PL204792B1

PL204792B1 - Filtr papierosowy i papieros zawierający filtr papierosowy

Info

Publication number: PL204792B1
Application number: PL372267A
Authority: PL
Inventors: John B. Paine Iii; Zuyin Yang; Kent B. Koller; Jay A. Fournier; Charles E. Thomas Jr.; Timothy S. Sherwood; Zhaohua Luan; Shuzhong Zhuang; Jose M.G. Nepomuceno; Diane L. Gee
Original assignee: Philip Morris Products
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2010-02-26
Also published as: ES2280737T5; EA008560B1; US20030154993A1; ES2280737T3; SI1474008T1; EP1474008B1; MY135471A; DE60311769T3; BR0306807A; EA200400922A1; CN1630475A; US7784470B2; EP1474008B2; JP2010051319A; AU2003217183A1; PL372267A1; KR20040077711A; KR101021324B1; CN1307916C; DK1474008T4

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest filtr papierosowy i papieros zawierający filtr papierosowy.

Artykuły do palenia zakończone filtrem, w szczególności papierosy, zawierają w ogólności laseczkę tytoniu, filtr oraz opaskę z bibułki końcówkowej mocującą filtr do laseczki tytoniu. Laseczka tytoniu zawiera w ogólności słupek siekanego tytoniu (na przykład w postaci krajanego wypełniacza), który jest zawinięty wewnątrz bibułki papierosowej lub owijki. Zazwyczaj filtr zawiera wkładkę z materiału włóknistego (wkładkę filtra), wykonaną korzystnie z acetylocelulozowej pakuły. Wentylacja strumienia dymu uzyskiwana jest dzięki obecności szeregu lub szeregów perforacji biegnących poprzez bibułę końcówkową wzdłuż wkładki filtra. Wentylacja powoduje rozcieńczenie wciąganego strumienia dymu przez otaczające powietrze w celu zmniejszenia ilości substancji smolistych przyjmowanych przez osobę palącą w jednym wydmuchu.

W trakcie palenia osoba paląca wciąga strumień dymu poprzez węgiel z zapalonego końca papieru. Wciągany dym papierosowy wchodzi najpierw do górnej części filtra, a następnie przechodzi przez dolną część sąsiadującą z ustnikowym końcem filtra papierosowego.

Niektóre papierosy zawierają segmenty filtra, które zawierają takie materiały jak granulki węgla, żelu krzemionkowego, zeolity i tym podobne. Przykładowe papierosy i filtry opisane są w zgłoszeniach patentowych USA nr 2 881 770 na rzecz Tovey, 3 353 543 na rzecz Sproull i inni, 3 101 723 na rzecz Seligman i inni, a także 4 481 958 na rzecz Ranier i inni, a także w europejskich zgłoszeniach patentowych o numerach 532 329 oraz 608 047. Niektóre komercyjnie dostępne filtry zawierają cząstki lub granulki węgla (na przykład węgla aktywowanego), występujące samodzielnie lub rozproszone wewnątrz pakuły z octanu celulozy. Inne komercyjnie dostępne filtry zawierają rozproszone włókna węglowe a jeszcze inne komercyjnie dostępne filtry zawierają tak zwane konstrukcje filtra wnękowego lub filtra potrójnego. Przykładowo, dostępne komercyjnie filtry zawierają filtry SCS IV Dual Solid Charcoal Filter oraz Triple Solid Charcoal Filter firmy Filtrona Internationalk, Ltd, Triple Cavity Filter firmy Baumgartner, a także ACT firmy Filtrona International, Ltd. Porównaj także pracę Clarke i inni, World Tobacco, strona 55 (Listopad 1992). Szczegółową dyskusję właściwości i składu papierosów oraz filtrów znaleźć można w dokumentach patentowych USA o numerach 5 404 890 na rzecz Gentry i inni, a także 5 568 819 na rzecz Gentry i inni, których opisy załączone są jako odniesienie.

Przykłady koncentrycznych konstrukcji filtrów, które zawierają granularny węgiel, ujawnione są w europejskim zgł oszeniu patentowym nr 579 410 oraz zg ł oszeniu patentowym USA nr 3 894 545 na rzecz Crellin i inni.

Konstrukcja typu wkładka-przestrzeń-wkładka zawiera zwykle parę oddzielonych od siebie wkładek filtrujących oraz złoże granulowanego węgla aktywowanego, znajdujące się we wgłębieniu pomiędzy wkładkami. W trakcie wytwarzania powstaje zespół oddzielonych wkładek filtrujących położonych wzdłuż ciągłej tasiemki owijki wkładki. Owijka wkładki jest następnie częściowo zaginana wokół części przedniej wkładki, po czym do przestrzeni powstałej pomiędzy częściowo owiniętymi wkładkami filtrującymi wsypywany jest lub umieszczany inaczej granulowany węgiel. Owijka wkładki jest następnie zaklejana i zamykana, a powstająca ciągła laseczka jest cięta w dobrze zdefiniowanych miejscach, zależnie od wymaganej długości, zwykle w postaci licznych filtrów wykorzystywanych faktycznie na papierosach z filtrem.

Do wytwarzania składników filtrów, takich jak przedstawione przykładowo na fig. 1 i 2, zastosowane może być urządzenie służące do napełniania wgłębień. Tego rodzaju urządzenie do napełniania wgłębień zostało zilustrowane na fig. 1 i 2 i opisane w patentach USA o numerach 4 214 508, 5 221 247, 5 322 459, 5 542 901 oraz 5 875 824, przy czym ujawnienia te za łączone są jako odniesienie.

W przypadku maszyn i materiał ów wę glowych znanych w stanie techniki przy duż ych prędkościach maszyn pogorszeniu ulegała zazwyczaj kontrola procesu, co wynikało z niespójnego odmierzania, rozsypywania i proszkowania materiału granularnego. Pogorszeniu ulegała jednorodność laseczek filtrów, zaś jedne wnęki były słabiej wypełniane niż inne.

Przykładowo niektóre z dotychczasowych urządzeń do odmierzania węgla drzewnego zawierają wsad granularnego węgla w koszu samowyładowczym i pozwalają na obrót obrzeża obrotowego koła odmierzającego poprzez względnie nieruchomy wsad granularnego węgla. Tego rodzaju rozwiązanie powodowało zachodzenie procesu proszkowania granularnego węgla, który ulegał generalnie przyspieszeniu wraz z szybkością maszyny. Rykoszet i ucieczka materiału cząsteczkowego w maszynach ze stanu techniki powodowały często niemożliwe do zaakceptowania braki w produkcie końcoPL 204 792 B1 wym (na przykład zgniecenia lub niekompletne wypełnienia) oraz wywoływały niepożądane przerwy w pracy maszyny, potrzebne do oczyszczenia maszyny oraz otoczenia.

Granulowany węgiel, stanowiący zbiór cząstek o nieregularnych kształtach i różnych rozmiarach, ma skłonność do niespójnego zajmowania danej objętości przestrzeni, w kolejnych operacjach napełniania. Zgodnie z powyższym, niecałkowite i niespójne napełnianie wnęk stanowiło słabość automatycznego wytwarzania filtrów. Nieregularne pakowanie powodowało także powstawanie niepożądanych kanałów biegnących poprzez złoże, które pozwalały na przejście znacznych części strumienia dymu przez to złoże lub wokół niego, co zmniejszało wzajemne oddziaływanie dymu i granularnego węgla.

Znane było wprowadzanie granularnego, aktywowanego węgla do filtrów papierosowych w celu ułatwienia usuwania składników dymu papierosowego. W filtrach papierosowych granularne postacie węgla wytwarzane były w wyniku karbonizacji materiału organicznego, takiego jak na przykład łupinki orzecha lub drewno, a następnie aktywowanie zwęglonego materiału w wyniku poddania go obróbce cieplnej w temperaturze wynoszącej w przybliżeniu od 800 do 1000 stopni Celsjusza z parą wodną lub dwutlenkiem węgla. Obróbka aktywująca tego materiału powodowała powstanie porowatej (podobnej do plastra miodu) wewnętrznej struktury oraz bardzo dużego właściwego pola powierzchni, zwykle w zakresie od 300 do 2500 metrów kwadratowych na gram, mierząc wedł ug sposobu Brunauer, Emmett & Teller (BET) dla węgla aktywowanego.

Jednakże tego rodzaju granularne, aktywowane materiały węglowe odznaczają się chropowatością powierzchni i kształtami, które są nieregularne i różnią się pomiędzy granulkami. Te nieregularności oraz niespójności granularnych materiałów węglowych powodowały problemy w komercyjnej produkcji zawierających węgiel filtrów i papierosów. Przykładowo, nieregularne kształty nasilają zjawisko rykoszetu cząstek w momencie ich wprowadzania przez maszyny służące do wytwarzania laseczek filtrów, co powoduje zanieczyszczenie produktu przypadkowymi cząstkami węgla, powoduje dostawanie się pyłu do środowiska pracy i powoduje konieczność przestoju w celu oczyszczenia maszyny oraz prowadzi do niespójnego i niepełnego napełniania wgłębień w laseczkach filtrów typu wkładka-przestrzeń-wkładka.

