NO143860B - Brennstoff til bruk i tobakkerstatning - Google Patents

Description

Det er vanlig kjent at vanskelighetene ved vurdering av eventuell helserisiko i forbindelse med sigarettrøking skyldes de mange forskjellige og kompliserte forbrenningsprodukter i rø-

ken som inhaleres. Mange av forbrenningsproduktene lar seg bare med vanskelighet eller ikke i det hele tatt isolere og forelig-

ger i så små mengder at deres farmakologiske aktivitet ikke godt kan bestemmes. Forskjellige forsøk er tidligere blitt utført når det gjelder å oppnå kontroll med de forbrenningsprodukter som inhaleres, enten ved at naturlig tobakk erstattes med et er-statningsmateriale av kjent sammensetning eller ved hjelp av fil-terlegemer som røken trekkes gjennom.

Den foreliggende oppfinnelse angår et brennstoff til bruk i tobakkerstatning, og brennstoffet er karakterisert ved at det omfatter en selv-sammenhengende masse av fleksible fibre, hver med en tverrsnittsdimensjon på 5-50 ym, og hvilke er fremstilt av et karbonholdig materiale dannet ved temperaturregulert pyrolyse av et cellulosebasert fibrøst fleksibelt materiale, hvis innhold av organisk materiale består bare av karbon, hydrogen og oksygen, hvorved pyrolysen utføres til en slik grad at det organiske residuum inneholder minst 90 vekt% karbon og høyst et slikt karboninnhold at brennstoffet fremdeles er brennbart. Foretrukne ut-førelsesformer av brennstoffet ifølge oppfinnelsen er presisert i krav 2-5.

Den prinsipielt fibrøse natur av det karbonholdige brennstoff, hvor fibrene har en tverrsnittsdimensjon på 5-50 ym, bi-

drar til brennstoffets fleksibilitet og mekaniske styrke og til brennstoffpartiklenes evne til å holde sammen uten at det er nød-vendig å bruke bindemidler eller andre klebende hjelpemidler. Fibrene kan være naturlig eller kunstig kruset eller sammentvun-net, hvorved materialet vil henge enda bedre sammen. Et røkema-teriale basert på brennstoffet ifølge oppfinnelsen kan behandles ved hjelp av mekanisk utstyr for sigarettfremstilling og kan lett dannes til sigaretter med et tilfredsstillende trykktap når de røkes.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et "rent" brennstoff til bruk i tobakkerstatninger, hvorved brennstoffet forbrennes til relativt uskadelige forbrenningsprodukter. Brennstoffet påvirker også de flyktige bestanddeler som fordamper inn i de varme forbrenningsgasser som dannes når brennstoffet forbrennes, slik at røkeren oppnår tilfredsstillelse. Et uorga-nisk forbrenningsmodifiserende middel kan også være tilsatt brennstoffet, slik at dets forbrenningsegenskaper modifiseres. Imidlertid er det den kjemiske sammensetning og fysikalske be-skaffenhet av brennstoffet ifølge oppfinnelsen som er det ve-sentlige .

Eksempelvis ble det funnet at brennstoffer fremstilt av grove fibre eller blandinger som inneholder grove fibre så som pyrolyserte kokostrevler eller sisalhamp med tverrsnittsdimensjoner opp til 300 ym var skjøre og ikke fleksible og ikke godt sammenhengende. Under behandling og omdannelse av sådant materiale til sigarettform falt mange av disse fibre i stykker, og støv og fine partikler ble dannet.

Når det imidlertid gjelder fine fibre så som pyrolysert bomull eller kinagras med tverrsnittsdimensjoner på 5-20 ym, var fibrene fleksible og hang godt sammen og kunne omdannes til tilfredsstillende sigaretter uten større brekkasje.

For at et fibrøst brennstoff skal være akseptabelt i et røkemateriale må det ha en viss hårdhet såvel som riktig trykkfall ved røking. Sigarettens hårdhet måles vanligvis ved inn-trykkingen av overflaten under et gitt mekanisk trykk.

