JP4475958B2 - 活性炭繊維シガレットフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、活性炭繊維からなるシガレットフィルタ、より詳細には、タバコの主流煙からの気相構成成分を、活性炭繊維による気相構成成分の吸着によって除去するために組み込まれた粒子状吸着体を含んだ又は含んでいない活性炭繊維の束からなるシガレットフィルタに関する。

吸着、分離のための活性炭フィルタがシガレットフィルタ構造に用いられている。粒状活性炭が、プラグ−スペース−プラグフィルタ構成で用いられるときには、例えば、活性炭充填層に、煙が該活性炭層をバイパスするための開放空間が確実に残らないようにするために、大きな注意を払わなければならない。活性炭層におけるチャネルのような開放空間は、ろ過の非能率を招く。
過去においては、シガレット煙中の気相構成成分を除去するために、粒状形態の活性炭が用いられていた。こうした方法においては、主流煙は、粒状活性炭層に接触し、構成成分が吸着除去されることになる。こうした方法の除去効率は、典型的には、煙流に接触可能な微小孔領域における孔の全表面積及び容積によって決まる吸着層の吸着能力によって制限される。通常、微小孔は、２０オングストロームより小さい幅をもつ孔と定められる。こうした方法による除去効率はまた、煙流が、吸着体に十分に接触して効果的な物質移動をすることなく層を通過する、前述の粒状層中のバイパス現象によって制限される。後者のタイプの制限に起因する効率の損失を打ち消すための典型的な解決策は、バイパスによる効率の損失を補償するために、余剰及び過剰量の吸着材料でフィルタを構成することである。最小限のチャネルを有する吸着体の「固定層」を保証するために１００％充填が要求されるので、シガレットフィルタのキャビティに緩く充填されたタイプの粒状活性炭層は、バイパスが起こりやすい。こうした１００％充填は、高速製造マシンを用いる均一ベースではめったに達成されない。層を通る煙のバイパスを防止するための別の典型的な解決策は、吸着物と吸着体との緊密な接触を保証するために小直径の微粒子を用いることであるが、この解決策は通常、フィルタにわたる望ましくない高い圧力降下を招く。

活性炭、ゼオライト、シリカゲル及び３−アミノプロピルシリル置換シリカゲル（ＡＰＳシリカゲル）のような吸着材料は、シガレット煙からガス状成分を除去することができる多孔性物質である。市販の吸着材料のほとんどは粒状又は粉末状の形態である。粒状の形態の材料は、製造プロセスの後の沈降のために、シガレットフィルタの設計又は性能を達成する難しさを有し、一方、粉末形態の材料は、実用化するには高過ぎる圧力降下を生じる。
捲縮セルロース・アセテート・トウのみを用いて構成されたシガレットフィルタは、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アクロレイン、１，３−ブタジエン及びベンゼンのような煙気相構成成分を減少させるには活性が不足している。シガレット煙から気相構成成分を除去することができる活性炭、ゼオライト、シリカゲル及びＡＰＳシリカゲルのような吸着材料は、プラグ製造工程の間に、セルロース・アセテート・トウのフィラメント間に堆積させることができる。しかしながら、その工程中によく用いられる可塑剤（トリアセチンのような）は、含有する吸着体の活性を低下させる傾向がある。シガレットフィルタに吸着材料を含めるための別の方法は、プラグ−スペース−プラグ構成でセルロースアセテート間に粒を挟み込むことである。高い吸い込み抵抗（ＲＴＤ）を防止するために、大きめの粒のみが用いられる。
米国特許第６，２５７，２４２号は、空気又は煙の気相成分を減少させ又は除去するためのフィルタ要素を開示している。第１フィルタ区分は活性炭布を含み、一方、第２フィルタ区分は、触媒活性炭とココナツ活性炭との混合物を含む。炭素織成又は不織布は、主流煙の指向性の流れを横切る繊維を含み、その結果として、吸着目的の炭素の使用があまり効果的なものではなくなる。

