zum Mentholieren von Zigaretten. Der Tabak-Strang der Zigarette
enthält
eine Verbindung, die bei Kontakt mit erhöhten Temperaturen zerfällt und
Menthol freisetzt.
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Hintergrund
der Erfindung
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Menthol
(oder 2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol) ist ein zyklisches Monoterpen.
Es ist ein Haupt-Bestandteil von Pfefferminzöl, das einen mintartigen Geschmack
und Duft hat und das ein kühlendes
Gefühl
verursacht, wenn es inhaliert oder eingenommen wird. Menthol wird
in einer Vielzahl von Produkten als Geschmacksstoff verwendet, einschließlich Zahnpasten,
Mundspülungen,
Oral-Sprays, Arzneimitteln, Hustentropfen, Hustenpastillen, analgetisch
bzw. schmerzlindernd wirkenden Balsamen, Inhalationsmitteln, Kaugummis,
harten Bonbons, Schokoladen, Getränken, Likören, Lotionen, After-Shave-Lotionen,
Shampoos, feuchten Handtüchern,
Parfums, Deodorants und dergleichen.
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Menthol
ist auch ein populärer
Geschmacksstoff zur Verwendung in Zigaretten, Pfeiffentabak, Kautabak
und anderen Rauch-Gegenständen.
Es wird extensiv verwendet aufgrund des erfrischenden, kühlenden Effekts,
den es Tabakrauch verleiht. Menthol hat jedoch einen hohen Grad
an Flüchtigkeit
bei Raumtemperatur. Diese Flüchtigkeit
macht es schwierig, die Konzentration an Menthol in Zigaretten zu
steuern, und dies kann zu Problemen beim Abpacken und Handhaben
führen.
Rauch-Produkte, die Menthol enthalten, können auch eine kurze Lagerungsdauer
aufgrund des Verlustes an Menthol aus dem Produkt während der
Lagerung aufweisen. Dieses Problem ist besonders akut für mit Menthol-Geschmack
versehene Zigaretten, die auch ein Aktivkohle-Filter einschließen. Menthol
wird irreversibel an Aktivkohle und andere Adsorbentien, die üblicherweise
in Filterzigaretten verwendet werden, gebunden, und im Verlauf der
Zeit resultiert ein wesentlicher und unannehmbarer Rückgang an
verfügbarem
Menthol. Die Adsorption von Menthol kann auch nachteilig die Leistung
des Zigaretten-Filters beim Entfernen unerwünschter Komponenten aus dem
Rauch beeinträchtigen,
die während
des Verbrennens des Tabak-Produkts erzeugt wird.
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Dementsprechend
wurden erhebliche Zeit und Ausgaben auf eine Entwicklung eines zufriedenstellenden
Verfahrens zur Herstellung von Zigaretten mit Menthol-Geschmack
aufgewendet. Verfahren zum Mentholieren von keinen Filter aufweisenden
Zigaretten und Filterzigaretten, die kein adsorbierendes Mittel
einschließen,
sind allgemein unbefriedigend bei Verwendung an Zigaretten mit einem
Aktivkohle-Filter. Beispielsweise ist das klassische Verfahren zum
Mentholieren unter Verwendung von mentholierten Streifen, die in
eine Zigarettenpackung eingebaut sind, nicht zufriedenstellend aufgrund
der Tatsache, dass Aktivkohle einfach das Menthol während der
Lagerung absorbiert, was zu dem führt, was im wesentlichen eine
nicht-mentholierte Zigarette ist.
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Andere
Verfahren zum Produzieren mentholierter Rauch-Produkte, die untersucht
wurden, schließen das
Bereitstellen von auf einem Träger
wie beispielsweise Diatomeen-Erde
adsorbiertem Menthol ein, von dem das Menthol später freigesetzt wird. Solche
Verfahrensweisen leiden unter niedrigen Menthol-Ausbeuten und können zu
einem unannehmbaren Geschmack oder einem unannehmbaren Aussehen
des Rauch-Produkts führen.
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Andere
Verfahrensweisen haben sich auf die Herstellung von Menthol-Derivaten
oder ähnlichen
Verbindungen fokussiert, die Menthol oder Menthol-ähnliche
Geschmacksstoffe bei Pyrolyse oder Hydrolyse freisetzen. Solche
Derivate schließen
Ester- und Carbonat-Derivate von Menthol ein, beispielsweise die
Derivate, die offenbart sind in den US-Patenten Nrn. 3,312,226,
3,332,428, 3,419,543, 4,119,106, 4,092,988, 4,171,702, 4,177,339,
4,212,310, 4,532,944 und 4,578,486. Jedoch können solche Derivate einen
oder mehrere Nachteile aufweisen. Beispielsweise können sie
einen Grad von Flüchtigkeit
haben, der sie ungeeignet für
eine Verwendung mit Adsorbentien macht; sie können keine ausreichende Menge
an freiem Menthol bei Zersetzen freisetzen; sie können instabil
oder schwierig zu verarbeiten sein, oder die Pyrolyse- oder Hydrolyse-Produkte können toxisch,
karzinogen sein oder können
zu einem unannehmbaren Geschmack führen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Zwar
wurden verschiedene Verfahren zum Mentholieren von Zigaretten bereitgestellt;
jedoch war bisher kein zufriedenstellendes und praktisch anwendbares
Verfahren verfügbar,
mit dem eine Zigarette über
einen Zerfall einer Menthol-Vorstufen-Verbindung mentholiert werden
kann. Es besteht daher ein Bedarf für Rauch-Materialien, die Gebrauch
von einem wirksamen Menthol-Abgabe-System machen, insbesondere von einem
System, das mit Rauch-Materialien kompatibel ist, die ein Aktivkohle
enthaltendes Filter einschließen.
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Dementsprechend
wird in einer ersten Ausführungsform
ein Rauch-Gegenstand bereitgestellt, wobei der Rauch-Gegenstand
umfasst: ein rauchbares Material und eine Verbindung, die Oxalsäuremono-(–)menthylester,
ein Salz von Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder Mischungen daraus einschließt.
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In
einem Aspekt der ersten Ausführungsform
wird die Verbindung auf dem rauchbaren Material abgelegt.
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In
verschiedenen Aspekten der ersten Ausführungsformen ist das Salz ein
Metall-Salz wie beispielsweise ein Alkalimetall-Salz, speziell ein
Natrium-Salz oder ein Kalium-Salz,
oder ein Erdalkalimetall-Salz, speziell ein Calcium-Salz oder ein
Magnesium-Salz.
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In
einem Aspekt der ersten Ausführungsform
ist der Rauch-Gegenstand eine Zigarette.
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In
einem Aspekt der ersten Ausführungsform
schließt
der Rauch-Gegenstand weiter ein Filter ein, und das Filter kann
Aktivkohle einschließen.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Mentholieren einer Zigarette bereitgestellt, wobei
das Verfahren die Schritte einschließt, dass man eine Zigarette
einschließlich
einer Tabak-Füllmenge und
einer Verbindung bereitstellt, die Oxalsäuremono-(–)menthylester, ein Salz von
Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder Mischungen daraus einschließt, worin die Verbindung auf
der Tabak-Füllmenge
abgelegt ist, und die Tabak-Füllmenge
verbrennt, wobei die Hitze, die durch die Verbrennung der Tabak-Füllmenge erzeugt wird, die Verbindung
pyrolysiert, wodurch Menthol als Pyrolyse-Verbindung gebildet wird.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Einführung
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Die
folgende Beschreibung und die folgenden Beispiele veranschaulichen
weiter die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Fachleute mit Sachverstand in diesem
technischen Bereich erkennen, dass es zahlreiche Variationen und
Modifikationen der vorliegenden Erfindung gibt, die von ihrem Umfang
umfasst werden. Dementsprechend sollte die Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
nicht so verstanden werden, dass sie den Umfang der vorliegenden
Erfindung beschränkt.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
werden Verfahren und Zubereitungen zum Abgeben von Menthol in den
Rauch-Strom eines Rauch-Gegenstandes wie beispielsweise einer Zigarette
bereitgestellt. Die Verfahrensweisen und Zusammensetzungen machen
Gebrauch von Verbindungen, die Oxalsäuremono-(–)menthylester und seine Salze
einschließen,
die Menthol abgeben bei Zersetzung bei Temperaturen oberhalb von
Umgebungstemperaturen (d. h. solchen Temperaturen, denen eine Packung
von Zigaretten typischerweise vor einer Verbrennung ausgesetzt ist),
jedoch unterhalb von Temperaturen, die in dem Tabak-Strang in einer
Entfernung von 1 cm oder mehr von dem Verbrennungskonus in einer
brennenden Zigarette erreicht werden. Zusätzlich zum Zersetzen unter
Bildung von Menthol haben die Verbindungen als zusätzliche
Zersetzungs-Nebenprodukte
Chemikalien, die so beurteilt werden, dass sie kein wesentliches
Risiko für
den Raucher darstellen. Die Zersetzungs-Nebenprodukte beeinträchtigen
auch nicht nachteilig den Geschmack der Zigarette. Sie produzieren
nämlich
eine „richtig" schmeckende Menthol-Zigarette,
wie dies durch typische Raucher beurteilt wurde.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
betreffen Rauch-Gegenstände
wie beispielsweise Zigaretten, Zigarren und Pfeifentabak und betreffen
insbesondere Zigaretten, die einen verringerten Gehalt an verschiedenen
polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (polyaromatic hydrocarbons;
PAHs), Tabak-spezifischen Nitrosaminen (tobacco specific nitrosamines;
TSNAs), Phenol-Verbindungen und bestimmten anderen unerwünschten
Komponenten im Zigarettenrauch aufweisen, was sowohl im Hauptstrom-Rauch
als auch den Seitenstrom-Rauch einschließt, oder Zigaretten, die einen
verringerten Gehalt an TSNAs, Nikotin oder anderen unerwünschten
Komponenten im unverbrannten Rauch-Produkt aufweisen. Die Tabak-Produkte
von bevorzugten Rauch-Gegenständen
können
auch ein katalytisches System einschließen, das metallische oder Kohlenstoff-haltige Teilchen
und eine Quelle von Nitrat oder Nitrit einschließt, wie dies beispielsweise
beschrieben ist in der parallel anhängigen Patentanmeldung US 2003-000
538 (eingereicht am 9. November 2001). Die bevorzugten Rauch-Gegenstände schließen typischerweise
aktivierte Aktivkohle-Filter ein, jedoch sind die Verbindungen bevorzugter
Ausführungsformen
auch geeignet zur Verwendung bei keine Filter aufweisenden Rauch-Gegenständen.
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Zwar
beziehen sich die Zusammensetzungen und Verfahrensweisen bevorzugter
Ausführungsformen allgemein
auf Tabak, vorzugsweise in Form von Zigaretten; es versteht sich
jedoch, dass solche Zusammensetzungen und Verfahren irgendein rauchbares
Material oder irgendeine rauchbare Zusammensetzung einschließen, wie
dies für
Fachleute mit Sachverstand in diesem technischen Bereich offensichtlich
ist.
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Oxalsäuremono-(–)menthylester
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Oxalsäureester
unter Erhalt von Menthol zersetzt, speziell Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein Metall-Salz. Oxalsäuremono-(–)menthylester
ist ein farbloses Öl,
das die folgende Struktur und die folgenden physikalischen Eigenschaften
aufweist:
C
12H
20O
4 exakte
Masse: 228,14
Molekular-Gewicht: 228,28
C: 63,14; H: 8,83;
O: 28,03
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Synthese
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Oxalsäuremono-(–)menthylester
ist eine bekannte Verbindung und wurde offenbart in der Literatur, beispielsweise
in den Druckschriften „Togo
et al., J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 (1983) (20), 2417–2427"; „Togo et
al., Chem. Lett. (1991) (10), 11691–11694"; und „Elashvili et al., J. Phys.
Colloq. (Orsay, Fr.) (1979) (3), 22–24".
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Oxalsäuremono-(–)menthylester
kann wie folgt hergestellt werden: Eine Lösung von 1,65 Mol Oxalylchlorid
in 2,5 l Methylenchlorid wird hergestellt. Eine Lösung von
1,5 Mol (–)Menthol
in 0,5 l Methylenchlorid wird tropfenweise bei Raumtemperatur unter
Rühren
zugesetzt. Nach 1 h werden 0,5 l kaltes Wasser (0–5°C) unter
Rühren
im Verlauf von einer halben Stunde zugesetzt. Danach werden 1,65
Mol NaOH-Lösung
unter Rühren
im Verlauf von 1 h zugesetzt. Die Methylenchlorid-Schicht wird abgetrennt,
und das Lösungsmittel
wird entfernt; so wird als Roh-Produkt Oxalsäuremono-(–)menthylester erhalten. Die
Reaktion wird in dem folgenden Schema veranschaulicht:
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Das
Roh-Produkt kann nach den folgenden Verfahren gereinigt werden:
Das Roh-Produkt
wird in einer Natriumcarbonat-Lösung
gelöst,
die auf einen pH-Wert von 8 eingestellt wurde. Die Lösung wird
mit Methylenchlorid extrahiert, und die Wasser-Schicht wird auf einen pH-Wert von etwa
3–4 eingestellt.
Die Öl-Schicht
wird abgetrennt, und die Wasser-Schicht wird mit Methylenchlorid
dreimal extrahiert. Die Methylenchlorid-Schichten werden mit der Öl-Schicht
zusammengegeben und mit MgSO4 getrocknet.
Das Lösungsmittel
wird entfernt, und so wird reiner Oxalsäuremono-(–)menthylester erhalten.
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Salze von Oxalsäuremono-(–)menthylester
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Zwar
kann in bestimmten Ausführungsformen
der Ester selbst bevorzugt sein als Menthol liefernde Verbindung;
jedoch kann in anderen Ausführungsformen
ein Salz von Oxalsäuremono-(–)menthylester
bevorzugt sein. Das Kation ist vorzugsweise ein Alkalimetall, beispielsweise
Natrium oder Kalium, oder ein Erdalkalimetall, beispielsweise Magnesium
oder Calcium. Jedoch kann jedes geeignete Kation als Gegen-Ion verwendet
werden, einschließlich
(jedoch nicht beschränkt
auf) anderen Metallen oder organischen Kationen. In speziell bevorzugten
Ausführungsformen
ist das Kation jedoch Natrium. Ein einzelnes Salz kann verwendet
werden. Jedoch kann es in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt sein,
eine Mischung von Salzen von Oxalsäuremono-(–)menthylester
zu verwenden. Geeignete Mischungen können zwei oder mehr verschiedene
Kationen einschließen.
In bestimmten Ausführungsformen
kann es bevorzugt sein, eine Mischung zu verwenden, die Oxalsäuremono-(–)menthylester
und eines oder mehrere seiner Salze enthält.
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Pyrolyse-Mechanismus
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Zwar
ist es nicht erwünscht,
auf irgendeinen speziellen Mechanismus beschränkt zu sein; es wird jedoch
angenommen, dass die Pyrolyse von Oxalsäuremono-(–)menthylester nach der folgenden
Serie von chemischen Reaktionen abläuft:
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Einarbeiten in einen Rauch-Gegenstand
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Der
Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein(e) Salz(e) wird/werden typischerweise direkt auf das rauchbare
Material aufgebracht. Wenn das rauchbare Material Tabak ist, ist
es bequem, eine Lösung
oder Suspension von Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder seines/seiner Salz(e) auf geschnittenen Füll-Tabak aufzubringen, und
zwar vor, während
oder nach der Zugabe des Top-Flavors oder vor, während oder nach der Aufbringung
der Casing-Lösung.
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Der
Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein(e) Salz(e) ist/sind vorzugsweise gut in dem Tabak dispergiert,
so dass sie eine einheitliche Wirksamkeit im Bereich der gesam ten
Masse an rauchbarem Material und im Bereich der gesamten Zeitdauer,
während
der das Material geraucht wird, erbringt/erbringen. Im Fall von
Zigaretten-Tabak, in dem eine Mischung verschiedener Tabake typischerweise
eingesetzt wird, kann die Lösung
oder Suspension von Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder seines/seiner Salz(e) auf eine oder mehrere der Mischungs-Komponenten
oder auf alle Mischungs-Komponenten aufgebracht werden, je nachdem, wie
dies erwünscht
ist. Vorzugsweise wird die Lösung
oder Suspension auf alle Mischungs-Komponenten aufgebracht, um eine
im wesentlichen einheitliche Verteilung des Oxalsäuremono-(–)menthylesters
sicherzustellen.
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Es
ist bevorzugt, die Lösung
oder Suspension von Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder seines/seiner Salz(e) in das rauchbare Material in Form eines
feinen Nebels aufzubringen, so, wie er unter Verwendung einer Atomisier-Vorrichtung
produziert wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Lösung
oder Suspension auf Tabak, bevorzugt auf geschnittenes Tabak-Füllmaterial,
in einer rotierenden Trommel aufgebracht, die mit mehreren Sprühköpfen ausgestattet
ist. Ein derartiges Verfahren der Aufbringung stellt ein gleichmäßiges beschichtungsmäßiges Aufbringen
des Oxalsäuremono-(–)menthylesters
oder seines/seiner Salz(e) auf das Tabak-Produkt sicher. Der Tabak
kann vor, während
oder nach der Aufbringung der Lösung erwärmt werden,
um eine Verdampfung eines Überschusses
von Lösungsmittel
zu erleichtern.
