CN105167188A - 可降解的香烟过滤嘴 - Google Patents

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Abstract

可降解的香烟过滤嘴包括散醋酸纤维素丝制的滤芯、环绕滤芯的卷纸和与所述丝相接触的涂层或丸片。涂层和/或丸片可以由适于催化醋酸纤维素丝水解的材料和水溶性基质材料组成。该材料可以是酸、酸式盐、碱和/或适于产生酸的细菌。可以对所述丝、所述卷纸或这两者施加所述涂层。所述丸片可置于滤芯里。当水与水溶性基质材料相接触时，适于催化水解的材料释出并催化醋酸纤维素丝的水解和后续降解。前述内容也适用于由纤维素酯制成的制品。

Description

可降解的香烟过滤嘴
本申请是PCT/US2008/085294进入中国国家阶段后的分案申请，母案的中国国家申请号是200880121072.4，母案的国际申请日2008年12月3日，母案进入中国国家阶段的日期是2010年6月17日，母案的发明名称是《可降解的香烟过滤嘴》。
相关申请
本申请要求早期于2007年12月17日提交的序列号为No.61/014,210的同在申请中的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及可降解的香烟过滤嘴和由纤维素酯聚合物制成的可降解制品。
背景技术
香烟过滤嘴由散醋酸纤维素丝制成。具体地说，该醋酸纤维素丝是取代度(D.S.)在2.0至2.6范围内的二醋酸纤维素。香烟过滤嘴包括由所述丝形成并用卷纸(plugwrap)包裹的滤芯。过后可以使香烟过滤嘴附着于包裹的香烟烟柱。
香烟抽完以后，香烟过滤嘴(或烟头)是要丢弃的。如果随意丢弃烟头的话(例如，扔在地上)，它就成为很不雅观的垃圾块。近年来，越来越多的吸烟者不得不到室外去抽烟。这方面的措施增加了随意丢弃的烟头数量。
用在香烟过滤嘴中的醋酸纤维素会随着时间的推移而降解；然而发生降解的时间可能会是很长的(例如>4年)。因此，有必要加快烟头中的醋酸纤维素的降解。
现有技术中已经试图加速香烟头的降解。这些现有技术试图通过在制造过程中往醋酸纤维素丝里加入降解促进剂以加速降解。在美国专利No.5491024和No.5647383中，在制造过程中往醋酸纤维素丝里加入作为光降解剂的超细二氧化钛(TiO2)。在美国专利No.6571802和No.6739344中，在制造过程中往醋酸纤维素丝里加入生物降解促进(或分解加速)剂和/或反应控制剂。生物降解促进剂包括磷的含氧酸、硫的含氧酸、氮的含氧酸、前述酸的氢盐的偏酯、碳酸及其氢盐、磺酸和羧酸。
仍然还需要获得这样的可降解香烟过滤嘴，其中在制造过程中不用往醋酸纤维素丝里加入降解剂。
发明内容
可降解香烟过滤嘴包括散醋酸纤维素丝制的滤芯、环绕滤芯的卷纸和与所述丝相接触的涂层或丸片。涂层和/或丸片可以由适于催化醋酸纤维素丝水解的材料和水溶性基质材料组成。该材料可以是酸、酸式盐、碱和/或适于产生酸的细菌。可以对所述丝、所述卷纸或这两者施加所述涂层。所述丸片可置于滤芯里。当足够的水与水溶性基质材料相接触时，适于催化水解的材料释出并催化醋酸纤维素丝的水解和后续降解。前述内容也适用于由纤维素酯制成的制品。
附图说明
为例示本发明，附图中显示目前优选的形式；然而，应该理解的是，本发明不局限于所示的确切结构和手段。
图1是根据本发明制成的滤棒的图示。
图1a是图1中所示滤棒沿截线1a-1a所取的截面图。
图2是根据本发明制成的另一滤棒的图示。
图2a是图2中所示滤棒沿截线2a-2a所取的截面图。
图3是例示通过某些酸、酸式盐和碱使醋酸纤维素滤棒从取代度(D.S.)为2.5减小到1所需时间的图形。
