БИОРАЗЛАГАЕМЫЙ ТВЕРДЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ НАГРЕВАЕМЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ТАБАЧНЫХ ПРОДУКТОВ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК A24D1/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области техники новых табачных продуктов, в частности к биоразлагаемому твердому материалу для нагреваемых табачных продуктов типа гранулированного табака и способу его приготовления.

Уровень техники

С повышением экономического и культурного уровня все больше и больше людей уделяют больше внимания своему здоровью, поэтому крайне важно разрабатывать новые табачные продукты. Нагреваемые табачные продукты типа гранулированного табака являются одной из важных форм новых табачных продуктов. В нагреваемых табачных продуктах типа гранулированного табака, которые отличаются от коммерчески доступных в настоящее время нагреваемых, но не сжигаемых, табачных продуктов, используются табачные гранулы в качестве материала для выделения дыма, обеспечивается достаточный объем дыма, приемлемая непрерывность выделения дыма, отличные сенсорные качества и большое пространство для оптимизации и корректировки формулы. Однако ключевой технической проблемой в производстве сигарет является то, как инкапсулировать табачные гранулы в сигареты, чтобы они не выпадали и не вдыхались при нагревании и курении.

Твердый материал, используемый для блокировки табачных гранул, является одним из важных компонентов нагреваемых табачных продуктов типа гранулированного табака. В настоящее время в качестве промежуточного барьерного материала используется термостойкий пластиковый материал, однако широко присутствующие на рынке пластиковые продукты являются неразлагаемыми материалами и обладают недостаточной термостойкостью, в процессе нагревания и курения они размягчаются и плавятся, что приводит не только к неспособности выполнять эффективную блокирующую функцию, но и к выделению запаха, серьезно снижая качество дыма и удовольствие от курения, а также с трудом разлагаются и загрязняют окружающую среду после выбрасывания.

Поэтому очень важно изучать новые твердые материалы.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в преодолении недостатков предшествующего уровня техники и предоставлении биоразлагаемого твердого материала для нагреваемых табачных продуктов типа гранулированного табака и способа его приготовления, с целью обеспечить хорошую поддержку и термостойкость в сигарете, не влияя на ее сенсорные качества сигареты.

Для выполнения этой задачи настоящее изобретение использует следующие технические решения.

В настоящем изобретении предлагается биоразлагаемый твердый материал для нагреваемых табачных продуктов типа гранулированного табака, в котором композиция сырьевых материалов биоразлагаемого твердого материала в процентах по массе является следующей:

25-50% материала матрицы и 50-75% термостойкого наполнителя.

Дополнительно, материал матрицы представляет собой по меньшей мере один из PBAT (полиадипиновая кислота/бутилентерефталат), PBS (полибутиленсукцинат), PVA (поливиниловый спирт) и PLA (полимолочная кислота).

Дополнительно, термостойкий наполнитель представляет собой по меньшей мере один из модифицированного глицерином джутового волокна, модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука или соломы, углеродного волокна и нитевидного кристалла («усы») из карбоната кальция.

Дополнительно, способ приготовления модифицированного глицерином джутового волокна заключается в следующем: джутовое волокно разрезают на длину не более 3 см, затем погружают и замачивают в растворе NaOH с концентрацией 10 г/л при комнатной температуре в течение 24 часов, вынимают и промывают до нейтральной реакции, сушат при 60°С в течение 24 часов с получением обработанного щелочью джутового волокна; смешивают хлористоводородную кислоту, глицерин и деионизированную воду при равномерном перемешивании в массовом процентном соотношении 1,2%:78,8%:20%, с получением подкисленного глицерина; к подкисленному глицерину добавляют обработанное щелочью джутовое волокно с массовой концентрацией 10%, проводят реакцию при перемешивании и кипячении с обратным холодильником в течение 30 минут при 130°С, затем разбавляют, фильтруют и сушат в печи при 80°С в течение 12 часов, с получением модифицированного глицерином джутового волокна.

Дополнительно, способ приготовления модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука или соломы заключается в следующем:

порошок бамбука или соломы помещают в раствор H₂SO₄ с массовой концентрацией 0,1%, затем замачивают при 55°С в течение 1,5 часов, промывают и сушат с получением обработанного кислотой материала; обработанный кислотой материал добавляют в раствор NaOH с массовой концентрацией 0,5%, затем замачивают при комнатной температуре в течение 2 часов, вынимают и промывают до нейтральной реакции, сушат при 80°С в течение 4 часов с получением обработанного щелочью материала; и равномерно смешивают силановый агент сочетания (КН550) и безводный этанол в массовом процентном соотношении 1,5%:98,5%, затем добавляют туда обработанный щелочью материал, замачивают при комнатной температуре в течение 4 часов, вынимают и сушат при 60°С в течение 24 часов с получением модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука или соломы.