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Es
ist bevorzugt, eine ausreichende Menge des Oxalsäuremono-(–)menthylesters oder seines/seiner Salz(e)
auf das rauchbare Material aufzugeben, um ein zufriedenstellendes
Niveau der Mentholierung bei Verbrennung des rauchbaren Materials
zu erreichen. Typischerweise enthält das rauchbare Material etwa
1 mg oder weniger bis etwa 100 mg oder mehr Oxalsäuremono-(–)menthylester
pro Gramm rauchbares Material, vorzugsweise von etwa 2, 3, 4 oder
5 mg bis etwa 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 oder 90 mg und noch mehr
bevorzugt, von etwa 6, 7, 8, 9 oder 10 mg bis etwa 11, 12, 13, 14,
15, 16, 17, 18 oder 19 mg. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
enthält
eine Fullflavored-King-Size-Zigarette etwa 10 mg Oxalsäuremono-(–)menthylester.
Wenn ein Salz von Oxalsäuremono-(–)menthylester
verwendet wird, ist es allgemein erwünscht, die Menge an Oxalsäuremono-(–)menthylester-Salz
so zu erhöhen,
dass dies die Ge genwart des Kations kompensiert und so ein zufriedenstellendes
Niveau der Mentholierung bei Zersetzung des Salzes erreicht wird.
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Sobald
der Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein/seine Salz(e) aufgebracht wurde(n), kann das rauchbare
Material weiter verarbeitet und in irgendeine gewünschte Form
gebracht werden, oder es kann lose verwendet werden, beispielsweise
in Zigarren, Zigaretten oder Pfeifentabak, und zwar in irgendeiner
geeigneten Weise, wie es Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen
Bereich wohlbekannt ist.
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Das Filter
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird ein Filter für
Tabakrauch für
den Rauch-Gegenstand
bereitgestellt. Das Filter kann in Kombination mit Zigaretten oder
Zigarren oder anderen rauchbaren Vorrichtungen, die zerteilten Tabak
enthalten, bereitgestellt werden. Vorzugsweise wird das Filter an
einem Ende der rauchbaren Vorrichtung befestigt und in der Weise
positioniert, dass Rauch, der aus dem Tabak erzeugt wird, in das Filter
eintritt, bevor er in den Raucher eintritt. Das Filter kann auch
als solches allein bereitgestellt werden, und zwar in einer Form,
die für
ein Befestigen an einer Zigarette, Zigarre, Pfeife oder an einer
anderen rauchbaren Vorrichtung geeignet ist.
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Das
Filter gemäß der bevorzugten
Ausführungsformen
entfernt vorteilhafterweise wenigstens eine gewisse Menge einer
unerwünschten
Komponente aus Tabak-Rauch. Unerwünschte Komponenten in Tabak-Rauch
können
permanente Gase, organische flüchtige
Komponenten, halb-flüchtige
Komponenten und nicht-flüchtige
Komponenten einschließen.
Permanente Gase (wie beispielsweise Kohlendioxid) machen 80% des
Rauchs aus und sind allgemein unbeeinträchtigt von Filtrations- oder
Adsorptions-Materialien.
Die Konzentrationen an organischen flüchtigen Komponenten, halb-flüchtigen
Komponenten und nicht-flüchtigen Komponenten
können
durch Filter verschiedenen Aufbaus reduziert werden. Die Filter
gemäß der bevorzugten Ausführungsformen
können
vorteilhafter Weise unerwünschte
Komponenten entfernen, einschließlich (jedoch nicht beschränkt auf)
Teer, Nikotin, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, HCN, Acrolein, Nitrosamine,
polyaromatische Kohlenwasserstoffe, teilchenförmige Komponenten, Öle, verschiedene
Karzinogene, Substanzen und dergleichen.
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Das
Filter erlaubt vorzugsweise einen zufriedenstellenden oder verbesserten
Rauch-Geschmack,
Nikotin-Gehalt und charakteristische Zug-Eigenschaften. Das Filter
ist vorzugsweise so gestaltet, dass es für den Benutzer annehmbar ist,
also dass es weder mühsam
zu handhaben noch unattraktiv ist. Filter gemäß der bevorzugten Ausführungsformen
können
aus preiswerten, sicheren und wirksamen Komponenten hergestellt sein
und können
vorzugsweise hergestellt werden mit als Standard verwendeten Zigaretten-Herstellungs-Maschinen.
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Das
Filter kann ein oder mehrere Material(ien) einschließen, die
in der Lage sind, wenigstens eine unerwünschte Komponente von Tabak-Rauch
zu absorbieren, adsorbieren oder mit ihr/ihnen zu reagieren. Derartige
absorbierende, adsorbierende oder reagierende Materialien können in
das Filter unter Anwendung jedes beliebigen geeigneten Verfahrens
oder jeder beliebigen Vorrichtung eingearbeitet werden. In einer
bevorzugten Ausführungsform
kann das absorbierende, adsorbierende oder reagierende Material
in einer für
Rauch durchlässigen
Patrone enthalten sein, die in dem Filter angeordnet werden soll,
oder kann in einem Hohlraum innerhalb des Filters enthalten sein.
In einer anderen Ausführungsform
wird das absorbierende, adsorbierende oder reagierende Material
auf und/oder in dem Filter-Material abgeschieden oder aufgebracht.
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Aufbringungs-Verfahren
können
das Bilden einer Paste des absorbierenden, adsorbierenden oder reagierenden
Materials in einer geeigneten Flüssigkeit,
das Aufbringen der Paste auf das Filter-Material und das Verdampfen-Lassen
der Flüssigkeit
einschließen.
Alternativ dazu kann das absorbierende, adsorbierende oder reagierende
Material mit einer Haft-Substanz gemischt und auf das Filter-Material
aufgebracht werden. Das gesamte Filter-Material kann das absorbierende,
adsorbierende oder reagierende Material einschließen, oder
nur ein Teil des Filter-Materials kann das adsorbierende oder reagierende
Material einschließen.
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Die
Zigaretten-Filter gemäß den bevorzugten
Ausführungsformen
schließen
vorzugsweise Aktivkohle (allgemein bezeichnet als „Charcoal") als adsorbierendes
Material ein. Das Verfahren, gemäß dem Aktivkohle-Verbindungen
entfernt, ist eine Adsorption, die ein von einer Absorption verschiedener
Prozess ist. Eine Absorption ist der Prozess, durch den Absorbate
im Bereich eines porösen
Absorbenz dispergiert werden, während
Adsorption ein Oberflächen-Anziehungs-Effekt
ist. Sowohl Adsorption als auch Absorption können physikalische oder chemische
Effekte sein. Der adsorptive Effekt, der mit Aktivkohle verbunden
ist, ist hauptsächlich ein
physikalischer Effekt. In Aktikohle-Filtern diffundieren Rauch-Verbindungen
in den organischen flüchtigen oder
halb-flüchtigen
Phasen durch die Kohlenstoff-Teilchen, bewegen sich über die
Oberfläche
und bewegen sich dann in die Poren der Aktivkohle, und zwar veranlasst
durch ein Phänomen,
das als „Van-der-Waals-Kräfte" bekannt ist. Obwohl
diese Kräfte
allgemein als schwach angesehen werden, sind sie im sehr kurzen
Bereich (ein oder zwei Molekül-Durchmesser) stark
genug, um Rauch-Komponenten anzuziehen und wirksam zu halten.
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Aktivkohle
kann aus einer großen
Vielzahl von Quellen erhalten werden, die einschließen, jedoch
nicht beschränkt
sind auf Holz, Kokosnuss-Schalen, Kohle und Torf. Holz produziert
allgemein weiche und makroporöse
Aktivkohle (Poren mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 1.000
nm). Torf- und Kohle-Materialien produzieren allgemein Aktivkohle,
die vornehmlich mesoporös
ist (Poren mit einem Durchmesser von 2 bis 50 nm). Aktivkohle, die
von Kokosnuss-Schalen abgeleitet ist, ist allgemein mikroporös (Poren
mit einem Durchmesser von weniger 2 nm), hat eine große Oberfläche und
hat einen niedrigen Asche-Gehalt und Gehalt an basischen Metallen,
verglichen mit bestimmten anderen Arten von Aktivkohle.
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Bevorzugte
Aktivkohlen sind mikroporös
und haben eine hohe Dichte, was der Aktivkohle eine verbesserte
Struktur-Festigkeit verleiht, so dass sie einem übermäßigen Teilchen-Abrieb während des
Handhabens und Packens widerstehen kann.
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Die
Filter von bevorzugten Ausführungsformen
können
auch verschiedene andere adsorptive, absorptive oder poröse Materialien
zusätzlich
zu Aktivkohle wie sie oben be schrieben wurde, enthalten. Beispiele
derartiger Materialien schließen
ein, sind jedoch nicht beschränkt
auf Cellulose-Fasern, beispielsweise Celluloseacetat, Baumwolle,
Holz-Pulpe und Papier, Polymer-Materialien wie beispielsweise Polyester
und Polyolefine, Ionen-Austausch-Materialien, natürliche und
synthetische Mineralien wie beispielsweise aktiviertes Aluminiumoxid,
Silicagel und Magnesiumsilicat, natürliche und synthetische Zeolithe
und Molekular-Siebe (siehe beispielsweise US-Patent-Nr. 3,703,901
(Norman et al.)), natürliche
Tone wie beispielsweise Meerschaum, Diatomeen-Erde, aktive Kohle
und andere Materialien, wie dies von Fachleuten mit Sachverstand
in diesem technischen Bereich verstanden wird. Das adsorptive, absorptive
oder poröse
Material kann irgendein nicht-toxisches Material sein, das zur Verwendung
in Filtern für
rauchbare Vorrichtungen geeignet ist, die mit anderen Substanzen
in der Rauch-Vorrichtung oder in dem zu filternden Rauch kompatibel
sind.
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Typischerweise
kann das Filter-Element als Haupt-Komponente ein poröses Material
wie beispielsweise Celluloseacetat-Band oder Cellulose-Papier einschließen, das
nachfolgend als „Filter-Material" bezeichnet wird.
Die adsorptive oder absorptive Komponente, oft eine granulatförmige oder
teilchenförmige
Substanz wie beispielsweise Aktivkohle, ist allgemein innerhalb
des porösen
Filter-Materials des Filter-Segments dispergiert oder in einer Patrone
oder einem Hohlraum angeordnet (beispielsweise innerhalb eines Hohlraums
aus Dreifach-Filter, wie nachfolgend diskutiert wird).
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Das
Filter-Material kann die Form eines Vlies-Gewebes aus Faser oder
Band haben. Alternativ dazu kann das Filter-Material eine blattartige
Form haben, insbesondere dann, wenn das Material aus einer Mischung
von polymeren oder Natur-Faser wie Baumwolle oder Holz-Pulpe gebildet
ist. Filter-Material in Gewebe- oder Blatt-artiger Form kann gerafft
sein, gefaltet sein, gekräuselt
sein oder in anderer Weise zu einer geeigneten (beispielsweise zylindrischen)
Konfiguration geformt sein, wobei man Verfahrensweisen anwendet, die
Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen Bereich offenbar
sind. Verwiesen wird beispielsweise auf das US-Patent Nr. 4,807,809
(Pryor et al.).
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In
bevorzugten Ausführungsformen
besteht das Filter-Material aus Celluloseacetat-Band oder Cellulose-Papier. Celluloseacetat-Band
ist das am weitesten verbreitet bevorzugte Filter-Material in Zigaretten
weltweit. Cellulose-Papier-Filter-Materialien liefern allgemein
einen besseren Rückhalt
von Teer und Nikotin als dies Acetat-Filter bei einem vergleichbaren
Druckabfall macht und hat den zusätzlichen Vorteil einer überlegenen
biologischen Abbaubarkeit. Cellulose und Celluloseacetat reduzieren
die Menge an Chemikalien in der halb-flüchtigen Phase und in der nicht-flüchtigen
Phase, die aus festen teilchenartigen Materialien (allgemein bezeichnet
als „Teer") besteht. Diese
Verbindungen werden in direkter Proportion zur Menge an Cellulose
oder Celluloseacetat im Filter mengenmäßig reduziert. Eine sich erhöhende Dichte
der Cellulose oder des Celluloseacetats bedeutet allgemein eine
Erhöhung
des Druckabfalls, was den Filter-Rückhalt erhöht und daher
den Teer-Durchgang senkt. Filter halten allgemein weniger als 10%
der Dampfphasen-Komponenten zurück.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann es bevorzugt sein, ein Polymer-Material wie beispielsweise Celluloseacetat
als Filter-Material zu verwenden, eher als ein Material wie beispielsweise
Cellulose-Papier. Polymer-Materialien können in Ausführungsformen
bevorzugt sein, in denen eine überlegene
chemische Inertheit oder strukturelle Integrität während der Verwendung gewünschte Eigenschaften
des Filters sind beispielsweise dann, wenn bestimmte, den Rauch ändernde
Komponenten, die mit Cellulose-Papier
Reaktionen eingehen, in dem Filter zugegen sind, oder wenn Komponenten,
die mit Cellulose-Papier Reaktionen eingehen, innerhalb des Filters
gebildet werden. Celluloseacetat-Band (beispielsweise solches, wie
es von der Firma Celanese Acetat, Charlotte, NC, erhältlich ist)
ist das am weitesten verbreitet bevorzugte Polymer-Material; jedoch
können
geeignete Polymer-Materialien andere synthetische Additions- oder
Kondensations-Polymere einschließen, wie beispielsweise Polyamide,
Polyester, Polypropylen und Polyethylen.
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Das
Polymer-Material kann irgendein nicht-toxisches Polymer sein, das
zur Verwendung in Filtern für rauchbare
Vorrichtungen geeignet ist, das mit anderen Substanzen in der Rauch-Vorrichtung
oder im zu filtrierenden Rauch kompatibel ist und das den ge wünschten
Grad an Inertheit besitzt. Das Polymer-Material liegt vorzugsweise
in Form faserartiger Bänder
vor, kann jedoch gegebenenfalls in anderen physikalischen Formen vorliegen,
beispielsweise in gekräuselten
Platten. Das Polymer-Material kann aus einem einzelnen Polymer oder
einer Mischung verschiedener Polymere bestehen, beispielsweise aus
zwei oder mehr Komponenten wie beispielsweise Homopolymeren, Copolymeren,
Terpolymeren, funktionalisierten Polymeren, Polymeren mit unterschiedlichen
Molekulargewichten, Polymeren, die aus verschiedenen Monomeren bestehen,
Polymeren, die aus zwei oder mehr derselben Monomeren in unterschiedlichen
Mengen-Anteilen
bestehen, Oligomeren und nicht-polymeren Komponenten. Das Polymer
kann auch geeigneten Vorbehandlungs-Schritten oder Nachbehandlungs-Schritten
unterworfen werden, beispielsweise einer Funktionalisierung des
Polymers, einem Überziehen
des Polymers mit geeigneten Materialien und dergleichen.
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Wenn
Polymer-Fasern als Filter-Material verwendet werden, können sie
die gesamte Zusammensetzung des Filter-Materials des Filters ausmachen
oder können
einen Teil der Zusammensetzung des Filter-Materials des Filters
ausmachen. Alternativ dazu kann das Filter-Material eine Mischung
oder ein Blend von Polymer-Fasern oder eine Mischung oder ein Blend
von Polymer-Fasern und nicht-polymeren Fasern sein, beispielsweise
Cellulose-Fasern, die von Holz-Pulpe, gereinigter Cellulose, Baumwoll-Fasern und dergleichen
erhalten wurden. Eine Mischung aus Filter-Materialien kann in bestimmten
Ausführungsformen
bevorzugt sein, in denen es erwünscht
ist, Material-Kosten
zu reduzieren, da Polymer-Materialien teuerer sein können als
natürliche
Fasern. Irgendein geeigneter Anteil von Polymer-Material kann zugegen
sein, beispielsweise von 100 Gew.-% Polymer-Material bis herab zu
80, 60, 50, 40, 30 25, 20, 15 oder 10 Gew.-% oder weniger an Polymer-Material.
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Wie
oben diskutiert, kann es in bestimmten Ausführungsformen wünschenswert
sein, das Filter-Material mit einer oder mehreren Substanz(en) beschichtungsmäßig zu überziehen,
die chemisch mit einer unerwünschten
Komponente des Rauchs reagieren kann können. Derartige Substanzen
können
einschließen:
Natürliche
oder synthetische Polymere oder Chemikalien, wie sie in diesem technischen
Bereich zur Bereitstellung für
ein behandeltes Filter-Material bekannt sind, das in der Lage ist,
die Chemie von Tabak-Rauch zu verändern. Ein Verfahren zum Beschichten
des Filter-Materials ist, eine Lösung
oder Dispersion einer Substanz mit einem geeigneten Lösungsmittel
herzustellen. Geeignete Lösungsmittel
können
beispielsweise Wasser, Ethanol, Aceton, Methylethylketon, Toluol
und dergleichen einschließen.
