KR101336486B1 - 다공성 탄소재 및 이 탄소재를 함유하는 흡연 물품 및 이의연기 필터 - Google Patents

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Abstract

궐련용 연기 필터에 포함시키기에 적합한 다공성 탄소재는 BET 표면적이 800㎡/g 이상이고 중간소공과 미세소공을 포함하는 소공 구조를 보유한다. 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)는 0.9㎤/g 이상이고, 이 소공 부피의 15 내지 65%가 중간소공이다. 탄소재의 소공 구조는 일반적으로 0.5g/cc 미만인 부피 밀도를 제공한다. 탄소재는 유기 수지의 탄화 처리 및 활성화를 통해 제조할 수 있고 취급 용이성을 위해 비드 형태일 수 있다.
다공성 탄소재, 흡연 물품, 연기 필터, 궐련, 유기 수지

Description

다공성 탄소재 및 이 탄소재를 함유하는 흡연 물품 및 이의 연기 필터{POROUS CARBON MATERIALS AND SMOKING ARTICLES AND SMOKE FILTERS THEREFOR INCORPORATING SUCH MATERIALS}
본 발명은 다공성 탄소재 및 이 탄소재를 함유하는 흡연 물품 및 연기 필터에 관한 것이다.
연기에 함유된 특정 유해 물질의 수준을 낮추기 위해 흡연 물품과 이의 연기 필터에 다공성 탄소재를 포함시키는 것은 잘 알려져 있다. 다공성 탄소재는 많은 여러 방식으로 생산할 수 있다. 다공성 탄소재의 물성, 예컨대 입자의 형태와 크기, 시료에 존재하는 입자 크기의 분포, 입자의 마모율, 소공 크기, 소공 크기의 분포 및 표면적 등은 모두 그 생산 방식에 따라 달라진다. 이러한 변동은 다른 환경에서 흡착제로서의 그 탄소재의 성능 또는 적합성에 상당한 영향을 미친다.
일반적으로, 다공성 재료는 표면적이 클수록 흡착에 더욱 효과적이다. 다공성 재료의 표면적은 상온에서 질소의 부분 압력 하에 그 재료에 의해 흡착되는 질소의 부피 변동을 측정하여 추정한다. 브루나우어, 엠멧 및 텔러(Brunauer, Emmett and Teller)가 창시한 수학 모델을 이용한 결과 분석은 BET 표면적으로 알려진 값을 제공한다.
탄소재는 활성화라고 알려진 공정에 의해 그 표면적을 증가시키기 위해 처리될 수 있다. 활성화는 예컨대 인산이나 염화아연으로 처리된 탄소를 가열하거나, 또는 증기 또는 이산화탄소로 탄소를 가열하여 실시할 수 있다. 이산화탄소에 의한 활성화는 때로 공기 중에서 탄소 가열을 수반하는 추가 공기 개질 단계가 후속으로 실시되기도 한다. 활성화 공정은 탄소 입자의 내면으로부터 물질을 제거하여 중량을 감소시키고, 이러한 중량 손실은 처리 기간에 비례한다.
또한, 다공성 탄소재의 소공 크기의 분포는 흡착 특징에 영향을 미친다. 본 특허 명세서와 당업자가 사용하는 명명법에 따르면, 흡착제 중의 소공은 그 소공 크기가 직경이 2nm 미만(<2 x 10-9m)이면 "미세소공"이라 불리고, 그 소공 크기가 2 내지 50nm 범위이면 "중간소공"이라 불린다. 그 소공 크기가 50nm를 초과하면 "거대소공"이라 불리고 있다. 직경이 500nm보다 큰 소공은 보통 다공성재의 흡착성에 크게 기여하지 않는다. 따라서, 실용적 목적에서, 직경이 50nm 내지 500nm 범위, 더욱 전형적으로 50 내지 300nm 또는 50 내지 200nm 범위인 소공이 거대소공으로 분류될 수 있다.
다공성 재료에 존재하는 미세소공, 중간소공 및 거대소공의 상대적 부피는 공지의 질소 흡착법 및 수은압입법(mercury porosimetry) 기술을 이용하여 측정할 수 있다. 수은 압입법은 거대소공 및 중간소공의 부피를 측정하는데 사용할 수 있고, 질소 흡착법은 소위 BJH 수학 모델을 이용하여 미세소공과 중간소공의 부피를 측정하는데 사용할 수 있다. 하지만, 측정의 이론적 기반이 다르기 때문에 두 방법 에 의해 수득된 값은 서로 직접 비교될 수 없다.
다공성 탄소는 천연 급원으로부터 생산될 수 있다. 예를 들어, 코코넛 챠콜은 코코넛 외피의 탄화 처리에 의해 수득되고, 퍼니스 블랙(furnace black)은 석유 잔류물의 연소 또는 열분해에 의해 수득되고, 써멀 블랙(thermal black)은 천연 가스로부터 생산된다. 미국 특허 US 3909449 및 US 4045368, 및 영국 특허 GB 1383085는 모두 피치(pitch)로부터 활성화된 챠콜 구체(sphere)를 생산하는 방법을 개시한다.
또한, 다공성 탄소재는 유기 수지를 탄화 처리하여 수득할 수도 있다. 예를 들어, 국제특허공개번호 WO 02/12380은 노볼락 수지와 같은 친핵성 성분을 에틸렌 글리콜과 같은 소공 형성제의 존재 하에 헥사메틸렌 테트라민과 같은 친전자성 가교제로 축합시켜 생산한 유기 수지를 탄화 처리하여 다공성 탄소를 생산하는 방법을 개시한다.
국제 특허 공개 WO 01/19904는 레조시놀/포름알데하이드, 디비닐벤젠/스티렌 비닐리덴 클로라이드 또는 비닐리덴 클로라이드/디비닐벤젠과 같은 시스템의 중합에 의해 수득된 유기 수지를 계면활성제의 존재 하에 탄화 처리하여 모놀리식 다공성 탄소를 생산하는 방법을 개시한다.
또한, 다공성 탄소 재료는 탄소 미세 입자를 결합제로 응집시켜 생산할 수도 있다. 예를 들어, 미국 특허 명세서 번호 US 3351071은 셀룰로스 정자(晶子) 응집물과 활성 탄소를 물과 함께 제분기에서 혼합하고 구체로 가공한 뒤 건조하여 구형 탄소 입자를 생산하는 방법을 개시한다. 그 다음, 탄소 입자는 활성화되고 궐련 필 터에 사용될 수 있다.
미국 특허 명세서 US 4029600은 탄소 블랙 구체를 수지 결합제와 혼합한 뒤, 그 혼합물을 탄화 처리 및 분말화하여 미립자 탄소재를 생산하는 방법을 개시한다.
영국 특허 명세서 GB 2395650은 다양한 미세소공 및 중간소공 부피를 보유한 다수의 탄소재가 멘톨과 같은 향료를 함유하는 담배 연기의 맛에 미치는 효과를 비교한다. 이 문헌은 미세소공 부피가 0.3cc/g 이하이고 중간소공 부피가 0.25cc/g 이상인 탄소재가 다른 소공 크기 분포를 보유한 재료보다 적은 멘톨을 흡착한다고 기술하고, 이에 따라 향이 있는 궐련의 궐련 필터에 사용하기에 더욱 적합한 것으로 간주하고 있다.
