Вуглецевмісна пальна композиція для пальних елементів курильних виробів

1 Углеродсодержащая горючая композиция для горючих элементов курительных изделий, содержащая однородную смесь, включающую углерод и связующее, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 3000 20000 млн 1 натрия при следующем соотношении ингредиентов, мае % Связующее 1 - 20 Углерод Остальное 2 Композиция по п 1, отличающаяся тем, что она включает безнатриевое связующее, имеющее изначальное (природное) содержание натрия не более 1500 млн 1 3 Композиция по п 1, отличающаяся тем, что она включает связующее с низким содержанием натрия не превышающим 3000 млн 1 4 Композиция по п 1, отличающаяся тем, что связующее состоит из смеси соли натрия и связующего с низким содержанием натрия при этом содержание натрия в смеси не превышает 3000 млн^ 5 Композиция по п 1, отличающаяся тем, что связующее состоит из смеси соли натрия и безнатриевого связующего с содержанием натрия в смеси не более 1500 млн 1 6 Композиция по пп 1-5, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит соединение натрия, выбранное из группы, включающей карбонат натрия, ацетат натрия, оксалат натрия и малат натрия 7 Композиция по п 6, отличающаяся тем что соединение натрия содержит в виде водного раствора с концентрацией 0 1 - 10 0 мае % 8 Композиция по п 7 отличающаяся тем, что концентрация водного раствора натрия составляет 0 5-7 мае % 9 Композиция по пп 1 5 отличающаяся тем, что она дополнительно включает негорючий наполнитель 10 Композиция по п 9 отличающаяся тем, что в качестве наполнителя она включает карбонат кальция или агломерированный карбонат кальция 11 Композиция по пп 1-4 или 5, отличающаяся тем, что в качестве безнатриевого связующего или связующего с низким содержанием натрия она содержит альгинатное связующее вещество 12 Композиция по п 9 отличающаяся тем, что в качестве альгинатного связующего вещества она содержит альгинат аммония 13 Композиция по пп 1-3 или 4, отличающаяся тем, что она включает 3500 - 9000 млн 1 карбоната натрия Изобретение относится к курительным изделиям, таким как сигареты, в особенности к тем курительным изделиям, которые имеют короткий горючий элемент физически отделенный от средств выделения аэрозолей Курительные изделия этого типа и способы и аппаратура для их приготовления описаны в следующих патентах США 4 708 151, Shelar 4 714 082 Banerjel и др 4 732 168 Rasce, 4 756 318, Clearman и др 4 782 644, Homer и др 4 793 365, Sensabaugh и др , 4 802 562, Homei и др , 4 827 950 Вапег|еІ и др 4 870 748 Hansgen и др , 4 881 556 Clearman и др , 4 893 637, Hancock и д р , 4 893 639. White, 4 903 714, Barnes и др, 47 917 128 Clearman и др , 4 928 714, Barnes и др , 4 917 128, Clearman и др , 4 928 714, Shannon, и 4 989 619, Clearman и др, также в монографии Chemical and Biological Stadies of New Cigarette Prototypes That Heat Instead of Bum Tobacco, R I Reynolds Tobacco Company, 1988 (PIR Monograph), a также в патенте США 4 938 238(прототип) Эти курительные изделия могут доставить курящему удовольствие от курения (вкус, тонкое ощущение, удовлетворение и восхищение) Сигареты, сигары и трубки - популярные курительные изделия, которые используют табак в различных видах Было предложено много кури СМ О со со hсм а> 27364 іельньїх изделий в качестве улучшения или альтернативы к уже существующим Курительные изделия, описанные в вышеприведенных патентах и/или публикациях, содержат углеродсодержащие горючие элементы для производства тепла и аэрозольобразующие вещества, расположенные отдельно друг от друга, но имеющие возможность теплообмена Углеродсодержащие горючие элементы для таких курительных изделий обычно содержат смесь угля и связующего вещества Дополнительные добавки, такие как подавители пламени, смягчители горения, катализаторы дожигания монооксида углерода и им подобные также используются в композициях горючих элементов Уровень энергии таких горючих элементов т е теплота тления и теплота затяжки (или выдувания) часто бывает трудно проконтролировать, а на него сильно влияет изменение конструкции горючих элементов г е число и расположение пропускных каналов в горючем элементе и/или их окружение Было бы выгодно иметь более легкий способ манипулирования уровнями энергии таких горючих элементов, чтобы можно было менять параметры средств курения, использующих эти горючие элементы, в соответствии с контролируемым количеством энергии выделяемым горючими элементами Неожиданно было обнаружено, что содержание натрия в углеродсодержащих горючих элементах для курительных изделий описанного типа является фактором контроля уровней энергии вовремя выхода дыма и тления Было обнаружено, что содержание натрия в этих горючих элементах влияет на способность к возгоранию горючих элементов В основу изобретения поставлена задача достигнуть полного контроля за характеристиками воспламенения угеродсодержащих горючих элементов курительных изделий и повышения темпе ратуры тления углеродсодержащих горючих элементов Поставленная задача решена тем, что количество натрия, добавленное при производстве горючих элементов и форма, в которой он добавляется могут варьироваться для улучшения эксплуатационных характеристик курительных изделий и повышения контроля за характеристиками воспламенения горючих элементов Одна из предпочтительных горючих композиций настоящего изобретения включает однородную смесь (a) примерно от 80 до 99 мае % углерода (b) примерно от 1 до 20 мае % связующего вещества (c) уровень содержания натрия (Na) примерно от 2000 до 20000 р р т {ч/млн ) Другая предпочтительная горючая композиция настоящего изобретения включает однородную смесь ^а) примерно от 60 до 98 мае % углерода (b) примерно от 1 до 20 мае % связующего вещества (c) примерно от 1 до 20 м і^ % і абака (d) содержание натрия {Na) примерно от -'000 до 20000 ррт (ч/млн) Лучшим воплощением настоящею изооре тения являются углрродгодержащие горючие ком позиции, включающие тройную смесь (1) углерода, (2) подходящего связующего вещества, т е безнатриевого связующего вещества, которое предпочтительно, связующего вещества с низким содержанием натрия или смесь связующих веществ, содержащую известное количество натрия и (3), если необходимо, дополнительного количества натрия, например, в форме МагСОз, чтобы довести содержание натрия до уровня от 2000 до 