KR20040097340A - 활성 탄소 섬유 궐련 필터 - Google Patents

활성 탄소 섬유 궐련 필터 Download PDF

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KR20040097340A
KR20040097340A KR10-2004-7016245A KR20047016245A KR20040097340A KR 20040097340 A KR20040097340 A KR 20040097340A KR 20047016245 A KR20047016245 A KR 20047016245A KR 20040097340 A KR20040097340 A KR 20040097340A
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activated carbon
cigarette
filter
carbon fiber
carbon fibers
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릭신 쉬에
호세.쥐 네포뮤세노
슈쫑 쭈앙
티모씨 스코트 셔우드
존 브라이언트 3세 파인
제이 에이. 푸르니에
챨스 에드윈 쥬니어 토마스
켄트 브라이언 콜러
리퀸 유
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필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 주류 궐련 연기가 필터를 통하여 빨아들여질때 상기 연기로부터 기체상 구성성분들을 제거하기 위한 궐련 필터로, 주로 활성 탄소 섬유의 묶음을 포함하는 활성 탄소 섬유 필터부를 포함하는 궐련 필터에 관한 것이다. 과립, 구슬 또는 코스 분말과 같은 미립자 흡착제 물질은 기체상 구성성분들의 제거를 돕기 위하여 활성 탄소 섬유 사이에 분산될 수 있다. 또한, 활성 탄소 섬유 필터부는 별도의 베드 또는 미립자 흡착제 물질의 베드와 조합하여 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 활성 탄소 섬유는 활성 탄소 섬유 필터부 내의 나사산이 내어진 막대의 외부 상의 나선 홈 내에 위치된다. 상대적으로 더 적은 양의 활성 탄소 섬유는 더 많은 양의 미립자 흡착제 물질과 동일한 연기 구성성분의 감소를 달성한다.

Description

활성 탄소 섬유 궐련 필터{Activated Carbon Fiber Cigarette Filter}
흡착 및 분리를 위한 활성 탄소 필터가 궐련 필터 구조물에 사용되어 왔다. 과립형 활성 탄소가 플러그-스페이스-플러그 필터 배열에 사용될 때, 예를 들면 연기가 활성 탄소 베드를 우회하도록 탄소 충진된 베드가 개방 공간을 남겨 두지 않음을 보장하기 위하여 많은 관심이 기울여져야만 한다.
과거에는 과립형의 활성 탄소가 궐련 연기 내 기체상 성분을 제거하기 위하여 이용되어 왔다. 이러한 방법에서, 주류 연기는 제거될 성분을 흡착하기 위한 과립형 활성 탄소의 베드와 접촉된다. 이러한 방법의 제거 효율은 흡착제 베드의 흡착능에 의하여 전형적으로 제한되는데, 이는 연기 흐름에 접근가능한 미세공 영역의 세공 총 표면적과 용적으로 표시된다. 통상적으로, 미세공은 20 옹스트롬 미만의 넓이를 갖는 세공으로 정의된다. 이러한 방법에 의한 제거 효율은 과립형 베드를 통하여 우회하는 상기한 현상에 의하여도 제한되는 반면, 연기 흐름은 효율적인 양의 전달을 위하여 흡착제와 충분히 접촉되지 않고 베드를 통과한다. 후자 형태의 한계로 인한 효율의 손실을 방지하기 위한 전형적인 해법은 우회를 통한 효율 손실을 보상하는 흡착제 물질의 과잉량 및 풍부한 양을 갖는 필터를 만드는 것이다. 최소화된 채널을 갖는 흡착제의 "고정화 베드"를 보장하기 위하여 100% 충진(fill)이 요구되기 때문에 궐련 필터 내의 공동에 삽입된 성긴(loose) 과립형의 활성 탄소 베드가 우회되기 쉽다. 이러한 100% 충진은 고속 제조기를 사용하는 균일한 기초 상에서는 얻어지기 힘들다. 베드를 통한 연기의 우회를 피하기 위한 다른 전형적인 해법은 흡착제와 흡착질의 내부 접촉을 보장하기 위하여 작은 직경을 갖는 미립자를 사용하는 것이다; 그러나, 이러한 해법은 전형적으로 필터를 통한 바람직하지 못한 높은 압력 강하를 이끈다.
활성 탄소, 제올라이트, 실리카겔, 및 3-아미노프로필실릴 치환된 실리카겔 (APS 실리카겔)과 같은 흡착제 물질은 궐련 연기로부터 기체상 성분을 제거할 수 있는 다공성 재료이다. 대부분의 상업적으로 이용가능한 흡착제 물질은 과립형이거나 분말형이다. 과립형 재료는 제조 공정 후 응결화때문에 궐련 필터에 디자인하거나 수행하기에 어려움이 있는 반면, 분말형의 재료는 지나치게 높은 압력 강하로 실용화가 어렵다.