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Die
Lösung
oder Dispersion kann auf die Oberfläche des Filter-Materials unter
Anwendung von Gravur-Streich-Verfahren, Sprüh-Verfahren, Druck-Verfahren,
Eintauch-Verfahren,
Einspritz-Verfahren und dergleichen aufgebracht werden. Am meisten
bevorzugt ist das Filter-Material im wesentlichen unlöslich in
dem bevorzugten Lösungsmittel
und beeinträchtigt
als solches nicht wesentlich die allgemeine Struktur des Filter-Materials. Nachdem
die Lösung
oder Dispersion auf die Oberfläche
des Filter-Materials aufgebracht wurde, wird das Lösungsmittel
entfernt, typischerweise durch Luft-Trocknung bei Raumtemperatur oder Erwärmen, beispielsweise
in einem Konvektions- oder
Luftumlauf-Ofen. Die Menge an Lösung
oder Dispersion, die auf das Filter-Material aufgebracht wird, ist typischerweise
ausreichend, um die Außen-Fläche des
Filter-Materials zu bedecken, jedoch nicht ausreichend, um die Hohlräume zwischen
den Fasern des Filter-Materials zu füllen.
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Typischerweise
ist die Menge an Lösung
oder Dispersion, die auf das Filter-Material aufgebracht wird, ausreichend,
um wenigstens etwa 5%, vorzugsweise wenigstens etwa 8%, noch mehr
bevorzugt wenigstens etwa 10% und am meisten bevorzugt wenigstens
etwa 15% der Substanz abzuscheiden, bezogen auf das Gewicht des
Filter-Materials vor einer Behandlung.
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Wenn
die Substanz ein Polymer ist, kann das Polymer ein synthetisches
Polymer oder ein natürliches Polymer
sein. Synthetische Polymere sind abgeleitet aus der Polymerisation
monomerer Materialien (beispielsweise Additions- oder Kondensations-Polymere)
oder werden isoliert nach chemischer Veränderung der Substituenten-Gruppen
eines Polymer-Materials. Natürliche
Polymere werden isoliert aus Organismen (beispielsweise Pflanzen
wie beispielsweise Seegras), üblicherweise
durch Extraktion.
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Beispielhafte
synthetische Polymere, die auf Filter-Materialen aufgebracht werden
können,
schließen ein,
sind jedoch nicht beschränkt
auf Carboxymethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Celluloseester
wie beispielsweise Celluloseacetat, Cellulosebutyrat und Celluloseacetat-Propionat
(beispielsweise von der Firma Eastman Chemical Corporation, Kingsport,
TN), Polyethylenglycole, in Wasser dispergierbare amorphe Polyester
mit aromatischen Dicarbonsäure-Funktionen
(beispielsweise die Produkte Eastman AQs von der Firma Eastman Chemical
Corporation), Ethylen-Vinylalkohol-Copolymere (beispielsweise von
der Firma Mica Corp., Shelton, CT), teilweise oder vollständig hydrolysierte
Polyvinylalkohole (beispielsweise die Airvol-Produkte von der Firma
Air Products and Chemicals, Allentown, PA), Ethylen-Acrylsäure-Copolymere
(beispielsweise die Envelon-Produkte der Firma Rohm und Haas, Philadelphia,
PA und die Primacor-Produkte der Firma The Dow Chemical Co., Wilmington,
DE), Polysaccharide (beispielsweise das Produkt Keltrol von der
Firma CP Kelco, San Diego, CA), Alginate (beispielsweise solche
von der Firma International Specialty Products, Wayne, NJ), Carageenane
(beispielsweise die Produkte Viscarin GP109 und und Nutricol GP120F
konjac flour von der Firma FMC) und Stärken (beispielsweise die Produkte
Nadex 772, K-4484 und N-Oil von der Firma National Starch & Chemical Co.).
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Typischerweise
neigen natürliche
oder synthetische Polymere dazu, die Oberfläche von Filter-Materialien
sehr effizient zu überziehen,
und haben eine hohe Viskosität,
was hohe Beschichtungs-Konzentrationen unnötig und manchmal schwierig
macht. Typischerweise können
bestimmte Natur- oder Synthese-Polymere auf das Filter-Material
in Konzentrationen von wenigstens etwa 0,001%, vorzugsweise von
wenigstens etwa 0,01, noch mehr bevorzugt von wenigstens etwa 0,1%
und am meisten bevorzugt von wenigstens etwa 1% aufgebracht werden,
bezogen auf das Gewicht des Filter-Materials vor der Behandlung.
Typischerweise übersteigt
die Menge an bestimmten natürlichen
oder synthetischen Polymeren, die auf das Filter-Material aufgebracht
werden, nicht etwa 10%, und übersteigt
normalerweise nicht etwa 5%, bezogen auf das Gewicht des Filter-Materials
vor der Behandlung.
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Das
natürliche
oder synthetische Polymer-Material, das auf das Filter-Material
aufgebracht wird, kann unterschiedlich sein, abhängig von Faktoren wie beispielsweise
einer gewünschten
chemischen Funktionalität, Hydrophilie
oder Hydrophobie. Sofern erwünscht,
kann mehr als ein Typ von natürlichem
oder synthetischem Polymer auf das Filter-Material in einer einzigen
Dispersion oder Lösung
aufgebracht werden. Sofern erwünscht,
kann das Filter-Material wenigstens einen Typ an natürlichem
oder synthetischem Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst oder
dispergiert darauf aufgebracht und das Lösungsmittel entfernt aufweisen,
wonach das resultierende beschichtete Filter-Material wenigstens
ein anderes natürliches
oder synthetisches Polymer in ähnlicher
Weise aufgebracht aufweist. Sofern mehrere Aufbringungen auf diesem
Wege durchgeführt
werden, ist es wünschenswert,
dass das Lösungsmittel
oder die Lösungsmittel
irgendein natürliches
oder synthetisches Polymer, das bereits auf das Filter-Material beschichtungsmäßig aufgebracht
wurde, nicht wesentlich löst
bzw. lösen.
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Filter
von bevorzugten Ausführungsformen
können
mehr als ein Segment einschließen.
Eine Konfiguration derartiger Filter ist das duale Filter, worin
das Filter aus zwei verschiedenen Segmenten besteht, wobei eines
der Segmente zum Mund benachbart ist und das andere Segment des
Filters dem Tabak-Strang benachbart ist. Ein üblicher Typ von dualem Filter
ist eines, in dem ein Celluloseacetat-Segment auf der Mundseite des
Filters gelegen ist und ein Cellulose-Papier-Segment auf der Seite
des Filters gelegen ist, die dem Tabak-Strang benachbart ist. Aktivkohle
kann in das Cellulose-Papier-Segment des Filters eingearbeitet sein,
um ein Entfernen unerwünschter
Komponenten aus Tabak-Rauch zu unterstützten.
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Eine
andere Filter-Konfiguration, die als „Triple-Filter" bezeichnet wird,
weist drei Segmente auf, einschließlich eines Segments, das dem
Mund benachbart ist, eines Segments, das dem Tabak-Strang benachbart
ist, und eines Segments, das zwischen den beiden anderen Segmenten
gelegen ist. Die verschiedenen Segmente können aus unterschiedlichen
Materialien hergestellt sein oder können Materialien sein, die
die gleiche Zusammensetzung aufweisen, jedoch unterschiedliche physikalische
Form haben, beispielsweise gekräuseltes
Blatt und Band, oder können
Materialien sein, die dieselbe Zusammensetzung und physikalische
Form aufweisen, worin jedoch ein Segment eine weitere Komponente
enthält,
die nicht in einem anderen Segment zugegen ist. Eine übliche Triple-Filter-Konfiguration
schließt
zwei Segmente ein, die gewählt
sind aus einem oder beiden Materialien aus der Gruppe Celluloseacetat
und Cellulose, von denen eines dem Mund benachbart ist und eines
dem Filter benachbart ist, mit einem dazwischen liegenden Segment,
das eine den Rauch verändernde
Komponente enthält.
Beispiele von den Rauch verändernden
Komponenten schließen
Aktivkohle oder andere Adsorbentien oder Komponenten ein, die dem
Rauch einen Geschmack verleihen.
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Eine
Variante des Triple-Filters ist das Hohlraum-Filter. Das Hohlraum-Filter
ist aufgebaut aus zwei Segmenten, die durch einen Hohlraum getrennt
sind, der eine oder mehrere den Rauch verändernde Komponenten enthält. Der
Hohlraum kann ein adsorbierendes Material enthalten, wie es oben
beschrieben wurde, gegebenenfalls in Kombination mit anderen geeigneten
Komponenten wie beispielsweise Aktivkohle.
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Dual-
und Triple-Filter können
symmetrisch sein, (alle Filter-Segmente haben dieselbe Länge), oder sie
können
asymmetrisch sein (zwei oder mehr Segmente haben voneinander verschiedene
Längen).
Filter können
mit einer Aussparung versehen sein, mit einem offenen Hohlraum auf
der Mund-Seite, verstärkt
durch ein besonders steifes Einwickel-Papier in Form eines Stopfens.
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Wenn
das Filter-Element ein festes Material in einer Form enthält, die
von einem Band oder einem Blatt verschieden ist, kann es in das
Filter-Element unter Anwendung irgendeines geeigneten Verfahrens
oder irgendeiner geeigneten Vorrichtung eingearbeitet sein, wie
diejenigen, die oben zum Einarbeiten eines absorbierenden, adsorbierenden
oder reagierenden Materials in das Filter-Element beschrieben wurden.
Flüssigkeiten
können
in das poröse
Filter-Material eingearbeitet werden durch Eintauchen des Filter-Materials in die Flüssigkeit,
Aufsprühen
der Flüssigkeit
auf das Filter-Material oder Kombinieren der Flüssigkeit mit einer anderen
Komponente, beispielsweise einer Komponente, die in der Lage ist,
ein Gel oder einen Feststoff zu bilden, und anschließendes Aufbringen
der die Flüssigkeit
enthaltenen Substanz auf das poröse
Filter-Material un ter Anwendung von Verfahrensweisen, die Fachleuten
mit Sachverstand in diesem technischen Bereich wohlbekannt sind.
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Die
Form des Filter-Materials und die Konfiguration des Filter-Materials
sowie die Filtrations-Effizienz für teilchenförmige Materie und Dampfphasen-Komponenten
jedes Segments des Filter-Elements können variiert werden, um so
die gewünschte
Ausgewogenheit der charakteristischen Leistungs-Eigenschaften für das Filter-Element
zu erhalten, wie von Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen
Bereich erkannt wird. Filter-Materialien in Band-Form können in
Filter-Stränge
unter Verwendung bekannter Verfahrensweisen verarbeitet und so Filter-Materialien
hergestellt werden. Filter-Materialien
in Blatt-artiger oder Gewebe-Form können zu Filter-Strängen unter
Anwendung von Verfahrensweisen ausgebildet werden, die beschrieben
sind in den US-Patenten
Nrn. 4,807,809 (Pryor et al.) und 5,074,320 (Jones, Jr. et al.).
Filter-Materialien
können
auch in Stränge
ausgebildet werden unter Anwendung einer Strang-Herstellungs-Einheit (beispielsweise
eine Einheit von der Firma Molins Tobacco Machinery, Ltd., Bucks,
Vereinigtes Königsreich).
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Das
poröse
Filter-Material kann verschiedene zusätzliche Minder-Komponenten
enthalten. Diese Komponenten können
einschließen:
Pigmente, Farbstoffe, Konservierungsmittel, Oxidations-Inhibitoren,
Entschäumer,
Lösungsmittel,
Gleitmittel, Wachse, Öle,
Harze, Kleber und andere Materialien, wie sie in diesem technischen
Bereich bekannt sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Rauch-Gegenstand mit einem Hohlraum-Filter versehen, das
aus zwei Celluloseacetat-Segmenten aufgebaut ist, die durch einen
Hohlraum voneinander getrennt sind, der Aktivkohle enthält, wobei
die Filter-Segmente
in einer Papier-Stopfen-Umhüllung
eingehüllt
sind. Die Stopfen-Umhüllung
kann mit Perforationen in dem Celluloseacetat-Segment versehen sein,
die dem Tabak-Strang
benachbart ist, wenn eine Luft-Verdünnung erwünscht ist, beispielsweise für Zigaretten
mit niedrigem oder ultra-niedrigem Teer-Gehalt. Das Celluloseacetat-Segment, das dem
Tabak-Strang benachbart ist, hat vorzugsweise eine Länge von
etwa 9 mm; das Segment am Mund-Ende hat vorzugsweise eine Länge von 11
mm; und der Hohlraum hat vorzugsweise eine Länge von 5 mm. Der Hohlraum
ist vorzugsweise im wesentlichen gefüllt. Der Begriff „im wesentlichen
gefüllt" bezieht sich allgemein
auf ein Hohlraum-Segment, in dem mehr als etwa 95 Vol.-% mit gepackten
Teilchen gefüllt
sind, vorzugsweise mehr als etwa 96, 97, 98 oder 99 Vol.-% mit gepackten
Teilchen gefüllt
sind, und am meisten bevorzugt etwa 100 Vol.-% mit gepackten Teilchen gefüllt sind.
Jedoch kann es in bestimmten Ausführungsformen wünschenswert
sein, dass der Hohlraum weniger als „im wesentlichen gefüllt" ist, beispielsweise
weniger als etwa 95, 94, 93, 92, 91, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60,
55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10 oder 5 Vol.-% oder weniger.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist
der Hohlraum im wesentlichen mit einer Art von Aktivkohle gefüllt. Jedoch
kann in bestimmten anderen Ausführungsformen
die Aktivkohle eine Mischung aus Aktivkohlen darstellen (beispielsweise
Aktivkohlen von unterschiedlicher Teilchengröße oder aus verschiedenen Quellen),
oder die Aktivkohle kann mit einer oder mehreren inerten Komponenten
gemischt oder kombiniert werden, wie beispielsweise Magnesiumsilicat
(erhältlich als
Produkt CAVIFLEXTM und SEL-X-4TM von
der Firma Baumgartner, Inc., aus Melbane, NC), inertem Kohlenstoff
oder Gries. Am meisten bevorzugt enthält das Hohlraum-Segment 0,1 g eines
einzigen Typs von Aktivkohle als einzige Komponente in einem 5 mm
langen Hohlraum-Segment eines Filters. In verschiedenen Ausführungsformen
können
verschiedene Typen von Aktivkohle oder Kohlenstoff, die aus unterschiedlichen
Ausgangs-Materialien hergestellt wurde und die unterschiedliche
Oberfläche
und Teilchen-Größe hat oder
die verschiedene Eigenschaften hat, bevorzugt sein. Geeignete aktivierte
Kohlenstoffe bzw. Aktivkohlen, die Spezial-Aktivkohlen einschließen, können erhalten
werden von der Firma Calgon Carbon Corporation, Pittsburgh, PA.
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Additive
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Zusätzliche
Komponenten, wie sie in diesem technischen Bereich bekannt sind,
können
auch dem rauchbaren Material zugesetzt werden oder können innerhalb
des Filters, des Tabak-Strangs oder anderer Komponenten der Rauch-Gegenstände bevorzugter
Ausführungsformen
enthalten sein. Nicht-beschränkende Beispiele
solcher Komponenten schließen
Tabak-Extrakte, Gleitmittel, Geschmacksstoffe und dergleichen ein. Diese zusätzlichen
Komponenten reagieren vorzugsweise nicht mit dem Oxalsäuremono-(–)menthylester oder seinem
seinen Salz(en) in der Weise, dass sie dessen/deren Wirksamkeit
im Liefern von Menthol während
der Verwendung des Rauch-Gegenstandes wesentlich verringern. In
dem Ausmaß,
in dem derartige Reaktionen stattfinden, können sie kompensiert werden
durch Änderungen
der Konzentration des Oxalsäuremono-(–)menthylesters
oder seines/seiner Salz(e) und/oder der anderen Komponenten, die
zugegen sind.
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Das
Filter-Element kann gegebenenfalls einen Tabak- oder Geschmacks-Extrakt
in innigem Kontakt mit dem Filter-Material einschließen. Sofern
erwünscht,
kann der Tabak- oder Geschmacksextrakt sprühgetrocknet und/oder einer
Wärme-Behandlung
unterzogen werden. Das Filter-Element vor dem Rauchen kann weniger
als etwa 10% Tabak- oder Geschmacks-Extrakt bis mehr als 50% Tabak-
oder Geschmacks-Extrakt einschließen, bezogen auf das Gesamt-Trockengewicht
des Filter-Elements und des Extraktes. In einigen Ausführungsformen
schließen
die Tabak-Filter-Elemente typischerweise eine gleitend-machende
Substanz in innigem Kontakt mit dem Filter-Material ein. Normalerweise schließt vor dem
Rauchen der Zigarette das Filter-Element wenigstens etwa 0,1% gleitend-machende
Substanz ein, bezogen auf das Gewicht des Filter-Materials des Segments.
Die gleitend-machende Substanz kann eine Flüssigkeit mit niedrigem Molekular-Gewicht
(beispielsweise Glycerin) oder ein Material mit hohem Molekular-Gewicht
(beispielsweise ein Emulgator) sein.
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Geschmacksstoffe
zusätzlich
zu Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder seines Salzes/seiner Salze, selbst Geschmacksstoffe wie Menthol
selbst, können
in die Zigarette unter Anwendung von Verfahrensweisen eingearbeitet
werden, die einem Fachmann mit üblichen
Sachverstand in diesem technischen Bereich vertraut sind. Sofern
erwünscht,
können
Geschmacks-Additive wie beispielsweise organische Säuren in
die Zigarette als Zusätze
zu geschnittenem Tabak-Füllmaterial
eingearbeitet werden. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4,830,028
(Lawson et al.). Der Geschmackstoff-Extrakt kann typischerweise
in einer Menge von etwa 5% oder weniger bis etwa 50% oder mehr des
Gesamt-Trockengewichts des Filter-Elements und des Extrakts eingeschlossen
werden, vorzugsweise von etwa 10% bis etwa 45% und noch mehr bevorzugt
von etwa 15%, 20% oder 25% bis etwa 30%, 35% oder 40%.
