ФИЛЬТР ДЛЯ СИГАРЕТ Российский патент 2004 года по МПК A24D3/06 

Изобретение относится к фильтрам, предназначенным для использования в сигаретах с целью фильтрации табачного дыма от вредных компонентов.

Несмотря на постоянно возрастающее внимание к здоровью людей и ужесточение экологических требований, потребление в мире табачных изделий не снижается. Действия по ограничению курения в общественных местах, на производстве и т.п., предпринимаемые на государственном уровне, а также профилактические мероприятия остаются малоэффективными. В связи с этим проблема сохранения здоровья ложится главным образом на самих потребителей табачной продукции и на разработчиков технологии изготовления сигарет и их элементов (табак, бумага, фильтр). Общество давно пришло к выводу о вреде табака и его компонентов для организма человека. Начиная с 1950-х гг., когда появились первые данные о том, что табачный дым может вызывать онкологические заболевания, делаются попытки уменьшить содержание в дыме вредных для здоровья веществ.

Принято считать, что никотин и смола - основные вещества, обусловливающие вред табачного дыма. Большинство правил регулирования их содержания в табачных изделиях во всех странах основано на подходе, разработанном Федеральной торговой комиссией (ФТК) США в середине 1960-х гг. Он заключается в том, что специальная курительная машина делает каждую минуту затяжки до тех пор, пока не будет выкурена определенная длина сигареты, после чего анализируется осадок, накопившийся на фильтре курительной машины. Метод одобрен Международной организацией стандартизации (ISO) и обычно называется методом ISO-ФТК.

Никотин летуч только в свободной форме, а в табаке присутствует в основном в солевой (связанной). При сгорании он переходит в свободную форму и абсорбируется в организме. Чем больше соотношение свободного и связанного никотина, тем более биодоступен никотин для абсорбции. Чтобы снизить это соотношение, целесообразно повышать рН табачного дыма путем добавления в табак солей аммония и/или мочевины.

Смола, согласно методу ISO-ФТК, - все то, что остается на фильтре курительной машины за вычетом никотина и воды. При курении дым попадает в организм в виде концентрированного аэрозоля, который при охлаждении конденсируется и образует смолу, оседающую в дыхательных путях. Смола является смесью многих веществ с различным уровнем токсичности и канцерогенности. Состав смолы у разных табачных изделий может сильно отличаться и, следовательно, может разниться их вред для организма человека. Содержащиеся в смоле вещества вызывают рак и другие заболевания легких, а также снижают эффективность иммунной системы. Тем не менее, смола как показатель не отражает весь состав табачного дыма. Среди присутствующих в табачном дыме канцерогенов выделяют два класса возбудителей злокачественных опухолей: полициклические ароматические углеводороды (например, бензопирен) и специфические для табака (то есть не содержащиеся в иных природных веществах) нитрозамины. К сожалению, правила, регламентирующие содержание этих канцерогенов в табачном дыме, отсутствуют. Почти нет данных о реальной токсичности различных табачных добавок, хотя при их сгорании также могут образовываться новые опасные компоненты.

Несмотря на вызванную коммерческими соображениями и конъюнктурными причинами недостаточную научную проработку проблемы определения в табачном дыме остальных вредных веществ, максимальное содержание в сигаретах смол и никотина устанавливается и контролируется во всем мире на государственном уровне. Существует мнение, что одним из эффективных путей снижения их концентрации является изготовление так называемых "легких" сигарет. Дифференциация "стандартных", "легких" и т.п. сигарет в настоящее время основывается именно на измеренном по методу ISO-ФТК количестве смол и никотина, выделившихся при прокуривании сигарет.

В начале 1970-х гг. был разработан новый метод обработки табака - высушивание вымораживанием. В этом процессе используются такие вещества, как спирт, фреоны, углекислый газ, аммиак, карбонат аммония, азот и вода. По данным рекламных изданий, использование высушенного замораживанием и/или так называемого "ресуспендированного" табака помогает уменьшать количество требуемого на сигарету табачного листа в среднем почти наполовину. Сегодняшние "обычные" американские сигареты состоят на 15% из вымороженного табака, "легкие" - на 25%, а "ультра-легкие" имеют в своем составе до 50% такого табака. Однако, по мнению экспертов, все попытки корректировки состава табака (добавление сахара, подсластителей, ароматизаторов, какао, ментола и др.) могут уменьшить содержание смол в сигаретах не более чем на 40%. Кроме того, ментол, например, обладает анестезирующим действием (благодаря чему сигаретами с ментолом можно глубже затягиваться, но при этом поражаются нижние части легких) и может способствовать метаболической активизации табачных канцерогенов.

