专利名称:制备吸烟制品的碳质燃料的方法和由此制成的产品的制作方法
本发明涉及制备吸烟制品的含碳燃料的方法和由此制成的燃料产品。这些方法和燃料在制成吸烟制品型卷烟中是特别有用的。这种卷烟产生类似烟叶的烟雾，而含不大于最小限度的不完全燃烧物或高温分解产物。在多年间，特别在最近20到30年中还提出了许多烟叶代用品的吸烟材料。这些建议的烟叶代用品从种类繁多的加工或不加工物质，特别纤维素材料物质中制备。大量专利讲授通过纤维素材料变质制造所建议的烟叶代用品，例如通过氧化、热处理或加入使纤维素性质改变的物质。在雷诺等人的美国专利4，079，742号中有这些代用品的许多表格。
许多专利描述从各类碳化的(例如热解)纤维素材料中制备所建议的吸烟材料，其包括西格尔的美国专利2，907，686号，贝内特的美国专利3，738，374号，博伊德等人的美国专利3，943，941和4，044，777号，布里斯金的美国专利4，019，521和4，133，317号，雷诺的美国专利4，219，031，Ehretsmann等人的美国专利4，286，604号，哈特威克等人的美国专利4，326，544号，雷诺等人的美国专利4，481，958号，诺顿的英国专利956，544号，博伊德等人的英国专利1，431，045，海伦等人的欧州专利117，355申请号。另外，贝内特的美国专利3，738，374号讲到烟叶代用品可以由碳或者石墨纤维，织物或者布来制成，其大多数通过纤维素材料，例如人造纤维或布的受控高温分解来制造。
其它现有技术专利描述碳或者高温分解纤维素材料的利用不是作为拟用的吸烟材料就是作为这种材料的填充物。这些专利包括塞特拉(Stadfler)的美国专利1，985，840号，布里斯金的美国专利3，608，560，3，831，609和3，834，398号，希吉(Hedge)的美国专利3，805，803号，博思维克(Borthwick)等人的美国专利3，885，574号，迈阿诺(Miano)等人的美国专利3，931，284号，马丁等人的美国专利3，993，082号，罗思(Roth)的美国专利4，199，104号，林特维(Landvay)等人的美国专利4，244，381和4，256，123号，博尔脱(Bolt)的美国专利4，340，072号，兰旋罗梯(Lanzillotti)等人的美国专利4，347，855号，伯内特等人的美国专利4，391，285号和斯坦那的美国专利4，474，191号。
还有某它的专利叙述纤维素材料的部分高温分解制备拟用的吸烟材料。这些包括莫曼(Morman)等人的美国专利3，545，448和4，014，349号，安德森的美国专利3，818，915，3，943，942和4，002，176号和雷诺等人的美国专利4，079，742号。
尽管经数十年的关注和努力，但相信上述的吸烟材料没有一种被发现作为烟叶代用品是满意的。的确，尽管极大的关注和努力，但市场上仍没有提供具有吸普通卷烟所有的好处和优点的吸烟制品，而不释放出大量的不完全燃烧物和高温分解产物。
本发明系指制备含碳燃料的方法，这种燃料在例如卷烟类型制品，烟斗和类似用具的吸烟制品中是有用的，以及利用这种方法制造的中间和最终产品。
本发明的一种方法利用二个独立的高温分解步骤以保证用来形成吸烟制品的释热元件的碳是实质上不含可能对由这种制品释放烟雾发生有害作用的物质，这方法的步骤包括(a)在非氧化气氛中，在大约400℃至1250℃的温度范围内，最好约700℃至800℃，高温分解一种含碳的，最好是纤维素的原材料;
(b)在非氧化气氛中冷却该高分解了的材料;
(c)减少这冷却的高温分解的材料的尺寸，为使这种材料成为颗粒或粉末形式;
(d)在非氧化气氛中，温度至少在650℃下加热被减少尺寸的材料并保持到足以从其中除去挥发物。
然后这种二次高温分解的碳材料可用于制造在吸烟制品中有用的碳释热元件。对吸烟制品的释热元件的形成有用的，产生碳产品的另外一种方法包括二个尺寸减少步骤，其与由尺寸减少的碳和粘结剂的混合物的凝聚性物的中间形成相结合(例如通过挤压或浇注)。这就保证在碳颗粒内粘结剂的分布和在释热元件的形成期间提供流动性良好的挤压或者压制混合物状态。这种方法的步骤包括(a)减少高温分解的含碳材料的尺寸(例如根据上述所叙述的过程的步骤(a)到平均颗粒尺寸大约10微米或更小;
(b)使颗粒状碳材料同足够的粘结剂和水混合制成膏糊;
(c)使膏糊形成凝聚物，例如通过把它浇注成片材，或者通过把它挤压成杆状物;
(d)干燥该凝聚物;
(e)减小这干燥凝聚物的尺寸到细颗粒(-10目);
(f)把这粗的颗粒用足够的水混合，使做成适于形成释热元件的膏糊，例如用挤压或压制模塑。
