JP3016586B2 - 金属窒化物を含有する熱源体及びその製造方法 - Google Patents

金属窒化物を含有する熱源体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属窒化物熱源体及び熱源体を製造するため
の改良方法に関する。本発明の方法及び熱源体は特開平
2−84165号に記載されている如き喫煙物品に使用する
のに特に好適である。熱源体は低発火及び高燃焼温度を
有し、喫煙者による吸入のためフレーバー床からフレー
バー付与エアロゾルを放出するのに充分な熱を発生す
る。燃焼したとき、本発明の熱源体は一酸化炭素又は酸
化窒素を実質的に生成しない。
本発明によれば、金属種を炭素源と混合し、混合物を
窒化材料と接触させて加熱し、金属窒化物に変換する。
好ましい実施態様によれば、金属種/炭素源混合物は所
望の形に予備成形し、混合物の形を実質的に変えること
なくその場で金属窒化物に変換する。
喫煙物品用熱源体を提供するための計画が従来よりあ
つた。熱源体は提供されたが、これらの計画は本発明の
利点の全てを有する熱源体を作らなかつた。
例えばシーゲルの米国特許第2907686号には、燃焼中
不透過性層を形成する濃厚糖溶液で被覆した木炭棒体が
記載されている。この層は喫煙中形成されるガスを含有
し、かくして形成される熱を集中すると考えられた。
エリス等の米国特許第3258015号及び米国特許第33560
94号には、ニコチン源及び煙草熱源を含有する喫煙具が
記載されている。
ボイド等の米国特許第3943941号には、燃料及び燃料
を含浸する少なくとも1種の揮発性物質からなる煙草代
用物が記載されている。燃料は、少なくとも80重量%の
炭素を含有する炭素質材料から作られた燃焼性、可撓性
そして自己凝集性繊維から本質的になる。炭素は、炭
素、水素及び酸素のみを含有するセルロース基繊維の制
御された熱分解の生成物である。
ボルト等の米国特許第4340072号には、煙草、煙草代
替物、煙草代替物及び炭素の混合物、他の燃焼性材料例
えば木材パルプ、藁及び熱処理セルロース又はナトリウ
ムカルボキシメチルセルロース(SCMC)及び炭素混合物
から押し出し又は成形された環状燃料棒体が記載されて
いる。
シエラー等の米国特許第4708151号には、炭素質燃料
源を有する置換しうるカートリツジを有するパイプが記
載されている。燃料源は少なくとも60〜70%、最も好ま
しくは80%以上の炭素を含有し、木、木綿、レーヨン、
煙草、ココナツツ、紙等の如きセルロース系材料の熱分
解又は炭化によつて作られる。
バナージー等の米国特許第4714082号には0.5g/c.c.よ
り大なる密度を有する燃焼性燃料素子が記載されてい
る。燃料素子は微粉化又は再構成された煙草及び/又は
煙草代替物からなり、好ましくは20〜40重量%の炭素を
含有する。
ハーン等の公開されたヨーロツパ特許出願第0117355
号には、熱分解した煙草又は他の炭素質材料例えばピー
ナツツ殻、コーヒー豆殻、紙、カードボード、竹又はオ
ークの葉から形成した炭素熱源が記載されている。
フアリアー等の公開されたヨーロツパ特許出願第0236
992号には炭素燃料素子及び炭素燃料素子を作る方法が
記載されている。炭素燃料素子は炭素粉末、結合剤及び
他の追加成分を含有し、60〜70重量%の炭素からなる。
ホワイト等の公開されたヨーロツパ特許出願第024573
2号には、変化する密度の炭素材料を含有する急燃焼セ
グメント及び低燃焼セグメントを利用した二重燃焼速度
炭素質燃料素子が記載されている。
これらの熱源は欠陥がある、何故ならばそれらはフレ
ーバー床への満足な熱伝達を与えず、結果として不満足
な喫煙物品、即ち従来のシガレツトのフレーバー、感触
及び多数のふかしに擬することの失敗したものを生ぜし
めるからである。
特開平2−86759号では、フレーバー床への熱伝達を
最大にし、喫煙者による吸入に対しフレーバー床からフ
レーバ付与エアロゾルを放出し、しかも生成する一酸化
炭素の量を最少にした木炭から形成した炭素質熱源を提
供することによつてこの問題を解決した。
しかしながら従来の炭素質熱源の全てが発火したとき
若干量の一酸化炭素ガスを遊離する。更にこれらの熱源
に含有された炭素は比較的高い発火温度を有し、従来の
シガレツトに対する通常の点火条件下では従来の炭素質
熱源の発火を困難にする。
熱を電気的に発生させるようにした喫煙物品用の非燃
燃性熱源体を作ることが計画された。例えばバーラツス