图4是例示通过某些酸、酸式盐和碱使醋酸纤维素滤棒从取代度(D.S.)为2.5减小到0所需时间的图形。
对本发明的详细说明
可降解香烟过滤嘴通常包括由散醋酸纤维素丝制成的滤芯(或滤嘴)、环绕滤芯的卷纸和与所述丝相接触的涂层或丸片。涂层和丸片由用于催化醋酸纤维素丝水解的材料和水溶性基质材料制成。可以在醋酸纤维素丝制成以后对所述丝施加涂层(即，不加入到纺丝溶液中)和/或对所述卷纸施加涂层。可以在香烟过滤嘴的制造期间将丸片加入到滤芯中。以下将更详细地对前述内容进行说明。
用在本文中的可降解香烟过滤嘴指的是当暴露于户外环境(即，暴露于雨水、露水或其它水源)时将会分解的香烟过滤嘴。降解度在最低限度上应足以使醋酸纤维素(在香烟过滤嘴中，醋酸纤维素通常具有2.0-2.6的D.S.)转化成纤维素(D.S.≤1.0)，在最大限度上则足以使醋酸纤维素转化成葡萄糖。这种降解的时限小于同等数量未经处理的醋酸纤维素分解所需的时间，通常可以是几个月(例如2-6个月)。
涂层和丸片由适于催化醋酸纤维素丝水解的材料和水溶性基质材料制成。以下将更详细地讨论这些组分中的每一种。
适于催化醋酸纤维素丝水解的材料是能催化醋酸纤维素丝水解的任何材料。用在本文中的催化水解指的是从纤维素主链上脱除醋酸酯部分。理想的是所有的醋酸酯部分被脱除，但这种理想的条件不是降解所必需的，D.S.≤1.0的醋酸纤维素对于降解(例如，被天然的酶和细菌侵蚀)来说就足够了。为了发生醋酸纤维素的水解，通常只有作为要催化水解的材料的醋酸纤维素以及水是必要的。
可以把适于催化水解的材料分成若干类：酸、酸式盐、碱和适于产生酸的细菌。酸的pKa应该＜6。碱的pKb应该＜6。通常单独使用这些种类当中的材料，但组合使用也是可行的。
所述酸包括：醋酸、抗坏血酸、抗坏血酸-2-磷酸盐、抗坏血酸-2-硫酸盐、天冬氨酸(氨基琥珀酸)、肉桂酸、柠檬酸、叶酸、戊二酸、乳酸、苹果酸(L-羟基琥珀酸)、尼古丁酸(烟碱酸)、草酸、琥珀酸、酒石酸、硼酸、盐酸、硝酸、磷酸、硫酸，以及它们的组合。在大多数实施方案中，使用抗坏血酸、柠檬酸、乳酸或者是尼古丁酸。
另外，所述酸可以包括有机弱酸与能水解成强酸的化合物的组合。在这种组合当中，有机弱酸使所述化合物水解而提供强酸，而强酸使所述丝水解(通常水解成糖，例如葡萄糖)。有机弱酸包括：抗坏血酸、柠檬酸、乳酸、尼古丁酸、羟基琥珀酸(苹果酸)，以及它们的组合。能水解成强酸的化合物包括：硫酸纤维素、硫酸十二酯、抗坏血酸-2-硫酸盐、抗坏血酸-2-磷酸盐、五氧化二磷、基于五氧化二磷的酯、硝酸纤维素、磷酸-2-乙基己酯，以及它们的组合。
酸式盐包括这样的金属盐，其中所述金属选自铝、钾、钠或锌，盐的非金属部分选自硝酸根、磷酸二氢根、磷酸氢根、磷酸根、硫酸氢根、硫酸根、以及它们的组合。作为酸式盐还包括明矾(硫酸铝钾)和硫酸铝铵。在大多数实施方案中使用硫酸氢钠(NaHSO4)或者是磷酸二氢钠(NaH2PO4)。
所述碱包括：金属氢氧化物、氧化钙(石灰)、尿素、硼砂、偏硅酸钠、氢氧化铵、碳酸钠、磷酸三钠、次氯酸钠、碳酸氢钠(重碳酸钠)，以及它们的组合。
所述细菌可以是产生酸的细菌，或者可以是直接侵蚀醋酸纤维素并使之降解的细菌。通常必须对产生酸的细菌提供食物源。如此当通过水的溶解作用释出这种细菌时，所述细菌消化食物源，产生弱酸，而弱酸催化醋酸纤维素的水解。产生酸的细菌包括：嗜酸乳杆菌、长双歧杆菌、伍氏醋酸杆菌、醋化醋杆菌(醋细菌)以及它们的组合。这些细菌的食物源是常规的，可以包括基于乳糖、葡萄糖、和/或三放体的材料。直接侵蚀和降解醋酸纤维素的细菌不需要食物源。直接侵蚀和降解醋酸纤维素的细菌包括：苜蓿根瘤菌、木糖氧化产碱菌以及它们的组合。
