RU2805738C1 - Фильтрующий материал и фильтр для задерживания полиароматических углеводородов, карбонила и других соединений дыма от табачных изделий - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области фильтрующих систем и материалов, более конкретно к области процессов получения гибридного фильтра, который в основном основан на микро- и наноуглеродных материалах, поддерживаемых в пористых полимерных структурах. Гибридный углеродсодержащий материал состоит из микронизированного графита, активированного углерода и одного или более из оксида графена, графена и листов графена из нескольких слоев. Указанные материалы связаны с пористой полиэтиленовой подложкой. Причем материал имеет удельную поверхность, составляющую более 900 м²/г. Изобретение также относится к фильтру, содержащему указанный материал и к способу получения такого материала. Обеспечивается высокая избирательность и эффективность в отношении фильтрации летучих соединений. 3 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл., 3 пр.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области фильтрующих систем и материалов, более конкретно, из процессов получения гибридного фильтра, который в основном основан на микро- и наноуглеродных материалах, поддерживаемых в пористых полимерных структурах.

В частности, но без исключения, к газовым фильтрам, которые одновременно проявляют специальную избирательность в отношении полиароматических углеводородов, таких как те, которые присутствуют в основном потоке дыма от табачных изделий, и высокую избирательность в отношении карбонила и других соединений дыма.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сигаретный дым делится на основной поток, попадающий в организм курильщика, боковой или «вторичный» поток, который представляет собой смесь дыма, выдыхаемого курильщиком, и дыма от бокового потока сигареты, а также «третичный» поток, т.е. загрязнение окружающей среды, которое сохраняется после завершения использования табачного изделия. Фракции частиц и пара в сигаретном дыме включают в себя тысячи химических веществ, распределенных в соответствии с диаграммой, изображенной на ФИГ. 1. В их число входят группы или семейства химических веществ, являющихся особенно нежелательными ввиду их токсичных свойств. Нежелательные для здоровья соединения или семейства зачастую называют соединениями или семействами Хоффмана и их группируют по их химическим структурам и функциям.

Невыборочная фильтрация для устранения или снижения уровня этих веществ также приведет к устранению веществ, которые не являются токсичными, а вносят свой вклад во вкусовые и ароматические характеристики сигарет, тем самым влияя на их органолептические свойства и, таким образом, их коммерческую ценность.

По этой причине, для согласования требований табачных изделий в части продаж и здоровья, стали особенно важны технологии, которые обеспечивают возможность выборочной экстракции для снижения или устранения нежелательных продуктов из дыма, улучшая его профиль в части здоровья, однако учитывая органолептические свойства.

Интерес к выборочным фильтрам и их присутствию на рынке не является новым, типичным примером являются частицы активированного углерода на волокнах из ацетата целлюлозы, которые представляют собой «далматинские» фильтры, известные в течение десятилетий.

Давно было продемонстрировано, что уголь проявляет избирательность к карбонилу, а также то, что для удержания угля на высокопористых полимерных подложках, она обеспечивает возможность получения фильтров с высокой концентрацией углеродистого материала и, следовательно, достижения улучшенных результатов.

В последние годы интерес к развитию и изучению пористых наноматериалов на основе графена возрастает, поскольку они объединяют свойства графеновых материалов с пористой структурой, обеспечивая этим материалам увеличенную удельную площадь поверхности. Это делает их превосходными кандидатами для производства различных типов систем фильтрации за счет потенциальных коммерческих применений и интересных физико-химических свойств, связанных со способностью удержания различных типов молекул, в особенности, органических. Таким образом, данная возможность дает начало большому количеству потенциальных вариантов применения при разработке высокоэффективных систем фильтрации.

Полимерная система из активированного углерода/связующего (полиэтилена с очень высокой молекулярной массой) уже была разработана компанией Celanese Acetate (CelFx Technology), новизна которой обеспечивается высокой концентрацией активированного углерода, заключенного в высокопористую массу подложки. После заключения торгового соглашения с Celanese, совладелец ввел в действие эту разработку в бренде сигарет Floyd в его различных версиях. В документе WO 2012/054111 предложена возможность исследования применений этой пористой массы в качестве подложки для многочисленных возможных материалов и химических веществ, в том числе новых форм углерода, таких как графен, нанотрубки, фуллерены и т.д., хотя до настоящего времени на практике она не находила применения в каком-либо изделии на рынке. В данном документе описан фильтр из пористой массы с активными частицами и пластификатором с высокой молекулярной массой, при этом пористая масса обернута вокруг продольной оси, а активированный углерод и графен являются опциями в отдельных отсеках одного и того же фильтра. Таким образом, фильтр, описанный в настоящем документе, не согласуется с фильтром из настоящего изобретения.

