KR100193377B1 - 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 담배 연기중 유해성분으로 분류되는 증기상 물질 및 가스상 물질의 제거, 감소를 목적으로 제올라이트와 활성탄 혼합물에 성형성이 우수하며 최종 제품의 흡착능을 저하시키지 않는 알카리 토류 금속 실리케이트 및 벤토나이트를 무기계 결합제로 사용하는 한편 유기계 결합제로서는 제당과정에서 부산물로 발생하는 유효 탄화성분이 많은 당밀 또는 식품 첨가제로 널리 사용되는 카르복시 메틸 셀룰로오스를 사용함으로써 제품의 성형성은 물론 기존 담배필터에 비해 활성탄의 배합 비율을 줄일 수 있어 최종 제품의 원가절감을 기할 수 있고 또한 성형과정에서 당밀 또는 카르복실 메틸 셀룰로오스를 일정 비율로 코팅시켜 최종 제품의 분진제거 및 내마모도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

Description

담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법

본 발명은 담배연기 중 유해성분으로 분류되는 증기상이나 가스상 물질을 제거, 감소시키는 것을 목적으로 하는 효과적인 흡착특성을 갖는 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

담배연기 성분은 일산화탄소나 시안화수소와 같은 가스상 물질과 아크로레인, 아세트알데히드, 포름알데히드, 아세트니트릴 등과 같은 증기상 물질 그리고 니코틴이나 타르와 같은 담배 고유의 향을 가지고 있는 다환상 방향족 탄화수소 등의 입자상 물질로 구분할 수 있는데, 이들은 각 성분군에 따라 제거하거나 감소시키는 방법이 다르다.

지금까지 보고된 방법으로서 입자상 물질들은 섬유상 필터에 의한 여과나 공기희석 방법이 효과적이고, 증기상이나 가스상 물질들은 공기희석이나 확산, 흡착방법이 효과적인 것으로 알려져 있다.

종래의 섬유상 필터는 니코틴이나 타르 등의 여과를 목적으로 사용하고 있는데, 이것의 여과율은 약 20∼40% 정도이며 흡연시 니코틴이나 타르에 의한 담배 고유의 강한 향이 여전히 잔류하게 된다.

뿐만 아니라 이러한 유해성분들은 실내에 비산 잔류하게 되어 실내의 변색이나 불쾌감의 원인이 되기도 한다.

한편, 가스상 또는 증기상 성분을 제거 또는 감소시키는 것은 섬유상 필터를 통하는 경우에는 그 특성상 거의 제거되지 못하거나 감소시키는 효과가 아주 약하다. 따라서, 최근에는 섬유상 필터와 더불어 상기 가스상 또는 증기상의 유해성분을 선택적으로 제거하기 위해 흡착제를 첨가 사용하고 있는데, 이러한 흡착제의 종류나 첨가방법에 따라 연기성분중의 유해성분들을 선택적으로 흡착하는 흡착능을 다소 높일 수 있다.

현재까지 담배의 유해성분 제거 또는 감소를 목적으로 연구보고 되어진 흡착제로는 활성탄, 제올라이트, 마그네슘-실리케이트, 실리카겔 등이 있으나, 주로 활성탄과 제올라이트가 담배필터용으로 많이 이용되고 있다.

이러한 이유는 활성탄과 제올라이트가 다른 흡착제에 비해 비표면적이 클 뿐만 아니라 잘 발달된 미세한 세공이 있기 때문이다.

활성탄은 야자각, 석탄계, 목재 등을 탄화과정을 거쳐 환원 분위기에서 활성화시켜 제조하게 되는데, 그 형태에는 입상, 파쇄상, 분말상 등이 있고 그 세공직경은 1∼100nm이며 대부분이 2nm 이하인 미세기공으로 되어 있다.

활성탄은 소수성 흡착제로서 비극성 분자에 대한 흡착력이 강하며 비표면적이 1200m²/g 이상까지 도달하기도 한다.

제올라이트는 결정성 알루미노 규산염으로서 다음과 같은 일반식 (1)로 표시된다.

상기 일반식 (1)에서, M은 +1, +2가의 양이온 금속이고; w는 결정수의 분자수를 나타내며; x에 대한 y의 비, 즉 y/x는 결정구조에 따라 변하는데 대개 1∼5의 값을 가지게 된다.

이러한 제올라이트는 3∼10Å 정도의 세공직경을 지니고 있어 분자체 효과(molecular sieving effect)를 나타내며, 특히 친수성 흡착제로서 물과 같은 극성 분자의 흡착력이 강하며 낮은 분압, 고온하에서도 흡착력이 높다.

