TW201138953A - Composite additive materials - Google Patents

Description

201138953 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以包含在吸煙物品之過濾件中的團粒 或黏聚添加劑。更具體而言，其係關於包含至少兩種過遽 =加劑與一聚合物的團粒或黏聚物。本發明亦關於利用— 來合物作為黏結劑的添加劑材料與粉末之黏聚物，以及此 頌黏聚物的用途。 【先前技術】 已知為了各種目的會將添加劑結合在吸煙物品之濾件 中。許多此些添加劑為粒狀。 例如，已知將多孔性碳材料結合在吸煙物品與濾煙件 中以減少煙中特定材料的程度。多孔性碳材料可以許多不 同的方式製造，包含活化處理。多孔性碳材料的物理特性 包含顆粒的形狀與尺寸、樣本中的顆粒尺寸分佈、顆粒的 知耗率、孔隙尺寸、孔隙尺寸的分佈及表面積，根據多孔 性碳材料的製造方式及所用之起始材料的性質會大幅地改 變。此些改變顯著地影響材料在不同環境中作為吸附劑的 攻能或適當性。 一般而言，多孔性材料的表面積愈大則其能愈有效地 吸附。多孔性材料的表面積係藉由下列方式所估算：在固 定溫度下利用氮氣分壓量測材料所能吸附之氮體積的變 化。利用Brunauer，Emmett與Teller所創造出的數學模型分 才斤結果會產生已知為BET表面積的值。 201138953 在多孔性碳材料中的孔隙尺寸分佈亦會影響其吸附特 性。根據所屬技術領域中具有通常知識者所用的術語，在 吸附材料中的孔隙若孔隙尺寸小於2 nm(< 2 X 1〇-9 m)會被 稱為”微孔(micropore)”；若孔隙尺寸介於2至50 nm的範圍 内者會被稱為”中孔(mesopore)，，。若孔隙尺寸大於5〇nm的 孔隙會被稱為”巨孔(macropore)”。直徑大於5〇〇 nm的孔隙 通常不會對多孔性材料的吸附性有顯著的貢獻。因此對於 實際的目的而言，直徑介於50 nm至500 nm間的孔隙，更 通常介於50至300 nm或50至200 nm間的孔隙會被歸類 為巨孔。 在多孔性材料中的微孔、中孔與巨孔的相對體積可以 利用習知的氮吸附與水銀測孔技術所估。利用所謂的Bjh 數學模型’水銀測孔技術可用來估算巨孔與中孔的體積； 氮吸附可用來估算微孔與中孔的體積。然而，由於估算的 理論基礎不同’因此兩方法所獲得的值無法直接互相比較。 離子交換樹脂（或離子交換聚合物）亦可用來作為過據 件中的添加劑。其包含不溶之支撐結構，其通常具有直徑 1-2 mm之有機聚合物珠粒的形式。此材料具有提供可捕集 離子之部位的高度多孔性之表面，但僅有其他離子的同步 釋出。有許多不同類型的離子交換樹脂，其中某些尤其有 利於煙過濾，且因此被結合至吸煙物品的過濾件中。整合 樹脂如Diaion® CR20能夠自香煙中選擇地移除金屬離子。 然而’其在過濾件中的用途受限於下列事實：此些離子交 換樹脂可能會有令人不愉悅的氣味。Amberlite® CG-50為 4 201138953 父聯之異丁_型弱酸性陽離子交換樹脂粉末，龙 孔結構及作為樹脂離子交換部㈣高濃度魏基團:、有 下列Π:吸煙物品之過濾件中的粒狀添加劑材料包含 了！者.、：機氧化物如氧化矽、氧化鋁、氧化錯、氧化 =化鐵或氧㈣。