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Das rauchbare Material
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Der
Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein(e) Salz(e) kann/können
zusammen mit irgendeinem geeigneten rauchbaren Material verwendet
werden. Beispiele bevorzugter rauchbarer Materialien sind Tabake, die
einschließen,
jedoch nicht beschränkt
sind auf Orient-Tabak, Virgina-Tabak, Maryland-Tabak und Burley-Tabak,
sowie die seltenen Tabake und Spezialitäten-Tabake. Die Tabak-Pflanze
kann eine Sorte sein, die durch herkömmliche Pflanzen-Zucht-Methoden
produziert wurde, oder kann eine durch Genetic Engineering behandeltet
Sorte sein. Tabak-Sorten mit niedrigem Nikotin-Gehalt und/oder niedrigem
Gehalt an TSNAs, einschließlich
diesbezüglich
durch Genetic Engineering behandelter Sorten, sind besonders bevorzugt.
Der Tabak kann unter Anwendung irgendeines annehmbaren Verfahrens
wärmebehandelt
sein, einschließlich,
jedoch nicht beschränkt
auf Räuchern,
Duft-Erhitzen, Erhitzen in der Sonne und dergleichen, einschließlich von Wärme-Behandlungs-Verfahren,
die zu niedrigen Konzentrationen an Nitrosaminen führen, wie
beispielsweise Wärme-Behandlungs-Verfahren,
die offenbart sind in dem US-Patent Nr. 6,202,649 und in dem US-Patent
Nr. 6,13 5,121 (Williams).
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Allgemein
ist das Tabak-Material gereift. Der wärmebehandelte oder nicht-wärmebehandelte Tabak kann irgendeinem
geeigneten Verarbeitungsschritt unterworfen werden, einschließlich jedoch
nicht beschränkt auf
Mikrowellen-Behandlung oder Behandlung mit anderer Bestrahlung.
Behandlung mit ultraviolettem Licht oder Extraktion mit einem wässrigen
oder nicht-wässrigen
Lösungsmittel.
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Der
Tabak kann in Form von Tabak-Blättern,
verarbeiteten Tabak-Stengeln, rekonstituiertem Tabak-Material, Volumen-expandiertem
Tabak-Füllmaterial
oder Mischungen daraus vorliegen. Der Typ von rekonstituiertem Tabak-Material
kann unterschiedlich sein. Bestimmte geeignete rekonstituierte Tabak-Materialien
sind beschrieben in dem US-Patent Nr. 5,159,945 (Brinkley et al.).
Bestimmte Volumen-expandierte Tabak- Materialien sind beschrieben in dem
US-Patent Nr. 5,095,922 (Johnson et al.). Mischungen der vorstehend
genannten Materialien und Tabak-Typen können verwendet werden. Beispielhafte
Mischungen sind beschrieben in dem US-Patent Nr. 5,074,320 (Jones,
Jr. et al.). Andere rauchbare Materialen wie beispielsweise diejenigen
rauchbaren Materialien, die beschrieben sind in dem US-Patent Nr.
5,074,321 (Gentry et al.) und in dem US-Patent Nr. 5,056,537 (Brown
et al.) können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
rauchbaren Materialien werden allgemein in Form von geschnittenem
Tabak-Füllmaterial
verwendet, wie es in der herkömmlichen
Zigaretten-Herstellung üblich
ist. Beispielsweise kann das rauchbare Tabak-Füllmaterial verwendet werden
in Form von Stücken,
Fetzen und/oder Strängen,
die in Längen
geschnitten sind, die im Bereich von etwa 1/60 in (0,04 mm) bis
etwa 1/5 in (5 mm), vorzugsweise von etwa 1/40 in (0,6 mm) bis etwa
1/20 in (1,3 mm) liegen. Allgemein haben solche Stücke Längen zwischen
etwa 0,25 in (6 mm) und etwa 3 in (76 mm). In bestimmten Ausführungsformen
kann es jedoch bevorzugt sein, geschnittenes Tabak-Füllmaterial
zu verwenden, das Längen
hat, die geringer sind als etwa 1/60 in (0,04 mm) oder mehr als etwa
1/5 in (5 mm) und Längen
weniger als etwa 0,25 in (6 mm) und mehr als etwa 3 in (76 mm).
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Das
rauchbare Material kann in einer Form vorliegen (beispielsweise
einer Mischung rauchbarer Materialien, wie beispielsweise einer
Mischung aus verschiedenen Typen von Tabak in Form eines geschnittenen Tabak-Füllmaterials),
die einen relativ hohen Nikotin-Gehalt aufweist. Ein derartiges
rauchbares Material hat typischerweise einen auf das Trockengewicht
bezogene Nikotin-Gehalt oberhalb von etwa 2,0%, 2,25%, 2,5%, 2,75%
oder 3% oder mehr. Derartige rauchbare Materialien sind beschrieben
in dem US-Patent Nr. 5,065,775 (Fagg).
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Alternativ
dazu kann das rauchbare Material in einer Form vorliegen, die einen
relativ niedrigen oder vernachlässigbaren
Nikotin-Gehalt aufweist. Ein derartiges rauchbares Material hat
typischerweise einen auf das Trockengewicht bezogene Nikotin-Gehalt
unterhalb von etwa 1,5%, 1,25%, 1,0%, 0,75%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder
weniger.
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Tabak
mit einem relativ niedrigen Nikotin-Gehalt ist beschrieben in dem
US-Patent Nr. 5,025,812 (Fagg et al.).
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Der
Begriff „auf
das Trockengewicht bezogener Nikotin-Gehalt", wie er in der vorliegenden Beschreibung
und in den Patentansprüchen
verwendet wird, wenn man sich auf das rauchbare Material bezieht,
bezieht sich auf die Masse von Alkaloid-Nikotin, wie sie durch spektroskopische
Verfahrensweisen durch Analyse und quantitative Bestimmung bestimmt
wird, dividiert durch das Trockengewicht des analysierten rauchbaren
Materials. Siehe dazu beispielsweise die Druckschrift „Harvey
et al., Tob. Sci. Band 25, Seite 131 (1981)".
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht das rauchbare Material aus einem Tabak-Produkt, das von
Tabak-Pflanzen erhalten wurde, die im wesentlichen frei von Nikotin
und/oder Tabak-spezifischen Nitrosaminen sind. Tabak, der im wesentlichen
frei von Nikotin oder TSNAs sein kann, kann hergestellt werden durch Unterbrechen
des Vermögens
der Pflanze, Nikotin zu synthetisieren, wofür man Gebrauch von Verfahrensweisen
des Genetic Engineerings macht. Die parallel anhängige PCT-Anmeldung mit dem
Veröffentlichungsaktenzeichen
WO 02/100,195 (eingereicht am 6. Juni 2002) und die PCT-Veröffentlichung
mit der Veröffentlichungsnummer
WO 98/56,923 (Conkling et al.) beschreiben Tabak, der im wesentlichen
frei von Nikotin und TSNAs ist, der hergestellt wird durch In-Kontakt-Bringen
wenigstens einer Tabak-Zelle einer ausgewählten Sorte mit einem exogenen
DNS-Konstrukt, das – in
der Richtung vom 5'-Ende zum 3'-Ende – einen
Promoter aufweist, der in einer Pflanzen-Zelle zum Arbeiten gebracht
werden kann, und eine DNS, die einen Teil einer DNS-Sequenz enthält, die
für ein
Enzym im Nikotin-Synthese-Weg kodiert. Die DNS ist operabel verbunden mit
dem Promoter, und die Tabak-Zelle wird mit dem DNS-Konstrukt transformiert.
Die transformierten Zellen werden selektiert, und wenigstens eine
transgene Tabak-Pflanze wird von den transformierten Zellen regeneriert.
Die transgenen Tabak-Pflanzen enthalten eine reduzierte Menge von
Nikotin und/oder TSNAs, verglichen mit einer Kontroll-Tabak-Pflanze derselben
Sorte. In bevorzugten Ausführungsformen
können
DNS-Konstrukte,
die einen Teil einer DNS-Sequenz aufweisen, die für ein Enzym
im Niko tin-Synthese-Weg kodiert, die gesamte kodierende Sequenz
des Enzyms oder irgendeinen Teil davon aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht das rauchbare Material aus einem Tabak-Produkt, das von
Tabak-Pflanzen erhalten wurde, die einen verringerten Gehalt an
Nikotin und/oder TSNAs aufweisen, und zwar beispielsweise solchen,
wie sie beschrieben sind in der parallel anhängigen Patentanmeldung Nr.
US 2003-018,997 (eingereicht am 28. August 2001).
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Tabak-Produkte,
die spezifische Mengen an Nikotin und/oder TSNAs aufweisen, können geschaffen werden
durch Mischen von Tabaken mit niedrigem Nikotin-Gehalt und/oder
niedrigem Gehalt an TSNAs, wie beispielsweise denjenigen, die oben
beschrieben wurden, mit herkömmlichen
Tabaken. Einige Ansätze
zum Mischen beginnen mit Tabak, der von Sorten hergestellt wurde,
die extrem niedrige Mengen an Nikotin und/oder TSNAs aufweisen.
Durch Mischen von präpariertem
Tabak einer Sorte mit niedrigem Nikotin-Gehalt und/oder niedrigem
TSNAs-Gehalt (beispielsweise nicht nachweisbaren Werten an Nikotin
und/oder TSNAs) mit herkömmlichem
Tabak (beispielsweise Burley-Tabak, der 30.000 Teile pro Million
(parts per million; ppm) Nikotin und 8.000 Teile auf eine Billion
(parts per billion; ppb) TSNAs aufweist, geräuchertem (Flue-Cured) Tabak,
der 20.000 ppm Nikotin und 300 ppb TSNAs aufweist; und Oriental-Tabak,
der 10.000 ppm Nikotin und 100 ppb TSNAs aufweist) können Tabak-Produkte hergestellt
werden, die im wesentlichen jede gewünschte Menge an Nikotin und/oder
TSNAs aufweisen. Tabak-Produkte, die verschiedene Mengen an Nikotin
und/oder TSNAs aufweisen, können
in Tabak zur Verwendung in Abgewöhnungs-Kits
und -Programmen, die Tabak-Benutzern helfen, ihre Abhängigkeit
von Nikotin zu reduzieren oder zu eliminieren und das Karzinogen-Potential zu
reduzieren, eingearbeitet werden.
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Beispielsweise
kann ein Tabak-Produkt für
Schritt 1 bestehen aus etwa 25% Tabak mit niedrigem Nikotin-Gehalt/niedrigem
Gehalt an TSNAs und 75% herkömmlichen
Tabaks; ein Tabak-Produkt für
Schritt 2 kann bestehen aus etwa 50% Tabak mit niedri gem Nikotin-Gehalt/niedrigem
Gehalt an TSNAs und 50% herkömmlichen
Tabaks; ein Tabak-Produkt für
Schritt 3 kann bestehen aus etwa 75% eines Tabaks mit niedrigem Nikotin-Gehalt/niedrigem
Gehalt an TSNAs und 25% herkömmlichen
Tabaks und ein Tabak-Produkt für
Schritt 4 kann bestehen aus etwa 100% Tabak mit niedrigem Nikotin-Gehalt/niedrigem
Gehalt an TSNAs und 0% herkömmlichen
Tabaks. Ein Tabak-Verwendungs-Aufhör-Kit kann
einschließen
eine Menge an Tabak-Produkt von jeder der vorgenannten Mischungen,
um einen Verbraucher für
ein Programm für
die Dauer eines einzigen Monats zufriedenzustellen. Mit anderen
Worten: Wenn der Verbraucher ein Raucher mit einem Bedarf für eine Packung
pro Tag ist, stellt ein Kit für
einen Monat 7 Packungen von jedem Schritt, also insgesamt 28 Packungen
Zigaretten bereit. Jedes Kit zum Abgewöhnen der Tabak-Verwendung kann
einen Satz von Instruktionen einschließen, die spezifisch den Verbraucher
durch den Schritt für
Schritt durchzuführenden
Prozess leiten. Natürlich
können
Tabak-Produkte, die spezielle Mengen an Nikotin und/oder TSNAs aufweisen,
in passend größenmäßig ausgebildeten
Mengen verfügbar
gemacht werden (beispielsweise Boxen von Zigarren, Packungen von
Zigaretten, Dosen von Schnupftabak und Beutel oder Twist-Stränge von
Kautabak), so dass Verbraucher die Menge an Nikotin und/oder TSNAs
wählen
können,
die sie persönlich
wünschen.
Es gibt viele Wege, verschiedene Tabak-Mischungen mit niedrigem
Nikotin-Gehalt/niedrigem
Gehalt an TSNAs unter Anwendung der in der vorliegenden Beschreibung
beschriebenen Lehren bereitzustellen, und das folgende soll mehr
zur Anleitung eines Fachmanns in diesem technischen Bereich hinsichtlich
eines möglichen
Ansatzes sein.
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Um
ein Tabak-Produkt für
einen Schritt 1 zu erhalten, das eine Mischung mit einem Gehalt
von Tabak mit niedrigem Nikotin-Gehalt/niedrigem Gehalt an TSNAs
von 25% ist, kann vorbereiteter Tabak von Tabak mit einem Gehalt
von etwa 0 ppm Nikotin/TSNAs gemischt werden mit herkömmlichem
Burley-Tabak, Räucher-Tabak
oder Oriental-Tabak in einem Verhältnis von 25%/75%, um ein Burley-Tabak-Produkt
zu erhalten, das 22.500 ppm Nikotin und 6.000 ppb TSNAs enthält, ein
Räuchertabak-Produkt zu erhalten,
das 15.000 ppm Nikotin und 225 ppb TSNAs enthält, und ein Oriental-Tabak-Produkt
erhalten, das 7.500 ppm Nikotin und 75 ppb TSNAs enthält. In ähnlicher
Weise kann zum Erhalt eines Produkts für Schritt 2, das eine Mischung
mit einem Anteil von 50% eines Tabaks mit niedrigem Nikotin-Gehalt/niedrigem
Gehalt an TSNAs ist, vorbereiteter Tabak mit einem Gehalt von etwa
0 ppm Nikotin/TSNAs gemischt werden mit herkömmlichem Burley-Räucher- oder Oriental-Tabak
in einem Mischungsverhältnis
von jeweils 50%/50%, wodurch ein Burley-Tabak-Produkt mit 15.000
ppm Nikotin und 4.000 ppb TSNAs, ein Räuchertabak-Produkt mit einem
Gehalt von 10.000 ppm Nikotin und 150 ppb TSNAs und ein Oriental-Tabak-Produkt
mit einem Gehalt von 5.000 ppm Nikotin und 50 ppb TSNAs zur erhalten.
Weiter kann ein Tabak-Produkt für
Schritt 3, das eine Mischung mit einem 75%/25% Anteil an Tabak mit
niedrigem Nikotin-Gehalt/niedrigem Gehalt von TSNAs ist, vorbereiteter
Tabak von einem Tabak mit etwa 0 ppm Nikotin/TSNAs gemischt werden
mit herkömmlichem
Burley-Tabak, Räuchertabak
oder Oriental-Tabak in einem Verhältnis von 75%/25%, um so ein
Burley-Tabak-Produkt mit einem Gehalt an 7.500 ppm Nikotin und 2.000
ppb TSNAs, ein Räuchertabak-Produkt
mit einem Gehalt an 5.000 ppm Nikotin und 75 ppb TSNAs und ein Oriental-Tabak-Produkt
mit einem Gehalt von 2.500 ppm Nikotin und 25 ppb TSNAs zu erhalten.
-
Es
wird erkannt, dass Tabak-Produkte häufig eine Mischung vieler verschiedener
Typen von Tabaken sind, die in vielen verschiedenen Teilen der Welt
unter verschiedenen Wachstums-Bedingungen gezüchtet wurden. Als Ergebnis
kann die Menge an Nikotin und TSNAs von Tabak-Ernte-Menge zu Tabak-Ernte-Menge differieren.
Nichtsdestoweniger kann man unter Anwendung herkömmlicher Verfahrensweisen leicht
eine mittlere Menge an Nikotin und TSNAs pro Ernte-Menge, die zum
Schaffen einer gewünschten
Mischung verwendet wird, bestimmen. Durch Einstellen der Menge jedes
Typs von Tabak, aus dem die Mischung besteht, kann ein Fachmann
in diesem Bereich die Menge an Nikotin und/oder TSNAs mit anderen Überlegungen
wie beispielsweise Aussehen, Geschmack und Rauchbarkeit ausbalancieren.
Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Typen von Tabak-Produkten,
die unterschiedliche Werte an Nikotin und/oder Nitrosaminen aufweisen,
sowie unterschiedliches Aussehen, unterschiedlichen Geschmack und
unterschiedliche Rauchbarkeit haben, geschaffen werden. Solche Typen
von Tabak-Produkten können
sich in ähnlicher
Weise verhalten, wenn Oxalsäure mono-(–)menthylester
oder sein(e) Salz(e) gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
darauf aufgebracht wird/werden.