주름진 셀룰로오스 아세테이트 토우(tow) 만을 사용하여 제조된 궐련 필터는 포름알데히드, 아세트알데히드, 아크롤레인, 1,3-부타디엔, 및 벤젠과 같은 연기 기체상 성분을 감소시키는 활성이 부족하다. 궐련 연기로부터 기체상 성분을 제거할 수 있는 활성 탄소, 제올라이트, 실리카겔, 및 APS 실리카겔과 같은 흡착제 물질은 플러그 제조 공정 동안 셀룰로오스 아세테이트 토우의 필라멘트 사이에 침전될 수 있다. 그러나, 상기 공정에서 흔히 사용되는 (트리아세틴과 같은) 가소제는 내포된 흡착제의 활성을 감소시키는 경향이 있다. 궐련 필터 내에 흡착제 물질을 포함하는 다른 방법은 플러그-스페이스-플러그(plug-space-plug) 배열 내 셀룰로오스 아세테이트 플러그 사이에 끼워넣은 과립을 포함한다. 높은 빨아들임 내성(resistance-to-draw, RTD)을 피하기 위하여, 더 큰 과립만이 사용된다.
미국특허 제6,257,242호는 공기 또는 연기의 증기상 성분을 감소시키거나 줄이기 위한 필터 원소를 개시한다. 제1 필터부는 활성 탄소 천을 포함하는 반면, 제2 필터부는 촉매적으로 활성화된 탄소와 코코넛 활성 탄소의 혼합물을 함유한다. 직물과 부직포 탄소천은 주류 연기의 방향성 흐름을 가로지르는 섬유를 포함하므로, 흡착 목적용 탄소가 덜 효율적으로 사용되게 된다.
본 발명은 활성 탄소 섬유를 포함하는 궐련 필터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 활성 탄소 섬유에 의한 기체상 성분의 흡착을 통하여 주류(mainstream) 담배 연기로부터 기체상 성분들을 제거하기 위하여 내부에 삽입된 특정 흡착제를 가지거나 가지지 않는 활성 탄소 섬유의 묶음을 포함하는 궐련 필터에 관한 것이다.
상기한 바와 함께 본 발명의 신규한 특징 및 장점이 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이며, 도면 중 유사하게 참조된 문자는 유사한 부분을 말한다.
도 1은 내부 세부 사항을 도시하기 위하여 절단된 부분을 갖는 본 발명에 따른 궐련과 필터의 측면도이며;
도 2는 내부 세부 사항을 도시하기 위하여 절단된 부분을 갖는 본 발명에 따른 다른 궐련과 필터의 측면도이며;
도 3은 본 발명에 따른 필터의 일부를 포함하는 탄소를 나타내는 다른 궐련 필터의 종단면도이며;
도 4는 본 발명에 따른 필터의 일부를 포함하는 탄소를 나타내는 또 다른 궐련 필터의 종단면도이며;
도 5는 본 발명에 따른 필터의 일부를 포함하는 탄소를 나타내는 다른 궐련 필터의 단면도이며;
도 6은 본 발명에 따른 내부에 삽입된 과립형 흡착제 물질을 가지거나 가지지 않은 조밀하게 채워진 탄소 섬유의 묶음을 포함하는 궐련 필터를 제조하는 공정을 도시한 개략도이며;
도 7은 내부 세부 사항을 도시하기 위하여 절단된 부분을 갖는 본 발명에 따른 다른 궐련과 필터의 측면도이며;
도 8은 도 7에 나타난 궐련 필터의 나삿니가 형성된 막대의 분해 단면도이다.
발명의 상세한 설명
도면을 보다 상세하게 설명하면, 도 1은 활성 탄소 필터 섬유부(16)와 셀룰로오스 아세테이트 필터부(18)를 포함하는 필터 구조체(14)와 담배 막대(12)를 포함하는 본 발명에 따른 궐련(10)을 도시한다. 티핑 페이퍼(tipping paper, 20)는필터 구조체(14)와 인접한 담배 막대(12)의 일부 주위를 둘러싸서 담배 막대와 필터 구조체를 함께 결합한다. 티핑 페이퍼는 연기가 필터를 통하여 빨려질 때, 주류 담배 연기로 공기를 유입하기 위한 통풍 구멍(22)을 갖는다. 통풍 구멍의 수와 위치는 최종 생성물에서 원하는 수행 특성에 따라 달라질 수 있다.
활성 탄소 섬유 필터부(16)는 궐련 연기 내 기체상 성분을 제거하기 위하여 작용하는 고도로 활성화된 탄소 섬유의 묶음(24)을 포함한다. 상기 필터는 약 1000 내지 3000 ㎡/g의 표면적, 약 0.30 내지 0.80 cc/g의 미세공 용적, 및 5 내지 100 마이크론(㎛), 바람직하기는 5 내지 50 마이크론의 섬유 직경을 갖는다.
미국특허 제4,497,789호 및 제5,614,164호는 이러한 탄소 섬유의 생산을 위한 방법과 탄소 섬유를 개시한다. 적절한 활성화 후, 이러한 형태의 탄소 섬유는 필터부(16)을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 상기한 두 특허는 모든 유용한 목적을 위하여 본 명세서에 참조된다.