其他添加劑包含財酸鹽如滞石與海泡 ^某些材料被結合在吸煙物品之過濾件中時可能有所助 证但其在實體上並不適合此類用it。此些材料包含結構弱 因此傾向斷裂與形成粉末，其在過濾件中係不理想的。 ，當過濾件中欲結合一種以上的粒狀添加劑時，這會增 加衣造方法及所需之機械的複雜度，導致製造成本增加。 尤其，當欲添加之添加劑顆粒具有不同的顆粒尺寸及/或不 同密度時’其需要分開添加。這是因為包含被容納於添加 至過濾、件材料狀料斗中之此類;^同材料的混合物，在過 ，件形成期間不會保持均勻或均質混合物的狀g，而是隨 著時間其會發生沈㈣，導致料斗中的兩❹種材料分佈 不均勾’因此材料以不—致且紗控制的方式被添加至過 濾、件材料巾。由於這會使得謎件具林—致且 的特性（包含過纽果），糾顯地是何 ..... 因此本發明的-目的在於提供一種用以將至少兩種粒 狀添加劑包含至吸煙物品用之過斜中的改良手段。 黏聚作用是具有較小尺寸之賴粒黏結在一起並形成較 ^顆粒的過程。當兩種不同起始材料的齡黏聚在-起 時，所得的複合材料便包含這兩料料料。當複合材料 201138953 具有顆粒形式時，複合材料中藉由黏聚作用所形成的每一 顆粒都應該包含兩種起始材料的顆粒。 這種技術的其中一個主要的優點在於其能夠將複數種 添加劑黏結至單一複合材料中，因此使包含至過滤件中的 過程較容易並減少了特殊混合設備的費用需求。此外，黏 聚添加劑材料較容易精準地調劑，而具有一致的顆粒尺寸 分佈及改良的均質性。再者，相較於個別的顆粒而言，黏 聚材料可具有各種改良的物理特性如增加的強度及較均勻 的顆粒尺寸與密度。 然而，雖然黏聚作用具有許多優點，但被結合至吸煙 物品之過濾件中之許多添加劑具有活性，其係取決於經由 過濾件被汲取的煙與添加劑顆粒表面間的接觸。例如，揮 發物會被吸附在許多添加劑如活性碳的表面。添加劑顆粒 的黏聚作用將會顯著地降低能夠與煙接觸的顆粒表面積。 因此以黏聚作用的形式將此類添加劑結合至過濾件中會預 期伴隨著至少一部分其過濾效能及/或其他添加劑活性的減 損。 WO 2008/031816揭露了具有高凝聚強度的複合材料， 其係藉著黏聚選自礦物氧化物、鋁矽酸鹽及活性碳的至少 一化合物與聚合物所製備。黏聚作用係受到控制以提供具 有期望顆粒尺寸（至少100 μιη的平均顆粒尺寸）、孔隙體積 與高凝聚強度的黏聚物。 201138953 【發明内容】 1根據本發明之第—態樣係提供〜種複合材料，其中兮 =才料包含至少兩種不同添加劑材料的顆粒及將該添力: ，顆粒黏結至職合材财㈣合物。較㈣，該黏聚物 表現出均勻的密度及狹窄的顆粒尺寸分佈。 根據本發明之第二態樣係提供—種製備第一態樣之複 “勿的方法，其中將該添加劑材料的顆粒與該黏結聚合物 混合以形成一複合材料。

根據本發明之第三態樣係提供一種將至少兩種不同添 加知彳材料結合在過遽件材料中的方法，此方法句令伟田士 發明第一態樣中的該複合材料。 I 根據本發明之第四態樣係提供一種本發明第一態樣之 複合材料的用途，用以將至少兩種不同的添加劑材料結合 至過遽件材料中。 根據本發明之第五態樣係提供一種吸煙物品的過遽 件’其包含根據本發明第一態樣之複合材料。 根據本發明之第六態樣係提供一種吸煙物品，其包含 根據本發明第一態樣之複合材料。 【實施方式】 根據本發明使用包含兩或更多種不同添加劑材料之複 合材料克服了上述分開添加兩種粒狀添加劑材料的問題。 