Det fibrøse brennstoffets hårdhet kan økes ved at man pakker fibrene tettere sammen innenfor omslaget, men dette vil også øke trykkfallet gjennom sigaretten ved røking. Bruken av fibre med en naturlig eller kunstig krusning gir en øket hårdhet for et gitt trykkfall sammenlignet med tilsvarende ukrusede fibre. Eksempelvis er bomull naturlig kruset. Det akseptable røkematerialet må inneholde brennstoffet pakket til op-timal tetthet for oppnåelse av både et trykktap og en hårdhet som for naturlig tobakk.

I det eksperimentelle arbeidet ble fine fibre med tverr-snittsdimens joner mellom 5 og 20 ym og som var tilstrekkelig fleksible for anvendelse i sigarettlignende produkter, rullet til sigaretter med forskjellige tetthetsgrader, slik at de fo-relå i form av enkelt-fibre. Når sammenpakkingstettheten var høy, hadde sigaretten en'godtagbar hårdhet, men altfor høyt trykkfall. Ved en lavere sammenpakkingstetthet var trykkfallet akseptabelt, men sigarettene var ikke tilstrekkelig hårde. Det ble funnet at denne vanskelighet kan overvinnes hvis brennstoff ibrene agglomereres til bunter. Enkeltfibrene gir binding mellom nabobunter, men den viktige porøsitet hos brennstoffet skyldes mellomrommene mellom fiberbuntene. Med bunter menes her et tau eller en tvunnet kordel av fibre, som kan være ret-te eller kruset, en filtmatte av fibre eller en opptrevlet papirvev av fibre. Tauet eller kordelene kan selvsagt dertil væ-re dannet til et vevet klede som skjæres i små biter.

F.eks. ble pyrolyserte hampfibre med tverrsnittsdimensjoner på 5-50 ym agglomerert i form av tvunnet tau med tverrsnittsdimensjon på 1-2 mm. I form av sigaretter var det fibrøse brennstoff både fleksibelt og ikke-skjørt og gav både et akseptabelt trykkfall ved røking og akseptabel hårdhet.

Fibrene og buntene av fibre er fortrinnsvis av en slik størrelse at de individuelle fibre har en lengde mellom 1 mm og 5 cm, og buntene har tverrsnittsdimensjoner mellom 0,1 mm og 5 mm og en lengde mellom 5 mm og 5 cm.

For ennvidere å endre fibrenes hårdhet uten at dette med-fører en stor forandring i trykkfallet eller omvendt, kan fibrene eller agglomeratene innrettes etter sigarettens eller rø-keproduktets lengdeakse istedenfor å være tilfeldig plassert.

Ønskeligheten av å agglomerere fibrene til bunter gjelder ikke alle typer av fibre. F.eks. kan ukrusede viskosefibre med tverrsnittsdimensjoner mellom 15 og 30 ym eller krusede viskosefibre med tverrsnittsdimensjoner mellom 10 og 15 ym brukes uten agglomerering for oppnåelse av tilfredsstillende hårdhet og trykkfall. Dette antas å skyldes den relativt høye elasti-sitetsmodul hos viskose. Agglomerering av viskosefibrene er imidlertid likevel ønskelig hvis de ukrusede eller krusede fib-res tverrsnittsdimensjoner er under henholdsvis 15 og 10 ym, slik at man ikke får et høyere trykkfall.