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Zwar
wird in den bevorzugten Ausführungsformen
der Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein(e) Salz(e) zusammen mit einem rauchbaren Material einschließlich Tabak
verwendet; jedoch können
beliebige anderer rauchbare Materialien in anderen Ausführungsformen
bevorzugt sein. Beispielsweise können
die rauchbaren Pflanzen-Materialien
verschiedene Kräuter-Rauch-Materialien
einschließen.
Wollkraut (gemeine Königskerze)
und Beifuß sind
allgemein bevorzugte Basis-Materialien in Mischungen von pflanzlichen Rauch-Materialien.
Einig andere, gemeinhin bevorzugte Pflanzen-Materialien, die auch rauchbare Materialien sind,
schließen
ein: Weidenborke, Hartriegel-Borke, Pipsissewa (Pyrola umbellata),
Pyrola, Kinnikinnik, Manzanita, Madrone-Blätter,
Brombeere, Himbeere, Loganbeere, Thimblebeere und Salmonbeere.
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Umhüllungs-Material
-
Verschiedene
Umhüllungs-Materialien,
die die Füllmenge
von rauchbarem Material umgeben, können bevorzugt sein. Beispiele
geeigneter Umhüllungs-Materialien
schließen
Zigaretten-Papier-Umhüllungen
ein, wie sie von der Firma Schweizer-Mauduit International in Alpharetta,
Georgia, erhältlich
sind. Zigaretten-Papier umhüllt
die Stange aus Tabak in einer Zigarette und kann hergestellt sein
aus Flachs, Holz oder einer Kombination von Fasern. Bestimmte Eigenschaften
wie beispielsweise Basis-Gewicht, Porosität, Opazität, Zugfestigkeit, Textur, Asche-Aussehen,
Geschmack, Helligkeit, gutes Glühen
und Fehlen von Staub werden ausgewählt, um so eine optimale Leistung
im fertigen Produkt zu erzielen und darüber hinaus auch Lauf-Eigenschafts-Standards
der bei hoher Geschwindigkeit ablaufenden Produktions-Prozesse zu
erfüllen,
wie sie von Zigaretten-Herstellern bevorzugt werden.
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Ein
poröseres
Papier ist eines, das erlaubt, dass Luft leicht in eine Zigarette
eintritt. Porosität
wird gemessen in Coresta-Einheiten und kann so gesteuert werden,
dass dies den Anteil und die Richtung des Luftstroms durch die Zigarette
bestimmt. Je höher
die Zahl der Coresta-Einheiten ist, desto poröser ist das Papier. Teer- und
Nikotin-Ausbeuten werden allgemein gesteuert, ohne den Geschmack
der Zigarette durch die Wahl des Papiers zu verändern. Die Verwendung von hochgradig
porösen
Papieren kann dazu beitragen, niedrigere Teer-Werte in einer Zigarette
zu schaffen. Höhere
Papier-Porosität
erhöht
die Verbrennbarkeit einer Zigarette dadurch, dass dem Prozess mehr
Luft zugeführt
wird, was die Hitze und die Brenn-Rate erhöht. Eine höhere Brenn-Rate kann die Zahl
von Zügen
erniedrigen, die ein Raucher pro Zigarette nimmt. Papiere mit Porositäten bis
hinauf zu 200 Coresta-Einheiten oder höher sind allgemein bevorzugt,
jedoch machen verschiedene Arten von Zigaretten Gebrauch von Papieren
unterschiedlicher bevorzugter Porositäten. Beispielsweise machen
Zigaretten mit American-Blend-Tabaken
typischerweise Gebrauch von Papieren mit 40 bis 50 Coresta-Einheiten. Zigaretten
mit gerauchtem Tabak, die langsamer brennen, können allgemein Gebrauch von
Papieren mit höheren
Porositäten,
die im Bereich von Papieren mit einer Porosität von 60 bis 80 Coresta-Einheiten
liegen, machen. Höhere
Porositäten
können
erhalten werden durch elektronisches Perforieren (EP) des Papiers.
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Zigaretten-Papiere
sind erhältlich,
die aus verschiedenen Basis-Fasern hergestellt sind. Flachs und Holz
sind allgemein bevorzugte Basis-Fasern. Zusätzlich zu Papieren aus 100%
Flachs und 100% Holz sind auch Papiere erhältlich, in denen Flachs- und
Holz-Fasern in verschiedenen
Verhältnissen
gemischt sind. Papiere auf Holz-Basis sind in weitem Maße bevorzugt
aufgrund ihrer niedrigen Kosten, jedoch bevorzugen bestimmte Verbraucher
den Geschmack von Papieren auf Flachs-Basis.
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Geeignete
Zigaretten-Papiere können
erhalten werden von der Firma RFS (US), Inc., einer Tochtergesellschaft
der im Privateigentum stehenden Firma PURICO (IOM) Ltd. aus dem
Vereinigten Königreich,
die der derzeitiger Besitzer der Ecusta-Mühle der Firma P. H. Glatfelter
Company ist, die Tabak-Papiere herstellt. In bevorzugten Ausführungsformen
ist ein Papier mit einer Porosität
von etwa 26 Coresta EP bis 90 Coresta EP bevorzugt. Geeignete Papiere
schließen
Papiere mit der Nummer 409 mit einer Porosität von 26 Coresta-Einheiten
und einem Citrat-Gehalt von 0,85% und Papiere mit der Nummer 00917
mit einer Porosität
von 26 Coresta EP ein. Jedoch kann es in bestimmten Ausführungsformen
bevorzugt sein, ein Papier zu verwenden, das eine gerin gere Luft-Durchlässigkeit
aufweist, beispielsweise ein Papier, das nicht einem Vorgang der elektronischen
Perforation unterzogen wurde und das eine niedrige inhärente Porosität aufweist,
beispielsweise weniger als 26 Coresta-Einheiten.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
ist das Zigaretten-Papier geeignet für eine Verwendung in „sich selbst
auslöschenden" Zigaretten. Beispiele
von Zigaretten-Papieren, die zur Verwendung in sich selbst auslöschenden
Zigaretten geeignet sind, schließen beispielsweise Papiere
ein, die mit einem Citrat- oder Phosphat-haltigen Feuer-hemmenden
Mittel gesättigt
sind oder ein oder mehrere Feuer-hemmende Bänder entlang der Länge des
Papiers einschließen.
Solche Papiere können
auch dickere Papiere mit reduzierter Entflammbarkeit einschließen.
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Umhüllungs-Materialien,
die in dem US-Patent Nr. 5,220,930 (Gentry) beschrieben sind, können in
bestimmten Ausführungsformen
bevorzugt sein. Mehr als eine Schicht aus umgebendem Umhüllungs-Material kann
verwendet werden, sofern dies erforderlich ist; siehe beispielsweise
US-Patent Nr. 5,261,425 (Raker et al.). Andere Umhüllungs-Materialien
schließen
Stopfen-Umhüllungs-Papier
und Tipping-Papier ein. Stopfen-Umhüllungs-Papier umschließt die Außenschicht
der Zigaretten-Filter und hält
das Filter-Material in zylindrischer Form. Hochgradig poröse Stopfen-Umhüllungs-Papiere
sind bevorzugt bei der Herstellung von Zigaretten mit ventiliertem
Filter.
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Tipping-Papier
vereinigt das Filter-Element mit dem Tabak-Strang. Tipping-Papiere
werden typischerweise hergestellt in weißer oder gelb-brauner Farbe
oder in einem Kork-Muster und sind sowohl bedruckbar als auch bei
hohen Geschwindigkeiten verklebbar. Solche Tipping-Papiere werden
verwendet zur Herstellung von Zigaretten, die hinsichtlich ihres
Aussehens charakteristisch bzw. unterscheidungskräftig sind,
sowie zur Verschleierung der Verwendung von Aktivkohle im Filter-Element.
Vorperforierte Tipping-Papiere werden allgemein in Zigaretten mit
ventilierten Filtern verwendet.
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Im
Fall von Zigarren wird oft ein rekonstituiertes Tabak-Hüllblatt
um die Außenseite
der maschinell hergestellten Zigarren gewickelt, um ein einheitliches
End-Aussehen zu schaffen. Das Umhüllungs-Material kann gedruckte
Fasern einschließen,
um dem Material das Aussehen eines natürlichen Tabak-Blatts zu geben.
Solches Umhüllungs-Material wird hergestellt
unter Verwendung von Tabak-Blatt-Nebenprodukten. Rekonstituiertes
Tabak-Bindemittel hält
das „Bündel" oder die Tabak-Blätter während der
Herstellung von durch Maschinen hergestellten Zigarren in zylindrischer
Form. Regkonstituiertes Tabak-Bindemittel wird auch unter Verwendung von
Tabak-Blatt-Nebenprodukten
hergestellt.
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Eine
extrem kleine Menge eines Seitennaht-Klebers ist bevorzugt, um die
Enden der Zigaretten-Papier-Umhüllung
um den Tabak-Strang (und ein Filter-Element, sofern ein solches
zugegen ist) zu befestigen. Irgendein geeigneter Kleber kann verwendet
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Seitennaht-Kleber
eine Emulsion aus einem Ethylen-Vinylacetat-Copolymer in Wasser.
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Die
Zigaretten-Umhüllung
kann extrem kleine Mengen von Tinten einschließen, die Öle, Lacke, Pigmente, Farbstoffe
und Verarbeitungs-Hilfsmittel sowie Lösungsmittel und Oxidations-Inhibitoren
enthalten. Tinten-Komponenten können
solche Materialien wie Leinsamen-Lack, Leinsamen-Öl-Polymere,
weiße
Mineralöle,
Tone, Siliciumoxide, natürliche
und synthetische Pigmente und dergleichen einschließen, wie
sie in diesem technischen Bereich bekannt sind.
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Rauch-Gegenstände
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Die
Rauch-Gegenstände
der bevorzugten Ausführungsformen
können
verschiedene Formen aufweisen. Bevorzugte Rauch-Gegenstände können typischerweise
stabförmig
sein und schließen
beispielsweise Zigaretten und Zigarren ein. Darüber hinaus kann der Rauch-Gegenstand
Tabak für
eine Pfeife sein. Beispielsweise kann der Rauch-Gegenstand die Form einer Zigarette
mit einem rauchbaren Material (beispielsweise Tabak-Schnitt-Füllung) haben,
das in ein umgebendes Papier-Umhüllungs-Material
gehüllt
ist. Beispielhafte Zigaretten sind beschrieben in dem US-Patent
Nr. 4,561,454 (Guess). In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauch-Gegenstand
eine Zigarette mit einem rauchbaren Tabak-Füll-Material oder Tabak-Stab.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird eine Zigarette bereitgestellt, die relativ niedrige Werte an „Teer" pro Zug im Mittel
abgibt, wenn sie unter FTC-Rauch-Bedingungen
geraucht wird (beispielsweise eine Zigarette mit „ultra-niedrigem
Teer-Gehalt").
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird eine Zigarette bereitgestellt, die ein rauchbares Tabak-Füllstoff-Material
oder einen Tabak-Stab mit relativ niedrigem oder vernachlässigbarem
Nikotin-Gehalt und ein Filter-Element aufweist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird eine Zigarette bereitgestellt, die ein rauchbares Tabak-Füllstoff-Material
oder einen Tabak-Stab mit einem relativ niedrigen Gehalt an TSNAs
und ein Filter-Element aufweist.
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Die
Menge an rauchbarem Material innerhalb des Tabak-Stabs oder Tabak-Strangs
kann schwanken und kann gewählt
werden nach Wunsch. Packungs-Dichten für Tabak-Stäbe von Zigaretten liegen typischerweise
zwischen etwa 150 und etwa 300 mg/cm3 und
vorzugsweise zwischen etwa 200 und etwa 280 mg/cm3, jedoch
können
höhere
oder niedrigere Mengen für
bestimmte Ausführungsformen
bevorzugt sein.
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Typischerweise
umgibt ein Tipping-Material das Filter-Element und einen benachbarten
Bereich des rauchbaren Stabs bzw. Strangs, so dass sich das Tipping-Material
etwa 3 mm bis etwa 6 mm entlang der Länge des rauchbaren Stabs erstreckt.
Typischerweise ist das Tipping-Material ein herkömmliches Papier-Tipping-Material.
Verschiedene Tipping-Materialien mit verschiedenen Porositäten können bevorzugt
sein. Beispielsweise kann das Tipping-Material im wesentlichen luftundurchlässig sein,
luftdurchlässig
sein oder kann behandelt werden (beispielsweise durch mechanische
oder andere Perforations-Verfahren) so dass es einen Bereich von
Perforationen, Öffnung
oder Lüftungsöffnungen
aufweist, wodurch ein Mittel bereitgestellt wird, um eine Luft- Verdünnung für die Zigarette
bereitzustellen. Die Gesamt-Oberfläche der Perforationen und die
Positionierung der Perforationen entlang dem Umfang der Zigarette
kann variiert werden, um die charakteristischen Leistungs-Eigenschaften
der Zigarette zu steuern.
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Der
Hauptstrom-Zigarettenrauch kann mit Luft von der Atmosphäre über die
natürliche
Porosität
der Zigaretten-Umhüllung
und/oder des Tipping-Materials verdünnt werden, oder über Perforationen, Öffnungen oder
Lüftungsöffnungen
in der Zigaretten-Umhüllung und/oder
in dem Tipping-Material. Luftverdünnungs-Einrichtungen können entlang
der Länge
der Zigarette angeordnet sein, typischerweise an einem Punkt entlang dem
Filter-Element, der in einer maximalen Entfernung vom Mund-Ende
des Filters ist. Die Maximal-Entfernung wird diktiert durch Faktoren
wie beispielsweise Herstellungs-Beschränkungen,
die mit dem Typ des verwendeten Tipping-Materials und der Zigaretten-Herstellungs-Vorrichtung
und dem entsprechenden Verfahren in Verbindung stehen. Beispielsweise
kann für
ein Filter-Element mit einer Länge
von 27 mm die Maximal-Entfernung
zwischen etwa 23 mm und etwa 26 mm vom extremen Mund-Ende des Filter-Elements
sein. In einem bevorzugten Aspekt ist die Luft-Verdünnungs-Einrichtung
in Richtung auf das extreme Mund-Ende der Zigarette relativ zu dem
den Rauch verändernden
Filter-Segment angeordnet. Beispielsweise kann für ein Filter-Element mit einer
Länge von
27 mm einschließlich
eines den Rauch verändernden
Filter-Segments von 12 mm und einem Mund-End-Segment von 15 mm ein
Ring von Luft-Verdünnungs-Perforationen
entweder 13 mm oder 15 mm von dem extremen Mund-Ende des Filter-Elements entfernt angeordnet
sein.
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Der
Ausdruck „Luft-Verdünnung", wie er in der vorliegenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, ist das
Verhältnis
(allgemein als Prozentwert ausgedrückt) von Volumen an Luft, das durch
die Luft-Verdünnungs-Einrichtung
bezogen wird, zu dem Gesamtvolumen Luft und Rauch, das durch die Zigarette
gezogen wird und am äußersten
Mund-End-Abschnitt der Zigarette austritt. Für Luft-verdünnte oder mit einer Ventilations-Einrichtung
versehene Zigaretten kann die Menge an Luft-Verdünnung
schwanken. Allgemein ist die Menge an Luft-Verdünnung für eine Luft-verdünnte
Zigarette größer als
etwa 10%, typischerweise größer als
etwa 20% und oft größer als
etwa 30%. Typischerweise kann bei Zigaretten mit relativ kleinem Umfang
(beispielsweise etwa 21 mm oder weniger) die Luft-Verdünnung etwas
geringer sein als bei Zigaretten mit größerem Umfang. Die Obergrenze
der Luft-Verdünnung
für eine
Zigarette ist typischerweise weniger als etwa 85% und noch häufiger weniger
als etwa 75%. Bestimmte relativ Hoch-Luft-verdünnte Zigaretten haben Luft-Verdünnungs-Mengen von etwa 50
bis etwa 75%, oft etwa 55 bis etwa 70%.
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Zigaretten
bestimmter Ausführungsformen
können
weniger als etwa 0,9, oft weniger als etwa 0,5 und üblicherweise
zwischen etwa 0,05 und etwa 0,3 FTC „Teer" pro Zug im Mittel ergeben, wenn sie
unter FTC-Rauch-Bedingungen geraucht werden (FTC-Rauch-Bedingungen schließen ein
Volumen von 35 ml umfassende Züge
von 2 Sekunden Dauer ein, getrennt von etwa 58 s des Glimmens).
Zigaretten mit „ultra-niedrigem
Teer-Gehalt" sind solche Zigaretten,
die weniger als etwa 7 mg FTC „Teer" pro Zigarette ergeben.
Typischerweise ergeben solche Zigaretten weniger als etwa 9 Züge, und
oft etwa 6 bis etwa 8 Züge,
wenn sie unter FTC-Rauch-Bedingungen geraucht werden. Zwar sind
Zigaretten mit „ultra-niedrigem
Teer-Gehalt" allgemein bevorzugt,
jedoch kommen in bestimmten Ausführungsformen
Zigaretten in Betracht, die weniger als etwa 0,05 oder mehr als
etwa 0,9 FTC „Teer" pro Zug ergeben.
