Шаблонные угольные монолитные трубки с формованными микроканалами и способ их изготовления

013275 Курительные изделия, особенно сигареты, обычно включают стержень из измельченного табака(обычно в форме табачной мешки), окруженный бумажной рубашкой, и цилиндрический фильтр, выровненный встык с табачным стержнем. Как правило, фильтр содержит заглушку из ацетатцеллюлозного жгута, прикрепленного к табачному стержню мундштучной бумагой. После зажигания сигареты курильщик втягивает основной поток дыма от зажженного конца сигареты. Втягиваемый сигаретный дым сначала входит в передний концевой участок фильтра и затем проходит через задний участок, смежный мундштучному концу сигареты, через который потребитель втягивает дым. Чтобы достичь адекватной эффективности фильтрации, материалы, такие как уголь, включали в сигаретные фильтры. Современный способ включения адсорбентов в сигаретные фильтры - это физический захват частиц адсорбента между волокнами ацетата целлюлозы (АЦ). Улучшенный и более дорогой вариант - это поместить определенные материалы в полость между АЦ заглушками в заданной конфигурации, такой как конфигурация типа "заглушка-промежуток-заглушка", чтобы ограничить действие на адсорбент связующего триацетина. Определенные сигареты включают сегменты фильтра с адсорбентами, такими как активированный уголь, чтобы достигнуть желательных фильтрующих характеристик. Примеры таких фильтров описаны в патентах США 2881770 (Tovey); 3353543 (Sproull et al.); 3101723 (Seligman et al.) и 4481958 (Ranier etal.) Определенные коммерчески доступные фильтры имеют частицы или гранулы угля (например, активированного угля), одни или диспергированные в пределах жгута волокна АЦ. Другие коммерчески доступные фильтры имеют диспергированные углеродные волокна; в то время как другие коммерчески доступные фильтры имеют структуру, называемую "заглушка-промежуток-заглушка", "фильтр с полостью" или "тройной фильтр". Примерами коммерчески доступных фильтров являются SCS IV Dual SolidCharcoal Filter (двойной твердый угольный фильтр) и Triple Solid Charcoal Filter (тройной твердый угольный фильтр) от Filtrona International, Ltd.; Triple Cavity Filter (тройной полостной фильтр) от Baumgartner; и ACT от Filtrona International, Ltd. Подробное обсуждение свойств и композиции сигарет и фильтров имеется в патентах США 5404890 и 5568819, оба - Gentry et al., содержание которых включено путем ссылки в данное описание. Элементы сигаретного фильтра, которые включают уголь, имеют способность удалять компоненты основного потока дыма, который проходит через него. В частности, активированный уголь имеет склонность снижать уровни определенных газофазных компонентов, присутствующих в основном потоке дыма, приводя к изменению органолептических и токсикологических свойств этого дыма. Было бы желательно снабдить сигарету, имеющую сигаретный фильтр, включающий уголь и/или другие материалы, способные абсорбировать и/или адсорбировать газофазные компоненты, присутствующие в основном потоке сигаретного дыма, обеспечивая благоприятную абсорбцию/адсорбцию, разбавление и втягивающие характеристики, чтобы усилить переносимость потребителя. Кроме того, коммерчески приемлемые активированные угли и молекулярные сита находятся обычно в зернистых и порошковых формах. Материалы в этих формах не поддерживают сцепление продукта,поскольку гранулы или зерна имеют тенденцию осаждаться, будучи упакованными внутри сигаретного фильтра. Поэтому желательно формировать изделие, имеющее конфигурацию стержня с каналами и активированным углем, такое как монолитные трубки для использования в сигаретной фильтрации, чтобы достигнуть более низкого сопротивления втягиванию, более высокоизмельченного вещества и лучшей целостности изделия. Согласно предпочтительному варианту изобретения предложен способ, предусматривающий смешивание избытка предшественника угольных материалов, таких как фенольные полимеры, с волокнистыми шаблонами из низкоуглеродных материалов, таких как полипропилен; придание смеси заданной конфигурации, такой как протаскивание смеси через бумажную, пластмассовую, металлическую или стеклянную трубку; обрезание избыточной смеси или разрезание трубки, чтобы образовать цилиндрическую конфигурацию; отверждение смеси в трубке, чтобы сформировать композит предшественника устойчивой конфигурации; передвижение трубки; обугливание композита предшественника в инертной среде или вакууме и разрушение волокнистых шаблонов с получением формованных угольных изделий,таких как монолитные трубки со сформированными каналами. Далее, согласно предпочтительному