具有珠状碳的香烟过滤嘴的制作方法

专利名称：具有珠状碳的香烟过滤嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及带过滤嘴的抽烟物品，比如带过滤的香烟，尤其是涉及包含碳材料的香烟过滤嘴。
背景技术：
带过滤嘴的抽烟物品，尤其是香烟，通常包括一个烟丝杆，一个过滤嘴，以及将过滤嘴连接到烟丝杆上的过滤嘴纸。烟丝杆通常包括一个烟丝柱(比如以切割烟心的形式)，烟丝柱被包装在烟纸或包装纸内。典型地，过滤嘴包括由纤维材料形成的一个滤塞(一个滤嘴)，滤塞优选地是由醋酸纤维束制成。通过在沿着滤嘴的某一位置上提供一排或数排穿过过滤嘴纸的穿孔从而实现了烟气主流的通气。烟气主流的通气实现了所抽吸的烟气主流通过周围空气进行的稀释，以减少每抽吸一次所传送的焦油水平。
在吸烟过程中，吸烟者从位于香烟点燃端的焦炭抽吸烟气的主流。抽吸的烟气首先进入过滤嘴的上游过滤部分，然后通过与香烟过滤嘴的口腔端相邻的下游端。
某些香烟具有结合了像碳、硅胶、沸石及其类似物的颗粒那样的材料的过滤部分。Tovey的专利号为2881770的美国专利，Sproull等人的专利号为3353543的美国专利，Seligman等人的专利号为3101723的美国专利，Ranier等人的专利号为4481958的美国专利，以及专利号为532329和608047的欧洲专利描述了代表性的香烟和过滤嘴。某些可以商业获得的过滤嘴具有颗粒的和粒状的碳(比如活性碳材料)，这些碳单独存在或者分散在醋酸纤维束内部；其它可以商业获得的过滤嘴具有分散在其中的碳丝；而还有其它可以商业获得的过滤嘴具有所谓的“空腔过滤嘴”或者“三段式过滤嘴”。有代表性的，可以商业获得的过滤嘴包括来自Filtrona国际有限公司的SCS IV双实体木炭过滤嘴和三实体木炭过滤嘴；来自Baumgar tner的三空腔过滤嘴；以及来自Filtrona国际有限公司的ACT。在Clarke等人的《世界烟草》第55页(1992年11月)中也能看到。在，Gentry等人的专利号为5404890的美国专利和Gentry等人的专利号为5568819的美国专利中可以发现香烟和过滤嘴的特性和成分的详细讨论，这些专利公开的内容在此结合以供参考。
在申请号为579410的欧洲专利和Crellin等人的专利号为3894545的美国专利中公开了包含有颗粒碳的同心过滤层的范例。
滤塞间隔滤塞的设计典型地包括一对间隔开的滤嘴和一个颗粒状的活性碳层，活性碳在滤塞之间的空腔或空间中。在其制造中，间隔开的滤嘴的排列是沿着一个滤塞包装的连续纸带建立起来的。滤塞包装然后部分地合拢以形成滤塞加工过程的一部分，并且颗粒状的碳材料被注入或者用其它方式引入到部分合拢的滤嘴之间所限定的空间中。滤塞包装然后涂胶并封合，并且产生的连续杆然后根据期望的长度在精确的位置被切割，通常是以多过滤元件的形式出现，这些过滤元件实际上使用在带过滤嘴香烟的本身上。
现有技术中已知的空腔填充装置可以在像图1和图2所示那样的过滤嘴元件的制造中使用。专利号为4214508、5221247、5322459、5542901和5875824的美国专利解释并描述了这样的空腔填充装置，并且这些专利所公开的内容在此结合以供参考。
通过以前技术中的机器和碳材料，过程控制经常在机器高速运转的情况下遭受不一致的颗粒碳的测量、散布和粉碎。在过滤嘴杆之间的一致性将受到损害，并且一些空腔将比其它空腔较少填充。
举个例子，某些以前的“木炭”测量装置在一个料斗中容纳了一些颗粒碳储备，并且允许旋转的测量轮的边缘穿过相对固定的颗粒碳收集器旋转。这种布置对颗粒碳产生了一个粉碎作用，这个作用通常随着机器速度的增加而加剧。在用以前的机器和材料的生产操作期间，颗粒物质的跳飞和脱离经常产生不能接受的最终产品的不足(比如污点或者不完全的填充)，并且使不希望的机器“停机时间”提前发生，以实现对机器和工作的周围环境的清洁。
颗粒碳作为不规则形状和不同尺寸的微粒的集合在从一次填充操作到下一次填充操作中不一致地填充进给定的空间体积中。因此，迄今为止不完全的和不一致的空腔填充仍将困扰着自动过滤嘴杆的制作。不规则的填充也产生了穿过所述碳层的不希望的渠道，这个渠道将产生穿过或围绕着所述碳层的烟气主流实质部分的通道，这样在烟气主流和颗粒碳之间的相互作用就会减少。
已经知道在香烟过滤嘴中包含颗粒状的活性的碳材料以促进一些成分从烟气主流中移除。如此前在香烟过滤嘴中所使用的那样，通过将像坚果壳或者木材那样的有机材料碳化并且将“碳化”的材料活化从而构建了这些颗粒形式的碳，活化过程是通过使碳化的材料用蒸气或二氧化碳在大约800到1000摄氏度下接受热处理来实现的。材料的活化处理导致了多孔(像蜂巢)的内部结构和一个非常大的比表面积，用布鲁纳尔-埃梅特-泰勒(“BET”)方法对活性碳测量，这个面积典型地是在300到2500平方米每克。