국제 특허 공개 번호 WO 03/059096A1은 직경이 0.2 내지 0.7mm 범위이고, BET 표면적이 1000 내지 1600㎡/g 범위이며, 소공 크기 분포가 주로 미세소공과 작은 중간소공의 범위인 구형의 비드 탄소가 공동에 충전되어 있는 필터 부재와 담배 막대를 함유하는 궐련을 개시한다.
본 발명에 따르면, 본 발명자들은 특히 담배 연기로부터 1종 이상의 유해 성분을 감소시키는데 효과적인 다공성 탄소재류를 동정했다.
본 발명의 재료는 복합적인 물성을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, BET 표면적이 800㎡/g 이상이고 밀도가 0.5g/cc 이하이며, 소공 구조가 중간소공 및 미세소공을 포함하고, 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)가 0.9㎤/g 이상인 다공성 탄소재를 제공한다.
본 발명의 다공성 탄소재는 부피 밀도가 0.5g/cc 미만인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 탄소재 밀도 범위의 전형적인 상한값은 0.45g/cc, 0.40g/cc 및 0.35g/cc이다. 본 발명에 따른 탄소재의 부피 밀도는 0.5 내지 0.2g/cc 범위인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 탄소재는 밀도보다 그 소공 구조에 특징이 있을 수 있다.
본 발명의 이러한 관점에 따라, BET 표면적이 800㎡/g 이상이고, 소공 구조가 중간소공 및 미세소공을 포함하며, 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)가 0.9㎤/g 이상이며, 이 부피의 15 내지 65%가 중간소공인 다공성 탄소재가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 다공성 탄소재는 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)가 1.0㎤/g 이상이지만, 이 소공 부피의 20% 미만이 2 내지 10nm 범위의 소공인 소공 구조를 특징으로 할 수 있다. 보통 합산한 소공 부피의 15% 미만, 종종 10% 미만이 2 내지 10nm 범위의 소공인 것이다.
다공성 탄소재의 밀도 및 소공 구조는 밀접한 관련이 있다. 일반적으로, 본 발명자들은 본 발명의 탄소재 시료에서, 소공이 중량 증가 없이 재료의 소정 집단의 부피를 증가시키기 때문에, 미세소공, 중간소공 및 거대소공의 합산 부피가 높을수록 밀도가 낮다는 것을 발견했다. 더욱이, 밀도가 증가함에 따라 미세소공에 대한 거대소공 및 중간소공의 비율은 증가한다. 즉, 일반적으로 본 발명에 따른 탄소재의 밀도가 낮을수록, 미세소공의 소공 부피에 대한 중간소공 및 거대소공의 소공 부피의 비가 높아진다. 하지만, 질소 흡착법으로 측정했을 때, 밀도와 소공 부피 사이의 상관관계는 정확하지 않다. 이전 두 문단 중 어느 하나에 정의된 소공 구조를 보유한 본 발명의 일부 탄소재는 0.5g/cc 보다 큰 밀도, 예컨대 최고 0.52g/cc, 0.55g/cc, 0.60g/cc 또는 0.65g/cc의 밀도를 보유할 수 있다. 이와 반대로, 본 발명의 일부 탄소재는 밀도가 0.5g/cc 미만이고 중간소공과 미세소공의 합산 부피 중 15% 미만(예, 12%, 10% 또는 5%)이 중간소공인 소공 구조를 보유할 수 있다.
미세소공과 중간소공 구조와 밀도 사이에 완전한 상관관계의 부족은 소공 크기 분포를 측정하는데 사용된 질소 흡착법의 기술이 약 50nm보다 큰 소공 크기를 검출할 수 없기 때문에 일어난다. 즉, 질소 흡착 기술에 의해 측정되는 재료의 총 소공 부피는 미세소공과 중간소공의 소공 부피의 합에 해당한다. 즉, 재료의 거대소공의 부피는 이 기술에 의해 나타나지 않는다. 따라서, 본 발명의 탄소재가 밀도가 낮고 질소 흡착법으로 측정했을 때 중간소공의 비율이 비교적 낮다면, 낮은 밀도는 중간소공 범위에 근접하고 있는 거대소공 범위, 즉 50nm 내지 500nm 범위의 소공 부피가 비교적 크기 때문일 수 있다. 거대소공 범위의 소공 부피는 수은 압입법에 의해 측정될 수 있지만, 이 기술에 의해 수득되는 결과는 질소 흡착법에 의해 수득되는 결과와 일치하지 않는다. 따라서, 2nm에서 500nm까지 소공 크기의 전 범위에 걸쳐서 재료의 소공 부피를 정확하게 측정하기는 어렵다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 다공성 탄소재와 흡연 재료를 함유하는 흡연 물품을 포함한다.
본 발명에 따른 바람직한 다공성 탄소재의 BET 표면적은 800㎡/g 이상, 바람직하게는 900㎡/g 이상, 적당하게는 1000㎡/g 이상이다. 본 발명에 따른 탄소재의 전형적인 BET 표면적 값은 약 1000㎡/g, 1100㎡/g, 1150㎡/g, 1200㎡/g, 1250㎡/g 및 1300㎡/g이다. BET 표면적이 1250㎡/g 이하, 예컨대 1000 내지 1250㎡/g인 다공성 탄소재가 가장 바람직하다.
본 발명의 다공성 탄소재는 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)가 0.95g/cc 이상, 적당하게는 1g/cc 이상인 것이 바람직하다. 소공 부피가 1.1cc/g 이상인 탄소재는 담배 연기의 흡착제로서 특히 유용하다. 본 발명에 따른 탄소재의 전형적인 소공 부피의 값은 1.15cc/g, 1.2cc/g, 1.25cc/g 및 1.3cc/g이다. 보통, 합산된 소공 부피는 1.1 내지 2.0cc/g 범위일 것이다. 소공 부피가 2.1cc/g보다 훨씬 큰, 예컨대 2.2cc/g 또는 2.3cc/g인 본 발명에 따른 탄소재는 밀도가 낮고, 따라서 궐련 생산 장치에서 취급이 용이하지 않다. 이와 같은 이유로 인해, 상기 탄소재는 궐련이나 연기 필터에 사용하기가 바람직하지 않다.
본 발명의 바람직한 탄소재에 따르면, 30% 이상이지만, 바람직하게는 65% 이하의 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)가 중간소공인 것이다. 중간소공 부피의 전형적인 최소값은 본 발명에 따른 탄소재의 미세소공과 중간소공 부피 합의 백분율로서 나타낼 때, 35%, 40% 또는 45%이다. 이러한 부피의 전형적인 최대값은 65%, 60% 및 55%이다. 본 발명에 따른 탄소재의 중간소공 부피는 중간소공과 미세소공 부피 합의 35 내지 55% 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 다공성 탄소재는 임의의 급원에서 수득될 수 있다. 하지만, 탄화 처리된 유기 수지로부터 형성된 본 발명에 따른 다공성 탄소재는 다른 급원에서 수득된 다공성 탄소재, 예컨대 코코넛 챠콜보다 바람직하다. 적당한 수지의 예에는 하이드록실 치환된 방향족 수지, 예컨대 페놀, 비스페놀A, 아미노페놀 또는 레조시놀 유래의 수지, 및 비페놀계 수지, 예컨대 스티렌과 비닐 피롤리돈 유래의 수지 또는 스티렌과 디비닐 벤젠 유래의 수지가 있다. 하이드록시 치환된 방향족 수지가 바람직하고, 특히 페놀 유래의 수지가 바람직하다.