根據本發明之欲結合至該複合材料中的添加劑通f是 被結合在吸煙物品之過濾件中者。其通常提供有利特性予 201138953 過濾件，增進過濾件之過遽特性、改善過渡過之煙的特性、 或對吸煙物品整體提供某些有利特性。添加劑常常是具有 吸附特性的材料。 在過濾件中使用一種以上的添加劑是吸引人的，因為 這樣的作法可以使得過濾件的特性或特徵受到調整或客製 化，以提供特定的功效組合。例如，不同的吸附材料對於 不同的煙成份可具有較高的選擇性。 此外，由於一種添加劑可能被用來克服與另一種添加 劑有關的缺點或問題，因此結合不同的添加劑材料可使得 添加劑相互作用而仔細地選擇添加劑的組合便可產生有利 的效果。例如，某些添加劑如某些離子交換樹脂具有令人 不愉悅的氣味而使得其在吸煙物品之過滤件中的用途受 限。此類難聞的添加劑與吸附劑如活性碳或矽酸鹽的組合 會因為吸附劑會減少氣味而克服此問題。 包含不同添加劑之複合材料的形成亦使人能夠控制.添 加劑材料的物理特性。如上所述，可製備複合材料以確保 相對均勻的密度與狹窄的顆粒尺寸分佈。 在一實施例中，本發明的複合材料可具有任何適合的 形式如顆粒、纖維或單獨的整塊實體。然而較佳地，複合 材料為顆粒。適合的顆粒尺寸為100至1500 μηι或150至 1400 μηι。在本發明之一較佳實施例中，所提供的複合材料 具有平均顆粒尺寸至少為250 μηι之顆粒的形式，以避免在 吸煙物品之過濾件中結合較小顆粒時會遇到的壓降問題。 複合材料的較佳最小孔隙體積及/或孔隙尺寸係取決 201138953 於結合至吸煙物品之過渡 理吸附而言，根據本發明^中之材料的建議目的。對於物 cm3/g的微孔體積。若^欠斜複合材料較佳地具有至少約〇·4 那麼重要。碳主要對化學朗，則孔隙尺寸便不是 脂如CR20則是傾向於驻里吸附作用來減少煙分析物。樹 此外，當欲結合之^化學吸附來減少煙分析物。 理尤其有用。此些相對^劑具有不良的強度時，黏聚處 分強度的複合顆粒，使顆粒可被黏聚而形成具有充 合至吸煙物品的過滹件二二:受運輸、儲存及處理如結 =的綱材料如離子交換樹脂黏聚而形成複合材料 一天Λ 丨施例中，被結合至複合材料中的至少 二二：性私。活性碳是吸煙物品之過濾件中常用 、士 ’’ ，、σ 5午多不同有機材料(工廠最常使用的材料是 椰设）的碳化形式所製成。 。或者可使用其他多孔性碳材料如含碳乾燥膠。此類 乾燥膠為多孔性的固態材料，其係由以下列方式所獲得： ，膠或溶膠·凝膠中的液體成分被移除並被置換成氣體，接 著受到熱解7碳化。根據乾燥的方式可對其加以分類，其包 含碳的乾凝膠、氣凝膠及冷卻凝膠。此類凝膠可藉著芳香 酵(如間苯二酚)與醛(如甲醛)在催化劑（如碳酸鈉）存在下進 行水性聚縮合反應所獲得。 在活性碳的情況中，起始材料會影響活化產物的強 度。由於椰殼能製造出具有相對強度及穩健性活性碳產物 201138953 且此產物在運送、儲存及結合至過濾、件時不易破裂，因此 椰殼是極受歡㈣起始㈣。“，絲考慮制其他充 裕便宜的材料用來作為製造活性碳的起始材料。例如，菸 草里（通吊疋製造吸煙物品時的廢棄物）會是一種經濟的起 始材料’但所得的活性碳非常鬆«碎。“，黏聚於草 莖活性碳的齡會增加材料強度且使其絲被結合至過減 件中。其他可能會導致脆弱活性碳（其將可受益於根據本發 明之黏聚作用）的起始材料包含了蔬菜源、木材(例如橡木片） 及竹子。 