・ジユニアの米国特許第4303083号、バーラツスの米国
特許第4141369号、ギルバートの米国特許第3200819号、
マツクコーミツクの米国特許第2104266号、及びワイス
等の米国特許第1771366号参照。これらの導具は実際的
でなく、何れも商業的に成功していない。
非燃焼性非炭素質熱源を作る計画がなされた。特開平
2−215373号は金属炭化物熱源の使用に関する。金属炭
化物熱源の燃焼は、従来の炭素質熱源の燃焼より10倍以
下少ない一酸化炭素を生成するが、なお少しの一酸化炭
素が生成する。
熱探査ミサイルのためのデコイとして使用するための
金属アルミナイドを含む発火性材料を作ることが計画さ
れた。例えばバルデイの米国特許第4799979号参照。し
かしながらこれらのものは燃焼が早すぎ、喫煙物品にお
ける熱源として使用するには強力すぎる熱を生成する。
酸化鉄を窒化鉄に変換することによつて窒化鉄を作る
ことは知られている。これらの方法は一般に水素/アン
モニア/分子状窒素混合物で金属鉄を処理することを含
む。例えばケイ・エツチ・ジヤツクのProceedings of t
he Royal Society、A、195巻、34〜40頁(1948年):
ケイ・エツチ・ジヤツクのActa Crystallographica5
巻、404〜441頁(1952年):ケイ・エツチ・ジヤツクの
Proceedings of the Royal Soceity、A、208巻、200〜
215頁(1952年):ナウフの米国特許第3681018号参照。
これらの方法は一連の非連続工程で窒化鉄を生成した、
これらの方法は窒化鉄の大規模生産には不適当にしてい
る。更にこれらの方法によつて作られた窒化鉄は高熱安
定性及び低化学反応性を有する、従つて発火させるのが
困難であり、それを熱源体として使用するには不適当に
している。
窒化鉄を作るための既知の方法の別の欠点は、窒化鉄
が粒状の形でのみ作られ、熱源体として使用するのに好
適な形に成形しなければならないことである。窒化鉄は
本来脆い取り扱い難い材料であり、これは一度形成され
ると好適な形に成形することが困難で、費用がかかる。
本発明によれば、熱源体が実質的な金属窒化物含有量
を有する材料から形成される。好ましくは熱源体は実質
的な金属窒化物と、少量の炭素及び金属酸化物を含有す
る。完全燃焼を促進し、他の望ましい燃焼特性を与える
ため触媒及び燃焼添加剤を加えてもよい。
金属窒化物は高融点を特性とした硬く、脆い化合物で
ある。金属窒化物は親金属格子の細隙で結合した原子窒
素を有する侵入型合金である。窒化物格子は立方又は六
方晶密パツキング純金属格子に近似している。金属窒化
物は広い範囲の化学量論を有することができる。例えば
窒化鉄はFe2NからFe16N2までの範囲の式を有しうる(ロ
ンドンのバツターワース1967年発行、ゴールドシユミツ
ト著、インターステイシヤル・アロイズ214〜231頁参
照)。
燃焼したとき、本発明の金属窒化物熱源体は実質的に
一酸化炭素及び酸化窒素を遊離しない。金属窒化物は従
来の炭素質熱源体の発火温度より実質的に低い発火温度
を有し、従つて容易に点火する。一度発火すると、熱源
体の炭素成分は燃焼したとき追加の熱を生成し、これに
よつて早すぎる自己消火を防止する。理論に拘束される
のは好まぬが、金属窒化物の燃焼は著しい量の酸化窒素
の形成なしに金属酸化物及び分子状窒素を生成する。金
属酸化物は一酸化炭素(CO)の二酸化炭素(CO2)への
変換を促進する触媒として作用する。
本発明の方法によれば、金属種及び炭素源は一緒にな
り、加熱されて金属種を還元する。好ましくは金属種/
炭素源は加熱する前に所望の形に予備成形する。混合物
は次いで、還元された金属と選択的に反応する窒化材料
と接触させる。窒化反応の生成物は金属窒化物、金属酸
化物及び炭素を含有する熱源体であり、これは金属種/
炭素源出発材料の形を保持した。
本発明の熱源体は喫煙具に特に有用であるが、それら
は、ここに示した特性を有することが所望される他の用
途の熱源体としても有用である。
本発明の上記及び他の目的及び利点は添付図面を参照
した以下の詳細な説明から明らかになるであろう、図面
において全体を通し同じ部分には同じ参照番号を付し
た。
第1図は本発明の熱源体の一例の端面図である。
第2図は本発明の熱源体を使用できる喫煙物品の長手
方向断面図である。
第3図は鉄種を窒化鉄に化学変化させる熱対反応時間
を示す。第3図における原点は熱を鉄種/炭素混合物に
供給する点である。