Wiadomo także, iż gran^ame materiały z węgla aktywowanego mają znaczny wpływ na smak papierosa, gdyż ich przypadkowy, szeroki zakres rozkładu wielkości porów ma skłonność do wychwytu nie tylko składników fazy gazowej dymu tytoniowego, ale także części fazy cząsteczkowej, to znaczy niektórych lub większej części składników smolistych, które przyczyniają się do smaku i zapachu dymu tytoniowego. Wiadomo także, iż granularne węgle aktywne, które wytwarzane są z łupin orzechowych lub drewna, zawierają zanieczyszczenia, które uznawane są za inny możliwy powód zniekształceń smaku, przypisywanych zastosowaniu w papierosach granularnego węgla.

Należy także rozumieć, iż proces aktywowania granularnego węgla powoduje osłabienie budowy granulek, w wyniku czego są one słabsze i bardziej podatne na pękanie, sproszkowanie i rozpylenie przy podawaniu ich przez urządzenia odmierzające maszyn do produkcji filtrów. Należy także zauważyć, że obróbka aktywacyjna powoduje zwiększenie kosztów wytwarzania materiału granularnego.

Celem wynalazku jest opracowanie filtra papierosowego i papierosa posiadającego filtr papierosowy, który zawiera węgiel w postaci mającej zdolność skutecznego i wydajnego adsorbowania składników fazy gazowej obecnych w strumieniu dymu przy mniejszym wpływie na odczuwany smak papierosa w trakcie palenia, która to postać jest wystarczająco wytrzymała fizycznie, aby wytrzymać operacje automatycznego wytwarzania laseczki filtra i nie wymaga prowadzenia nadmiernej obróbki aktywacyjnej oraz ponoszenia związanych z tym kosztów.

Następnym celem wynalazku jest ułatwienie pełniejszego i jednorodnego wypełniania wgłębień przy wytwarzaniu filtra typu wkładka-przestrzeń-wkładka, i wyeliminowanie (zmniejszenie) rozsypywania materiału przy wytwarzaniu wkładek filtrów w celu zmniejszenia zanieczyszczenia lub zapylenia produktów oraz wyeliminowania potrzeby czyszczenia maszyn do produkcji laseczek filtrów.

Filtr papierosowy zawierający węgiel aktywowany, według wynalazku charakteryzuje się tym, że węgiel aktywowany jest w postaci sferycznych kuleczek węgla aktywowanego o wybranej wstępnie średnicy.

Węgiel aktywowany w postaci sferycznych kuleczek ma średnicę kuleczek w zakresie od około

0,20 mm do 0,70 mm.

Węgiel aktywowany w postaci sferycznych kuleczek ma średnicę kuleczek w zakresie od 0,20 mm do 0,40 mm.

PL 204 792 B1

Węgiel aktywowany w postaci sferycznych kuleczek ma średnicę kuleczek wynoszącą około 0,35 mm.

Przynajmniej część materiału węgla aktywowanego w postaci kuleczek ma pole powierzchni właściwej nie większe niż 1600 metrów kwadratowych na gram według pomiaru BET.

Przynajmniej część materiału węgla aktywowanego w postaci kuleczek ma pole powierzchni właściwej w zakresie od 1100 do 1300 metrów kwadratowych na gram według pomiaru BET.

Węgiel aktywowany w postaci kuleczek ma gęstość większą niż 0,5 g/cm³.

Węgiel aktywowany w postaci kuleczek jest umieszczony we wnęce, którą wypełnia zasadniczo całkowicie.

Węgiel aktywowany w postaci kuleczek jest umieszczony we wnęce, którą wypełnia w stopniu w przybliż eniu od 80 do 95%.

Węgiel aktywowany w postaci kuleczek jest w założonej wstępnie ilości wystarczającej do zmniejszenia o pożądaną wielkość ilości przynajmniej jednego składnika dymu.

Węgiel aktywowany w postaci kuleczek jest w założonej wstępnie ilości wystarczającej do zmniejszenia ilości 1,3-butadienu o przynajmniej około 90%.

Założona wstępnie ilość węgla aktywowanego w postaci kuleczek wynosi od około 70 do 180 miligramów.

Filtr według wynalazku zawiera drugi materiał kuleczkowy o mniejszym lub zerowym poziomie aktywowania w porównaniu do węgla aktywowanego w postaci kuleczek.

Drugi materiał kuleczkowy zawiera węgiel w postaci kuleczek o zasadniczo takiej samej średnicy co kuleczki aktywowanego węgla.

Węgiel aktywowany w postaci sferycznych kuleczek zawiera pierwszą grupę indywidualnych kuleczek o zasadniczo takiej samej średnicy oraz drugą grupę indywidualnych kuleczek o zasadniczo takiej samej średnicy, mniejszej niż średnica kuleczek z pierwszej grupy.

Sferyczne kuleczki z drugiej grupy mają promień, który wynosi w przybliżeniu

wartości promienia kuleczek z pierwszej grupy.

Filtr zawiera cylindryczną wnękę, zaś węgiel aktywowany jest w postaci sferycznych kuleczek o ś rednicach w zakresie od 1/10 do 1/40 średnicy tej cylindrycznej wnęki.

Przynajmniej część węgla aktywowanego w postaci sferycznych kuleczek jest aromatyzowana.

Za aromatyzowanym węglem aktywowanym w postaci sferycznych kuleczek znajduje się przynajmniej jeden dodatkowy segment uwalniający środek zapachowy.

Dodatkowy segment uwalniający środek zapachowy zawiera przędzę z naniesionym na nią środkiem zapachowym.

Za węglem aktywowanym w postaci sferycznych kuleczek znajduje się segment uwalniający środek zapachowy.

Sferyczna postać kuleczek węgla aktywowanego jest efektem zawieszenia topliwego prekursora węgla w płynie, a następnie jego zestalenia i karbonizacji.

Przynajmniej część węgla aktywowanego w postaci kuleczek, określona z wykorzystaniem teorii DFT, odznacza się objętością właściwą mikroporów wynoszącą przynajmniej 0,4 cm³/g, przy czym całkowita objętość porów jest nie większa niż 0,6 cm³/g.

Filtr ma kształt cylindryczny i zawiera wnękę mającą średnicę zasadniczo równą średnicy filtra i dł ugość około 2,5 mm do 12 mm.

Papieros zawierający pręcik tytoniowy i filtr, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jego filtr ma cechy według dowolnego poprzedniego zastrzeżenia.

Filtr zawiera wnękę wypełnioną węglem w postaci sferycznych kuleczek, do usuwania przynajmniej jednego składnika dymu tytoniowego z głównego strumienia dymu, gdy dym ten wciągany jest przez filtr.

Węgiel w postaci sferycznych kuleczek współdziała z materiałem wybranym z grupy składającej się z zeolitu, żelu krzemionkowego, modyfikowanego żelu krzemionkowego, polimerów nieorganicznych, iłu, tlenków metali, krzemianów metali, glinofosforanów i fosforanów metali.

Węgiel w postaci sferycznych kuleczek zawiera pierwszą grupę indywidualnych kuleczek o zasadniczo takiej samej średnicy oraz drugą grupę indywidualnych kuleczek o zasadniczo takiej samej średnicy, mniejszej niż średnica kuleczek z pierwszej grupy.

PL 204 792 B1

- 1 wartoś ci promienia kuleczek z pierwszej grupy.

Węgiel w postaci sferycznych kuleczek jest aromatyzowany.

Za aromatyzowanym węglem w postaci sferycznych kuleczek znajduje się przynajmniej jeden dodatkowy segment uwalniający środek zapachowy.

Za węglem w postaci sferycznych kuleczek znajduje się segment uwalniający środek zapachowy.

We wnęce znajduje się również inny materiał węgla w postaci kuleczek składający się z nieaktywowanego lub w mniejszym stopniu aktywowanego węgla w postaci kuleczek.

Węgiel w postaci kuleczek ma średnicę cząstek w zakresie od 0,2 mm do 0,7 mm.

Węgiel w postaci kuleczek ma średnicę cząstek w zakresie od 0,2 mm do 0,4 mm.

Węgiel w postaci kuleczek ma średnicę cząstek wynoszącą w przybliżeniu 0,35 mm.

Węgiel w postaci kuleczek jest aktywowany na poziomie w zakresie od 1100 do 1300 BET według pomiaru sposobem BET 61.

We wnęce znajdują się również kuleczki niewęglowe o wielkości w przybliżeniu takiej samej co wielkość kuleczek węgla.

Filtr ma kształt cylindryczny, zaś wnęka ma średnicę w przybliżeniu równą średnicy filtra, a długość wnęki wynosi w przybliżeniu od 2,5 mm do 12 mm.

