ПЛАТИНОВЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2003 года по МПК A24D3/00 A24D3/14 

Изобретение платиновый фильтр "Platinumfilter" относится к табачной промышленности, в частности к технологии изготовления фильтров для сигарет, и может быть использовано в промышленном производстве новых низкотоксичных сигарет.

Проблемы здравоохранения, связанные с курением, обусловлены токсическими веществами табачного дыма.

Табачный дым, потребляемый курильщиком, содержит комплекс токсических веществ, вредное воздействие которых стремятся уменьшить разработчики новых сортов сигарет. Вещества, образующиеся при пиролизе табака и вдыхаемые курильщиками, обладают широким спектром вредного воздействия. Вредные вещества газовой фазы, в частности угарный газ, образуя комплекс с гемоглобином крови, снижают ее кислородную емкость, осложняют стенокардию и ведут к повреждению сосудов. С веществами, содержащимися в смоле, связаны рак легкого, полости рта, пищевода, поджелудочной железы. Никотин, попадая в организм человека, оказывает хроническое токсическое действие. Полиароматические углеводороды, радионуклеиды и металлы приводят к изменениям белкового обмена в ткани печени.

Чтобы уменьшить концентрацию токсических веществ в табачном дыме, могут быть использованы четыре фактора по отдельности или в комплексе, которые позволяют получать существенные результаты:
- изменение состава табачного материала (разведение различных ботанических и товарных сортов, воздействие на состав табака с помощью различных физико-химических методов, применение восстановленного табака и т.д.) позволяет эффективно изменять в заданном направлении структуру дыма;
- изменение технологических параметров сигарет (линейные размеры, плотность набивки и др. показатели) также в некоторых случаях оказывают влияние на структуру дыма;
- использование сигаретных фильтров различного состава и конструкции позволяет внести значительные коррективы в качественный состав дыма и в значительной мере снизить содержание токсичных ингредиентов;
- повышение вентиляционной способности сигарет за счет перфорации сигаретной бумаги и особенно перфорации фильтра способствует снижению количества вредных газообразных компонентов.

Применяемые при производстве сигарет фильтры на сегодняшний день не исключают полностью вредного воздействия на организм человека целого ряда компонентов табачного дыма. Поэтому производители табачной продукции во всем мире заняты поиском более эффективных способов очистки табачного дыма.

Заявляемое изобретение Platinumfilter относится к способам воздействия на химический состав фильтра для изменения качественного состава и токсичности дыма сигарет.

Сигаретный фильтр, с определенной степенью приближения, можно рассматривать, как хроматографическую колонку, в которой происходят процессы удерживания различных соединений. При этом эффективность удерживания зависит от физико-химических параметров веществ, применяемых в качестве сорбента.

Известен фильтр для сигарет, содержащий обертку и сердечник в виде жгута из волокон, импрегнированный сорбентом компонентов табачного дыма, представляющим собой активированный уголь - неспецифический термостойкий сорбент с сильно развитой пористой структурой и большой удельной поверхностью (800-1000 м²/г), обуславливающей высокую адсорбционную емкость. (1)
Недостатками такого фильтра является неэффективность в отношении ряда опасных компонентов табачного дыма, т.к. активированный уголь не улавливает полностью целого ряда веществ, и низкая механическая прочность.