一般来说，利用本发明的过程制备的释热元件的吸烟制器包括释热元件;一个实质上分离的烟雾发生装置，其包括一个烟雾生成材料，并连接到所说的释热元件的一端;一个烟雾释放装置例如呈接口端形成的纵向通道，与烟雾发生装置连接。该卷烟型吸烟制品的实例在1985年9月11日申请的欧洲专利申请85111468，8号，现在欧洲专利局公布号174，645，中描述，该文件所揭示的发明在这里一并加以参考。
图1是本发明最佳工艺过程状况的图解表示。
图2是一个最佳吸烟制品的纵向视图，其可以应用一个从本发明的方法制备的含碳释热元件。
图2A-2C是最佳吸烟制品当中有用的释热元件的通道形式的断面图。
制备本发明的释热元件的原料材实际上可以是为数众多的碳初级矿源的任一种，本转业技术人员都是了解的。
一般来说，用于制备最佳释热元件的含碳初始材料主要应该含有碳、氢和氧。最佳含碳材料是纤维素材料，最好是具有高(例如，约大于80%)α-纤维素含量，例如棉花、人造丝、纸和类似材料。一种特别佳的高α-纤维素原材料是阔叶材硬纸料，例如不含滑石的宽广大草原的加拿大的牛皮纸，其可从布坎衣纤维素有限公司，孟菲斯市TN获得。其它的含纤维素材料，例如木，烟叶，椰子，木质素等等，当没有最佳的时可以使用。同样地，其它的含碳材料例如煤，树脂(沥青)和诸如此类，如没有较好的时候也可使用。
在本发明的过程中第一步骤是原材料的高温分解，原材料最好是纤维素的原材料，在温度大约500℃到600℃之间，最好在500℃到950℃之间在非氧化气氛中进行，保温时间足以保证所有的纤维素材料达到希望的碳化温度。当较佳的第二次高温分解步骤(即精加工步骤)被采用时，这初始的高温分解步骤最好是在700℃到800℃下进行。当精加工步骤不进行，这高温分解的最佳操作温度范围是大约750℃到850℃。
作为本文中所用术语“非氧化气氛被定义为包括隋性气氛和真空条件，当湿气和/或其它物质(例如氧气，碳化氢)从炉内由初始加热产生的部分碳化纤维素中排出时，产生的轻微氧化气氛也包括在这个定义内。
在含碳材料高温分解期间，隋性或非氧化炉气氛的使用是希望固体碳的产品率达到最大，而使氧化碳即一氧化碳，二氧化碳的形成减至最小。因为高温分解产物本身通常是轻度地氧化，所以全部隋性气体或无氧化气氛是很少达到的。
还可选用真空或净化气体例如氩或氮(或者真空和净化气体结合)这会提供实质上无氧化的气氛，但也会除去耐挥发的高温分解的碳，而这能够部分地有助于固体碳产品率。
在小规模生产中，隋性气体的正压力例如氮可用于消除空气渗入炉内(而因此防止氧化)和抑制耐高温分解成份碳的挥发即使气氛含有一些轻微氧化成分，例如水蒸气，但是最大的碳产量一般是使用这种技术获得的。
在大批从纤维素材料生产碳中，过程的节俭通常不赞成使用隋性气体呈正压力，或者辅助隋性气体流，或真空或其中的任何结合。由于耐挥发高温分解产物碳的溢离，或者由于氧化，固体碳产品的少量损失是容许的。
控制损失条件可以通过放置被高温分解的材料到带孔的密闭的容器中，然后该容器放在合适的炉子内。接着这密闭的容器是通过控制温度分布线图加热。最好，在大批碳生产中的加热循环设计成能使碳的损失减至最小。
对于纤维素材料，室气氛最初是空气，其由初始的高温分解产物，水蒸汽来取代。当高温分解连续时，水蒸汽被变稀并被耐挥发的碳(例如甲烷等)和氢替换。控制温度分布线图以保证最小氧化和最大的耐挥发的碳的停留时间，为利用这挥发物使固体碳产量达到最大。
碳化炉被典型地设计成每一碳量具有最小容量，因为在冷却期间空气被回收入密闭容器并且少量的固体碳产品由此被氧化。这种氧化也可以借助于控制冷却减至最小。实际上许多容器放置在大的炉内并允许随炉冷却，因而提供最小冷却速率，足够充分使氧化减至最小。
整个高温分解的时间，至少部分地取决于正被高温分解的材料的性质。例如，象高温分解多少物质，在加热装置内这种材料的包扎，挥发物出现的特性等，那样的可变因素都会影响使材料的芯部温度达到希望的高温分解温度花费多长时间。
虽然高温分解可以在恒定的温度下进行，但是，已发现当逐渐增加加热速率，例如以每小时1℃到20℃，最好每小时5℃到15℃，许多小时的缓慢高温分解产生更均匀材料并得到较高碳产量。
在初始高温分解步骤中有用的高温分解条件受任何熟练工所用的加热装置的影响。
许多种炉子可用作初始高温分解。用作小规模研制项目(例如，研究所)可以采用象由Lindbergh公司制造的小型管道炉。这些炉子可以同正压和/或隋性气流，或者通过石英或者玻璃管道使用。罐炉，例如由哈伯(Harper)公司制造的那种炉子也可使用。这些炉子一般是用电加热的。
对于稍微大点规模的工厂，可以使用标准箱式炉。在这类炉子中，密闭室(通常是金属的)放在炉内，而原材料被放置在室内，这些室设计受得起压力，它们作为氧化保护可以焊接密闭，它们包括一个装有疏松砂的二体联动盆，焦炭，陶瓷封接。它们也可安装有延伸出炉子前部的金属套。