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In
bestimmten Ausführungsformen
werden Zigaretten bereitgestellt, die eine niedrige oder vernachlässigbare
Menge an Nikotin ergeben. Solche Zigaretten ergeben allgemein weniger
als etwa 0,1, oft weniger als etwa 0,05, häufig weniger als etwa 0,01
und sogar weniger als etwa 0,005 FTC Nikotin pro Zug im Mittel,
wenn sie unter FTC-Rauch-Bedingungen
geraucht werden. In anderen Ausführungsformen
kann eine Zigarette erwünscht
sein, die höhere
Werte an Nikotin liefert. Zigaretten können etwa 0,1, 0,2, 0,3 oder
mehr FTC Nikotin pro Zug im Mittel liefern, wenn sie unter FTC-Rauch-Bedingungen geraucht
werden.
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Zigaretten,
die eine niedrige oder vernachlässigbare
Menge an Nikotin ergeben, können
zwischen etwa 1 mg und etwa 20 mg und häufig etwa 2 mg bis etwa 15
mg FTC „Teer" pro Zigarette ergeben
und können relativ
hohe Verhältnisse
FTC „Teer" zu FTC Nikotin aufweisen,
beispielsweise zwischen etwa 20 und etwa 150.
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Zigaretten
der bevorzugten Ausführungsformen
können
einen wünschenswert
hohen Widerstand gegen Zug zeigen, beispielsweise einen Druckabfall
von zwischen etwa 50 und etwa 200 mm Wasserdruck bei 17,5 cc/s Luftstrom.
Typischerweise werden Werte des Druckabfalls bei Zigaretten gemessen
unter Verwendung von Instrumenten, die erhältlich sind von der Firma Cerulean
(früher
Firma Filtrona Instruments and Automation) aus Milton Keynes, Vereinigtes
Königreich.
Zigaretten bevorzugter Ausführungsformen
zeigen vorzugsweise Werte eines Widerstands gegen das Ziehen von
etwa 70 bis etwa 180, noch mehr bevorzugt etwa 80 bis 150 mm Wasserdruck-Abfall
bei 17,5 cc/s Luftstrom.
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Zigaretten
bevorzugter Ausführungsformen
können
ein den Rauch veränderndes
Filter-Segment einschließen. Das
den Rauch verändernde
Filter-Segment kann den Gehalt an einer oder mehreren unerwünschten
Komponenten im Rauch reduzieren und/oder kann einen verstärkten Tabak-Rauch-Geschmack,
einen reicheren Rauch-Charakter, ein verbessertes Gefühl im Mund
und eine erhöhte
Zufriedenheit beim Rauchen liefern, sowie auch eine Verbesserung
der wahrgenommenen charakteristischen Zug-Eigenschaften der Zigarette.
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Katalysator-System
zum Reduzieren von Karzinogenen im Rauch
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
schließen
Rauch-Gegenstände,
die Oxalsäuremono-(–)menthylester
oder sein(e) Salz(e) einschließen,
auch ein Katalysator-System ein, das katalytische Metall- und/oder Kohlenstoff-Teilchen
und eine Nitrat oder Nitrit-Quelle
einschließt.
Das Katalysator-System ist in das rauchbare Material so eingearbeitet,
dass es die Konzentration an bestimmten unerwünschten Komponenten im resultierenden
Rauch verringert. In Ausführungsformen,
in denen die Teilchen Metall-Teilchen sind, werden die Teilchen
vorzugsweise hergestellt durch Erwärmen einer wässrigen
Lösung
einer Metall-Ionen-Quelle und eines Reduktionsmittels, vorzugsweise
eines reduzierenden Zuckers oder einer Metall-Ionen-Quelle mit Hydroxid. Vorzugsweise
werden die Metall-Teilchen in Lösung
gebildet, wird die Nitrat- oder Nitrit-Quelle der Lösung zugesetzt
und wird die Lösung
auf das rauchbare Material aufgebracht. Jedoch kommen auch Ausführungsformen
in Betracht, in denen die Teilchen und die Nitrat- oder Nitrit-Quelle
getrennt dem rauchbaren Material zugesetzt werden. Das Katalysator-System und Rauch-Gegenstände, die
ein solches System einschließen,
sind im einzelnen beschrieben in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung
Nr.
US 2003 000,538 ,
eingereicht am 9. November 2001, Titel: „Method and Product for removing
carcinogens from tobacco smoke (Verfahren und Produkt zum Entfernen
von Karzinogenen aus Tabak-Rauch)".
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Metall-Teilchen
-
In
bevorzugten Ausführungsformen
werden Teilchen einer katalytischen metallischen Substanz auf die rauchbaren
Materialien aufgebracht. Der Ausdruck „metallisch", wie er in der vorliegenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, ist ein
breiter Ausdruck und wird in seinem üblichen Sinn verwendet, der
einschließt
(ohne dies jedoch darauf zu beschränken) reine Metalle, Mischungen
aus zwei oder mehr Metallen, Mischungen aus Metallen und Nicht-Metallen,
Metalloxide, Metall-Legierungen, Mischungen oder Kombinationen irgendeines
der vorgenannten Materialien und andere Substanzen, die wenigstens
ein Metall enthalten. Geeignete katalytische Metalle schließen die Übergangsmetalle,
Metalle in der Hauptgruppe und ihre Oxide ein. Viele Metalle sind
in diesem Prozess wirksam, jedoch bevorzugte Metalle schließen beispielsweise Pd,
Pt, Rh, Ag, Au, Ni Co und Cu ein.
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Viele Übergangsmetalloxide
und Hauptgruppen Metalloxide sind wirksam, jedoch schließen bevorzugte
Metalloxide beispielsweise AgO, ZnO und Fe2O3 ein. Zinkoxid und Eisenoxid sind besonders
bevorzugt, basierend auf ihren physikalischen Eigenschaften, den
Kosten und dem Karzinogenverhalten des Oxids. Ein einziges Metall
oder Metalloxid kann bevorzugt sein, oder eine Kombination aus zwei
oder mehr Metallen oder Metalloxiden kann bevorzugt sein. Die Kombination
kann eine Mischung von Teilchen einschließen, von denen jedes eine unterschiedliche
Metall- oder Metalloxid-Zusammensetzung
aufweist. Alternativ dazu können
die Teilchen selbst mehr als ein Metall oder Metalloxid enthalten.
Geeignete Teilchen können
Legierungen von zwei oder mehr unterschiedlichen Arten von Metallen
oder Mischungen von Legierungen von Metallen und Nicht-Metallen
einschließen.
Geeignete Teilchen können
auch Teilchen einschließen,
die einen Metall-Kern mit einer Schicht des entsprechenden Metalloxids,
das die Oberfläche
des Teilchens ausmacht, aufweisen. Die Metall-Teilchen können auch
Metall- oder Metalloxid-Teilchen auf einem geeigneten Träger-Material
einschließen,
beispielsweise einem Siliciumoxid- oder Aluminiumoxid-Träger. Alternativ
können
die Metall-Teilchen Teilchen einschließen, die einen Kern aus einem
Träger-Material einschließen, das
im wesentlichen umfasst, ist von einer Schicht katalytisch aktiven
Metalls oder Metalloxids. Zusätzlich
zu den oben genannten Konfigurationen können die Metall-Teilchen in
jeder anderen geeigneten Form vorliegen, mit der Maßgabe, dass
die Metall-Teilchen die bevorzugte mittlere Teilchengröße aufweisen.
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Die
Teilchen können
hergestellt werden nach irgendeinem geeigneten Verfahren, wie es
in diesem technischen Bereich bekannt ist. Bei der Herstellung von
Metall-Teilchen schließen
geeignete Verfahrensweisen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf
Draht-Elektrizitäts-Explosion,
Hochenergie-, Kugelmahlen, Plasma-Verfahren, Verdampfungs- und Kondensations-Verfahren
und dergleichen. Jedoch werden in bevorzugten Ausführungsformen
die Teilchen hergestellt über
eine Reduktion von Metall-Ionen
in wässriger
Lösung,
wie dies nachfolgend beschrieben wird.
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Zwar
ist irgendein geeignetes Metall-Teilchen, Metalloxid-Teilchen oder
Kohlenstoff-haltiges
Teilchen (wie nachfolgend beschrieben) bevorzugt, jedoch ist es
besonders bevorzugt, ein Metall-Teilchen, Metalloxid-Teilchen oder
Kohlenstoff-haltiges Teilchen zu verwenden, das einen relativ niedrigen
Wert des Transfers zu Zigaretten-Kondensat und anderem Rauch-Kondensat
aufweist, der bei Verbrennung des rauchbaren Materials produziert
wird. Beispielsweise hat Palladium einen niedrigeren Transfer-Wert
als Silber. Auch neigen Metalloxide dazu, einen relativ niedrigen
Transfer-Wert aufzuweisen. Jedoch kann es in bestimmten Ausführungsformen
bevorzugt sein, ein Metall-Teilchen, Metalloxid-Teilchen oder Kohlenstoff-haltiges
Teilchen zu verwenden, das einen relativ hohen Transfer-Wert zu
Rauch-Kondensat aufweist. Beim Bereitstellen einer Verbindung, die
wirksam die Zersetzung von Nitrat-Salzen katalysiert, ist es auch
allgemein bevorzugt, dass das Metall-Teilchen, Metalloxid-Teilchen
oder Kohlenstoff-haltige Teilchen eine relativ niedrige spezifische
Wärme aufweist.
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Kohlenstoff-haltige
Teilchen
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In
bestimmten Ausführungsformen
werden Teilchen aus einer katalytischen, Kohlenstoff-haltigen Substanz
auf die rauchbaren Materialien aufgebracht. Der Begriff „Kohlenstoff-haltig", wie er in der vorliegenden Beschreibung
und in den Patentansprüchen
verwendet wird, ist ein breiter Begriff und wird in seinem üblichen Sinn
verwendet, der (ohne Beschränkung)
einschließt:
Graphit-artigen Kohlenstoff, Fullerene, dotierte Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
dotierte Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
andere geeignete Kohlenstoff-enthaltende Substanzen und Mischungen
oder Kombinationen irgendwelcher der vorgenannten Substanzen.
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Die
Kohlenstoff-haltigen Teilchen können
hergestellt werden nach irgendeinem geeigneten Verfahren, wie es
in diesem technischen Bereich bekannt ist. Wenn man Graphit-artige Teilchen herstellt,
können
geeignete Verfahrensweisen einschließen, sind jedoch nicht beschränkt auf
Mahl-Verfahren und dergleichen.
-
Fullerene
schließen
ein, sind jedoch nicht beschränkt
auf Buckminster-Fulleren (C60) sowie C70- und höhere
Fullerene. Die Struktur von Fullerenen und Kohlenstoff-Nanoröhren kann
es erlauben, dass sie mit anderen Atomen dotiert sind, beispielsweise
Metallen wie beispielsweise Alkalimetallen, einschließlich Kalium, Rubidium
und Caesium. Diese anderen Atome können in den Kohlenstoff-Käfig oder
das Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingeschlossen
sein, wie es für
bestimmte Atome beobachtet wird, wenn sie in endohedrales Fulleren
eingeschlossen sind. Atome können
auch in eine Kristall-Struktur
eingeschlossen werden, z. B. die bct-Struktur von A4C60 (worin A
= K, Rb, Cs ist und C = Buckminster-Fulleren ist), oder die bcc-Struktur
von A6C60 (worin A = K, Rb, Cs ist und C = Buckminster-Fulleren
ist). Fullerene können
auch dimerisiert oder polymerisiert sein. Bestimmte Fullerene wie
beispielsweise C70-Fullerene sind bekannte
Radikal-Fallen, und als solche können
sie geeignet sein zur Verwendung in einem Katalysator-System ohne
Gegenwart von Nitrat oder anderen Radikal-Fallen-Erzeugern.
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Fullerene
werden vorzugsweise hergestellt durch Kondensieren von gasförmigem Kohlenstoff
in einem Inertgas. Der gasförmige
Kohlenstoff wird erhalten beispielsweise durch Richten eines intensiven
Pulses von Laser-Strahlung auf eine Graphit-Oberfläche. Die
freigesetzten Kohlenstoff-Atome werden mit einem Strom von Helium-Gas
gemischt, wodurch sie sich unter Bildung von Clustern von Kohlenstoff-Atomen
kombinieren. Die Gas-enthaltenden Cluster werden dann in eine Vakuum-Kammer
geleitet, wo sie sich ausdehnen und auf eine Temperatur von einigen
wenigen Graden über
dem absoluten Nullpunkt abgekühlt
werden. Die Cluster werden dann extrahiert. Andere geeignete Verfahrensweisen
zum Herstellen von Fullerenen sind in diesem technischen Gebiet
bekannt und können
ebenfalls verwendet werden.
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Kohlenstoff-Nanoröhrchen können hergestellt
werden durch Entladung im elektrischen Lichtbogen zwischen zwei
Graphit-Elektroden. Bei dem Entlade-Verfahren im elektrischen Lichtbogen
verdampft Material von einer Elektrode und schlägt sich auf der anderen in
Form von Nano-Partikeln und Nano-Röhrchen nieder. Eine Reinigung
wird erreicht durch kompetitive Oxidation entweder in der Gas- oder
in der Flüssig-Phase.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
können
auch katalytisch gezüchtet
werden. In katalytischen Verfahrensweisen züchtet man Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthaltende
Filamente auf Metall-Oberflächen,
die einem Kohlenwasserstoff-Gas bei Temperaturen typischerweise
zwischen 500 und 1.100°C
ausgesetzt werden. Andere Verfahrensweisen zum Bilden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen schließen Laser-Verdampfungs-Verfahren ähnlich denen
ein, wie sie zur Bildung von Fullerenen verwendet werden. Jedoch
kann jedes beliebige geeignete Verfahren zum Bilden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet
werden.
-
Teilchengröße
-
Die
Teilchen von bevorzugten Ausführungsformen
haben vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von mehr als etwa 0,5 Mikron
(0,5 μm),
noch mehr bevorzugt größer als
etwa 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8,
1,9 oder 2 μm.
Die bevorzugte Größe kann
abhängig
sein von der metallischen oder Kohlenstoff-haltigen Substanz. Teilchengrößen können so
groß sein
wie 150 μm
oder mehr, noch mehr bevorzugt von 150, 140, 130, 120, 110, 100,
90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 19, 18, 17, 15, 14, 13, 12, 11,
10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3 μm
oder weniger (als Durchmesser gerechnet). In anderen Ausführungsformen
kann eine bevorzugte Teilchengröße sein
weniger als oder gleich etwa 0,5 μm
(500 nm) oder 400, 300, 200, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20.
10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 nm oder weniger. In bevorzugten Ausführungsformen
sind die Teilchen von im wesentlichen einheitlicher Größen-Verteilung;
mit anderen Worten: Die Mehrheit der Metall-Teilchen, die zugegen
sind, haben einen Durchmesser, der allgemein innerhalb eines Bereichs
von etwa ±50%
oder weniger des mittleren Durchmessers liegt, vorzugsweise innerhalb
eines Bereichs von etwa ±45%,
40%, 35%, 30% oder weniger des mittleren Durchmessers, noch mehr
bevorzugt innerhalb eines Bereichs von ±25% oder weniger des mittleren
Durchmessers und am meisten bevorzugt innerhalb eines Bereichs von ±20% oder
weniger des mittleren Durchmessers. Der Begriff „Mittel" schließt sowohl das arithmetische
Mittel als auch das gewichtete Mittel ein.
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Zwar
kann eine einheitliche Größen-Verteilung
allgemein bevorzugt sein; jedoch können einzelne Teilchen, die
Durchmesser oberhalb oder unterhalb des bevorzugten Bereichs aufweisen,
zugegen sein und können
sogar die Hauptmenge der vorhandenen Teilchen ausmachen, mit der
Maßgabe,
dass eine wesentliche Menge von Teilchen, die Durchmesser im bevorzugten
Bereich haben, zugegen sind. In anderen Ausführungsformen kann es wünschenswert
sein, dass die Teilchen eine Mischung aus zwei oder mehr Teilchengröße-Verteilungen
darstellen, beispielsweise eine Teilmenge der Mischung kann eine
Verteilung von Teilchen im Nanometer-Größenbereich sein, und eine Teilmenge
der Mischung kann eine Verteilung von Teilchen im Mikrometer- Größenbereich
einschließen.
Die Teilchen bevorzugter Ausführungsformen
können
verschiedene Formen aufweisen. Beispielsweise kann ein Teilchen
ein einzelnes, integriertes Teilchen darstellen, das nicht an anderen
Teilchen haftet oder physikalisch oder chemisch mit anderen Teilchen
verbunden ist. Alternativ dazu kann ein Teilchen zwei oder mehr
agglomerierte oder in Cluster-Form vorliegende kleinere Teilchen
ausmachen, die zusammengehalten werden durch physikalische oder
chemische Anziehungskräfte
oder Bindungen unter Bildung eines einzigen größeren Teilchens. Die Teilchen
können
verschiedene Strukturen auf Atom-Ebene aufweisen, was einschließt, nicht
jedoch beschränkt
ist beispielsweise auf kristalline Strukturen, amorphe Strukturen
und Kombinationen daraus. In verschiedenen Ausführungsformen kann es wünschenswert
sein, verschiedene Kombinationen von Teilchen einzuschließen, die
verschiedene Eigenschaften haben, einschließlich (nicht jedoch beschränkt auf)
Teilchengröße, Teilchenform
oder Teilchenstruktur, chemische Zusammensetzung, Kristallinität und dergleichen.