Сокращение измеренного курительной машиной выделения смолы достигается двумя главными методами: фильтрами и вентиляцией.

Традиционный сигаретный фильтр - это устройство из пористого материала (например, бумаги, ваты, пробки), приложенное к концу сигары или сигареты для абсорбции влаги, смолы, никотина и различных примесей. Фильтр также может представлять собой специальный держатель, в который вставляют сигару или сигарету (мундштук).

В 1954 г. был изготовлен первый сигаретный фильтр из ацетата целлюлозы, который скоро стал наиболее популярным в табачной промышленности всего мира. Наиболее часто используемый тип ацетата целлюлозы это вторичный ацетат целлюлозы, содержащий 5-10% триацетата глицерина в качестве пластификатора. Фильтры на его основе несколько уменьшают поступление в организм курильщика взвешенных частиц дыма. Акролеин, фенолы и высоко канцерогенные нитрозамины удаляются такими фильтрами выборочно. Их эффективность можно увеличить, уменьшая диаметр нитей (волокон), увеличивая длину фильтра или добавляя к волокнам определенные вещества. Так, активированный уголь широко известен способностью удалять некоторые компоненты газовой фазы из дыма. Сигаретные фильтры из ацетата целлюлозы, смешанного с активированным углем, могут выборочно удалять из дыма сигарет до 40% оксидов углерода и азота, 80% цианида водорода и 70% акролеина и бензола. Характерно, что смешанные фильтры уменьшают содержание взвешенных частиц менее эффективно, чем чисто ацетатные фильтры. Такая выборочность приводит к тому, что в большинстве случаев в организм курящего сигареты с фильтром попадает практически столько же смол и никотина, сколько он получал бы из сигарет без фильтра.

Во всем мире продолжаются разработки новых сигаретных фильтров. Стоящие перед производителями сигарет проблемы пытаются решить путем применения полимерных волокон и различных добавок.

Известен фильтр для сигарет [патент РФ 2010546, МПК⁶ A 24 D 3/14, 1994 (опубл.)], который состоит из нескольких отдельных частей, выполненных из волокон органического полимера, причем между этими частями размещено адсорбирующее средство, представляющее собой лигнин, пропитанный кремнийорганическим мономером.

Запатентован фильтр для сигарет с адсорбирующим средством [патент РФ 2045921, МПК⁶ A 24 D 3/16, 1995 (опубл).], выполненный из волокон органического полимера (например, из целлюлозного, ацетатного или ацетат-целлюлозного волокна), пропитанного 3-5%-ным спиртовым раствором салициловой кислоты (от 0,09 до 0,14 мас.% от массы волокон), причем указывается, что такой фильтр уменьшает в главной струе табачного дыма содержание никотина на 47%, смолы на 37% и монооксида углерода на 16%, а также достаточно эффективно улавливает бензопирен, летучие и табакоспецифические N-нитрозамины и металлы.

Разработан табачный фильтр [патент РФ 94024343, МПК A 24 D 3/14, 1996 (опубл.)]. который состоит по меньшей мере из двух последовательно расположенных по ходу табачного дыма секций: наружной, расположенной со стороны курильщика и выполненной из целлюлозосодержащего или ацетатного волокна, и средней, расположенной со стороны табака, заполненной адсорбирующим средством (14-28 мг) из пористых углеродных волокон (могут иметь тканевую структуру) с количеством углерода не менее 95% и удельной поверхностью от 700 до 1500 м²/г, что повышает поглотительную способность фильтра по отношению к никотину, смолам, монооксиду углерода.

Известен также фильтр для сигарет [патент РФ 2113810, МПК⁶ A 24 D 3/14, 1998 (опубл.)], в котором для повышения эффективности сорбции токсических и канцерогенных продуктов пиролиза табака к волокнистой основе фильтра, выполненного из ацетатных или целлюлозосодержащих волокон, добавляют 20-30 мг гранулированного сорбента, который представляет собой гранулы искусственных или природных цеолитов, импрегнированных кремнийорганическим мономером - N,N’-бис(3-триэтоксисилилпропил)тиокарбамидом.