본 발명의 바람직한 탄소재는 WO-A-02/12380(본 발명에 참고인용됨)에 기술된 바와 같이 소공 형성제의 존재 하에 친핵성 성분을 친전자성 가교제로 축합시켜 수득한다.
본 발명은 특히 친핵성 성분을 친전자성 가교제로 소공 형성제의 존재 하에 축합시켜 수지를 형성시키는 단계, 이 수지를 탄화 처리하는 단계, 및 수득되는 탄소 재료를 활성화시키는 단계를 포함하는 다공성 탄소재의 생산 방법을 포함한다.
수지를 형성시키는 반응은 촉매의 존재 하에 수행될 수 있다. 또한, 용매도 사용될 수 있지만, 소공 형성제가 용매로서 작용하는 것도 바람직하다. 친핵성 성분은 예컨대 노볼락 수지와 같은 페놀계 수지, 또는 포름알데하이드, 푸르푸랄 또는 살리실알데하이드와 같은 알데하이드류를 이용한 m-아미노-페놀과 같은 페놀계 화합물, 레조시놀, 하이드로퀴논과 같은 디페놀류, 또는 아닐린, 멜라민 또는 우레아와 같은 아민류의 공중합체를 주성분으로 하는 다른 수지일 수 있다. 가교제는 예컨대 포름알데하이드, 푸르푸랄 또는 헥사메틸렌테트라민일 수 있다. 소공 형성제는 예컨대 디올, 디올-에테르, 환형 에스테르, 치환된 환형 또는 선형 아미드 또는 아미노 알콜일 수 있다. 에틸렌 글리콜 및 디에틸렌 글리콜이 바람직하다. 적당한 물질의 세부 사항은 본원에 참고인용되는 국제 특허 공개번호 WO 02/12380 A2에 기술되어 있다. 본 발명의 다공성 탄소재의 생산에 사용하기에 바람직한 수지는 에틸렌 글리콜의 존재 하에 헥사메틸렌 테트라민으로 가교된 노볼락 수지이다.
소공 형성제는 수지계의 성분을 용해하기에 충분한 함량으로 사용되는 것이 바람직하다. 소공 형성제 대 수지계 수지 성분의 중량비는 1:1 이상인 것이 바람직하다. 가교제는 보통 친핵성 성분 100중량부당 5 내지 40중량부(pbw)의 함량, 전형적으로 친핵성 성분 100bpw당 가교제 10 내지 30(예, 10, 15 또는 20)pbw 범위의 함량으로 사용한다.
바람직한 수지는 가교전 중량평균분자량(Mw)이 300 내지 3000 범위이다. 노볼락 수지가 사용될 때, Mw 값이 상기 범위의 하한에 있는 수지는 점성 액체이고, Mw 값이 상기 범위의 상한에 있는 수지는 융점이 100℃ 부근인 고체이다. Mw가 2000 미만, 바람직하게는 1500 미만인 노볼락 수지는 탄화 처리 시, 소량의 소공 형성제를 이용하여 바람직한 소공 크기 분포를 보유한 탄소를 생산하는 경향이 있다.
WO 02/12380 A2(본원에 참고인용됨)에 기술된 바와 같이, 수지의 반응 조건은 수득되는 물질이 바람직한 범위의 입자 크기를 보유한 비드 형태이도록 조절할 수 있다. 비드는 친전자성 성분, 친핵성 가교제 및 소공 형성제의 예비중합체 용액을 이 혼합물이 비혼화성인 고온 액체 현탁 매질, 예컨대 광유에 투입하고, 이 혼합물을 교반 등에 의해 진탕시켜 수지 소구상체(globule)를 형성시킨 뒤, 이 수지를 비드로 고형화하여 제조할 수 있다. 이 비드의 중간 입자 크기는 진탕 방법 및 이의 강도, 현탁 매질의 온도 및 점도, 예비중합체 용액의 온도 및 점도, 및 예비중합체 용액과 현탁 매질의 부피비에 따라 달라질 것이다. 원하는 입자 크기를 달성하는데 필요한 정확한 조건은 통상적인 실험을 통해 쉽게 수득할 수 있다. 비드는 그 다음 현탁 매질로부터 분리하여 충분히 세척하거나 진공 건조하고, 가열하여 탄화 처리한다.
활성화된 탄소재의 소공 크기 분포는 사용된 가교제와 친전자성 성분의 성질, 촉매의 존재, 용매의 존재 및 반응 속도를 비롯한 다수의 요인에 의해 영향을 받는다. 높은 온도와 촉매의 존재는 탄소재의 다공도를 크게 증가시키는 경향이 있다. 또한, 반응계에서의 열 전달도 다공도에 영향을 미친다. 온도의 급격하거나 빠른 변화는 미세소공의 형성을 감소시키고 중간소공의 형성을 조장하는 경향이 있다. 탄화 처리 전에 저온에서, 세척 또는 진공 건조 등에 의한 소공 형성제와 탄소재의 분리도 소공 크기 분포에 영향을 미친다. 탄화 처리 전에 소공 형성제를 제거하기 위해 처리된 탄소재는 탄화 처리 동안 소공 형성제가 제거되는 유사 재료보다 큰 중간소공 부피를 보유한다.
수지의 탄화 처리는 불활성 대기 하에 600 내지 850℃의 온도 또는 그 이상에서 가열하여 실시하는 것이 바람직하다. 수득되는 탄소재는 그 다음, 예컨대 공기 중에서 400 내지 450℃의 온도로 처리하거나, 증기 중에서 750℃ 이상의 온도로 처리하거나, 또는 이산화탄소 중에서 800℃ 이상의 온도로 처리하여 활성화시킬 수 있다.
본 발명자들은 다공성 탄소재 중 1가지 특정 종류가 담배 연기의 기상으로부터 시안화수소를 흡착시키는데 특히 효과적이라는 것을 발견했다. 이러한 탄소재는 질소 함유 유기 수지, 예컨대 헥사메틸렌테트라민 또는 멜라민과 같은 질소 함유 가교제로 친핵성 성분을 축합시켜 만들거나 또는 아미노 페놀과 같은 친핵성 전구물질로부터 제조된 유기 수지를 탄화 처리하여 제조한다.
질소 함유 유기 수지가 탄화 처리될 때, 수득되는 다공성 탄소재는 잔류 질소 또는 질소 부위를 함유할 것이고, 이것과 HCN은 특히 강하게 상호작용할 것이라 생각하지만, 이러한 이론에만 국한시키고자 하는 것은 아니다.