В документе US 2019/0000136 А1, приоритетным документом которого является патент Китая CN 2017/071331, описан фильтр на основе графена, который отличается фильтра из настоящего изобретения двумя основными особенностями. Описанный материал не является гибридным материалом, а графен, на который в нем ссылаются, т.е. графеновый аэрогель, представляет собой чистый графен. Данная особенность делает реализацию данного изобретения чрезвычайно трудной ввиду его затрат на обычные сигареты. Другое отличие заключается в том, что тип фильтра, описанный в данном документе, является сегментированным, тогда как фильтр в настоящем изобретении представляет собой уникальный фильтр с полостями.

В документе CN 105054291 (А) относится к материалу с фильтрующей способностью, где графен обеспечивает адсорбцию на целлюлозных волокнах. Этот материал отличается от материала из настоящего изобретения тем, что графен, содержащийся в гибридном материале, заявленном в настоящем документе, адсорбируется на микрочастицах активированного углерода, и эти частицы включены в высокопористую полимерную матрицу. Это делает процесс получения гибридного материала более адаптируемым и экономически целесообразным.

Другие патентные документы Китая, CN 204444223, CN 204444224, CN 108378416А и CN 107373750, относятся к фильтрам с различными полостями или секциями, где одна из них выполнена из графена или оксида графена, отдельно или на ацетате целлюлозы. Однако ни в одном из них не описано применение гибридных графеновых материалов, способ получения графена или применение отслоенного графена в водных средах при содействии поверхностно-активных веществ, как описано в настоящем изобретении.

В документе WO 2017/187453 описан способ синтеза графена, а также основанный на нем многоразовый фильтр, который может быть независимым изделием или может быть связан с сигаретой. Объект изобретения по WO 2017/187453 полностью отличается от заявленного в настоящем изобретении, поскольку в первом не используются графеновые материалы, способ синтеза отличается от используемого в настоящем изобретении, а тип фильтра, предложенный в нем, отличается от такового в настоящем изобретении.

Документ WO 2010/126686 относится к применению углеродных нанотрубок, распределенных по подложке в фильтрах, для снижения и/или устранения ряда компонентов в текучей среде, которой может быть вода или воздух.

В описанных выше документах не рассматривается применение многокомпонентных композитных материалов, основанных на активированном углероде и графеновых материала, поддерживаемых на полимерных матрицах в одном и том же отсеке, как и реализация матрицы, которая поддерживает графен и обеспечивает возможность производства долговременного фильтра, как это сделано в настоящем изобретении.

Подводя итог, документы, описанные в настоящем документе, не раскрывают технологическое решение того, каким образом следует включить углеродные наноматериалы в высокопористые полимерные матрицы, которые обеспечивают возможность производства фильтров с надлежащим падением давления, согласно целевому назначению, например, для производства фильтров для табачного дыма.

Также особенно важно то, что ни в одном случае даже не рассматривается применение графена или графеновых материалов и активированного углерода в одном и том же отсеке, как предусмотрено в настоящем изобретении, что является существенным технологическим преимуществом с точки зрения производства фильтров и рентабельности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В широком смысле, настоящее изобретение предусматривает разработку гибридных материалов (композитов) из неактивированных и/или активированных микро- и наноуглеродных материалов, таких как графен, оксид графена, листы графена из нескольких слоев, углеродные нанотрубки, наночастицы графита и углерода, полученные из чистого графита, поддерживаемые на активированном углероде и содержащиеся на пористой полимерной матрице, которые являются особенно пригодными для применения в производстве фильтров, в частности, но без исключения, для газов.

В изобретение также входит разработка способа получения гибридных материалов, таких как: активированный материалами микронизированного графита/активированного углерода/наноуглерода или неактивированный высокопористый полимер, который особенно пригоден для применения в производстве систем фильтрации.