20000 р р т Если необходимо, то к горючей композиции может быть добавлен негорючий наполнитель, например, карбонат кальция, агломерированный карбонат кальция или другой наполнитель такого же типа, чтобы облегчить контроль теплоты, выделяемой горючим элементом при горении, посредством уменьшения содержания в композиции горючего материала Материал с наполнителем обычно включает менее 50 мае % горючей композиции, предпочтительно менее 30 мае %, наиболее предпочтительно 5-20 мае % Правильный выбор горючей ком озиции, используемой при производстве горючих элементов, позволяет проконтролировать перенос энергии во время продувки (т е конвективное тепло), перенос энергии в процессе тления (те излучающееся и/или кондуктивное тепло), улучшает способность к возгоранию горючих элементов и улучшает полное выделение аэрозолей сигарет, содержащих горючие элементы, кроме того, обеспечивает и другие преимущества Углерод, использующийся в композициях, может быть любого типа, активированный или неактивированный, но предпочтителен пищевой уголь со средним размером частиц 12 мкм Подходящие здесь типы связующих веществ - это связующие вещества или смеси связующих веществ, содержащие менее 3000 наиболее предпочтительно - менее 1500 р р т натрия (те безнатриевые связующие вещества или связующие вещества с низким содержанием натрия), и предпочтительно не материалы с натриевыми солями. Если натрий присутствует в связующем веществе (т е изначально присутствует) в количестве меньше 3000 ррт, то такое связующее вещество приемлемо Связующие вещества, которые приемлемы, включают альгинат аммония, он особенно предпочтителен, карбоксиметилцеллюлозу, и т п , связывающие натриевые соли (например, карбоксиметилцеллюлоза), хотя и не предпочтительны, могут быть использованы, но должны быть разбавлены смесями без или с низким содержанием натрия, чтобы уменьшить общее содержание натрия до 2000-20000 ррт Было обнаружено, что содержание натрия в конечных горючих элементах выделенных из натриевых солей связующего вещества, не так эффективно, как при добавлении натрия к горючим элементам в другой форме, как описано в данном изобретении Было обнаружено, что важно не только содержание натрия в полученных горючих элемен тах но и источник натрия для использования в горючих элементах данного изобретечия карбонат натрия (Na-^CCM Добавление карбоната натрия ь виде водного раствора позволяет досичь чеобхо димого содержания натрия в горючи* элементах данного изобретения Хотя использование водных 27364 растворов различной концентрации (те 0,1-10%, предпочтительно 0 5-7%) -предпочтительный способ добавления натрия в горючие элементы, но, если необходимо можно использовать и другие способы, например сухого смешивания Кроме карбоната натрия, другие соединения, такие как ацетат натрия, оксалат натрия малат натрия и т п тоже могут быть здесь использованы Однако такие источники натрия, как хлорид натрия (NaCl), не очень эффективны Как описано выше, предварительное изменение уровня содержания натрия (Na) в горючей композиции в пределах 2000-20000 р рт (общее количество Na = изначальный Na + добавленный Na) позволяет задавать полученным горючим элементам выбранные и определенные горючие свойства Итак, настоящее изобретение относится к углеродсодержащим горючим композициям, включающим примерно от 60 до 99 мае % угля от примерно 1 до 20 весовых процентов подходящего связующего вещества и содержащим примерно от 2000 до 10000 р р т натрия, количество которого измерялось с помощью индуктивно связанной плазменной атомно-эмиссионной спектроскопии (ИСП-АЭС) Другие добавки, которые могут быть включены в горючие композиции настоящего изобретения включают соединения, способные выделять аммиак при горении горючих элементов Было обнаружено, что такие соединения полезны для горючих композиций в количествах 0 5-5,0% предпочтительно 1-4% и наиболее предпочтительно от 2-3% для уменьшения содержания карбонильных соединений, выделяющихся при горении горючих элементов Подходящие соединения, которые выделяют аммиак при горении горючих композиций, включают мочевину, неорганические и органические соли (например, карбонат аммония, альгинат аммония, ион-, ди- и трифосфат аммония), аминосахара (например пролинофруктозу или аспаригинофруктозу), аминокислоты, в особенности альфааминокислоты (например, глутамин, глицин, аспарагин, пролиналанин, цистин, аспарагиновая кислота, фениланин или глутаминовая кислота), ди- или трипептиды, четвертичные аммониевые соединения и т п Одним из наиболее предпочтительных аммониевых соединений является аминокислота аспарагин Добавление аспарагина (Asn) в горючую композицию в количестве примерно 1 до 3% для уменьшения содержания карбонильных соединений, выделяющихся во время горения, тоже считается частью данного изобретения Наиболее полного воплощения изобретения удается достичь при содержании натрия в горючих элементах от примерно 3500 до 90000 ррт, при этом горючие элементы легко загораются В другом воплощении данного изобретения скорость тления горящего углеродсодержащего горючего элемента может зёдаваться сколь угодно низкой или сколь угодно высокой посредством изменения содержания натрия в горючей композиции от уровня примерно 3000 до 90000 р р т В дальнейшем сущность изобретения поясняется подробным описанием конкретных примеров его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг 1(а,б) показана конфигурация сигареты, описанная в монографии RIR, с секцией горючего элемента в разрезе, и разрез горючего элемента сигареты, на фиг 2(а, б) - другой вид сигареты, которая может использовать углеродсодержащий горючий элемент, приготовленный из горючей композиции данного изобретения и разрез горючего элемента сигареты, на фиг 3 - профиль температуры во время продувки горючего элемента показанного на фиг 1а, приготовленного с различным содержанием №гСОз в водных растворах (0, 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 4 - температура тления горючего элемента, показанного на фиг 1(а, б), приготовленного с различным содержанием ЫагСОз в водных растворах (0, 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), измеренную через 15с после затяжки, на фиг 5 - температура "задней стороны" горючего элемента, показанного на фиг 1а, приготовленного с различным'содержанием ЫагСОз в водных растворах (0, 0,5 