다공성 탄소재는 흡연 물품용 필터에 사용하기 위해 개조된 모놀리식 구조일 수 있다. 예를 들어, 이 재료는 연기가 탄소재와 접촉하도록 하면서 연기의 집단 흐름을 통과시키는 축 통로를 보유한 원통형 필터 부재로 제조될 수 있다. 하지만, 다공성 탄소재는 미립자형인 것이 바람직하다.
미립자형 다공성 탄소재가 궐련이나 이의 연기 필터와 같은 흡연 물품에 포함될 때, 각 궐련이나 필터에 필요한 탄소재의 양은 매우 정확하게 측정되고 전달되어야 한다. 입자의 형태와 크기, 및 입자 크기 분포는 탄소재의 흐름 및 취급에 영향을 미친다. 따라서, 코코넛 챠콜은 광범위한 입자 크기 분포 및 고마모율을 보유하여, 먼지를 발생시키는 경향이 있고, 이것은 고속 기계류의 작업을 방해할 수 있다. 또한, 코코넛 챠콜 입자는 형태가 불규칙하기 때문에, 흐름 특징이 비교적 불량하여, 궐련이나 필터 내로 전달되는 재료 양의 계량에 어려움을 초래한다.
다공성 탄소재는 미세비드 형태, 즉 크기가 50 내지 1000㎛인 전반적 구형 입자인 것이 바람직하다. 미세비드의 흐름 특징은 특히 흡연 물품 및 이의 연기 필터의 제조 시 용이한 취급에 유리하다.
연기 필터는 보통 셀룰로스 아세테이트와 같은 흡수재의 짧은 막대를 포함한다. 이러한 필터에 미립자형 다공성 탄소재를 포함시키는 1가지 방법은 토우(tow)를 흡수재로 만들고, 이러한 토우를 트리아세틴과 같은 가소제로 함침시키는 제1 스테이션, 다공성 탄소재의 입자가 호퍼로부터 토우 위로 공급되고, 그 후 필터 부재로 추가 가공되는 제2 스테이션을 통해 토우를 연속적으로 통과시키는 것이다. 호퍼로부터 토우 위로 공급되는 탄소재의 흐름과 토우의 이동 속도가 균일하다면, 토우에 적재되는 탄소재의 양도 역시 균일할 것이다. 하지만, 특정 탄소재, 특히 코코넛 탄소는 흐름 특징이 불량하다. 이러한 입자는 불규칙하고 불균일한 형태로 인해 함께 점착하는 경향이 있다. 따라서, 필터 토우 위로 탄소재의 적재를 조절하기가 어렵다. 하지만, 미세비드 형태의 미립자형 다공성 탄소재를 이용하면, 토우에 불균일한 적재 및 점착 위험이 크게 감소된다.
흡연 물품 또는 연기 필터에 유기 수지로 제조된 미립자형 다공성 탄소재 사용 시의 추가 장점은 이러한 탄소재가 천연 챠콜에 비해 마모율이 비교적 작다는 사실로부터 나타난다. 미립자 물질의 마모율이 클수록, 취급 동안 더 많은 먼지가 발생한다. 먼지는 제조 공정, 특히 궐련이나 궐련 필터 제조에 사용되는 고속 공정을 방해한다. 탄화 처리된 유기 수지로부터 다공성 탄소재의 생산 시에, 수지에 대한 반응 조건은 최종 탄소 입자가 코코넛 챠콜 등에 비해 마모율이 감소되도록 조절될 수 있다.
흡연 물품이나 연기 필터에 사용하는데 필요한 적합성에 영향을 미치는 미립자형 다공성 탄소재의 또 다른 물성은 입자 크기이며, 더욱 특히 입자 크기 분포이다. 본 발명에 따른 다공성 탄소재는 평균 입자 크기가 50 내지 1000㎛, 적당하게는 100 내지 700㎛ 범위인 것이 바람직하다. 담배 연기의 여과 시, 평균 입자 크기가 작은, 예컨대 150 내지 250㎛ 범위인 다공성 탄소재가 보통 평균 입자 크기가 큰, 예컨대 250 내지 500㎛인 탄소재보다 우수하게 작용하며, 이 탄소재는 평균 입자 크기가 500 내지 1000㎛인 탄소재보다 일반적으로 우수하게 작용한다.
미립자 재료의 임의의 시료는 대략 평균값인 입자 크기의 통계학적 분포를 가질 것이다. 10 백분위수(D10)에 대한 90 백분위수(D90)의 비는 시료 내 입자 크기 분포의 분배 척도(D90/D10)를 제공한다. 코코넛 챠콜의 경우 평균 입자 크기는 보통 100 내지 1000㎛ 범위이고, D90/D10 비가 20 이상이며, 입자의 유의적인 비율이 크기가 20㎛ 미만이다. 이러한 비교적 넓은 입자 크기 분포는 필터 내 챠콜의 불균일한 분포 및 먼지에 의한 높은 제조 오염의 위험을 초래할 수 있다.
탄화 처리된 유기 수지로부터 다공성 탄소재의 생산 시, 수지에 대한 반응 조건은 최종 탄소재의 입자 크기 분포가 코코넛 챠콜 등에 비해 좁은 분포를 갖고도록 조절될 수 있다. 본 발명의 탄소재는 D90/D10 입자 크기 분포가 적어도 10, 바람직하게는 적어도 5, 가장 유리하게는 약 2인 것이 바람직하다.
먼지가 실질적으로 없는 재료는 흡연 물품과 연기 필터의 제조 시에 취급 및 오염 문제가 적다. 따라서, 본 발명의 다공성 탄소재는 10미크론보다 작은 입자가 실질적으로 없는 것이 바람직하다. 또한, 20미크론보다 작은 입자가 실질적으로 없는 것이 적당하고, 30미크론보다 작은 입자가 없는 것이 가장 유리하다.
본 발명의 흡연 물품은 임의의 형태일 수 있다. 예를 들어, 흡연 물품은 흡연 재료에 불을 붙여 연소 산물을 흡입하여 담배를 피우는 것, 예컨대 궐련, 엽궐련 또는 소형 엽궐련 등일 수 있다. 또는, 흡연 물품은 열분해 산물로의 분해가 연소 없이 일어나는 온도까지 흡연 재료가 가열되는 것일 수 있다. 이러한 물품은 공지되어 있고 챠콜 부재와 같은 전기 또는 다른 가열 수단을 포함하고 있다.
구체적으로, 흡연 물품은 필터와 함께 또는 필터 없이 흡연 재료의 막대를 경우에 따라 랩퍼(wrapper)에 포함할 수 있다. 랩퍼는 종이, 담배 잎 또는 재생 담배로 구성될 수 있다. 또는, 예를 들어 생담배 연기의 방출량이 낮거나, 또는 직접 마시는 연기에 열분해 산물의 수준이 낮은 흡연 물품을 제조하고자 하는 경우, 랩퍼는 세라믹 물질과 같은 비연소성 무기 물질로 구성될 수 있다. 필터는 임의의 적당한 물질, 예컨대 섬유성 셀룰로스 아세테이트, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 또는 종이로 구성될 수 있다.