Brennstoffet fremstilles ved pyrolyse av et cellulosebasert materiale hvis innhold av organisk materiale bare består av karbon, hydrogen og oksygen, på en slik måte at det organiske residuum inneholder minst 90 vekt% karbon. Uttrykket "innhold av organisk materiale" i det cellulosebaserte materiale, og "organisk residuum", innebærer at et eventuelt nærvær av uorganiske komponenter, som f.eks. et forbrenningsmodifiserende middel, eller en forløper for et slikt middel, som kan være tilført før pyrolysen, ikke er tatt hensyn til. Utførelsen av pyrolysen inntil det organiske residuum inneholder minst 90 vekt% karbon er av primær betydning, idet denne grad av forkulling medfører at de store cellulosemolekyler er brutt ned til mindre, enklere molekyler med høyt karboninnhold, eller fritt karbon, som lett forbrennes til ufarlige forbrenningsprodukter, såsom karbondioksyd og vann. Betydningen av denne "terskel" på 90 % vil fremgå av tabell I. I Tabell I angis i venstre kolonne forskjellige cellulosebaserte materialer, og det vil sees at når pyrolysetemperaturen overstiger 500°C, overstiger karboninnholdet i produktet 90 %, hvilket også er forbundet med en organisk dampfase på 10 % eller vesentlig mindre enn hva som dannes ved røkning av naturlig tobakk. Med "organisk dampfase" menes andelen av eventuelt skadelig organisk materiale i røken når brennstoffet forbrennes. Fra helsesynspunkt er dette av kritisk betydning.

Det foreligger naturligvis en øvre grense for graden av forkulling som kan aksepteres, ettersom brennstoffet må være lett antennelig og i stand til å opprettholde forbrenning i luft.

Foruten å ha disse kjemiske egenskaper skal brennstoffet være en selv-sammenhengende masse av fleksible fibre, hvor hver fiber har en tverrsnittsdimensjon mellom 5 og 50 ym og er fremstilt av det cellulosebaserte materiale, hvilket i seg selv er fibrøst. Den fleksible fibrøse natur hos brennstoffet har vist seg å være nødvendig om brennstoffet skal kunne håndteres på konvensjonelle tobakkmaskiner, og om det skal kunne presses sammen til en sylindrisk tobakkstav som gir den nødvendige fasthet for håndtering av sigaretten og den nødvendige porøsitet for at luft og røk skal kunne trekkes gjennom sigaretten.

Det er velkjent at det ved pyrolyse av organiske materialer dannes mindre flyktige materialer og nedbrytningsprodukter under forbrenningen jo høyere enn den temperatur er som det organiske materialet utsettes for. F.eks. kan et egnet brennstoff fremstilles ved regulert pyrolyse av bomull i en inert atmosfæ-re. Idet brennstoffet ble brent under konstante undertrykksbe-tingelser i en pipelignende anordning ble røkens sammensetning undersøkt. Den følgende tabell viser sammensetningen av denne røk for brennstoff som ble pyrolysert ved 700°C og 900°C, og verdien sammenlignes med verdien for røkmodnet tobakk som ble røkt under de samme betingelser.

Hovedkomponentene i røken fra det karbonholdige brennstoff er nitrogen, oksygen og oksyder av karbon.

Eksempler på andre egnede fibrøse utgangsmaterialer for pyrolysen er materialer basert på høyren cellulose så som bom-null, kortfibret bomull som eventuelt kan være dannet til en papirvev og opptrevlet, bastfibre så som kinagras, cellulose-acetat eller regenerert cellulose som f.eks. viskose, samt kuprammonium-kunstsilke.

Selve brennstoffet må ha akseptable forbrenningsegenskaper og disse er karakterisert ved forbrenningshastigheten og antennelsestemperaturen. Disse verdier forandrer seg ikke ba-re med endringer i pyrolysebetingelsene for den organiske forlø-per, men også med fibrenes sammenpakkingsgrad. De kan også forandres for et gitt materiale ved tilsetning av glødefremmen-de og gløderetarderende midler.

Brennstoffet må derfor ha en egnet antennelsestemperatur

og denne bør ikke være høyere enn 800°C.

Eksempelvis ble det funnet at kortfibret bomull i en

viss form som var pyroly.sert til 900°C, hadde en antennelsestemperatur i luft på 625°C målt i en konvensjonell termo-vekt. Som antennelsestemperatur tas som hovedmaksimumet på vekttapskurven ved en normal, lav oppvarmingshastighet. Når brennstoffet var sammenpakket i en sigarettlignende form, brente det ikke på tilfredsstillende måte. Hvis imidlertid materiale; ble pyrolysert til 500°C var den målte antennelsestemperatur bare 510°C, og brennstoffet brente da på tilfredsstillende måte i sigarettform.