Дополнительно, PVA представляет собой модифицированный глицерином PVA, а способ его модификации заключается в прибавлении глицерина, составляющего 10-50% от массы PVA, в PVA, и после полного вымачивания получают модифицированный глицерином PVA.

Способ приготовления биоразлагаемого твердого материала по настоящему изобретению заключается во взвешивании сырьевых материалов в определенном соотношении, плавлении и смешивании во внутреннем смесителе, а затем горячем прессовании с получением готового продукта.

Настоящее изобретение дополнительно раскрывает применение вышеуказанного твердого материала для поддержания основы сигарет и повышения термостойкости в нагреваемых табачных продуктах типа гранулированного табака.

Среди биоразлагаемых твердых материалов по настоящему изобретению PLA, PVA, PBAT и PBS представляют собой перспективные полимерные материалы на биологической основе и привлекли к себе широкое внимание благодаря своей превосходной биосовместимости и способности к разложению. В качестве добавки к материалам на биологической основе к вышеуказанным полимерным материалам может быть добавлен порошок бамбука и соломы, что позволяет эффективно улучшить термостойкость полимера и получить биоразлагаемые твердые материалы, устойчивые к высоким температурам. Благодаря большой удельной площади поверхности термостойкие наполнители могут способствовать кристаллизации PLA, PBS и других материалов, тем самым улучшая их термостойкость.

По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие полезные эффекты.

1. Твердый материал по настоящему изобретению получают с использованием полностью биоразлагаемых материалов, он не может вызывать загрязнение окружающей среды при выбрасывании.

2. Твердый материал по настоящему изобретению может выполнять поддерживающую функцию при использовании нагреваемых табачных продуктов типа гранулированного табака, обладает высокой термической стабильностью, после нагревания не характеризуется заметной усадкой и разрушением, вызванным нагреванием, а также не производит дополнительного выделения вредных веществ в основной поток дыма нагреваемых табачных продуктов и не оказывает негативного влияния на сенсорные качества сигарет.

3. Способ приготовления твердого материала по настоящему изобретению прост, сырьевые материалы легкодоступны, его легко производить в промышленных масштабах, и он является экологически чистым.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой кривые DSC образцов №№ 11-15 полученных в Примере 1.

Фиг. 2 представляет собой кривые DSC образцов №№ 16-20 полученных в Примере 1.

Фиг. 3 представляет собой кривые TG и DTG образцов №№ 11-15 полученных в Примере 1.

Фиг. 4 представляет собой кривые TG и DTG образцов №№ 16-20 полученных в Примере 1.

Осуществление изобретения

Далее подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Эти варианты осуществления реализованы на основе технических решений настоящего изобретения, описаны подробные осуществления и конкретный рабочий процесс. Однако объем защиты настоящего изобретения не ограничивается следующими вариантами осуществления.

В следующем примере способ получения модифицированного глицерином джутового волокна заключается в следующем: джутовое волокно разрезают на длину не более 3 см, затем погружают и замачивают в растворе NaOH с концентрацией 10 г/л при комнатной температуре в течение 24 ч, вынимают и промывают до нейтральной реакции, смешивают хлористоводородную кислоту, глицерин и деионизированную воду при равномерном перемешивании в массовом процентном соотношении 1,2%:78,8%:20% с получением подкисленного глицерина; к подкисленному глицерину добавляют обработанное щелочью джутовое волокно с массовой концентрацией 10%, проводят реакцию при перемешивании и кипячении с обратным холодильником в течение 30 минут при 130°С, затем разбавляют, фильтруют и сушат в печи при 80°С в течение 12 часов с получением модифицированного глицерином джутового волокна.

В следующем примере способ приготовления модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука заключается в следующем: порошок бамбука помещают в раствор H₂SO₄ с массовой концентрацией 0,1%, затем замачивают при 55°С в течение 1,5 часов, промывают и сушат с получением обработанного кислотой материала; обработанный кислотой материал добавляют в раствор NaOH с массовой концентрацией 0,5%, затем замачивают при комнатной температуре в течение 2 часов, вынимают и промывают до нейтральной реакции, сушат при 80°С в течение 4 часов с получением обработанного щелочью материала; и равномерно смешивают силановый агент сочетания (КН550) и безводный этанол в массовом процентном соотношении 1,5%:98,5%, затем добавляют туда обработанный щелочью материал, замачивают при комнатной температуре в течение 4 часов, вынимают и сушат при 60°С в течение 24 часов с получением модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука.