흡연재는 담배가 바람직하나, 담배 외의 흡연재일 수도 있다. 담배 외의 흡연재의 예에는 건조 및 큐어링된 식물 재료, 예컨대 과실 재료, 및 알긴산염으로 제조할 수 있는 합성 흡연 재료, 및 에틸렌 글리콜과 같은 에어로졸 발생 물질이 있다. 흡연재는 담배와 담배외 흡연 재료의 블렌드를 포함할 수 있다. 흡연재가 담배를 포함하는 경우에, 담배는 임의의 적당한 종류, 또는 이의 블렌드, 예컨대 음건(air-cured), 화건(fire-cured), 열건(flue-cured) 또는 일광건조(sun-cured)된 엽층 또는 줄기일 수 있고, 임의의 적당한 공정을 이용하여 가공된 것일 수 있다. 예를 들어, 담배는 절단 담배, 살담배, 팽화 담배 또는 재생 담배일 수 있다. 흡연재는 또한 통상적인 첨가제, 예컨대 개선제, 착색제, 보습제(예, 글리세롤 및 프로필렌 글리콜) 및 향료(예, 당, 감초 및 코코아) 등을 포함할 수도 있다.
다공성 탄소재는 흡연재에 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명에 관해 전술한 임의의 특징을 보유하는 다공성 탄소재를 포함하는 흡연재를 제공한다.
흡연 물품은 필터를 포함하고, 이 필터에는 다공성 탄소재가 포함된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 본 발명의 다공성 탄소재를 함유하는 흡연 물품용 연기 필터도 포함한다. 연기 필터는 궐련이나 엽궐련 홀더와 같은 흡연 물품용 홀더 형태이거나 또는 흡연 물품에 포함되는 필터 팁으로 제조될 수도 있다.
연기 필터는 임의의 통상적인 구조일 수 있다. 예를 들어, 셀룰로스 아세테이트와 같은 섬유상 필터재 구역을 포함하고 이 구역을 통해 분포되어 있고 미립자 형태인 다공성 탄소재를 함유하는 "달마시안" 필터 형태일 수 있다. 또는, 필터는 복수의 구역을 포함하고, 이러한 구역 중 하나에 다공성 탄소재가 내재되어 있는 "공동(cavity)" 필터 형태일 수 있다. 예를 들어, 다공성 탄소재는 섬유상 필터재 2개의 인접 구역 사이에 놓일 수 있다.
또한, 연기 필터는 이온 교환 수지, 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 엠버라이트(amberlite)와 같은 다른 흡착재를 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 흡연 물품은 담배 막대, 랩퍼 및 필터를 포함하고 이 필터 내에 다공성 탄소재가 포함되어 있는 궐련이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 다공성 탄소재와 분해 산물을 접촉시키는 것을 포함하는 흡연재의 분해 산물을 처리하는 방법을 포함한다.
본 발명의 더욱 상세한 이해를 위해, 이제 바람직한 양태에 대해 설명할 것이지만, 이는 이하 도면을 참고로 한 예시적인 설명일 뿐이다.
도 1 - 그래프.
도 2 - 그래프.
도 3 - 그래프.
도 4a - 그래프.
도 4b - 그래프.
도 4c - 그래프.
도 4d - 그래프.
도 4e - 그래프.
도 4f - 그래프.
도 4g - 그래프.
도 4h - 그래프.
도 4i - 그래프.
도 4j - 그래프.
도 4k - 그래프.
도 5 - 그래프.
도 6 - 그래프.
도 7 - 흡연 물품의 모식도.
도 8 - 흡연 물품의 모식도.
표 1과 관련하여, 유기 수지 시료는 표 1에 명시된 시판 노볼락 페놀-포름알데하이드 수지 100중량부와 표 1에 제시된 비율의 에틸렌 글리콜 소공 형성제를, 투명 용액의 형성을 증강시키기 위해 승온과 교반 하에 혼합하여 제조했고, 여기서 온도는 그 다음 65 내지 70℃로 안정화시켰다. 헥사메틸렌 테트라민("헥사민") 가교제는 그 다음 표 1에 제시된 비율로 첨가했다. 그 다음, 결과적으로 교반된 혼합물을 상기 온도까지 명시된 반응 시간 동안 가열했다.
사용한 시판 등급의 노볼락 수지는 Mw가 약 2400이고 헥사메틸렌 테트라민을 5중량% 함유하는 헥시온 스페셜티 케미칼스 인크(구, 보든 케미컬 인크)에서 입수용이한 J1058F, Mw가 약 1030이고 가교를 촉진하기 위해 살리실산을 함유하는 TPR210, 및 Mw가 약 1110인 J1089F이다.
각 경우마다, 최종 수득되는 점성 용액은 응결을 지연시키기 위해 무수 오일(상업적으로는 대니시 오일로 알려져 있음) 0.5부피%를 함유하는 예열(115 내지 120℃)된 광유 2 내지 4배 부피에 교반하면서 스트림으로서 투입했다. 수득되는 에멀젼의 온도는 처음에는 105 내지 110℃로 떨어졌지만, 추가 가열하자 약 115 내지 120℃에서 가교가 일어났다. 반응 완료를 위해 150℃까지 분당 약 0.5℃의 속도로 추가 가열을 실시했다. 냉각 후, 수득되는 수지 비드를 오일로부터 여과 분리하고, 열수로 여러 번 세척하여 대부분의 에틸렌 글리콜과 소량(전체의 5% 미만)의 저분자량 중합체를 제거했다. 결과적으로 수득되는, 물, 잔류 오일, 잔류 소공 형성제 및 저분자량 분획을 함유하는 다공성 구형 수지를 800℃로 가열하여 탄화 처리하여 구형 다공성 탄소재를 수득했다. 이 탄소재를 그 다음 과열 증기 또는 이산화탄소로 활성화시켜 표 1에 제시한 바와 같이 중량 감소 또는 "번오프(burn-off)"를 수득했다.
표 1
Figure 112007076800619-pct00001
수득되는 비드는 코코넛 외피에서 수득된 탄소에 비해 높은 내구성과 매우 작은 마모율을 나타냈다. 특히, 물리적으로 취급할 때, 비드는 문지르면 손에 오염 물이 거의 또는 전혀 없었고, 물리적으로 진탕 시, 먼지 형성이 거의 없었다. 또한, 비드는 우수한 흐름 특징을 나타냈고, 비드의 구형 형태는 탄소재가 쉽게 흐르고 더욱 편평한 힙, 즉 천연 탄소보다 슬럼프각, 즉 안식각이 훨씬 적은 원추 파일 을 형성하게 한다.
비교를 위해 전술한 바와 유사한 기술을 이용하여 2가지 다른 탄소재 시료(비교예 B 및 C)를 표 2에 게재된 성분과 활성화 조건을 이용하여 제조했다. 상업적으로 이용가능한 코코넛 챠콜, 등급 208C 시료도 비교 목적(비교예 A)으로 사용했다.