For omdannelse av brennstoffet til et røkemateriale

blir dette blandet eller impregnert med flyktige faste stoffer eller væsker som bidrar til å tilfredsstille røkeren.

Disse materialer bør være stabile ved den temperatur de utsettes

for som resultat av brenningen av brennstoffet, d.v.s. de bør destillere eller sublimere uten betydelig spaltning eller annen kjemisk forandring. I praksis vil de flyktige faste stoffer eller væsker sublimere eller destillere nedstrøms i forhold til brennstoffets brennesone og oppvarmes ved varmeledning og -stråling fra brennesonen og ved kontakt med de varme forbrenningsproduktene fra brennstoffet. På denne måte vil de flyktige faste eller væskeformige stoffer ikke bli utsatt for en temperatur så høy som temperaturen i brennesonen.

De flyktige bestanddeler kan innbefatte farmakologisk

og fysiologisk aktive midler som gir røkeren den stimulans som vanlige tobakkprodukter gir, eller andre former for stimulans. Eksempler på slike stimulerende midler er nikotin, koffein eller

andre farmakologisk aktive alkaloider. De kan være i form av salter som er en lett anvendelig form, og fra hvilke de kan av-

gis under røkingen. De flyktige bestanddeler kan også innbefatte et røkproduserende materiale som gir et visuelt og fysikalsk inntrykk av røk fra produktet, f.eks. ved aerosol-dannelse. De røkproduserende materialer må også være toksikologisk akseptable. Eksempler på egnede materialer er alkaner med 8-32 karbonatomer; høytkokende alicykliske stoffer så som dekalin; høytkokende etere

så som diisoamyleter; flerverdige alkoholer så som propylen

glykol, glycerol og 1,3 butvlen-qlykol; eller <q>lycerylestere så

som triacetin.

De flyktige bestanddeler kan en videre også inneholde smaks- eller aromastoffer som gir røken aroma. Eksempler er formiater, acetater, propionater og butyrater av terpinoler eller høyere alicykliske alkoholer, ketoner, mentol, vanillin ellér passende ekstrakter av naturlig tobakk.

Det kan også være nødvendig å tilsette røkematerialet

en forbrenningsmodifiserende bestanddel, f.eks. for å retardere eller opprettholde glødning eller for askedannelsen.

Hvis det nye materialet skal brukes i en sigarett, må denne normalt ha et omslag. Da det er vesentlig at røkens sammensetning er godt kjent bør man så vidt mulig unngå bidrag til røk-strømmen på grunn av ukontrollert forbrenning av cellulosepro-dukter. Omslaget kan derfor enten være av en ikke brennbar natur, men fremdeles tilstrekkelig følsomt til at det kan flakne av i likhet med normalt papir, f.eks. uorganiske filmer eller en ikke-porøs karbonmatte eller papir behandlet på en slik måte at produkter fra papirforbrenningen hindres i å inngå i hovedrøk-strømmen, f.eks. ved at overflaten nærmest staven overtrekkes med en film som sveller opp.

Oppfinnelsen tillater således eh tilnærming til den ideelle sigarett, som hovedsakelig består av karbonbrennstoff som en åpen grunnmasse inneholdende bare flyktige bestanddeler med kjent sammensetning og biologisk virkning som sublimeres eller avdestilleres uforandret, samt eventuelt noen varmebestandige uorganiske materialer.

Noen eksempler på materialer i henhold til oppfinnelsen beskrives i det følgende:

Eksempel 1

Et karbonholdig røkemateriale fremstilles av tettvevet bomullsklede som nedbrytes til de enkelte tråder før pyrolysen.