水溶性基质材料可以是任何这样的材料，其可用于包封(即，容纳适于催化水解的材料)，但在与水接触时会溶解，从而可以对水解产生催化作用。包封的重要性至少有两个原因：首先，包封防止过早的水解，其次，保持产品(滤嘴)的保质期。水溶性基质材料可以是醋酸纤维素(D.S.＝0.8±0.2)、羧甲基纤维素(CMC)、乙基纤维素、羟丙基纤维素(HPC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素、聚乙二醇(PEG)、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、淀粉、糖以及它们的组合。所述糖可以是葡萄糖、蔗糖、乳糖、以及它们的组合。在大多数实施方案中，水溶性基质材料可以是羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、以及它们的组合。
对于滤芯中存在的适于催化水解的材料来说，其量必须足以使醋酸纤维素丝以比等量未经处理的滤芯更快的速率发生降解。例如，在本发明的一个实施方案中，降解所需的时间可以是2-6个月。所述材料的量例如将取决于：滤芯中醋酸纤维素的重量、期望滤芯降解所需的时间、以及适于催化水解的材料的选择(仅举几个例子)。
例如，如果选定了酸，且降解的目标时间是2-6个月，那么在一个实施方案中，酸量范围可以是滤芯中醋酸纤维素的2-200重量％。在另一实施方案中，期望同上述相同的结果，酸量范围可以是醋酸纤维素的5-100％重量。在又一实施方案中，酸量范围可以是醋酸纤维素的10-50重量％。
如果选定了碱，且降解的目标时间是2-6个月，那么碱量范围可以是滤芯中醋酸纤维素的50-500重量％。在另一实施方案中，期望同上述相同的结果，碱量范围可以是醋酸纤维素的80-300％重量。在又一实施方案中，碱量范围可以是醋酸纤维素的100-200重量％。
如果选定了细菌，且降解的目标时间是2-6个月，那么细菌量为10至50亿菌落形成单位，加上所需的食物。
水溶性基质材料的量应足以完全包封适于催化醋酸纤维素水解的材料。完全包封指的是覆盖并隔离所述材料，从而在水溶解掉基质材料以前使之不能催化水解。一般来说，适于催化醋酸纤维素水解的材料与水溶性基质材料的重量比可以在0.75-4.0:1的范围内。在一个实施方案中，所述比例可以是2:1。
使适于催化醋酸纤维素水解的材料和水溶性基质材料的组合体与滤芯的醋酸纤维素相接触，但不是在纺醋酸纤维素丝期间将其加入到醋酸纤维素纺液里。水解催化材料和基质材料的组合体例如可以是醋酸纤维素丝上的涂层、卷纸上的涂层、和/或加入到醋酸纤维素丝当中的丸片。以下将更详细地讨论这些当中的每一种。
可以把水解催化材料和基质材料的组合体涂布到醋酸纤维素丝上。在一个实施方案中，可以在形成滤芯之前把组合体涂布到所述丝上。例如，在常规的卷烟机中，可以在丝通过烟枪之前或通过烟枪之时把组合体的溶液喷涂到散丝上。作为另外的选择，可以在形成滤芯之后把组合体的溶液注射(例如，通过针筒)到所述丝当中。
可以把水解催化材料和基质材料的组合体涂布到卷纸上。在一个实施方案中，可以把这一组合体涂布(或施加)成卷纸内表面上的线条。图1和2例示可供选择的实施方案。在图1中，滤棒10包括许多滤芯12。每一滤芯10包括丝14、环绕丝14的卷纸16、和涂布卷纸16之内表面的组合体的珠18。珠18是连续的，并且与丝14相接触。在图1a中，当沿切线20切开滤芯12时，珠18是看得见的(或暴露的)。在图2中，滤棒10包括许多滤芯12。每一滤芯12包括丝14、环绕丝14的卷纸16和涂布卷纸16之内表面的组合体的珠18'。珠18'是不连续的(或间断的)，并且与丝14相接触。在图2a中，当沿切线20切开滤芯12时，珠18'是看不见的(或不暴露的)。