Недостатки перечисленных технических решений заключаются в специфике синтетических материалов, применяемых для изготовления фильтра. По мнению многих врачей, именно "легкие" сигареты с ацетатным фильтром являются самым вредным видом табачных изделий. Фильтр в них обычно длиннее и плотнее стандартного, в связи с чем обладает сравнительно высоким аэродинамическим сопротивлением (сопротивлением затяжке). Скорость дыма, попадающего в легкие, играет одну из главных ролей в процессе курения. Традиционный ацетатный фильтр гасит эту скорость более чем на 60% и заставляет курящего прилагать больше усилий, затягивая дым вглубь легких, что, естественно, гораздо более вредно. Частицы тонких ацетатных волокон при каждой глубокой затяжке легко попадают в легкие и (в отличие от никотина) не выводятся из организма. Их химические свойства близки к свойствам других полиэфиров, что создает повышенную опасность для здоровья. Установлено, что по своей канцерогенности сигареты класса "Lights" с ацетатным фильтром разделяют первое место с обычными (крепкими) с фильтром. Таким образом, применение синтетических фильтров не только не снижает, но и повышает риск для здоровья. Кроме того, использование добавок повышает риск образования в табачном дыме вредных веществ; например, неполное сгорание угля приводит к образованию монооксида углерода. Наконец, традиционный способ предусматривает изготовление ацетатных волокон по так называемой "растворной" технологии (из растворов полимеров), что малотехнологично и экологически небезопасно, поскольку предполагает использование громоздких технологических схем и токсичных растворителей.

Наряду с попытками модифицирования ацетатных фильтров ведутся поиски других материалов с оптимальной для использования в табачных изделиях структурной организацией.

Разработан сигаретный фильтр [патент РФ 2130279, МПК⁶ A 24 D 3/10, 1999 (опубл.)], содержащий гидроперепутанные волокна лиоцелла; указывается высокая эффективность таких фильтров, хорошие вкусовые качества, устойчивость к пятнообразованию, физическая упругость и оптимальные характеристики прохождения воздуха.

Запатентован также способ получения биологически разлагаемых фильтрующих элементов или фильтрующих жгутов для фильтров табачного дыма из растительных видов сырья [патент РФ 2153828, МПК⁷ 24 D 3/08, 2000 (опубл.)], где фильтрующий материал (волокна, пленки и пеноматериалы) изготавливают экструзионным способом из биополимеров на основе термопластичного крахмала и его полимерных композиций с быстрой и полной разлагаемостью.

Несмотря на ряд достоинств, перечисленным фильтрам на основе природного сырья присущ важный недостаток - сравнительно высокая химическая активность биополимеров в сочетании с относительной сложностью химического состава, что создает условия для образования при фильтрации горячего табачного дьма широкой номенклатуры химических соединений, в том числе таких токсичных, как монооксид углерода, формальдегид и др. Кроме этого захват загрязнений остается полностью механическим.

Одним из близких аналогов заявляемого изобретения является фильтрующее средство для сигарет, в качестве которого предлагаются двухкомпонентные волокна с оболочкой и сердцевиной, содержащие сердцевину из термопластичного материала, предпочтительно полипропилена, полностью покрытую оболочкой, образованной предпочтительно из пластифицированного ацетата целлюлозы, сополимера этилена и винилацетата, поливинилового спирта или сополимера этилена и винилового спирта [Фильтрующее средство для табачного дыма, фильтрующий стержень, сигарета и способ изготовления фильтрующего средства для табачного дыма. [патент РФ №2127986, A 24 D 3/10, 1999].