然而，这种颗粒状的活性碳材料具有颗粒间彼此不规则和不一致的表面粗糙度和形状。颗粒碳的这些不规则和不一致在碳支撑的香烟过滤嘴杆和香烟的商业生产中产生了问题。举个例子，在微粒通过过滤嘴杆生产机器进给时，不规则的形状加剧了颗粒的跳飞，这种情况使得游离的碳微粒弄脏了最终产品，将灰尘带到工作环境中，并且产生了对停机时间的需要，以清洁过滤嘴杆生产机器，并且导致了在滤塞间隔滤塞的过滤嘴杆的空腔不一致和不完全的填充。
还知道颗粒状的活性碳材料对香烟的味道具有显著的影响，它们的细孔尺寸分布的随机的宽范围容易捕获不仅仅烟气主流中的气象成分，而且捕获颗粒象部分，比如焦油成分的一些或者大部分，而焦油成分贡献了吸烟的味道和香味。也已知由坚果壳和木材构建的颗粒状活性碳包含杂质，相信这些杂质在香烟中的颗粒碳的使用中削弱味道的另一个可能的原因。
也知道活化颗粒碳的过程容易使颗粒体弱化，这样使得颗粒体硬度减少，并且当通过过滤嘴杆生产机器的测量装置的时候更容易破裂、粉碎和弄脏。也知道活化处理增加了颗粒材料的生产成本。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有香烟过滤嘴的香烟，该香烟过滤嘴结合有一种形式的碳，这种形式的碳能够高效而有效地吸收在香烟的烟草气主流中出现的气象，而在吸烟时对香烟的感觉味道具有较小的影响。
因此，本发明的另一个目的是提供一种具有香烟过滤嘴的香烟，该香烟过滤嘴结合有一种形式的碳和/或其它材料，这种形式的碳和/或其它材料能够高效而有效地吸收在香烟的烟草气主流中出现的气象，但是在物力上是结实的以经受住自动过滤嘴杆的生产操作并且不需要过多的活化处理以及由此带来的成本。
本发明的再一个目的是改善碳支撑过滤嘴杆的自动化生产。
本发明的再一个目的是促进在滤塞间隔滤塞的过滤嘴生产中对空腔更加完全和一致的填充。
本发明的再一个目的是在滤嘴的生产中消除(减少)材料的分散和跳飞，以减少弄脏和灰尘的发生，并且减少清洁过滤嘴杆生产机器的需要。
这些以及其它目的通过本发明实现，在本发明中，一个抽烟物品的过滤嘴由一致球体形式的活性碳珠构建而成，优选地是碳珠具有预先选定的直径、细孔尺寸分布和活性水平。通过本发明，获得了一种碳支撑香烟过滤嘴，该过滤嘴提供了统一的产品形式和统一的产品性能，容易地在这两方面都获得统一性，并且改善了完美的性能。
在一个优选实施例中，提供了一种滤塞间隔滤塞的过滤嘴，该过滤嘴的空腔填充有具有一致球形的活性珠状碳，并且珠状碳最好具有大致相同的尺寸，优选地是直径范围在0.2到0.7毫米之间，更加优选的是在0.2到0.4毫米之间的0.35毫米直径或者大约0.35毫米。在这样的尺寸下，高效而有效的气象排除在调节到较低的活化水平的情况下获得，这个活化水平优选地是在1600平方米每克(用布鲁纳尔-埃梅特-泰勒(“BET”)方法测量)的范围内或者更少。因此，碳珠的坚固性和硬度被保留，这样就增强了它们在过滤嘴杆自动生产期间对发生破裂和不希望形式的抵抗力。
将珠体尺寸保持在预先选定的直径或者大致在这个直径，促进了珠体在生产过程中更加平滑的流动和更加一致的填充。
已经发现活性珠状碳具有占优势的(最大部分)的在微孔范围(小于20埃)内的细孔尺寸分布，这被认为对气象成分的排除来讲是最佳的。也发现活性珠状碳(尤其是沥青基体的珠状碳)与木材基或椰子基(颗粒状)的活性碳相比具有较少数量的大孔隙(大于500埃)。
优选地，珠状碳被制成具有预定在微孔或小的介孔(50埃直径或更小)范围内的细孔尺寸分布，具有非常少的在大孔隙(500埃或更大)范围内的细孔，具有在这两种孔之间范围内分布的剩余的细孔。
珠状碳也可以适于以某种方式来输送香料，这种方式可以让香料被释放到烟气的主流中。


除了那些上面提到的本发明的新颖特征和优势对于本领域普通技术人员来讲在看了下面结合附图进行的详细描述以后将变得明显，附图中相似的参考标记指代相似的部件，其中图1是根据本发明的包含有一个烟丝杆和一个多元件过滤嘴的香烟的侧向正视图，其中一些部分被剖开以解释内部结构；图2是与图1相似的侧向正视图，但是展示了一个填充有两种不同尺寸的球形珠状碳；图3是选择性地包含一个孔和一个香料表面涂层的单独一个球形珠体的截面图；图4是填充有球形珠状碳的过滤嘴空腔的放大的部分剖视图，展示了珠体之间的点对点接触；图5是包含有一个烟丝杆和一个多元件过滤嘴的本发明的另一个实施例的侧向正视图，其中一些部分被剖开以解释内部结构；图6是包含有一个烟丝杆和一个多元件过滤嘴的本发明的再一个实施例的侧向正视图，其中一些部分被剖开以解释内部结构；图7是几种不同尺寸的珠状碳一次次抽吸烟传送1，3-丁二烯百分比的图表。
图8是作为不同的PICA和珠状碳的函数的一次次抽吸烟传送1，3-丁二烯，以及从控制的一个1R4F标准香烟传送1，3-丁二烯的图表；以及图9是一个柱形图，展示了碳和非吸附性稀释剂对传送1，3-丁二烯百分比的影响。
本发明的详细描述参考图1，本发明的一个优选实施例提供了一种香烟10，它包括烟丝杆12和多元件过滤嘴14，过滤嘴14通过过滤嘴纸16连接到所述烟丝杆上。过滤嘴1 4以滤塞间隔滤塞的形式设计，具有间隔的醋酸纤维素滤塞18、20以及一个空腔22，空腔之间填充有球形的珠状碳24。包括填充有球形珠状吸附材料的过滤结构也在本发明的范围之内。
所述球形珠状碳材料24包含单独的珠体，优选地具有预选的统一直径，当作为在滤塞间隔滤塞的香烟过滤嘴的空腔内部的一个层而被构建的时候，它们的优势是容易彼此以唯一的一个接触点相接触。这样的单点接触产生了所述碳材料的一个层，这个层具有通过所述空腔22抽吸的烟的最小沟道或最短路径。因此，在烟的气象和所述珠体的碳表面之间获得了最大的接触，用以使目标气象成分的吸收效果极端化。
所述过滤嘴空腔22优选地是填充有同样尺寸的球形珠状碳，或者作为选择，包含具有两种不同尺寸的珠体，一种珠体的尺寸大于另一种珠体的尺寸。较小尺寸的珠体均匀地填充在较大尺寸的珠体之间，如图2所示。特别地，图2是一个侧向正视图，其结构与图1相似，其过滤嘴空腔22填充有大珠26和小珠28的结合体，小珠均匀填充在大珠之间。珠体的这两种尺寸可以用数学方法来选择，以最大化地填充空腔22并且因此将空腔外边缘处的支流渠道最小化。在选择所使用的最大珠体直径时，圆柱形过滤嘴空腔22的直径也要考虑，并且通过使用直径范围在所述空腔直径的1/10到1/40的珠体从而获得了最优的性能。当较小的珠体28也同较大珠体26结合使用的时候，较小珠体的直径通常是较大珠体直径的大约22％。一个优选的数学关系是较小珠体28的半径与较大珠体26的半径比是 作为一个进一步的选择，珠体材料也可以在其它过滤元件移除了作为移除目标的气象成分以后选择对烟雾流提供香料。在一个特殊实施例中，过滤元件可以同图1所示的过滤元件相似，具有一个附加的下游空腔，空腔中填充有加香味的珠体材料。
球形珠状碳24之间单点接触的趋势将珠体之间的摩擦最小化，并且允许珠体在制造期间以像液体那样的方式快速流动，这样就能在过滤嘴空腔22内部自我组装成一个紧密的充满的阵列。这种自由的流动能力保证了快速而有效地对空腔22进行填充，同时只有很少或者没有珠状碳的多余分散。
碳材料可以通过现有技术来加入到珠体结构中。而且，当选择活性碳作为球形珠状碳材料的时候，美国专利4917835，5456868和6033506所公开的碳以及现有技术中的其它碳配方都可以被使用。这些专利所公开的内容在此结合以供参考。一致的和真球形的珠状碳可以从日本的Kureha化工有限公司或者(大不列颠)联合王国的Henley Park，Guilford GU3 2AF的Mast Carbon有限公司获得。
如上面所提到的，球形珠状碳材料24紧密地填充成一个紧密的充满的阵列，这个阵列具有最小的渠道排列，否则就会减小过滤嘴空腔22内部的过滤嘴层的效率。这是具有光滑表面的珠体材料之间点对点接触的直接结果。这种均匀的填充促进了所产生的过滤嘴有更小的差异，并且在其整个性能中有较小的差异。不像颗粒层包装，这种包装经常下沉因此产生支流渠道的阵列或者其它空的间隔，过滤嘴空腔22在制造期间实质上被球形珠状碳材料完全填充，此后没有明显的下沉。
参考图5，本发明的另一个优选实施例提供了一个香烟10A，它包含一个用可以点燃抽吸的物料，比如烟丝，制成的杆12，以及用过滤嘴纸16连接到所述杆12上的一个多元件过滤嘴14。在点燃所述香烟10A的时候，从所述烟丝杆12产生了烟的主流并且通过过滤嘴14被抽吸。
其中，在过滤嘴部分和其它结构之间的所述“上游”和“下游”的相对位置是与烟的主流方向相比较而描述的，烟的主流方向从所述烟丝杆12抽吸，并且通过所述多元件过滤嘴14。
优选地，所述过滤嘴14包括一个第一上游碳支撑部分50和一个嘴端(烟嘴口)元件52。在这个实施例中，所述碳支撑部分50包括一个滤塞间隔滤塞的过滤嘴子组合件，该子组合件包括一个中间过滤元件54，一个烟丝端部元件56与所述中间过滤元件54间隔地分离开，这样就在它们之间限定出一个空腔58，空腔58中填充有球形珠状碳材料24，比如活性珠状碳。所述烟丝端部元件56与所述烟丝杆12相邻设置，并且优选地包括由对抽吸具有低抗力(RTD)的醋酸纤维束构成的一个滤塞。
如上面所讨论的，所述球形珠状碳材料24包括彼此单点接触的个体珠体。这样的单点接触产生了所述碳材料的一个层，这个层具有通过所述空腔58抽吸的烟的最小沟道或最短路径。因此，在烟的气象和所述珠体的碳表面之间获得了最大的接触，用以使目标气象成分的吸收效果极端化。
而且，如上面所讨论的，碳材料可以通过现有技术来加入到珠体结构中。当选择活性碳作为球形珠状碳材料的时候，美国专利4917835，5456868和6033506所公开的碳以及现有技术中的其它碳配方都可以被使用。这些专利所公开的内容在此结合以为所有有用的目的提供完整的参考。
所述嘴端(口腔端)元件52优选地具有醋酸纤维素滤塞的形式或者能缓和低的颗粒排除效率的其它合适的纤维或网状材料的滤塞的形式。优选地，颗粒排除效率是低的，选择丹尼尔(denier)和丹尼尔总数之和，以获得多元件过滤嘴14的期望的总抽吸抵抗力(RTD)。
如果不是所有碳层24都是加香料的支撑或者被注入香料，那么最好至少具有一些香料。
仍然参考图5，多元件过滤嘴14的中间过滤元件54优选地包括一个纤维过滤材料的滤塞60，优选地是能缓和低的颗粒排除效率和RTD的醋酸纤维束，连同一根或多根香料支撑丝62。当烟的主流通过所述中间过滤元件54并且沿着所述丝62被抽吸的时候，香味被释放到烟的主流中。香料丝支撑滤嘴可以从位于弗吉尼亚23237-1341区的8410Jefferson Davis高速公路上的美国Filtrona公司获得，并且用于所述中间过滤元件54的合适的结构在美国专利4281671中被描述，这个专利在此结合以为所有有用的目的提供完整的参考。
优选地，一个或多个圆周的排孔64在沿着所述中间元件54的某一位置处穿过过滤嘴纸16形成，并且在加香料的珠状碳20的层的下游，优选地在紧邻所述层24的所述中间元件54的上游端部。优选的位置是将香烟的所述嘴端66和所述穿孔64之间的距离最大化，这个距离优选的是最少12mm(毫米)或者更大，这样吸烟者的嘴唇不会使所述穿孔64阻塞。优选地，通气水平是在40％到60％范围之间或者更多，最好是在联邦贸易委员会(FTC)的6mg香烟输送焦油下大约45％到55％。
珠状碳层在完全填充情况下可以包含至少70到120mg(毫克)或者更多的碳，或者在所述空腔58中填充85％或者更好的情况下包含160到180mg的珠状碳。
作为例子，烟丝杆12的长度优选地是49mm，并且所述多元件过滤嘴14的长度优选地是34mm。香烟10A的四个过滤元件的长度如下所述烟丝端元件56优选地是6mm；所述珠状碳层24在装载180mg碳的情况下其长度优选地是12mm；所述中间元件54优选地是8mm；烟嘴端元件52优选地是8mm。
烟丝杆12可以用传统的香烟包装纸或者为此目的而使用的带状纸来包装。带状香烟纸具有间隔开的集成的纤维素带68，纤维素带环绕着香烟10的最终烟丝杆以修改香烟的大量燃烧率，以至于香烟10A在离开其上的闷燃时减少将盛烟的底垫点燃的危险。美国专利5263999和5997691描述了带状香烟纸，这些专利在此结合以为所有有用的目的提供完整的参考。
现在参考图6，另一个优选实施例提供了一个修改的香烟10B，该香烟10B具有同图6的香烟10A同样的过滤部分，但是具有稍微不同的各部分的相互排列，并且使用了相似的参考特征以识别相似的部分。在香烟10B中，香味释放丝成分62在香烟10B的口(嘴)端设置在所述嘴端元件52上，在加香料的珠状碳层24的下游，并且被所述中间元件54间隔开。在这个实施例中，像甘油醋酸酯那样的增塑剂可以施加到所述香料丝62上，以将所述丝保持在元件52内部的合适位置上，并且防止在吸烟过程中所述丝被抽吸出去。作为选择，所述丝62可以以辫子形编织在一起从而获得同样的效果。如图5所示的实施例，穿孔64提供在沿着所述中间元件54的某一位置处，邻近所述加香料珠状碳层24但在其下游。
用于上述香烟过滤嘴的活性珠状碳材料可以由很多已知的珠体生产过程来制造，举个例子，比如在美国专利3909449和4045368以及英国专利1383085所描述的那样，所有这些专利在此结合以为所有有用的目的提供参考。在很多情况下，开始材料包含从石油和煤处理中得到的沥青。从根本上说，任何可融的碳支撑物质(或碳前体)如果能够悬浮在液体中就是足够的了，这样就能够构建一个球体形状并被凝固，并且此后被碳化和活化。
在具有珠状碳超过传统的颗粒或粒状碳(比如由在哥伦布432McCormick Boulevard，Ohio43213-1585的PICA有限公司生产和销售的颗粒碳)的机器操作中有着巨大的优势。已经发现，通过一个过滤嘴杆，在平均填充水平86％的情况下生产机器开始在香烟过滤嘴12mm的空腔中提供180mg颗粒碳的装载，过滤嘴杆的生产机器没有机器设定的调整，并且是在同样数量的碳和同样长度的空腔情况下生产，珠状碳在符合要求的机器速度下平均能达到91％的填充体积，例如每分钟生产1500个滤塞。而且，已经发现具有珠状碳的珠体生产机器的操作产生出了相当少的灰尘，并且由该机器收集的额外的碳可以再利用并且不会破裂，这种破裂经常是发生在颗粒碳的情况下。
本发明的另一个方面是改进香烟的味道，包括在过滤嘴中以珠状碳代替颗粒碳。如下面更加充分的解释那样，已经发现在1到7喜爱分数量表的基础上，美国烟民对于无碳的控制香烟的喜爱水平的评价是在最高水平上(与他们对无碳过滤嘴的喜爱是一致的)，而且同样的烟民对于颗粒碳香烟给出的喜爱水平是很低的，但是当他们抽具有珠状碳的同样的香烟的时候，他们的喜爱水平升高到介于其它两个级别之间。这样的结果证实了对珠状碳的喜爱程度显著增强，超过了对颗粒碳模式香烟的喜爱。
活性的珠状碳具有带细孔的重要部分，其细孔的尺寸分布在微孔和介孔范围之间(小于50埃(angstrom))，在大于500埃的介孔范围内具有相对较少的分布。不希望被理论所束缚，相信通过具有更少数量的大孔隙，珠状碳更不容易从烟的主流中捕获焦油成分，并且取而代之的是让烟的香料成分通过碳珠的层。与之相比，颗粒(PICA)碳具有带细孔的很大的部分，其细孔的尺寸分布在大孔隙尺寸范围之间(这个尺寸范围在500埃或大于500埃上)，这容易捕获较大的颗粒，包括焦油和香料。
另外，颗粒碳由有机材料构建，比如椰子壳、坚果壳或木材，它们的固有成分被认为能贡献出非常高含量的灰，并且存在多种金属和其它物质和杂质，在珠状碳中没有发现这种情况。这个方面也被认为是有利于珠状碳的因素，珠状碳具有优于颗粒碳的有利的主观影响。
存在着关于香烟过滤嘴应用的机械加工性和碳材料选择方面的三个集中关心的问题。一个关心的问题是过滤嘴杆生产机器本身在香烟的制造操作过程中产生灰尘的趋势。灰尘在处理产品过程中能够连续制造问题。另一个关心的问题是为活化碳而实施热量处理的成本。燃烧掉的越多，初始材料损耗的重量就越多。另外，在较高的活化水平上，作为碳损失质量和密度的结果，碳变得更加脆。而且，对于能够构建多短的空腔并且填充在产生操作的滤塞间隔滤塞的过滤嘴杆中还存在限制。目前，通过过滤嘴杆生产机器，至少大约4到6mm的空腔长度是优选的。长度少于4mm的空腔产生了制造难度并且不是优选的。
气象排除效率被颗粒尺寸和珠体直径所影响，珠体越小就越有效率。另外，作为一个通常的问题，给定的碳被活化的越多，在气象移除中就越有效率，然而，机械加工性(粉尘因素)和活化处理的成本对于期望活化多少碳来讲是相互抵消的考虑因素。通过将珠体的直径减少到大约0.2mm到0.7mm范围内可以打破这个平衡，珠体直径更优选的是0.2到0.4mm之间，这是在相当于范围在1000到1600平方米每克BET(正如被布鲁纳尔-埃梅特-泰勒方法所测量的，此后称为“m2/g BET”)内的特殊表面面积的一个活化水平上的，更优选的是在1100到1300m2/gBET范围内。然而，极端小的珠体容易在过滤嘴空腔中填充得非常紧密以至于它们在整个空腔中施加了额外数量的压力下降，压力下降达到了不期望的程度。在一些应用中，比如在所述优选实施例中，过度的压力下降最好能避免。因此，更加优选的球形珠体的尺寸在直径上接近0.35mm。尺寸的优选范围也促进了所述过滤嘴杆生产机器的适当而清洁的操作。
所述碳珠越小，珠体填充得就越紧密，这升高了压力下降。因此，在趋于非常小的珠体直径以捕获气象时，排除效率就要考虑到整个过滤嘴的压力下降应该保持在预定的边界内这个需要，这样就能说是在吸烟者关于抽烟的抽吸抗力(RTD)的预料之内。
图7是不同直径的碳珠从香烟的嘴端靠抽吸烟来传送1，3-丁二烯的图表。给定的珠状碳材料包括在2.7mm长度的层中的75mg重的0.7mm直径的活性珠状碳(图7中的曲线100)，在2.6mm长度的层中的75mg重的0.5mm直径的活性珠状碳(曲线102)，以及在2.5mm长度的层中的75mg重的0.35mm直径的活性珠状碳(曲线104)。每个空腔都是在完全填充的条件下。
仍然参考图7，已经发现较小的珠体直径增加了在1，3-丁二烯排除中的性能，并且在整个抽吸烟过程中始终充分有效。特别地，已经发现由日本的Kureha化工有限公司提供的75mg重的珠体在0.35mm直径时完全填充2.5mm长度的空腔将在整个的八次抽吸烟过程中捕获实质上所有的1，3-丁二烯，即使在相对低的表面面积对质量比值的情况下。
图7中珠体材料的表面面积活性水平是在1000到1600m2/g BET范围内、最好在1100到1300m2/g BET范围内。应该注意到，线104所代表的结果是几乎完全排除了1，3-丁二烯，线102代表了1，3-丁二烯显著的减少(接近90％)。
图8是不同直径的珠状碳从香烟的嘴端靠抽吸烟来传送1，3-丁二烯的图表，这些珠状碳包括在2.5mm长度的空腔中的75mg重的0.35mm直径的碳珠(图8中的曲线108)，在2.5mm长度的空腔中的48mg重的40×60粒度的颗粒(PICA)碳(曲线110)，在2.5mm长度的空腔中的46mg重的20×50粒度的颗粒(PICA)碳(曲线112)，在12mm长度的空腔中的180mg重的20×50粒度的颗粒(PICA)碳(曲线114)，以及一个1R4F香烟标准控制(曲线116)。
比较图7和图8可以发现，装载在2.5mm长度空腔中的48mg重的40×60粒度的颗粒碳(图8中的曲线110)与0.35mm直径的珠状碳(图7中的曲线108)表现出了实质上相同的结果。然而，已经知道40×60粒度的PICA颗粒碳在过滤嘴杆生产机器的操作中是极难处理的(显著的并且是混杂的灰尘)。然而，75mg重的0.35mm直径的珠状碳很容易处理并且在机器操作中没有显著的灰尘，这既是因为珠状碳良好的综合流动特性，也是因为其巨大的密度和硬度(在较低的到适度的活性水平上)。因此，珠状碳获得了同超精颗粒PICA碳一样的性能，而其尺寸容易被香烟生产机器处理。这是一个显著的优势。
通常，碳珠是比PICA的颗粒碳更密更硬的材料。因此，在带有珠状碳的香烟过滤嘴的生产和处理过程中具有更少的灰尘，并且比颗粒碳更容易以有序的方式填充并且填充得更彻底。
在填满空腔条件下具有75mg重0.35mm直径的珠状碳装载水平，就获得了极好的气象排除效率，就像在图7中的线104所代表的那样。然而，这种碳装载完全填充了在标准香烟圆周(24毫米)中的2.5mm长的空腔，这个空腔长度是很难制造的。因此，最好应该包含有活性的珠状碳和具有相似尺寸或者最好具有相同尺寸但活性较少或没有活性以节约成本并增强机械加工性的其它珠体。对75mg的珠状碳结合有玻璃珠进行实验，其分离的测量体积是1/3的珠状碳和2/3的珠状玻璃，实验表明混合体在气象排除方面具有同被其本身活化的同样的75mg装载在本质上相同的性能。因此，将75mg的活化珠状碳装载混合未活化的碳的附加珠体是优选的，优选用同样直径的充足的数量来填充6mm长的空腔，或者被香烟制造者所传统使用的填充空腔所需的这种额外数量。这种活化的和未活化的碳珠的结合在削减成本方面产生了同样的效果，因为不必要用更多昂贵的活性碳珠来完全填充空腔。这个发现的进一步优势在于香烟制造者可以根据其香烟品牌的范围来预先选择空腔尺寸，并且可以为不同的香烟带或香烟包装自由选择不同数量的碳，并且用未活化的(或者较少活化的)珠状材料、珠状材料的香料载体、或者其它合适的过滤材料来填充在预先选择的空腔中的任何剩余空间。随着吸烟者偏好的改变或者对其它环境的适应，过滤嘴中活性珠状碳的比例可以改变，这种改变是在没有复杂因素的情况下进行的，比如必须改变香烟设计中的空腔尺寸或者改变过滤嘴和香烟生产机器的尺寸。在香烟操作中这是一个显著的优势。
图9是一个柱形图，阐释了在为仅仅带有珠状碳和带有分散在非吸附性稀释剂中的珠状碳的过滤嘴传送1，3-丁二烯的总的百分比的相对比较相似的结果。图9中的柱120是用于1R4F香烟标准控制的，并且展示了在吸烟过程中大约八次抽吸烟以后从香烟嘴端传送了大约86％的1，3-丁二烯。柱122和124代表了同图5相似的香烟结构，但是具有醋酸纤维素并且没有碳(柱122)以及380mg玻璃珠并且没有碳(柱124)。在大约八次抽吸烟以后，从每个香烟的嘴端传送的1，3-丁二烯的总的百分比是很高的，对于柱122来讲大约91％，对于柱124来讲大约82％。柱126、128和130每一个都代表了同图5相似的香烟结构，但是在每种情况下过滤嘴空腔都填充有不同的材料。柱126代表的香烟包含填充有75mg重的0.35mm直径的活性碳珠的一个空腔。在八次抽吸烟以后，从柱122代表的香烟的嘴端通过的1，3-丁二烯的传送仅仅大约1％，并且柱128和130所代表的香烟也获得了相似的结果，在这两种香烟中过滤嘴空腔填充有75mg重的0.35mm直径的活性碳珠，但是结合有非吸附性稀释剂。柱128的香烟包括190克的与碳珠弥散的玻璃珠，柱130的香烟包括380克的与碳珠弥散的玻璃珠。在每种情况下，在大约八次抽吸烟以后从香烟的嘴端传送的1，3-丁二烯的总的百分比是大约2％。概括地说，包含了结合有非吸附性稀释剂的活性碳珠的过滤嘴产生了与具有同等重量的未稀释形式的活性碳珠的过滤嘴一样的结果。
下面的表1展示了活性碳的细孔分布，所述活性碳包含20×50粒度每英寸和40×60粒度每英寸的PICA碳，也包含来自两个不同批次的具有0.7mm、0.5mm和0.35mm直径的珠状碳。
表1

*DFT由密度功能理论计算，这个理论是一个以分子为基础的统计的热力学理论，它使得吸收等温线与系统的微观性质联系起来。(参考P.A.Webb和C.Orr所著的《微观粒子分析方法》，微米仪器公司，Norcross，GA，1977，81页)PICA碳具有大约0.37克每立方厘米的单位容积密度，而优选的碳的活化的珠状碳具有超过0.5克每立方厘米的单位容积密度，更加优选的是在0.55到0.6克/立方厘米的范围内。
应该意识到，优选实施例的珠状的、活性的碳可以与其它像沸石、分子筛、合成的或分层的材料、黏土、氧化铝、其它金属氧化物、金属硅酸盐和金属磷酸盐、硅胶和像3-氨丙基甲硅烷基(APS)那样的改性的硅胶珠体进行混合。
下面的表2展示了指示的气象成分对控制1R4F标准香烟关于香烟过滤嘴结构的总的传送百分比，在所述过滤嘴中像图5所示的过滤嘴空腔填充有指示的材料。
表2

优选地，通过喷射香料到一批次的活性碳中从而将香味添加到所述碳珠中，所述喷射是发生在一个混合(翻滚)桶中或者作为选择是在具有作为流化剂的氮的流化床中进行的，在其中香料可以随后被喷射到流化床上的碳上面。而且，将香料设置在其它过滤元件或者碳珠层上也在本发明的目的之内，孤立的，或者任何上面提到的成分同附加的香料一起沿着一个或多个滤塞包装和/或烟纸被传送。
本领域有经验的人员将认识到本发明可以由不同于所述实施例的方式实践，所述的实施例目的是解释而不是限制。举个例子，香烟过滤嘴可以包含在像醋酸纤维束那样的纤维块之内悬浮的珠状碳。而且，优化的球形珠体每一个都可以包含一个孔和一个涂有香料的表面。本发明仅仅由下面的权利要求所限制。
权利要求
1.一种香烟过滤嘴，包含具有球体形式并且具有预先选定的直径的珠状的、活性的碳。
2.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，其中所述球形珠状碳具有范围在大约0.20毫米到0.70毫米之内的直径。
3.如权利要求2所述的香烟过滤嘴，其中所述球形珠状碳具有范围在大约0.20毫米到0.40毫米之内的直径。
4.如权利要求3所述的香烟过滤嘴，其中所述球形珠状碳具有大约0.35毫米的直径。
5.如权利要求2所述的香烟过滤嘴，其中所述珠状碳材料的至少一部分具有不超过1600平方米每克BET的一个比表面积。
6.如权利要求5所述的香烟过滤嘴，其中所述珠状碳材料的至少一部分具有范围在1100到1300平方米每克BET的一个比表面积。
7.如权利要求2所述的香烟过滤嘴，其中所述活性珠状碳具有不超过0.5克/立方厘米的密度。
8.如权利要求2所述的香烟过滤嘴，包括一个空腔，其中所述珠状碳实质上完全填充了所述空腔。
9.如权利要求2所述的香烟过滤嘴，包括一个空腔，其中所述球形珠状碳填充了所述空腔的大约80％到95％。
10.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，其中所述活性珠状碳具有预定的数量，其数量足以减少期望数量的至少一种烟气成分。
11.如权利要求10所述的香烟过滤嘴，其中所述活性珠状碳具有预定的数量，其数量足以减少大约90％或更多的1，3-丁二烯。
12.如权利要求11所述的香烟过滤嘴，其中所述预定的数量是大约70到180毫克的活性珠状碳。
13.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，包括与所述活性珠状碳相比具有较少的或者没有活性的第二珠状材料。
14.如权利要求13所述的香烟过滤嘴，其中所述第二珠状材料包含与所述活性珠状碳具有实质相同的直径的珠状碳。
15.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，其中所述球形珠状碳包含一第一组和一第二组，所述第一组由具有实质相同的直径的个体珠体组成，所述第二组由具有实质相同但比所述第一组的珠体直径小的个体珠体组成。
16.如权利要求15所述的香烟过滤嘴，其中所述第二组的所述球形珠体的半径接近于所述第一组的珠体半径的
17.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，包括一圆柱形空腔，其中所述球形珠状碳包含直径范围在所述圆柱空腔直径的1/10到1/40的珠体。
18.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，其中所述球形珠状碳的至少一部分被加了香味。
19.如权利要求18所述的香烟过滤嘴，包括设置在加香料的球形珠状碳下游的至少一个附加的香味释放部分。
20.如权利要求19所述的香烟过滤嘴，其中附加的香味释放部分包括位于其上的香料丝。
21.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，包括在球形珠状碳下游的一个香味释放部分。
22.如权利要求1所述的香烟过滤嘴，其中所述珠状碳的球体形状是将可融的碳前体悬浮在液体中并在其后将所述前体固化和碳化从而获得的。
23.如权利要求22所述的香烟过滤嘴，包括与所述活性珠状碳相比具有较少的或者没有活性的一第二珠状材料。
24.如权利要求23所述的香烟过滤嘴，其中所述第二珠状材料具有同所述活性珠状碳实质相同的直径。
25.一种香烟，包括一烟丝杆和一香烟过滤嘴，所述过滤嘴包含有球体形式的并且具有预先选定的直径的珠状的、活性的碳。
26.如权利要求25所述的香烟，其中所述球形珠状碳具有范围在大约0.20毫米到0.70毫米之内的直径。
27.如权利要求26所述的香烟，其中所述球形珠状碳具有范围在大约0.20毫米到0.40毫米之内的直径。
28.如权利要求27所述的香烟，其中所述球形珠状碳具有大约0.35毫米的直径。
29.如权利要求25所述的香烟，其中所述珠状碳材料的至少一部分具有不超过1600平方米每克BET的一个比表面积。
30.如权利要求29所述的香烟，其中所述珠状碳材料的至少一部分具有范围在1100到1300平方米每克BET的一个比表面积。
31.如权利要求25所述的香烟，其中被DFT微孔比容确定的所述珠状碳的至少一部分是至少0.4立方厘米/克，并且总的细孔体积不超过0.6立方厘米/克。
32.如权利要求25所述的香烟，其中所述过滤嘴包括一个空腔并且所述珠状碳实质上完全填充了所述空腔。
33.如权利要求25所述的香烟，其中所述过滤嘴包括一个空腔，并且所述球形珠状碳填充了所述空腔的大约80％到95％。
34.如权利要求25所述的香烟，其中所述活性珠状碳具有预定的数量，其数量足以减少期望数量的至少一种烟气成分。
35.如权利要求34所述的香烟，其中所述活性珠状碳具有预定的数量，其数量足以减少大约90％或更多的1，3-丁二烯。
36.如权利要求35所述的香烟，其中所述预定的数量是大约70到180毫克的活性珠状碳。
37.如权利要求25所述的香烟，包括与所述活性珠状碳相比具有较少的或者没有活性的第二珠状材料。
38.如权利要求37所述的香烟，其中所述第二珠状材料具有与所述活性珠状碳实质相同的直径。
39.如权利要求25所述的香烟，其中所述球形珠状碳包含一第一组和一第二组，所述第一组由具有实质相同的直径的个体珠体组成，所述第二组由具有实质相同但比所述第一组的珠体直径小的个体珠体组成。
40.如权利要求39所述的香烟，其中所述第二组的所述球形珠体的半径接近于所述第一组的珠体半径的
41.如权利要求25所述的香烟，包括一圆柱形空腔，其中所述球形珠状碳包含直径范围在所述圆柱空腔直径的1/10到1/40的珠体。
42.如权利要求25所述的香烟，其中所述球形珠状碳被加了香味。
43.如权利要求42所述的香烟，包括设置在加香料的球形珠状碳下游的至少一个附加的香味释放部分。
44.如权利要求43所述的香烟，其中附加的香味释放部分包括位于其上的香料丝。
45.如权利要求25所述的香烟，包括在球形珠状碳下游的一个香味释放部分。
46.如权利要求25所述的香烟，其中所述珠状碳的球体形状是将可融的碳前体悬浮在液体中并在其后将所述前体固化和碳化从而获得的。
47.一种香烟，包括一烟丝杆和一过滤嘴，所述过滤嘴包含有一个空腔，所述空腔中填充有球形珠状碳，用于当这种香烟通过所述过滤嘴被抽吸的时候将至少一种烟气主流成分从烟气主流中排除。
48.如权利要求47所述的香烟，其中所述球形珠状碳结合有从沸石、硅胶、改性硅胶、无机聚合物、黏土、金属氧化物、金属硅酸盐、磷酸铝和金属磷酸盐组成的群组中所选择的材料。
49.如权利要求47所述的香烟，其中所述球形珠状碳包含一第一组和一第二组，所述第一组由具有实质相同的直径的个体珠体组成，所述第二组由具有实质相同但比所述第一组的珠体直径小的个体珠体组成。
50.如权利要求49所述的香烟，其中所述第二组的所述球形珠体的半径接近于所述第一组的珠体半径的
51.如权利要求47所述的香烟，其中所述球形珠状碳被加了香味。
52.如权利要求51所述的香烟，包括设置在加香料的球形珠状碳下游的至少一个附加的香味释放部分。
53.如权利要求52所述的香烟，其中附加的香味释放部分包括位于其中的香料丝。
54.如权利要求47所述的香烟，包括在球形珠状碳下游的一个香味释放部分。
55.如权利要求47所述的香烟，包括在所述空腔内部的由具有较少的或者没有活性的碳珠构成的另一种珠状碳。
56.如权利要求47所述的香烟，其中所述过滤嘴是圆柱形的，并且所述空腔的直径几乎等于所述过滤嘴的直径，并且所述空腔的长度大约是2.5到12毫米。
57.如权利要求47所述的香烟，其中所述珠状碳具有范围在0.2到0.7毫米之间的颗粒尺寸直径。
58.如权利要求57所述的香烟，其中所述珠状碳具有范围在0.2到0.4毫米之间的颗粒尺寸直径。
59.如权利要求58所述的香烟，其中所述珠状碳具有大约0.35毫米的颗粒尺寸直径。
60.如权利要求47所述的香烟，其中所述珠状碳材料在由BET法测量得到的1100到1300BET范围内被活化。
61.如权利要求47所述的香烟，进一步包括在所述空腔中的与所述碳珠直径几乎相同的无碳珠体。
62.一种香烟，包括一烟丝杆和根据权利要求1-24任意一项所述的一香烟过滤嘴。
全文摘要
一种吸烟物品，比如包含有一个烟丝杆(12)和一个过滤嘴元件(14)的香烟(10)，所述过滤嘴元件具有一个空腔(22)，空腔中填充有球形珠状碳(24)。当烟气主流通过所述过滤嘴元件(14)被抽吸的时候，目标气象烟气成分随着烟气通过所述碳(24)而被排除。在过滤嘴制造期间，球形珠状碳(24)像液体一样流动，并且实质上完全填充进了所述空腔(22)。共同实质上完全填充了所述空腔(22)的球形珠体(24)之间的点对点接触在吸烟过程中产生了最小的流动气象渠道以及气象与所述球形珠体(24)表面之间最大的接触。
文档编号A24D3/16GK1630475SQ03803758
公开日2005年6月22日 申请日期2003年1月9日 优先权日2002年1月9日
发明者约翰·B·佩因三世, 杨祖银, 肯特·B·科勒, 杰伊·A·福涅尔, 小查尔斯·E·托马斯, 蒂莫西·S·舍伍德, 栾兆华, 庄树忠, 乔斯·M·G·内波穆塞诺, 黛安娜·L·吉 申请人:菲利普莫里斯生产公司