在最好的生产过程中，可使用一个二体联动盒。在希望加有气氛控制的地方，隋性气体管道可加到室中。小规模研制的最好设计是具有正隋性气体压力的密封室(例如1-5英寸水柱反压)和一根气体管道。适合这种工厂炉子可以从商业供应者中得到，例如Blue M，哈脱-派克，Sentry或者其它供应商。这些炉子一般用电加热和应该装备有如奥米格供应的加热速率调节器。
对于较大规模，例如中间试验工作，可利用罐式或坑式炉。这些炉子可以是用电加热的例如由通用电器公司供应的那些炉子，或者它们可以是气体点燃的。在较大尺寸炉子中最好使用装有砂和焦碳密封的二体盒结构。
由本发明最佳的方法从纤维素材料生产碳时，为烘焙碳和石墨电极料而设计的大尺寸炉子可以加以应用。
初始高温分解之后，高温分解气氛最好保持在材料上，直到它冷却到温度小于大约30℃，最佳小于25℃。这防止材料暴露于空气时，另外的高温分解物质潜在着的自燃。
本发明最佳的过程还包括尺寸减少步骤，那里高温分解材料首先被研磨成小颗粒(直径大约2mm或者小于2mm)，最终研磨成为细的粉末(平均颗粒度小于约10微米)。
由高温分解纤维素材料产生的粉末的形成可以在任何种类的研磨或者磨削设备上完成。一般进行研磨/磨削作业需要足够的时间，并且用一种或一种以上合适的装置，使产生细的粉末，即具有颗粒尺寸小于50微米的粉末，最佳小于约10微米。最好是研磨在一系列渐进细化研磨装置中实现。
举列来说，在制备最佳粉末中，初始的研磨可以是粗研磨，用锤磨机或威利磨机处理。这种磨机提供大约-10目的材料。然后，该粗制材料须经附加的研磨，其使用能量研磨机和/或立式球磨。能量研磨机形成比较均匀小颗粒尺寸，大约10微米的材料。立式球磨典型地产生较宽范围的颗粒尺寸的小颗粒，例如从0.1到15微米。这些细粉末的混合物可以用于生产本发明的最佳释热元件。
本发明的最佳过程也包括第二次高温分解或“精加工”步骤。碳化的颗粒材料，或更好碳化的细粉末材料再次在无氧化气氛中，更可取地在隋性气体流中，温度约650℃到1250℃间进行高温分解。温度在650℃到850℃间可以用于除去不希望有的挥发物和除去初始高温分解期间没有除去的污染物或者在处理中带入的类似污染物。这些污染物的存在会有害地影响最终产生吸烟烟雾的质量，由此引起失味等。较高的温度，例如850℃到1250℃可用于减少碳的表面积，其有助于减少产生的释热元件的完全燃烧温度。
精加工步骤是打算保证最终产品的最高质量，因为用来作初始高温分解步骤的容积炉一般不保证满足最佳释热元件的纯度要求的足够质量和均匀性的产品。另外，精加工步骤可用于调节碳的物理和化学参数。举例来说，阔叶林硬材纸浆碳的表面积能够控制大约500平方米/克到少于大约50平方米/克整个范围(通过氮孔率法作测定)。基干密度(借助于氦象仪作测定)能够在约1.4克/毫升到2.0克/毫升之间变化。非碳组分例如硫和氯也能用这种精加工处理减少。最后，任何残留的有机污染物在精加工步骤被高温分解。
用来作精加工的炉子最好有净化隋性气体或真空来清除象硫化氢那样的污染物。精加工特性是希望的特性但不是必要的特性。
精加工的炉子和室设计是类似于在高温分解中使用的炉子。适宜的精加工炉子包括带式炉，其中连续的皮带通过金属通道运载碳，并且碳依靠氮气氛保护免于氧化。西.阿.哈斯，电炉公司，Trent和其它一些公司都制造这种炉子。可以制造最高级产品的另外类型的炉子是流动床炉。如果间歇型炉用作精加工步骤，通常需要几个小时的停留时间，为确保全部负载达到精加工的温度。如果采用流动床型炉，作精加工材料的停留时间可能是仅几分钟。
如果这个精加工步骤工序不实行，则可以提高初始高温分解工序的最高温度，例如达到约1250℃，假如希望的话使达到调整产生的释热元件的燃烧温度。
无论有或没有采用精加工步骤，最佳的碳粉末，在同其它附加剂或成分渗合之前应具有下列特征
氢，氧含量-用在制备最佳吸烟制品的释热元件的碳的氢和氧含量每种应该少于重量百之三左右，更好少于重量百分之二，最佳少于重量百分之一，由帕金、埃尔默240c型元素分析仪作测定。这种类型的氮和氧级别(标准)表明材料主要是碳，当燃烧时，基本上是碳的氧化产物，例如一氧化碳和二氧化碳会释放出，具有较高氢和/或氧含量的产品能有助于高温分解产物产生呈主流燃烧气体，其能使较佳吸烟制品的使用者所得到的烟雾产生失味。
表面积-用于制备较佳吸烟制品的碳的表面积应该至少是200平方米/克，最好至少250米/克，最佳至少300米/克，由氮孔率作测定。由具有所述表面积的碳所制备含碳释热元件易于点燃。
碳含量-用于制备较佳吸烟制品的释热元件的碳粉末的碳含量应该是大于约重量百分之九十，最好大于约重量百分之九十四而最佳大于约重量百分之九十六，由帕金，埃尔默240c型元素分析器作测定。高的碳品级是比较喜欢用的，因为当燃烧时，实际上仅有碳的氧化产物，即放出CO和CO。