Кроме того, изобретение предусматривает конструктивное исполнение и разработку фильтра высокой избирательности и эффективности для летучих соединений в целом, и, в частности, карбонилов, а также ароматических и полиароматических углеводородов, произведенного из гибридного материала, согласно настоящему изобретению, который особенно пригоден, но без исключения, для производства фильтров дыма от табачных изделий. Однако материал может быть применен в водных и газовых фильтрах в другой отрасли промышленности, отличной от табачной.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение заключается в разработке гибридного (композитного) материала на основе оксида графена и/или графена, и/или листов графена из нескольких слоев, и/или углеродных нанотрубок, которые активированы полностью или частично, поддерживаемых на микрочастицах активированного углерода и/или микронизированного графита, тем самым действуя в качестве микроструктурных опор наноуглеродных материалов. Эти гибридные микрочастицы однородно включены в высокопористые полимерные подложки для получения макроскопической гибридной системы, которая проявляет высокопористую микро- и наноскопическую архитектуру и очень высокую удельную поверхность, составляющую более 900 м²/г.

В свою очередь, в изобретении раскрыт способ получения этого гибридного материала, а также конструктивное исполнение и разработка фильтра высокой избирательности и эффективности в отношении летучих соединений в целом, но без исключения, для фильтрации табачного дыма в сигаретах.

Материал, согласно настоящему изобретению:

Так называемые гибридные или композитные материалы состоят из двух или более материалов, обладающих разными физико-химическими свойствами, которые при объединении дают другой материал, обладающий свойствами, отличающимися от свойств компонентов, взятых по отдельности.

Наноуглеродные материалы представляют собой наноматериалы на основе углерода, такие как фуллерены, нанотрубки, нановолокна, графен, оксид графена, листы графена из нескольких слоев, отслоенный графит и т.д., которые, благодаря своим необычным физическим, химическим и механическим свойствами, стали одним из наиболее важных семейств материала за последнее десятилетие.

В число наноуглеродных материалов, применяемых в настоящем изобретении, входят углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки представляют собой витки графеновых пластин, образующие трубку с открытым или закрытым концом. Существует два типа нанотрубок: многостенные нанотрубки (МСНТ), получить которые легче всего, и одностенные нанотрубки (ОСНТ). МСНТ в целом построены из ОСНТ большого количества радиусов, расположенных концентрически друг другу. В части своих механических свойств, все данные указывают на то, что нанотрубки являются очень гибкими, стойкими к разлому, растягиванию и сжатию. Они обладают относительно большой теплоустойчивостью (они начинают переходить в воздух при 750°С, а в вакуум - приблизительно при 2800°С) и, по оценкам, обладают вдвое большей теплопроводностью, чем алмазы. Они обладают относительно низкой плотностью, находящейся в диапазоне от 1,33 до 1,44 г/см³, и, что является ключевым для настоящего изобретения, они имеют большие площади поверхности, составляющие приблизительно 1000 м²/г для одностенных нанотрубок, благодаря своей структуре и физической форме.

В заявленный материал может быть включен оксид графена. Оксид графена представляет собой графеновый материал, который интересен сам по себе, а также является одним из основных предшественников графена. Его атомарная структура состоит из одного слоя атомов углерода, состоящих из углеродных шестигранников с гибридизацией sp², однако в отличие от графена, их некоторая пропорция произвольным образом связана с атомами кислорода, представляя гибридизацию sp³. Таким образом, поверхность оксида графена функционализирована на обеих сторонах гидроксилом, эпоксидом и крабонильными группами, а края - карбонильными группами. Различные группы молекул могут связываться с оксидом графена как ковалентными, так и нековалентными связями.

Другим наноматериалом, включенным в гибридный материал, является графен. Кристаллическая структура графена состоит из двухмерной матрицы по типу «пчелиной соты» атомов углерода, ковалентно связанных между собой связями sp², что делает его первым примером фактического наличия двухмерного кристалла. Толщина одного слоя графена находится в диапазоне от 0,34 до 1,6 нм. В случае графена, его реактивность в основном обусловлена нековалентными взаимодействиями, поскольку в идеале он не должен обеспечивать оксигенированные функции в его структуре. Несмотря на указанное выше, на практике способ дает в результате некоторую пропорцию остаточных оксо-групп, так что они также могут быть установлены, хоть и в малом расширении, от их ковалентных связей с органическими молекулами.

В ходе способа получения гибридного материала, раскрытого в настоящем документе, получают смесь графена и листов графена из нескольких слоев. Листы графена из нескольких слоев (графен из нескольких слоев) получают путем укладывания между 3 и 10 листами графена.