В следующем примере используют модифицированный глицерином PVA, полученный путем прибавления глицерина, составляющего 10-50% от массы PVA, в PVA, и после полного вымачивания получают модифицированный глицерином PVA.

Пример 1

Для твердого материала в настоящем примере композиция сырьевых материалов в массовых процентах показана в таблице 1:

Таблица 1. Состав твердого материала с PVA в качестве матрицы

Номер Модифицированный глицерином PVA (г) Глицерин в массовых процентах относительно ПВА (%) Модифицированный силановым агентом сочетания бамбуковый порошок (г) Модифицированное глицерином джутовое волокно (г) Сумма (г) 1 100 50% 100 2 40 50% 60 100 3 50 50% 50 100 4 40 50% 60 100 5 50 50% 50 100 6 100 40% 100 7 40 40% 60 100 8 50 40% 50 100 9 40 40% 60 100 10 50 40% 50 100 11 100 30% 12 40 30% 60 13 50 30% 50 14 40 30% 60 15 50 30% 50 16 100 20% 100 17 40 20% 60 100 18 50 20% 50 100 19 40 20% 60 100 20 50 20% 50 100 21 100 10% 100 22 40 10% 60 100 23 50 10% 50 100 24 40 10% 60 100 25 50 10% 50 100

Твердый материал, приготовленный в настоящем примере, испытывали с использованием тестера термической деформации Вика (MTS Industrial Systems (Китай) Co., Ltd.), DSC8500 (Perkin Elmer, США), термоанализатора TA Q5000IR (TA Instruments Inc., США), получая температуру размягчения по Вика, DSC (дифференциальную сканирующую калориметрию), TG (термогравиметрический анализ) и DTG (производную термогравиметрию). Конкретные методы и результаты заключаются в следующем.

Метод испытания температуры размягчения по Вика: образец помещали в высокотемпературное силиконовое масло, используемое в качестве теплоносителя, со скоростью нагрева 50°C/ч, и на образец помещали груз 50 Н для проверки температуры, при которой образец вдавливается в силиконовое масло на 1 мм с помощью иглы площадью 1 мм², т. е. температуры размягчения по Вика, где образец характеризуется размером 10 мм × 10 мм × 3 мм, а количество ламинированных слоев составляет 1 слой.

Метод испытания DCS: образец измельчали в порошок и испытывали в атмосфере азота со скоростью нагрева 20°С/мин.

Метод испытаний TG и DTG: образец измельчали в порошок и испытывали в воздушной атмосфере со скоростью нагрева 20°С/мин и нагревом до 800°С.

Результаты испытаний на температуру размягчения по Вика: температура размягчения по Вика для твердого материала с использованием PVA в качестве основной матрицы показана в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что чем больше глицерина было добавлено, тем ниже была температура размягчения PVA по Вика, поэтому скрининг эффективного соотношения добавления глицерина является ключевым этапом для баланса обрабатываемости и термостойкости термостойких композитов PVA. С помощью анализа температуры размягчения по Вика можно видеть, что, когда количество добавленного глицерина составляет 10%, температура размягчения по Вика композитов, полученных с различными добавленными количествами джутового волокна и бамбукового порошка, составляет почти 100°C или выше. Композит, полученный путем смешивания 20% набухшего в глицерине PVA с 60% джутового волокна, имеет самую высокую температуру размягчения по Вика.

Таблица 2. Температура размягчения по Вика для твердых материалов с PVA в качестве основной матрицы

Номер Температура размягчения по Вика, °C Номер Температура размягчения по Вика, °C 1 / 14 106,1 2 68,5 15 80,3 3 68,4 16 52,1 4 / 17 89,4 5 88,8 18 88,5 6 / 19 126,3 7 81,0 20 72,1 8 63,7 21 64,1 9 107,4 22 125,1 10 87,1 23 94,5 11 / 24 101,9 12 98,4 25 126,0 13 94,7