增加許多吸附材料的孔隙度將有利於改善材料的過濾 特性但通常具有下列缺點：大幅地損害材料的結構完整 度，使得材料不再適合結合至吸煙物品之過濾、件中。然而， 黏聚作用可改善咼度多孔性材料的結構完整度但同時維持 其過遽特性。 在本發明之一較佳實施例中，用來形成複合材料之至 少一添加劑不會呈現能以獨立顆粒形式被結合的充分強 度’即無黏聚作用’如根據本發明所述之黏聚作用。 在本發明之另一實施例中，至少一添加劑為離子交換 樹脂。該離子交換樹脂可以是螯合樹脂如Diaion® CR2〇。 或者或此外’該離子交換樹脂可以是陽離子交換樹脂如 Amberlite® CG-50 ° 來自 Mitsubishi Chemicals Corporation 的Diaion® CR20尤其較佳，因其被認為是用於吸煙物品之 過濾件中最有效的樹脂。其具有胺表面官能基團且對於煙 酸如曱醒·及對於HCN表現出選擇性。 201138953 在本發明的另-實施例中，至少—添加物為無機氧化 物如氧化矽、氧化鋁、氧化鍅、氧化鈦、氧化鐵、氧化 鋁矽酸鹽如沸石或海泡石。 、 在本發明之一實施例中，在複合材料及本發明之方法 中所用的聚合物係選自於下列者：纖維素與其衍生物，包 含醋酸纖維素、硫酸纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素' 曱基纖維素、故曱基纖維素、羧甲基纖維素；殿粉與其衍 生物，包含羧曱基澱粉、羧丙基澱粉；海藻酸鹽與其衍生 物，包含海藻酸、海藻酸鈉、海藻酸卸、海藻酸鈣；聚乙 烯；洋菜；膠，包含阿拉伯膠、紫雲英樹膠、瓜爾膠、蝗 旦膠；聚乙烯醇與其衍生物，包含醋酸聚乙烯(選擇性地水 解）、醋酸聚乙烯的共聚物與脂肪羧酸的乙烯酯、及乙烯的 共聚物與飽和羧酸脂肪族的乙稀醋。 在本發明之一特佳實施例中，該聚合物為纖維素或其 衍生物（尤其是醋酸纖維素或硫酸纖維素）、聚乙烯、阿拉伯 膠或聚乙烯醇中的一者。 在本發明一特佳實施例中，該複合材料包含離子交換 樹脂與活性碳的組合。該離子交換樹脂可以例如是Diaion⑧ CR20或Amberlite⑧CG-50。較佳地，黏結該些添加劑的該 聚合物為醋酸纖維素。 當結合材料如CR20與活性碳時，樹脂所造成的氣味 會被完全消除。 實驗 X、♦與離子交換樹脂的複合材料 201138953 、香煙過濾件中複合添加 、^ 合材料係如下本。二樣本的複 與醋酸纖維素(70.30)… 素(35:35:3G);及叫㈤0 、请>85叫的三添加劑結合至連接至—终草桿的過 心 至mm醋酸纖維素嘴端/5 mm之過濾件添加劑八〇 mm “I纖維素桿端）中，該於草桿包含密度mg/cm3、 長56 mm且總香煙圓周長為24.6爪爪的維吉尼亞式於草。 由於過;慮件尖ii而的通風(ventilati〇n)會導入其他變數，因此 亚無使用。使用85 mg的添加劑是為了要在腔室中得到6〇 mg淨重之碳或CR20或碳加上cr2〇。 如控制，在過濾件中使用了⑴6〇mg的CR2〇 ; (2)6〇 mg研磨與顆粒化前的活性碳；及⑺5 mm空的腔室長度。 抽煙前’香煙在22 °C與60%相對濕度的條件下被調整3 個禮拜。在ISO條件（即每分鐘一次歷時2秒的35 ml體積 喷煙）下進行吸煙。