1,0,3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 6 - температура стенки капсулы, установленной на горючем элементе, показанном на фиг 1а, приготовленном с различным содержанием ЫагСОз в водных растворах (0; 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 7 - графики выходной температуры дыма, определенной на задних частях капсул, использованных, как показано на фиг 6, на фиг 8 - выходная температура газа, выходящего из обращенного ко рту конца сигареты, использующей горючий элемент, показанный на фиг 1а, приготовленный с различным содержанием №гСОз в водных растворах (0, 0,5; 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 9 - температура пальцев при использовании сигарет, изготовленных из горючих элементов, показанных на фиг 16, приготовленных с различным содержанием ЫагСОз в водных растворах (0, 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 10-кривые теплоты при последовательных продувках, выделенной горючими элементами, показанными на фиг 16, приготовленными с различным содержанием №гСОз в водных растворах (0, 0,5 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 11 - перепады давления при возгорании, полученные из сигарет, показанных на фиг 1а, во время тления при условиях 50 см3/30 с при использовании горючих элементов, описанных на фиг 16, приготовленных с различным содержанием №гСО 3 в водных растворах (0, 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 12 - графики плотности аэрозолей в клубах дыма для сигарет, показанных на фиг 1а, при тлении в условиях 50 см3/30 с использованием горючих элементов, показанных на фиг 16, приготовленных с различным содержанием №гСОз в водных растворах (0, 0,5, 1,0, 3,0, 5,0 и 7,0%), на фиг 13 и 14 - зависимость полного выхода аэрозолей от концентрации раствора карбоната натрия и от р р т (частей на миллион) натрия в каждом горючем элементе соответственно, на фиг 15 и 16 - соответственно представляют выход глицерина и никотина в дыме сигарет, 27364 показанных на фиг 1а во время курения при условиях 50 см3/30 с при использовании горючих элементов, описанных на фиг 16, приготовленных с различным содержанием Na2CO3 в водных растворах (0, 0.5, 1,0, 3.0, 5,0 и 7,0%) Как описано выше, настоящее изобретение главным образом направлено на горючие композиции, полезные при изготовлении горючих элементов курительных изделий, таких как описываемая сигарета (фиг 1а), и другие курительные изделия, такие как описано в патентах США № 4 739 365, 4 928 714, 4 714 082, 4 756 318, 4 854 331, 4 708 151, 4 732 168, 4 893 639, 4 827 950, 4 858 630, 4 938 238, 4 903 714, 4 917 128, 4 881556, 4 991596 и 5 027 837 См также Европейский патент номер 342 538 Фиг 1а,б дают общее представление описываемой сигареты с горючими элементами модифицированной конфигурации соответственно Сигарета имеет углеродсодержащий горючий элемент 10, который получен из горючей композиции настоящего изобретения, упакованный в рубашку из изолирующего стекловолокна 16 На горючем элементе расположены прорези 11 Вдоль задней части горючего элемента и в контакте с частью окружающего его пространства находится капсула 12 Капсула переносит субстратный материал 14, содержащий аэрозольобразующие и ароматические вещества Рядом с капсулой 12 находится свиток табака 18 в виде разрезанной уплотненной массы Околоротовая часть сигареты состоит из двух сегментов сегмента сигаретной бумаги 20 и низкоэффективного полипропиленового фильтра Как показано, несколько слоев бумаги использованы для того, чтобы собрать сигарету с ее составными компонентами в единое целее Тепло от горящего горючего элемента передается посредством переноса и конвекции субстрату в капсуле При продувке аэрозольные и ароматические вещества, перенесенные субстратом, конденсируются в форме аэрозольной копоти, которая, проходя через предмет курения, абсорбирует дополнительный табак и другие вещества из других компонентов предмета курения и выходит из околоротового отверстия 22 Как показано (фиг 2а,б), сигарета включает сегментированный углеродсодержащий горючий элемент 100, упакованный в рубашку из изолирующего материала 102 Изолирующим материалом могут быть стекловолокно или табак обработанный так, чтобы он был негорючим Как показано, изолирующий материал 102 распространяется по обоим концам горючего элемента Другими словами, горючий элемент заключен в изолирующую рубашку Вдоль задней части горючего элемента 100 расположен субстрат 104, преимущественно изготовленный из свернутого или сплетенного целлюлозного материала, т е бумаги или сигаретной бумаги Этот субстрат 104 упакован в эластичную рубашку 106, которая может преимущественно включать стекловолокно, табак, например, в форме разрезанной уплотненной массы, или смеси этих материалов За субстратом расположена околоротовая часть 107, состоящая из двух сегментов сегмента сигаретной бумаги 108 и сегмента низкоэффективного полипропиленового фильтра 10 Несколько слоев бумаги использовано для того, чтобы собрать сигарету с ее составными компонентами в единое целое Менее предпочтительным воплощением, не показанным, но похожим на воплощение, показанное на фиг 2а, является расположение субстрата (например, собранной бумаги) внутри трубки, которая упакована в табачное уплотнение или изолирующий материал Трубка имеет достаточную длину, чтобы занять пространство между задним концом горючего элемента и передним концом субстрата и окружить часть длины заднего конца горючего элемента В этом случае трубка расположена между изолирующей рубашкой и горючим элементом и окружает и контактирует с задней частью горючего элемента Трубка может быть изготовлена из непереплетающегося, теплоустойчивого материала (например, теплоустойчивая пластиковая трубка, трубка из обработанной бумаги или бумаги приложенной фольгой) Как и в сигарете, изображенной на фиг 1а, тепло от горящего горючего элемента в этой сигарете переносится к субстрату В этой сигарете, однако, конвективное тепло является преобладающим фактором переноса Это тепло испаряет аэрозольные и ароматические вещества, перенесенные субстратом и конденсированные в форме аэрозольной копоти, которая проходит через курительное изделие во время затяжки и выходит из околоротового отверстия 106 Другие курительные изделия, которые могут успешно использовать горючие композиции данного изобретения, описаны в патентах, которые