Результаты испытаний DSC: для барьерных твердых материалов с PVA в качестве основной матрицы кривые DSC образцов №№ 11-15 показаны на фиг. 1, а кривые DSC образцов № 16-20 показаны на фиг. 2. Можно видеть, что во всех образцах нет явного пика плавления и фазового перехода, а также не происходит явной химической реакции. Результаты показывают, что присутствие глицерина, очевидно, разрушает кристаллизационные свойства PVA и снижает температуру его обработки, что делает возможным наполнение его термостойким наполнителем. На фиг. 2 можно видеть, что композит PVA с содержанием 20% глицерина кристаллизовался и расплавился при 105°C, что указывает на то, что часть PVA не набухает под действием глицерина, так что кристаллический PVA все еще остается, что влияет на обрабатываемость PVA в расплаве и приводит к недостаточной дисперсии наполнителей в композите PVA. Из кривых DSC также видно, что композит PVA с содержанием глицерина 20% характеризовался определенной степенью отщепления боковых групп и разложения основной цепи при около 160°С. Таким образом, наилучшей практичностью обладает композиционный материал PVA с содержанием глицерина 30%.

Результаты испытаний TG и DTG: для барьерных твердых материалов с PVA в качестве основной матрицы результаты термогравиметрического анализа образцов № 11-15 показаны на фиг. 3, результаты термогравиметрического анализа образцов №№ 16-20 показаны на фиг. 4. Поскольку среди композитов PVA с различным содержанием глицерина образцы №№ 11-15, которые все представляют собой PVA с 30% содержанием глицерина, имеют более высокую среднюю температуру размягчения по Вика (94,9°С), более низкую среднюю твердость, самую низкую среднюю теплопроводность, для термогравиметрического анализа были отобраны образцы № 11-15 при температурах размягчения по Вика выше 80°С и максимальной доле растворенного в PVA глицерина. Как можно видеть из фиг. 3, термическое разложение PVA с содержанием глицерина 30% в основном делится на четыре стадии: потеря воды (комнатная температура - 100°С), высвобождение глицерина (100°С - 261°С), отщепление боковой группы PVA (261°С - 400°С) и разложение основной цепи PVA (400°С - 600°С). Потеря массы на второй стадии PVA с 30% глицерина без наполнителя составляет 33% с пиковой скоростью потери массы 0,44%/мин, потеря массы на третьей стадии составляет 37% с пиковой скоростью потери массы 42%/мин, потеря массы на четвертой стадии составляет 19% при пиковой скорости потери массы 0,28%/мин. Можно видеть, что температура пиковой скорости потери массы на каждой стадии снижается с добавлением наполнителя. Потеря массы на второй стадии PVA композита с наполнителем ниже, чем у PVA с 30% глицерина без наполнителя. Пиковая скорость потери массы композита PVA с наполнителем на третьей и четвертой стадиях выше, чем у PVA с 30% глицерина без наполнителя.

Все образцы № 16-20 представляют собой PVA с содержанием глицерина 20%, и их средняя температура размягчения по Вика составляет 94,1°С (исключая образец № 16 без наполнителя), что ниже средней температуры размягчения по Вика композита PVA с содержанием глицерина 30% (94,9°С). Как можно видеть из фиг. 4, разложение композита PVA с содержанием 20% глицерина в основном делится на две стадии: отщепление боковой группы PVA и разложение большей части основной цепи (280°С - 400°С), а также разложение остальной части основной цепи (450°С - 600°С). Как можно видеть, термическая стабильность композита PVA с добавлением 20% глицерина хуже, чем у композита PVA с добавлением 30% глицерина, и основная цепь практически полностью разложилась до 400°С, в то время как 19% материала PVA с добавлением 30% глицерина без наполнителя все еще не разложилась при 400°С.

Посредством анализа DSC можно доказать, что модифицированный глицерином PVA обладает относительно более низко-температурной обрабатываемостью, а затем за счет добавления термостойкого наполнителя его термостойкость была значительно улучшена, при этом улучшение температуры размягчения по Вика означает, что приготовленные материалы могут играть поддерживающую роль после нагрева без разрушения. Посредством анализа TG и DTG можно доказать, что материал характеризуется хорошей термической стабильностью. Для набухшего в 20% глицерина PVA наблюдалось только улетучивание и высвобождение глицерина при температуре ниже 280°C, а для набухшего в 30% глицерина PVA наблюдалось только улетучивание и высвобождение глицерина при температуре ниже 261°C.

Вышеуказанное представляет собой только предпочтительные примеры настоящего изобретения и не может использоваться для ограничения настоящего изобретения, и любые модификации, эквивалентные замены и улучшения, сделанные в рамках духа и принципа настоящего изобретения, должны быть включены в объем защиты настоящего изобретения.