Известен также фильтр для сигарет, содержащий обертку и сердечник в виде жгута из волокон, импрегнированный сорбентом компонентов табачного дыма, представляющим собой гранулы цеолита, модифицированные кремнийорганическим мономером. Природные и искусственные цеолиты представляют собой кристаллические алюмосиликаты с трехмерной структурой из тетраэдров SiO₄ и АlO₄ М_2/nO Аl₂O₃ xSiO₂ уН₂О (где М - щелочной или щелочноземельный металл; n - его степень окисления), объединенных в те или иные полиэдры. Внутренняя удельная поверхность цеолитов достаточно большая 700-800 м²/г, а устойчивость к нагреванию свыше +500^oС. Природные цеолиты привлекают своей доступностью, легко могут измельчаться до любых размеров частиц, но обладают невысокой селективной адсорбцией. Повышение селективной адсорбции осуществляется путем модификации цеолитов, т. е. к поверхности цеолита прививаются химическим путем функциональные кремнийорганические группы. Такая операция повышает стоимость, сокращает срок хранения и снижает термостойкость сорбента до +200^oС, но позволяет селективно удерживать в сложных смесях углеводородов ряд классов органических соединений, в том числе и полиароматических углеводородов. (2)
В целом недостатками такого фильтра является ограниченность спектра поглощаемых компонентов табачного дыма, особенно недостаточная степень поглощения нитрозоаминов, радионуклеидов, аммиака и галогенов, низкая стойкость к длительному хранению и возможность деградации вещества фильтра при нагревании с образованием токсичных соединений: цианидов, аммиака, производных бензола.

Технической задачей изобретения является создание эффективного фильтра для сигарет, а также расширение арсенала фильтров для сигарет.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в повышении температурной стойкости и механической прочности фильтра, повышении стабильности при хранении, повышении производительности производства за счет упрощения технологии импрегнирования применяемыми веществами, реализации высокой адсорбционной емкости и селективности очистки в отношении наиболее опасных для человека составляющих табачного дыма, повышении химической и геометрической гомогенности и емкости, реализации совместного адсорбционно-распределительного механизма удерживания молекул из состава табачного дыма.

Сущность изобретения заключается в том, что фильтр для низкотоксичных сигарет, содержащий обертку и сердечник в виде жгута из волокон 1-4 денье, импрегнирован, в качестве сорбента компонентов табачного дыма, мелкодисперсным порошком платины в количестве 0,1-0,2% массы фильтра и, по меньшей, мере, одним пористым органическим полимером с удельной поверхностью 20-600 м²/г из группы, включающей: стиросорб, тенакс и сополимер стирола и дивинилбензола, в количестве, составляющем 5-20% массы фильтра.

При этом обертка предпочтительно выполнена перфорированной на 0,25-0,6 поверхности, а жгут выполнен из эфирцеллюлозного волокна из группы: ацетатцеллюлоза, триацетатцеллюлоза, битуацетатцеллюлоза, бензолацетатцеллюлоза или их смеси, или из штапельного волокна, или из лиоцелловых волокон, или из волокон термопластика, причем средний размер частиц порошка платины предпочтительно равен 2-10 мкм.

Подбор импрегнирующих сорбентов осуществлялся исходя из поставленной задачи - эффективного улавливания конкретных наиболее вредных для здоровья человека веществ и органических соединений: нитрозоамины (N-нитрозопирролидин, N-нитрозодиметиламин, N-нитрозодиэтиламин), многоядерные полиароматические углеводороды (пирен, бенз(а)пирен, перилен и др.), радионуклеиды, аммиак. При этом снижение концентрации никотина в дыме должно осуществляться до разумных пределов, обеспечивающих удовлетворение потребности в курении.

Согласно настоящему изобретению в состав фильтра вводится порошок платины и, по меньшей мере, один пористый органический полимер из группы, включающей: сополимер стирола и дивинилбензола, поли-2,6-дифенил-п-фениленоксид (Тенакс), а также внутримолекулярно сшитый полистирол (Стиросорб). Эти вещества являются достаточно термостойкими (могут использоваться при температурах до +250^oС, а Тенакс - до +375^oС), не подвержены микробиологическому разрушению и обладают достаточно широким диапазоном удельных поверхностей (от 20 до 600 м²/г). Эти высокочистые пористые полимеры и платина не вносят изменений в органолептические свойства сигаретного дыма (запах, вкус и внешний вид).

Количественные характеристики импрегнирующих сорбентов определялись учитывая, что реальное снижение уровня выбранных соединений после сигаретного фильтра на 60-70% позволяет уменьшить риск для курильщика в 3-4 раза.