были указаны здесь раньше в качестве ссылок Во многих ранее упомянутых патентах углеродсодержащие горючие элементы курительных изделий используют связующее вещество, включающее соединение натрия с карбометилцеллюлозой (НКМЦ), в количестве около 10 мас % в однородной смеси с примерно 90 мае % угольного порошка Горючие элементы, приготовленные из этой композиции, имеют следующие физические характеристики они иногда с трудом загораются, они горят с выделением большого количества тепла, они горят очень быстро они могут вырабатывать большое количество монооксида углерода Попытки улучшения характеристик этих горючих элементов привели к данному изобретению, в котором было обнаружено посредством элементного анализа горючей композиции, что уровень содержания натрия в горючей композиции является одним из факторов, определяющих характеристики горения горючей композиции Следующая таблица приводит элементарный анализ катионных загрязнений, присутствующих в горючих элементах, изготовленных из композиций, включающих уголь (90%) и смесь двух связующих веществ, НКМЦ и альгината аммония (Алг), разного состава Из табл 1 видно, что связующее вещество, состоящее только из НКМЦ, имеет уровень содержания натрия 7741 ррт, в то время как уровень содержания натрия в связующем веществе, состоящем только из альгината 2911 р р т Было обнаружено, что изменением содержаяия натрия в горючей композиции т е при смешивании связующих веществ с низким и высоким содержанием натрия, или, что более предпочтительно, прибавляя к связующим веществам с 27364 низким содержанием натрия соединений натрия, таких как карбонат натрия, ацетат натрия, оксалат натрия, малат натрия и т п , можно достичь изменение характеристик горения горючих элементов и обеспечить необходимые энергетические параметры любых курительных изделий Как описано выше, основной составляющей горючей композиции настоящего изобретения является углеродсодержащий материал Предпочтительно, чтобы углеродсодержащие материалы имели содержание угля выше примерно 60 мае %, более предпочтительно - выше примерно 75 мае %, а наиболее предпочтительно - выше примерно 85 мае % Углеродсодержащие материалы, как правило, насыщены обуглившейся органической материей Одним из наиболее подходящих источников такой органической материи является твердодревесная бумажная масса Другими удобными источниками углеродсодержащих материалов являются угли скорлупы кокосовых орехов, такие как РХС(угли) доступные как РСВ и экспериментальные угли, доступные в виде Lot В-11030-САС-5, Lot B11250-САС-115 и Lot 089-A12-CAC-45 от Calgon Carbon Corporation, Pittsburg, PA Горючие элементы могут быть изготовлены из композиции настоящего изобретения различными способами, включающими отливку, механическую обработку, формование под давлением или экструзию в нужную форму Отлитые горючие элементы должны иметь проводящие пути, бороздки или совокупность отверстий внутри Предпочтительно, чтобы прессованные горючие элементы были изготовлены смешиванием до 95 ч углеродсодержащих материалов, до 20 ч связующего агента и до 20 ч табака (например, табачной пыли или табачного экстракта) с достаточным количеством водного раствора ЫагСОз (с предварительно заданной концентрацией) для получения формуемой смеси Затем смесь может быть отформована с использованием таранного или поршневого экструдера или формовки необходимой формы, снабженной соединительными винтами, с учетом необходимого количества проводящих путей или полых пространств Как описано выше, негорючий наполнитель, такой как карбонат кальция, агломерированный карбонат кальция и т п можно добавлять к горючей композиции, чтобы облегчить контроль за энергией, выделяемой горючим элементом при горении, посредством уменьшения содержания горючего элемента Наполняющий материал обычно включает менее примерно 50 мае % горючей композиции, предпочтительно менее примерно 30 мае %, а наиболее предпочтительно 5-20 мае % Для более подробного рассмотрения таких наполнителей см Европейский патент № 419 981 Как описано выше, горючая композиция настоящего изобретения может включать табак Форма табака может различаться и более чем одна форма табака может комбинированно использоваться в горючей композиции, если это необходимо Тип табака тоже может различаться, включая Sluecured, Burley, Maryland и Oriental табаки, редкие табаки и табаки специальных сортов, а также их смеси Одной из подходящих форм табака для включения в горючую композицию является хорошо разделенный табачный продукт, который включает табачную пыль и хорошо разделенные табачные листы Другой формой табака, которую можно использовать в горючих композициях, является табачный экстракт или смесь табачных экстрактов Табачные экстракты обычно получают экстраги,-о ванием табачных материалов такими растворителями, как вода, диоксид углерода гексахлорид серы, углеводороды, такие как гексан и этанол, галогенуглероды, такие как коммерчески доступный фреон, а также другие органические и неорганические растворители Табачные экстракты могут включать распыленные высушенные табачные экстракты, замороженные высушенные табачные экстракты, табачные ароматические масла, табачные эссенции и другие типы табачных экстрактов Способы получения подходящих табачных экстрактов описаны в патентах США № 4 506 682, Mueller, 4 986 286, Roberts и др , 5 005 593, Fagg и 5 060 669, \Miitl и др (ив Европейском патенте № 338 831) Подходящие связующие вещества для использования в представленных композициях не вносят существенных изменений в содержание натрия в горючих композициях Необходимо, чтобы горючие композиции, включающие уголь и связующие вещества, имели содержание натрия примерно 3000 р р т или ниже Такое ограничение содержания Na позволяет проконтролировать прибавление натрия до нужной концентрации с использованием водного раствора №гСОз приводит к получению горючих элементов с ярко выраженными преимуществами Здесь соли натрия до разбавления обычно не рассматриваются как связующее вещество В большинстве случаев приемлемы связующие вещества с другими катионами, такими как калий, аммоний и т п Предпочтительный метод добавления натрия к безнатриевым свясующим веществам (или связующим веществам с низким содержанием натрия) заключается в смешивании водного раствора натриевого соединения со связующим веществом и углеродсодержащим