En prøve på ca. 4 g plasseres i et metallskip og støtes inn i røret i en ovn ved 500°C, som gjennomspyles med 1000 ml/minutt VS^. Etter 15 minutter tas prøven ut av ovnen, og eventuell etter-brenning kveles ved at prøven plasseres i et begerglass med fast karbondioksyd. Ca. 20 vektprosent av den opprinnelige prøve er tilbake som karbonfibre.

Etter avkjøling av prøven skjæres denne opp i 10 mm lengder, hvorved man får et materiale som er egnet til fremstilling av sigaretter. Materialet selv brenner altfor hurtig i form av sigaretter og behandles med et gløderetarderende middel ved at prøven mettes med en oppløsning av 0,75% natriumdihydrogenfosfat og deretter tørres i en ovn i 48 timer ved 55°C.

0,3 g av dette karbonrøkematerialet blir så gitt sigarettform under anvendelse av et langsomt brennende sigarettpapir av papirositvpen og et 15 mm langt cellulose acetat-filter.

En prøvesigarett ble røkt i en standardisert sigarett-røkemaskin som trekker 35 ml drag i løpet av 2 sekunder hvert minutt. Kromatografisk analyse ble utført på en 5 ml prøve av den flyktige

fase ved slutten av det midtre drag i en røkeprøve. Det ble funnet at "hele den flyktige organiske fase bare var 4,3% av den man finner i en lignende analyse med en vanlig sigarett fremstilt av røk-

modnet tobakk. Analyse av prøven av sidestrømsdampen var bare

.1% av det man fant i sidestrømmen fra en vanlig sigarett fremstilt av røkmodnet tobakk.

Eksempel 2

Sigaretter ble fremstilt på samme måte som i eksempel 1,

men karbonsigaretten ble tilsatt 5 mg acetofenon og 5 mg ren ni-

kotin i 120 ul glycerol fordelt inne i karbonmaterialet med en

sprøyte og perforert nål.

Når disse sigaretter ble røkt, frembrakte glycerolen en aerosol-røk som hadde en optisk røktetthet som for røkmodnet sigarett-tobakk; de tre additiver ble overført til hovedrøkstrømmen med mindre enn 1% spaltning.

Eksempel 3

Sigaretter ble fremstilt på samme måte som i eksempel 1,

men karbonsigaretten ble tilført 5 mg anetol, 15,4 mg nikotin-hydrogentartrat (ekvivalent med 5 mg nikotin) og 120 ul propan-1,2-diol.

Når disse sigaretter ble røkt, frembrakte propan-1,2-

diolen en aerosol røk som hadde en optisk røktetthet som for røk-modnet sigarettobakk; de tre additiver, smaksstoffer, røkdanner og nikotin ble overført til hovedrøkstrømmen med mindre enn 1% spaltning, idet syreandelen av saltet ble dekarboksylert, og residuet forbrente fullstendig.

Eksempel 4

4 kg hampfibre (5-50^um diameter) ble agglomerert til

en 1 mm diameter tråd som veide 1,16 g/m, og tråden ble kuttet opp til lengder på 5-10 mm. Disse ble plassert i en 80 liters ovn, hvor de ble hurtig oppvarmet til 900°C i nitrogenatmosfære og holdt ved denne temperatur i 1 time for fullføring av pyrolysen.

Etter uttak fra ovnen og avkjøling bestod den organiske delen av restmaterialet av 96 % karbon, 0,4 % hydrogen og 3,6 % oksygen,

og det totale utbytte var 20 % av utgangsvekten.

Materialet var fleksibelt og sterkt. Det ble forsynt med omslag av sigarettpapir av standardtype, hvorved sigaretter ble fremstilt med en lengde på 56 mm, en omkrets på 25 mm og en ifyllingsvekt på 800 mg, hvilke ble forsynt med et 10 mm langt acetat-filter. Trykkfallet i sigaretten var 89 mm vannsøyle og hårdheten 89 %. Ved røkning av sigarettene til en restlengde på 20 mm under anvendelse av en røkemaskin som beskrevet i eksempel 1, registrer-tes et drag-tall på 9,0 pr. sigarett, og den organiske dampfase fra sigarettfyllingen var mindre enn 0,1 % av en røkmodnet sigarett av standardtype, og karbonmonoksyd-utviklingen var bare 1,3 mg pr. sigarett.