표 2
비교예 번호 수지 전구물질
소공 형성제 가교제 수지 활성화 조건
B 에틸렌 글리콜 100pbw 헥사민 11pbw 노볼락 J1058F 100pbw 36%(CO2)
C 물 m-아미노-페놀-포름알데하이드 27%(CO2)
A 활성화된 코코넛 챠콜 등급 208C -
도 1 내지 3은 실시예 3 및 9, 비교예 A(코코넛 챠콜)의 다공성 탄소재를 수은 압입법으로 측정했을 때의 소공 크기 분포를 도시한 것이다. 각 그래프에서, 좌측 좌표는 시료 내 수은의 시차 압입량(ml/g)의 로그값(log)을 나타내고, 우측 좌표는 수은의 누적 압입량(ml/g)을 나타내며, 가로좌표는 로그값으로, 5nm 내지 1x106nm 범위에 걸친 소공 크기 직경(nm)을 나타낸다. 각 그래프의 좌측면쪽에 큰 피크는 시료 내 각 입자 사이의 갭으로 압입된 수은에 의한 것이다. 그래프의 우측면쪽의 피크는 미세소공, 중간소공 및 거대소공으로 압입된 수은에 의해 유발된 것이다.
도 4a 내지 도 4k는 질소 흡착법에 의해 측정된 탄소재 시료의 소공 크기 분포를 도시한 것이다. 이 도면들에서, 평균 소공 크기(옹스트롬 단위)는 소공 크기의 로그값에 대한 소공 부피의 차이(dV/dlogR)인, 질소 흡착법에 의해 수득된 미립 자 크기의 소공 수를 나타내는 값에 대하여 가로좌표의 로그 척도로 플롯팅한 것이다.
표 1과 표 2에 기술된 활성화된 다공성 탄소재의 BET 표면적 및 다공도는 표 3에 제시했고, 비교 시료 A, B 및 C의 BET 표면적 및 다공도는 표 4에 제시했다. BET 표면적은 0.07 내지 0.3의 질소 부분압 범위(P/P0N2) 상에서 BET법을 이용하여 계산했다. 질소 흡착 결과를 나타낸 도면들은 상대적 질소압(P/Po) 0.98에서 탄소 시료 1g당, 주위 조건 하에서 흡착되고 해당 온도에서 액체 질소의 비중에 의해 정규화된 질소량(ml)을 도시한 것이다.
표 3
Figure 112007076800619-pct00002
표 4
Figure 112007076800619-pct00003
표 5는 실시예 2, 3, 4, 7, 8, 9, 12 및 13과 비교예 A 및 C의 소공 크기 분포를 상세히 나타낸 것이다.
표 5
Figure 112007076800619-pct00004
상기 표들과 도 1 내지 도 4a-k로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 탄소재는 미세소공, 중간소공 및 때로는 거대소공 범위에 이르는 소공 크기의 분포를 나타낸 다. 거대소공 부피를 측정하는 데에는 질소 흡착법을 사용할 수 없지만, 실시예 8(도 4f), 9(도 4g), 10(도 4e), 12(도 4g) 및 13(도 4f)에서 밝혀진 바와 같이 질소 흡착법에 의한 측정 범위의 상한쪽에 소공 크기 분포 곡선의 양의 기울기로부터 유의적인 거대소공 부피가 존재함을 알 수 있다. 거대소공의 존재는 도 2와 도 3에 도시한 바와 같은 수은 압입법으로 확인할 수 있다.
또한, 질소 흡착 측정으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 기재된 탄소재의 소공 크기 분포의 분명한 최소값은 각 경우마다 2 내지 10nm 범위이다. 이 범위에서, 중간소공은 중간소공과 미세소공 부피합의 20% 미만, 일반적으로 15% 미만, 더욱 흔하게는 부피합의 10% 미만이다.
담배 연기에 대한 실시예에 기재된 탄소재의 효과는 US 블렌드형 담배의 종이에 싸인 막대와 이 막대에 팁핑지에 의해 연결된 길이 27mm의 연기 필터를 함유하는 표준 궐련을 제조하여 검사했다. 각 필터는 2개의 셀룰로스 아세테이트 플러그와 이 플러그 사이에 탄소재 시료 60mg을 함유하는 3 내지 5mm 공동으로 구성되어 있으며, 공동의 길이는 시료를 충분히 담을 수 있는 길이로 조정 가능하다. 이 궐련을 ISO 표준 흡연 섭생에 따라 통상적인 궐련 흡연 엔진에서 팁핑지 말단에서 3mm 내까지 피웠다. 각 궐련의 총 주류 연기를, 완충액으로 안정화시킨 2,4-디니트로페닐 하이드라진에 잡아 넣고, 자외선 검출 시스템을 구비한 액체 크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 알데하이드성 성분을 분석하여 휘발성 카르보닐 화합물의 농도를 측정했다. 연기의 기체 상 성분의 농도는 주류 연기를 44mm 캠브리지 필터 패드를 통해 통과시켜 미립자 물질을 제거한 다음, 연기의 기체 상을 3l Tedlar 백에 수집한 뒤, GCMS로 그 기체를 분석하여 측정했다. 연기에 존재하는 시안화수소(HCN)의 농도는 수산화나트륨 수용액에 주류 연기 전체를 잡아 넣고, 그 용액을 연속 흐름 분석으로 처리하여 측정했다. 각 검사는 4가지 시료를 가지고 반복했고, 각 경우마다 평균을 계산했다. 각 시료마다, 비교 검사로서, 동일한 필터와 4mm 길이의 빈 공동을 보유하는 궐련 및 공동에 코코넛 챠콜 60mg을 함유하는 시료를 포함하는 대조용 시료를 이용하여 수행했다.
표 6은 1,3-부타디엔과 시안화수소(HCN)의 분석 결과를 정리한 것이다. 코코넛 챠콜과 관련하여 성능을 편리하게 비교하기 위해, 각 시료의 결과를 코코넛 챠콜의 결과에 대해 정규화했다. 정규화된 데이터는 도 5와 6에 플롯팅했다. 도 5와 6은 비교예 A의 코코넛 챠콜에 대해 정규화된 1,3-부타디엔과 HCN 감소 백분율을 중간소공과 미세소공의 총 부피합 및 미세소공 부피%에 대해 각각 플롯팅한 산점도(scatter plot)이다.
표 6
Figure 112007076800619-pct00005
상기 데이터와 도 5 및 도 6으로부터 알 수 있듯이, 코코넛 챠콜보다 중간소공 부피의 비율 및 총 소공 부피가 큰 본 발명의 탄소재는 담배 연기로부터 HCN 및 특히 1,3-부타디엔의 흡착 면에서 유의적으로 우수한 성능을 나타냈다.
검사된 탄소재는 비교예 A, B 및 C에 비해 아크레올린, 프로프리온알데하이드, 크로톤알데하이드, 메틸-에틸 케톤 및 부티르알데하이드에 대한 유사한 흡착 특징을 나타냈다.
표 7은 미세비드 형태의 본 발명에 따른 탄소재의 다른 5가지 실시예(실시예 14 내지 18) 및 동일한 입자 크기 범위의 같은 미세비드 형태인 2가지 비교예(비교예 D 및 E)의 성질을 정리한 것이다. 모든 비드의 입자 크기는 250 내지 500 미크 론 범위이다.
실시예 14의 탄소재는 비교예 C의 탄소재와 유사한 것으로, 소공 형성제로서 물의 존재 하에 m-아미노-페놀과 포름알데하이드를 중합시켜 수득한 수지(MAP)로 제조하지만, 표면적을 더 높이기 위해 비드를 이산화탄소로 더욱 활성화시켰다. 이러한 시료의 중간소공은 중간소공과 미세소공의 부피 합의 비교적 작은 비율인 한편, 그 부피 밀도 역시 작은 바, 유의적인 소공 부피가 질소 흡착법에 의해 검출되지 않는 작은 거대소공에 존재한다는 것을 시사한다.
실시예 15의 탄소재는 시중에서 입수용이한 스티렌과 디비닐 피롤리돈(SDP)의 중합체를 탄화 처리하고, 이산화탄소 중에서 활성화시켜 제조했다.
실시예 16의 탄소재는 어떠한 추가 가교제 없이 소공 형성제로서 200bpw 에틸렌 글리콜의 존재 하에 포름알데하이드와 페놀 100pbw를 중합시켜 수득한 페놀-포름알데하이드 수지(PF)로 제조했다. 수득되는 중합체는 세척, 탄화 처리 및 이산화탄소에서 활성화시켜 40% 번오프를 수득했다.
실시예 17의 탄소재는 175pbw 에틸렌 글리콜을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 16과 유사한 방식으로 수득한 페놀 포름알데하이드(PF) 수지로 제조하고 추가 세척 및 이산화탄소 활성화 처리하여 36%의 번오프를 수득했다.
실시예 18의 탄소재는 150pbw 에틸렌 글리콜을 사용하여 실시예 17과 유사한 방식으로 수득한 페놀 포름알데하이드(PF) 수지로 제조했다. 실시예 14의 탄소재와 같이, 중간소공은 이 시료의 중간소공과 미세소공의 부피 합의 비교적 낮은 비율을 차지하지만, 그 부피 밀도도 작은 바, 유의적인 소공 부피가 질소 흡착법에 의해 검출되지 않는 작은 거대소공에 존재한다는 것을 시사했다.
비교예 D의 탄소재는 실시예 15에서 사용된 것과 유사한 스티렌 비닐 피롤리덴 중합체를 사용하여 제조했다. 수득되는 탄소재는 미세소공 및 중간소공의 부피 합이 작았고, 밀도는 비교적 높았다.
비교예 E의 탄소재는 실시예 17과 유사한 방식으로 수득한 페놀-포름알데하이드 수지를 이용하여 제조했다. 수득되는 탄소재는 중간소공 부피의 비율이 낮았고, 밀도는 높았다.
담배 연기의 포름알데하이드, 아세트알데하이드, 1,3-부타디엔 및 HCN 성분을 감소시키는 탄소재의 성능은 앞에서 설명한 바와 같은 검사 절차를 이용하여 검사했다. 그 결과는 표 7에 정리했다. 성능은 담배 연기 코코넛 외피 탄소를 이용하여 측정한 피분석물의 감소율%에 대하여 정규화된, 담배 연기에 존재하는 피분석물의 감소율%로서 평가했다.
그 결과, 본 발명에 따른 탄소재는 검사된 연기 피분석물 4가지 중 3가지 이상의 제거에 있어서 코코넛 외피 탄소에 비해 우수한 성능을 나타내고, 비교예는 4가지 피분석물 모두에 대해서 코코넛 외피 탄소보다 열등한 성능을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
표 7
Figure 112007076800619-pct00006
이제, 본 발명에 따른 흡연 물품 및 연기 필터의 구체예를 도 7과 8을 참고로 하여 예시적으로 설명할 것이다. 도 7은 본 발명에 따른 연기 필터를 보유한 흡연 물품을 부분적으로 파쇄된, 부분적 종축 횡단면의 측면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 대안적 연기 필터를 보유한 흡연 물품의 도 6과 유사한 측면도이다.
이 도면들은 일정비율로 도시하지는 않았지만, 유사한 특징은 같은 참조 부호로 표시했다.
이 도면들을 살펴보면, 도 7과 8은 팁핑지(4)에 의해 연기 필터(3)에 부착된 랩퍼(2)에 싸인 담배 막대(1)를 보유한 궐련 형태의 흡연 물품을 도시한 것이다. 분명하게 나타내기 위해 팁핑지(4)는 랩퍼(2)로부터 이격시켜 도시했지만, 실제는 밀착되어 있다.
도 7에서, 연기 필터(3)는 2개의 원통형 필터 부재(3a) 및 (3b)를 함유한다. 필터의 구강쪽 말단인 제1 필터 부재(3a)는 길이가 15mm이고, 이 길이를 따라 25mm 수면계 압력 강하가 있는, 트리아세틴 가소제 7중량%가 함침된 셀룰로스 아세테이트 토우로 구성되었다. 막대(1)에 인접 위치한 제2 필터 부재(3b)는 길이가 12mm이고, 이 길이를 따라 90mm 수면계 압력 강하가 있는, 트리아세틴 4중량%가 함침된 80mg 셀룰로스 아세테이트 토우를 함유하며, 이의 체적을 통해 본 발명에 따른 활성화된 다공성 탄소재 30mg이 "달마시안" 형으로 균일하게 분포되어 있다.
도 8에 도시된 궐련은 연기 필터(3)가 3개의 동축 원통형 필터 부재(3a, 3b 및 3c)를 보유하는 것을 제외하고는 도 7과 유사하다. 궐련의 구강쪽 말단의 제1 필터 부재(3a)는 길이가 10mm이고, 트리아세틴 가소제 7중량%가 함침되어 있는 셀룰로스 아세테이트 토우로 구성되어 있다. 제1 필터 부재(3a) 옆에 위치한 제2 필터 부재(3b)는 본 발명에 따른 활성화된 다공성 탄소재 100mg을 함유하는 7mm 길이의 공동이다. 제2 필터 부재(3b)에 인접한 제3 필터 부재(3c)는 길이가 10mm이고, 트리아세틴 7중량%가 함침되어 있는 셀룰로스 아세테이트 토우를 함유한다. 제2 필터 부재(3b)에 인접한 제3 필터 부재(3c)는 길이가 10mm이고 트리아세틴 7중량%가 함침된 셀룰로스 아세테이트 토우를 함유한다. 연기가 궐련을 통해 흡입될 때 제3 필터 부재(3c)와 연접된 하류 약 3mm의 제2 필터 부재(3b)로 공기를 전달하는 통기 구멍(5)의 고리가 방사면 A-A의 팁핑지(4)에 형성되어 있다.
정리하면, 실시예들은 중간소공과 미세소공을 포함하는 소공 구조와 BET 표면적이 800㎡/g 이상인 궐련의 연기 필터에 포함시키기에 적합한 다공성 탄소재를 제공한다. 소공 부피(질소 흡착법으로 측정했을 때)는 0.9㎤/g 이상이고, 이 소공 부피의 15 내지 65%가 중간소공이다. 탄소재의 소공 구조는 일반적으로 0.5g/cc 미만인 부피 밀도를 제공한다. 탄소재는 유기 수지의 탄화 처리 및 활성화를 통해 제조할 수 있고 취급 용이성을 위해 비드 형태일 수 있다.