варианту изобретения обеспечиваются угольные монолитные изделия со сформированными каналами и используются, чтобы получать фильтры, более конкретно сигаретные фильтры, которые являются эффективными для снижения газофазных компонентов дыма. Новые особенности и преимущества настоящего изобретения в дополнение к упомянутым выше станут очевидны специалистам в технике из чтения следующего подробного описания в сочетании с сопутствующими чертежами, в которых одинаковые цифры ссылок относятся к одинаковым частям и в которых: фиг. 1 - принципиальная схема, показывающая стадии формирования сигаретного фильтра с формованными каналами по изобретению; фиг. 2 - вид сбоку сигареты с удаленными наружными участками, чтобы показать внутренние детали, включая фильтр "заглушка-промежуток-заглушка с фильтром", включающий угольное изделие по-1 013275 изобретению; фиг. 3 - поперечное сечение волокнистого шаблона трехдольной конфигурации по изобретению; фиг. 4 - поперечное сечение волокнистого шаблона четырехдольной конфигурации по изобретению; фиг. 5 - поперечное сечение V-образного волокнистого шаблона по изобретению; фиг. 6 - поперечное сечение вставленных друг в друга I-образных волокнистых шаблонов по изобретению; фиг. 7 - поперечное сечение С-образного волокнистого шаблона по изобретению; фиг. 7 А - поперечное сечение круглого волокнистого шаблона по изобретению; фиг. 7 В - поперечное сечение трубчатого волокнистого шаблона по изобретению; фиг. 8 - поперечное сечение волокнистого шаблона неправильной конфигурации по изобретению; фиг. 9 - зависимость сравнительных рабочих характеристик образца 1R4F с фильтром АЦ уровня техники и сигареты с фильтром по изобретению от числа затяжек, характеризующихся наличием 1,3-бутадиена; фиг. 10 - зависимость сравнительных рабочих характеристик образца 1R4F с фильтром АЦ уровня техники и сигареты с фильтром по изобретению от числа затяжек, характеризующихся наличием ацетона; фиг. 11 - зависимость сравнительных рабочих характеристик образца 1R4F с фильтром АЦ уровня техники и сигареты с фильтром по изобретению от числа затяжек, характеризующихся наличием бензола; фиг. 12 - зависимость сравнительных рабочих характеристик образца 1R4F с фильтром АЦ уровня техники и сигареты с фильтром по изобретению от числа затяжек, характеризующихся наличием формальдегида. На фиг. 1 и 2 показаны примеры выполнения способа и конечного продукта по изобретению. Легко понять, что объем этого изобретения не ограничивается этими вариантами. Скорее, объем настоящего изобретения содержит варианты, которые включают фильтр и способ изготовления фильтра, описанного здесь. Как показано на фиг. 1, типичный способ, пригодный для стадии смешивания, может начинаться с волокнистого шаблона 10 с полыми каналами 12. Волокнистый шаблон 10 может быть выполнен из материала, который оставит незначительное количество остатка при термическом разложении. Шаблоны 10 могут также включать низкоуглеродные материалы. Предпочтительный материал для этой цели - полипропилен (ПП). Волокнистый шаблон 10 можно сформировать с поперечным сечением любой конфигурации, включая, без ограничения, трехдольную, четырехдольную, V-образную, вложенные друг в друга I-образную,С-образную, круглую, трубчатую и неправильную конфигурации, как обозначено цифрами 10-10G на фиг. 3-8 соответственно. Эти конфигурации можно сформировать экструзией, кручением или другим способом, как учит, например, патент США 5057368 (Largman et al.). Форма поперечного сечения шаблона обеспечивает продольные каналы 12, которые могут быть непрерывными и которые открыты к поверхности шаблона 10. Продольные каналы 12 могут иметь разные конфигурации в зависимости от конфигурации шаблона, как обозначено цифрами 12 А-12 Е на фиг. 3-8 соответственно. Волокнистый пучок шаблона может быть смешан с предшественником угля в емкости (не показана), чтобы образовать пучок 11, загруженный предшественником. Стадия смешивания может быть проведена в соответствии с известными методиками, такими как описаны в патентах США 6584979 и 5772768 (Xue et al.). Известны дополнительные методы, как описано, например, в "Высокоэффективные волоконные фильтры, сформированные удалением кислотным газом (Highly Efficient Acid-Gas Removingof Chemistry; Ed. by C. Littls and J.Blitz; page 154, 1999). Определенные уровни перемешивания или вращения емкости могут быть необходимыми, чтобы достичь непрерывно однородной пропитки шаблонов 10 предшественником 18. Углеродные материалы предшественника, используемые в стадии смешивания, могут быть твердыми частицами, гелями, жидкостями, пеной или их смесями, которые дают угольные или карбоноидные материалы при нагревании до адекватной температуры в инертной атмосфере или под вакуумом. Подходящие материалы в этих классах включают, но не ограничиваются ими, фенольные полимеры, нефтяные пеки, полиакрилонитрил, целлюлозу, производные целлюлозы, поливинилацетат (ПВА) и их смеси. Дополнительные неорганические материалы, такие как молекулярные сита, цеолиты и силикаты, могут быть включены в смесь, чтобы модифицировать распределение пор конечных карбоноидных продуктов. Используемые фенольные полимеры могут быть неотвержденными или частично отвержденными смолами новолачного типа с отвердителями, или резольного (самоотверждающегося) типа, или их смесями. Производство пористых формованных угольных материалов на основе фенолов из измельченной частично отвержденной смолы описан, например, в патенте США 4917835 (Lear et al.). Волокнистый шаблон 10 может быть обработан как случайные пучок или пачка 11 или в манере такой, что шаблоны или сегменты шаблонов могут или не могут быть относительно выровнены. Пучок 11,который может включать одно или много волокон, затем протягивается с предшественником 18 угля че-2 013275 рез форму 14 с определенными размерами, которая показана на фиг. 1, например трубку. Форма может быть бумажной, пластмассовой, металлической или стеклянной. Количество предшественника 18 угля может быть включено в смесь так, чтобы шаблоны 10 были объединены в единое изделие. Любые пустоты, отверстия или кольцевые зазоры в форме 14 могут быть заполнены предшественником 18. Весовое отношение предшественника 18 угля к шаблону 10 полипропилена, также называемое коэффициентом нагрузки, находится предпочтительно в интервале 0,2-6, но не ограничивается им. Непрерывные процессы пропитки, использующие непрерывные рулоны волокон шаблона 10, могут использоваться, чтобы достичь подобных результатов в периодическом процессе. Шаблоны 10 могут быть протянуты непрерывно через емкость (не показана), содержащую предшественник 18 угля, повторно собраны через конусообразное направляющее устройство (не показано) и объединены в непрерывной форме (не показана) для дальнейшей обработки. Определенные уровни перемешивания или вращения формы могут быть необходимыми, чтобы достичь непрерывно однородной пропитки. Заявка США 10/294346 "Непрерывный способ пропитки твердых частиц адсорбента в волокнах с формованными микрополостями и волоконных фильтрах", полностью включенная сюда путем ссылки, описывает типичные процессы непрерывной обработки и пропитки волокнистых шаблонов. После пропитывания формы 14 смесью, включающей шаблон 10 и предшественник 18, избыточные шаблоны 10 и/или предшественник 18 пучка могут выступать из формы 14, как показано на фиг. 1. Лезвия 16 могут быть использованы, чтобы получить желательные длины, а также удалить любой излишек шаблона 10 пучка 11 или предшественника 18, выступающих из формы 14. Предшественник 18 и шаблон 10 затем отверждают с получением композита 19. Для отверждения смеси могут быть выбраны условия, чтобы поддержать целостность шаблонов 10, в то время как предшественник 18 угля отверждают внутри формы. Отверждающие условия зависят значительно от компонентов в предшественнике 18 угля, особенно от неотверждаемых компонентов, используемых как связующие. Например, отверждение может быть достигнуто нагреванием в газовой среде регулируемого состава при температуре приблизительно 120-160 С в течение приблизительно 15-60 мин, хотя другие температуры и времена, как ожидают, будут также приемлемыми. Определенный уровень кислоты может быть добавлен к фенольному предшественнику, чтобы ускорить отверждение. После отверждения композит может сохранять свою конфигурацию, даже если форма 14 удалена. Соединение может затем быть карбонизовано (обуглено). Например, композит 19 может быть нагрет в инертной среде и/или под вакуумом, что может разложить шаблон 10 и позволить композиту 19 образовать шаблонное (изготовленное с помощью шаблона) угольное изделие 21, такое как монолитная трубка с пустотами или каналами 20. Температуры карбонизации могут быть выбраны с учетом используемого предшественника. Например, температура может быть выбрана в интервале от приблизительно 600 до приблизительно 950 С, предпочтительно приблизительно 850 С. Каналы 20 получают свою конфигурацию от конфигурации шаблонов 10. Как и при отверждении, условия карбонизации могут изменяться в зависимости от компонентов в предшественнике 18 угля. Различные выходы и конфигурации угля могут быть получены при использовании различных конфигураций и условий обработки. В табл. 1 перечислены 7 примеров, проведенных с применением различных профилей шаблона и условий обработки, чтобы получить отличающиеся конечные каналы. В каждом из примеров шаблон полипропилена смешивали с предшественником угля на основе фенольного полимера. Шаблоны 16 и 24 денье на нить (dpf) применяли с диаметрами приблизительно 60-120 мкм. В табл. 1 диаметры обозначены как d1. В случае трехдольной конфигурации диаметром является круг, образуемый поперечным сечением. В случае шаблонов С-формы или неправильной конфигурации d1 дается двумя числами, которые представляют относительную протяженность поперечного сечения в двух ортогональных направлениях. Шаблоны загружали в форму с коэффициентом нагрузки между 0,2 и 6. Отверждение имело место приблизительно при 150 С в течение приблизительно 25-40 мин. После отверждения композиты имели диаметр D1. Определенный уровень кислоты может быть добавлен к фенольному предшественнику, чтобы ускорить это время отверждения. Карбонизацию проводили приблизительно при 850 С в течение приблизительно 1-2 ч. После карбонизации диаметр изделия снижался доD2. Выходы угля были обычно 30-40 вес.% в зависимости от содержания полипропилена в предшественнике композита. Каналы, образованные в угольных изделиях, получали свою конфигурацию от конфигурации шаблона. Конечный диаметр каналов был d2, в то время как конечное число каналов на квадратный миллиметр представлено как N. Шаблонные угольные изделия 21 могут быть активированы с получением адсорбционных материалов с высокой площадью поверхности для приложений фильтрации. Много способов активирования известны в литературе, такие как нагревание с диоксидом углерода или водяным паром. Например, шаблонное угольное изделие из примера 7 в табл. 1 может быть активировано диоксидом углерода при температуре 950 С в течение приблизительно 40 мин. При 25% выгорании площадь поверхности по БЭТ составляет 1219 м 2/г, а объем микропор (20 ) составляет 0,4469 см 3/г. Эти величины сопоставимы с таковыми для активированного угля из кокосового ореха, который может также использоваться как адсорбент в сигаретных фильтрах. Угольное изделие может дополнительно быть активировано, чтобы усилить его фильтрующие характеристики. Например, модифицированные сигаретные модели, содержащие 66 мг активированного шаблонного угольного изделия, могут быть получены согласно примеру 5 из табл. 1 и уголь затем может быть активирован при температуре приблизительно 950 С в течение приблизительно 30 мин, чтобы достичь степени выгорания 30%. Как показано на фиг. 2, фильтры могут быть устроены так, что обычные заглушки 22 и 24 окружают шаблонное угольное изделие 21, приготовленное по настоящему изобретению. Сигареты могут быть выкурены в условиях Федеральной торговой комиссии и химия дыма проанализирована методами Фурье ИК и хромато-масс-спектроскопии. Как показано в табл. 2-3 и фиг. 9-12,сформированные фильтры эффективны для снижения в широких пределах газофазных компонентов дыма. В табл. 2 приведено сравнение стандартной 1R4F сигареты с сигаретой, содержащей угольное изделие по изобретению с характеристиками, описанными в примере 5, табл. 1. Стандарт Кентукки 1R4F это фильтровая сигарета, которую производил Исследовательский институт табака и здоровья, Университет Кентукки в течение этих лет для целей исследования. Первый ряд табл. 2 показывает величины ПИВ (полностью измельченное вещество (ТРМ, total particulate matter образца 1R4F. Среднеквадратичное отклонение дается с данными 1R4F. Второй ряд табл. 2 приводит характеристики модифицированных образцов МТ-66-1 и МТ-66-2, которые были выполнены по изобретению и которые были вычислены как разность характеристик (в процентах) к контрольному образцу 1R4F. Модифицированные образцы МТ-66-1 и МТ-66-2 - это сигареты со строением, показанным на фиг. 2, в котором заглушка 22 была 15 мм, заглушка 24 была 7 мм и угольное изделие 26 было 5 мм по осевой длине и весило угольное изделие 66 мг, хотя любые длины и/или веса могли быть выбраны. Величины, доложенные для модифицированных образцов МТ-66-1 и МТ-66-2, даются как отклонение от 1R4F стандарта. Среднеквадратичное отклонение от контрольного образца 1R4F более чем в три раза считается значительным. Как показано в табл. 2, количество ацетальдегида (АА), цианида водорода(HCN), метанола (МЕОН) и изопрена (ИЗОП) в полном измельченном веществе (ПИВ), - все снижались в результате использования настоящего изобретения.-4 013275 Таблица 2 Характеристики контрольной сигареты в сравнении с характеристиками модифицированных сигарет Табл. 3 далее показывает пользу настоящего изобретения. Первая колонка приводит характеристики и компоненты, общие для сигарет и сигаретного дыма. Вторая колонка, названная "Сигма контрольное", приводит среднеквадратичное отклонение определенных газофазных компонентов в контрольной сигарете 1R4F. Третья колонка, названная "МТ 66", приводит изменения в уровнях газовых компонентов, как результат использования фильтров, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, более конкретно по примеру 5 из табл. 1. Таблица 3 Изменение состава газофазных компонентов-5 013275 Фиг. 9-12 далее демонстрируют, как модифицированные образцы МТ 66 снижают выделение 1,3-бутадиена, ацетона, бензола и формальдегида от затяжки к затяжке. Например, на фиг. 9 показано среднее количество 1,3-бутадиена в основном потоке дыма для разных затяжек сигаретами Кентукки стандарта IR4F. 1,3-Бутадиен в сигаретном дыме измерен в расчете на затяжку. Сигареты курят с объемом затяжки 35 см 3 длительностью 2 с каждые 60 с. О выделении 1,3-бутадиена в последовательных затяжках сообщается для восьми определений от образцов 1R4F, а также МТ 66. Как показано на фиг. 9, первая затяжка составляет 15-20% от полного выделения из 1R4F и меньше 5% из МП 66 образцов. Процесс повторяли еще семь раз согласно известным методам, чтобы получить графики, показанные на фиг. 9-12. Как показано на фиг. 9-11, содержание газообразных компонентов увеличивается с каждой затяжкой из-за насыщения фильтра. Однако содержание формальдегида, показанное на фиг. 12, снижается почти до нуля для продуктов, включающих настоящее изобретение. Вышеприведенное описание изобретения поясняет и описывает настоящее изобретение. Дополнительно, раскрытие показывает и описывает только предпочтительные варианты изобретения, но следует понимать, что изобретение способно использоваться в различных других комбинациях, модификациях и средах и способно к изменениям или модификациям в рамках изобретательской концепции, как выражено здесь, соразмерно с вышеупомянутым учением и/или использоваться специалистами в технологии изготовления фильтров, более конкретно сигаретных фильтров. Варианты, описанные выше, далее предназначены, чтобы объяснить лучшие известные режимы осуществления изобретения и дать возможность специалистам в технологии использовать изобретение в том или другом вариантах и с различными изменениями, требуемыми конкретными приложениями или использованиями изобретения. Соответственно описание не предназначено для ограничения изобретения раскрытой здесь формой. Кроме того, предусматривается, что формула изобретения охватывает альтернативные варианты. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ образования угольного изделия с каналами шаблонной конфигурации, предусматривающий формование волокнистого шаблона с поперечным сечением, имеющим трехдольную, четырехдольную, V-образную, стилизованную I-образную, С-образную, круглую или трубчатую конфигурацию; смешивание предшественника угля с волокнистым шаблоном; придание смеси заданной конфигурации; отверждение смеси с получением композита предшественника угля заданной конфигурации; карбонизацию композита предшественника угля и разложение волокнистого шаблона с получением угольного изделия с каналами шаблонной конфигурации. 2. Способ по п.1, в котором волокнистый шаблон содержит полипропилен. 3. Способ по п.1, в котором придание смеси заданной конфигурации включает протягивание смеси через форму и обрезание или разрезание формы в дискретную конфигурацию. 4. Способ по п.3, в котором указанная форма содержит материал, выбранный из группы, состоящей из бумаги, металла, пластика и стекла. 5. Способ по п.3, в котором указанная форма является трубкой. 6. Способ по п.4, в котором форму удаляют после стадии отверждения и перед стадией карбонизации. 7. Способ по п.1, в котором карбонизацию осуществляют в инертной среде, под вакуумом или при комбинации этих условий. 8. Способ по п.1, в котором стадия карбонизации и стадия разложения происходят одновременно. 9. Способ по п.1, в котором формованное угольное изделие является монолитной трубкой. 10. Способ по п.1, в котором стадию карбонизации проводят при температуре от приблизительно 600 до приблизительно 950 С. 11. Способ по п.10, в котором предшественником угля является фенольный полимер. 12. Способ по п.10, дополнительно предусматривающий активацию предшественника угля. 13. Изделие для курения, содержащее заглушку, смежное заглушке угольное изделие с каналами шаблонной конфигурации, имеющими трехдольную, четырехдольную, V-образную, стилизованнуюI-образную, С-образную, круглую или трубчатую конфигурацию.