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Nitrat- oder
Nitrit-Quelle
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Jede
beliebige geeignete Quelle von Nitrat oder Nitrit kann bevorzugt
sein. Bevorzugte Nitrat- oder Nitrit-Quellen schließen die
Nitrat- oder Nitrit-Salze von Metallen ein, die gewählt sind
aus den Gruppen Ia, Ib, IIa, IIb, IIIa, IIIb, IVa, IVb, Va, Vb und
der Übergangsmetalle
des Periodensystems der Elemente.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
schließen
die Nitrat- oder Nitrit-Quelle ein Nitrat ein von Lithium, Natrium,
Kalium, Rubidium, Caesuim, Magnesium, Calcium, Strontium, Yttrium,
Lanthan, Cer, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium,
Erbium, Scandium, Mangan, Eisen, Rhodium, Palladium, Kupfer, Zink,
Aluminium, Gallium, Zinn, Bismuth, Hydrate davon und Mischungen
daraus. Vorzugsweise kann das Nitrat-Salz sein ein Alkalimetallnitrat
oder Erdalkalimetallnitrat. Noch mehr bevorzugt kann die Nitrat-
oder Nitrit-Quelle gewählt
sein aus der Gruppe von Calcium-, Magnesium- und Zink-Nitrat, wobei
Magnesiumnitrat das am meisten bevorzugte Salz ist. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
kann Mg(NO3)2·6H2O als Nitrat-Quelle bevorzugt sein. Zwar
sind Nitrat- und Nitrit-Salze allgemein bevorzugt, jedoch kann jedes
beliebige geeignete Metall-Salz oder jede beliebige geeignete metallorganische
Verbindung oder jede beliebige andere Verbindung, die in der Lage
ist, Stickstoffoxid freizusetzen, bevorzugt sein.
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Zwar
ist es nicht erwünscht,
dass man auf irgendeinen besonderen Mechanismus beschränkt ist;
es wird jedoch angenommen, dass die Nitrat- oder Nitrit-Quelle Stickstoffoxid-Radikale
bildet und dass dieser Reaktions-Prozess durch die metallischen
oder Kohlenstoff-haltigen Teilchen in der Verbrennungszone von Tabak katalysiert
wird. Die Stickstoffoxid-Radikale dienen – so wird angenommen – als Falle
für andere
organische Radikale, die für
die Bildung von PAHs und anderen karzinogenen Verbindungen verantwortlich
sind.
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Die
Temperatur, bei der eine spezielle Nitrat- oder Nitrit-Quelle unter
Bildung von Stickstoffoxid zerfällt, kann
schwanken. Da ein Temperatur-Gradient im Bereich der Verbrennungszone
eines Tabak-Strangs existiert, kann die Wahl und Konzentration der
Nitrat- oder Nitrit-Quelle so gewählt werden, dass dies eine
optimale Produktion von Stickstoffoxid während der Verbrennung liefert.
Bestimmte Nitrate und Nitrite allein, insbesondere diejenigen der
Metalle der Gruppe Ia, fungieren als wirksame Verbrennungs-Promotoren
und beschleunigen die Verbrennungsrate des rauchbaren Materials
und senken die Gesamtausbeute an Rauch, senken jedoch nicht notwendigerweise
die Quantität
an PAHs innerhalb des Rauchs. Die Stickstoffoxid-Ausbeute solcher
Nitrate kann auch relativ niedrig sein.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann es bevorzugt sein, dass die Metall-Ionen-Quelle und die Nitrat- oder Nitrit-Quelle
dieselbe Verbindung darstellen, beispielsweise Palladium(II)-Nitrat.
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Katalysator-Herstellung
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In
bevorzugten Ausführungsformen
können
metallische Teilchen aus einer wässrigen
Lösung
hergestellt werden. Beispielsweise können Metall-Teilchen hergestellt
werden aus einer Ionen-Quelle, die eine oder mehrere Quellen für Metall-Ionen
und einen oder mehrere reduzierende Zucker enthält. Geeignete Metall-Ionen-Quellen
schließen
jede beliebige ionische oder metallorganische Verbindung ein, die
in wässriger
Lösung löslich ist
und in der Lage ist, Metall-Ionen zu ergeben, die zu Teilchen eines
katalytischen Metalls reduziert werden können oder zur Bildung eines
Metalloxids verwendet werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt die Katalysator-Quelle ein Metall
wie beispielsweise Palladium ein, und die Palladium-Ionen-Quelle
schließt
wasserlösliche
Palladium-Salze ein. Veranschaulichende, nicht-beschränkende Beispiele
von geeigneten Palladium-Salzen schließen einfache Salze wie beispielsweise
Palladiumnitrat, Palladiumhalogenide wie beispielsweise Palladiumdi-
oder -tetrachloriddiammin-Komplexe wie beispielsweise Dichlorodiamminpalladium(II)
(Pd(NH3)2Cl2) sowie Palladatsalze, insbesondere Ammoniumsalze
wie beispielsweise Ammoniumtetrachloropalladat-(II) und Ammoniumhexachloropalladat-(IV)
ein.
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Eine
Form von Palladium, die besonders bevorzugt sein kann, ist Ammoniumtetrachloropalladat-(II), (NH4)2PdCl4.
Ammoniumtetrachloropalladat ist allgemein gegenüber Ammoniumhexachloropalladat
bevorzugt, da unter typischen Bedingungen zur Herstellung der Metall-Teilchen
ein höherer
Umwandlungsgrad Metall-Ionen zu Metall für Ammoniumtetrachloropalladat-(II)
beobachtet werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine wässrige
Lösung
eines reduzierenden Mittels hergestellt, der die Metall-Ionen-Quelle
zugesetzt wird. In bevorzugten Ausführungsformen kann das reduzierende Mittel
ein reduzierender Zucker sein, jedoch können andere geeignete reduzierende
Mittel bevorzugt sein. Obwohl jede beliebige Verbindung, die in
der Lage ist, das Metall-Ion zu reduzieren, verwendet werden kann,
ist aus praktischer Sicht das reduzierende Mittel vorzugsweise nicht-toxisch
und bildet vorzugsweise keine toxische Nebenprodukte, wenn es während des
Rauchens pyrolysiert wird. Darüber
hinaus ist das reduzierende Mittel vorzugsweise wasserlöslich.
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Bevorzugte
reduzierende Mittel sind die reduzierenden Zucker. Geeignete reduzierende
Mittel schließen
organische Aldehyde, speziell Hydroxyl-Gruppen enthaltende Aldehyde
wie beispielsweise die Zucker Glucose, Mannose, Galactose, Xylose,
Ribose und Arabinose ein. Andere Zucker, die Hemiacetal oder Keto-Gruppen
enthalten, können
verwendet werden, beispielsweise Maltose, Sucrose, Lactose, Fructose
und Sorbose. Reine Zucker können
verwendet werden, jedoch können
auch rohe Zucker und Sirupe wie beispielsweise Honig, Mais-Sirup,
Invert-Sirup oder Invert-Zucker und dergleichen verwendet werden.
Andere reduzierende Mittel schließen Alkohole ein, vorzugsweise
mehrwertige Alkohole wie beispielsweise Glycerin, Sorbitol, Glycole,
speziell Ethylenglycol und Propylenglycol und Polyglycole wie beispielsweise
Polyethylen- und Polypropylenglycole. In alternativen Ausführungsformen
können
andere reduzierende Mittel verwendet werden, wie beispielsweise
Kohlenstoffmonooxid, Wasserstoff oder Ethylen.
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Die
Lösung
wird vorzugsweise erwärmt,
bevor die Metall-Ionen-Quelle der Lösung zugesetzt wird, und wird
danach bei erhöhter
Temperatur gehalten, um die Zeit zur Umwandlung der Metall-Ionen
in Metall-Teilchen zu verringern. In einer bevorzugten Ausführungsform
können
ein reduzierender Zucker wie beispielsweise Niederinvert-Zucker als reduzierendes
Mittel bevorzugt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann es wünschenswert
sein, einen Überschuss
oder einen Mangel an reduzierendem Mittel zu haben, das in der Lösung zugegen
ist. Allgemein ist es bevorzugt, eine wässrige Lösung herzustellen, die etwa
5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% des reduzierenden Zuckers enthält, vorzugsweise
etwa 6 Gew.-% bis etwa 16 oder 17 Gew.-%, noch mehr bevorzugt etwa
7, 8, 9, 10 oder 11 Gew.-% bis etwa 12, 13, 14 oder 15 Gew.-%. Wenn
das reduzierende Mittel Invert-Zucker ist, ist es bevorzugt, eine
11 Gew.-%ige bis etwa 12 Gew.-%ige Lösung herzustellen. Die Menge
an reduzierendem Mittel, das bevorzugt ist, kann in Abhängigkeit
von dem Typ des bevorzugten reduzierenden Mittels und der Menge
an Metall-Ionen-Quelle, die der Lösung zugesetzt werden soll, schwanken.
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Es
kann bevorzugt sein, die Lösung
in einem eine innere Glas-Schicht aufweisenden Gefäß herzustellen,
das mit einem Heizmantel ausgerüstet
ist. In bestimmten Ausführungsformen
kann es jedoch bevorzugt sein, die Lösung in einer anderen Art von
Gefäß herzustellen,
das aus einem anderen Typ von Material aufgebaut oder mit einer
Schicht aus einem anderen Typ von Material versehen ist, beispielsweise
Kunststoff, nicht-rostender
Stahl, Keramik und dergleichen. Es ist allgemein bevorzugt, die
Reaktion in einem geschlossenen Gefäß durchzuführen. In bestimmten Ausführungsformen
kann es wünschenswert
sein, die Reaktion unter verringertem Druck oder bei erhöhtem Druck
durchzuführen,
oder alternativ dazu unter einer Inertgas-Atmosphäre wie beispielsweise
Stickstoff oder Argon.
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Bei
der Herstellung der wässrigen
Lösung
des reduzierenden Zuckers ist es bevorzugt, entionisiertes, ultrafiltriertes
Wasser zu verwenden. Zwar werden in bevorzugten Ausführungsformen
die Metall-Teilchen aus einer wässrigen
Lösung
hergestellt; es kann jedoch in anderen Ausführungsformen wünschenswert
sein, ein anderes geeignetes Lösungsmittel-System
zu verwenden, beispielsweise ein polares Lösungsmittel wie beispielsweise
Ethanol oder eine Mischung aus Ethanol und Wasser. Zusätzliche
Komponenten können
in der Lösung
ebenfalls zugegen sein, mit der Maßgabe, dass sie nicht wesentlich
nachteilig die katalytische Aktivität der Metall-Teilchen beeinträchtigen.
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Nach
Zusatz des reduzierenden Zuckers zu dem entionisierten, ultrafiltrierten
Wasser wird die Lösung vorzugsweise
unter konstantem Mischen unter Vermeidung von „Hot Spots" (überhitzten
Bereichen) in der Lösung
erwärmt.
Obwohl es in bestimmten Ausführungsformen
wünschenswert
sein kann, die Teilchen aus einer bei Raumtemperatur gehaltenen
Lösung
herzustellen oder sogar aus einer Lösung, die unter Raumtemperatur gekühlt wurde,
ist es allgemein bevorzugt, die Lösung so zu erwärmen, dass
die Reaktion zwischen dem reduzierenden Zucker und der Metall-Ionen-Quelle
beschleunigt wird, sobald sie einmal der Lösung zugesetzt wurde. Die Lösung kann
auf irgendeine geeignete Temperatur erwärmt werden, jedoch werden vorzugsweise ein
Sieden der Lösung
und eine Zersetzung des reduzierenden Zuckers vermieden. In einer
bevorzugten Aus führungsform,
in der Nieder-Invertzucker der reduzierende Zucker ist, wird die
Lösung
typischerweise auf eine Temperatur von etwa 95°C oder mehr erwärmt, vorzugsweise
auf eine Temperatur von oberhalb Raumtemperatur bis etwa 90°C, noch mehr
bevorzugt von etwa 50°C,
55°C, 60°C oder 65°C bis etwa
85°C und
am meisten bevorzugt von etwa 70°C
oder 75°C
bis etwa 80°C.
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Die
Metall-Ionen-Quelle wird der erwärmten
wässrigen
Lösung
des reduzierenden Mittels zugesetzt, die gerührt wird, während die Metall-Ionen mit
dem reduzierenden Zucker unter Herstellung von Metall-Teilchen reagieren.
Es ist allgemein bevorzugt, eine ausreichende Menge an Metall-Ionen-Quelle
zuzusetzen und so eine Lösung
herzustellen, die von weniger als etwa 3.000 ppm bis mehr als etwa
5.000 ppm Metall enthält. Vorzugsweise
wird ausreichend Metall-Ionen-Quelle zugesetzt und so eine Lösung hergestellt,
die von etwa 3.250, 3.500 oder 3.750 ppm bis etwa 4.250, 4.500,
4.750 ppm Metall enthält,
noch mehr bevorzugt von etwa 3.800, 3.850, 3.900 oder 3.950 ppm
bis etwa 4.050, 4.100, 4.150 oder 4.200 ppm Metall und am meisten
bevorzugt etwa 4.000 ppm Metall.
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Die
Reaktions-Zeit zur Umwandlung von Metall-Ionen zu Metall-Teilchen
kann in Abhängigkeit
von dem reduzierenden Mittel und der bevorzugten Metall-Ionen-Quelle
schwanken, liegt jedoch allgemein im Bereich von etwa 30 min oder
weniger bis etwa 24 h oder mehr, und liegt typischerweise im Bereich
von etwa 1 bis 2 h bis etwa 3, 4 oder 5 h. In einer bevorzugten
Ausführungsform,
in der Ammoniumtetrachloropalladat die Metall-Ionen-Quelle ist,
kann eine wesentliche Umwandlung von Palladium-Ionen in Palladium-Metall
erreicht werden nach 3 h bei einer Lösung, die auf eine Temperatur
von etwa 75°C
erwärmt
wurde. Obwohl in bestimmten Ausführungsformen
eine niedrigere Umwandlung annehmbar sein kann, ist es jedoch allgemein
wünschenswert,
eine Umwandlung von Metall-Ionen zu Metall von wenigstens 50% zu
erreichen, vorzugsweise von wenigstens 60%, noch mehr bevorzugt
von wenigstens 70% und am meisten bevorzugt von wenigstens 75, 80,
85% oder mehr.
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Die
auf diese Weise hergestellten Metall-Teilchen haben allgemein Durchmesser
von etwa 1 μm
oder weniger. In bestimmten anderen Ausführungsformen können metallische
Teilchen mit einzelnen Durchmessern und mittleren Durchmessern unter
etwa 20 nm oder oberhalb von etwa 1 μm produziert werden. Die Größe der Metall-Teilchen
kann bequemerweise bestimmt werden unter Verwendung herkömmlicher
Verfahren wie beispielsweise Röntgenstrahl-Beugung
oder anderen Verfahren zur Bestimmung des Teilchen-Durchmessers,
beispielsweise Laser-Scattering.
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Nachdem
eine ausreichende Umwandlung von Metall-Ionen zu Metall oder Metalloxid
erreicht wurde und die metallischen Teilchen gebildet wurden, wird
die Nitrat- oder Nitrit-Quelle der Suspension zugesetzt. Irgendeine
geeignete Verbindung, die Nitrat- oder
Nitrit-Ionen in wässriger
Lösung
ergibt, kann bevorzugt sein. Vorzugsweise ist die Nitrat- oder Nitrit-Quelle
ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetall-Nitrat oder -Nitrit. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
ist die Nitrat- oder Nitrit-Quelle Magnesiumnitrat (Mg(NO3)2·6H2O). Es ist allgemein bevorzugt, eine ausreichende
Menge an Nitrat- oder Nitrit-Quelle zuzusetzen und so eine Lösung herzustellen,
die weniger als etwa 70 ppm bis mehr als 100 ppm Stickstoff (in
Form von Nitrat oder Nitrit) enthält. Vorzugsweise wird ausreichend
Nitrat- oder Nitrit-Quelle zugesetzt, um eine Lösung zu produzieren, die von
etwa 75, 80 oder 85 ppm bis etwa 90 oder 95 ppm Stickstoff enthält, noch
mehr bevorzugt von etwa 80 ppm Stickstoff.
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Allgemein
ist es bevorzugt, dass die Suspension von Metall-Teilchen nicht übermäßig konzentriert oder
verdünnt
ist, so dass dadurch eine effiziente Aufbringung der Suspension
auf das rauchbare Material erleichtert wird.
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Zwar
ist es allgemein bevorzugt, eine Suspension aus Teilchen herzustellen,
wie sie oben beschrieben wurde, indem man Metall-Ionen in Lösung reduziert
und anschließend
die Nitrat- oder Nitrit-Quelle zusetzt; es kann jedoch in anderen
Ausführungsformen
bevorzugt sein, ein unterschiedliches Verfahren anzuwenden, um die
Teilchen herzustellen. Wenn die metallischen oder Kohlenstoff-haltigen
Teilchen nicht in Lösung
hergestellt werden, können
die Teilchen mit einer passenden Flüssigkeit unter Bildung einer
Suspension gemischt werden. Aufgrund ihrer hohen Oberfläche kann
es schwierig sein, die Oberfläche
der Teilchen ausreichend zu benetzen, um so eine einheitliche Suspension
herzustellen. In solchen Fällen
kann jedes geeignete Verfahren bevorzugt sein, um die Bildung einer
Suspension zu erleichtern, einschließlich (jedoch nicht beschränkt auf) mechanische
Verfahrensweisen wie beispielsweise Ultraschall-Behandlung oder
Erwärmen,
oder chemische Verfahrensweisen wie beispielsweise die Verwendung
kleiner Mengen von oberflächenaktiven
Mitteln, vorausgesetzt, die oberflächenaktiven Mittel stören nicht
die katalytische Aktivität
der Teilchen. Sobald einmal die Suspension gebildet ist, kann die
Zugabe der Nitrat- oder Nitrit-Quelle wie oben beschrieben ablaufen.