基干密度-使用于制备较佳吸烟制品的释热元件的碳粉末的基干密度应该从约1.4克/毫升到约2.0克/毫升，最好约1.8克/毫升到约2.0克/毫升，用氦象仪作测量。有这种类型的基干密度的碳提供会容易地维持释热元件的燃烧。
灰份含量-碳粉末的灰粉含量应该是小于约重量百分之五，最好小于约重量百分之三，最佳小于约重量百分之一。灰份一般是用燃烧给定数量的碳粉末，粘结剂和附加物制备的释热元件和称产生的灰份作测定。
挥发物含量-碳粉末的挥发物含量应该是小于约重量百分之四，最好小于约重量百分之二。大量挥发物的存在能导致呈主流的燃烧产物中失味。通常挥发物含量通过(1)干燥和称量碳粉末试样;(2)在隋性气氛下加热该试样到750℃，保留30分钟;(3)在干燥器中把这试样冷却到室温;(4)称该冷却试样和计算挥发物的百分率来确定。
最后得到的高温分解碳粉末最好同粘结剂，水和附加组分，(如果希望的话)混合并且使用挤压或压制成形技术成型和/或形成希望的释热元件。
这些最终释热元件的碳含量最好至少约有重量百分60到70，最佳约有重量百分之80或80以上。因为高碳含量的释热元件产生最少的高温分解和不完全燃烧产物，很少或没有可见的侧流烟和最少的灰份，并且具有高的热容量，他们是比较可取的。
可以使用于制备这种释热元件的粘结剂在本专利范围内是众所周知。较佳的粘结剂是羧甲基纤维素纳(SCMC)，其可以单独使用，这是比较可取的，或者连同氯化钠，蛭石，皂土，碳酸纳等材料一起使用。其它有用的粘结剂包括树胶，例如瓜耳树胶，其它纤维素衍生物，例如甲基纤维素和羧甲基纤维素(CMC)，羧基丙基纤维素，淀粉，藻酸盐和聚乙烯醇。
各种各样的粘结剂的浓度都能使用。最好，粘结剂的数量限于减小粘结剂对可能影响烟雾味道所不希望的燃烧产物的作用。另一方面，足够的粘结剂应该包含使在制造和使用期间释热元件粘着在一起。一般来讲，制备碳粘结剂混合物，获得粘稠、面团状稠度。术语“粘稠、面团状”涉及混合物的倾向使保持它的形状，即在室温下混合物的球在24小时间会显出只有很轻微的流动趋向。
本发明的释热元件也可以含有一种或一种以上添加剂来改善燃烧，例如达到约重量百分之五的氯化钠以改善闷火特性并作为一种白热光的抑制剂。同样，直到约重量百分之五，最好从约重量百分之一到二的碳酸钾可以控制可燃性。改善物理性质的添加剂例如象高岭土，蛇纹石，美国白土那样的白土和诸如此类也可以使用。
本发明较佳的释热元件实质上无挥发性的有机物质。根据这种情况，那就是说释热元件不是故意地用相当数量挥发性有机物质例如挥发的烟雾形成或调味剂浸透或混合，这些有机物质在燃烧燃料时能降级。可是，少量由释热元件中的碳自然地加以吸收的材料，如水，可以在那里存在。
在某一实施例中，释热元件可以故意地含有较少量的烟叶，烟叶汁和/或其它物质，主要为了把调味品加到烟雾中。添加剂的数量可直到约重量百分之二十五，最好约重量百分之十到二十，这取决于添加剂，释热元件和所希望的燃烧特性。
在一个较好的实施例中，挤压出的含碳燃料，由高温分解的碳粉末，粘结剂以及足够的水份混合而成，可供挤压用的膏糊，再加以制备而成。该膏糊具有面团似的高粘稠度。两者的重量百分比分别为高温分解碳粉末约50%到99%，最好约80%到95%，粘结剂约1%到50%，最好约5%到20%。
加入热解材料的水数量及粘结剂量因所用粘结剂的不同而有一定程度的变化，然而，一般说来约1至5份水配1份高温分解材料将是足以产生可成型的膏糊，而以2至3份水配1份高温分解材料为最佳。为了易于向成型装置喂料，所提供的面团最好为可流动状态的，即颗粒状或珠状。然后，选用带有特定数量和形状的挤压孔的标准活塞式挤压机，将面团制成满意的形状。成型的释热元件再在最好约20℃到95℃范围内进行干燥，把最终含水量降低到约4%以下，最好降低到2%以下(均为重量百分比)。
在另一个实施例中，膏糊状的碳在形成最终希望的形状之前先进行减小尺寸步骤。在此例中由上述方法制成的膏糊经干燥，将含水量减小到约5%到10%(重量百分比)。再研磨成小于约20目的细粒，再加水将含水量提高到约重量百分之30。将所得到的面团似的粘稠膏糊喂入成型装置，例如普通的丸粒压机，施加455千克(1，000磅)到4550千克(10，000磅)的冲模压力，最佳压力约为2273千克(5000磅)以压制出所希望的尺寸的丸粒。最好这种压制的丸粒在大约55℃100℃下干燥，把含水量降低到重量百分之五到十之间。
在另一较好实施例中，高质量释热元件可以这样制得，先将碳和粘结剂混合成薄浆料或可流动性的膏糊(含有或不含有附加组份)浇注成片材，进行干燥，将片材重新磨成粉末，加水成稠糊状，最后挤压出上述膏糊。这种处理方法保证碳粒和粘结剂均匀分布。一般说来，碳粉要磨到颗粒度小于约5到10微米并同粘结剂例如羧甲基纤维素纳和足够的水混合使制成可流动的膏糊，再将它浇注成约1.6毫米(0.0625英寸)厚的片材。薄片干燥后并粉碎成小于约100目左右的最终颗粒尺寸。含水量用加水的方法提高到约重量百分之二十五到三十之间，然后将混合物用挤压机或者压制机形成释热元件。