Изготавливают фильтр выдуванием из расплава до среднего диаметра волокон 10 мкм или менее. Указывается, что фильтры сохраняют желательные вкусовые и технологические свойства обычных фильтрующих элементов из ацетата целлюлозы, но являются значительно менее дорогими. Очень тонкие волокна могут быть сформированы с различными поперечными сечениями, обеспечивающими большую площадь поверхности и требующими меньше воздуха в процессах выдувания из расплава и обработки. При изготовлении оболочек из поливинилового спирта или сополимера этилена и винилового спирта фильтрующие элементы легко разрушаются под воздействием условий окружающей среды, оставляя после себя лишь множество очень тонких, по существу незаметных волокон. Способ изготовления предусматривает непрерывную пневмоэкструзию расплавленных сердцевинообразующего и оболочкообразующего материалов через множество отверстий в экструзионной головке с целью получения сильнопереплетенной пряди двухкомпонентных волокон (каждое волокно содержит непрерывную сердцевину из сердцевинообразующего материала, полностью окруженную оболочкой из оболочкообразующего материала), собирание этой пряди в виде стержня, ее нагрев для сцепления волокон в точках соприкосновения, охлаждение и разрезание образовавшегося стержня на отдельные отрезки.

По существу, в предлагаемом легко расслаивающемся фильтре сердцевина из полиолефина считается неабсорбирующей и служит исключительно для повышения прочности волокон и снижения затрачиваемых на производство пластификаторов или добавок. В качестве абсорбирующего материала выступает оболочка волокон из ацетата целлюлозы или виниловых полимеров и сополимеров. Варианты изобретения предлагают повысить абсорбционные свойства изделия путем применения добавок (активный уголь и т.п.). Данному техническому решению присущ ряд недостатков:

1) высокая химическая активность виниловых полимеров и сополимеров, что может приводить при фильтрации дьма к побочным химическим реакциям с образованием токсичных виниловых мономеров, монооксида углерода, формальдегида и др.;

2) недостаточная абсорбционная способность материала фильтра в целом, что вынуждает применять разнообразные добавки.

Прототипом заявляемого изобретения является фильтр для сигарет в вентилируемой сигарете [Вентилируемая сигарета, патент ЕР 0254004, МПК 7 F 24 D 3/08, 1988], который состоит из полимерных волокон, составляющих волокнисто-пористый материал, изготовленный из полипропилена с индексом текучести 13 г/10 мин пневмоэкструзионньш формированием и образованный волокнами толщиной от 0,1 до 20 мкм, скрепленными друг с другом в точках соприкосновения. Прототипу присущи следующие недостатки:

1) недостаточная технологичность пневмоэкструзионной переработки полипропилена с указанным индексом текучести и необходимость в использовании мощных воздушных потоков и обеспечивающего это оборудования;

2) невозможность реализации высокой абсорбционной активности.

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, состоят в том, чтобы без применения каких-либо добавок изготовить абсорбционно-активный фильтр из инертных нетоксичных материалов, одновременно повысив технологичность процесса его формирования.

Указанный результат достигается тем, что предложено использовать фильтр для сигарет, состоящий из волокнисто-пористого материала, изготовленного из полипропилена пневмоэкструзионным формированием и образованного волокнами толщиной 3-5 мкм, при этом использован полипропилен с индексом текучести расплава ≥20 г/10 мин, волокна когезионно скреплены в местах контакта, а материал несет электретный заряд с поверхностной плотностью от 5 до 12 нКл/см², приданный ему в процессе формирования путем обработки расплава на стадии выхода из фильеры в поле отрицательного коронного разряда.

Сущность изобретения состоит в следующем. Волокнистый материал заявляемого фильтра изготавливают по пневмоэкструзионной технологии, которая является более экономичной и экологически чистой, чем растворные технологии формирования полиэфирных волокнистых сигаретных фильтров большинства аналогов. Заявляемый фильтр обладает развитой системой пор, что позволяет реализовать при фильтрации дыма ситовый эффект. Материал фильтра имеет низкую склонность к расслаиванию за счет достаточно прочного когезионного соединения волокон в местах контакта, достигаемого при пневмоэкструзионном формировании. Используемый при изготовлении фильтра полипропилен является нетоксичным и химически инертным, что даже при маловероятном попадании фрагментов волокон в полость рта не обусловливает вреда для здоровья, а также устраняет вероятность химических реакций с компонентами табачного дыма. Наконец, заявляемый фильтр не содержит никаких дополнительных ингредиентов, которые в процессе выполнения своих рабочих функций могли бы претерпевать химические превращения с образованием токсичных соединений или при расслаивании фильтра попадать в органы дыхания, увлекаясь потоком фильтруемого дыма. Заявляемый фильтр проявляет повышенную абсорбционную активность по отношению к вредным компонентам табачного дыма за счет действия электростатических сил, обусловленного наличием электретного заряда. Предложенное техническое решение основано на давно отмеченной специалистами особой роли электретного заряда при улавливании твердых и жидких частиц загрязнителей из воздуха, что используется при разработке современных средств защиты органов дыхания респираторов [Кравцов А.Г., Гольдаде В.А., Зотов С.В. Полимерные электретные фильтроматериалы для защиты органов дыхания. Гомель: ИММС НАНБ, 2003, 204 с].