Изобретение относится к биоразлагаемым твердым материалам для нагреваемых гранулированных табачных продуктов и способам их приготовления. Биоразлагаемый твердый материал для нагреваемых гранулированных табачных продуктов содержит композицию сырьевых материалов в процентах по массе, а именно 25-50% материала матрицы и 50-75% термостойкого наполнителя. При этом материал матрицы представляет собой по меньшей мере один из полиадипиновой кислоты/бутилентерефталата (PBAT), полибутиленсукцината (PBS), поливинилового спирта (PVA) и полимолочной кислоты (PLA). При этом PVA представляет собой модифицированный глицерином PVA, полученный способом его модификации, заключающимся в добавлении глицерина, составляющего 10-50% от массы PVA, в PVA и после полного вымачивания получении модифицированного глицерином PVA. Изобретение позволяет создать твердый материал, выполняющий поддерживающую функцию при использовании нагреваемых табачных гранулированных продуктов, который обладает высокой термической стабильностью, после нагревания не характеризуется заметной усадкой и разрушением, вызванным нагреванием, а также не производит дополнительного выделения вредных веществ в основной поток дыма нагреваемых табачных продуктов и не оказывает негативного влияния на сенсорные качества сигарет. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Биоразлагаемый твердый материал для нагреваемых гранулированных табачных продуктов, в котором композиция сырьевых материалов биоразлагаемого твердого материала в процентах по массе является следующей:

25-50% материала матрицы и 50-75% термостойкого наполнителя;

в котором материал матрицы представляет собой по меньшей мере один из полиадипиновой кислоты/бутилентерефталата (PBAT), полибутиленсукцината (PBS), поливинилового спирта (PVA) и полимолочной кислоты (PLA);

при этом PVA представляет собой модифицированный глицерином PVA, полученный способом его модификации, заключающимся в добавлении глицерина, составляющего 10-50% от массы PVA, в PVA и после полного вымачивания получении модифицированного глицерином PVA.

2. Биоразлагаемый твердый материал по п. 1, в котором термостойкий наполнитель представляет собой по меньшей мере один из модифицированного глицерином джутового волокна, модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука или соломы, углеродного волокна и нитевидного кристалла из карбоната кальция.

3. Биоразлагаемый твердый материал по п. 2, в котором модифицированное глицерином джутовое волокно получено следующим способом:

джутовое волокно разрезают на длину не более 3 см, затем погружают и замачивают в растворе NaOH с концентрацией 10 г/л при комнатной температуре в течение 24 часов, вынимают и промывают до нейтральной реакции, сушат при 60°С в течение 24 часов с получением обработанного щелочью джутового волокна;

смешивают хлористоводородную кислоту, глицерин и деионизированную воду при равномерном перемешивании в массовом процентном соотношении 1,2%:78,8%:20% с получением подкисленного глицерина; а также

к подкисленному глицерину добавляют обработанное щелочью джутовое волокно с массовой концентрацией 10%, проводят реакцию при перемешивании и кипячении с обратным холодильником в течение 30 минут при 130°С, затем разбавляют, фильтруют и сушат в печи при 80°С в течение 12 часов с получением модифицированного глицерином джутового волокна.

4. Биоразлагаемый твердый материал по п. 2, в котором модифицированный силановым агентом сочетания порошок бамбука или соломы получен следующим способом:

порошок бамбука или соломы помещают в раствор H₂SO₄ с массовой концентрацией 0,1%, затем замачивают при 55°С в течение 1,5 часов, промывают и сушат с получением обработанного кислотой материала;

обработанный кислотой материал добавляют в раствор NaOH с массовой концентрацией 0,5%, затем замачивают при комнатной температуре в течение 2 часов, вынимают и промывают до нейтральной реакции, сушат при 80°С в течение 4 часов с получением обработанного щелочью материала; а также

равномерно смешивают силановый агент сочетания и безводный этанол в массовом процентном соотношении 1,5%:98,5%, затем добавляют туда обработанный щелочью материал, замачивают при комнатной температуре в течение 4 часов, вынимают и сушат при 60°С в течение 24 часов с получением модифицированного силановым агентом сочетания порошка бамбука или соломы.

5. Способ приготовления биоразлагаемого твердого материала по любому из пп. 1-4, включающий: взвешивание сырьевых материалов в определенном соотношении, плавление и смешивание во внутреннем смесителе, а затем горячее прессование с получением готового продукта.

6. Применение биоразлагаемого твердого материала по любому из пп. 1-4 для поддержания основы сигарет и повышения термостойкости нагреваемых гранулированных табачных продуктов.