如果希望的话，含碳和含粘结剂的释热元件在成型后可以在非氧化气氛中进一步高温分解，例如在温度约450℃1050℃，最好在约850℃950℃下保温2小时，使粘结剂转变为碳并由此形成实质上整个是碳的释热元件。这一步骤降低了粘结剂能产生的对呈主流的烟雾的任何味道的影响。
也已发现在约1000℃以上加热所形成的释热元件，可减少一氧化碳的放出。如果不愿意受理论束缚，可认为一氧化碳的减小是由于碳结构中的变化而引起的，其反过来使释热元件的燃烧温度下降。
按照本发明的方法制备的释热元件在欧洲专利公报174645号中所述的那种类型的吸烟制品的制备中是特别有用的。通常这些吸烟制品包括(1)释热元件;(2)实际上分离的含有烟雾生成材料的烟雾产生机构，该机构与所说的释热元件的一端相联结;(3)一个释放烟气的装置，例如在接咀端形成的纵向通道，该通道与所说的烟雾发生机构相联结。
按照本发明的方法制备的较好释热元件长度约从5毫米到15毫米，最好为约8毫米到12毫米，直径为约2毫米到8毫米，最好约4毫米到6毫米。表观松密度最好大于0.7克/毫升由压汞法测定，在较佳的卷烟型吸烟制品中，具有这些特性的释热元件，就足够为至少抽吸7至10次喷烟提供燃料，即常规的喷烟数量通常在FTC吸烟条件下抽吸普通卷烟获得的(每60秒钟期间二秒钟一口35毫升喷烟)。
由本发明的过程制备的释热元件最好具备一个或一个以上纵向延伸通道。这些通道有助于控制热量从释热元件传输到烟雾发生器装置。这是重要的，由于其能传送足够热量使产生足够的烟雾和避免传送如此多热量，以致烟雾生成器的要求降低。
一般来说，这些通道具有孔隙而且借助于增加传递到的热气体数量，将及旱地增强传输到烟雾发生装置的热量。该通道也趋向于增加释热元件的燃烧速率，并有助其点燃。这种纵向通道或多个通道，如果希望的话，可以利用传统技术加之钻孔，或者它们可以在压制时成形。在大多数情况下，含碳释热元件应能由普通卷烟点火器而不使用任何氧化剂点火。
本发明较好的释热元件的制备和使用可通过参照本发明的附图予以说明。
图2表示一种卷烟型吸烟制品，其利用由本发明的方法制备的含碳释热元件。这种图示的卷烟型吸烟制品的尺寸近似于普通卷烟，即直径约7毫米到8毫米，长度约80毫米。图2A-2C表示释热元件通道11不同的布置，其在这种类型吸烟制品中是有用的。与释热元件10的咀端搭接有一个金属套12，其含有一个包括一种或多种烟气生成物质(例如多羧基醇类物质，丙化醇或丙烯乙二醇的基质材料13。这种吸烟制品中释热元件10的周界有绝热纤维例玻璃纤维弹性套14所包裹。金属套12由烟叶的外套16包裹。两个缝状的通道18和18′装在金属套咀端和卷边管子中间。在烟叶套16的咀端装着一个接咀20，其由一个配有烟雾通道24的醋酸纤维圆柱体22和一个效率较低的醋酸纤维束过滤件26所组成。这种卷烟制品，或其部分由一层或多层卷烟纸28，30，32及34所包裹。
当点燃上述卷烟制品时，释热元件10燃烧，产生的热量用来使烟雾发生器中的一种或多种烟气生成物质挥发。因此，一种烟一样的烟雾产生了，通过金属套12从孔18或18′通过24，过滤件26，直至使用者。
因为本发明释热元件尺寸小和燃烧特征，所以抽吸几次，释热元件通常就会在其所有裸露表面开始燃烧。于是，释热元件邻近烟雾发生器的部分很快变热，使得热量向烟雾发生器的传输大为增加，特别在抽吸的初期和中期。
本发明推荐制造的吸烟制品所释放的烟雾由全湿微粒物质(WTPM)测定。按爱姆斯(Ames)测定这WTPM没有诱变活性，即在本发明推荐的吸烟制品所产生的WTPM与暴露在这出现的逆转物数量之间汉有明显的剂量相应关系。依据爱姆斯试验的支持者，明显地从属剂量响应表明被试验的制品含有诱变物质。参见爱姆斯等人的报导Mut.Res，31347-364(1975);娜格斯(Nagos)等人的报导，Mut.Res 42355(1977)。
本发明的含碳释热元件的制备将参照下面的例子作进一步说明，这些例子有助于对本发明的理解，但并不能解释为对本发明的限制。除特别说明外所提及的百分比均为重量百分比，全部温度均为摄氏温度，并且未作修正。
实例1步骤A，初始高温分解碳是由非滑石级含量的由阔叶林材制成并且由布坝意(Buckeye)纤维素有限公司，哈曼迈TN生产的，大草地加拿大的牛皮纸制备而成，按上述所分析的，这种纸有以下特点湿气 10%，灰份 0.15%碳 41%氢 6%将大批这种牛皮纸放在由通用电器公司制造的罐状电炉中高温分解。这种纸放在直径近似32英寸，有盖和砂封的不锈钢桶内。不利用惰性气体。