필터부(16)는 유용한 양의 전달과 흡착을 위한 섬유의 활성 부위를 통하여 들어오는 궐련 연기의 통과를 위한 구부러진 통로를 제공하는, 일반적으로 서로에 나란히 정렬되어 묶여진 탄소 섬유(24)의 실린더를 포함하는 막대와 같은 형상을 갖는다. 담배 연기의 역 우회는 섬유(16)를 통하여 필터 내 개방 공간을 방지함으로써 최소화되며, 필터를 가로지르는 과도하게 높은 압력강하는 섬유의 충진 밀도를 조절함으로써 방지될 수 있다. 결과적으로, 기체상 성분 제거의 효율이 향상되고, 상기 필터가 사용되면 미립자 활성 탄소가 동일한 제거 효율을 달성하기 위하여 사용될 경우 요구되는 것보다 더 작은 양의 흡착제 물질이 요구된다.
상기 필터 구조체의 대체물로서, 활성 탄소 섬유(24)가 예를 들어 셀룰로오스 아세테이트 섬유와 같은 다른 여과 섬유와 혼합될 수 있다. 따라서, 활성 탄소 섬유 필터부(16)는 탄소 섬유(24)와 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 혼합물이 될 수 있다. 혼합된 섬유의 비는 기체상과 전체 미립 물질(TPM) 양자를 제거하기 위하여 원하는 효율에 의하여 결정될 수 있다.
결국, 궐련(10)과 상기한 대체물의 장점은 미립자 흡착제의 유사한 양에 비하여 기체상 성분의 고효율 제거를 포함한다. 또한, 활성 탄소 섬유(24)는 비-기체상 TPM의 일부를 밀착시켜 제거함으로써, 요구되는 셀룰로오스 아세테이트의 양을 감소시킨다. 전형적으로, 셀룰로오스 아세테이트는 TPM의 제거를 위하여 필터 구조체에 사용된다. 결과적으로 전체 필터 구조체가 차지하는 궐련의 공간이 작아진다.
궐련 연기 내 기체상 성분 제거의 상대적 효율을 나타내는 실험 자료가 하기 표 1에 기재된다. 이들 실험에서, 활성 탄소 섬유의 66mg을 사용한 것 대 과립상 활성 탄소의 180mg을 사용한 것의 결과를 비교하여 기체상 제거 효율이 궐련 상에서 퍼프-바이-퍼프 기초(puff-by-puff basis)로 측정되었다. 결과는 유사한 결과를 얻기 위하여 특별히 높은 효율을 갖는 과립화된 활성 탄소가 요구되는 양의 약 1/3을 사용하는 동안 기체상 성분이 활성 탄소 섬유에 상응한 정도로 효율적으로 흡착된다는 것을 나타낸다. 활성 탄소 섬유를 사용하는 데 있어 빠른 동역학이 실험의 첫 5 또는 6 퍼프에서 이들의 우수한 성과에서 전적으로 입증된다. 데이타는 활성 탄소 섬유 66mg을 사용하는 나중의 퍼프에서 상대적 감소율이 떨어지는 지점에서 돌출(break-through) 출발점의 증거를 나타낸다.
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
포름알데히드 퍼프 1 58 47 52 4 5 4 5 5 5
포름알데히드 퍼프 2 16 20 18 3 3 3 5 4 4
포름알데히드 퍼프 3 6 6 6 2 2 2 4 4 4
포름알데히드 퍼프 4 3 5 4 2 2 2 4 4 4
포름알데히드 퍼프 5 2 3 3 1 2 2 2 3 3
포름알데히드 퍼프 6 2 2 2 3 1 2 3 4 4
포름알데히드 퍼프 7 2 2 2 3 2 2 2 4 3
포름알데히드 퍼프 8 2 1 2 2 2 2 2 5 3
대조군 대비총 송출율 % 90 86 88 20 19 20 27 34 30
* 켄터키 대학에서 제조되고, 담배 공장에서 대조군으로 널리 사용됨.
** 스페이스는 활성 탄소 입자 180mg으로 실질적으로 100% 충진되고, 대부분의 상업적으로 이용가능한 기계가 100% 활성 탄소 입자 필(fill)을 일상적으로 달성하지 못하기 때문에 활성 탄소 섬유의 이로운 결과는 훨씬 더 크다.
비고: CARBOFLEXTM활성 탄소 섬유가 0.45㎤/g의 미세공 용적와 1300㎡/g의 BET 표면적을 갖는 반면, 피카 활성 탄소 과립은 0.52㎤/g의 미세공 용적와 1600㎡/g의 BET 표면적을 갖는다.