水解催化材料和基质材料的组合体可以是加入到醋酸纤维素丝当中的丸片。用在本文中的丸片例如可以指：包含水解催化材料和基质材料的组合体的单个丸片(可以封闭或不封闭在明胶胶囊里)，或所述组合体的团粒，或所述组合体的粉末，或所述组合体(例如，单独的或含有常规料片粘结剂的组合体)的料片。可以在形成滤芯之前(或之时)把丸片加入到滤芯的醋酸纤维素当中。例如，在常规的卷烟机中，可以在丝通过烟枪之前或通过烟枪之时把组合体的丸片嵌入到散丝当中。
前述技术虽然是针对由醋酸纤维素丝制成的香烟过滤嘴而开发的，但也可应用于由纤维素酯制成的其它制品。纤维素酯可以包括例如：醋酸纤维素(D.S.为2.0至3.0)、醋酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素等。这种制品可以包括例如咖啡杯盖、滑雪面罩、牙刷、伞和手提包把手、眼镜框、改锥柄、服饰珠宝、吸收体芯(尿片、肉垫)、三醋酸酯膜(LCD电视)、二醋酸酯醋酸酯膜diacetateacetatefilms(焙烤食品的包装膜)等。在前述内容当中，对由纤维素酯制成的制品施加水溶性基质材料与适于催化纤维素酯水解的材料的混合物。
通过以下的非限制性实施例对前述内容进行进一步的说明。
实施例
在湿润之前，可以使适于催化醋酸纤维素水解的材料与醋酸纤维素隔开，而在湿润之后使之从水溶性基质材料中释放出来，为了对此进行说明，制备两溶液。第一溶液包含量为增塑醋酸纤维素滤芯的16重量％的抗坏血酸与羟丙基纤维素(HPC)(1:1重量比)，两者均溶解在水中(水量为抗坏血酸和HPC的100重量％)。除了使用19％的柠檬酸外，第二溶液与第一溶液相同。在卷烟期间把溶液施加成卷纸内表面上的胶线条(连续的珠)。卷烟之后，从醋酸纤维素丝上去掉卷纸，检查所述丝的pH值。两样品中均没有显示出酸已污染所述丝的任何迹象。然后润湿卷纸。5分钟过后，在润湿区域上应用pH试纸(柠檬酸样品)，试纸变色表明酸已释出。在抗坏血酸样品中，棒本身变色(表明抗坏血酸的氧化)。变色表明抗坏血酸已释出。
计时测定经酸、酸式盐及碱(柠檬酸、乳酸、抗坏血酸、硫酸氢钠、氢氧化钠)处理的醋酸纤维素滤芯的水解速率。对每种情况，制备0.1摩尔浓度(0.1M)和1摩尔浓度(1M)的溶液。然后，从180根增塑滤棒上去掉卷纸。把这些棒分成18组，每组10根滤棒。
为了施加所述溶液，把10根棒浸渍到所述溶液(0.1M或1M)当中使棒饱和(大约10秒)。取出棒并使之滴淌10秒钟。然后将棒置于标准kimwipe上进行风干(实验室条件：60％RH，70°F)。用剩余的溶液/棒继续进行处理。应该指出的是，这一操作采取两种温度(22和30摄氏度)。因此，每一溶液处理20根棒。一经干燥，把棒置于广口瓶中密封。Fisher保温烘箱用于30℃的样品。隔1周时，从所有样品中取出滤棒并测试乙酰值(％醋酸)。采用高效液相色谱法用光散射检测器测定乙酰值。(参见：T.R.Floyd,ChemicalCharacterizationofCelluloseAcetatebyNon-ExclusionLiquidChromatography,JournalofChromatography,629(1993)pp.243-254)。对收集的数据进行回归处理，确定乙酰基损失/时间(水解速率或斜率)。现在可以确定把醋酸纤维素从取代度(D.S.)为2.5水解到D.S.为1或D.S.为0所需的时间。此结果汇总于图3和4。应当指出的是，氢氧化钠速率的测定是以小时而不是以年计。很明显，这些试验单元的干燥不像所测试的酸。通过滴定到酚酞终点测定乙酰值。