종래의 담배필터용으로 사용되고 있는 흡착제로는 활성탄 또는 활성탄과 천연 제올라이트의 복합 사용에 의한 방법을 채택하고 있는데 이들은 미세한 활성탄 입자형태로 섬유상 필터에 침적시킨 후 단일 혹은 이중필터로 사용하거나 비교적 입자의 크기가 큰 활성탄과 천연 제올라이트를 섬유상 필터사이에 위치하도록 하며 3중 필터 형태로 사용하고 있다.

종래의 이러한 필터는 흡연과정에서 미세한 활성탄의 분진이 연기성분과 함께 필터밖으로 유출될 우려가 있으며, 비표면적이 상대적으로 작은 천연 제올라이트를 사용함으로써 분자크기가 5∼6Å 이하의 비교적 작은 일산화탄소나 시안화수소와 같은 가스상 물질의 효과적인 제거가 어려운 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 각종 형태의 제올라이트와 분말상 활성탄에 천연검토 및 천연물로부터 유도된 결합제와 물을 배합하여 입상화시킨 후 건조와 소성과정을 거쳐 담배연기 성분중의 유해가스상 및 증기상의 물질을 종래의 것에 비하여 더 효과적으로 제거, 감소시킬 수 있는 우수한 흡착능을 가진 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

본 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물은 종래에는 활성탄과 제올라이트를 별도로 분리, 혼합 사용하던 것을 두가지 흡착제의 기능을 그대로 유지한 채 단일상으로 입상화시킴으로써 흡착제의 물성제어가 훨씬 용이할 뿐만 아니라 담배필터의 채택방식에 따라 입자의 크기를 자유로이 선택할 수 있기 때문에 우수한 담배필터용 흡착제로 사용할 수 있다.

또한 제올라이트는 친수성 흡착제인데 반해 활성탄은 소수성 흡착제이므로 상호 흡착력 보완을 하기 위하여 제올라이트의 활성탄을 혼합 사용하여 복합 기능을 갖는 흡착제로 제조하는 방법과 활성탄화 될 수 있는 물질과 제올라이트 계통의 결합 또는 규산염 화합물과 활성탄 혼합 조성물의 제조방법이 최근에 많이 보고되고 있다.

일본공개 특허공보 소54-53669호에는 제올라이트와 활성탄 혼합물에 벤토나이트와 설탕을 첨가하여 성형시킨 후 건조 및 소성하여 오존 분해용 제품을 제조하는 방법이 기술되어 있다.

이러한 방법은 결합제로 무기계 벤토나이트를 사용하기 때문에 성형성이 우수하지 못하고 최종 제품의 내마모도와 흡착능이 저하되며, 유기 결합제로서 고가인 설탕을 사용하고 있어 제조원가가 높은 단점이 있다.

한편 활성탄에 규산 염화물을 가하여 필터상 흡착제로 제조하는 방법이 일본 특허공보 소59-69146호에 기술되어 있는데, 규산 염화물에 의하여 활성탄 기공이 막힐 우려가 있으며, 분자체 효과에 의한 친수성 흡착능이 낮은 단점이 있다.

본 발명에서는 제올라이트와 활성탄 혼합물에 성형성이 우수하며 최종 제품의 흡착능을 저하시키지 않는 알칼리 토류 금속 실리케이트 및 벤토나이트를 무기계 결합제로 혼합 사용하는 한편 유기계 결합제로서는 제당과정에서 부산물로 발생하는 유효 탄화성분이 많은 당밀 또는 셀룰로오스 계열의 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC)를 소량 사용함으로써 제품의 성형성 개선은 물론 활성탄의 배합 비율을 기존 담배필터용 조성물에 비해 줄일 수 있어 최종 제품의 원가절감을 기할 수 있고, 또한 성형과정에서 최종 단계에서 당밀 혹은 카르복실 메틸 셀룰로오스를 일정 비율로 코팅시켜 최종 제품의 내마모도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 담배필터용 조성물의 제조하고자 하는 것이다.

다음에 본 발명의 세부사항을 기재하였다.

우선 제올라이트에 활성탄과 알칼리 토류 실리케이트, 벤토나이트를 고형분 기준으로 각각 10∼50중량%, 10∼50중량%, 10∼30중량%, 10∼30중량%가 되게 배합하여 플로우 쉐어 혼합기에 넣고 충분히 혼합한 후 계속하여 당밀(1∼5중량%)과 물을 배합한 용액을 노즐을 통하여 분사 주입시키면서 혼합시키고, 이어 0.1∼5mm 크기의 입상 조성물을 만든다(A-1 방법).

한편 상기 방법에서 당밀 대신에 인체에 무해하며 식품 첨가물에 널리 사용되고 있는 셀룰로오스를 주원료로 한 음이온성의 수용성 고분자인 카르복시 메틸 셀룰로오스(0.1∼2중량%)를 물에 용해한 용액으로 노즐을 통하여 분사 주입하면서 혼합시키고, 이어 0.1∼5mm 크기의 입상 조성물을 만든다(A-2 방법).

이렇게 제조된 입상 조성물(95∼99.5중량%)에 당밀용액(0.5∼5중량%) 또는 카르복시 메틸 셀룰로오스 용액(0.5∼5중량%)을 다시 가하여 입상 조성물 표면을 코팅시킨다(B 방법).

상기에 사용한 제올라이트로서는 A형, X형, Y형, 또는 실리카 함량이 높은 제올라이트 및 천연 제올라이트 등을 사용할 수 있으며 기존 제올라이트에 전이금속 성분을 이온교환 및 담지시켜 사용할 수도 있다.

한편 상기에 사용된 활성탄은 야자각을 원료로 하여 제조된 분말상이었으며, 그 비표면적 값은 700m²/g 이상이었다. 이외에도 갈탄계, 유연탄계, 목탄계 활성탄도 사용가능하다.

본 발명에서 사용한 플로우 쉐어 혼합기 이외에 입상화 장치로는 원판 조립기, 사출성형 조립기, 유동층 조립기 및 압착 조립기 중에서 어느 것이든 사용할 수 있다.

다음에 A와 B방법으로 제조된 함수 입상 조성물을 강제 대류 건조기를 이용하여 건조시킨 후 밀폐형 전기로를 사용하여 질소 등의 불활성 분위기로 조절하고 500∼800℃에서 0.1∼4.0시간 동안 소성시켜 입상 복합 분자체 조성물을 제조하였으며, 제조과정에서 성형성이 우수하며 결합제에 의하여 흡착성능이 저하되지 않으며 입상 복합 분자체 형태를 유지하면서도 각 성분의 특징적인 흡착특성을 그대로 보유하고 있는 내마모성이 우수한 담배필터용 입상 복합체 조성물을 얻을 수 있었다.

상기의 소성 장치이외에도 회분식 소성로, 로타리 킬른(Rotary Kiln), 터널식 소성로, 고주파 가열로, 해리쇼트 소성로 중에서 어느 것이든 사용가능하다. 또한 상기 소성로 분위기는 질소이외에 수증기나 수소 분위기도 가능하다.

한편, 상기에서 제조한 담배필터용 입상 복합체 조성물에 흡연시 향끽미를 증가시키기 위하여 당량의 수분이나 무해성분의 첨가제를 첨가할 수도 있다.

이상의 방법으로 제조된 최종 제품은 담배의 연기성분중 인체에 유해한 가스상 및 증기상의 물질뿐만 아니라 입자상의 물질을 제거, 감소시키기 위한 담배필터용으로 사용되며 그외에도 수정화용 처리제, 공기 정화제, 탈취제 및 각종 촉매, 흡착제의 지지체로서 사용될 수도 있다.

이하에서 실시예 및 비교예들과 함께 본 발명을 좀더 상세히 설명한다.

[실시예 1]

A형 제올라이트 분말 40kg, 활성탄 분말 30kg 및 마그네슘 실리케이트 분말 1kg, 벤토나이트 20kg을 플로우 쉐어 혼합기에 넣고 6분간 분말 혼합하고, 계속하여 당밀 1.0kg과 물 20kg을 첨가하여 제조한 용액을 노즐을 통하여 1∼3분간 분사 주입시키고 계속하여 30분간 가동하여 평균입경이 1,5mm가 되는 입상 조성물을 얻었다.

이것을 강제 대류형 건조기를 사용하여 120℃에서 3시간 동안 건조하고 다시 질소 분위기하에서 650℃/2시간 동안 소성시켜 입상 복합 분자체 조성물을 얻었다.

이렇게 하여 얻어진 시료는 담배연기 분석을 위한 담배의 제조에 사용하였다.

우선 담배의 제조에 사용한 막궐련은 시판품 담배필터를 사용하였으며 삼중 필터중 아세테이트와 종이 필터사이의 기존 흡착제 공간에 본 발명에서 제조한 조성물을 케비티 부피의 70%가 되도록 충진하였다. 이때 삼중필터의 흡인 저항은 85±5mmH₂O, 제조된 담배의 흡인저항은 130±5mmH₂O이었다.

그리고 담배연기 중의 각종 유해성분들에 대한 흡착성능 실험을 실시하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

[비교예 1]

본 발명에서 제조한 조성물과의 흡착성능을 비교하기 위해 미세기공이 잘 발달된 활성탄과 천연 제올라이트를 비교실험하였다. 실험에서 얻어진 결과는 다음 표 1내의 실시예 1 하단에 비교예 1로 나타내었다.

[실시예 2]

A형 제올라이트 분말 40kg, 활성탄 분말 30kg 및 마그네슘 실리케이트 분말 10kg, 벤토나이트 20kg을 플로우 쉐어 혼합기에 넣고 6분간 분말 혼합하고, 계속하여 카르복시 메틸 셀룰로오스 0.5kg을 물 30kg에 용해하여 제조한 용액을 노즐을 통하여 1∼3분간 분사 주입시키고 계속하여 30분간 가동하여 평균입경이 1,5mm가 되는 입상 조성물을 얻었다. 이것을 강제 대류형 건조기를 사용하여 120℃에서 3시간 동안 건조하고 다시 질소 분위기하에서 650℃/2시간 동안 소성시켜 입상 복합 분자체 조성물을 얻었다.

이 시료를 실시예 1에서와 동일한 방법으로 연기성분에 대한 흡착성능실험을 실시하였으며 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

[실시예 3]

상기 실시예 1과 2에서 마그네슘 실리케이트 대신에 칼슘 실리케이트를 사용하는 것을 제외하고는 이하 실시예 1과 동일한 조건으로 수행하였다. 이렇게 해서 얻어진 시료의 담배연기 성분에 대한 흡착성능실험 결과를 표 3에 나타내었다.

[실시예 4]

상기 실시예 1과 2에서 얻어진 건조과정전에 형성된 함수 입상 조성물에 다시 당밀 2kg과 물 1.5kg을 혼합한 용액(실시예 4-1)과 카르복시 메틸 셀룰로오스 50g을 물 2.5kg에 녹인 용액(실시예 4-2)을 각각 노즐을 통하여 분사시켜 입상 조성물 표면을 코팅시켰다. 이하 실시예 1과 동일한 조건으로 처리하여 얻어진 시료 각각의 담배연기 성분에 대한 흡착성능실험 결과를 표 4에 나타내었다.

Claims (4)

1. 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물을 제조함에 있어서, 제올라이트 10∼50중량%에 활성탄 10∼50중량%와 알칼리 토류 실리케이트 및 벤토나이트를 고형분 기준으로 각각 10∼30중량%가 되게 배합하여 혼합시킨 다음, 이에 당밀 1∼5중량%와 물을 배합한 용액을 노즐을 통하여 분사·주입시키고, 이어 0.1∼5mm 크기의 입상 조성물을 만드는 제1공정; 상기 제1공정을 통하여 제조된 입상 조성물 95∼99.5중량%에 당밀용액 0.5∼5중량%를 다시 가하여 입상 조성물 표면에 코팅시키는 제2공정; 그리고 상기 제2공정을 통하여 제조된 함수 입상 조성물을 건조시킨 후 밀폐형 전기로를 사용하여 불활성 분위기하 500∼800℃에서 0.1∼4.0시간 소성시켜 이루어지는 제3공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 토류 금속 실리케이트가 마그네슘 실리케이트 또는 칼슘 실리케이트인 것을 특징으로 하는 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법.
3. 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물을 제조함에 있어서, 제올라이트 10∼50중량%에 활성탄 10∼50중량%와 알칼리 토류 실리케이트 및 벤토나이트를 고형분 기준으로 각각 10∼30중량%가 되게 배합하여 혼합시킨 다음, 이에 카르복시 메틸 셀룰로오스 0.1∼2중량%와 물을 배합한 용액을 노즐을 통하여 분사·주입시키고, 이어 0.1∼5mm 크기의 입상 조성물을 만드는 제1공정; 상기 제1공정을 통하여 제조된 입상 조성물 95∼99.5중량%에 카르복시 메틸 셀룰로오스 용액 0.5∼5중량%를 다시 가하여 입상 조성물 표면에 코팅시키는 제2공정; 그리고 상기 제2공정을 통하여 제조된 함수 입상 조성물을 건조시킨 후 밀폐형 전기로를 사용하여 불활성 분위기하 500∼800℃에서 0.1∼4.0시간 소성시켜 이루어지는 제3공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 알칼리 토류 금속 실리케이트가 마그네슘 실리케이트 또는 칼슘 실리케이트인 것을 특징으로 하는 담배필터용 입상 복합 분자체 조성물의 제조방법.