したがって、本発明の目的には、シガレットの主流煙からの気相構成成分の効率的かつ非常に実効的な除去のための活性炭繊維を含むシガレットフィルタがある。
主流煙からの気相構成成分を減少させるためのシガレットフィルタは、例えば、多孔性又は非多孔性のプラグラップによって、タバコ柱の直径に実質的に適合する直径の円筒形の形状に互いに保持された活性炭繊維の束からなる。この設計に用いられる１つの形式の活性炭繊維は、およそ１０００から３０００平方メートル毎グラムの公称ＢＥＴ表面積と、およそ０．３０から０．８０ｃｃ／グラムの微孔体積と、５から１００ミクロンの繊維直径をもつ等方性ピッチ由来微孔性炭素繊維である。これらの活性炭繊維は、普通は高い度合いのロフトを有するので、繊維の束は、該繊維の束のラップに向けて十分な外向きの力をかけて、「固定層」モノリシック構造の透過性フィルタ媒体を形成する。活性炭繊維の単位長さ当り最適な重量は、気相構成成分の除去の際のバイパス及び非能率を招くことになるのに十分なまでの大きさの開放空間を媒体中に残すことなく、単位長さ当り所望の圧力降下がもたらされるように選択される。

さらに、これらのフィルタの製造工程においては、不織又は連続フィラメント束のいずれかのウェブとして受け入れられる活性炭繊維が寄せ集められ、管状束として形成され、透過性又は不透過性ラップのいずれかでラップされて、活性炭繊維束のシガレットフィルタロッドが形成される。結果として得られる交絡活性炭繊維の円筒形形状のフィルタ媒体は、入ってきたシガレット煙が繊維の活性領域を通過して、効果的に物質移動し及び吸着するための曲がりくねった路を与える。フィルタにわたる過度に高い圧力降下が防止されながら、繊維媒体を通る流れの曲がりくねった性質によって煙のバイパスが最小になる。したがって、気相構成成分の除去効率が改善され、こうした繊維が用いられるときには、同じ除去効率を達成するのに粒子状活性炭が用いられる場合に必要とされるよりも少ない量の吸着体が要求される。

束になった活性炭繊維を用いてモノリシックフィルタを構成することは、他の炭素構造体と比べたときに以下の利点を有する。（１）活性炭繊維束のロフトは、バイパスの機会が少ない透過性固定吸着層を与える。（２）活性炭繊維をモノリシック構造体（すなわち、活性炭繊維の束がラップされたものからなるモノリシック構造体）へと変換する方法及び装置は、高速製造作業のためにより実用的となる。
活性炭繊維は、活性炭繊維のロッド状区分とセルロースアセテートフィルタの第２区分とを組み合わせて用いることにより、シガレットフィルタに組み込むことができる。この構成においては、活性炭繊維区分は、タバコロッドの最も近くに、かつシガレット通気孔の上流に配置することができる。セルロースアセテート区分は、シガレットの口端に配置することができる。活性炭繊維を通気孔の上流に配置することによって、煙流の流速はより遅くなり、吸着炭素繊維におけるより長い滞留時間が達成される。こうした長い滞留時間は、煙流から吸着体への物質移動を増強させる。

別の構成においては、活性炭繊維の束は、セルロース・アセテート・トウの下流に配置することができる。活性炭繊維はまた、セルロースアセテート繊維のような別のろ過繊維とブレンドすることができる。両方の繊維は、ロッド状の形状に形成し、個別の長さに切断して、シガレットフィルタに組み入れることができる。繊維のブレンド比は、所望の気相及び全粒子状物質（ＴＰＭ）の除去効率によって決めることができる。
全体として、活性炭繊維は、同じ量の粒子状吸着材料と比べたときに、気相構成成分のより高い除去効率を与える。また、活性炭繊維は、詰め込みによって幾らかの非気相全粒子状物質を効果的に除去し、それによりシガレットフィルタ全体に必要とされるセルロースアセテートの量を減少させる。したがって、全てのフィルタ構造体がシガレット長さを占領する割合は少ないものとなる。

他のシガレットフィルタ構成は、活性炭、シリカゲル、ＡＰＳシリカゲル、ゼオライトなどのような粒子状吸着材料の層と組み合わされた活性炭繊維を含む。活性炭繊維の束は、粒子状吸着材料の層の一端又は両端に配置することができる。また、粒子状吸着材料は、他のフィルタ構成の活性炭繊維に組み入れることができる。
さらに別のフィルタ構成は、プラスチック、金属、木材又はセルロースアセテート集合体から形成されたねじ付きロッドを含み、例えば、該ロッドのねじの内側に活性炭繊維が螺旋状に巻かれる。活性炭繊維は、煙組成を達成するために、異なる性質をもつ他の形式の繊維性吸着材料とブレンドすることができる。喫煙中に、煙は、螺旋状溝に沿って向けられて、吸着活性炭繊維に接触する。長さ方向に整列された炭素繊維と比べると、より長い経路長から改善された吸着効率が得られる。螺旋状溝は、フィルタの所与量の直線距離のための、より長い経路長を可能にする。

上記に加えて、本発明の新規な特徴及び利点は、以下の詳細な説明を、同じ参照番号が同じ部品を表わす付属の図面と併せて読むことから、当業者には明らかとなるであろう。
図面をさらに詳細に参照すると、図１は、タバコロッド１２と、活性炭繊維フィルタ区分１６とセルロースアセテートフィルタ区分１８を含むフィルタ構造体１４と、を備えた本発明のシガレット１０を示す。先端紙２０が、フィルタ構造体１４及び隣接するタバコロッド１２の一部の周りにラップされて、タバコロッドとフィルタ構造体が互いに保持される。先端紙は、煙がフィルタを通って引き込まれる際に、空気をタバコ主流煙に導入するための通気孔２２を有する。通気孔の位置及び数は、最終製品に望まれる性能特徴に応じて変えることができる。
活性炭繊維フィルタ区分１６は、シガレット煙中の気相構成成分を除去するように機能する非常に活性化された炭素繊維の束２４からなる。繊維は、およそ１０００から３０００平方メートル毎グラムの表面積と、およそ０．３０から０．８ｃｃ／グラムの微孔体積と、およそ５から１００ミクロン、好ましくは５から５０ミクロンの繊維直径とを有する。

米国特許第４，４９７，７８９号及び第５，６１４，１６４号は、こうした炭素繊維を製造するための炭素繊維及び方法を開示している。適切に活性化させた後に、この種の炭素繊維を用いてフィルタ区分１６を形成することができる。これらの特許の両方は、全ての有用な目的のために、引用によりその全体をここに組み入れる。
フィルタ区分１６は、互いにほぼ整列された交絡炭素繊維のシリンダ２４からなるロッド状形状を有し、入ってきたシガレット煙が繊維の活性領域を通過して、効果的に物質移動し及び吸着するための曲がりくねった路を与える。繊維１６を通るフィルタの開放空間をなくすことにより、不都合なタバコ煙のバイパスが最小にされ、繊維の充填密度を制御することにより、フィルタにわたる過度に高い圧力降下が防止される。したがって、気相構成成分の除去効率が改善され、こうした繊維が用いられるときには、同じ除去効率を達成するのに粒子状活性炭が用いられる場合に必要とされるよりも少ない量の吸着体が要求される。

上記のフィルタ構成の別の方法として、活性炭繊維２４は、例えばセルロースアセテート繊維のような別のろ過繊維とブレンドすることができる。したがって、活性炭繊維フィルタ区分１６は、炭素繊維２４とセルロースアセテート繊維とのブレンドとすることができる。繊維のブレンド比は、気相と全粒子状物質（ＴＰＭ）との両方の所望の除去効率によって決めることができる。
全体として、シガレット１０と上記の代替物の利点には、同じ量の粒子状吸着体と比べると、気相成分の除去効率が高いことを含む。また、活性炭繊維２４は、詰め込みによって幾らかの非気相全粒子状物質を効果的に除去し、それによりシガレットフィルタ全体に必要とされるセルロースアセテートの量を減少させる。セルロースアセテートは、通常は、ＴＰＭ除去のためのフィルタ構造に用いられる。したがって、全てのフィルタ構造体がシガレットスペースを占領する割合は少ないものとなる。

シガレット煙中の気相構成成分の相対的な除去効率を示す実験データを、以下の表１に示す。これらの実験においては、気相除去効率は、シガレットのパフ単位で計測し、６６ミリグラムの活性炭繊維の使用結果と、１８０ミリグラムの粒状活性炭の使用結果とを比較した。結果は、同じ結果を達成するのに特に高い効率を有する粒状活性炭に要求される量のおよそ三分の一の量を用いた状態で、活性炭繊維によって気相成分が比較に値する程度まで効果的に吸着されたことを示す。活性炭繊維を用いる際の迅速な速度論的挙動は、試験の最初の５又は６パフにおけるそれらの優れた性能から十分に明らかである。データは、６６ミリグラムの活性炭繊維を用いる後者のパフにおける相対的減少が低下する点での突破の開始の証拠を示す。

図２は、図１のシガレット１０と同様であり、かつ同じ部品を特定するために同じ参照符号が用いられている本発明の別のシガレット３０を示す。シガレット３０における１つの大きな違いは、活性炭繊維フィルタ区分１６とセルロースアセテートフィルタ区分１８の位置が逆であることである。シガレット３０においては、炭素繊維２４は、セルロースアセテート１８の下流にある。必要であれば、口端セルロースアセテートプラグを含めても良い。
単なる例として、およそ１３２９平方メートル毎グラムのＢＥＴ表面積と、およそ０．４５立方センチメートル毎グラムの微孔体積とを有するＣＡＲＢＯＦＬＥＸ（登録商標）活性炭繊維２４（Ａｎｓｈａｎ Ｅａｓｔ Ａｓｉａ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒｓ Ｃｏ．Ｌｔｄ．によって供給される）を、フィルタ区分１６として製造した。これらのフィルタ区分は、およそ１２５ミリグラムの活性炭繊維２４を、長さ２７ミリメートル及び直径およそ２４．５ミリメートルのフィルタロッド２７として束ねることによって形成された。これらのフィルタ区分１６は、各対照シガレットに取り付けられたセルロースアセテートフィルタ区分１８の下流の対照シガレット（１Ｒ４Ｆシガレット）に取り付けられ、それにより図２に示されるシガレット３０が製造された。そうしたシガレットから送達される煙中の気相の主構成成分をパフ単位で定量し、活性炭繊維フィルタ区分がないときのこれらの同じ化合物の送達と比較した。活性炭繊維フィルタの吸着活性の結果として、気相煙構成成分の大きな減少が観測された。その結果を以下の表２に示す。

図３、図４及び図５は、幾つかの別のシガレットフィルタ構造体、特にこうしたフィルタ構造体の炭素含有部分を示す。各事例において、図１の区分１８のようなセルロースアセテートフィルタ区分は、必要であれば、これらの構造体を組み入れたシガレットの口端で用いることができる。
図３は、活性炭繊維の束２４と、例えば、炭素、シリカゲル、ＡＰＳシリカゲル、又はゼオライトのような隣接する粒子状吸着体の層４２との組合せからなるシガレットフィルタ４０を示す。プラグ−スペース−プラグ配置からなり、間隔をおいて配置された活性炭繊維の束２４が、それらの間にキャビティを定め、該キャビティに粒子状吸着体４２が充填された、別のシガレットフィルタ５０が図４に示されている。活性炭繊維の束２４からなり、該繊維の中に粒子状吸着体４２が分散される、さらに別のシガレットフィルタ６０が図５に示されている。各事例において、図３−図５のシガレットフィルタは、煙がその中を通過する際に、タバコ主流煙からの気相構成成分を吸着するように機能する。活性炭繊維及び粒状吸着体の量は、こうした気相構成成分の所望の減少を達成するように選択される。

図６に概略的に示すように、図１及び図２のフィルタ区分１６の活性炭繊維の束２４、並びに図３−図５に示された繊維束は、フィルタ製造工程の間に、予め形成された又はその場で形成された先端ラップ７０を通る全体の及び個々のフィラメントデニールが制御された吸着性繊維の連続束を引き伸ばすことによって形成することができる。適切にトリミングし、切断した後に、形成されたフィルタを前述のようなフィルタ構造体の中に挿入することができる。引き伸ばされた吸着活性炭繊維が入れられ、繊維間に平行に近い通路が形成されて高いＴＰＭ送達が容易になるように、互いにほぼ整列される。幾らかの繊維が煙の流れを横切るランダム繊維配向は、ＴＰＭを過度に除去することがある。煙の小さな気相成分は、整列された吸着性繊維の微孔の中に拡散することによって効果的に吸着される。タバコ主流煙は、整列された繊維と同じ方向に流れる。
高い気相除去効率は、迅速な吸着速度論的挙動と、ほとんどの場合は直径５から１００、好ましくは５から５０マイクロメートルの範囲内である微細な吸着性繊維の適切な総容積によるものである。引き伸ばされた吸着性繊維の中に或る量の粒子状吸着体を組み入れることにより、形成されたフィルタコンポーネントの能力当りのコストが減少されることになる。粒子状吸着体のドロップイン７２は、例えば、図５のフィルタを製造するときに、繊維２４の間に及び中に粒子状材料４２を供給するのに用いることができる。

図１及び図２の活性炭繊維フィルタ区分１６を用いることにより、幾つかの独特の利点が与えられる。第１に、高速工程を用いて連続活性炭繊維吸着体を既存のシガレットフィルタに組み入れることができる。第２に、活性炭繊維吸着体の高いロフト性により、粒子層の高速製造に関連する「沈降」問題が存在しない。第３に、活性炭繊維吸着体は、粒子状吸着体より短いガス拡散路を与え、それにより気相吸着効率が増大する。第４に、引き伸ばされ整列された活性炭繊維吸着体の一様なパッキングは、シガレット煙に関する一様な吸い込み抵抗（ＲＴＤ）及び気相フィルタ性能を可能にする。最後に、活性炭繊維の平行に近い配向は、ろ過処理の間の煙の粒子層の損失を最小にし、それにより、それが望ましいときにはシガレットのＴＰＭ送達を最大にする。これは、高いＴＭＰ送達が望まれるときに、シガレット又は電熱式シガレットの実施形態においては価値あることである。
図５のフィルタ区分６０における粒子状吸着体を補償するか、もしくは図３又は図４の実施形態におけるフィルタ区分１６又は６０を用いることにより、形成されたフィルタは、活性炭繊維吸着体を用いる利点を保有するだけでなく、同等の能力で低い総コストを有する。

ＣＡＲＢＯＦＬＥＸ（登録商標）活性炭繊維を用いて、手作りシガレットのフィルタ区分１６及び６０の例を作成し、試験した。以下の表３及び表４に示された試験結果から、形成されたフィルタは、ＡＡ（アセトアルデヒド）、ＨＣＮ（シアン化水素）、ＭｅＯＨ（メタノール）及びＩＳＯＰ（イソプレン）のような気相成分を効果的に除去するだけでなく、高いＴＰＭ送達及び低いＲＴＤを有することが明らかである。フィルタ区分６０において、約半分の量の炭素繊維を低コストの炭素粒に置き換えることによって、比較に値する全フィルタ性能が与えられることに注目されたい。

図７及び図８は、タバコロッド１０２と、円筒形ねじ付きロッド１０６、活性炭繊維１０８及びセルロースアセテートプラグ１１０を含むフィルタ１０４と、を有するシガレット１００からなる本発明のさらに別の実施形態を示す。ねじ付きロッドは、中実シリンダ１１２からなり、その周りを傾斜面が右巻き又は左巻きのいずれかで螺旋状に取り巻き、それによりねじ１１４及び対応する溝１１６が設けられる。断面においては、傾斜面を形成するねじ山は、例えば、三角形、四角形、又は丸形とすることができる。それに対応して、溝１１６の断面は、ほぼ三角形、四角形又は丸形とすることができる。ねじ付きロッド１０６は、先端紙１１８内に収容されたときに、シガレット煙のための螺旋状チャネル又は通路が形成される寸法にすべきである。ほぼ整列された活性炭繊維の束１０８は、ロッドに沿って溝の中に螺旋状に巻かれる。ねじ付きロッドの軸方向長さ、溝断面の形状及び面積、並びにピッチ（１つのねじ上の点のいずれかから次に連続するねじ上の対応する点までの長さ方向距離）は、所望の全路長及びその結果としてのＲＴＤが達成されて、それにより吸着要求が満たされるように変更することができる。活性炭繊維の直径は、５から１００まで、好ましくは５から５０ミクロンまでの範囲とし、その表面積は、およそ１００から３０００平方メートル毎グラム、及び微孔体積は、およそ０．３０から０．８０ｃｃ毎グラムとすることができる。ねじ付きロッド１０６は、例えば、プラスチック、金属、木材又はセルロース集合体を含む種々の材料から形成することができる。喫煙中に、煙は螺旋状溝に沿って向けられて、該溝の中に入れられた炭素繊維の束に接触する。利点は、螺旋状溝が、フィルタの所与の直線長さ距離のための、より長い路長を可能にすることである。

本発明に係るシガレット及びフィルタの側面図であり、内部の詳細を示すために一部が切り取られている。 本発明に係る別のシガレット及びフィルタの側面図であり、内部の詳細を示すために一部が切り取られている。 本発明に係る別のシガレットフィルタの縦断面図であり、その一部に炭素を含むことが示されている。 本発明に係るさらに別のシガレットフィルタの縦断面図であり、その一部に炭素を含むことが示されている。 本発明に係る別のシガレットフィルタの断面図であり、その一部に炭素を含むことが示されている。 本発明に係る粒状吸着材料が組み入れられた又は組み入れられていない、緊密にパックされた炭素繊維の束からなるシガレットフィルタを製造するための手順を示す線図である。 本発明に係る別のシガレット及びフィルタの側面図であり、内部の詳細を示すために一部が切り取られている。 図７に示されたシガレットフィルタのねじ付きロッドの分解断面図である。

Claims (7)

1. 煙がフィルタの中に引き込まれる際に、シガレット主流煙から気相構成成分を除去するためのシガレットフィルタであって、前記フィルタが、外側に螺旋状溝を有するねじ付きロッドと前記ねじ付きロッドの前記溝の中に配置される前記活性炭繊維の束とを含み、前記活性炭繊維がほぼ整列され且つ共通の方向性をもっており、
   かつ前記活性炭繊維中に分散された粒子状吸着材料を含むことを特徴とするシガレットフィルタ。
2. 前記大多数の活性炭繊維の各々が、およそ１０００から３０００平方メートル毎グラムの表面積と、およそ０．３０から０．８０ｃｃ毎グラムの微孔体積と、およそ５から１００ミクロンの繊維直径とを有することを特徴とする請求項１に記載のシガレットフィルタ。
3. 前記活性炭繊維フィルタ区分に隣接するセルロースアセテートフィルタ区分を含むことを特徴とする請求項１に記載のシガレットフィルタ。
4. 前記活性炭繊維フィルタ区分に隣接する粒子状吸着材料層を含むことを特徴とする請求項１に記載のシガレットフィルタ。
5. タバコロッドと、煙が引き込まれる際にタバコ主流煙から気相構成成分を除去するための下流のフィルタとを含むシガレットであって、前記フィルタは、外側に螺旋状溝を有するねじ付きロッドと、前記ねじ付きロッドの前記溝の中に配置される前記活性炭繊維の束とを含み、前記活性炭繊維がほぼ整列され且つ共通の方向性をもっており、
   かつ前記活性炭繊維中に分散された粒子状吸着材料を含むことを特徴とするタバコフィルタ。
6. 前記大多数の活性炭繊維の各々が、およそ１０００から３０００平方メートル毎グラムの表面積と、およそ０．３０から０．８０ｃｃ毎グラムの微孔体積と、およそ５から１００ミクロンの繊維直径とを有することを特徴とする請求項５に記載のシガレット。
7. 前記活性炭繊維フィルタ区分に隣接する粒子状吸着材料層を含むことを特徴とする請求項５に記載のシガレット。

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