在不偏离本发明实质和基本属性的情况下，本发明可以有其它的具体实施形式，因此，应该参照所附的权利要求而非前述说明书来指示本发明的范围。

Claims (11)

1.一种可降解的香烟过滤嘴，其中，所述香烟过滤嘴包括散醋酸纤维素丝制的滤芯、取代度在2.0至2.6范围内的醋酸纤维素、和环绕所述滤芯的卷纸，所述香烟过滤嘴包括：
涂层，其由水溶性基质材料与适于催化所述醋酸纤维素丝水解的材料的混合物组成，适于催化所述醋酸纤维素丝水解的所述材料选自：酸、酸式盐或它们的组合，所述混合物具有适于催化所述醋酸纤维素水解的所述材料与所述水溶性基质材料的重量比，该重量比在0.75-4.0:1的范围内，所述涂层在所述丝制造完成之后被施加于所述卷纸，
由此水溶解所述基质材料，使适于催化水解的所述材料接触到所述丝，并且适于催化水解的所述材料使所述丝降解。
2.根据权利要求1所述的可降解香烟过滤嘴，其中，适于催化水解所述醋酸纤维素丝的所述材料包括pKa＜6的材料。
3.根据权利要求1所述的可降解香烟过滤嘴，其中，所述酸选自：醋酸、抗坏血酸、抗坏血酸-2-磷酸盐、抗坏血酸-2-硫酸盐、天冬氨酸(氨基琥珀酸)、肉桂酸、柠檬酸、叶酸、戊二酸、乳酸、苹果酸(L-羟基琥珀酸)、尼古丁酸(烟碱酸)、草酸、琥珀酸、酒石酸、硼酸、盐酸、硝酸、磷酸、硫酸，以及它们的组合。
4.根据权利要求1所述的可降解香烟过滤嘴，其中，所述酸为有机弱酸与能水解成强酸的组分的组合。
5.根据权利要求4所述的可降解香烟过滤嘴，其中，所述有机弱酸选自：抗坏血酸、柠檬酸、乳酸、尼古丁酸、羟基琥珀酸(苹果酸)，以及它们的组合。
6.根据权利要求4所述的可降解香烟过滤嘴，其中，能水解成强酸的所述化合物选自：硫酸纤维素、硫酸十二酯、抗坏血酸-2-硫酸盐、抗坏血酸-2-磷酸盐、五氧化二磷、基于五氧化二磷的酯、硝酸纤维素、磷酸-2-乙基己酯，以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的可降解香烟过滤嘴，其中，所述酸式盐为金属盐，其中，所述金属选自铝、钾、钠或锌，该盐的非金属部分选自硝酸根、磷酸二氢根、磷酸氢根、磷酸根、硫酸氢根、硫酸根、以及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的可降解香烟过滤嘴，其中，所述水溶性基质材料选自：醋酸纤维素(D.S.＝0.8±0.2)、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙二醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、淀粉、糖，以及它们的组合。
9.根据权利要求8所述的可降解香烟过滤嘴，其中，所述糖选自：葡萄糖、蔗糖、乳糖，以及它们的组合。
10.根据权利要求1所述的可降解香烟过滤嘴，其中，适于催化水解所述醋酸纤维素丝的所述材料是所述酸，而且所述酸量为所述醋酸纤维素丝的2-200重量％。
11.一种可降解的香烟过滤嘴，其中，所述香烟过滤嘴包括散醋酸纤维素丝制的滤芯和环绕所述滤芯的卷纸，所述香烟过滤嘴包括：由水溶性基质材料与适于催化水解所述醋酸纤维素丝的材料的混合物组成的涂层，适于催化水解所述醋酸纤维素丝的所述材料选自：酸、酸式盐或它们的组合，所述涂层在所述丝制造完成之后被施加于所述卷纸，由此水溶解所述基质材料，使适于催化水解的所述材料暴露于所述丝，并且适于催化水解的所述材料使所述丝降解。
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