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Zwar
ist es allgemein bevorzugt, die metallischen oder Kohlenstoff-haltigen
Teilchen und die Nitrat- oder Nitrit-Quelle auf das rauchbare Material
in Form einer Suspension aufzubringen; es kommen jedoch auch andere
Verfahren der Aufbringung der Teilchen und der Nitrat- oder Nitrit-Quelle
in Betracht. Beispielsweise können
die Teilchen dann, wenn sie in trockener Form vorliegen, dem rauchbaren
Material als Pulver zugesetzt werden. Es kann vorteilhaft sein,
das rauchbare Material mit einer geeigneten Substanz wie beispielsweise Wasser
vor der Aufbringung des Pulvers zu befeuchten, um eine bessere Haftung
der Teilchen auf dem rauchbaren Material zu erreichen.
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Wenn
die Kohlenstoff-haltigen oder metallischen Teilchen dem rauchbaren
Material in Pulverform zugesetzt werden, kann die Nitrat- oder Nitrit-Quelle
in fester Form ebenfalls dem rauchbaren Material in Pulverform zugesetzt
werden, und zwar entweder in einem getrennten Schritt vor oder nach
der Zugabe der Teilchen oder gleichzeitig mit den Teilchen, beispielsweise
in Mischung mit den Teilchen. Geeignete Verfahrensweisen, wie sie
in diesem technischen Bereich wohlbekannt sind, können zur
Herstellung einer geeigneten Feststoff-Form der Nitrat- oder Nitrit-Quelle
angewendet werden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird die Feststoff-Form
der Nitrat- oder Nitrit-Quelle hergestellt durch Gefriertrocknungs-
oder Sprühtrocknungs-Verfahren,
die beide zu extrem kleinen Teilchengrößen führen können. Es ist allgemein bevorzugt,
dass die Nitrat- oder Nitrit-Quelle in Form von Teilchen vorliegt,
die einen mittleren Durchmesser in der Größenordnung des bevorzugten
mittleren Durchmessers der Teilchen haben. Die Nitrat- oder Nitrit-Quelle
kann auch bereitgestellt werden als Lösung, die auf das rauchbare
Material aufgebracht wird, als getrennter Schritt von der Zugabe
des Teilchenpulvers, vorzugsweise vor der Zugabe der Teilchen in
trockener Form zu dem rauchbaren Material.
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Optimierung
des Katalysator-Systems
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Es
gibt viele Aspekte, die betrachtet werden müssen, wenn man versucht, das
Katalysator-System zu optimieren, von denen der erste die Umwandlung
des Palladium-Salzes in Palladium-Metall in der wässrigen reduzierenden
Lösung
ist. Diese Umwandlung erfordert eine chemische Reduktions-Reaktion
in einer wässrigen
Lösung.
Frühere
Arbeiten wurden gerichtet auf die Umwandlung des Palladium-Salzes
in Palladium-Metall in einer herkömmlichen Casing-Lösung. Es
wurde in der Patent-Literatur vorgeschlagen, dass das bevorzugte reduzierende
Mittel für
diese Reaktion in der Casing-Lösung
Fructose ist, ein bekannter reduzierender Zucker. Ein Ursprung von
Fructose in der Casing-Lösung
ist derjenige eines Niederinvert-Zuckers. In einem Versuch, dieser
früheren
Untersuchungen mit Casing-Lösung
zu wiederholen und eine besser konsistente/steuerbare Reaktion hervorzubringen,
wurden alle Komponenten in der Casing-Lösung
eliminiert, von denen davon ausgegangen wurde, dass sie für die Reduktions-Reaktion nicht essentiell
sind (z. B. Propylenglycol, Lackritz, Kakao und dergleichen), während die
Komponenten, von denen angenommen wurde, dass sie essentiell sind
(z. B. Wasser, Palladium-Salz und Niederinvert-Zucker) in denselben
Mengenverhältnissen
beibehalten wurden, wie sie in der Casing-Lösung gefunden wurden, nämlich 93
g Wasser zu 1 g Palladium-Salz zu 8 g Niederinvert-Zucker pro Pfund
Tabak. Eine weitere Komponente, die in der ursprünglichen Casing-Lösung vorhanden war,
von der jedoch nun angenommen wird, dass sie für die Reduktions-Reaktion nicht
essentiell ist, ist Mg(NO3)2·6H2O. Diese Komponente war in frühen Formulierungen
zugegen, jedoch ergab eine Nitrat-Analyse des behandelten Tabaks,
dass Mg(NO3)2·6H2O sich in einem bestimmten Ausmaß zersetzt,
wenn es in wässrigen
Lösungen
eingemischt wird, die Palladium-Metall enthalten. Durch frühes Testen
wurde auch gefunden, dass eine Re duktion von Karzinogenen in Zigaretten
nicht reproduzierbar war, wenn man zuließ, dass Mg(NO3)2·6H2O in Kontakt mit dem Palladium-Metall über längere Zeit
war. Sobald Mg(NO3)2·6H2O aus der Reaktionslösung entfernt wurde und stattdessen
der Reaktionslösung
vor der Katalysator-Aufbringung auf den Tabak zugesetzt wurde, waren
konsistent und reproduzierbare Werte des Reduzierens von Karzinogen
in experimentellen Zigaretten erhältlich.
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Ein
Merkmal der bevorzugten Reduktions-Reaktion ist die prozentuale
Umwandlung von Palladium-Salz in Palladium-Metall in der wässrigen
Lösung,
die Niederinvert-Zucker
als reduzierendes Mittel enthält. Bei
einer Temperatur von etwa 70 bis 75°C erhöht sich der Prozentwert der
Umwandlung typischerweise stetig mit der Zeit, und nach den ersten
drei Stunden der Reaktion sind mehr als 60–70% des Salzes typischerweise in
das Metall umgewandelt. Die meiste Menge des Palladium-Salzes ist
typischerweise in Metall innerhalb der ersten Stunde umgewandelt
(etwa 50%). Längere
Reaktionszeiten (beispielsweise oberhalb von 3 Stunden) erhöhen allgemein
den Prozentwert der Umwandlung nur mäßig. Unterstellt man das Ziel
eines Ausbalancierens maximaler Umwandlung in einem annehmbaren
Produktions-Zeitplan, sind drei Stunden allgemein bevorzugt als
Minimal-Zeit für
den Ablauf dieser Reaktion vor der Aufbringung der Katalysatorlösung auf
den Tabak.
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Zur
Erhöhung
der Produktions-Raten und Erniedrigung der Produktions-Kosten ist
es wünschenswert, den
Prozentwert der Umwandlung von Palladium-Salz in Palladium-Metall zu erhöhen. Ein
unmittelbarer Vorteil der Erhöhung
des Prozentwerts der Umwandlung ist das Vermögen, weniger Palladium-Salz
insgesamt in der Reaktion zu verwenden, da eine Erhöhung der
prozentualen Umwandlung mit weniger Salz tatsächlich äquivalente Mengen Palladium-Metall
in der Reaktion erzeugen kann. Dies führt zur Verringerung des Verbrauchs
des höchst
teueren Reagenz in der Reaktion.
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Es
existieren mehrere Möglichkeiten
zur Erhöhung
des Prozentwerts der Umwandlung dieser Reaktion. Die Reduktions-Reaktion
beruht darauf, dass ein Aldehyd oxidiert wird und Elektronen an
den Pd(II)-Kern freisetzt, wodurch metallisches Palladium gebildet
wird.
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In
einem besonders bevorzugten Katalysator-System, wie es oben beschrieben
wurde, wird angenommen, dass die Aldehyd-Quelle der reduzierende
Zucker Fructose ist. In der Theorie kann jede beliebige Verbindung,
die eine funktionelle Aldehyd-Gruppe enthält, das Palladium-Salz in Palladium-Metall
reduzieren. Jedoch zur Anwendung der resultierenden Mischung auf
Tabak ist es bevorzugt, dass das reduzierende Mittel nicht-toxisch ist. Wie
vorstehend im Hinblick auf das besonders bevorzugte Katalysator-System diskutiert
wurde, wird Niederinvert-Zucker als das „reduzierende Mittel" für diese
Reaktion verwendet, und es wird angenommen, dass die Fructose-Komponente
von Niederinvert-Zucker das aktive reduzierende Mittel ist. Interessanterweise
wurde gezeigt, dass reine Fructose, wenn sie als reduzierendes Mittel
für die
Palladium-Reduktion geliefert
wird, nicht sehr wirksam ist, selbst wenn Fructose in 10-fach molarem Überschuss
verwendet wird. Diese Beobachtung legt nahe, dass es ein weiteres „coreduzierendes
Mittel" oder möglicherweise
einen Katalysator für
das reduzierende Mittel gibt, der in der Niederinvert-Zucker-Lösung enthalten
ist. Aufgrund der komplexen Mischung, die mit dem Niederinvert-Zucker
verbunden ist, wird es weiter eine Herausforderung sein, genau zu
entdecken, welches das reduzierende Mittel oder die reduzierenden
Mittel ist/sind, wenn man Niederinvert-Zucker als Reagenz verwendet.
Nichtsdestoweniger funktioniert das besonders bevorzugte System bemerkenswert
gut, sieht man die Tatsache, dass der Mechanismus für die Palladium-Reduktion
in diesem System noch nicht gut verstanden wird.
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Aufbringung
des Katalysators auf rauchbares Material
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Nachdem
die Nitrat- oder Nitrit-Quelle der Suspension zugesetzt wurde, die
metallische oder Kohlenstoff-haltige Teilchen enthält, wird
sie auf das rauchbare Material aufgebracht. Wenn das rauchbare Material Tabak
ist, ist es bevorzugt, die Suspension auf geschnittenes Tabak-Füllmaterial
vor der Zugabe des „Top
Flavors" aufzubringen.
Wenn der „Top
Flavor" nicht aufgebracht
wird, dann ist es bevorzugt, die Suspension auf das geschnittene
Füllstoffmaterial
als letzten Schritt aufzubringen, beispielsweise bevor es zu einem
Tabak-Strang ausgebildet wird. Die katalytischen Teilchen können aufgebracht
werden vor, während
oder nach Aufbringung einer Casing-Lösung, jedoch werden in einer
bevorzugten Ausführungsform
die katalytischen Teilchen nach der Aufbringung der Casing-Lösung aufgebracht.
Casing-Lösungen
sind vor dem Schneiden aufzubringende Lösungen oder Saucen, die Tabak
zugesetzt werden und allgemein aus einer Vielzahl von Komponenten
bestehen, wie beispielsweise Zucker und aromatische Substanzen.
Solche Casing-Lösungen
werden allgemein dem Tabak in relativ großen Mengen zugesetzt, beispielsweise
ein Teil Casing-Lösung
auf fünf Teile
Tabak.
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Die
Teilchen und die Nitrat- oder Nitrit-Quelle sind vorzugsweise gut
in dem Tabak dispergiert, und so wird eine einheitliche Wirksamkeit
im Bereich der gesamten Masse an rauchbarem Material und über die
gesamte Zeitdauer sichergestellt, während der das Material geraucht
wird. Im Fall von Zigaretten-Tabak, in dem eine Mischung aus verschiedenen
Tabaken bevorzugt ist, kann die Suspension auf eine oder mehrere
der Blend-Komponenten aufgebracht werden oder kann – sofern
erwünscht – auf alle
Blend-Komponenten aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Suspension
auf alle Blend-Komponenten aufgebracht und so ein im wesentlichen
einheitliches Aufbringen der Teilchen und der Nitrat- oder Nitrit-Quelle
sichergestellt.
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Für bestimmte
Typen von Suspensionen von Teilchen kann eine Verschlechterung der
Leistung beobachtet werden, wenn man eine übermäßig lange Zeitdauer ablaufen
lässt,
bevor die Suspension auf das rauchbare Produkt aufgebracht wird.
Diese Verschlechterung der Leistung kann zurückzuführen sein auf verschiedene
Faktoren, einschließlich
Verlust von Teilchen aus der Suspension aufgrund ihrer Ansammlung
an den Innenflächen
des Reaktionsgefäßes oder
einer unerwünschten
Erhöhung
der Teilchengröße über die
Zeit. Wenn die Suspension Palladium-Teilchen einschließt, wird
die Suspension allgemein auf das geschnittene Tabak-Füllmaterial
aufgebracht innerhalb von etwa 10 h, nachdem der gewünschte Grad
der Metall-Ionen-Umwandlung erreicht wurde und die Nitrat- oder
Nitrit-Quelle der Suspension zugesetzt wurde. Die Suspension wird
vorzugsweise aufgebracht innerhalb von 9, 8, 7 oder weniger Stunden,
noch mehr bevorzugt innerhalb von etwa 6, 5 oder 4 Stunden und meisten
bevorzugt innerhalb von 3, 2, oder 1 Stunden oder weniger. Jedoch kann
es in bestimmten Ausführungsformen,
einschließlich
derjenigen, die Gebrauch von Palladium-Teilchen machten, möglich sein,
die Suspension nach einer Verzögerung
von mehr als 10 h aufzubringen, wobei man trotzdem eine annehmbare
Katalyse-Leistung aufrechterhält.
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Es
ist bevorzugt, die Suspension auf das rauchbare Material in Form
eines feinen Nebels aufzubringen, beispielsweise eines solchen,
wie er unter Verwendung eines Atomisators produziert wird. In einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Suspension auf Tabak aufgebracht, vorzugsweise auf geschnittenes
Tabak-Füllmaterial,
und zwar in einer umlaufenden Trommel, die mit zahlreichen Sprühköpfen ausgestattet ist.
Ein solches Verfahren der Aufbringung stellt ein gleichmäßiges beschichtungsmäßiges Aufbringen
der Metall-Teilchen auf das Tabak-Produkt sicher. Der Tabak kann
während
oder nach der Aufbringung der Lösung erwärmt werden
und so eine Verdampfung eines Überschusses
eines Lösungsmittels
erleichtert werden.
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Es
ist bevorzugt, eine ausreichende Menge der Suspension der metallischen
oder Kohlenstoff-haltigen Teilchen auf das rauchbare Material aufzugeben,
so dass das rauchbare Material von etwa 500 ppm oder weniger bis
etwa 1.500 ppm oder mehr des Metalls oder Kohlenstoffs in Form von
katalytischen Teilchen enthält. Vorzugsweise
enthält
das rauchbare Material etwa 500 ppm bis etwa 1.000, 1.100, 1.200,
1.300 oder 1.400 ppm des Metalls oder Kohlenstoffs in Form katalytischer
Teilchen, noch mehr bevorzugt 500, 600 oder 700 bis etwa 800, 900
oder 1.000 ppm und am meisten bevorzugt 800 ppm. Es ist allgemein
bevorzugt, dass das rauchbare Material etwa 0,4 bis etwa 1,5 Gew.-%
Stickstoff (aus Nitrat oder Nitrit) enthält. Vorzugsweise enthält das rauchbare
Material etwa 0,5 oder 0,6 Gew.-% bis etwa 1,0, 1,1, 1,2, 1,3 oder
1,4 Gew.-% Stickstoff, noch mehr bevorzugt etwa 0,6, 0,7 oder 0,8
Gew.-% bis etwa 0,9 Gew.-% und am meisten bevorzugt etwa 0,9 Gew.-%
Stickstoff. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht ein 1 Kilogramm
Tabak aus 800 mg Metall oder Kohlenstoff in Form katalytischer Teilchen
und 9 g Stickstoff in Form der Nitrat- oder Nitrit-Quelle.
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Sobald
einmal die metallischen oder Kohlenstoff-haltigen Teilchen und die
Nitrat- oder Nitrit-Quelle aufgebracht wurden, kann das rauchbare
Material weiter verarbeitet und in irgendeine gewünschte Form
gebracht oder lose verwendet werden, beispielsweise in Zigarren,
Zigaretten oder Pfeifentabak, und zwar in irgendeiner geeigneten
Weise, wie sie Fachleuten mit üblichem
Sachverstand in diesem technischen Bereich wohlbekannt ist.
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Die
obige Beschreibung offenbart einige Verfahrensweisen und Materialien
gemäß der vorliegenden Erfindung.
Solche Modifikationen werden Fachleuten in diesem technischen Bereich
aus einer Betrachtung dieser Offenbarung und der praktischen Umsetzung
der Erfindung, wie sie in der vorliegenden Beschreibung offenbart
ist, offenbar. Konsequenterweise ist es nicht beabsichtigt, dass
die vorliegende Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen,
die in der Beschreibung offenbart sind, beschränkt wird, sondern sie soll
alle Modifikationen und Alternativen abdecken, die in den wahren
Umfang der Erfindung kommen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt
ist.