炉子按15℃/小时的加热速率升温到550℃并且在550℃下保温8小时。不测定纸的内部温度。
当按照上述方法分析时，生产出来的近似1000磅碳，有下列性质氢 3.3%氧 3.5%表面积 181平方米/克碳 88.7%基干密度 1.4克/毫升氮 末测到由于分解产品能潜在地引起味道问题，所以这种碳被认为不适合在吸烟装置中使用。
步骤B尺寸减小由步骤A得到的碳放在(费城，阿瑟H.托马斯公司生产的)怀利(Wiey)碾磨机里碾磨成粗粉(-10目)，然后，进一步放在牛顿市“克洛克”公司生产的“特罗斯特”碾磨机里磨成很细的粉末，即平均颗粒尺寸小于10微米。
步骤C精加工步骤B获得的粉末放进9英寸直径的不锈钢容器里并且在例6所述的炉内进行高温再分解(即精加工)。不锈钢容器安置在炉内，并且注有如例6步骤A相同的正氮气流。炉子的较快的升温速度(接近150℃/小时)升到最后精加工温度850℃，并在该温度上保温8小时。然后精加工的材料再在氮气中冷至室温，当按上述方法分析时，所得到的精加工碳有如下性质氢 0.5%碳 95%基干密度 1.99克/毫升含水量 0.7%PH值 7.95步骤D 混合及成型由步骤C得到的精加工碳粉通过将378.25克碳与42.5克羧基甲基纤维素纳(特拉维州惠明顿市，大力神)放入“西格马”浆片拌和机(里德公司，一夸脱工作容量)搅拌10分钟，可制成可挤压的混合物。含有4.25克碳酸钾的240克水溶液加入一起搅拌。
拌和约5分钟以后，盖上拌和机盖子，让混合物混合直到形成腻子似的粘稠料。混合时间约为3小时。拿去盖子，混合物受到空气的干燥，而混合操作仍进行下去，即一直进行到腻子样大块料开始裂成约1/2英寸直径的小珠为止。这过程约需要30分钟。在这点上的混合物的含水量约为36%。使小珠(约0.5英寸直径)在一只塑料袋内老化约1小时。
将上述混合物利用一只活塞型挤压机加以挤压，挤压机的活塞大小为1 3/4 ×911。碳/粘结剂的小珠被推到活塞上，用黄铜杆捣实以除去气囊。每次挤压约用150克左右的混合物。利用一只塑性挤压模(流线型流动方式)以产生4.5毫米(0.177英寸)直径的实心杆。挤压在Fornex LT30D(Forney公司，Wampum，PA)拉伸测试仪上纵向进行，挤压速率对螺杆而言为0.7英寸/分，挤压压力为3000磅/英寸2。
挤压物在75℃温度和60%相对湿度下被干燥一夜。然后放在一只受压空气炉内，在65℃干燥到含水4%为止。再将杆切成10毫米长，并且在整个杆的部位上纵向地钻出许多小孔(0.66毫米)。
实例2在实例1中制备的该种类型燃料源在氮气流中成形后，利用一只Lindeburg(林德伯格)管式炉(Lindeburg S4031型水镇W I)加以高温分解。这高温分解一直进行到释热元件中粘合剂转化为碳。
将一个Vycor管放在炉内，从管的一端导入的氮气通过管子后从另一端出去，再进入浸入水中的第二根管子，以在Vycor管中产生1″的水柱的背压。
当炉子冷却时把燃料源放入热域中，炉子用氮气冲洗15分钟，氮气流速为100毫升/小时，然后在约30分钟的时间内加热到1050℃。
将炉子在高温分解的温度上维持一小时，再使其冷却到室温。
实例3-5为了测定精加工的条件对精加工过的碳的性质影响，在实例1步骤B中产生粉末在不同的精加工温度加以处理。在下述例子中，碳粉试样在指定的温度下精加工2小时。下列的精加工温度下显示碳的化学和物理性质方面的改变。
实例号 精加工温度 基干密度 表面积温度℃ 平方米/克3 750 1.82 4804 950 1.95 2705 1150 1.92 20
实例6步骤A一步法高温分解将实例1中使用的一堆纸(重4.2公斤)放在波罗爱姆(blue M)箱式形炉内加以高温分解，该炉具有一个10×10×18英寸的门。将一只尺寸为9×9×28英寸的金属盒(用304不锈钢制作)放入箱式型炉，并且将面盖栓结到金属盒的外表面上(部分金属盒身在炉内)。插入区的周围空间用陶瓷纤维绝热料加以包裹。
将氮气通过面盖喂入该盒内，进气速率为每小时约36升。在盒子顶部有气体出口，并将该出口插入到水槽内，使在金属盒内产生2英寸水柱的背压。
一只温度控制热电偶放到炉内但在金属盒外面。炉子接下列顺序加热1，在20小时内将加热温度从50提高到350℃(以每小时15℃升温);
2，在350℃上保温2小时;
3，在20小时内，将加热温度从350℃提高到650℃(以每小时15℃升温);
4，在650℃上保温2小时;
5，在17小时内将加热温度从650℃提高到800℃(以每小时9℃升温);
6，在850℃上保温13小时;
7，冷却炉子(冷2天达到室温)。
为保证该插入物内的纸加热到希望的温度，要把热电偶放在纸堆的芯部(中心部位)。纸堆中的热电偶会显示出纸被加热到850℃为7 1/2 时，产生0.98公斤的碳。将这实例中产生的碳研磨成粗粒状粉未，就可用上面提及的分析，该粉末具有下列的性质