W korzystnym przykładzie wykonania dostarcza się filtr typu wkładka-przestrzeń-wkładka, którego wgłębienie jest wypełnione węglem o postaci kuleczek o jednorodnym sferycznym kształcie i korzystnie w przybliż eniu takiej samej wielkoś ci, korzystnie w zakresie od 0,2 do 0,7 mm ś rednicy, korzystniej w zakresie od 0,2 do 0,4 mm lub około 0,35 mm średnicy. Przy takich wielkościach uzyskuje się wystarczające i skuteczne usuwanie fazy gazowej przy umiarkowanych poziomach aktywowania, które korzystnie mieszczą się w zakresie 1600 m²/g lub mniej (mierząc według sposobu Brunauer, Emmett & Teller (BET)). Zgodnie z tym co powiedziano, zachowuje się wytrzymałość lub twardość kuleczek węgla, zwiększając ich odporność na pęknięcie i powstawanie niepożądanego pyłu w trakcie procesu automatycznego wytwarzania laseczek filtrów.

Utrzymanie wielkości kuleczek dokładnie lub w pobliżu założonej średnicy ułatwia uzyskanie bardziej płynnego przepływu oraz bardziej jednorodnego upakowania kuleczek w trakcie procesu wytwarzania.

Okazuje się, iż większa część rozkładu wielkości porów aktywowanego węgla w postaci kuleczek leży w zakresie mikroporów (mniej niż 20 angstremów), co uważa się za stan optymalny dla usuwania składników fazy gazowej. Zauważono także, iż węgiel aktywny w postaci kuleczek (w szczególności węgiel w postaci kuleczek na bazie sadzy) odznacza się mniejszą populacją makroporów (większych niż 500 angstremów) w porównaniu do węgli aktywowanych (granularnych) na bazie drewna czy orzecha kokosowego.

Korzystnie węgiel w postaci kuleczek jest tak wytwarzany, iż odznacza się rozkładem wielkości porów leżącym głównie w zakresie mikroporów lub niewielkich mezoporów (50 angstremów lub mniej), ze znacznie mniejszą liczbą porów w zakresie makroporów (500 angstremów lub więcej) i z pozostałą ilością porów mieszczącą się pomiędzy tymi zakresami.

Węgiel w postaci kuleczek może być także przystosowany do unoszenia środków zapachowych, uwalnianych do strumienia dymu.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z boku papierosa zawierającego laseczkę tytoniu oraz wieloskładnikowy filtr według wynalazku, którego części są odłamane w celu zilustrowania detali wewnętrznej budowy, fig. 2 widok z boku podobny do fig. 1, na którym przedstawiono wnękę wypełnioną węglem w postaci sferycznych kuleczek o dwóch wielkościach, fig. 3 - widok w przekroju poprzecznym jednej sferycznej kuleczki zawierającej opcjonalnie rdzeń oraz powłokę powierzchniową ze środka zapachowego, fig. 4 - powiększony widok w częściowym przekroju poprzecznym wnęki filtra wypełnionej węglem w postaci sferycznych kuleczek, ukazujący punktową styczność pomiędzy kuleczkami, fig. 5 - widok z boku innego przykładu wykonania wynalazku zawierającego laseczkę tytoniu oraz wieloskładnikowy filtr z częściami odł amanymi w celu zilustrowania detali wewn ę trznej budowy, fig. 6 - widok z boku jeszcze innego przykładu wykonania wynalazku zawierającego laseczkę tytoniu oraz wieloskładnikowy filtr

PL 204 792 B1 z częściami odł amanymi w celu zilustrowania detali wewn ę trznej budowy, fig. 7 - wykres procentowej ilości podawanego w kolejnych wydmuchach 1,3-butadienu dla kilku węgli w postaci kuleczek o różnej wielkości, fig. 8 - wykres procentowej ilości podawanego w kolejnych wydmuchach 1,3-butadienu w funkcji róż nych węgli PICA i węgli w postaci kuleczek jak również ilości podawanego 1,3-butadienu dla kontrolnego standardowego papierosa 1R4F, a fig. 9 - wykres słupkowy pokazujący wpływ węgla oraz nieadsorbujących rozcieńczalników na procentową ilość podawanego 1,3-butadienu.

Według fig. 1, papieros 10 według wynalazku zawiera laseczkę tytoniu 12 oraz wieloskładnikowy filtr 14 przymocowany do laseczki za pośrednictwem końcówkowej bibuły 16. Filtr 14 ma postać konstrukcji typu wkładka-przestrzeń-wkładka z rozmieszczonymi wkładkami z octanu celulozy 18, 20 oraz wnęką 22 znajdującą się pomiędzy nimi, wypełnioną węglem 24 w postaci sferycznych kuleczek. W zakresie wynalazku leżą także inne konfiguracje filtra, które zawierają wnękę wypełnioną materiałem adsorbenta w postaci sferycznych kuleczek.

Węgiel 24 w postaci kuleczek zawiera pojedyncze kuleczki o korzystnie założonej wstępnie jednorodnej średnicy, które po utworzeniu złoża wewnątrz wnęki filtra mają korzystnie skłonność do wzajemnej punktowej styczności. Tego rodzaju punktowa styczność powoduje powstanie złoża węglowego o minimalnym kanałowaniu czy skracaniu ścież ki przechodzenia wciąganego dymu przez wnękę 22. Zgodnie z tym, uzyskuje się maksymalną styczność pomiędzy fazą gazową dymu tytoniowego a powierzchnią węgla w postaci kuleczek, osiągając niezmiernie wydajną adsorpcję docelowych składników fazy gazowej.

Wnęka 22 filtra wypełniona jest korzystnie sferycznymi kuleczkami węglowymi o takiej samej wielkości lub ewentualnie kuleczkami o różnych wielkościach, z których jedne są większe niż pozostałe. Kuleczki o mniejszej wielkości upakowują się równomiernie pomiędzy większymi kuleczkami, zgodnie z tym co pokazano na fig. 2. W szczególności na fig. 2 przedstawiono widok z boku podobny do fig. 1, przy czym wnęka 22 filtra wypełniona jest kombinacją dużych kuleczek 26 i mniejszych kuleczek 28 upakowanych równomiernie pomiędzy większymi kuleczkami. Dwie wielkości kuleczek mogą być dobrane matematycznie, dokonując maksymalizacji wypełnienia wnęki 22 i dzięki temu minimalizując boczne kanałowanie na zewnętrznych krawędziach wnęki. Przy doborze maksymalnej średnicy stosowanych kuleczek brana jest pod uwagę średnica cylindrycznej wnęki 22, zaś optymalna wydajność osiągana jest dzięki zastosowaniu średnic w zakresie od 1/10 do 1/40 średnicy wnęki. Gdy obecne są także mniejsze kuleczki 28 w kombinacji z większymi kuleczkami 26, mniejsze kuleczki mają generalnie średnicę wynoszącą około 22% średnicy większych kuleczek. Korzystnym matematycznym związkiem jest stosunek

- 1 dla promienia mniejszych kuleczek 28 wzglę dem promienia większych kuleczek 26.

W innej odmianie materiał kuleczek może być także tak dobrany, ażeby dostarczał środki zapachowe do strumienia dymu po usunięciu przez inne składniki filtra większości składników fazy gazowej przeznaczonych do usunięcia. W jednym szczególnym przykładzie wykonania element filtra może być podobny do tego, jaki pokazany został na fig. 1 z dodatkową dolną wnęką wypełnioną aromatyzowanym materiałem kuleczek.

Skłonność do tworzenia jednopunktowej styczności pomiędzy węglem 24 w postaci kuleczek powoduje minimalizację tarcia występującego pomiędzy kuleczkami i pozwala im na szybki przepływ w trakcie procesu wytwarzania podobnie do cieczy, powodują c samouł o ż enie się we wnę trzu wnęki 22 filtra w ściśle upakowanej matrycy. Tego rodzaju swobodny przepływ umożliwia szybkie i wygodne wypełnianie wnęki 22 z niewielkim lub prawie niewystępującym, powodującym straty, rozsypywaniem kuleczek węgla.

Materiały węglowe mogą być kształtowane do postaci kuleczek przy zastosowaniu znanych technik. Ponadto przy wyborze węgla aktywowanego w postaci kuleczek zastosowane mogą być węgle ujawnione w zgłoszeniach patentowych USA nr-y 4 917 835, 5 456 868 oraz 6 033 506, jak również inne preparaty węglowe znane w stanie techniki. Węgiel w postaci kuleczek o jednorodnej i faktycznie sferycznej postaci może być otrzymany z firmy Kureha Chemical Industry Co., Ltd z Japonii lub firmy Mast Carbon Ltd, z Henley Park, Guilford GU3 2AF, z Wielkiej Brytanii.