Важно отметить, что удерживание молекул дыма на указанных пористых полимерах осуществляется не только в результате адсорбции, но и вследствие совместного адсорбционно-распределительного механизма, роль которого существенно возрастает в присутствии пылеобразной платины. Такой механизм повышает эффективность и селективность адсорбции при выделении из газообразной смеси токсических соединений и газов.

Одновременно с никотином, нитрозоаминами, полиароматическими углеводородами, радионуклеидами и аммиаком фильтром дополнительно достаточно эффективно удерживаются: эфиры, кетоны, альдегиды, амины, амиды, галогены, газообразные продукты: СО₂, СО и т.д., т.е. все то, что может присутствовать в табачном дыме.

Совместное введение мелкодисперсного порошка платины и органического полимера существенно увеличивает скорость улавливания и прочность удержания этих соединений. Одновременно это придает фильтру способность поглощать радионуклеиды (изотопы цезия, стронция, висмута и полония), а также подавлять образование NO₂ из NO, окислять (нейтрализовать) аммиак, присутствующий в табачном дыме.

Снижение содержания органического полимера и платины ниже минимального предела или увеличение размера частиц последней ведет к ухудшению качества получаемого фильтра (уменьшение сроков хранения, снижение активности адсорбции).

Превышение содержания органического полимера и платины выше верхнего предела или уменьшение размера частиц последней ведет к удорожанию получаемой продукции без существенного улучшения фильтрующей способности и влияния на развитие опасных заболеваний человека.

Введение платины и органических полимеров осуществляется механическим путем при изготовлении жгута, резка которого производится после импрегнирования платиной и органическими полимерами.

Структурные формулы пористых органических полимеров приведены в конце описания.

Данные пористые органические полимеры обладают высокой химической и геометрической гомогенностью, механической прочностью и большой емкостью вследствие большого объема пор. Все они представляют собой структуры, включающие бензольное кольцо (в структурных схемах изображено в виде шестиугольника), а также углеводородные группы (СН, CH₂, СН₂СН₃) или кислород (О).

В приведенных ниже примерах исследованы показатели различных вариантов выполнения предлагаемого фильтра.

Пример 1
Фильтр для сигарет содержит обертку и сердечник в виде жгута из лиоцелловых волокон 3,2 денье, который импрегнирован мелкодисперсным порошком платины в количестве 0,1% массы фильтра и пористым органическим полимером стиросорб, с удельной поверхностью 200 м²/г, в количестве, составляющем 15% массы фильтра. Обертка выполнена перфорированной на 0,25 поверхности.

Пример 2
Фильтр для сигарет содержит обертку и сердечник в виде жгута из эфирцеллюлозного волокна (ацетатцеллюлозы) 2,1 денье, который импрегнирован мелкодисперсным порошком платины в количестве 0,2% массы фильтра и пористым органическим полимером тенакс с удельной поверхностью 220-380 м²/г, в количестве, составляющем 15% массы фильтра. Обертка выполнена перфорированной на 0,5 поверхности.

Пример 3
Фильтр для сигарет содержит обертку и сердечник в виде жгута из смеси волокон ацетатцеллюлозы и триацетатцеллюлозы 2,1 денье, который импрегнирован мелкодисперсным порошком платины в количестве 0,2% массы фильтра и пористым сополимером стирола и дивинилбензола с удельной поверхностью 400-600 м²/г, в количестве, составляющем 20% массы фильтра. Обертка выполнена перфорированной на 0,6 поверхности.

Примечание: параметр "денье" - масса (в граммах) 9 км нити волокна (характеризует толщину нити).

Прокурка полученных в соответствии с примерами 1-3 образцов и контрольного образца (сердечник в виде жгута из волокон ацетатцеллюлозы, без внесения порошка платины и полимера) была произведена на курительной машине типа "Брогвальд". Кроме того, прокуривался образец сигареты без фильтра. Сигареты прокуривались в жидкостные ловушки с цитратно-фосфатным буфером. Содержание нитрозоаминов определялось на газовом хроматографе.