Таким образом, заявляемый фильтр обладает следующими существенными признаками новизны в сравнении с прототипом:

- волокна когезионно скреплены в местах контакта;

- материал несет электретный заряд с поверхностной плотностью от 5 до 12 нКл/см², приданный ему в процессе формирования путем обработки расплава на стадии выхода из фильеры в поле отрицательного коронного разряда.

Приведем пример реализации изобретения.

Исходный материал для пневмоэкструзии - гранулированный полипропилен марки "Каплен" (г. Капотня, Московская обл., Россия) с индексом текучести расплава ≥20 г/10 мин. Основная технологическая единица - одношнековый экструдер с тремя зонами нагрева, снабженный обогреваемой фильерной головкой и формообразующим устройством барабанного типа, осуществляющим вращательное и возвратно-поступательное движение. Выводят экструдер на рабочий режим, установив температуру по зонам нагрева: 1 - 190°С, 2 - 290°С, 3 - 370°С и на фильерной головке 350°С. На расстоянии 150 мм от фильеры располагают формообразующее устройство, на расстоянии 50 мм от фильеры - зону электризации, состоящую из коронирующего и заземляющего электродов и соединенную с высоковольтным генератором. С помощью компрессионной установки подают в экструдер сжатый воздух под давлением 1,5-2 атм. Гранулят засыпают в бункер экструдера и, создав в зоне электризации отрицательный коронный разряд (установив напряженность электризующего поля в пределах 10-20 кВ/см), распыляют материал на движущееся формообразующее устройство, формируя волокнисто-пористый слой. Параметры пневмораспыления регулируют, визуально контролируя внешний вид материала, отсутствие эффекта каплеобразования или сплавления волокон. По достижении толщины волокнисто-пористого слоя 30 мм выключают поле, прекращают подачу в экструдер сжатого воздуха и снимают полотно с формообразующего устройства. Далее из полотна вспомогательной операцией штамповки изготавливают цилиндры длиной L=30±0,5 мм и диаметром D=7,9±0,1 мм. Эти цилиндры с плотностью материала ρ=0,19 г/см³ и волокнами толщиной Н = 3-5 мкм, несущие электретный заряд с эффективной поверхностной плотностью 5-12 нКл/см [ГОСТ 25209-82. Пластмассы и пленки полимерные. Методы определения поверхностных зарядов электретов], представляют собой заявляемый сигаретный фильтр. Применяемая технологическая схема является практически безотходной: накапливающийся после штамповки неизрасходованный волокнисто-пористый материал после измельчения на куски размером 1-2 см может быть повергнут повторной пневмоэкструзионной переработке [Кравцов А.Г. Способ анализа структуры и свойств регенерированных полимерных волокнистых фильтроматериалов для тонкой очистки воздуха //Материаловедение, 2001, №4, с. 47-52].

Для испытаний -изготовили "модельные" сигареты, для чего заявляемые электретные фильтры, сформированные при различных условиях электризации, поместили в сигареты "L@M" взамен извлеченных из них ацетатных фильтров таким образом, чтобы длина "модельной" сигареты не отличалась от длины исходной и была в пределах, установленных нормативной документацией [ГОСТ 3935-2000 (межгосударственный стандарт). Сигареты. Общие технические условия].

Экспериментальная партия сигарет с новыми фильтрами была подвергнута сравнительным испытаниям, в ходе которых оценивали содержание в сигаретах никотина, смол, а также сопротивление затяжке.