Eksempel 5

4 kg sisalfibre med diameter 10-75^um og lengde 5-10 mm ble pyrolysert under de i eksempel 4 beskrevne betingelser. Etter pyrolysen erholdtes et samlet utbytte på 18 %, og den organiske rest bestod av 95,3 % karbon, 0,7 % hydrogen og 4 % oksygen. Disse fibre var fleksible og kunne lett håndteres.

Sigaretter ble fremstilt av fibrene med en ifyllingsvekt på 560 mg, en lengde på 56 mm og en omkrets på 25 mm. Hver sigarett ble forsynt med et 10 mm langt acetatfilter og oppviste et trykkfall på 92 mm vannsøyle og en hårdhet på 95 %. Ved røkning av sigarettene under de i eksempel 4 beskrevne betingelser erholdtes en organisk dampfasemengde på 0,1 % av en røkmodnet standardsigarett med et drag-tall på 10,2 pr. sigarett og en karbonmonoksyd-utvikling på bare 2,3 mg pr. sigarett.

Eksempel 6.

Eksempel hvor det anvendes regenerert cellulose ( viskose).

4 g fibre med diameter 12-35 ym og lengde 10-40 mm

av lys regenerert cellulose ble pyrolysert under nitrogen i en 1,5 liters vertikal ovn ved 770°C/time til en maksimal temperatur på 900°C. Prøven ble holdt ved 900°C i en halv time for fullføring av pyrolysen. Et totalutbytte på 17 vekt% av residuum erholdtes, og det organiske residuum viste sammensetningen 9 7,9% karbon, 0,3% hydrogen og 1,8% oksygen. Fibrene var fleksible, sterke og lett håndterbare.

Etter pyrolysen ble fibrene anvendt for fremstilling av sigaretter med dimensjonene 56 mm lengde, 25 mm omkrets med en vekt på 300 mg pr. sigarett. Hver sigarett ble forsynt med et 10 mm filter. Sigarett-trykkfallet var 100 mm vannsøyle, og hårdheten var 90%. Ved røkning under standard betingelser, som beskrevet i eksempel 1, erholdtes et organisk dampfase-utbytte på 0,1% av en røkmodnet standardsigarett, og karbonmonoksyd-utviklingen var 11 mg/sigarett.

Claims (6)

1. Brennstoff til bruk i tobakkerstatning, karakterisert ved at det omfatter en selv-sammenhengende masse av fleksible fibre, hver med en tverrsnittsdimensjon på 5-50 ym, og hvilke er fremstilt av et karbon-holdig materiale dannet ved temperaturregulert pyrolyse av et cellulosebasert fibrøst fleksibelt materiale, hvis innhold av organisk materiale består bare av karbon, hydrogen og oksygen, hvorved pyrolysen ut-føres til en slik grad at det organiske residuum inneholder minst 90 vekt% karbon og høyst et slikt karboninnhold at brennstoffet fremdeles er brennbart.

2. Brennstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at fibrene oppviser en naturlig eller anbragt krusning.

3. Brennstoff ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fibrene er agglomerert til et rep, en spunnen streng eller en filtmatte.

4. Brennstoff ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at hver fiber i brennstoffet oppviser en lengde på mellom 1 mm og 5 cm.

5. Brennstoff ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det cellulosebaserte fibrøse materiale er viskose.

6. Anvendelse av brennstoffet ifølge et av de foregående krav i en tobakkerstatning som inneholder flyktige bestanddeler, f.eks. nikotin eller kaffein, en røkproduserende bestanddel, en smakgivende bestanddel og et forbrenningsmodifiserende middel.