Эффективность улавливания, в сравнении с неочищенным дымом сигареты без фильтра, оценивалась по соотношению 100%х(А-Б):А, где А - исходное значение (без фильтра), Б - опытное значение (контрольная сигарета и примеры 1-3) содержания вещества. Все сигареты были изготовлены из одной партии табака Берлей. Результаты экспериментов изложены в таблице.

Результаты экспериментов показывают высокую эффективность полученного фильтра Platinumfilter в отношении большинства составляющих табачного дыма, а в наибольшей степени в отношении особенно опасных компонентов: нитрозоамины (N-нитрозопирролидин, N-нитрозодиметиламин, N-нитрозодиэтиламин), многоядерные полиароматические углеводороды (пирен, бенз(а)пирен, перилен и др. ), радионуклеиды и аммиак.

Никотин удаляется таким образом, чтобы не лишать дым этого основного алкалоида табака, определяющего физиологическую потребность самого курения. В противном случае курильщик будет чувствовать неудовлетворенность, что для реализации продукции нежелательно. С помощью предлагаемого, согласно настоящему изобретению, фильтра никотин сохраняется в табачном дыме в количестве, обеспечивающем удовлетворение потребности в курении, без увеличения числа выкуриваемых сигарет.

В результате настоящего изобретения создан эффективный фильтр Platinumfilter для сигарет, а также расширен арсенал фильтров для сигарет.

При этом повышена температурная стойкость и механическая прочность фильтра, стабильность при хранении, повышена производительность производства за счет упрощения технологии импрегнирования применяемыми веществами, реализована высокая адсорбционная емкость и селективность очистки в отношении наиболее опасных для человека составляющих табачного дыма, повышена химическая и геометрическая гомогенность и емкость, реализован совместный адсорбционно-распределительный механизм удерживания молекул из состава табачного дыма.

Источники информации
1. SU 1535824, 1988.

2. RU 2113810,1998 (прототип).

Изобретение относится к табачной промышленности и может быть использовано в промышленном производстве низкотоксичных сигарет. Фильтр содержит обертку и сердечник в виде жгута из волокон 1÷4 денье. Сердечник импрегнирован мелкодисперсным порошком платины в количестве 0,1÷0,2% массы фильтра и, по меньшей, мере, одним пористым органическим полимером с удельной поверхностью 20÷600 м²/г. Полимер выбран из группы, включающей стиросорб, тенакс и сополимер стирола и дивинилбензола, в количестве, составляющем 5÷20% массы фильтра. При этом обертка может быть выполнена перфорированной на 0,25÷0,6 поверхности. Жгут может быть выполнен из эфирцеллюлозного или штапельного волокна, из лиоцелловых волокон или из волокон термопластика. Средний размер частиц платины предпочтительно равен 2-10 мкм. Изобретение позволяет достичь высокой адсорбционной емкости и селективности очистки в отношении наиболее опасных составляющих табачного дыма, 6 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Фильтр для низкотоксичных сигарет, содержащий обертку и сердечник в виде жгута из волокон 1-4 денье, импрегнированный сорбентом компонентов табачного дыма, отличающийся тем, что он импрегнирован мелкодисперсным порошком платины в количестве 0,1÷0,2% массы фильтра и, по меньшей мере, одним пористым органическим полимером с удельной поверхностью 20-600 м²/г из группы, включающей стиросорб, тенакс и сополимер стирола и дивинилбензола, в количестве, составляющем 5÷20% массы фильтра. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что обертка выполнена перфорированной на 0,25÷0,6 поверхности. 3. Фильтр по любому из пп. 1,2, отличающийся тем, что жгут выполнен из эфирцеллюлозного волокна из группы: ацетатцеллюлоза, триацетатцеллюлоза, битуацетатцеллюлоза, бензолацетатцеллюлоза или их смеси. 4. Фильтр по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что жгут выполнен из штапельного волокна. 5. Фильтр по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что жгут выполнен из лиоцелловых волокон. 6. Фильтр по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что жгут выполнен из волокон термопластика. 7. Фильтр по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что средний размер частиц платины равен 2-10 мкм.