Jak zauważono powyżej, węgiel 24 w postaci kuleczek ulega natychmiastowemu upakowaniu do postaci ciasno upakowanej matrycy z minimalnym powstawaniem kanałów, które mogłyby niekorzystnie zmniejszać skuteczność złoża filtra wewnątrz wnęki 22. Stanowi to bezpośredni skutek punktowej styczności występującej pomiędzy gładkimi kuleczkami materiału. Tego rodzaju jednorodne upakowanie ułatwia uzyskanie mniejszych wahań budowy wytwarzanych filtrów jak również mniejsze

PL 204 792 B1 wahania ich ogólnych właściwości roboczych. W przeciwieństwie do upakowania złóż granularnych, które często ulegają osiadaniu, powodując powstawanie bocznych kanałów lub innych pustych przestrzeni, wnęka 22 jest wypełniana sferycznymi kuleczkami materiału węglowego w trakcie procesu wytwarzania zasadniczo całkowicie, po czym nie następuje później jego zauważalne osiadanie.

Inny przykład wykonania wynalazku stanowi papieros 10a z fig. 5, zawierający laseczkę materiału do palenia, na przykład rozdrobnionego tytoniu, a także wieloskładnikowy filtr 14 przymocowany do laseczki tytoniu 12 za pośrednictwem końcówkowej bibuły 16. Po zapaleniu papierosa 10a w laseczce tytoniu 12 powstaje dym, który wciągany jest poprzez nią oraz poprzez filtr 14.

Określenia względnego położenia górny i dolny pomiędzy segmentami filtra oraz innymi elementami odnoszą się do kierunku strumienia dymu, gdy jest on wciągany z laseczki tytoniu 12 oraz poprzez wieloskładnikowy filtr 14.

Korzystnie filtr 14 zawiera pierwszy, górny zawierający węgiel segment 50 oraz ustnikowy element 52. W tym przykładzie wykonania zawierający węgiel segment 50 zawiera podzespół filtra typu wkładka-przestrzeń-wkładka, który zawiera centralny element 54 filtra, element 56 sąsiadujący z tytoniem i oddalony od centralnego elementu 54 tworząc między nimi wnękę 58 wypełnioną materiałem węgla 24 w postaci sferycznych kuleczek, na przykład węglem aktywnym w postaci kuleczek. Element 56 od strony tytoniu znajduje się w sąsiedztwie laseczki tytoniu 12 i korzystnie zawiera wkładkę z octanu celulozy pakuły o niskiej rezystancji przepływu (RTD).

Jak już wspomniano powyżej, materiał węgla 24 w postaci sferycznych kuleczek zawiera poszczególne kuleczki, które kontaktują się ze sobą w pojedynczych punktach. Tego rodzaju jednopunktowa styczność daje w rezultacie złoże materiału węglowego o minimalnym kanałowaniu czy skracaniu ścieżki dymu tytoniowego przez wnękę 58. Zgodnie z tym, uzyskuje się maksymalną styczność między fazą gazową dymu tytoniowego a węglową powierzchnią kuleczek uzyskując skrajnie wydajną adsorpcję docelowych składników fazy gazowej.

Ponadto, jak zauważono powyżej, materiały węglowe mogą być formowane do postaci kuleczek z zastosowaniem technik znanych ze stanu techniki. Gdy w charakterze materiał u wę glowego w postaci sferycznych kuleczek wybiera się węgiel aktywowany, zastosowane mogą zostać węgle ujawnione w patentach USA o numerach 4 917 835, 5 456 868 oraz 6 033 506, jak również inne preparaty węglowe znane w stanie techniki. Opisy tych patentów załączone są jako odniesienie dla wszelkich przydatnych celów.

Ustnikowy element 52 ma korzystnie postać wkładki z octanu celulozy lub innego przydatnego włóknistego lub siatkowego materiału o umiarkowanej bądź niskiej skuteczności usuwania cząstek. Korzystnie skuteczność usuwania cząstek jest niska, przy czym wartość deniery i suma łączna deniery są tak dobrane, że osiąga się pożądaną całkowitą rezystancję przepływu wieloskładnikowego filtra 14.

Korzystnie przynajmniej część, jeżeli nie całość złoża węgla 24 zawiera środek zapachowy lub jest inaczej impregnowana środkiem zapachowym.

Na fig. 5, centralny element 54 wieloskładnikowego filtra 14 korzystnie zawiera wkładkę 60 z włóknistego materiału, korzystnie wkładkę z octanu celulozy o umiarkowanej bądź niskiej wydajności dla cząstek oraz rezystancji przepływu RTD razem z jednym lub większą liczbą rodzajów aromatyzowanej przędzy 62. Gdy strumień dymu wciągany jest przez centralny element 54 filtra i wzdłuż przędzy 62, środek zapachowy uwalniany jest do strumienia dymu. Aromatyzowane wkładki filtrów można otrzymać od firmy American Filtrona Company, 8410 Jefferson Davis Highway, Richmond, Virginia 23237-1341, zaś odpowiednia konstrukcja centralnego elementu 54 filtra opisana została w patencie USA nr 4 281 671.

Korzystnie na końcówkowej bibule 16 znajduje się jeden lub większa liczba obwodowych rzędów perforacji 64 wzdłuż centralnego elementu 54 i poniżej złoża aromatyzowanego węgla 24 w postaci kuleczek, korzystnie w górnej części centralnego elementu 54 w sąsiedztwie złoża 24. Korzystne położenie powoduje zmaksymalizowanie odległości pomiędzy ustnikowym końcem 66 papierosa a perforacjami 64, która wynosi korzystnie przynajmniej 12 mm lub wię cej, dzięki czemu wargi osoby palącej nie zakrywają perforacji 64. Korzystnie, poziom wentylacji leży w zakresie od 40 do 60%, a korzystniej w przybliż eniu od 45 do 55% w papierosie odznaczają cym się podawaniem substancji smolistych o wartości 6 mg według FTC.

Złoże węgla w postaci kuleczek może zawierać przynajmniej 70 do 120 mg (miligramów) lub więcej węgla w stanie całkowitego napełnienia lub od 160 do 180 mg lub więcej węgla w postaci kuleczek w stanie 85% napełnienia lub więcej we wnęce 58.

PL 204 792 B1

Przykładowo długość laseczki tytoniu 12 wynosi korzystnie 49 mm, zaś długość wieloskładnikowego filtra 14 wynosi korzystnie 34 mm. Długości czterech elementów filtra papierosa 10a są następujące: element 56 od strony tytoniu ma korzystnie 6 mm, długość złoża węgla 24 w postaci kuleczek wynosi korzystnie 12 mm dla ładunku węgla wynoszącego 180 mg, długość centralnego elementu 54 wynosi korzystnie 8 mm, zaś długość ustnikowego elementu 52 wynosi korzystnie 8 mm.

Laseczka tytoniu 12 może być owinięta w konwencjonalną owijkę papierosową lub też do tego celu zastosowana może zostać bibuła tasiemkowa. Tasiemkowa bibuła papierosowa zawiera oddzielone zintegrowane celulozowe opaski 68, które otaczają ukończoną laseczkę tytoniu papierosa 10 w celu zmodyfikowania szybkości spalania papierosa, redukując ryzyko zapłonu podłoża, w sytuacji pozostawienia na nim zapalonego papierosa 10a. W patentach USA o numerach 5 263 999 oraz 5 997 691 opisano tasiemkową bibułę papierosową, opisy te załączone są dla wszelkich przydatnych celów.

Figura 6 przedstawia inny korzystny przykład wykonania - zmodyfikowany papieros 10b z takimi samymi segmentami filtra jak papieros 10a z fig. 6, ale z nieco innym wzajemnym rozmieszczeniem segmentów, przy czym do oznaczenia podobnych elementów zastosowano podobne numery referencyjne. W papierosie 10b uwalniająca środek zapachowy przędza 62 znajduje się w ustnikowym elemencie 52 papierosa 10b, poniżej aromatyzowanego złoża węgla 24 w postaci kuleczek i oddzielona od niego przez centralny element 54. W tym przykładzie wykonania na aromatyzowaną przędzę 62 może być naniesiony plastyfikator, taki jak na przykład triacetyna, służący do utrzymania przędzy w miejscu wewnątrz elementu 52 i do zapobieżenia wyciągnięcia przędzy z filtra w trakcie palenia. Ewentualnie aromatyzowana przędza 62 może być spleciona, uzyskując taki sam skutek. Tak jak w przykładzie wykonania z fig. 5, obecna jest perforacja 64 położona wzdłuż centralnego elementu 54 filtra w sąsiedztwie, ale poniżej aromatyzowanego złoża węgla 24.

Materiał węgla aktywowanego w postaci kuleczek przeznaczony do zastosowania w opisanych wyżej filtrach papierosowych może być wytwarzany z zastosowaniem wielu znanych procedur wytwarzania kuleczek, takich jak na przykład opisane w patentach USA o numerach 3 909 449 i 4 045 368 oraz w patencie brytyjskim GB 1 383 085, z których wszystkie załączone są jako odniesienie dla wszelkich przydatnych celów. W wielu przypadkach do surowców należy sadza pochodząca z przetwórstwa ropy naftowej i węgla. Generalnie wystarczająca jest każda zawierająca węgiel substancja (lub prekursor węgla), o ile może ona zostać zawieszona w płynie, utworzyć sferyczny kształt, zestalić się a następnie ulec karbonizacji i aktywowaniu.

Istnieją wielkie zalety przy obróbce maszynowej węgla w postaci kuleczek w porównaniu do bardziej tradycyjnych postaci węgla cząsteczkowego czy granularnego (tego rodzaju granularny węgiel jak wytwarzany i sprzedawany przez firmę PICA USA Inc, 432 McCormick Boulevard, Columbus, Ohio 43213-1585). Zauważono, że w przypadku maszyny do wytwarzania laseczek filtra ustawionej do ładowania 180 mg granularnego węgla we wnęce filtra papierosowego o długości 12 mm przy średnim poziomie zapełnienia 86%, maszyna do wytwarzania laseczek bez regulacji ustawień maszyny oraz przy tej samej ilości węgla i takiej samej długości wnęki, osiągała w przybliżeniu 91% napełnienia objętościowo węglem w postaci kuleczek przy zadowalających szybkościach, na przykład 1500 wkładek na minutę. Ponadto zauważono, że działanie maszyny z węglem w postaci kuleczek powodowało powstawanie znacznie mniejszych ilości pyłu oraz rozsypany na zewnątrz węgiel zbierany przez maszynę nadawał się do ponownego użycia i nie pękał, jak ma to często miejsce w przypadku węgla granularnego.

W innej postaci wynalazek stanowi udoskonalenie smaku papierosa, który zawiera w filtrze węgiel w postaci kuleczek zamiast węgla granularnego. Jak wyjaśniono to bardziej wyczerpująco poniżej, zauważono, że w oparciu o skalę preferencji od 1 do 7, osoby palące w Ameryce oceniały papieros kontrolny niezawierający węgla na najwyższym poziomie (zgodnie z ich preferencją dla filtrów niezawierających węgla) i te same osoby oceniały papieros z węglem granularnym niżej, ale gdy paliły one ten sam model papierosa z węglem w postaci kuleczek, ich ocena rosła do poziomu pośredniego pomiędzy tymi obydwoma wskazaniami. Takie wyniki świadczą o znacznej przewadze punktacji upodobań węgla w postaci kuleczek nad węglem granularnym.

Zauważono, iż węgiel aktywowany w postaci kuleczek posiada znaczną część swojego rozkładu wielkości porów w zakresie mikroporów i mezoporów (mniej niż 50 angstremów) ze stosunkowo niewielkim rozkładem w zakresie makroporów większych niż 500 angstremów. Nie mając intencji ograniczania przez teorię, uważa się, iż dzięki mniejszej liczbie makroporów węgiel w postaci kuleczek ma mniejszą skłonność do wychwytywania elementów substancji smolistych z dymu, a zamiast tego

PL 204 792 B1 umożliwia przechodzenie środków zapachowych dymu przez złoże węgla w postaci kuleczek. Dla kontrastu, granularny (PICA) węgiel posiada duży udział rozkładu wielkości porów w zakresie makroporów (zakres wielkości równy lub większy niż 500 angstremów), które mają skłonność do wychwytu większych cząstek zawierających substancje smoliste i środki zapachowe.

Dodatkowo, granularny węgiel jest zbudowany z materiałów organicznych, takich jak na przykład łuski orzechów kokosowych, łuski orzechów czy drewno i uważa się, iż jego naturalne pochodzenie przyczynia się do znacznie większej ilości popiołu oraz różnych metali i innych materiałów lub zanieczyszczeń, których nie znajduje się w węglu w postaci kuleczek. Uważa się, że także ten aspekt przyczynia się do tego, że węgiel w postaci kuleczek ma przewagę w tym względzie nad węglem granularnym.

Istnieją trzy centralne zagadnienia dotyczące podatności na obróbkę i doboru materiału węglowego dla zastosowania w charakterze filtra papierosowego. Jednym z nich jest skłonność maszyny produkującej laseczki do wytwarzania pyłu w trakcie operacji związanych z wytwarzaniem papierosa. Pył może stanowić w dalszym ciągu problem przy przenoszeniu produktów. Innym zagadnieniem jest koszt obróbki cieplnej służącej do aktywowania węgla. Im większe wypalenie, tym większa masa surowca, który ulega stracie. Ponadto przy większych poziomach aktywowania w wyniku utraty masy węgla i jego gęstości, węgiel staje się bardziej kruchy. Ponadto występują ograniczenia co do tego, jak krótka może być długość wnęki napełnianej w laseczce filtra typu wkładka-przestrzeń-wkładka. Obecnie, w przypadku maszyn do wytwarzania laseczki filtra, korzystna jest długość wnęki wynosząca przynajmniej 4 do 6 mm. Wnęki o długościach mniejszych niż 4 mm stwarzają trudności przy wytwarzaniu i nie są korzystne.

Na skuteczność usuwania składników fazy gazowej wpływa wielkość cząstek oraz średnica kuleczek, przy czym im mniejsze są kuleczki tym skuteczność jest większa. Ponadto w ogólności im więcej jest aktywowanego węgla tym bardziej jest on skuteczny w usuwaniu składników fazy gazowej, jednakże obróbka (czynnik zapylenia) oraz koszt obróbki aktywującej stanowią zagadnienia przeciwne, decydujące o tym jak duża aktywacja jest pożądana. Równowaga osiągana jest poprzez zmniejszenie średnicy kuleczek do korzystnego zakresu wynoszącego w przybliżeniu od 0,2 do 0,7 mm, korzystniej od 0,2 do 0,4 mm przy poziomie aktywowania odpowiadającym polu powierzchni właściwej w zakresie od 1000 do 1600 metrów kwadratowych na gram według pomiaru BET (mierząc sposobem Brunauer, Emmett i Teller, oznaczanym symbolem m²/g BET), bardziej korzystnie w zakresie od 1100 do 1300 m²/g BET. Jednakże wyjątkowo małe kuleczki mają skłonność do tak ciasnego upakowania we wnęce filtra, że powodują dodatkowy spadek ciśnienia na wnęce w stopniu, który może nie być pożądany. W pewnych zastosowaniach, na przykład w korzystnych przykładach wykonania, nadmierny spadek ciśnienia może korzystnie zostać wyeliminowany. Zgodnie z tym bardziej korzystna wielkość sferycznego kształtu wynosi 0,35 mm średnicy. Korzystne zakresy wielkości ułatwiają także prawidłowe i czyste działanie maszyny do produktu laseczek filtrów.

Im mniejsza jest kuleczka węgla, tym ściślejszemu upakowaniu kuleczki te ulegają, co zwiększa spadek ciśnienia. Zgodnie z tym, tendencja do coraz mniejszych średnic kuleczek w celu zwiększenia skuteczności usuwania fazy gazowej napotyka na konieczność pozostawania w założonych granicach spadku ciśnienia na filtrze, spełniając oczekiwania osób palących odnośnie rezystancji przepływu (RTD) w trakcie palenia papierosa.

Na figurze 7 przedstawiono graficzną reprezentację ilości podawanego z ustnikowego końca papierosa w kolejnych wydmuchach 1,3-butadienu dla różnych średnic kuleczek węgla. Dane materiały węglowe zawierają 75 mg aktywowanego węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,7 mm w złożu o długości 2,7 mm (krzywa 100 na fig. 7), 75 mg aktywowanego węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,5 mm w złożu o długoś ci 2,6 mm (krzywa 102), a także 75 mg aktywowanego węgla w postaci kuleczek o ś rednicy 0,35 mm w złożu o długości 2,5 mm (krzywa 104). Każda wnęka znajdowała się w stanie całkowitego napełnienia.

Odwołując się w dalszym ciągu do fig. 7, zauważono, iż mniejsza średnica kuleczek powoduje zwiększenie wydajności usuwania 1,3-butadienu i jest w pełni skuteczna dla wszystkich wydmuchów. W szczególno ś ci zauważono, ż e 75 mg kuleczek oferowanych przez firmę Kureha Chemical Industry Co., Ltd z Japonii przy średnicy 0,35 mm z całkowicie napełnioną wnęką o długości 2,5 mm spowoduje wychwyt zasadniczo całego 1,3-butadienu z papierosa dla wszystkich ośmiu wydmuchów, nawet przy stosunkowo niskich wartościach stosunku pola powierzchni do masy.

Stopień aktywności obszaru powierzchniowego materiału kuleczkowego na fig. 7 leży w zakresie od 1000 do 1600 m²/g BET, korzystnie od 1100 do 1300 m²/g BET. Należy zauważyć, że wynik

PL 204 792 B1 reprezentowany przez krzywą 104 stanowi prawie całkowite wyeliminowanie 1,3-butadienu, zaś linia 102 oznacza znaczną redukcję (blisko 90%) zawartości 1,3-butadienu.

Na figurze 8 przedstawiono graficzną reprezentację ilości podawanego z ustnikowego końca papierosa w kolejnych wydmuchach 1,3-butadienu dla różnych średnic kuleczek węgla: 75 mg węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,35 mm we wnęce o długości 2,5 mm (krzywa 108 na fig. 8), 48 mg granularnego węgla (PICA) o siatce 40 x 60 we wnęce o długości 2,5 mm (krzywa 110), 46 mg granularnego węgla (PICA) o siatce 20 x 50 we wnęce o długości 2,5 mm (krzywa 112), 180 mg granularnego węgla (PICA) o siatce 20 x 50 we wnęce o długości 12 mm (krzywa 114), a także dla standardowego kontrolnego papierosa 1R4F (krzywa 116).

Porównując fig. 7 i 8 można zauważyć, że granularny węgiel o siatce 40 x 60 z ładunkiem 48 mg we wnęce o długości 2,5 mm (krzywa 110 na fig. 8) stanowi zasadniczo taki sam wynik jak dla węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,35 mm (krzywa 108 na fig. 7). Jednakż e wiadomo, iż węgiel PICA o siatce 40 x 60 jest wyjątkowo trudny do obsługi w operacjach maszyny do wytwarzania laseczek filtrów (znaczne i skomplikowane zapylenie). Jednakże węgiel w postaci kuleczek o średnicy 0,35 mm przy ładunku 75 mg jest łatwo poddawany obróbce bez powodowania znacznego zapylenia przy operacjach maszyny zarówno ze względu na korzystne ogólne właściwości przepływu węgla w postaci kuleczek jak również jego większej gęstości i twardości (gdy znajduje się na niższym lub umiarkowanym poziomie aktywowania). Zgodnie z tym, węgiel w postaci kuleczek uzyskuje taką samą wydajność, jak super drobny węgiel granularny (PICA), ale jeszcze przy wymiarach łatwo obsługiwanych przez maszyny do produkcji papierosów. Stanowi to znaczną zaletę.

Generalnie kuleczki węgla są materiałem bardziej gęstym i twardszym niż cząsteczkowy węgiel PICA. Zgodnie z tym co powiedziano występuje mniejsze zapylenie w trakcie wytwarzania i obróbki filtrów papierosowych zawierających węgiel w postaci kuleczek, a także ma on skłonność wypełniania wnęk w sposób bardziej uporządkowany i pełny niż w przypadku węgla granularnego.

W przypadku ładunku 75 mg węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,35 mm w stanie wypełnionej wnęki uzyskuje się doskonałą skuteczność usuwania fazy gazowej, na przykład reprezentowaną przez krzywą 104 na fig. 7. Jednakże tego rodzaju ładunek węgla całkowicie wypełnia wnękę o długości 2,5 mm przy obwodzie standardowego papierosa (24 milimetrów), która to długość wnęki jest trudna do wytworzenia. Może być korzystne włączenie do aktywowanego węgla w postaci kuleczek innych kuleczek o podobnej lub korzystnie takiej samej wielkości, ale o małej aktywności lub w ogóle nieodznaczających się aktywnością w celu zaoszczędzenia kosztów i zwiększenia możliwości obróbki. Eksperymenty łączące 75 mg węgla w postaci kuleczek ze szklanymi kuleczkami przy podziale wolumetrycznym wynoszącym 1/3 kuleczkowego węgla i 2/3 kuleczek szkła, pokazały zasadniczo taką samą wydajność w usuwaniu fazy gazowej jak w przypadku 75 mg ładunku, który oddziaływał samodzielnie. Zgodnie z tym, może być korzystne wymieszanie 75 mg ładunku aktywowanego węgla w postaci kuleczek z dodatkowymi kuleczkami węgla nieaktywowanego, korzystnie o takiej samej średnicy kuleczek, wystarczającej masie do wypełnienia wnęki o długości 6 mm lub takiej dodatkowej ilości, która może być wymagana do wypełnienia wnęki tradycyjnie stosowanej przez producenta papierosów. Tego rodzaju kombinacja kuleczek węgla aktywowanego oraz węgla nieaktywowanego daje takie same wyniki przy mniejszym koszcie, gdyż nie jest konieczne całkowite wypełnianie wnęki droższym aktywowanym węglem w postaci kuleczek. Inną korzyścią wynikającą z tego odkrycia jest możliwość dokonania przez producenta papierosa wstępnego wyboru wielkości wnęki dla jego spektrum gatunków papierosów, dzięki czemu ma swobodę wyboru różnych ilości węgla dla różnych gatunków lub opakowań i wypełnia pozostałą przestrzeń wnęki nieaktywowanym (lub aktywowanym w mniejszym stopniu) materiałem kuleczkowym, nośnikami aromatu lub innym przydatnym materiałem wypełniającym. W miarę zmiany upodobań osób palących lub w odpowiedzi na inne okoliczności, proporcja węgla aktywowanego w postaci kuleczek w filtrze może być zmieniana bez komplikacji, takich jak na przykład konieczność dokonania zmiany wielkości wnęki w konstrukcji papierosa lub zmiany wielkości w maszynach do produkcji filtra i papierosa. Stanowi to znaczn ą zaletę przy obróbce papierosów.

Na figurze 9 przedstawiono wykres słupkowy, na którym zilustrowano stosunkowo podobne wyniki dla całkowitej procentowej ilości podawanego 1,3-butadienu dla filtrów z samym tylko węglem w postaci kuleczek oraz wę glem w postaci kuleczek rozproszonym w nieadsorbują cym rozcień czalniku. Słupek 120 na fig. 9 reprezentuje kontrolny standardowy papieros 1R4F i pokazuje 86% podawanie 1,3-butadienu z ustnikowego końca papierosa po ośmiu wydmuchach w trakcie palenia. Słupek 122 oraz słupek 124 reprezentują budowę papierosa podobną do fig. 5, ale z acetylocelulozą i bez węgla (słupek 122) oraz 380 mg kuleczek szklanych i bez węgla (słupek 124). Po około ośmiu wyPL 204 792 B1 dmuchach całkowita procentowa ilość podawanego 1,3-butadienu z ustnika każdego z papierosów jest wysoka, wynosząca w przybliżeniu 91% dla słupka 122 oraz 82% dla słupka 124. Słupki 126, 128 i 130 reprezentują konstrukcje papierosów podobne do fig. 5, ale w każdym z tych przypadków wnęka filtra wypełniona jest innymi materiałami. Papieros reprezentowany przez słupek 126 zawiera wnękę wypełnioną 75 mg aktywowanego węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,35 mm. W przybliżeniu tylko 1% 1,3-butadienu przechodzi przez ustnik papierosa reprezentowanego przez słupek 122 po ośmiu wydmuchach, zaś podobne wyniki uzyskiwane są dla papierosów reprezentowanych przez słupki 128 i 130, w których to przypadkach wnęki filtrów wypełnione były przez 75 mg aktywowanego węgla w postaci kuleczek o średnicy 0,35 mm, ale w połączeniu z nieadsorbującymi rozcieńczalnikami. Papieros reprezentowany przez słupek 128 zawiera 190 mg kuleczek szklanych rozproszonych w kuleczkach węglowych, zaś papieros reprezentowany przez słupek 130 zawiera 380 mg kuleczek szklanych rozproszonych w kuleczkach węglowych. W każdym przypadku całkowita procentowa wartość podawania 1,3-butadienu z ustnika papierosa po ośmiu wydmuchach wynosi około 2%. Podsumowując, filtry, które zawierają kuleczki węgla aktywowanego w połączeniu z nieadsorbującym rozcieńczalnikiem dają w przybliżeniu takie same wyniki jak filtry o równoważnej masie aktywowanego węgla w postaci kuleczek w formie nierozcieńczonej.

W następującej tabeli 1 przedstawiono rozkład wielkości porów aktywowanych węgli, wliczając w to węgiel PICA o siatce 20 x 50 oczek na 25,4 mm oraz 40 x 60 oczek na 25,4 mm jak również węgli w postaci kuleczek o średnicach 0,7 mm, 0,5 mm i 0,35 mm pochodzących z dwóch różnych wsadów.

T a b e l a 1

	*0bjętości porów DFT
Próbka	Gęstość objętościowa (g/cm³)	Pole powierzchni BET (m²/g)	Obj. Mikro (cm³/g)	Obj. całk. (cm³/g)
PICA siatka 20 x 50	0,37	1587	0,5459	0,5983
PICA siatka 40 x 60	0,39	1468	0,5566	0,5967
Wsad 1 kuleczki o średnicy 0,7 mm	0,57	1129	0,4614	0,4849
Wsad 1 kuleczki o średnicy 0,5 mm	0,58	1247	0,4791	0,4906
Wsad 1 kuleczki o średnicy 0,35 mm	0,59	12899	0,4821	0,5154
Wsad 2 kuleczki o średnicy 0,5 mm	0,58	1150	0,4562	0,4618
Wsad 2 kuleczki o średnicy 0,35 mm	0,58	1244	0,4750	0,5030

*DFT: obliczone z wykorzystaniem funkcjonalnej teorii gęstości (DFT), która jest statystyczną termodynamiczną teorią na bazie molekularnej, pozwalającą na powiązanie izotermy adsorpcji z mikroskopowymi właściwościami systemu. (Odwołanie: P.A. Webb and C. Orr, Analytical Methods in Fine Particle Technology, Micrometrics Instrument Corporation, Norcross, GA, 1977, page 81).

₃

Węgiel PICA odznacza się gęstością objętościową wynoszącą w przybliżeniu 0,37 gram/cm³, zaś korzystny aktywowany węgiel w postaci kuleczek odznacza się gęstością objętościową większą niż 0,5, korzystnie w zakresie 0,55 do 0,6 g/cm³.

Należy zauważyć, że kuleczkowe aktywowane węgle według korzystnych przykładów wykonania mogą być mieszane, łączone lub mogą w inny sposób współdziałać z innymi adsorbentami takimi jak zeolity, sita molekularne, materiały kompozytowe lub warstwowe, iły, tlenek glinowy, tlenki innych metali, krzemiany metali, a także fosforany metali, żele krzemionkowe oraz modyfikowane żele krzemionkowe, takie jak na przykład kuleczki żelu krzemionkowego 3-aminopropylosilil (APS).

W następującej tabeli 2 przedstawiono całkowite procentowe ilości podawania wskazanych składników fazy gazowej dla standardowego papierosa 1R4F, dla konstrukcji filtrów papierosowych, w których wnęka filtra, taka jak przedstawiona na fig. 5, wypełniona jest wskazanymi materiałami.

PL 204 792 B1

Tabela

tp s · i e g -o ^βtn 2 en w *β ω- o X ³

CO σι

LO

Γ- P

LO r-

cn 'T

11

r*

cn

LO

lO

o CM

s

oo

CM

m

η

LO

lD

«τ

CM

ΟΊ

00

CM CM

Γ- un

O p

7-4

m

O P

O -» &«° . ι g ,, $ Ό ^b oj γ- ιο Z cn p \, f 3 ę *> O

co o P

Οΐ tn

Γ- όη

cn oc

LO Γ-

cn <r

<r cn

cn cn

O un

CM cn

Γ* cn

LO cn

CM CM

un Ρ

Γ- CM

> CM

<η CM

cn CM

Ρ Ρ

Ρ •«3·

<20 un

C0 m

CM ω

r- r-

r* p

cn p

P CM P

o σ> « *r _Ά ^eV«^s ω OU y «r 3 ρ ^Λ&

cn O P

m CM

CM

Lf) Γ-

P m

o

-o*

<3«

o

Ο

ο

Ο

m

Ο

ο

Ο

o

Ρ

ο Γ-

<r. CM

o

O

CM O P

46 mg węgla PICA 20 x 50

O O P

to •g*

ρ P

tn r*

o co

co

*SJ*

un

CM

r-4

cn i—t

cn

«—4

Ρ

ιΤ)

CM

cn

CM Ρ

<η Γ-

CM P

o

O

CM cn

50 mg kuleczek węgla o śręd. 0,35 mm oraz 50 mg krzemionki

r- ρ P

LO CM

cn

00 co

cn M*

o

CM

P

CM CM

CM

t—4

Ο

ο

Ρ

Ο

ο

Ρ

P

m Ρ

00 ιΛ

r- cn

o

CM

<n P

_& * ° . is ix O C? Μ Π «* .2 .2 ro s

t“4 O P

Γ- όη

o P

P r-

cn ŁO

uf)

cn

P

O CM

cn

CM

Ο

ο

CM

Ρ

ο

CM

P

ο CM

«y LO

o

un

00 o P

40 mg kuleczek węgla o śred. 0,35 mm oraz 60 mg krzemionki

lp cn

co CM

00 r-t

o r-

un *3·

<T

*r

cn

CM

CM t~4

cn

CM

ο

CM

η

Ρ

σ

cn

CM

Ρ CM

cn un

cn on

o

on

LO cn

30 mg kuleczek węgla o śred. 0,35 mm oraz 70 mg krzemionki

o cn

CO cn

Ό* CM

CM Γ*

r-

f-

n·

LO

«Γ

m

un 7-4

«Γ

«Ρ

ο

Ρ

ο

CM

ŁD

CM

σ

L0

vr

cn CM

ŁH m

m cn

o

in

«g· cn

380 szkla- nych kuleczek

co cn

O <»

r~ m

r- r~

Cd CM P

CM co

r- <n

on un

o P

LO 7—4 7-4

r- s

7-4 co

O Γ-

L0 αο

cn Γ»

00 <η

U0 Γ-

L0 cn

m 00

CM LO

CM CM Ρ

O CO t—4

Ρ łH

cn co

00 o P

cn LD

cn co

P

Ai _n ts O U) ^u , s O t φ ♦ « β * U W β B

on o P

cn Od

CM P

<n r-

CM cn

CM

P

rM

o CM

CM

ο

CM

ρ

ο

Ρ

p

CO Ρ

7—4 tn

7—4 on

O

o

CM P

_ Q5 ° , ο <n ι Φ · β N - J H 4X5 X N IM ^β O 5 ?. ,η <n ρ υ u w rC 5 ώ! ® ^{N c} d A r- φ. w * _w 2 & X ³ ° O —

cn <n

m CM

P P

00 r-

p cn

CM

cn

P

7—4

CD 7—4

KC

r-4

ο

Ρ

ο

m

Ρ

ο

CM

P

cn ρ

P in

co CM

O

P

cn P P

75 mg kuleczek węgla o śred. 0,35 mm

lo cn

CO P

r*

LO f

co ρ

«—ł

m

cn

CM

r-U CM

7-4

τ—4

Ρ

cn

CM

ο

CM

cn

m ρ

m •3»

cn CM

o

CM

cn P P

Kontrola 1R4F

t—ł o P

ιΛ cn

LO 00

O cn

o o P

LO CO

<r <n

<r cn

cn cn

Γ- ΟΟ

ιΛ cn

CM O 7-4

<η <η

Ό* CO

Ρ ο Ρ

<Γ co

LO cn

LO 00

C0 Γ-

O cn

co oo

Ρ <η

cn CO

cn cn

o cn

r~ r-

cn cn

f0 *—i σ α> 3 Λί Φ C Φ Ρ Ρ V S Ω

c φ 0. o M Cu

P Ό Ό O g c -Ό •r- > O

α <c ρ W

c Φ P Ό rc O 0 H CU

c Φ •W -o «ί P xj Λ cn P

Ci Φ P § M P

c Φ P Ό ns P c Φ § 7— X > o

c Φ Ή T5 «3 W M Φ x: 0 P > υ t cn P

« Φ •rJ Ό <xs ¢3 Φ Ci O •2 u 1 Φ s

Ό > X Φ Ό r- fc C bu

Ό > X Φ Ό <0 P Φ υ

Π3 β «Η Φ Ι- Ο Μ Μ

β ο Ρ φ υ <

Ρ > Ρ φ υ (ΰ Ρ Ω

β ο Ρ φ Αί Ο ρ > Ρ φ ο 7“ > ρ φ 3G

Ό > X Φ Ό Ρ 0 Ρ φ Ρ «ί g Μ Ρ

β φ Ν β Φ CC

C Φ β ρ 0 Η

Ρ > Μ Ρ Ρ β ο > Ρ Ρ β Λ 0 Ν Ρ

β Π3 P β P 0 i— > P Φ S

β β Ρ β Ρ 0 Ρ > ρ φ e Ρ Ό 1 un (Μ

Ρ ο Τ5 Ο £ Ο Λί Ρ «3 ρ w

Siarczek karbonylu

Merkaotan metylowy

p 2 •Τ- Ο o > P g 1 P

c Φ P Φ «5

β Φ P >7 P Φ υ <

PL 204 792 B1

Korzystnie środek zapachowy dodawany jest do kuleczek węglowych poprzez rozpylenie go na wsad aktywowanego węgla w bębnie mieszającym lub ewentualnie w złożu fluidalnym z wykorzystaniem azotu w charakterze czynnika fluidyzującego, przy czym środek zapachowy może być następnie rozpryskany na węgiel w złożu. W zakresie wynalazku leży także rozwiązanie polegające na umieszczeniu środków zapachowych na innych składnikach filtrów lub złożu kuleczek węglowych, samodzielnie lub z dodatkiem środka zapachowego unoszonego wzdłuż jednej lub większej liczby owijek wkładek i/lub bibułki końcówkowej.

Znawca tej dziedziny techniki dostrzeże, że wynalazek może zostać zrealizowany inaczej niż tylko według opisanych tutaj przykładów wykonania, które przedstawione zostały w celu ilustracji, nie zaś ograniczenia. Przykładowo filtry papierosowe mogą zawierać węgiel w postaci kuleczek zamknięty w obrębie włóknistej masy, takiej jak na przykład pakuła z octanu celulozy. Także ewentualnie każda ze sferycznych kuleczek może zawierać rdzeń oraz powierzchniową powłokę ze środka zapachowego. Wynalazek ograniczony jest wyłącznie przez następujące zastrzeżenia patentowe.

Claims

1. Filtr papierosowy zawierający węgiel aktywowany, znamienny tym, że węgiel aktywowany (24) jest w postaci sferycznych kuleczek węgla aktywowanego o wybranej wstępnie średnicy.

2. Filtr wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e wę giel aktywowany (24) w postaci sferycznych kuleczek ma średnicę kuleczek w zakresie od około 0,20 mm do 0,70 mm.

3. Filtr wedł ug zastrz. 2, znamienny tym, ż e wę giel aktywowany (24) w postaci sferycznych kuleczek ma średnicę kuleczek w zakresie od 0,20 mm do 0,40 mm.

4. Filtr wedł ug zastrz. 3, znamienny tym, ż e wę giel aktywowany (24) w postaci sferycznych kuleczek ma średnicę kuleczek wynoszącą około 0,35 mm.

5. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej część materiału węgla aktywowanego (24) w postaci kuleczek ma pole powierzchni właściwej nie większe niż 1600 metrów kwadratowych na gram według pomiaru BET.

6. Filtr według zastrz. 5, znamienny tym, że przynajmniej część materiału węgla aktywowanego (24) w postaci kuleczek ma pole powierzchni właściwej w zakresie od 1100 do 1300 metrów kwadratowych na gram według pomiaru BET.

7. Filtr wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e wę giel aktywowany (24) w postaci kuleczek ma ₃ gęstość większą niż 0,5 g/cm³.

8. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że węgiel aktywowany (24) w postaci kuleczek jest umieszczony we wnęce (22), którą wypełnia zasadniczo całkowicie.

9. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że węgiel aktywowany (24) w postaci kuleczek jest umieszczony we wnęce (22), którą wypełnia w stopniu w przybliżeniu od 80 do 95%.

10. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że węgiel aktywowany (24) w postaci kuleczek jest w zało żonej wstę pnie loś ci wystarczają cej do zmniejszenia o pożądaną wielkość iloś ci przynajmniej jednego składnika dymu.

11. Filtr według zastrz. 10, znamienny tym, że węgiel aktywowany (24) w postaci kuleczek jest w założonej wstępnie ilości wystarczającej do zmniejszenia ilości 1,3-butadienu o przynajmniej około 90%.

12. Filtr według zastrz. 11, znamienny tym, że założona wstępnie ilość węgla aktywowanego (24) w postaci kuleczek wynosi od około 70 do 180 miligramów.

13. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera drugi materiał kuleczkowy o mniejszym lub zerowym poziomie aktywowania w porównaniu do węgla aktywowanego (24) w postaci kuleczek.

14. Filtr według zastrz. 13, znamienny tym, że drugi materiał kuleczkowy zawiera węgiel w postaci kuleczek o zasadniczo takiej samej średnicy co kuleczki aktywowanego węgla (24).

15. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że węgiel aktywowany (24) w postaci sferycznych kuleczek zawiera pierwszą grupę indywidualnych kuleczek (26) o zasadniczo takiej samej średnicy oraz drugą grupę indywidualnych kuleczek (28) o zasadniczo takiej samej średnicy, mniejszej niż średnica kuleczek (26) z pierwszej grupy.

16. Filtr według zastrz. 15, znamienny tym, że sferyczne kuleczki (28) z drugiej grupy mają promień, który wynosi w przybliżeniu

- 1 wartoś ci promienia kuleczek (26) z pierwszej grupy.

PL 204 792 B1

17. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera cylindryczną wnękę (22), zaś węgiel aktywowany (24) jest w postaci sferycznych kuleczek o średnicach w zakresie od 1/10 do 1/40 średnicy tej cylindrycznej wnęki (22).

18. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej część węgla aktywowanego (24) w postaci sferycznych kuleczek jest aromatyzowana.

19. Filtr według zastrz. 18, znamienny tym, że za aromatyzowanym węglem aktywowanym (24) w postaci sferycznych kuleczek znajduje się przynajmniej jeden dodatkowy segment (54) uwalniający środek zapachowy.

20. Filtr według zastrz. 19, znamienny tym, że dodatkowy segment (54) uwalniający środek zapachowy zawiera przędzę (62) z naniesionym na nią środkiem zapachowym.

21. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że za węglem aktywowanym (24) w postaci sferycznych kuleczek znajduje się segment (54) uwalniający środek zapachowy.

22. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że sferyczna postać kuleczek węgla aktywowanego (24) jest efektem zawieszenia topliwego prekursora węgla w płynie, a następnie jego zestalenia i karbonizacji.

23. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej część węgla aktywowanego (24) w postaci kuleczek, określona z wykorzystaniem teorii DFT, odznacza się objętością właściwą mikroporów wynoszącą przynajmniej 0,4 cm³/g, przy czym całkowita objętość porów jest nie większa niż 0,6 cm³/g.

24. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że ma kształt cylindryczny i zawiera wnękę (22) mającą średnicę zasadniczo równą średnicy filtra i długość około 2,5 mm do 12 mm.

25. Papieros zawierający pręcik tytoniowy i filtr, znamienny tym, że jego filtr (14) ma cechy według dowolnego poprzedniego zastrzeżenia.

26. Papieros zawierający pręcik tytoniowy oraz filtr, znamienny tym, że filtr (14) zawiera wnękę (22) wypełnioną węglem (24) w postaci sferycznych kuleczek, do usuwania przynajmniej jednego składnika dymu tytoniowego z głównego strumienia dymu, gdy dym ten wciągany jest przez filtr.

27. Papieros według zastrz. 26, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci sferycznych kuleczek współdziała z materiałem wybranym z grupy składającej się z zeolitu, żelu krzemionkowego, modyfikowanego żelu krzemionkowego, polimerów nieorganicznych, iłu, tlenków metali, krzemianów metali, glinofosforanów i fosforanów metali.

28. Papieros według zastrz. 26, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci sferycznych kuleczek zawiera pierwszą grupę indywidualnych kuleczek (26) o zasadniczo takiej samej średnicy oraz drugą grupę indywidualnych kuleczek (28) o zasadniczo takiej samej średnicy, mniejszej niż średnica kuleczek z pierwszej grupy.

29. Papieros według zastrz. 28, znamienny tym, że sferyczne kuleczki (28) z drugiej grupy mają promień, który wynosi w przybliżeniu

- 1 wartoś ci promienia kuleczek (26) z pierwszej grupy.

30. Papieros według zastrz. 26 albo 27, albo 28, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci sferycznych kuleczek jest aromatyzowany.

31. Papieros według zastrz. 30, znamienny tym, że za aromatyzowanym węglem (24) w postaci sferycznych kuleczek znajduje się przynajmniej jeden dodatkowy segment (54) uwalniający środek zapachowy.

32. Papieros według zastrz. 31, znamienny tym, że dodatkowy segment (54) uwalniający środek zapachowy zawiera przędzę (62) z naniesionym na nią środkiem zapachowym.

33. Papieros według zastrz. 30, znamienny tym, że za węglem (24) w postaci sferycznych kuleczek znajduje się segment (54) uwalniający środek zapachowy.

34. Papieros według zastrz. 26, znamienny tym, że we wnęce (22) znajduje się również inny materiał węgla w postaci kuleczek składający się z nieaktywowanego lub w mniejszym stopniu aktywowanego węgla (24) w postaci kuleczek.

35. Papieros według zastrz. 26 albo 34, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci kuleczek ma średnicę cząstek w zakresie od 0,2 mm do 0,7 mm.

36. Papieros według zastrz. 35, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci kuleczek ma średnicę cząstek w zakresie od 0,2 mm do 0,4 mm.

37. Papieros według zastrz. 36, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci kuleczek ma średnicę cząstek wynoszącą w przybliżeniu 0,35 mm.

PL 204 792 B1

38. Papieros według zastrz. 37, znamienny tym, że węgiel (24) w postaci kuleczek jest aktywowany na poziomie w zakresie od 1100 do 1300 BET według pomiaru sposobem BET 61.

39. Papieros według zastrz. 26, znamienny tym, że we męce (24) znajdują się również kuleczki niewęglowe o wielkości w przybliżeniu takiej samej co wielkość kuleczek węgla (24).

40. Papieros według zastrz. 26, znamienny tym, że filtr (14) ma kształt cylindryczny, zaś wnęka (22) ma średnicę w przybliżeniu równą średnicy filtra, a długość wnęki wynosi w przybliżeniu od 2,5 mm do 12 mm.