материалом Предпочтительно, чтобы концентрация раствора изменялась в пределах примерно от 0,1 до 10 мае %, а наиболее предпочтительно - примерно от 0,5 до 7 мас % В то время как наиболее предпочтительным источником натрия для использования в горючих композициях данного изобретения является карбонат натрия (МагСОз), другими полезными соединениями натрия являются ацетат натрия, оксалат натрия, малат натрия и т п Используя сухое прибавление (с соответствующим перемешиванием), тоже можно распределить соединения натрия в связующем веществе и углеродсодержащем материале с образованием подходящей композиции, но этот путь менее предпочтителен Наиболее предпочтительным безнатриевым связующим веществом для горючих композиций настоящего изобретения является альгинат аммония НУ, полученный от Kelco Co из Сан Диего, СА Другими полезными безнатриевыми связующими являются полисахаридные смолы, такие как выделения растений Arabic, Tragacanth, Karaya, 27364 Ghatti, экстракты растений, пектин, арабиноглактан, пудра семян растений, псевдоакации, quar, альгинаты, карраген, мелковильчатый мох, крахмал хлебных злаков, кукурузы, пшеницы, риса, воскового маиса, сорго, воскового сорго, клубневой крахмал, картофеля, арроурут, тапиока, смолы, ферментированные микробами, ксантан и декстран, модифицированные смолы, включающие производные целлюлозы метилцеллюлоза, карбокси-метилцеллюлоза, гидроксипропил целлюлоза Ч Т П Пример 1. Были изготовлены шесть типов горючих элементов, в которых к экструзионной смеси прибавлено различное количество карбоната натрия Горючие элементы были изготовлены из смеси, включающей 90 мае % Kraft твердодревесной карбонизированной массы со средним размером частиц 12 мкм (как измерено с использованием метода микротреков) и 10% Kelco HV связующего вещества на основе альгината аммония Эта смесь угольного порошка и связующего вещества была смешана с водными растворами карбоната натрия различной концентрации для образования экструзионных сме сей, из которых были получены горючие элементы в их конечном виде Примерно 30 мае % каждого раствора ЫагСОз было добавлено к каждой смеси для образования различных экструзионных смесей Уголь твердодревесной массы был приготовлен обугливанием не содержащей талька твердодревесной бумаги Grand Prairie Canadlen Craft в атмосфере азота при постепенном повышении температуры, чтобы снизить окисление бумаги, до конечной температуры обугливания, по меньшей мере 750°С Получающийся углеродный материал был охлажден в азоте до температуры ниже примерно 35°С и затем превращен в чистый порошок, имеющий средний размер частиц примерно 12 мкм в диаметре Концентрация ИагСОз в растворах, использованных для приготовления экструзионных смесей была (а) 0%, контрольная, (в) 0,5% (с) 1,0%, (d) 3,0%, (е) 5,0% и (f) 7,0% по массе карбоната натрия в воде Горючая смесь была отформована с помощью гидравлического таранного экструдера, обеспечивающего получение на горючем стержне 6 периферийных проводящих путей одинакового размера в форме прорези или желоба, имеющих глубину примерно 0,035 дюйма (0,089 см) и ширину примерно 0,027 дюйма (0 069 см) Конфигурация проводящих путей (желобов), которые тянутся по периферии вдоль всего горючего элемента, практически такая же как показано на фиг 16 После формования непросохшие горючие стержни были высушены до уровня влажности 4 0% Полученные высушенные стержни были разрезаны на части длиной 10 мм таким образом были получены горючие элементы Физические характеристики высушенных к разрезанных горючих элементов приведены в табл 2Пример 2. Горючие элементы, приготовленные в примере 1, были подвергнуты индуктивно связанной плазменной атомно-эмиссионной спект роскопии (ИСП-АЭС), для того чтобы определить их элементный состав В табл 3 даны результаты ИСП-АЗС анализа 6 различных видов горючих элементов, полученных в примере 1 Из табл 3 видно, что растворы карбоната натрия приводят к совершенно различному содержанию натрия в горючих элементах, зависящему от концентрации используемого раствора Содержание натрия изменяется от 1120 р р т в контрольном растворе (т е изначальное количество) до 17420 рргп в горючем элементе, включающем альгинат аммония, полученном при использовании 7%-ного раствора карбоната натрия Пример 3. Тесты на возгорание различных типов горючих элементов, изготовленных в примере 1, были проведены с использованием компьютерно-управляемого курительного аппарата и воздушно-плунжерного аппарата В этом тесте горючий элемент был помещен в полую алюминиевую капсулу, которая затем была покрыта изолирующей рубашкой из С-стекла Этот агрегат затем был помещен в крепежное устройство, которое было введено на 2,4 с в пропановое пламя посредством компьютерно-управляемого поршня В то время, когда горючий элемент находился в пламени была проведена 50 см 3 продувка Затем поршень вытащил агрегат из пламени и была проведена вторая 50 см продувка Температурные измерения горючего элемента были затем проверены аппаратом с инфракрасной камерой (Heat Spy) После двух первых продувок еще 4 продувки более чем по 50 см было применено к агрегату, при этом температура постоянно контролировалась Горючий элемент считался зажженным, если после всех 6 продувок его температура была выше 200°С Горючий элемент считался частично зажженным, если его температура была выше 200°С после четвертой продувки но ниже 200°С после шестой Горючий элемент считался незажженным, если он имел температуру ниже 200Х после четвертой продувки При тестировании горючих элементов тесту были подвергнуты по 10 штук для каждой концентрации №гСОз, чтобы определить среднюю способность к возгоранию такой группы Было обнаружено что горючие элементы из альгината аммония не содержащие дополнительного натрия, не зажигались при проведении эксперимента в 100% случаев Однако при использовании 1%-ного раствора карбоната натрия при перемешивании ингредиентов горючих элементов 60% горючих элементов полностью зажигалось 10% частично зажигалось и лишь 30% не зажигалось в тех же условиях тестирования При использовании 30%-ного раствора карбоната натрия в смеси количество горючих элементов, которые не зажглись, упало до Т0% Дальнейшее прибавление карбоната натрия к смесям приводило к уменьшению способности к возгоранию Этот пример убедительно доказывает что прибавление натрия к горючим элементам с ис пользованием водного раствора карбоната натрия приводит к резким улучшениям в способности горючих элементов к возгоранию Хотя эго действительно кажется неоспоримым фактом однако 27364 дальнейшее прибавление натрия к горючим элементам приводит к уменьшению способности к возгоранию Из этих данных видно, что оптимальная концентрация раствора карбоната натрия, используемого для прибавления к горючим элементам для улучшения способности к возгоранию горючих элементов, имеющих систему прорезей показанных на фиг 16, находится на уровне 1-3%, что соответствует содержанию натрия в горючих элементах в пределах от 3800 до 8700 рргп В другом эксперименте было проведено сравнение модифицированного горючего элемента модельной сигареты (имеющей форму прорезей, фиг 16) с горючим элементом настоящего изобретения Горючий элемент модельной сигареты имел 10 мм в длину и 4 5 мм в диаметре и включал композицию, составленную из 9 ч твердодревесного угля, 1 ч НКМЦ-связующего вещества и 1 мае % КгСОз, которая предварительно была обожжена при температуре свыше 800°С в течение 2 ч для обугливания связующего вещества и для уменьшения или удаления находящихся в ней летучих соединений Было обнаружено что горючие элементы, изготовленные по примеру 1 и имеющие примерно от 3500 до примерно 9000 ppm Na, зажигались практически в 100% случаев, тогда как горючие элементы модельной сигареты загорались лишь в интервале примерно от 10 до примерно 25% случаев Пример 4. Тенденция к тлению горючих элементов, описанных в примере 1, была измерена посредством размещения горючего элемента в полой капсуле, зажигания его и затем контролирования потери им веса, как показателя скорости горения горючего элемента в процессе тления зажженной сигареты Это также обеспечивает соответственное измерение скорости передачи кондуктивной энергии капсуле во время тления Горючие элементы из альгината аммония не содержащие дополнительного натрия, горят очень медленно в процессе тления Добавление натрия увеличивает скорость горения в соответствии с количеством натрия, добавленного к горючему элементу Количество сгорающего угля резко повышалось до концентрации раствора карбоната натрия примерно 3,0% Дальнейшее увеличение прибавления натрия приводит лишь к незначительному увеличению скорости тления по отношению к горючему элементу, изготовленному при использовании 3%-ного раствора Эти данные имеют большое значение, так как они демонстрируют возможность осуществления контроля скорости тления горючих элементов и также за передачей кондуктивной энергии капсуле посредством регулирования содержания натрия Пример 5. Горючие элементы примера 1 были подвергнуты дальнейшему анализу, включающему (a) измерение температуры передней части горючих элементов, (b) измерение температуры задней части горючих элементов, (c) измерение температуры капсулы, (d) измерение температуры аэрозолей, (е) измерение температуры пальцев Эти измерения были проведены в режиме последовательных продувок при использовании продувок по 50 см длительностью две (2) секунды каждые 30 с Далее, ссылаясь на этот способ, называют его "50/30" тест На фиг 3 показаны лицевые температуры, полученные во время горения элементов примера 1 при продувании Эти температуры были измерены при помощи инфракрасной камеры Hear Spy, сфокусированной на передней стороне горючего элемента Как показано на фиг 3, показания температуры горючих элементов существенно понижаются в одной из двух групп Горючий элемент, не имеющий дополнительного натрия (контрольный, т е 0%-ный прибавленный раствор МагСОз), проявляет типичное поведение 100%-ного связующего вещества на основе альгината аммония/угольного горючего элемента т е температуры продувки лежат высоко над графиком беспримесного продувания При небольшом добавлении карбоната натрия к горючему элементу (те 0,5-1,0% раствор ЫзгСОз) заметна лишь очень небольшая разница в температурах продувки по сравнению с контрольным Однако, если при изготовлении горючих элементов использовался раствор карбоната натрия с концентрацией 3 0% или выше, наблюдаются резкие изменения в температурах продувки Температуры продувки проявляют существенный спад по сравнению с контрольным элементом и показывают температуры, намного более похожие на температуры полученные с горючим элементом на НКМЦ-связующем веществе На фиг 4 показаны температуры тления горючих элементов, измеренные через 15 с после продувки Эти данные идентичны данным, показанным для температур продувки, обсужденным выше, на фиг 3 Температуры тления горючих элементов, имеющих более высокое содержание натрия, лежат ниже чем для имеющих более низкое содержание или не имеющих дополнительного натрия Однако надо отметить, что, несмотря на низкие температуры тления, скорость тления существенно больше в присутствии более высоких концентраций натрия Количество угля, сгорающего в тлеющем огне, больше при любых заданных условиях, если к горючим элементам было прибавлено большое количество карбоната натрия, хотя во всех случаях температуры горения ниже На фиг 5 показаны температуры задней части горящих горючих элементов примера 1 измеренные с помощью термопары из тонкой проволоки, помещенной в капсуле напротив задней части горючего элемента Данные этого графика показывают, что контрольный горючий элемент (который не имеет дополнительного натрия) имеет более низкую температуру задней части (примерно 40°С) при проведении большего количества продувок по сравнению с горючим элементом того же типа, но с прибавлением натрия Все те горючие элементы, которые имеют добавленный натрий ведут себя более-менее одинаковым образом На фиг 6 показаны температуры стенки капсулы, измеренные на расстоянии 11 мм от перед 27364 него конца горючего элемента В этом анализе горючие элементы были помещены в алюминиевую капсулу длиной 30 мм и диаметром 4,5 мм, опущенную на глубину 25 мм в резанноуплотненный табачный субстрат (см White патент США № 4 893 639), и эта комбинация были обернута Сстеклянной изолирующей рубашкой Температурные измерения были проведены с помощью термопары из тонкой проволоки, вставленной через рубашку таким образом, что кончик термопары касался капсулы Отверстие для вставки термопары было перед тлением заклеено замазочным веществом Контрольный горючий элемент дает температуру капсулы, существенно более низкую, чем исследуемый горючий элемент с добавками натрия Горючие элементы, полученные с использованием водных растворов Na 2 COi с концентрацией карбоната натрия, изменяющейся от 1,0 до 5,0%, давали температуру капсулы примерно на 50°С выше, чем контрольный (0% прибавлено) Этот факт подтверждает гипотезу о том, что большая скорость тления натрийсодержащих горючих элементов обеспечивает передачу большого количества кондуктивного тепла капсуле и, вследствие этого, более адекватное постоянство температур исследуемой сигареты, чем дает контрольный горючий элемент на НКМЦ-связующем веществе На фиг 7 дан график температур газа при последовательных продувках, определенных ряде капсул В ходе этого анализа горючие элементы снова были помещены в алюминиевую капсулу длиной 30 мм и диаметром 4,5 мм, опущенную на глубину 25 мм в резанноуплотненный табачный субстрат (см White, патент США № 4 893 639), и эта комбинация была обернута 0,'еклянной изолирующей рубашкой В целом видно, что добав пение карбоната натрия к композиции, используемой при изготовлении горючих элементов, приводит к повышению температуры аэрозолей которые находятся в капсуле Высокая концентрация натрия приводит к повышению температуры аэрозолей примерно на 20°С по сравнению с контрольным горючим элементом Пример 6. Сигареты, описанные на фиг 1а, были изготовлены горючими элементами примеров 1-5 с использованием следующих составных частей 1 Алюминиевая капсула, 30 мм в длину с прорезью, заполненная на глубину 25 мм уплотненным (т е резанноуплотненным) табачным субстратом 2 15-миллиметровая С-стеклянная изолирующая рубашка горючего элемента 3 22-миллиметровый табачный свиток вокруг капсулы 4 Околоротовая часть, состоящая из 20миллиметровой секции, сделанной из листа сигаретной бумаги шириной 4 дюйма (10 16 см), и 20 мм полипропиленового материала для фильтра Приготовление субстрата Субстратом был уплотненный (или резанноуплотненный) табак, полученный формованием табачной массы и глицерина на быстро вращающемся диске, приводящем к образованию маленьких шариков субстратного материала неправильной сферической формы Этот процесс и аппаратура для его осуществления в общем виде описаны в патенте США № 4 893 639 (White), который использован в данной работе как ссылка Алюминиевая капсула Полая алюминиевая капсула была изготовлена из алюминия с использованием процесса растягивания металла Капсула имела в длину около 30 мм, внешний диаметр около 4,6 мм и внутренний диаметр около 4,4 мм Один конец контейнера был открыт, а другой конец был заделан, но в нем оставлены два отверстия типа прорезей размером около 0,65 мм на 3,45 мм с расстоянием между ними примерно 1,14 мм Капсула была заполнена уплотненным табачным субстратом на глубину примерно 25 мм Затем горючий элемент был вставлен в открытый конец контейнера на глубину примерно 3 мм Таким образом, горючий элемент выдавался примерно на 7 мм из открытого конца капсулы Изолирующая рубашка Пластиковая трубка длиной 15 мм и диаметром 4,5 мм была обернута в материал изолирующей рубашки также длиной 15 мм В данном воплощении сигареты, изолирующая рубашка состояла из одного слоя С-стеклянного материала Owens-Coming, толщиной которого до обработки в устройстве, формующем рубашку, была 2 мм Конечный диаметр упакованной пластиковой трубки был примерно 7,5 мм Табачный свиток Табачный свиток, включающий смесь распределенных по объему резанных табачных наполнителей Byrley, flue cured u oriental заворачивают в бумагу Kimberly-Clark Corp, имеющую название Р1487-125, и затем формуют табачный свиток, имеющий диаметр около 7,5 мм и длину около 22 мм Устройство переднего конца Секция изолирующей рубашки и табачный стержень соединяются вместе бумагой Kimberly-Clark Corp , имеющей название Р1487-125, которая ограничивает длину секции табачно-стеклянной рубашки, а также длину табачного свитка В околоротовом конце табачного свитка проделывают отверстия для создания ь нем продольного проводящего пути около 4,6 мм в диаметре Кончику свитка придана такая форма, чтобы он мог проникнуть и войти в пластиковую трубку изолирующей рубашки Данное устройство вставляют с переднего конца комбинации изолирующей рубашки и табачного свитка, одновременно с этим свиток и пластиковую трубку, в которую он погружен, тянут с околоротового конца свитка Этот патрон вставляют до тех пор, пока зажигаемый конец горючего элемента не заполнит переднюю часть изолирующей рубашки Общая длина полученного устройства около 37 мм Околоротовая часть Околоротовая часть включает 20-миллиметровый цилиндрический сегмент свободно соединенной сигаретной бумаги, собранный из рулона сшитого непереплетенного продукта при плавлении полипропилена, каждый из слоев которого содержит наружную бумажную оболочку Каждый сегмент снабжен подразделительными стержнями, приготовленными с использованием аппарата, описанного в патенте США 4 807 809 (Pryor et al) Первый сегмент, около 7,5 мм в диаметре сделан из свободно уложенного рулона бумаги Kimberly-Clark Corp имеющей название Р1440 27364 GNA, который заключен в прессованную бумагу Ktmberly Clark Corp , имеющую название Р 1487184 2 Второй сегмент, около 7,5 мм в диаметре сделан из собранного в рулон непереплетенного полипропилена типа РР-100 из Kimberly-Clark Corp , который заключен в прессованную бумагу Kimberly-Clark Corp , имеющую название Р1487184 2 Оба сегмента располагают аксиально так, чтобы их концы упирались друг в друга, и соединяют, заворачивая по длине каждого сегмента в бумагу L-1377-196F из Simpson Company, Vicksburg Michigan Длина околоротовой части примерно 40 мм Окончательная сборка сигареты Переднюю часть устройства располагают аксиально в непосредственном контакте с околоротовой частью таким образом, чтобы контейнерный конец передней части устройства примыкал к собранному сегменту сигаретной бумаги околоротовой части Переднюю часть устройства присоединяют к околоротовой части посредством обертывания по всей длине околоротовой части и по 5 мм длины передней части устройства, прилегающим к околоротовой части, оберточной бумагой Заключительное кондиционирование Все полученные сигареты были прокондиционированы в течение 4-5 дней при 75°F (24°C) 40% относительной влажности (ОВ) перед курением Употребление При употреблении курильщик зажигает горючий элемент с помощью зажигалки, горючий элемент возгорается Курильщик вставляет околоротовой конец сигареты в губы и затягивается Видимые аэрозоли, содержащие вкус табака, поступают в рот курильщика Пример 7. Как и горючие элементы примера 1, сигареты примера 6 тоже были подвергнуты детальному анализу включающему (a) измерения температуры газа на выходе из капсулы, (b) измерения температуры пальцев, касающихся околоротовой части сигареты, (c) измерение выхода СО/СОг, (d) измерение полного выхода энергии, (e) измерение перепада давления при возгорании, (f) измерение плотности аэрозолей при последовательных продувках, (д) измерение полного выхода аэрозолей, (п) измерение выхода глицерина при последовательных продувках, (і) измерение полного выхода глицерина, (j) измерение выхода никотина при последовательных продувках, (к) измерение полного выхода никотина Эти исследования были проведены с помощью последовательных продувок при использовании одного (или обоих) типов условий курения (1) описанный выше "50/30" тест и (2) FTC - условия курения Диаграммы температуры газа на выходе из околоротовой части сигареты примера 6 приведены на фиг 8 Температуры аэрозолей всех образцов - примерно 40°С и ниже в зависимости от числа продувок Однако из фиг 8 видно, что добавки карбоната натрия к горючим элементам действи тельно приводят к повышению температуры аэрозолей при более поздних затяжках по сравнению с контрольным образцом Графики различных температур пальцев при использовании сигарет примера 6 показаны на фиг 9 Температуру пальцев измеряли с помощью термопары из тонкой проволоки, расположенной на околоротовой части сигареты, на расстоянии примерно 20 мм от конца фильтра Фиг 9 показывает что температуры пальцев увеличиваются с повышением уровня концентрации натрия в растворе до 3,0% Более высокие концентрации добавляемого раствора карбоната натрия приводят к уменьшению температуры пальцев Все величины температуры пальцев, приведенные иа фиг 9, необыкновенно низки по сравнению с таким же образом измеренными величинами, примерно 75°С, для модельной сигареты Выход СО/СОг из сигарет примера 6, содержащих разное количество карбоната натрия, был измерен как при последовательных продувках с использованием условий продувания 50/30, так и стандартным способом FTC (35 ее объем продувки, длительность 2 с, в течение 58 с тления) Краткое описание 50/30-теста выхода СО и соответственно FTC-теста выхода СО приведено в табл 4 Из этой таблицы видно, что FTC-выходы СО сравнительно низки Аналогичное краткое описание выходов СОг при проведении 50/30 и FTC-тестов дано в табл 5 Данные по выходу СО/СОг, представленные ниже, могут быть использованы для вычисления как общего, так и полученного при последовательных продувках выхода конвективной термической энергии, выделенной горючим элементом На фиг. 10 показаны кривые энергии, выделяемой тлеющими горючими элементами, при проведении теста в условиях тления 50/30 при последовательных продувках Фиг 10 показывает, что прибавление карбоната натрий к горючим элементам приводит к повышению конвективной энергии, в особенности в течение первых 8 продувок Общий выход энергии горючих элементов при 50/30 и FTC-условиях тления приведен в табл 6 На фиг 11 приведены перепады давления при возгорании, полученные из сигарет, тлеющих в условиях тления 60/30 Фиг 11 показывает, что все подвергнутые проверке сигареты примера 6 проявили лерепады давления при возгорании ниже 500 мм вод ст Прибавление карбоната натрия к горючим элементам привело к повышению перепадов давления при возгорании почти на 100 мм вод ст в зависимости от содержания прибавленного карбоната натрия по сравнению с контрольным элементом Табл 7 представляет характеристики эксплуатационных качеств трех сигарет, идентичных между собой во всем, кроме связующего вещества, использованного при изготовлении горючих элементов (1) НКМЦ (без Na) , (2) альгинат аммония (без Na) и (3) альгинат аммония с прибавленным 3%-ным раствором ЫагСОз Видна разница в эксплуатационных характеристиках этих трех сигарет Плотность аэрозолей при последовательных продувках сигарет примера 6, содержащих го 9 27364 Таблица 4 FTC- и 50/30-выходы СО на продувку % Na2CO] в добавленном растворе Содержание Na, ppm 50/30 СО, мг FTC СО, мг 0,0 05 1120 2234 3774 8691 13150 14,8 5,4 6,4 76 9,1 9,7 10 3,0 5,0 18,3 21,0 21,0 22,5 Таблица 5 FTC- и 50/30-выходы СОг на продувку % Na2CO3 в добавленном растворе Содержание Na, ppm 50/30 СО, мг FTC СО, мг 0,0 0,5 1.0 3,0 5.0 1120 2234 3774 8691 13150 56,0 62,1 61,7 58,4 54,5 22,1 24,6 24.7 23,9 21,8 Таблица 6 FTC- и 50/30-выходы энергии % NajCOj в добавленном растворе Содержание Na, ppm 0,0 0,5 1,0 3,0 5.0 1120 2234 3774 8691 13150 50/30, FTC, калории калории 117,3 148,0 153,5 143,9 139,3 52,4 58,6 60,0 59,7 55,8 Таблица 7 Сравнение свойств сигарет, изготовленных с горючими элементами, имеющими связующие вещества (1) только НКМЦ, (2) только альгинат аммония и (3) альгинат аммония, смешанный с 3%-ным раствором Свойство НКМЦ Альгинат аммония Альгинат аммония и 3,0 % Na2CO3 Максимальная температура продувки, Т°С Температура задней стороны, Т°С Температура капсулы (11мм),Т°С Температура газа на выходе из капсулы, Т°С Температура газа на выходе из околоротовой части, Т°С Температура пальцев, Т°С FTC- выход СО, мг FTC- выход СОг, мг 50/30-выход СО. мг 40/30-выход СО2,мг Выход энергии при продувке, кал Потеря при тлении 5 мин, мг % незажегшихся 930 440 202 132 885 240 163 57 885 260 204 78 37 47 7,7 31,7 19,5 72,2 172,7 62,3 40 37 40 5,4 22,1 14,8 56,0 117,3 21,9 100 42 46 9,1 23,9 21,4 57,8 143,8 56 0 10 12 Z 901 Ш hi її Г і irril'Jftt r/ r/ rr/rtf тггг/гтигл 1111 і\і / 11 г ГПГіҐк і /Y/> 201 001 27364 ЮОО 800 600 400 200 100 h 8 10 12 в (О 14 16 18 20 (6 1 20 8 ЮОО 800 во о О 2 Фиг. 4 14 12 (4 •45 -м€0320N V, I — * — 001 — OSI - 002 052 9 V9UZ 27364 20 -* 1% - в - 3 % ) Na2C03 - * — 5% —в— 7% Фиг. 7 ьи 77o ' — 40 35 30 ~5% —. «^ «_- 37o 45 I 7 e • Na2C03 .57 O 1 •'•• U v e J и \l/f " i l l 1 1 1 I 8 і і 10 12 14 (6 Фиг. 8 і 18 20 ог 8t 9i oi в э t > г о 6 МИФ ог 81 91 ы I I I гі \ О! в і ] г 1 I ^ о ог 92 ое 27364 16 ,а г о >No2CO3 о 0 2 4 6 8 10 Фиг. 12 18 12 14 16 18 20 миф \г si 01 0 S 1 1 і OZII / — — ог octet — . 1698 ^^*> — 27364 08 Об о< * о г — -4-* 5% I % -в ФИГ. 3% -*-+ 5 7. 7% 15 37. 5 7. 7 7. ФИГ. 16 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент»