形成用于烟雾过滤器的多孔物质的设备、系统和相关方法
【专利说明】形成用于烟雾过滤器的多孔物质的设备、系统和相关方法
【背景技术】
[0001] 本文所述的示例性实施方案涉及用于制造可用于烟雾过滤器中的多孔物质的设 备、系统和相关方法，包括其高生产率生产实施方案。
[0002] 疾病控制与防治中心报道在2012年，仅美国境内就销售了超过3000亿香烟和超 过130亿雪茄。因此，全世界对香烟和雪茄的需求仍持续存在。
[0003] 逐渐地，政府管制潜在地可能要求从烟草烟雾中去除有害组分的更高过滤效力。 在目前的醋酸纤维素情况下，可通过用浓度增加的颗粒（如活性碳）来掺杂，实现更高的过 滤效力。然而，增加的颗粒浓度改变对吸烟者而言的抽吸特性。
[0004] 抽吸特性的一个量度为封装压降。如本文所用，术语"封装压降"或"EPD"指的 是：当在输出端的体积流量为17. 5ml/秒时，试样在稳定条件下被气流横穿时，并且当该试 样被完全封装在测量装置中以使得无空气可穿过该包裹料时，所述试样两端之间的静态压 力差。本文已根据 CORESTA (''Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco")推荐的方法No. 41 (2007年6月）测量了 EPD。EH)值越高说明吸烟者抽吸吸 烟装置所需的力越大。
[0005] 因为过滤器效力的增加改变过滤器的EPD，所以公众以及制造商必须慢慢采用显 著不同的技术。因此，尽管不断在研宄，但在研发最小影响抽吸特性并同时去除主流烟草烟 雾中较高水平的某些成分的改进且更有效的组合物方面仍存在兴趣。此外，这种方案应该 具有满足吸烟商业需求所需的大批量生产方法。
【附图说明】
[0006] 包括以下附图以说明本发明的某些方面，并且不应视为排它性实施方案。如本领 域的技术人员将想到并且具有本公开的有益效果的，所公开主题在形式和功能上能够有相 当的修改、改变和等同形式。
[0007] 图IA-B示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限 制性实例（未必按比例绘制）。
[0008] 图2A-B示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限 制性实例（未必按比例绘制）。
[0009] 图3示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0010] 图4示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0011] 图5示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0012] 图6A示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0013] 图6B示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0014] 图7A示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0015] 图7B示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0016] 图8示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0017] 图9示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0018] 图10示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0019] 图11示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0020] 图12示出根据本文所述至少一个实施方案的用于形成多孔物质的系统的非限制 性实例（未必按比例绘制）。
[0021] 图13示出根据本文所述至少一些实施方案的产生组合过滤器棒的方法的示意 图。
[0022] 图14示出涉及根据本文所述至少一些实施方案的本文所述用于形成过滤器的至 少一些方法的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 本文所述的示例性实施方案涉及用于制造可用于烟雾过滤器中的多孔物质的设 备、系统和相关方法，包括其高生产率生产实施方案。
[0024] 本文所述的示例性实施方案提供用于多孔物质的高生产率生产的方法和设备 (和/或系统），所述多孔物质可用于吸烟装置过滤器，该吸烟装置过滤器具有增加的对烟 雾流组分的过滤效力和可接受的抽吸特性。
[0025] 多孔物质（2011年10月14日提交的共同待审PCT申请号PCT/US11/56388中所 述，其整个公开内容以引用方式并入本文）一般包含大量粘结剂颗粒（例如聚乙烯）和机 械性粘结在大量接触点处的大量活性颗粒（例如碳颗粒或沸石）。所述接触点可以是活性 颗粒-粘结剂接触点，粘结剂-粘结剂接触点，活性颗粒-活性颗粒接触点以及它们的组 合。如本文所用，术语〃机械性粘结"、〃机械性粘结的"、〃物理粘结〃等等是指保持两个 颗粒至少部分地在一起的物理连接。机械性粘结一般是烧结的结果。由此，当本文所述时， 机械性粘结涵盖其中大量粘合剂颗粒和大量活性颗粒在多个烧结接触点处机械性粘结的 实施方案。取决于粘结材料，机械性粘结件可以是刚性或柔性的。机械性粘结可能或可能 不涉及化学粘结。应理解，本文所用，术语〃颗粒〃和〃颗粒状〃可以可交换地使用，并且 包括材料的所有已知形状，包括球形和/或卵形、基本上球形和/或卵形、盘状和/或板状、 片状、带状、针状、纤维状、多边形（例如立方体状）、随机形（例如碎石状）、多面状（例如 晶体状）、或它们的任何混合型。多孔物质的另外的非限制性实例在全部于2012年7月7 日提交的共同待审申请 PCT/US2011/043264、PCT/US2011/043268、PCT/US2011/043269 和 PCT/US2011/043271中有详细描述，其整个公开内容以引用方式包括于本文中。
[0026] 多孔物质可通过各种方法来产生。例如，一些实施方案可以涉及：（例如用模具） 将基体材料（例如活性颗粒和粘结剂颗粒）形成所需形状，加热所述基体材料以机械地将 基体材料粘结）在一起，和精加工所述多孔物质（例如将多孔物质切割成所需长度）。多 孔物质的生产涉及的各种方法/步骤为将基体材料形成所需形状并同时维持均匀分散，并 且加热可以是限制高生产率制造的步骤中的两个。因此，采用气动致密相进料的方法可以 涉及用于本文所述多孔物质的高生产率制造的优选方法（例如，线性流速为约lm/min至约 800m/min或约300m/min至约800m/min)。此外，采用任选地用预热步骤（例如间接加热或 直接接触加热气体）来快速加热（例如，用微波并且任选地将微波增强添加剂包括在基体 材料中）的方法可以包括于用于本文所述多孔物质的高生产率制造的一些优选方法。此 外，在另外的优选高生产率制造实施方案中，当该方法的快速加热部分设计成烧结或机械 性粘结基体材料的一部分（例如外部部分）时，可使用二级烧结或加热来进行品质控制或 完成烧结。
[0027] 本文所用，术语"吸烟装置"是指包括但不限于以下的制品或装置：香烟、烟斗、雪 茄、雪茄烟斗、烟管、水烟管、水烟壶、电子吸烟装置、手工卷制烟、和/或雪茄。
[0028] 应当指出的是，当本文中提供"约"来提及数字列表中的数字时，术语"约"修饰 数字列表中的每个数字。应当指出的是，在一些范围的数字列表中，所列的一些下限可能大 于所列的一些上限。本领域技术人员将认识到，所选子集将需要选择超过所选下限的上限。
[0029] 1.用于形成多孔物质的方法和设备
[0030] 形成多孔物质的方法可以包括连续加工方法，间歇加工方法，或混合型连续-间 歇加工方法。如本文所用，"连续加工〃是指无中断地制造或产生材料。材料流可以为连续 的、编索引的（indexed)、或两者的组合。如本文所用，〃间歇加工"是指在个体工位作为单 个组分或组分组来制造或产生材料，然后使单个组分或组进行到下一工位。如本文所用，〃 连续-间歇加工〃是指这两者的混合型，其中一些工艺、或系列工艺连续进行，而另外那些 间歇进行。
[0031] 一般而言，多孔物质可由基体材料形成。如本文所用，术语〃基体材料〃是指前体， 例如，用于形成多孔物质的粘结剂颗粒和活性颗粒。在一些实施方案中，基体材料可包含粘 结剂颗粒和活性颗粒，由粘结剂颗粒和活性颗粒组成，或基本上由粘结剂颗粒和活性颗粒 组成。在一些实施方案中，基体材料可包含粘结剂颗粒、活性颗粒和添加剂。本发明中提供 合适的粘结剂颗粒、活性颗粒和添加剂的非限制性实例。
[0032] 形成多孔物质一般可以包括使基体材料形成所需形状（例如适用于作为吸烟装 置过滤器并入水过滤器、空气过滤器、等等中）并且使基体材料的至少一部分机械性粘结 (例如烧结）在大量接触点处。
[0033] 使基体材料形成形状可以涉及模腔。在一些实施方案中，模腔可以为单个件或单 个件的集合，具有或不具有端帽、平板、或塞子。在一些实施方案中，模腔可以为多个模腔部 件，其在组装形时成模腔。在一些实施方案中，模腔部件可借助于传送装置、带等等来结合 在一起。在一些实施方案中，模腔部件可以沿材料路径为静止的，并且被构造为允许传送装 置、带等等从中通过，其中模腔可径向地伸展和收缩以向基体材料提供所需水平的压缩。
[0034] 模腔可以具有任何横截面形状，包括但不限于圆形、基本上圆形、卵形、基本上卵 形、多边形（如三角形、方形、矩形、五边形等等）、带圆边的多边形、环形等等，或它们的任 何混合型。在一些实施方案中，多孔物质可具有包含孔的横截面形状，这可以通过使用一种 或多种模头，通过机加工，通过适当地成型的模腔，或任何其他合适方法（例如可降解材料 的降解）来实现。在一些实施方案中，多孔物质可具有特定形状以用于烟斗或适于装配在 该烟斗内的烟管或允许烟雾通过过滤器到达消费者的烟管。当本文关于传统吸烟装置过滤 器，讨论多孔物质的形状时，所述形状可以是就圆柱体的横截面的直径或周长而言（其中 周长为圆圈的一周）。但在其中本文所述多孔物质呈除真圆柱体之外的形状的实施方案中， 应当理解术语"周长"用于指任何形状（包括圆形横截面）的横截面的一周。
[0035] 一般而言，模腔可具有纵向和垂直于纵向的径向，例如基本上为圆柱形。本领域技 术人员应该理解，在适用情况下如何将本文所示实施方案转化成不具有所定义的纵向和径 向（例如球体和立方体）的模腔。在一些实施方案中，模腔可具有沿纵向改变的横截面形 状，例如锥形形状，从方形至圆形过渡的形状，或螺旋形。在采用片状模腔（例如通过两个 板之间的开口形成）的一些实施方案中，纵向会是加工方向或基体材料流动方向。在一些 实施方案中，模腔可为卷起或成型成所需横截面形状（例如圆柱体）的纸。在一些实施方 案中，模腔可以为纵向接缝处胶合的纸的圆柱体。
[0036] 在一些实施方案中，模腔可具有纵轴，并且沿所述纵轴具有作为第一端和第二端 的开口。在一些实施方案中，基体材料可在加工期间沿模腔的纵轴通过。通过非限制性实 例，图1示出具有沿材料路径110的纵轴的模腔120。
[0037] 在一些实施方案中，模腔可具有纵轴，并且沿所述纵轴具有第一端和第二端，其中 至少一端封闭。在一些实施方案中，所述封闭端可以能够打开。
[0038] 在一些实施方案中，在机械性粘结之前，个体模腔可用基体材料填充。在一些实施 方案中，单个模腔可以用于通过在机械粘结之前和/或期间使基体材料从中连续通过，连 续产生多孔物质。在一些实施方案中，单个模腔可用于产生个体多孔物质。在一些实施方 案中，所述单个模腔可再使用和/或连续再用于产生数种个体多孔物质。
[0039] 在一些实施方案中，模腔可至少部分地用包裹物内衬和/或用剥离剂涂布。在一 些实施方案中，包裹物可为个体包裹物，例如纸张。在一些实施方案中，包裹物可以为可缠 绕长度的包裹物，例如50英尺的纸卷。
[0040] 在一些实施方案中，模腔可以用不止一种包裹物内衬。在一些实施方案中，形成多 孔物质可包括用（一个或多个）包裹物内衬（一个或多个）模腔。在一些实施方案中，形 成多孔物质可包括用包裹物包裹该基体材料，以使得包裹物有效地形成模腔。在这种实施 方案中，包裹物可预成形为模腔，在基体材料存在下形成模腔，或围绕呈预成形形状的基体 材料包裹（例如借助于增粘剂）。在一些实施方案中，包裹物可通过模腔连续进料。包裹物 可以能够保持多孔物质的形状，能够从模腔中使多孔物质剥离，能够辅助使基体材料通过 模腔，能够在处理或装运期间保护多孔物质，以及它们的任何组合。
[0041] 合适的包裹物可包括但不限于纸（例如基于木材的纸，含有亚麻的纸，亚麻纸，由 其他天然或合成纤维生产的纸，功能化纸，特殊标记纸，彩色纸），塑料（例如氟化聚合物， 如聚四氟乙烯，硅酮），膜，涂覆纸，涂覆塑料，涂覆膜等等，以及其任何组合。在一些实施方 案中，包裹物可为适用于吸烟装置过滤器的纸。
[0042] 在一些实施方案中，包裹物可粘附（例如胶合）至其自身以辅助维持所需形状 (例如基本上圆柱形的构造）。在一些实施方案中，基体材料的机械性粘结也可将基体材料 机械地粘结（或烧结）至包裹物，这可缓解包裹物粘附至其自身的需要。
[0043] 合适的剥离剂可为化学剥离剂或物理剥离剂。化学剥离剂的非限制性实例可以包 括油，油基溶液和/或悬浮液，肥皂溶液和/或悬浮液，粘结到模具表面的涂层等等，以及它 们的任何组合。物理剥离剂的非限制性实例可以包括纸、塑料和它们的任何组合。物理剥 离剂（可以称为剥离包裹物）可类似于本文所述包裹物那样来实施。
[0044] 一旦用模腔形成所需横截面形状，则基体材料可以机械地粘结在大量接触点处。 可以在基体材料处于模腔内期间和/或之后，进行机械性粘结。可以用热和/或压力而不 用粘合剂来实现机械性粘结（即，形成烧结接触点）。在某些情况下，可以任选地包括粘合 剂。
[0045] 加热可以为辐射热、传导热、对流热和它们的任何组合。加热可以涉及的热源包括 但不限于：模腔内部的加热的流体、模腔外部的加热的流体、蒸汽、加热的惰性气体、来自多 孔物质（例如纳米颗粒、活性颗粒等等）的组分的次级辐射、烘箱、炉、火焰、传导或热电材 料、超声等等，以及它们的任何组合。通过非限制性实例，加热可以涉及对流烘箱或加热块。 另一个非限制性实例可以涉及用微波能量（单一模式或多重模式施用装置）来加热。在另 一个非限制性实例中，加热可以涉及使加热的空气、氮、或其他气体通过基体材料并同时处 于该模腔中。在一些实施方案中，加热的惰性气体可用于减轻对活性颗粒和/或添加剂的 任何不需要的氧化。另一个非限制性实例可以涉及由热电材料制成的模腔，以使得模腔加 热。在一些实施方案中，加热可以涉及上述方式的组合，例如使加热的气体通过基体材料并 同时使基体材料通过微波炉。
[0046] 在一些实施方案中，可通过用电磁福射（例如γ -射线、X-射线、UV光、可见光、 IR光、微波、无线电波和/或长无线电波）辐射所述组分，实现来自多孔物质（例如纳米颗 粒、活性颗粒等等）的组分次级辐射。通过非限制性实例，基体材料可以包含碳纳米管，其 在用射频波辐射时散发热。在另一个非限制性实例中，基体材料可以包含活性颗粒，如碳 粒，其能够将微波辐射转换成热并且将粘结剂颗粒机械地粘结在一起或辅助将粘结剂颗粒 机械性粘结（例如烧结）将粘结剂颗粒在一起。在一些实施方案中，电磁辐射可以通过频 率和功率电平调节，以便恰当地与选择的组分相互作用。例如，活化的碳可以结合具有选择 来匹配加热的目标速率的固定或可调节的功率设定在范围从约900MHz至约2500MHz的频 率下的微波来使用。