Сущность испытаний состояла в следующем. Сигареты прокуривали на курительной машине "Hewlett-Packard". Конструкция и технические возможности машины, а также условия испытаний отвечали регламентированным стандартом [ГОСТ ИСО 3308-97 (межгосударственный стандарт). Машина обычная лабораторная для прокуривания сигарет (курительная машина). Определения и стандартные условия]. Выделившийся при прокуривании влажный конденсат табачного дыма собирали в ловушку, снабженную фильтром из стекловолокна. Массу влажного конденсата оценивали гравиметрическим методом путем сравнения с массой чистой ловушки. Далее влажный конденсат экстрагировали из стекловолокнистого фильтра, после чего методом газовой хроматографии устанавливали содержание никотина [ГОСТ 30570-98 (межгосударственный стандарт). Сигареты. Определение содержания никотина в конденсате дыма. Метод газовой хроматографии.] и воды [ГОСТ 30622.1-98. Сигареты. Определение содержания воды в конденсате дыма. Метод газовой хроматографии]. По полученным значением определяли массу не содержащего никотин сухого конденсата газового дыма, т.е. смолы [ГОСТ 30571-98 (межгосударственный стандарт). Сигареты. Определение содержания влажного и не содержащего никотин сухого конденсата (смолы) в дыме сигарет с помощью лабораторной курительной машины]. Дополнительно с помощью датчиков курительной машины измеряли сопротивление сигареты затяжке [ГОСТ ИСО 6565-97 (межгосударственный стандарт). Табак и табачные изделия. Сопротивление затяжке сигарет и фильтров. Термины, стандартные условия и основные определения]. Сравнивали показатели "модельных" сигарет с показателями сигарет марок "L@M", "L@M Lights" и "L@M Super Lights", которые протестировали на курительной машине в тех же условиях. Предварительными исследованиями установлено, что фильтр в сигаретах "L@M " имеет длину L=30 мм и плотность ρ=0,17 г/см³, в сигаретах "L@M Lights" при той же длине L=30 мм имеет более высокую плотность ρ=0,19 г/см³, а в сигаретах "L@M Super Lights" имеет большую длину L=35 мм и еще более высокую плотность ρ=0,21 г/см³. Увеличение длины и повышение плотности, по-видимому, является для производителя данных сигарет основным способом снижения уровня никотина и смол. В таблице приведены результаты сравнительных испытаний.

Из приведенных данных видно, что по основным показателям, применяемым при оценке качества сигарет, заявляемый электретный фильтр не уступает и иногда превосходит традиционный ацетатный фильтр. При этом именно электретный заряд оказывается ключевым фактором, определяющим абсорбционную активность материала фильтра. В примененной технологической схеме величину заряда можно легко регулировать, изменяя напряженность поля коронного разряда. В зависимости от величины электретного заряда фильтра "модельные" сигареты с заявляемым фильтром одного размера и плотности могут соответствовать критериям содержания никотина и смол, принятьм для сигарет классов "L@M Lights", "L@M Super Lights", обладая теми же или лучшими потребительскими свойствами (отсутствие эффекта расслаивания, малое сопротивление затяжке и т.д.).

Изобретение может найти применение в табачной промышленности при изготовлении сигаретных фильтров.

Изобретение относится к фильтрам, предназначенным для использования в сигаретах с целью фильтрации табачного дыма от вредных компонентов. Фильтр для сигарет состоит из волокнисто-пористого материала, который изготовлен пневмоэкструзионным методом из полипропилена с индексом текучести расплава ≥ 20 г/10 мин, образован волокнами толщиной 3-5 мкм, когезионно скрепленными в местах контакта, и несет электретный заряд с поверхностной плотностью от 5 до 12 нКл/см², приданный материалу в процессе пневмоэкструзионного формирования путем обработки расплава на стадии его выхода из фильеры в поле отрицательного коронного разряда. Технический результат - создание абсорбционно-активного фильтра из инертных нетоксичных материалов. 1 табл.

Фильтр для сигарет, состоящий из волокнисто-пористого материала, изготовленного из полипропилена пневмоэкструзионным формированием и образованного волокнами толщиной 3-5 мкм, отличающийся тем, что использован полипропилен с индексом текучести расплава ≥ 20 г/10 мин, при этом материал образован волокнами, когезионно скрепленными в местах контакта, и несет электретный заряд с поверхностной плотностью от 5 до 12 нКл/см², приданный ему в процессе формирования путем обработки расплава на стадии его выхода из фильеры в поле отрицательного коронного разряда.