喫煙物品10は、シガレツト巻紙14で上包みされた活性
素子11、膨張室チユーブ12、及びマウスピース素子13か
らなる。活性素子11は金属窒化物熱源体20及び熱源体20
を通つて流れる熱ガスによつて接触されたときフレーバ
ー蒸気を遊離するフレーバー床21を含む。蒸気は膨張室
チユーブ12中に通り、マウスピース素子13に通るエアロ
ゾルを形成し、次いで喫煙者の口に通る。
熱源体20は喫煙物品を満足できるようにするため幾つ
かの要件に合致すべきである。それは喫煙物品10の内側
に嵌合するに充分な小さいものであるべきであり、さら
に喫煙者にフレーバーを与えるためフレーバー床21から
充分なフレーバーを遊離するためそれを通つて流れるガ
スを充分に加熱すること確実にするに充分な熱さで燃焼
すべきである。熱源20はまた熱源体中で燃焼する金属が
消費されるまで限定された量の空気で燃焼可能であるべ
きである。燃焼したとき熱源体20は実質的に一酸化炭素
を生成せず、何れの酸化窒素も生成してはならない。燃
焼、熱及び光を発生させるため一服中に熱源体と酸素の
相互作用は火炎がなく赤熱発光する。
熱源体20は、好ましくは約65m2/g〜約150m2/g、更に
好ましくは約115m2/g〜約130m2/gの範囲の表面積を有す
べきである。更に本発明により作つた熱源体は、マクロ
ポア(約1〜約5μの孔)、メソポア(約20Å〜約500
Åの孔)及びミクロポア(約20Å以下の孔)を含有す
る。
熱源体20は適切な熱伝導性を有すべきである。多すぎ
る熱が燃焼帯域から熱源体の他の部分へ導き出される
と、その点での燃焼は、温度が熱源体の消火温度以下に
下つたとき止まり、発光することが困難であり、発光後
早すぎる自己消火を受ける喫煙物品を形成する。かかる
自己消火は、本質的に100%燃焼を受ける熱源体を有す
ることによつても防止される。熱伝導性は、燃焼したと
き熱源体が装着構造物24に熱を導くことなく中を通つて
流れる空気に熱を伝達できるレベルであるべきである。
燃焼熱源体と接触するようになる酸素は殆んど完全に熱
源体を酸化し、膨張室チユーブ12中に戻る酸素を制限す
る。装着構造物24は熱源体20の背面部分に酸素が到達す
るのを遅らせるべきであり、これによつてフレーバー床
が消費された後に熱源体を消火するのを助ける。又これ
は喫煙物品の終りに熱源体の落下も防止する。
本発明の熱源体を作るため使用する金属窒化物は: (1)金属種を炭素源と混合して混合物を形成し; (2)混合物に熱を供給し、そして (3)混合物を窒化材料と接触させて金属窒化物を形成
する ことによつて製造できる。
金属種は金属窒化物に変換できる任意の金属含有分子
であることができる。好ましくは金属種は酸化ジルコニ
ウム、酸化鉄、金属ジルコニウム、金属鉄又はそれらの
混合物である。更に好ましくは金属種はオキシ水酸化
鉄、Fe3O4、又はFeOであり、最も好ましくはFe2O3であ
る。種々の金属種の異なる相を、実質的に本発明の方法
又は窒化反応コースに影響を与えることなく使用でき
る。天然産又は合成金属種の何れも使用できる。
炭素源は実質的に純粋な炭素の形で加える、しかし引
き続いて炭素に変換されうる材料も使用できる。好まし
くは炭素源はコロイド状グラフアイト、更に好ましくは
活性炭又は薬用炭である。
金属種を炭素源と混合するに当つては、窒化工程に続
いて組成物中に若干の炭素が残るよう充分な量の炭素を
金属種に加えるべきである。好ましくは約5%〜約45
%、更に好ましくは約15%〜約35%(重量)の炭素を加
えて金属種/炭素源混合物を形成する。
金属種/炭素源は粒子の形であるべきである。好まし
くは金属種及び炭素源の粒度は約300μ以下の範囲であ
る。更に好ましくは、金属種の粒子は約サブミクロン〜
20μの粒度範囲であるべきであり、一方炭素源の粒度は
約サブミクロン〜約40μの粒度範囲であるべきである。
粒子は所望の粒度で作つても良く、又はそれらは大きい
粒度で作り、適切な粒度に粉砕してもよい。
金属種及び炭素源粒子の表面積には厳密な規制があ
る。表面積が大になればなる程、金属種と炭素源の反応
性は大となり、より効率的な変換を生ぜしめる。好まし
くは金属種粒子の表面積は約0.2m2/g〜約300m2/gの範囲
であるべきである。更に好ましくは、粒子は約1m2/g〜
約150m2/gの表面種を有すべきである。好ましくは炭素
粒子は約0.5m2/g〜約2000m2/gの表面積範囲であるべき
である。更に好ましくは炭素粒子表面積は約100m2/g〜
約600m2/gの範囲であるべきである。
金属種及び炭素源は溶媒中で一緒にできる。金属種/
炭素源混合物の流動性を増大し、個々の成分の化学反応
性に影響を与えない任意の溶媒を使用できる。好ましい
溶媒にはメタノール、エタノール及びアセトンを含み、
最も好ましくは水である。
金属種/炭素源混合物は次いで、金属種/炭素源混合
物により大なる機械的安定性を与える炭素質結合剤と組
合せるとよい。混合物の金属窒化物への変換中、結合剤
は炭素、二酸化炭素及び一酸化炭素に分解する。金属種
/炭素源混合物は、当業者に知られている任意の方法を
用いて結合剤と混合するとよい。
金属種/炭素源混合物の粒子を結合するため任意の数
の結合剤を使用できる。結合剤材料は他の添加剤、例え
ばクエン酸カリウム、塩化ナトリウム、ひる石、ベント
ナイト、炭酸カルシウム、風味剤、又は燃焼添加剤と組
合せて使用できる。加熱した時、CO及びCO2に分解する
任意の結合剤を使用できる。好ましい結合剤は炭素質の
ものであり、ガム例えばグアーガム、セルロース誘導体
例えばメチルセルロース、カルボキシメチルセルロー
ス、及びヒドロキシプロピルセルロース、小麦粉、澱
粉、糖、アルギネート、ポリビニルアルコール及び植物
油又はそれらの混合物を含む。特に好ましい炭素質結合
剤材料はとうもろこし油と組合せた小麦粉及び糖の混合
物であり、好ましくは小麦粉約200部、糖約103部及びと
うもろこし油約26部の割合である。前述した金属酸化物
/炭素混合物は、混合物が押出しに好適な稠度を有する
ように、溶媒と共に小麦粉/糖/とうもろこし油結合剤
系と組合せるのが好ましい。
金属種/炭素源混合物は次いで所望の形に予備成形す
るとよい。混合物を所望の形に予備成形しうる任意の方
法を使用できる。好ましい方法にはスリツプキヤステイ
ング、射出成形、及びダイ圧縮を含み、最も好ましいの
は押出しである。
本発明の方法において任意の形を使用できる。個々の
用途がそれぞれの形を要しうることは当業者に判るであ
ろう。好ましい実施態様において、混合物は細長棒体に
成形する。好ましくは棒体は長さ約30cmである。熱源体
の直径は約3.0mm〜約8.0mm、好ましくは約4.0mm〜約5.0
mmの範囲であるとよい。約4.0mmの最終直径は、喫煙物
品の直径を通常のシガレツトの直径より大きくすること
なく熱源体の周囲をとりまく環状空気空間を可能にす
る。ベーキング前の棒体を生棒体と称する。何故なら棒
体の寸法における変動がベーキング中(後述する)に生
じうるから、熱源体の最終直径よりも僅かに大なる直径
で生棒体を形成するのが好ましい。
熱源体からフレーバー床21への熱の伝達を最大にする
ため、米国特許出願第223232号に記載されている如く、
一つ以上の空気流通路を熱源体20の周囲を通つて又はそ
れに沿つて形成するとよい。空気流通路は、熱源体を通
つて流れる空気への熱伝達を改良するため大きな幾何学
的表面積を有すべきである。通路の形および数は熱源体
20の内部幾何学的表面積を最小にするよう選択すべきで
ある。或いは熱源体は、熱源体を通つて熱を流すことが
できるに充分な多孔性を有するように成形してもよい。
熱源体が点火され、空気が喫煙物品を通つて引かれると
き、空気は、それが熱源体の周囲又はそれを通過するに
従つて、又は空気流通路を通り、その上又は周囲を通る
に従つて加熱される。加熱された空気はフレーバー床を
通つて流れ、喫煙者による吸入のためフレーバー付与さ
れたエアロゾルを放出する。充分な数のふかしを生ぜし
め、喫煙者が作りうるFTC条件下又はより烈しい条件下
に生成するCOを最少にする任意の配置(構成)は本発明
の範囲内である。好ましくは第1図に示したものの如く
長手方向空気流通路を使用するとき、フレーバー床への
熱伝達の最大化は、多頂点星形の形で各長手方向空気流
通路22を形成することによつて達成される。更に好まし
くは、第1図に示す如く、各多頂点星形は、長く狭い頂
点及び星の最も内側の縁によつて規定される小さい内側
周辺を有すべきである。これらの星形縦長空気流通路は
燃焼のために利用しうる熱源体20の大きな面積を与え、
燃焼に当つて含まれる組成物の大容量を生ぜしめ、従つ
てより熱い燃焼熱源体をもたらす。
次に生棒体を不銹鋼容器又は不銹鋼枠内に一つを他の
上に重ねたグラフアイトシート上に置く。重ねたグラフ
アイトシートを含む容器は次いでマツフル炉又は匣鉢
(Saggar)の如き加熱又はベーキング装置中に置く。加
熱装置内で一度、棒体を金属種を金属窒化物に変換でき
る雰囲気に曝す。好ましくは外部大気から加熱装置内に
ガスが拡散するのを防ぐため、加熱装置は僅かに1気圧
より上に加圧する。
化学変換は生棒体に熱を供給することによつて達成で
きる。熱は次の如き種々の方法で:(1)一定温度を保
つように;(2)一連の間隔で;(3)一定又は変化し
うる増大する速度で;又は(4)それらの組合せで供給
できる。更に棒体を冷却できる工程を使用できる。しか
しながら好ましくは、熱は結合剤を燃焼し、続いて窒化
することを含む多段ベーキング法で、第3図に示す如く
供給する。
時間(t)に対して温度(T)をプロツトした第3図
において、ベーキング処理の各段階は次の如く示してあ
る: S−溶媒の蒸発 B−結合剤の完全燃焼 C−冷却 N−窒化 当業者には、熱処理(溶媒蒸発及び結合剤完全燃焼の
如き)は広い範囲の温度及び圧力で生ぜしめうることは
判るであろう。
結合剤完全燃焼は、棒体中に存在する溶媒の蒸発及び
炭素質結合剤の蒸発及び炭化を含む。更に金属種のいく
らかの還元を生ぜしめる。結合剤完全燃焼は、ヘリウ
ム、窒素、又はアルゴンの如き不活性雰囲気下に又は真
空中で棒体に徐々に熱を供給することによつて達成す
る。第一の低増大速度で、続いて第二のより大なる増大
速度で棒体に熱を供給するのが好ましい。
第一の温度増大低速度は、棒体中に破壊又は亀裂を形
成することなく棒体中に存在する溶媒の蒸発を可能にす
る。更に温度増大の低速度は棒体の反り及び曲がりを最
小にする。初期増大速度は約0.1℃/分〜約10℃/分、
好ましくは約0.2℃/分〜約5℃/分の範囲にすべきで
ある。この増大速度は、約100℃〜約200℃の温度、より
好ましくは温度が約120℃になるまで、そして全ての溶
媒が蒸発されるまで保つ。
一度棒体中の溶媒が蒸発したら、加熱速度を増大させ
て更に棒体中の炭素質結合剤を分解させ、金属種を還元
させる。炭素質結合剤は約200℃〜約300℃の範囲の温度
で分解を開始して一酸化炭素及び二酸化炭素を含むガス
混合物になる。従つて加熱速度は、棒体の構造保全性に
悪影響を与えることのあるガス状生成物の微小爆発を最
小にするため、棒体からのガス状生成物の発生を充分に
遅くするようにすべきである。好ましくは温度増大速度
は約1℃/分〜約20℃/分の範囲にあるべきであり、更
に好ましくは約5℃/分〜約10℃/分の範囲にあるべき
である。温度はこの速度で最高温度に達し、炭素質結合
剤が分解するまで増大させる。好ましくは最高温度は約
650℃〜約900℃であり、更に好ましくは約675℃〜約825
℃の範囲である。
棒体が最高温度を維持する時間の長さ及び最高温度が
棒体の強度及びその化学組成を決定する。強度は個々の
用途にマツチするよう調整できるが、棒体の強度は高速
製造工程に耐えるに充分であるべきである。
金属種の還元は加熱処理中に還元ガスと接触させるこ
とによつて生ぜしめる。加熱中に炭素質結合剤が分解し
て中でも一酸化炭素、還元ガスを生成する。更に活性炭
を炭素源として用いるとき、それは金属種と反応して一
酸化炭素を発生し、部分的に還元された金属種を発生す
る。例えば金属種が酸化鉄であるとき、続けてFe2O3をF
e3O4に、Fe3O4をFeOに、そしてFeOをFeに還元する。金
属種の各還元でCOはCO2に酸化される。金属種を還元す
るため全体的に炭素及び発生するCOに依存するのでな
く、加熱装置の雰囲気に水素の如き還元ガスを加えても
よい。好ましくはCO及びCO2を加熱装置雰囲気に直接加
えることができる。
CO対CO2の比を最終生製物分布を制御するために巧み
に使用できる。約0.16〜約6、好ましくは約0.3〜約2.5
のCO対CO2の比の存在が、棒体の強度を増大し、最終金
属窒化物含有生成物の点火性(最終熱源体を点火するの
に要する時間)を改良することが見出された。更に金属
生成物の相均質性はCO/CO2比によつて決る。それぞれの
用途にとつて好ましいCO/CO2比は、Industrial Heating
第52巻(1984年)第24頁〜第26頁にH.L.Fairbanksによ
て発表された方法にを用いて見出することができる。
結合剤燃焼段階中の金属種の還元の程度は、ベーキン
グ温度及びベーキング時間によつて制御する。例えば金
属種の還元は一度最高温度に達すると完了できる。そう
でなければ金属種が充分に還元されるまで最高温度を維
持すべきである。結合剤完全燃焼段階の終了時に、好ま
しい金属生成物は、実質的に低原子価の金属酸化物と完
全に還元された金属の混合物である。低原子価金属酸化
物は、金属が完全に酸化された状態でない金属酸化物で
ある。低原子価酸化鉄の例にはFe3O4及び更に好ましく
はFeOを含む。FeOが低原子価金属酸化物であるとき、そ
れは加熱装置中に存在するCO;CO2の比を調整することに
よつて安定化することができる。
結合剤完全燃焼段階が完了したとき、棒体を冷却し、
次いで窒化材料と接触させて金属窒化物を作る。生成す
る金属窒化物の窒化度及び相が熱源体の点火性に影響を
与える。好ましい窒化材料はアンモニアである。理論に
拘束されるは好まぬのであるが、アンモニアは選択的に
完全に還元された金属成分と反応し、低原子価金属酸化
物を実質的に反応せずに残すと信じられる。好ましくは
窒化温度範囲は約400℃〜約600℃であり、更に好ましく
は約450℃〜約550℃である。好ましくは窒化段階の時間
は約150分以下、更に好ましくは約30〜約120分の範囲で
ある。
上記方法で作られる金属窒化物は、増大した反応性を
有する局在発火性部位を含有しうる、これは不動態化し
なければならぬ。不動態化は熱源体の酸化体に対する制
御された曝露を含む。好ましい酸化体には稀薄酸素、又
は更に好ましくは稀薄空気を含む。理論に拘束されるの
を好まぬのであるが、酸化体の低濃度は、熱源体の制御
されない燃焼を防止しながら、発火性部位を除くと信ぜ
られる。
前述した如く棒体の寸法の変動がベーキング中に生ず
る。一般に結合剤完全燃焼の結果として、容積で約10%
〜約20%の変化が生ずるであろう。この容積変化は反り
又は曲げを生ぜしめうる。又棒体は直径の不一致で悩ま
されることがある。従つて窒化に続いて、棒体を前述し
た寸法に加工又は粉砕する。次に約8mm〜約20mm、好ま
しくは約10mm〜約14mmの短くしたセグメントに切断す
る。
この方法によつて作られた棒体は、(1)約30%〜約
40%の炭素;(2)約40%〜50%の金属窒化物;及び
(3)約10%〜約20%の低原子価金属酸化物を含有す
る。棒体は更に痕跡量の高原子価金属酸化物を含有して
もよい。棒体の化学組成は、(1)約30%〜約40%の炭
素;(2)約0.46%〜約0.62%の水素;(3)約2.08〜
約4.3%の窒素;(4)約60%〜70%の金属;(5)約
3%〜約60%の酸素である。
熱源体の金属窒化物成分は通常のシガレツトを点火す
るための条件下に発火できるのに充分である発火温度を
有する。燃焼するとき、炭素成分は追加熱を提供する、
従つて熱源体が早期自己消火することはない。低原子価
金属酸化物成分の燃焼は、燃焼時に熱を提供し、COのCO
2への酸化を促進する触媒として作用する。
熱源体の発火温度は約175℃〜約450℃の範囲であるの
が好ましく、約190℃〜約400℃が更に好ましい。発火し
たとき熱源体は好ましくは約600℃〜約950℃に、更に好
ましくは約650℃〜約850℃の最高温度に達する。最高温
度は一部喫煙条件により、そして酸素の利用可能性に影
響を与える熱源体と接触している材料によつて決る。例
えば金属窒化物は、通常の炭素質熱源体より実質的に容
易に点火し、自己消火することが少ない、しかし同時に
低い温度でくすぶることができ、これによつて火災の危
険を最低にする。
本発明方法により作られた熱源体は広い相対湿度範囲
で安定であり、時間経過に対して安定である。例えば約
0%の相対湿度から約100%の相対湿度までの範囲の種
々の相対湿度条件下に3ケ月までの経時は燃焼製品に実
質的な影響を有してはならない。更に熱源体は経時した
とき寸法に実質的に変化を受けない。
本発明の熱源体において、酸化窒素を発生することな
く燃焼できる任意の金属窒化物を使用できる。好ましく
は金属窒化物は窒化ジルコニウムであり、更に好ましく
は式FexN(xは2〜4である)を有する窒化鉄である。
金属窒化物の混合物を使用できる。
実施例 1 710gのFe2O3、250gの活性炭、175gの水及び37.5gのク
エン酸カリウムを、200gの小麦粉、103gの糖及び22gの
とうもろこし油から作つた結合剤と混合した。Fe2O3/活
性炭/結合剤混合物を次いで押し出して、単一星形空気
流通路を有する長さ30cm、直径5.05mmの生棒体を形成し
た。生棒体をグラフアイトシート上に置き、室温で固定
床反応器中で重ねた。反応器のガス状含有物を掃去する
ため、キヤリヤーガスとして1/分の流速を有するア
ルゴンを使用した。棒体を100℃の温度に達するまで1
℃/分の速度で加熱し;次いで750℃の温度に達するま
で温度を5℃/分の速度で増大させた。温度は750℃で6
0分間保つた。次に反応器を10℃/分の速度で450℃の温
度まで冷却した。反応器を乾燥アンモニアでパージし、
棒体を450℃で60分間窒化させた。次いで反応器を周囲
温度に冷却し、反応器をアルゴンでパージした。次に棒
体を、5%の濃度に達するまでO2を導入して不動態化し
た。次に窒化鉄含有棒体を鋸で14mmのセグメントに切つ
て熱源体を形成した。
実施例 2 加熱段階中、アルゴンを、75%のアルゴンと25%のCO
/CO22:1混合物の雰囲気で置換して実施例1で用いた条
件と同じ条件を使用して熱源体を作つた。
実施例 3 実施例1に記載した方法で作つた窒化鉄熱源体の化学
組成: 炭素:32.6% FexN:48.8% FeO :18.5% 実施例 4 FTC条件下実施例1に記載した方法で作つた熱源体の
燃焼を行い、下記の分析が得られた: 発火温度 :240℃ 発生全CO :0.38mg/熱源体 発生全CO2 :14.82mg/熱源体 発生全NO :0.01mg/熱源体 本発明は、燃焼したとき実質的に一酸化炭素ガス又は
酸化窒素を形成せず、そして従来の炭素質熱源体よりも
充分に低い発火温度を有し、通常のシガレツトにとつて
代表的な条件下に容易に点火することができ、一方で同
時にフレーバー床からフレーバーを放出するに充分な熱
を提供するに充分な高さの燃焼温度を有しうる金属窒化
物;金属酸化物;及び炭素の実質的な含有量を有する熱
源体を提供する。
上記熱源体は早期自己消火性でなく、周囲温度及び湿
度で安定である。
本発明は又、目的生成物分布の制御を可能にし、出発
材料を所望の形に予備成形でき、その場で金属窒化物に
変換できる金属窒化物の安価な方法も提供する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の熱源体の一例の端面図であり、第2図
は本発明の熱源体を使用できる喫煙物品の長手方向断面
図である。第3図は鉄種を窒化鉄に化学変化させる熱対
反応時間を示す。 10……喫煙物品、11……活性素子、12……膨張室チユー
ブ、13……マウスピース素子、14……シガレツト巻紙、
20……金属窒化物熱源体、21……フレーバー床、22……
空気流通路、24……装着構造物。
フロントページの続き (72)発明者 サロジニ・ダルマラオ・アリプララ アメリカ合衆国ヴアージニア州23112、 ミドロシアン、フアーラウエイ、ドライ ブ 8519 (72)発明者 ドナルド・ブルース・ロージイ アメリカ合衆国ヴアージニア州23221、 リツチモンド、パーク、アベニユー 3912 (72)発明者 ブルース・アール・ウエイマツク アメリカ合衆国ヴアージニア州23875、 プリンス、ジヨージ、ローレル、アベニ ユー 7110 (72)発明者 マイケル・リー・ワトキンス アメリカ合衆国ヴアージニア州23237、 リツチモンド、マジヨリカ、ドライブ 9907 (56)参考文献 特開 昭62−256767(JP,A) 特開 昭56−34781(JP,A) 米国特許4692259(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A24F 47/00 C09K 5/00

Claims (35)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】実質的にシリンダー状棒体(20)の形であ
    り、それを通るか又はそれに沿った一つ以上の流体通路
    (22)を有する金属窒化物を含有する熱源体。
  2. 【請求項2】シリンダー状棒体が直径3.0mm〜8.0mm、好
    ましくは4.0mm〜5.0mm、及び長さ8mm〜20mm、好ましく
    は10mm〜14mmを有する請求項1記載の熱源体。
  3. 【請求項3】流体通路が多頂点星形に形成されている請
    求項1記載の熱源体。
  4. 【請求項4】流体通路がシリンダー状棒体の周囲をとり
    まく溝として形成されている請求項1記載の熱源体。
  5. 【請求項5】金属窒化物、低原子価金属酸化物、及び炭
    素を含有する請求項1記載の熱源体。
  6. 【請求項6】金属窒化物が窒化鉄であり、低原子価金属
    酸化物がFeOである請求項5記載の熱源体。
  7. 【請求項7】喫煙物品に使用する請求項5記載の熱源
    体。
  8. 【請求項8】175℃〜450℃、好ましくは190℃〜400℃の
    発火温度を有する請求項5記載の熱源体。
  9. 【請求項9】燃焼時に、熱源体が600℃〜950℃、好まし
    くは650℃〜850℃の最高温度に達する請求項5記載の熱
    源体。
  10. 【請求項10】(a)金属種及び炭素源を混合して混合
    物を形成し; (b)混合物を結合剤と混合し; (c)形成した混合物をシリンダー状棒体に成形し(た
    だし前記シリンダー状棒体はそれを通るか又はそれに沿
    った一つ以上の流体通路を有する); (d)混合物に熱を供給し; (e)混合物を窒化材料と接触させて金属窒化物を形成
    する 工程を含む金属窒化物を含有する熱源体の製造方法。
  11. 【請求項11】金属種が鉄種である請求項10記載の方
    法。
  12. 【請求項12】鉄種がFe2O3,FeOOH,Fe3O4,FeO又はFeで
    ある請求項11記載の方法。
  13. 【請求項13】炭素源がコロイド状グラフアイト又は活
    性炭である請求項10記載の方法。
  14. 【請求項14】熱を、金属種の還元を可能にする雰囲気
    中に供給する請求項10記載の方法。
  15. 【請求項15】雰囲気がヘリウム、アルゴン、窒素、又
    はそれらの混合物から選択した不活性ガスを含む請求項
    14記載の方法。
  16. 【請求項16】一酸化炭素及び二酸化炭素を雰囲気に、
    0.16〜6、好ましくは0.3〜2.5の比で加える請求項15記
    載の方法。
  17. 【請求項17】窒化材料が窒素含有ガスである請求項10
    記載の方法。
  18. 【請求項18】窒素含有ガスがアンモニアである請求項
    17記載の方法。
  19. 【請求項19】結合剤が炭素質材料を含有する請求項10
    記載の方法。
  20. 【請求項20】炭素質材料が、穀粉、糖及び植物油を含
    有する混合物を含む請求項19記載の方法。
  21. 【請求項21】熱を一定増大速度でこの混合物に供給す
    る請求項10記載の方法。
  22. 【請求項22】増大速度が20℃/分以下である請求項21
    記載の方法。
  23. 【請求項23】熱を、650℃〜900℃の温度に達するまで
    混合物に供給する請求項21又は22記載の方法。
  24. 【請求項24】熱を少なくとも二つの間隔で混合物に供
    給する請求項10記載の方法。
  25. 【請求項25】熱を混合物に第一間隔において0.1℃/
    分〜10℃/分、好ましくは0.2℃/分〜5℃/分の第一
    増大速度で、及び第二間隔において1℃/分〜20℃/
    分、好ましくは5℃/分〜10℃/分の第二増大速度で供
    給する請求項24記載の方法。
  26. 【請求項26】熱を混合物に、第一間隔で温度100℃〜2
    00℃、好ましくは約125℃の温度に達するまで供給する
    請求項25記載の方法。
  27. 【請求項27】熱を第二間隔で、650℃〜900℃、好まし
    くは675℃〜825℃の温度に達するまで混合物に供給する
    請求項25又は26記載の方法。
  28. 【請求項28】金属種及び炭素源を極性溶媒中で混和す
    る請求項10記載の方法。
  29. 【請求項29】極性溶媒が水である請求項28記載の方
    法。
  30. 【請求項30】金属種が300μ以下、好ましくはサブミ
    クロン〜20μの粒度を有する粒状の形である請求項10記
    載の方法。
  31. 【請求項31】金属種が0.2m2/g〜300m2/g、好ましくは
    1m2/g〜150m2/gの表面積を有する請求項10又は30記載の
    方法。
  32. 【請求項32】炭素源が300μ以下、好ましくはサブミ
    クロン〜40μの粒度を有する粒状の形である請求項10又
    は30記載の方法。
  33. 【請求項33】炭素源が0.5m2/g〜2000m2/g、好ましく
    は100〜600m2/gの表面積を有する請求項10又は32記載の
    方法。
  34. 【請求項34】窒化材料を、400℃〜600℃、好ましくは
    450℃〜約500℃の温度で混合物と接触させる請求項10記
    載の方法。
  35. 【請求項35】窒化材料を150分以下、好ましくは30分
    〜120分混合物と接触させる請求項10又は34記載の方
    法。
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