[0047] 在受益于本公开的情况下，本领域技术人员应该理解，电磁辐射的不同波长以不 同深度渗透材料。因此，当采用初级或次级辐射方法时，应该考虑模腔材料，构造和组成，基 体材料组合物，将电磁辐射转换成热的组分，电磁辐射的波长，电磁辐射的强度，辐射方法， 以及次级辐射（例如热）的所需量。
[0048] 用于加热（包括通过任何本文所述方法，例如，对流烘箱或暴露于电磁辐射）和/ 或导致机械性粘结（例如烧结接触点）发生的施加压力的停留时间的时间长度可以从约 百分之一秒、十分之一秒、1秒、5秒、30秒、或1分钟的下限，至约30分钟、15分钟、5分钟、 1分钟、或1秒的上限，并且其中所述停留时间可以从任何下限至任何上限并且涵盖其间的 任何子集合。应当指出的是，对于利用较快的加热方法（例如暴露于电磁辐射，如微波）的 连续方法，短停留时间可以是优选的，例如约10秒或更少，或更优选约1秒或更少。此外，诸 如对流加热的工艺的加工方法可以在分钟的时标上提供较长停留时间，其可以包括大于30 分钟的停留时间。本领域普通技术人员应该理解，较长的时间可以是适用的，例如，数秒至 数分钟至数小时或更长，前提条件是可真对给定基体材料选择适当温度和加热分布图。应 当指出的是，如本文所用，未将未达到允许机械性粘结的足够温度和/或压力的预热或预 处理方法和/或步骤考虑为停留时间的一部分。
[0049] 在一些实施方案中，加热以有利于机械性粘结可以是达到基体材料的组分的软化 温度。如本文所用，术语"软化温度"是指这样的温度，在该温度以上材料变得柔韧，该温 度通常低于材料的熔点。
[0050] 在一些实施方案中，机械性粘结可以在温度为约90°C、100°C、110°C、120°C、 130°〇、或140°〇的下限或约300°〇、275°〇、250°〇、225°〇、200°〇、175°〇、或150°〇的上限范围 内实现，并且其中温度可以从任何下限至任何上限并且涵盖其间任何子集合。在一些实施 方案中，加热可以通过使材料经受单个温度来实现。在另一个实施方案中，温度分布图可以 随时间变化。通过非限制性实例，可以使用对流烘箱。在一些实施方案中，加热可以局部化 于基体材料内。通过非限制性实例，来自纳米颗粒次级辐射可以仅加热在纳米颗粒紧邻的 基体材料。
[0051 ] 在一些实施方案中，基体材料可以在进入模腔之前被预热。在一些实施方案中，基 体材料可以预热至低于基体材料的组分的软化温度的温度。在一些实施方案中，基体材料 可以预热至比基体材料的组分的软化温度低约10%、约5%、或约1%的温度。在一些实施 方案中，基体材料可以预热至比基体材料的组分的软化温度低约1(TC、约5°C、或约1°C的 温度。预热可以涉及的热源包括但不限于上文作为用于实现机械性粘结的热源所列的那 止匕 -、〇
[0052] 在一些实施方案中，粘结该基体材料可以产生多孔物质或多孔物质长段（porous mass lengths)。如本文所用，术语〃多孔物质长段〃是指连续多孔物质（即，并非永不断 而是比多孔物质长的多孔物质，其可以连续产生）。通过非限制性实例，多孔物质长段可以 通过使基体材料连续通过加热的模腔来产生。在一些实施方案中，粘结剂颗粒可以在机械 性粘结过程期间保留其初始物理形状（或基本上保留其初始形状，例如，形状与初始形状 相比，变化（例如收缩）不大于10% )，即，粘结剂颗粒可以与基体材料和与多孔物质（或 长段）在形状上基本相同。为了简便且易读，除非另外指明，否则术语〃多孔物质〃涵盖多 孔物质节、多孔物质和多孔物质长段（被包裹的，等等）。
[0053] 在一