В частности, крупная система π делокализованных электронов, которая характеризует графеновые системы, обеспечивает структуру листа, обогащенную электронами с обеих сторон, что дает сильное сродство для ароматических соединений, тем самым делая их превосходными адсорбентами для них.

Материал, представленный в настоящем изобретении, определяется, как гибридный графеновый материал, обладающий характеристиками, о которых не сообщалось до настоящего времени. Также, этот материал, в случае его применения в производстве сигаретных фильтров, продемонстрировал превосходные производственные характеристики.

Процесс получения гибридного материала:

Описанный выше процесс для гибридного материала (ФИГ. 2) в целом состоит из первой стадии микронизации графита или углеродного материала путем воздействия ультразвуком на водную дисперсию указанного материала. Применение коммерчески доступного графита подходит для данного процесса. В ходе этого процесса, в водный раствор могут быть или могут не быть включены поверхностно-активные вещества или стабилизаторы, такие как полисорбаты, поливинилпирролидон, N-метилпирролидон, додецилсульфат натрия и т.д., в подходящей концентрации.

Два варианта реализации могут быть применены для производства наноуглеродных материалов или для получения оксида графена одним из обычных способов, таких как модифицированный метод Хаммерса, или жидкофазное отслаивание, которому содействует наличие поверхностно-активных веществ и/или стабилизаторов, таких как указаны выше, в среде, используя высокоэффективное оборудование типа ротор-статор.

При типичном синтезе оксида графена взвешивают 2 г графита, к которым добавляют 100 мл концентрированной H₂SO₄ путем помешивания в шейкере для планшетов при комнатной температуре. Смесь помещают в ледяную баню до тех пор, пока температура в ледяной бане не упадет до приблизительно 5°С, и в смесь добавляют приблизительно 8 г KMnO₄ путем магнитного возмущения и ледяной бани. Очень медленно добавляют 100 мл холодной дистиллированной воды. Оставляют на помешивание в течение 1,5 часа. По каплям добавляют Н₂О₂ до тех пор, пока смесь не перестанет пузыриться. Смесь оставляют в состоянии покоя на всю ночь. Супернатант отбрасывают. Промывание выполняют путем центрифугирования или путем сцеживания раствора. Гранулу промывают 5% HCl последовательными этапами до тех пор, пока рН не достигнет значения, близкого к 3 или выше. Для получения отслоенного оксида графена, на него воздействуют ультразвуком с помощью ультразвукового указателя.

Полученный таким образом оксид графена может применяться сам по себе и/или в качестве восстановленного оксида графена. Для достижения этого восстановления могут быть применены различные способы, такие как химическое, термическое или гидротермическое восстановление. Для получения оксида графена использовали гидротермальный реактор. Суспензию отслоенного оксида графена помещают до тех пор, пока она не достигнет наполнения в диапазоне от 70 до 80% от общего объема автоклава, ее нагревают до температуры в диапазоне от 100 до 130°С в течение от 4 до 12 часов.

Синтез графена из нескольких слоев проводят в жидкой фазе с содействием поверхностно-активными веществами, используя высокоэнергетичный ультразвуковой указатель или посредством высокоэффективного оборудования по типу статор-ротор.

Типичный синтез включает в себя обработку 10 г графита, суспендированного в объеме, находящемся в диапазоне от 200 до 1000 мл. Поверхностно-активное вещество, предназначенное для применения, разводят в этом растворе в соотношении, находящемся в диапазоне от 1 до 20%. Микронизация графита, предназначенного для применения в качестве предшественника в указанном выше синтезе, также может быть обеспечена путем обработки водной фазы ультразвуком.

Описанные выше формы обеспечивают наноуглеродные материалы, предназначенные для применения позднее в производстве гибридного материала: оксида графена, графена, листов графена из нескольких слоев, отслоенного графена, углеродных наночастиц или углеродных нанотрубок.

Процесс активации представляет собой процесс создания пор в углеродных материалах. Этот процесс активации может определять микро- и наноструктуру (дефекты, поры, края, размер слоя) получаемого в результате материала и, следовательно, оказывать существенное воздействие на его производственные характеристики в качестве молекулярного фильтра.

Для активации углеродных материалов могут быть применены различные способы, такие как окислительные виды обработки в присутствии сильных кислот, таких как серная кислота и азотная кислота, виды твердофазной обработки предшественников углерода гидроксидом натрия или калием при высоких температурах, или, предпочтительно, виды обработки газами или их смесями, такими как азот или углекислый газ, при высоких температурах.

Активация полученных графеновых материалов проводится, предпочтительно, в газовой фазе, для чего эти сухие материалы в закрытой печи подвергают воздействию потока, например, горячего СО₂ в диапазоне температур от 500 до 1100°С в течение периодов времени от 1 до 10 часов.

Полученные таким образом графеновые материалы смешивают с активированным углеродом с гранулометрией, составляющей, например, от 35 до 70 меш, при помешивании и при температуре, например, в диапазоне от 50 до 90°С в течение периода, являющегося достаточно длительным для поддержания суспензии временно стабилизированной. После этого периода, систему подвергают вакуумному выпариванию при температуре, например, в диапазоне от 50 до 70°С, получая сухой углеродный материал, который затем будет объединен с полиэтиленом высокой молекулярной массы.

Изобретение также предусматривает разработку композитных материалов, выполненных из указанного выше гибридного материала, на котором размещают соли металла, в частности, меди, цинка и железа, поддерживаемые на высокопористых полимерных подложках.

Изобретение также предусматривает разработку композитных материалов, выполненных из указанного выше гибридного материала и наночастиц металла, такого как медь, цинк и железо, поддерживаемых на высокопористых полимерных подложках.

Изобретение также предусматривает разработку композитных материалов, выполненных из указанного выше гибридного материала и цеолитов в виде микрочастиц, замещенных металлами, такими как медь, железо или цинк, поддерживаемых на высокопористых полимерных подложках.

Конструктивное исполнение и разработка фильтра

В отношении системы фильтрации, являющейся объектом настоящего изобретения, был разработан материал фильтра, который одновременно содержит графен и активированный углерод, закрепленный на пористых массах, состоящих из полиэтилена очень высокой молекулярной массы, которые обладают преимуществом, заключающимся в образовании структур соединений, связывающих частицы адсорбента, и в предложении очень слабого сопротивления прохождению дыма, обеспечивая возможность получения фильтров с очень низким падением давления.

В системе рассматриваемой степени сложности безусловно существуют различные типы молекулярных взаимодействий, которые в основном неполярного типа и в основном обусловлены sp²-гибридизациями атомов углерода. В целом, такие взаимодействия, как правило, входят в замысел дисперсионных сил (вандерваальсовых, лондоновских, дебаевских, диполь-дипольных и т.д.).

В данном случае, рассматривая активированный углерод в качестве дезорганизованной формы графита с произвольной или аморфной структурой, но где по атомной шкале имеют место локализованные структуры ароматических колец в формах произвольно ориентированных графеновых нанокристаллов⁽¹⁾, взаимодействия набора орбиталей σ-n (Hunter и Sanders^(2-3)) между ароматическими кольцами графена и графеновыми нанокристаллами активированного углерода являются особенно релевантными. Эти взаимодействия отражены на ФИГ. 3 и будут свидетельствовать о различных интенсивностях в зависимости от взаимной ориентации взаимодействующих систем. Отталкивание π-π преодолевается с учетом наибольшей стабилизирующей силы связей σ-π.

В системе фильтрации, являющейся объектом настоящей заявки, эти наноуглеродные комбинации смешивают с полиэтиленом высокой молекулярной массы и подвергают воздействию температуры 200°С в течение 20 минут, что дает высокопористую массу, которая поддерживает частицы адсорбента. Смесь может подвергаться нагреву до температуры 180°С - 200°С в течение от 20 до 40 минут. Это представляет собой типичный процесс спекания, в котором термопластичный материал нагревается до высокой температуры, но которая ниже, чем температура плавления, создавая сильные связи между его частицами за счет атомной диффузии в точках контакта между этими частицами.

Этот процесс спекания может выполняться на металлической форме, которая, в случае сигаретного фильтра, может представлять собой цилиндр подходящего диаметра для конструирования сигареты, к прикрепления к которой он предназначен. Данная операция также может выполняться непрерывно на устройстве, специально разработанном для таких целей.

На ФИГ. 4 можно увидеть изображение СЭМ (сканирующей электронной микрографии) пористой массы, спеченной полиэтиленом очень высокой молекулярной массы. На ФИГ. 5 представлено СЭМ-изображение фильтра, являющегося объектом настоящего изобретения, на котором изображены спеченные частицы (светлые тона), которые создают опорную структуру между углеродными частицами.

Изобретение включало в себя исследование баланса между гранулометриями (наномерными и метрическими) компонентов и исследование наиболее подходящей процедуры смешивания для предотвращения повреждения взаимодействий между адсорбционными способностями вовлеченных адсорбентов.

Данное исследование продемонстрировало, что такие отрицательные взаимодействия отсутствуют, а фильтр функционирует эффективно для удержания полиароматических углеводородов, карбонилов и летучих соединений. Пропорции компонентов фильтра также регулировали для получения пористых масс с оптимальными физическими свойствами, в частности, в отношении крепости, пористости и фильтрующей способности.

Фильтр, согласно настоящему изобретению, также обладает преимуществом, заключающимся в достижении успешной фильтрации двух больших групп нежелательных компонентов сигаретного дыма в одной секции фильтра, и может быть применен к различным табачным изделиям, таким как сигареты, трубки, бонги (кальяны), электронные сигареты, изделия, в которых табак нагревается, а не сгорает (HNB, «heat not burn»), и любое другое устройство, выпускающее дым или пар. В конкретном случае его коммерческого применения к конструкции сигареты, к указанному сектору прикрепляют другой сектор, состоящий из волокон из ацетата целлюлозы, в соответствии с традиционной структурой обычных сигарет с фильтром. Несмотря на то, что этот второй сектор обеспечивает некоторый неизбирательный фильтрующий эффект, его основными целями в данном случае являются: включение качественно выполненной конечной части на мундштучном конце сигареты и, в конечном итоге, по мнению разработчика, включение системы вентиляции путем микролазерной перфорации в распылительной части сигареты, включение выпускающих аромат капсул путем сжатия вручную и даже вмешательства в регулирование времени пребывания дыма в контакте с фильтрующими материалами.

Ссылки

(1) Jeremy С.Palmer, Keith Е. Gubbins, Microporous and Mesoporous Materials 154 (2012) 24-27

(2) C.A. Hunter, J.K.M. Sanders, J. Am.Chem.Soc. 1980, 112, 5525-3534

(3) Ch.R.Martinez, B.L.Iverson, Chem.Sci. 2012,3,2191

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

На ФИГ. 1 изображена схема, описывающая химический состав сигаретного дыма.

На ФИГ. 2 изображена схема, описывающая различные стадии получения материала, являющегося объектом настоящего изобретения.

На ФИГ. 3 изображена схема взаимодействий набора орбиталей σ-π между ароматическими кольцами графена и графеновыми нанокристаллами активированного углерода.

На ФИГ. 4 можно увидеть изображение СЭМ (сканирующей электронной микрографии) пористой массы, синтезированной из полиэтилена очень высокой молекулярной массы, и ее пористую структуру.

На ФИГ. 5 представлено СЭМ-изображение фильтра, согласно настоящему изобретению, на котором изображены синтезированные частицы и светлые тона, которые создают опорную структуру между углеродными частицами.

ПРИМЕРЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИЛЬТРА, РАСКРЫТОГО В НАСТОЯЩЕЙ ЗАЯВКЕ

Случай 1.

Анализировали сигареты А и В, соответствующие общему конструктивному исполнению, представленному на следующей фигуре:

Состав пористых масс данных сигарет является следующим:

Сигарета А: Активированный углерод 70%+графен 6%+GUR 24%

Сигарета В: Активированный углерод 70%+GUR 30% (ЭТАЛОН)

Основное отличие между двумя сигаретами заключается в наличии графена в пористой массе в А. Другие физические и химические свойства очень похожи в обоих изделиях, при этом вентиляция в распылительных частях в обоих случаях составляет 60%. Значения падения давления поддерживали в диапазоне от 120 до 140 мм Н₂О. Табак в обоих табачных столбиках является одним и тем же.

Две группы сигарет одновременно курили в курительной машине Cerulean SM450, согласно режиму «Health Canada Intensive» (шесть повторений для каждой сигареты), и экстракты анализировали в соответствии с внутренним способом, в ходе которого производили подсчет 13 полиароматических углеводородов. Результаты анализа подытожены в Таблице I, в которой показано значительное восстановление нескольких полиароматических углеводородов в дыме от текущей основной сигареты по сравнению с сигаретой В (эталоном).

Случай 2.

Анализировали сигарету С, конструктивное исполнение которой соответствует таковому в случае 1 по сравнению с эталонной сигаретой 1R6F от Университета Кентукки. Сигарета 1R6F представляет собой сигарету международного стандарта для исследовательской работы и служит в качестве основы для сравнения данных от разных лабораторий. Сигарета С имеет сектор, содержащий пористую массу со следующим составом:

Сигарета С: Активированный углерод 71%+графен 11%+GUR 18%

Сигарета 1R6F представляет собой сигарету с традиционным фильтром из ацетата целлюлозы.

Испытания курения обеих сигарет проводили одновременно на курительной машине Cerulean SM450 с использованием метода «Health Canada Intensive» (шесть повторений для каждой сигареты).

Результаты анализа подытожены в Таблице II и обеспечивают возможность сравнения восстановительной способности нескольких полиароматических углеводородов в фильтре, согласно настоящей заявке.

Случай 3.

При курении сигареты С в случае 2, восстановление карбонила оценивали путем сравнения результата с результатом, полученным для эталонной сигареты 1R6F. Две сигареты курили с использованием метода ISO 3308:2012, а экстракты анализировали в соответствии с CRM 74:2018 для определения восьми карбонилов (шесть повторений для каждой сигареты). Результат подытожен в Таблице III и обеспечивает возможность сравнения восстановительной способности карбонила в фильтре, согласно настоящей заявке.

Claims (8)

1. Гибридный углеродсодержащий материал, отличающийся тем, что он состоит из микронизированного графита, активированного углерода и одного или более из следующих материалов: оксид графена, графен, листы графена из нескольких слоев, где указанные материалы связаны с пористой полиэтиленовой подложкой, и причем материал имеет удельную поверхность, составляющую более 900 м²/г.

2. Фильтр, способный полностью или частично удерживать полиароматические углеводороды, карбонил и указанные ниже заданные соединения, находящиеся в дыме от табачных изделий, отличающийся тем, что он содержит, в одном и том же отсеке, графен, связанный с активированным углеродом и микронизированным графитом, по п. 1, которые поддерживаются на одной и той же пористой полиэтиленовой подложке, причем такой отсек прикреплен или свободен от прикрепления к другому традиционному отсеку фильтра из волокон из ацетата целлюлозы, при этом композитные материалы способны уменьшать содержание следующих полиароматических углеводородов в газообразном потоке и в заданных количествах по сравнению с международной эталонной сигаретой 1R6F от Университета Кентукки: нафталин 93%, аценафтилен 74%, аценафтен 73%, флуорен 68%, антрацен 63%, фенантрен 54%, флюорантен 52%, хризен 49%, пирен 52%, бензо(k)флюорантен 34%, бензо(b)флюорантен 34%, бензо(а)пирен 53%; причем указанные углеродсодержащие материалы дополнительно способны, одновременно с упомянутыми ранее, уменьшать следующие карбонильные соединения по сравнению с сигаретой от Университета Кентукки в следующих пропорциях: формальдегид 72%, ацетальдегид 82%, ацетон 87%, акролеин 89%, пропиональдегид 82%, кротоновый альдегид 88%, метилэтилкетон 85% и бутанал 85%.

3. Способ получения материала по п. 1, отличающийся тем, что он включает все или некоторые из следующих этапов, на которых:

а) обеспечивают микронизацию коммерчески доступного графита путем применения ультразвука к водной дисперсии, в которую, предпочтительно, добавлены поверхностно-активные вещества и/или стабилизаторы, такие как полисорбаты, поливинилпирролидон, N-метилпирролидон, додецилсульфат натрия,

b) синтезируют наноуглеродные материалы, в основном графен, листы графена из нескольких слоев и/или отслоенный графен, где синтез является выполняемым двумя способами: модифицированным методом Хаммерса или, предпочтительно, отслаиванием в жидкой фазе, которому содействует наличие поверхностно-активных веществ и/или стабилизаторов, таких как указаны выше, используя высокоэффективное оборудование типа ротор-статор,

c) синтезированные таким образом наноуглеродные материалы размещают с поддержанием на микрочастицах из активированного углерода с гранулометрией в диапазоне от 35 до 70 меш, смешивают их в суспензии при помешивании и при температуре в диапазоне от 50°С до 90°С до тех пор, пока суспензия не станет временно стабилизированной,

d) выполняют вакуумное выпаривание временно стабилизированной суспензии при температуре в диапазоне от 50°С до 70°С, получая сухой углеродный материал, который затем смешивают с полиэтиленом высокой молекулярной массы,

e) нагревают смесь до 180°С - 200°С в течение от 20 до 40 минут.