EA005983B1

EA005983B1 - Микропористые волокна с развитой поверхностью, полученные из полимерных растворов

Info

Publication number: EA005983B1
Application number: EA200301144A
Authority: EA
Inventors: Ликсин Ксуе; Кент Б. Коллер; Квионг Гао
Original assignee: Филип Моррис Продактс Инк.
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2005-08-25
Also published as: US6779528B2; BR0208997A; SK13062003A3; AR033228A1; WO2002085143A1; CN1243491C; JP2004530056A; HUP0303966A2; CZ20032844A3; ZA200307444B; AU2002256223B2; EA200301144A1; TWI236878B; KR20030090692A; US20030116293A1; CN1503635A; MXPA03009585A; EP1389055A1; CA2444396A1

Abstract

Описывается ацетатное волокно (фиг. 2), наружная поверхность которого имеет множество микропористых полостей или пустот (фиг. 3), а также способ его получения (фиг. 1).

Description

Настоящее изобретение относится к микропористым волокнам с развитой поверхностью, полученным из полимерных растворов, главным образом, к волокнам фильтрационного назначения с развитой поверхностью, в которых используются поверхностные микрополости, удерживающие твердые и/или жидкие реагенты, предназначенные для селективной фильтрации, способствующей уменьшению концентрации некоторых компонентов дыма.

Современные ацетатные (СА) волокна, используемые в сигаретных фильтрах, получают способом сухого прядения, который обеспечивает протяжку или отжимание 20-25% ацетонового раствора СА через отверстия в днищах фильер или сопла и медленную усадку с образованием конечной формы волокна в результате удаления ацетонового растворителя в прядильной колонне длиной порядка 5-10 м. После сушки в потоке горячего сжатого воздуха полученные в результате волокна с профилями К, I, Υ и X, определяемыми формой отверстий, через которые они протягивались или отжимались, имеют сплошное поперечное сечение ядра и относительно ограниченные внешние площади поверхности, что связано с тепловым воздействием.

Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в увеличении площади наружной поверхности некоторых волокон, полученных из полимерных растворов, путем формирования микрополостей, предназначенных для удерживания твердых и/или жидких реагентов для селективной фильтрации, с целью снижения концентрации некоторых дымовых компонентов в таких табачных продуктах, как сигареты.

Другая цель настоящего изобретения относится к способу получения волокон с развитой поверхностью, предназначенных для применения в таких табачных изделиях, как сигареты.

Еще одна цель настоящего изобретения представляет собой способ получения волокон с развитой поверхностью из полимерных растворов, в котором микрополости на поверхности волокон используются для удерживания твердых и/или жидких реагентов селективной фильтрации, с целью уменьшения количества некоторых компонентов дыма табачных изделий.

В соответствии с настоящим изобретением полимерный раствор проталкивают через фильеру в процессе сухого прядения. Исходную форму волокон подвергают быстрому выпариванию при пониженном давлении после достижения определенной степени высушивания в воздушных прядильных колоннах, в ходе которого на поверхности волокна образуется полимерная пленка. Остаточное количество растворителя или порообразующего средства внутри такой поверхностной пленки прорывается наружу и быстро удаляется из волокна при пониженном давлении через различные микропористые проходы, в результате чего образуются волокна с развитой поверхностью, содержащие микропористые полости и внутренние пустоты. Для сохранения микропор, образовавшихся в поверхности ацетатных волокон, важно, чтобы в процессе выпаривания поддерживалась температура ниже 60°С.

Описанный способ может быть распространен на полимерные материалы, отличные от ацетата, а также на растворители и так называемые раздувающие агенты, отличные от ацетона. Для указанной цели подходят волокна, полученные из расплавленной полимерной пасты, охлажденная твердая внешняя пленка которых содержит уловленный воздух. Процесс низкотемпературного испарения может осуществляться в непрерывном и периодическом режиме.

Новые отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения, помимо тех, что были отмечены выше, станут более понятными специалисту в данной области техники из следующего подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей, где соответствующие ссылочные признаки относятся к соответствующим частям и на которых фиг. 1А изображает микрофотографию поверхности волокна, полученного по методике примера 1 настоящего изобретения;

фиг. 1В изображает микрофотографию профиля волокна, полученного по методике примера 1 настоящего изобретения;

фиг. 2 изображает микрофотографию поверхности волокна, полученного по методике примера 2 настоящего изобретения;

фиг. 3 изображает микрофотографию поверхности волокна, полученного по методике примера 3 настоящего изобретения;

фиг. 4 изображает микрофотографию поверхности волокна, полученного по методике примера 4 настоящего изобретения;

фиг. 5 изображает микрофотографию волокна, высушенного при температуре примерно 65°С и полученного по методике примера 4 настоящего изобретения;

фиг. 6А изображает микрофотографию волокна, высушенного при температуре примерно 45°С55°С и полученного по методике примера 4 настоящего изобретения; и фиг. 6В изображает микрофотографию профиля волокна, изображенного на фиг. 6А.

фиг. 7 изображает волокно после полного высушивания при температуре 59-62°С в вакуумной печи.

Далее представлены специфические особенности и примеры настоящего изобретения.

Приготовление А ацетонового раствора СА.

В трехгорлую круглодонную колбу емкостью 100 мл, снабженную механической мешалкой и стек

- 1 005983 лянными пробками, добавляли 50 мл ацетона (Р18Йег δοίοηΙίΡίο. 99,6%) и затем, при умеренном перемешивании, добавляли 11,88 г СА (ацетатного) волокна в виде пакли. После завершения добавления сосуд герметизировали, и введенное волокно медленно растворялось в растворителе в течение ночи с образованием белого, гомогенного, вязкого раствора.

В. Процесс сухого прядения с образованием волокон. Около 10 мл полученного раствора медленно переносили с помощью пластмассового шприца с пластиковыми трубками в 10 мл экструзионный барабан. Барабан помещали в ΌΑΟΑ 9-мм Ρίδΐοη Ехйибег Модели 40000 с круглой формой с одним 0,75 мм отверстием и экструдировали при комнатной температуре и скорости движения поршня порядка 20 мм/мин. Экструдированное волокно собирали в алюминиевом поддоне после вертикального стекания капель на расстоянии отвода растворителя в 21 см, образованного с помощью комбинации двух форсунок с воздушным дутьем и крышки для отвода отходящих газов. Остаток растворителя быстро испаряли с помощью высоковакуумной печи или высокоскоростного потока воздуха в крышке.

Пример 1. Волокна, полученные после сушки в вакууме при 60°С.

В этом примере полученное волокно собирали в металлическую чашу, которую затем помещали в вакуумную печь при 60°С. Внутри печи создавали высокий вакуум с помощью механического насоса и ловушки с сухим льдом. В результате быстрого испарения уловленных растворителей на поверхности волокон формировались микропоры. На фиг. 1А и 1В представлены микрофотографии поверхности и профиля полученного волокна после его 20-минутной сушки в вакууме при 60°С. Полученные в результате поры имели диаметр порядка 1 мкм. Эти поры были столь малы, что их возможно наблюдать лишь при 1000-кратном увеличении изображения (1 мкм/деление), и их не видно при увеличении изображения в 400 раз (2,5 мкм/деление). Было установлено, что пористая структура сохраняет стабильность в течение более 3 месяцев.

Как видно из данных, представленных на фиг. 1А и 1В, в данном примере образцы волокна не сохраняют свое круглое сечение, поскольку их собирают и сушат в горизонтальном положении. Волокна анизотропно сжимаются, принимая плоскую форму в виде плоской собачьей кости с размерами поперечного сечения 20-150 мкм. Возможна усадка волокон с образованием круглого профиля в результате их вертикальной обработки, не вмешиваясь в процесс. Представленный выше и последующие примеры приведены исключительно в целях демонстрации сущности модификации поверхностной пористости ацетатного волокна и не ограничивают область изобретения. Полученное в результате пористое волокно может иметь профиль любой формы.

Пример 2. Пористые волокна, полученные способом низкотемпературного испарения.

В настоящем примере образцы пряденого волокна подвергали дополнительному высушиванию в процессе без использования тепла. Остаточный растворитель удаляли быстрым откачиванием в вакуумной печи без подвода тепла или в вытяжном шкафу при комнатной температуре в течение 25 мин в условиях интенсивной вентиляции. Типичные изображения поверхности полученных в результате образцов представлены на фиг. 2. Более крупные поры с диаметром до 3 мкм можно видеть даже при 400-кратном увеличении. Вполне очевидно, что температура и давление играют важную роль в создании окончательной формы пор на поверхности волокна.

Пример 3. Эксперименты с использованием агентов на основе твердого гидрокарбоната аммония (АНС).

Гидрокарбонат аммония (ΝΗ₄Η00₃, АНС) является известным порообразователем, используемым в производстве пористых пластиков. Это вещество разлагается примерно при 60°С с образованием СО₂, ΝΗ3 и Н2О. В настоящем примере твердая форма такого агента использовалась для формирования в волокне крупных пор. Использовали ту же методику приготовления и прядения волокна, что и в примере 1. Эксперименты начинали со смешивания 2,0 г твердого порошка АСН (Λΐάποίι. 99%) с 40 мл ацетонового раствора ацетилцеллюлозы, как описано в примере 1. После механического перемешивания в течение ночи все твердые частицы переходили в раствор. После этого 10 мл полученной смеси подвергали прядению в поршневом экструдере ИАСА. При использовании 1,25 мм форм не удается вытянуть сплошные нити. При использовании 0,5 мм формы круглого сечения, вращающейся со скоростью 30,4 мм/мин, соседние нити волокна, образовавшиеся после прохождения участка стекания по каплям длиной в 130 см, собирали ручным наматыванием на 80 мм бобину. Однако перед прохождением через форму на днище барабана осаждались крупные твердые частицы. Возможно, что в этом случае через форму проходит лишь небольшое количество агента, внедряющегося в волокно. После разложения реагентов и удаления оставшихся растворителей в вакууме при температуре около 60°С в течение 25 мин на поверхности волокна наблюдались поры с диаметром до 2,5 мкм, как это показано на фиг. 3. В этом примере образуются значительно более крупные поры, чем в примере 1, что связано с небольшим количеством порообразователя. Для достижения большего эффекта через форму следует пропускать дополнительное количество порообразователя без разрушения волокна. Такая операция может осуществляться в результате использования порообразователей в виде твердых частиц субмикрометрического размера или растворенных форм, в соответствии с методикой следующего примера.

- 2 005983

Пример 4. Эксперименты с использованием агентов на основе растворенного гидрокарбоната аммония (АНС).

A. Приготовление водного раствора ΝΗ₄ΗΟΘ₃.

2,0 г твердого АНС, при комнатной температуре и перемешивании магнитной мешалкой, медленно добавляли в мензурку, содержащую 10,0 г дистиллированной воды. После растворения твердых частиц полученный раствор хранили при пониженной температуре в закрытой ампуле.

B. Приготовление СА/ацетонового раствора, содержащего ΝΗ₄ΗΟΘ₃/Η₂Θ. В трехгорлую круглодонную колбу емкостью 100 мл, снабженную механической мешалкой и стеклянными пробками, добавляли 50 мл ацетона (РЕйег ΞοίοηΙίΓίο. 99,6%) и затем, при умеренном перемешивании, добавляли 12,5 г СА волокна в виде пакли. После завершения добавления сосуд герметизировали, и введенное волокно медленно растворялось в растворителе с образованием в течение ночи белого, гомогенного, вязкого раствора. После этого 1 мл полученного АНС раствора добавляли в раствор при интенсивном механическом перемешивании. После завершения добавления полученную смесь продолжали осторожно перемешивать по меньшей мере в течение 1 ч перед использованием.

C. Процесс сухого прядения с образованием волокна с крупными порами. Около 10 мл полученного раствора переносили с помощью пластмассового шприца через пластиковую трубку в 10 мл экструзионный барабан. Барабан помещали в ЭАСА 9-мм поршневой экструдер модели 40000 с круглой формой и одним 0,75 мм отверстием, после чего экструдировали при комнатной температуре и скорости движения поршня порядка 20 мм/мин. Экструдированное волокно собирали в алюминиевом поддоне после вертикального стекания капель на участке предварительной сушки длиной 130 см, образованном с помощью комбинации двух форсунок с воздушным дутьем и крышки для отвода отходящих газов. В результате разложения АНС в смеси на поверхности частично высушенного образца наблюдались крупные поры с диаметром до 5-10 мкм, как показано на фиг. 4. Однако полученная структура оказалась нестабильной из-за присутствия остаточного растворителя. После хранения при комнатной температуре и атмосферном давлении такая структура претерпевает обратную релаксацию в более стабильную структуру с более мелкими порами, как это показано на фиг. 2.

Для полного удаления остаточного растворителя 105,6 мг собранного волокна подвергали дополнительной обработке в вакуумной печи при температуре 60-65°С в течение 30 мин. После удаления около 6% остаточного растворителя получали 99,6 мг сухого волокна. Поверхность такого волокна изображена на фиг. 5. В связи с нагреванием часть крупных исходных пор разрушалась в результате движения полимерных цепочек и подвергалась обратной релаксации в мелкие поры с диаметром около 1 мкм, аналогично описанному выше в примере 1. Интересно, что часть сверхкрупных пор с диаметром 10-15 мкм в ходе указанной обработки не претерпевала изменения.

Для сохранения сформированной пористой структуры волокно следует обрабатывать при пониженной температуре в течение короткого времени в условиях высокого вакуума. Остаточные растворители (около 5-7%) могут быть эффективно удалены в результате 5-минутной обработки в высоковакуумной печи при температуре 50°С. Так например, 1,7580 г частично высушенного волокна обрабатывали в вакуумной печи в течение всего лишь 5 мин при 45-55°С, получая 1,6333 г сухого волокна. Как показано на фиг. 6 А и 6В, на поверхности сухого волокна формируются крупные поры с диаметром от 3-5 мкм. Как было установлено, такая пористая структура стабильна в ходе длительного хранения при комнатной температуре.

Таким образом, представленные выше примеры демонстрируют тот факт, что поры с диаметром в интервале 1-15 мкм могут быть сформированы в результате быстрого испарения остаточных растворителей или вспучивающих газов через поверхностную пленку волокна или после осуществления сухого формования. Такие поры увеличивают доступную поверхность волокна для контакта с адсорбатами газовой фазы, а также обеспечивают аккомодацию внутренним пространством волокна дополнительных адсорбентов/реагентов фильтрационного назначения. С целью сохранения сформированных пор с диаметром более 1 микрометра, предпочтительно осуществлять процесс низкотемпературного испарения при пониженном давлении.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ацетатцеллюлозное волокно, имеющее наружную поверхность с множеством микропористых полостей, проходящих от поверхности внутрь волокна и имеющих диаметры в диапазоне от 1 до 15 мкм.
2. Элемент сигаретного фильтра, включающий ацетатцеллюлозные волокна, каждое из которых имеет наружную поверхность с множеством микропористых полостей, проходящих от поверхности внутрь волокон и имеющих диаметр в диапазоне от 1 до 15 мкм, и твердый и/или жидкий реагент, удерживаемый внутри микрополостей, для избирательной фильтрации табачного дыма.
3. Способ получения ацетатцеллюлозных волокон, при котором пропускают ацетоновый раствор ацетатцеллюлозы через фильеры с образованием волокон, частично высушивают полученные волокна с образованием пленки снаружи волокон и после достижения заданной степени высушивания к полученным волокнам прикладывают вакуум, тем самым заставляя ацетон внутри полученных волокон взры

- 3 005983 ваться или выхлопываться и выходить из волокон через пленку по микропористым проходам, в результате чего на наружной поверхности волокон образуются микропористые полости, проходящие внутрь волокон.