본 발명의 다양한 변경과 변형은 본 발명의 범주와 취지 안에서 당업자에게 명백한 것이다. 본 발명은 바람직한 특정 양태들에 관해 기술하였지만, 권리주장되는 본 발명은 그러한 특정 양태들에만 제한되는 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다. 실제, 당업자에게 자명한 본 발명을 수행하는 게재된 방식의 다양한 변경은 이하 청구의 범위 안에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (37)

  1. BET 표면적이 800㎡/g 이상이고,
    중간소공(mesopore) 및 미세소공(micropore)을 포함하는 소공 구조를 보유하며,
    소공 부피(질소 흡착법으로 측정 시)가 0.9㎤/g 이상인
    다공성 탄소재를 포함하는, 흡연 물품용 흡연 필터로서,
    i) 상기 다공성 탄소재는 부피 밀도(bulk density)가 0.5g/cc 이하이거나,
    ii) 상기 다공성 탄소재의 소공 부피(질소 흡착법으로 측정 시)의 15 내지 65%가 중간소공이거나,
    iii) 상기 다공성 탄소재는 부피 밀도가 0.5g/cc 이하이고, 상기 다공성 탄소재의 소공 부피(질소 흡착법으로 측정 시)의 15 내지 65%가 중간소공인,
    흡연 물품용 흡연 필터.
  2. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재의 소공 부피는 질소 흡착법으로 측정 시 30 내지 65%가 중간소공인 것이 특징인 흡연 필터.
  3. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재의 소공 부피의 20% 미만이 직경 2 내지 10nm 범위의 소공인 것이 특징인 흡연 필터.
  4. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재는 BET 표면적이 900 내지 1300㎡/g인 것이 특징인 흡연 필터.
  5. 제4항에 있어서, 다공성 탄소재는 BET 표면적이 1000 내지 1250㎡/g인 것이 특징인 흡연 필터.
  6. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재의 중간소공 및 미세소공의 소공 부피는 1.1 내지 2㎤/g 인 것이 특징인 흡연 필터.
  7. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재의 소공 부피의 35 내지 55%가 중간소공인 것이 특징인 흡연 필터.
  8. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재는 미세비드(microbeads) 형태인 것이 특징인 흡연 필터.
  9. 제8항에 있어서, 다공성 탄소재는 평균 입자 크기가 50 내지 700 미크론 범위인 것이 특징인 흡연 필터.
  10. 제9항에 있어서, 다공성 탄소재는 평균 입자 크기가 150 내지 500 미크론 범위인 것이 특징인 흡연 필터.
  11. 제8항에 있어서, 다공성 탄소재는 D90/D10 입자 크기 분포가 10 이상이고, 상기 D90/D10은 시료 내 입자 크기 분포에서 10 백분위수(D10)에 대한 90 백분위수(D90)의 비인 것이 특징인 흡연 필터.
  12. 제8항에 있어서, 다공성 탄소재는 10미크론보다 작은 입자가 없는 것이 특징인 흡연 필터.
  13. 제1항에 있어서, 다공성 탄소재는 탄화 처리된 유기 수지로 구성된 것인 특징인 흡연 필터.
  14. 제13항에 있어서, 유기 수지가 질소를 함유하는 것이 특징인 흡연 필터.
  15. 제13항에 있어서, 유기 수지가 소공 형성제의 존재 하에 친전자성 가교제로 친핵성 성분을 축합시켜 생산된 것이 특징인 흡연 필터.
  16. 제15항에 있어서, (a) 친핵성 성분 또는 가교제가 유기 질소 화합물이거나,
    (b) 친핵성 성분가 노볼락 수지이거나,
    (c) 가교제가 헥사메틸렌 테트라민을 포함하거나,
    (d) 소공 형성제가 에틸렌 글리콜을 포함하는 것이 특징인 흡연 필터.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 흡연 필터를 포함하는 흡연 물품.
  18. BET 표면적이 800㎡/g 이상이고,
    중간소공(mesopore) 및 미세소공(micropore)을 포함하는 소공 구조를 보유하며,
    소공 부피(질소 흡착법으로 측정 시)가 0.9㎤/g 이상이고,
    소공 부피(질소 흡착법으로 측정 시)의 15 내지 65%가 중간소공인
    연기 필터용 다공성 탄소재로서,
    i) 상기 다공성 탄소재는 그 평균 입자 크기가 50 내지 1000 미크론 범위의 형태를 갖거나,
    ii) 상기 다공성 탄소재는 모놀리식 구조인,
    다공성 탄소재.
  19. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 모놀리식 구조를 가지며,
    연기가 다공성 탄소재와 접촉하도록 하면서 연기의 집단 흐름을 통과시키는 축 통로를 보유한 원통형 필터 부재의 형태를 갖는 다공성 탄소재.
  20. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재의 소공 부피는 질소 흡착법으로 측정 시 1.0㎤/g 이상이고, 30 내지 65%가 중간소공인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  21. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재의 소공 부피의 20% 미만이 직경 2 내지 10nm 범위의 소공인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  22. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 부피 밀도(bulk density)가 0.5g/cc 미만인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  23. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 BET 표면적이 900 내지 1300㎡/g인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  24. 제23항에 있어서, 다공성 탄소재는 BET 표면적이 1000 내지 1250㎡/g인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  25. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재의 중간소공 및 미세소공의 소공 부피는 1.1 내지 2㎤/g 인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  26. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재의 소공 부피의 35 내지 55%가 중간소공인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  27. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 미세비드(microbeads) 형태인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  28. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 평균 입자 크기가 50 내지 1000 미크론 범위인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  29. 제28항에 있어서, 다공성 탄소재는 평균 입자 크기가 150 내지 500 미크론 범위인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  30. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 D90/D10 입자 크기 분포가 10 이상이고, 상기 D90/D10은 시료 내 입자 크기 분포에서 10 백분위수(D10)에 대한 90 백분위수(D90)의 비인 것이 특징인 다공성 탄소재.
  31. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 10미크론보다 작은 입자가 없는 것이 특징인 다공성 탄소재.
  32. 제18항에 있어서, 다공성 탄소재는 탄화 처리된 유기 수지로 구성된 것인 특징인 다공성 탄소재.
  33. 제32항에 있어서, 유기 수지가 질소를 함유하는 것이 특징인 다공성 탄소재.
  34. 제32항에 있어서, 유기 수지가 소공 형성제의 존재 하에 친전자성 가교제로 친핵성 성분을 축합시켜 생산된 것이 특징인 다공성 탄소재.
  35. 제34항에 있어서, (a) 친핵성 성분 또는 가교제가 유기 질소 화합물이거나,
    (b) 친핵성 성분가 노볼락 수지이거나,
    (c) 가교제가 헥사메틸렌 테트라민을 포함하거나,
    (d) 소공 형성제가 에틸렌 글리콜을 포함하는 것이 특징인 다공성 탄소재.
  36. 제18항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 다공성 탄소재 및 흡연재를 포함하는 흡연 물품.
  37. 제36항에 있어서, 흡연 물품은 흡연재의 막대 및 흡연 필터를 포함하고, 다공성 탄소재가 상기 흡연 필터 내로 삽입되는 것이 특징인, 흡연 물품.
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