氢 0.6%平方米表面积 275米/克灰份 0.48%碳 96%密度 1.92克/毫升氮 末测到PH 10.71步骤B释热元件的形成取9份(按重量)步骤A所得的碳粉同一份SCMC粉混和，加入重量百分之一的K2CO3，加水形成稀浆，然后将该浆浇注成一块片材(约2毫米厚)，在室温下干燥48小时。
把干片放在willy破碎机上研磨成粗颗粒粉末(-10目)，加入足量的水，形成粘稠的，象面团一样的膏糊。将此膏糊装到一个室温间歇式挤压机上。用作成形挤压料的雌挤压模具有锥状表面，以便于塑性料方便地平滑流动。对塑性料施加低的压力(小于每平方英寸5吨或者小于每平方米7.03×10公斤)，以迫低塑性料通过4.6毫米直径的雌模。
然后将湿棒放在室温下干燥一夜。为了保证该棒完全干燥，再将其放在一个80℃的干燥炉中保温2小时。这干燥的棒具有表观松密度约0.9克/毫米(用压汞法测定)，直径为4.5毫米，圆整度偏差约3%。
将挤压过的干燥棒切割成10毫米长的释热元件，在棒在长度方向钻7个通道(每个为直径0.6毫米)，实质上是如图2A所示。
实例7本方法类似于实例6B，具有平均颗粒度约5-10微米，灰份含量约2.079%，硫含量约0.7%的活性碳粉末(Calgon PCB-G)与SCMC粘合剂(Hercules公司制造7H-F级)搀和，碳和粘结剂的比例为9∶1。加入足量的水到混合物中使形成稠厚的浆料，其应能在膜上伸展开来。
把厚浆浇注在一张厚度约1.5毫米(1/16英寸)聚乙烯膜上，道在空气中干燥24小时。
将形成象膜一样的硬材片从塑料膜上收集起来，放在wiley破碎机中研磨成粉末，再用研钵和研棒进一步研成细粉，使最后研成的粉末的颗粒度小于约100目。此阶段碳粉末的含水量约10%。
通过对碳粉末边搅拌边喷洒水雾，使其含水量提高到约重量百分之二十五到三十，使保证所有的碳粉末都被水均匀地处理过。只有当含量达到25～30%时才能相信这种碳/粘合剂的混合物是一种粘稠的，面团状的膏糊，适宜于作挤压或压制成释热元件。
在本实例中，这种混合料在液压冲孔机和模压机中承受大约2273公斤负载(5000磅)，形成5.5毫米直径，10毫米长，具有0.5毫米直径的中心通道的释热元件。该释热元件放在一个热空气炉内，在温度200°F上保持2小时，使含水量降至约10%以下。
实例8卷烟型吸烟制品，实质上在图2作了图示，制备按如下进行按实例1，2和6制备成长10毫米，直径4.5毫米的释热元件。
微小容器是由长30毫米的拉伸铝管制成，它的外径约4.5毫米，容器的后部2毫米做成卷边状以封闭容器的咀端。在容器的封闭咀端上刻有两条狭窄的切口(0.1×1毫米)允许通过的烟雾物质进入接咀件。
在本实例中使用烟雾形成物是以下列方法制备的将烟叶磨成粉末状介质;放在不锈钢容器内用水萃取，浓度达到每加仑水约1到1.5磅烟叶。萃取在室温下进行，利用机械搅拌器，搅拌约1～3小时。将混合料离心分离出悬浮固体，水相萃取液通过将水相溶液连续地抽到一只普通的喷雾干燥器在进口的温度约250～280℃时进行喷雾干燥，喷雾干燥器采用例1＃脱水器例如(an Anhydro Size 1号)，和在出口收集干燥粉末状材料，出口温度变化范围约82℃～90℃。
由W.RGrace & Co公司制备的高表面积氧化铝(表面积＝280米/克)(称为SMR-14-1986)具有孔率大小-8到+20目(美国)，底高于1400℃，最好是约1400℃到1550℃的浸渍温度下烧结一小时和冷却。氧化铝用水清洗并加以干燥。
将氧化铝(640毫克)用含有107毫克喷雾干燥的烤烟叶萃取物的水溶液加以处理，并加以干燥，使含水量低于重量3.5%。再将此材料用233毫克的甘油和17毫克香味组份(从瑞士日内瓦的Firmenich获得)的混和物(称作T69-22)加以处理。
微型容器用约200毫克该处理过的氧化铝填充。
释热元件插入填充料微型容器的开口处，插入深度为约3毫米。释热元件和微型容器结合件，其在释热元件端部用10毫米长的Owens-Corning6432玻璃纤维夹套包裹成8毫米的直径，外面再用Ecusta 646塞绳包起来。Owens Corning6432玻璃纤维夹套(软化点约640℃)具有重量百分之三的果胶粘合剂。
用Eusta646塞绳包裹的8毫米直径烟杆(长28毫米)，变成具有纵向通道(约4.5毫米直径)。将有夹套的释热元件一微小容器的结合件插入到烟杆通道中，直到玻璃纤维夹套碰到烟叶为止。玻璃纤维和卷烟部分用Kimborly-Clark P878-5纸包裹起来。
醋酸纤维素接咀件(30毫米长)用Ecusta 646塞绳包裹起来，并用K-C′SP878-16-12纸将与Ecusta646塞绳包裹起来的过滤件(10毫米长)连接起来。此接咀件部分通过过滤纸连接到有夹套的发明的揭示，释热元件-微小容器管部上。