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
아크롤레인 퍼프 1 3 3 3 0 0 0 0 0 0
아크롤레인 퍼프 2 7 7 7 0 0 0 0 0 0
아크롤레인 퍼프 3 8 9 9 0 0 0 0 0 0
아크롤레인 퍼프 4 9 10 10 0 0 0 0 0 0
아크롤레인 퍼프 5 8 10 9 2 1 1 0 0 0
아크롤레인 퍼프 6 13 13 13 4 2 3 0 0 0
아크롤레인 퍼프 7 14 14 14 1 1 1 0 0 0
아크롤레인 퍼프 8 18 16 17 3 3 3 0 0 0
대조군 대비총 송출율 % 82 82 82 10 7 8 0 0 0
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
아세트알데히드 퍼프 1 3 2 2 0 0 0 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 2 6 4 5 0 0 0 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 3 11 7 9 2 0 1 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 4 11 8 9 0 0 0 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 5 12 8 10 0 0 0 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 6 15 11 13 1 1 1 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 7 16 16 16 4 3 4 0 0 0
아세트알데히드 퍼프 8 18 19 19 12 12 12 1 0 0
대조군 대비총 송출율 % 91 76 83 19 16 18 2 0 1
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
1,3-부타디엔 퍼프 1 12 11 12 0 0 0 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 2 14 14 14 0 0 0 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 3 11 10 10 0 0 0 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 4 10 8 9 0 0 0 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 5 10 8 9 0 0 0 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 6 11 10 11 1 0 0 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 7 12 12 12 3 2 3 0 0 0
1,3-부타디엔 퍼프 8 13 12 12 7 6 6 0 0 0
대조군 대비총 송출율 % 93 84 88 12 8 10 1 0 0
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
이소프렌 퍼프 1 7 10 9 1 0 0 0 0 0
이소프렌 퍼프 2 11 14 12 0 0 0 0 0 0
이소프렌 퍼프 3 12 12 12 0 0 0 0 0 0
이소프렌 퍼프 4 14 10 12 0 0 0 0 0 0
이소프렌 퍼프 5 12 8 10 0 0 0 0 0 0
이소프렌 퍼프 6 12 10 11 1 0 0 0 0 0
이소프렌 퍼프 7 14 15 15 3 1 2 0 0 0
이소프렌 퍼프 8 15 17 16 5 4 5 0 0 0
대조군 대비총 송출율 % 98 95 97 10 6 8 1 0 1
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
벤젠 퍼프 1 10 8 9 0 0 0 0 0 0
벤젠 퍼프 2 13 12 13 0 0 0 0 0 0
벤젠 퍼프 3 12 11 12 0 0 0 0 0 0
벤젠 퍼프 4 12 10 11 0 0 0 0 0 0
벤젠 퍼프 5 13 9 11 0 0 0 0 0 0
벤젠 퍼프 6 13 12 12 0 0 0 0 0 0
벤젠 퍼프 7 13 14 14 1 1 1 0 0 0
벤젠 퍼프 8 14 15 14 3 2 2 0 0 0
대조군 대비총 송출율 % 100 91 96 6 3 5 1 0 1
성분, 퍼프 # 대조군 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
톨루엔 퍼프 1 3 2 3 1 0 0 0 0 0
톨루엔 퍼프 2 9 8 8 0 0 0 0 0 0
톨루엔 퍼프 3 12 10 11 0 0 0 0 0 0
톨루엔 퍼프 4 13 12 12 0 0 0 0 0 0
톨루엔 퍼프 5 15 11 13 0 0 0 0 0 0
톨루엔 퍼프 6 16 15 15 0 0 0 0 0 0
톨루엔 퍼프 7 17 18 17 1 0 1 0 0 0
톨루엔 퍼프 8 21 20 20 2 1 2 0 0 0
대조군 대비총 송출율 % 106 95 101 5 2 4 1 1 1
성분, 퍼프 # 대조구 궐련(탄소없음)1R4F* 20mm 필터길이에 활성탄소섬유 66mg을 갖는 궐련(CARBOFLEXTM활성탄소섬유) 플러그-스페이스-플러그 필터**에 피카 활성 탄소 과립 180mg을 갖는 궐련
시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균 시행 1 시행 2 평균
케텐 퍼프 1 105 90 97 10 6 8 19 1 10
케텐 퍼프 2 12 12 12 0 0 0 1 2 2
케텐 퍼프 3 0 0 0 0 0 0 2 0 1
케텐 퍼프 4 0 0 0 0 0 0 2 0 1
케텐 퍼프 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0
케텐 퍼프 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0
케텐 퍼프 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0
케텐 퍼프 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0
대조군 대비총 송출율 % 117 102 109 11 6 8 25 4 14
도 2는 도 1의 궐련(10)과 유사한 본 발명에 따른 다른 궐련(30)을 도시하고 있으며, 유사한 참조 부호는 유사한 성분을 나타내기 위하여 사용된다. 궐련(30)의 다른 현저한 특징은 활성 탄소 섬유 필터부(16)와 셀룰로오스 아세테이트 필터부(18)의 위치가 역전된 것이다. 궐련(30)에서, 탄소 섬유(24)는 셀룰로오스 아세테이트(18)의 하류에 있다. 필요하다면, 구강쪽 말단 셀룰로오스 아세테이트 플러그가 포함될 수 있다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적 중 하나는 주류 궐련 연기로부터 기체상 성분을 능률적으로 그리고 매우 효과적으로 제거하기 위한 활성 탄소 섬유를 포함하는 궐련 필터를 제공하는 것이다.
주류 연기로부터 기체상 성분을 감소시키기 위한 궐련 필터는 예를 들어, 담배 컬럼의 직경과 실질적으로 조화되는 직경에서 다공성이거나 비다공성인 프러그랩에 의하여 원통형으로 묶어지는 활성 탄소 섬유 묶음을 포함한다. 이러한 디자인에서 사용되는 활성 탄소 섬유의 한 형태는 그램당 약 1000 내지 3000 제곱미터의 명목상 BET 표면적, 약 0.30 내지 0.80 cc/g의 미세공 용적, 및 5 내지 100 마이크론의 섬유 직경을 갖는 등방성 피치-유도된 미세공 탄소 섬유이다. 이들 활성 탄소 섬유가 높은 정도의 로프트(loft)를 일반적으로 가지기 때문에, 섬유 묶음은 “고정화된 베드” 단일 결정 구조를 갖는 침투성 필터 매질을 형성하기 위하여 그 외피를 거슬러 충분한 외향력을 미친다. 단위 길이 당 활성 탄소 섬유의 적정 중량은 기체상 성분의 제거에 있어 낮은 효율 및 우회를 일으키게 되는 매질을 통하여 충분히 큰 개방 공간을 남겨두는 일 없이 그리고 단위 길이 당 원하는 압력 강하를 제공하기 위하여 선택된다.
또한, 이들 필터를 제조하는 공정에서, 부직포 또는 연속적 섬유상 묶음 중 하나의 웹으로 수용된 활성 탄소 섬유는 모여져 튜브형 묶음으로 형성되고, 침투 가능하거나 침투 불가능한 랩 중 하나로 포장되어 활성 탄소 섬유 묶음의 궐련 필터 막대(rod)를 형성한다. 묶여진 활성 탄소 섬유의 얻어진 원통형 필터 매질은 효율적인 함량 전달 및 흡착을 위한 섬유의 활성 부위를 통하여 들어오는 궐련 연기의 통과를 위한 구부러진 통로를 나타낸다. 연기의 우회가 섬유 매질을 통한 흐름의 구부러진 특성으로 인하여 최소화되는 반면, 필터를 거슬러 과도하게 높은 압력 강하는 방지된다. 결과적으로, 기체상 성분 제거의 효율성이 향상되고, 만약 미립자 활성 탄소가 동일한 제거 효율을 얻기 위하여 사용되어졌을 때 요구되는 것보다 이러한 섬유가 사용될 때 더 적은 양의 흡착제가 요구된다.
단일 결정성 필터를 구성하는 묶음형 활성 탄소 섬유를 사용하는 것은 다른탄소 구조체와 비교하여 다음의 장점을 가진다: (1) 활성 탄소 섬유 묶음의 로프트가 우회 기회가 거의 없는 침투가능한 고정화된 흡착 베드를 제공하고, 그리고, (2) 단일 결정성 구조(즉, 활성 탄소 섬유의 싸여진 묶음으로 이루어진 단일 결정성 구조)로 활성 탄소 섬유를 변형하기 위한 방법 및 장치 그 자체가 고속 제조 작동에 더 효율적으로 제공된다.
활성 탄소 섬유는 셀룰로오스 아세테이트 필터의 제2부위와 결합되어 활성 탄소 섬유의 막대같은 부위의 활용을 통하여 궐련 필터에 삽입될 수 있다. 이러한 배열에서, 활성 탄소 섬유 부위는 궐련 통풍 구멍의 상류와 담배 막대에 가장 가깝게 위치할 수 있다. 셀룰로오스 아세테이트 부위는 궐련의 구강쪽 말단에 위치될 수 있다. 통풍 구멍의 상류에 활성 탄소 섬유를 둠으로써, 연기 흐름의 유속이 느려지고, 활성 탄소 섬유에 더 긴 체류 시간이 얻어진다. 이러한 더 긴 체류 시간이 연기 흐름으로부터 흡착제로 전달 양을 향상시킨다.
다른 배열에서, 활성 탄소 섬유의 묶음은 셀룰로오스 아세테이트 토우의 하류에 위치될 수 있다. 활성 탄소 섬유는 셀룰로오스 아세테이트 섬유와 같은 다른 여과 섬유와 혼합될 수도 있다. 양 섬유는 막대 같은 형상으로 형성되고, 별개의 길이로 잘라지고, 궐련 필터로 삽입된다. 혼합되는 섬유의 비는 기체상 및 총 미립자 물질(TPM)의 제거를 위하여 원하는 효율로 결정될 수 있다.
결국, 활성 탄소 섬유는 미립자 흡착제 물질의 비슷한 양과 비교할 때 기체상 성분의 제거에 높은 효율을 나타낸다. 또한, 활성 탄소 섬유는 비기체상 총 미립자 물질의 일부를 밀착에 의하여 효율적으로 제거하고, 그로 인하여 총 궐련 필터에 필요한 셀룰로오스 아세테이트의 함량이 줄어들게 된다. 따라서, 궐련 길이의 더 작은 비율이 총 필터 구조체로 채워지게 된다.
다른 궐련 필터 배열은 활성 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔, 제올라이트 등과 같은 미립자 흡착제 물질의 베드와 결합된 활성 탄소 섬유를 포함한다. 활성 탄소 섬유의 묶음은 미립자 흡착제 물질의 베드의 한쪽 말단 또는 반대쪽 말단 상에 배치될 수 있다. 또한, 미립자 흡착제 물질은 다른 필터 배열에서 활성 탄소 섬유로 삽입될 수 있다.
또 다른 필터 배열은 예를 들어 막대의 나삿니(thread) 내부에 나선형으로 감긴 활성 탄소 섬유를 갖는 플라스틱, 금속, 나무, 또는 셀룰로오스 아세테이트 응집체로 제조된 나사산이 내어진 막대를 포함한다. 활성 탄소 섬유는 연기 조성물을 얻기 위하여 다른 특성을 갖는 섬유상 흡착제 물질의 다른 형태와 함께 혼합될 수 있다. 끽연 동안, 연기는 흡착 활성 탄소 섬유와 접촉하기 위하여 나선형 홈(groove)을 따라 배향된다. 세로로 배열된 탄소 섬유에 비하여 더 긴 통로 길이에 의하여 향상된 흡착 효율이 달성된다. 나선형 홈은 필터의 주어진 직선 거리에 대해 더 긴 통로 길이를 허용한다.
실시예로서, 그램당 약 0.45 제곱센티미터 미세공 용적와 그램당 약 1329 제곱미터의 BET 표면적을 갖는 CARBOFLEXTM활성 탄소 섬유(24)(Anshan East Asia Carbon Fibers Co. Ltd. 공급)가 필터부(16)로 제조되었다. 이들 필터부는 27밀리미터 길이와 약 24.5밀리미터 직경을 갖는 필터 막대 속으로 약 125밀리그램의 활성탄소 섬유(24)를 묶어넣어 제조되었다. 이들 필터부(16)가 각 대조군 궐련에 부착된 셀룰로오스 아세테이트 필터부(18)의 대조군 궐련(1R4F 궐련) 하류에 부착되어 도 2에 도시된 궐련(30)을 생산하게 된다. 주된 기체상 성분이 활성 탄소 섬유 필터부없는 동일한 화합물의 송출과 비교하여, 그리고 이들 궐련으로부터 송출되는 연기 내 퍼프당 기준으로 정량화되었다. 활성 탄소 섬유 필터의 흡착 활성 결과 기체상 연기 성분의 현저한 감소가 관찰되었다. 이들 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
성분 아세트알데히드,μg/궐련 하이드로겐 시아니드,μg/궐련 이소프렌,μg/궐련
대조군 궐련(1R4F) 570 311 346
활성탄소섬유 필터부가 부착된 대조군 궐련 51 9 20
감소율(%) 91% 97% 94%
도 3, 4 및 5는 몇몇 대안의 궐련 필터 구조체, 특히 그러한 필터 구조체의 탄소 함유 부분들을 보여준다. 각각의 예에서, 도 1의 필터부(18)에서와 같은 셀룰로오스 아세테이트 필터부는, 필요하다면 이들 구조체에 병합하는 궐련의 구강쪽-말단에 사용될 수 있다.
도 3은 활성 탄소 섬유(24)의 묶음 및 예를들면, 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔, 또는 제올라이트와 같은 미립자 흡착제(42)의 인접한 베드의 조합을 포함하는 궐련 필터(40)를 보여준다. 또 다른 궐련 필터(50)는 도 4에 예시되어 있는데, 플러그-스페이스-플러그 배열을 하고 있으며, 여기서 활성 탄소 섬유(24)의 묶음의 떨어져 있는 공간은 그들 사이에 있는 동공(cavity)을 규정하는 것이며, 이 동공은 미립자 흡착제(42)로 채워져 있다. 또 다른 궐련 필터(60)가 도 5에 도시되어 있는데, 이 필터는 섬유들 사이에 분산된 미립자 흡착제(42)를 가진 활성 탄소 섬유(24)의 묶음을 포함한다. 각각의 예에서, 도 3-5의 궐련 필터는 연기가 그것을 통하여 통과할때 주류 담배 연기로부터 유래되는 기체상 구성성분들을 흡착하는 작용을 한다. 활성 탄소 섬유 및 과립상 흡착제의 함량은 그러한 기체상 구성성분들의 요구되는 감소를 달성하도록 선택된다.
도 6에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 도 3-5에 도시된 섬유 묶음뿐만 아니라 도 1 및 2의 필터부(16)의 활성 탄소 섬유(24)의 묶음은, 필터 제조 과정 중에 미리 형성된 또는 인시츄 형성된 티핑 랩(70)을 통하여 조절된 총 필라멘트 데니어 및 필라멘트 데니어 마다의 흡착제 섬유의 연속적인 묶음을 잡아당김(stereching)에 의해 형성될 수 있다. 적절한 트리밍(trimming) 및 컷팅 후에, 형성된 필터는 상기에서 언급된 바와 같이 필터 구조체로 삽입될 수 있다. 잡아당겨진 흡착체 활성 탄소 섬유들이 함유되고, 고 TPM 송출(delivery)을 촉진하기 위해 거의 평행한 통로들이 섬유 사이에 생겨나도록 일반적으로 서로 나란히 정렬된다. 연기 흐름을 가로지르는 일부 섬유를 갖는 무작위 섬유 배향(orientation)은 광범위하게 TPM을 제거할 수 있다. 연기의 작은 기체상 구성성분은 나란히 정렬된 섬유의 미세공으로 확산함에 의해 효과적으로 흡착된다. 주류 담배 연기는 나란히 정렬된 섬유와 동일한 방향으로 흐른다.
높은 기체상 제거 효율은 신속한 흡착 역학 및 직경이 대략 5 내지 100, 바람직하기는 5 내지 50㎛ 범위의 미세 흡착제 섬유의 적합한 총 수용량(capacity)의 결과이다. 잡아당겨진 흡착제 섬유내에 일정량의 미립자 흡착제를 혼입하는 것은 형성된 필터 구성요소의 수용량당 비용을 절감하게 한다. 미립자 흡착제 드롭-인(72)은 예를들어, 도 5의 필터를 생산할때, 섬유(24) 사이에 미립자 재료(42)를 분배하기(dispense) 위해 사용될 수 있다.
도 1 및 2의 활성 탄소 섬유 필터부(16)을 사용하는 것은 몇몇의 독특한 잇점을 부여한다. 첫째, 연속 활성 탄소 섬유 흡착제는 고속 공정을 사용하여 존재하는 궐련 필터로 병합될 수 있다. 둘째, 활성 탄소 섬유 흡착제의 높은 로프트 성질 때문에, 미립자 베드의 고속 제조와 연관된 "세팅" 문제는 존재하지 않는다. 셋째, 활성 탄소 섬유 흡착제는 미립자 흡착제 보다 더 짧은 기체 확산 통로를 제공하므로, 기체상 흡수 효율을 증가시킨다. 넷째, 잡아당겨진 나란히 정렬된 활성 탄소 섬유 흡착제의 균일한 팩키징은 균일한 빨아들임 내성(RTD) 및 궐련 연기에 대한 기체상 여과 수행을 가능하게 한다. 마지막으로, 활성 탄소 섬유의 거의 평행한 배향은 여과 공정 중의 연기의 미립자 상의 손실을 최소화하므로, 요구된다면 궐련의 TPM 송출을 최소화한다. 이것이 TMP의 높은 송출이 요구될때 궐련 또는 전기적으로 가열된 궐련 구현체에서 가치가 있다.
도 5의 필터부(60)에 미립자 흡착제로 보충함에 의해, 또는 도 3 또는 4의구체예에서 필터부(16 또는 60)을 사용함에 의해, 형성된 필터는 활성 탄소 섬유 흡착제를 사용하는 이점을 유지할 뿐만 아니라, 동일 수용량당 더 낮은 총 비용을 가진다.
CARBOFLEXTM활성 탄소 섬유를 사용하여, 필터부 (16 및 60)의 수공 궐련 실시례들을 제조하고 시험하였다. 표 3 및 표 4에 나타낸 시험 결과로부터, 형성된 필터는 AA (아세트알데히드), HCN (하이드로겐 시아니드), MeOH (메탄올) 및 ISOP (이소프렌)과 같은 기체상 성분들을 효율적으로 제거할 뿐 아니라, 고 TPM 송출 및 낮은 RTN을 갖는 것이 분명하다. 필터부 (60)에서, 더 낮은 비용의 탄소 입자로 탄소 섬유 양의 반을 대체하는 것이 필적할만한 총 여과 수행을 제공한다는 것은 탁월한 것이다.
* 27-mm 길이 필터 플러그.
** 7-mm 길이 셀룰로오스 아세테이트 플러그와 결합된 20-mm 길이 플러그
도 7 및 도 8은, 담배 막대(102)와 원통형으로 나사산이 내어진 막대(106), 활성 탄소 섬유(108) 및 셀룰로오스 아세테이트 플러그(110)를 포함하는 필터(104)를 갖는 궐련(100)을 포함하는, 본 발명의 추가의 구체예를 도시한다. 상기 나사산이 내어진 막대는 경사진 평면(plane)이 나선형으로 왼손 또는 오른손 방향으로 주변으로 감아서 나삿니(114) 및 대응 홈(116)을 생성하는 고상 실린더(112)로 구성된다. 단면에서, 경사진 평면을 형성하는 나삿니 마루(ridge)는 예를들어 삼각, 사각 또는 둥근형일 수 있다. 대응적으로, 홈(116)의 단면은 대략 삼각, 사각 또는 둥근형일 수 있다. 나사산이 내어진 막대(116)는 팁핑 페이퍼(118) 내에 포함될 때, 나선 채널 또는 통로가 궐련 연기를 위해 생겨날 수 있는 크기로 만들어야만 한다. 실질적으로 나란히 정렬된 활성 탄소 섬유(108)의 묶음은 막대를 따라서 홈 안쪽에 나선형으로 감겨져 있다. 나사산이 내어진 막대의 축 길이, 홈 단면의 모양 및 면적, 및 피치(하나의 나삿니 상의 어떤 점으로부터 다음의 연속하는 나삿니 상의 대응 점까지의 길이방향 거리)는 요구되는 총 통로-길이 및 결과의 RTD를 달성하기 위하여 변경될 수 있고, 그럼에 의해, 흡착 조건에 부합한다. 활성 탄소 섬유의 직경은 5 내지 100, 바람직하기는 5 내지 50㎛의 범위이고, 대략 1000 내지 3000m2/g의 표면적 및 대략 0.30 내지 0.80cc/g의 미세공 용적을 갖는다. 나사산이 내어진 막대(106)는 예를들어 플라스틱, 금속, 나무 또는 셀룰로오스 집합물(aggregate)을 포함하여 다양한 재료로 만들어질 수 있다. 흡연시, 연기는 나선 홈를 따라서 이동하여 그 안에 포함되어 있는 탄소 섬유의 묶음에 접촉된다. 잇점은 나선 홈이 필터의 선형 범위의 주어진 양에 대해 더 긴 통로 길이를 허용한다는 것이다.

Claims (26)

  1. 주류 궐련 연기가 필터를 통하여 빨아들여질 때 상기 연기로부터 기체상 구성성분들을 제거하기 위한 궐련 필터로, 상기 필터는 실질적으로 서로 나란히 정렬되고 공통의 방향성을 갖는 활성 탄소 섬유의 묶음을 포함하는 활성 탄소 섬유 필터부를 포함하는 궐련 필터.
  2. 제 1항에 있어서, 활성 탄소 섬유의 대다수는 각각, 약 1000 내지 3000m2/g의 표면적, 약 0.30 내지 0.80cc/g의 미세공 용적, 및 약 5 내지 100㎛의 섬유 직경을 갖는 궐련 필터.
  3. 제 1항에 있어서, 활성 탄소 섬유 사이에 분산된 미립자 흡착제 물질을 포함하는 궐련 필터.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 미립자 물질은 활성 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔 및 제올라이트로 구성된 군으로부터 선택되는 궐련 필터.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 미립자 물질은 과립, 구슬 및 코스(course) 분말로 구성되는 군으로부터 선택되는 형태인 것인 궐련 필터.
  6. 제 1항에 있어서, 활성 탄소 섬유 필터부에 인접한 셀룰로오스 아세테이트 필터부를 포함하는 궐련 필터.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 셀룰로오스 아세테이트 필터부는, 궐련 필터가 궐련 내에 조립될 때 활성 탄소 섬유 필터부의 하류에 있는 것인 궐련 필터.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 셀룰로오스 아세테이트 필터부는, 궐련 필터가 궐련 내에 조립될 때 활성 탄소 섬유 필터부의 상류에 있는 것인 궐련 필터.
  9. 제 1항에 있어서, 활성 탄소 섬유 필터부에 인접한 미립자 흡착제 물질의 베드를 포함하는 궐련 필터.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 미립자 흡착제 물질은 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔 및 제올라이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 궐련 필터.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 미립자 흡착제 물질은 과립, 구슬 및 코스 분말로 구성되는 군으로부터 선택되는 형태인 것인 궐련 필터.
  12. 제 9항에 있어서, 미립자 흡착제 물질의 베드에 인접한 또 다른 하나의 활성탄소 섬유 필터부를 포함하는 궐련 필터.
  13. 제 1항에 있어서, 활성 탄소 섬유 필터부는 그 외부 상에 나선형 홈를 갖는 나사산이 내어진 막대를 포함하고, 활성 탄소 섬유의 묶음은 상기 홈에 위치되어 있는 것인 궐련 필터.
  14. 제 13항에 있어서, 활성 탄소 섬유 사이에 분산된 미립자 흡착제 물질을 포함하는 궐련 필터.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 미립자 흡착제 물질은 활성 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔 및 제올라이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 궐련 필터.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 나사산이 내어진 막대는 플라스틱, 금속, 나무 및 셀룰로오스 집합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료로 만들어진 것인 궐련 필터.
  17. 제 13항에 있어서, 활성 탄소 섬유 필터부에 인접한 하나 이상의 셀룰로오스 아세테이트 필터부를 포함하는 궐련 필터.
  18. 담배 막대 및 연기가 필터를 통해 빨아들여질 때 주류 담배 연기로부터 기체상 구성성분을 제거하기 위한 하류 필터를 포함하는 궐련으로, 상기 필터는 필터를 통하여 담배 연기의 흐름과 동일한 방향으로 실질적으로 서로 나란히 정렬된 활성 탄소 섬유의 묶음을 포함하는 활성 탄소 섬유 필터부를 포함하는 궐련.
  19. 제 18항에 있어서, 대다수의 활성 탄소 섬유의 각각은 약 1000 내지 3000m2/g의 표면적, 약 0.30 내지 0.80cc/g의 미세공 용적, 및 약 5 내지 100㎛의 섬유 직경을 갖는 궐련.
  20. 제 18항에 있어서, 활성 탄소 섬유 사이에 분산된 미립자 흡착제 물질을 포함하는 궐련.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 미립자 물질은 활성 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔 및 제올라이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 궐련.
  22. 제 18항에 있어서, 활성 탄소 섬유 필터부에 인접한 미립자 흡착제 물질의 베드를 포함하는 궐련.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 미립자 흡착제 물질은 탄소, 실리카겔, APS 실리카겔 및 제올라이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 궐련.
  24. 제 18항에 있어서, 상기 활성 탄소 섬유 필터부는 그것의 외부 상에 나선형 홈를 갖는 나사산이 내어진 막대를 포함하고, 상기 활성 탄소 섬유의 묶음은 상기 홈에 위치되는 궐련.
  25. 제 24항에 있어서, 활성 탄소 섬유 사이에 분산된 미립자 흡착제 물질을 포함하는 궐련.
  26. 제 24항에 있어서, 상기 나사산이 내어진 막대는 플라스틱, 금속, 나무 및 셀룰로오스 집합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료로 만들어진 궐련.
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