基本的吸煙化學結果係顯示於下表1中： 表 喷煙 次數* NFDPM(mg/ 香煙） 尼古丁（mg/ 香煙） 水（mg/ 香煙） CO(mg/ 香煙） 腔室 7.0 10.5 1.00 2.0 9.6 碳 60 mg 7.2 9.9 1.01 1.7 10.1 CR20 60 mg 7.0 9.7 0.95 1.3 9.9 碳 /CR20 30+30 mg 7.2 10.0 1.01 1.5 10.1 12 201138953 碳/CA 85 mg 7.1 9.7 0.96 1.3 9.6 CR20/CA 85 mg 7.2 10.2 1.03 1.5 ----- 10.0 碳/CR 20 85 mg 7.0 9.7 1.00 1.4 —-~~~. 9.7 *每根香煙的喷煙次數 在焦油、co與尼古丁的產生量上並未觀察到明顯的不 同。在圖1的表中顯示量測到的香煙氣態化合物。以單位 焦油為準標準化所有產生量’並利用空的腔室來計算相對 於香煙的減少量百分率。相對於空腔室的減少量百分率及 以單位焦油標準化的值係顯示在表中的括號中。 圖2a至2c顯示每一種材料的黏聚效果。 自上述數據可觀察到下列情況： 1) 比較碳與黏聚過的碳’在對羰基與HCN的選擇性 上沒有明顯的差異，然而黏聚過的碳表現出較低的選擇性 揮發物減少量；及 2) CR20的黏聚效應較大。黏聚過的CR20在所有結果 中具有較低的效能但曱醛與選擇性的揮發物減少量被認為 是實驗錯誤。 因此，明顯地黏聚作用對CR20離子交換樹脂的影響 大於對碳的影響’這可能是因為CR2q相較於碳具有較低的 表面積。相反地’碳與CR2()的黏聚組合在整個表中表現得 極佳。然而’此材料的黏聚組合已消除了離子交換樹脂的 13 201138953 菸草莖與枝幹的前驅物)與醋酸纖維素黏聚。 將活性碳加以研磨至微細粉末再與醋酸纖維素黏聚。 所得到之硬圓柱形碳複合顆粒係由約3:1比例的碳：醋酸 纖維素所構成且具有400至800 μιη的顆粒尺寸分佈。 將85 mg之碳複合材料結合至無通風維吉尼亞菸草型 參考香煙的腔室過濾件設計中。使用此複合物重量是為了 要在腔室中得到60 mg淨重的碳。如控制，使用一空的腔 室及包含60 mg基本活性碳的腔室。 抽煙前，在22 °C與60%相對濕度的條件下調整香煙3 周。在ISO條件（即每分鐘一次歷時2秒的35 ml體積喷煙) 下進行吸煙。基本的吸煙化學結果係顯示於下表2中： 表2 香煙 過渡件 喷煙 NFDPM(mg 尼古丁（mg/ 水（mg/ C0(mg/ 添加劑 次數* /香煙） 香煙） 香煙） 香煙） Y126 1 無 6.8 10.6 0.94 1.7 10.1 Y126 2 碳複合 6.6 9.4 0.87 1.2 9.8 物 Y126 3 碳 7.1 9.2 0.82 1.5 10.8 在表3中顯示量測到的香煙氣態化合物。亦以單位焦 油為準標準化所有產生量，並利用空的腔室來計算相對於 香煙的減少量百分率。減少量百分率係顯示在表中的括號 中。 14 201138953 表3 煙產生量（pg/香煙）（減少％) 過渡件添加劑 無 碳複合物 碳 煙之分析物 乙醛 581 491 (5) 491 (3) 丙酮 285 170 (33) 148 (40) 丙稀搭 65 40 (31) 33 (42) 丁醛 37 20 (39) 16 (51) 巴豆醛 20 6 (65) 2 (88) 曱醛 46 28 (32) 17 (57) 甲乙酮 70 32 (48) 20 (68) 丙酿 52 36 (23) 33 (27) HCN 144 78 (39) 81 (35) 1,3-丁二烯 35 33 (-7) 26 (13) 丙稀腈 9.7 5.2 (40) 3.3 (61) 苯 45 29 (28) 17 (57) 異戊二烯 231 176 (14) 109 (46) 亦在圖3中以圖示的方式來顯示減少量百分率。可觀 察到，當在香煙過濾件中進行評估時，除了 HCN外，醋酸 纖維素對碳的效能造成極少的降低。對於羰基而言效能減 少程度最小而對選擇性的揮發物丙烯腈、苯與異戊二烯而 15 201138953 言效能減少程度最大。在兩種樣本中，1,3-丁二烯的減少量 皆小。此些觀察類似於使用活性椰殼碳樣本所觀察到者。 從這個實驗結果可以得到下列結論：粒狀添加劑材與 醋酸纖維素的黏聚係有利於改善過濾件添加劑的強度特 性、得到狹窄的顆粒尺寸分佈及在不大幅減損效能的情況 下將添加劑結合至一材料中。自感官的角度來看，在量測 到的吸煙特性上並無差異，因此在控制與測試產品間並無 顯差異。 在上述内文中所提及的所有公開案皆以引用的方式結 合於此。本發明的上述方法與系統的各種修飾與改變對於 所屬技術領域中具有通常知識者而言是明顯的，而皆未脫 離本發明範圍。雖然僅利用特定較佳實施例來說明本發 明，但應暸解，如申請專利範圍所主張的發明不應過度受 限於此類特定實施例。確實，所屬技術領域中具有通常知 識者所顯而易見用以實施本發明所述實施例的各種變化皆 意欲將其包含於下列申請專利範圍的範疇内。 【圖式簡單說明】 圖1顯示量測到的香煙氣態化合物。 圖2a至2c顯示每一種材料的黏聚效果。 圖3顯示減少量百分率。 【主要元件符號說明】 無

Claims (1)

1. 201138953 七、申請專利範圍： 1. 一種複合材料，包含離子交換樹脂的顆粒作為第一添加 劑材料、至少一第二添加劑材料的顆粒及將該第一與至 少一第二添加劑顆粒黏結至該複合材料中的一聚合物。 2. 如申請專利範圍第1項之材料，其中該第一與第二添加 劑材料具有不同密度及/或不同顆粒尺寸。 3. 如上述申請專利範圍任一項之材料，其中該至少一第二 添加劑材料係選自多孔性碳材料；無機氧化物；及/或 鋁矽酸鹽類。 4. 如上述申請專利範圍任一項之材料，其中該聚合物為： 纖維素或其衍生物；澱粉或其衍生物；海藻酸鹽或其衍 生物；聚乙烯；洋菜；膠；及/或聚乙烯醇或其衍生物。 5. 如上述申請專利範圍任一項之材料，其中該聚合物為醋 酸纖維素。 6. 如上述申請專利範圍任一項之材料，其中該複合材料具 有至少250 μηι的平均顆粒尺寸。 7. —種製備如上述申請專利範圍任一項之材料的方法，其 中該添加劑材料的顆粒與該黏結聚合物混合以形成該 複合材料。 8. —種將至少兩種不同添加劑材料包含至一過濾件材料 中的方法，該方法包含使用如申請專利範圍第1至6項 中任一項之複合材料。 9. 一種如申請專利範圍第1至6項中任一項之複合材料的 用途，用以將至少兩種不同添加劑材料結合至過濾件材 17 201138953 料中。 10. —種吸煙物品的過濾件，包含如申請專利範圍第1至6 項中任一項之複合材料。 11. 一種吸煙物品，包含如申請專利範圍第1至6項中任一 項之複合材料。 18