对本发明，包括所提及及的具体实例都已作了详细说明。但考虑到本专业技术人员可以对本发明作改进和改良，这是可以理解的但这些仍是在下面提出的权项要求的范围和精神实质之内。
权利要求
1.一种生产吸烟制品碳燃料的方法，其步骤包括(a)在非氧化气氛中，温度约400℃到1250℃范围内高温分解含碳的原材料；(b)在非氧化气氛中冷却该高温分解的材料；(c)减小高温分解的材料的尺寸；(d)在非氧化气氛中，至少650℃的温度下再加热已减小的材料，保持足够的时间来除去其中的挥发物；
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于再加热步骤在约750℃到850℃的温度下进行。
3.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于初始高温分解步骤在约500℃到900℃的温度下进行。
4.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于进一步包括使再加热的材料同足够的粘结剂和水混合制成适于成形的膏糊;使该膏糊形成释热元件;干燥这释热元件。
5.一种生产吸烟制品的碳燃料的方法，其步骤包括(a)减小高温分解的含碳材料的尺寸到平均颗粒度为约10微米或10微未以下;(b)使颗粒状的碳材料同足够的粘结剂和水混合制成膏糊;(c)使该膏糊形成凝聚性物质;(d)干燥这凝聚性物质;(e)减小已干燥凝聚性物质的尺寸成粗大颗粒;(f)使粗颗粒同足够水混合，制成适合于形成释热元件的膏糊。
6.根据权利要求
5所述的方法，其特征在于其中所说的步骤(c)，(d)和(e)进一步包括步骤为形成一种碳、粘结剂和水的软膏;把这软膏浇注成片材;干燥该片材;把片材减小到可流动的(颗粒)。
7.根据权利要求
1或5所述的方法，其特征在于所说的含碳原材料具有高α-纤维素含量的纤维素材料。
8.根据权利要求
7所述的方法，其特征在于所说的纤维素材料是阔叶林硬材纸浆。
9.根据权利要求
1、2或3的过程制备的碳具有下列物理性质氢含量低于约3%氧含量低于约3%表面积大于约200平方米/克灰含量小于约5%
10.根据权利要求
9所述的碳拥有下列物理性质氢含量低于约1%氧含量低于约1%表面积大于约300平方米/克灰含量小于约1%
11.通过使权利要求
9所述的碳同粘结剂和水混合制备的释热元件，利用挤压或压制成形装置形成释热元件，并且加以干燥。
12.碳释热元件用权利要求
4所述的过程制备。
13.根据权利要求
1，2或3所述的方法，进一步包括下列步骤(a)由含有再加热的碳和粘结剂的混合物形成释热元件;(b)在非氧化气氛中高温分解所形成的释热元件使至少一部份粘结剂转变成碳。
14.根据权利要求
13所述的方法，其特征在于高温分解是在约450℃到1050℃的温度范围下进行的。
15.根据权利要求
13所述的方法，其特征在于高温分解是在约850℃到约950℃的温度范围下进行的。
16.一种制备吸烟制品的释热元件的方法包括下列步骤(a)由含有碳和粘结剂的混合物形成释热元件;(b)在非氧化气氛中高温分解形成的释热元件使至少一部份的粘结剂转化成碳。
17.根据权利要求
16所述的方法，其特征在于高温分解是在从约450℃到约1050℃的温度下进行的。
18.根据权利要求
16所述的方法，其特征在于高温分解是在从约850℃到约950℃的温度下进行的。
19.根据权利要求
16所述的方法，其特征在于所说的粘结剂是纤维素衍生物。
20.一种借助于权利要求
13，15，16，18或19的方法制备的烟制品的释热元件。
21.权利要求
20所述的释热元件具有长度在约5毫米到约15毫米范围内。
22.权利要求
20所述的释热元件具有直径在约2毫米到约8毫米范围内。
23.权利要求
20的释热元件具有一个或一个以上纵向延伸通道。
专利摘要
本发明涉及生产特别适合卷烟制品中使用的含碳释热元件。该含碳燃料元件是一热解纤维素材料和粘结剂压制混合物。为改变燃料情况，这种混合物可包含燃烧添加剂和/或其它组分。发明的一种方法是利用两个独立高温分解步骤保证构成制品的释热元件排除会释放有害烟雾的物质，另一方法为二次减小尺寸步骤保证碳颗粒内粘结剂的分布并在释热元件形成时提供流动自如的挤压或压制的混合物。
文档编号A24F47/00GK87101955SQ87101955
公开日1988年2月10日 申请日期1987年3月14日
发明者欧内斯特·吉尔伯特·法里尔, 杰基·李·怀特 申请人:R·J雷诺兹烟草公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan