KR20230047405A - 셀룰로오스 에스테르의 탈아세틸화를 가속화하기 위한 촉매 도입 방법 - Google Patents

셀룰로오스 에스테르의 탈아세틸화를 가속화하기 위한 촉매 도입 방법 Download PDF

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마이클 콤스
코디 파커
앰버 밀러
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아쎄테이트 인터내셔널 엘엘씨
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Abstract

셀룰로오스 에스테르; 및 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매를 포함하는 분해성 담배 필터를 개시한다. 물에 노출되면 상기 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화할 수 있다. 따라서 본원에 개시되는 필터는 공지된 다른 셀룰로오스 아세테이트 토우 필터보다 더 빠르게 분해된다.

Description

셀룰로오스 에스테르의 탈아세틸화를 가속화하기 위한 촉매 도입 방법
우선권 주장
본원은 2020년 7월 29일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/058,197호의 우선권을 주장하며, 그의 전체 개시내용이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 전반적으로 셀룰로오스 에스테르; 및 염기성 물질, 효소 물질, 또는 염기성 물질과 효소 물질의 조합물을 포함하는 분해성 담배 필터에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 셀룰로오스 에스테르를 포함하는 담배 필터에, 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 혼입시키는 방법에 관한 것이다.
셀룰로오스 에스테르는 성형 물품에도 쓰이고 담배 필터의 셀룰로오스 아세테이트 토우(tow)로서도 쓰이는 등 많은 용도로 널리 사용된다. 셀룰로오스 에스테르, 이를테면 셀룰로오스 아세테이트는 분해되는 것으로 알려진 생체고분자이지만, 분해 속도가 천연 셀룰로오스보다 느리다. 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트의 상당 수의 아세틸기가 제거되어 미생물이 해당 물질을 분해 대상으로 인식할 수 있을 때까지 셀룰로오스 아세테이트가 분해되지 않으므로 담배 필터가 분해되는 데 최대 15년이 걸릴 수 있다. 담배를 피운 후 대개는 필터를 환경에 버리므로 인간이 만든 세계적으로 가장 흔한 형태의 쓰레기물 중 하나가 필터이다. 매년 약 4조 5천억개의 담배 필터가 쓰레기가 되는 것으로 추정하고 있다. 셀룰로오스 아세테이트의 분해 시간과 필터에 함유된 가소제로 인해, 쓰레기는 원하는 것보다 오래 남아 있다. 셀룰로오스 아세테이트를 포함하는 생분해성 필터를 형성하려는 시도들이 있었지만, 개질 및/또는 첨가제로 인해 담배 맛이 바람직하지 않게 변했고, 분해 시간이 충분히 감소되지 않은 등, 다양한 이유로 이들 시도는 성공적이지 않았다. 셀룰로오스 에스테르로 제조된 성형 물품에도 유사한 결점이 있다.
본원에 참조로 포함된 미국특허 제5,084,296호는 셀룰로오스 아세테이트 또는 다른 셀룰로오스 에스테르; 및 (1) 비표면적이 30 m2/g 이상이거나, (2) 1차 입자 크기가 0.001 내지 0.07 ㎛이거나, (3) 비표면적이 30 m2/g 이상이고 1차 입자 크기가 0.001 내지 0.07 ㎛인 아나타제형 산화티탄을 포함하는 조성물을 개시한다. 광분해성 및 분산성을 향상시키기 위해, 산화티탄의 표면을 인산염 또는 다른 인 화합물, 다가 알코올, 아미노산 등으로 처리할 수 있다. 평균 치환도 2.15 이하인 저치환도 셀룰로오스 에스테르를 사용함으로써 높은 생분해성을 보장한다. 상기 조성물은 가소제 및/또는 지방족 폴리에스테르, 생분해 촉진제(예를 들어, 유기 산 또는 이의 에스테르)를 추가로 함유할 수 있다. 분해성 셀룰로오스 에스테르 조성물은 광분해성 및 성형성이 상당히 높아 다양한 물품을 제조하는 데 유용하다.
본원에 참조로 포함된 미국특허 제8,397,733호는 블루밍된(bloomed) 셀룰로오스 아세테이트 토우의 필터 요소 및 상기 필터 요소를 감싸는 플러그 랩, 및 토우에 분산된 정제(pill)를 포함하는 분해성 담배 필터를 개시한다. 정제는 수용성 또는 투수성 물질로 형성된 내부층과 D.S. 범위가 2.0 내지 2.6인 셀룰로오스 아세테이트로 형성된 외부층으로 캡슐화된 셀룰로오스 아세테이트 토우의 가수분해에 촉매 작용을 하도록 구성된 물질을 포함한다.
본원에 참고로 포함된 미국 특허출원 공개 번호 제2009/0151738호는, 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우의 필터 요소, 상기 필터 요소를 감싸는 플러그 랩, 및 토우와 접촉하는 코팅 또는 정제 중 어느 하나를 포함하는 분해성 담배 필터를 개시한다. 상기 코팅 및/또는 정제는 셀룰로오스 아세테이트 토우의 가수분해에 촉매 작용을 하도록 구성된 물질, 및 수용성 기질 물질(water-soluble matrix material)로 구성될 수 있다. 이러한 물질은 산, 산(성)염, 염기 및/또는 산을 생성하도록 구성된 박테리아일 수 있다. 코팅은 토우, 플러그 랩, 또는 둘 모두에 적용될 수 있다. 정제는 필터 요소 내에 배치될 수 있다. 수용성 기질 물질이 물과 접촉하면, 가수분해에 촉매 작용을 하도록 구성된 재료가 방출되어, 셀룰로오스 아세테이트 토우의 가수분해 및 후속하는 분해를 촉진하게 된다. 전술한 내용은 또한 셀룰로오스 에스테르로 제조된 물품들에 적용될 수 있다.
따라서, 담배 필터에 사용되는 셀룰로오스 에스테르의 분해를 돕는 물질의 지속적-제어 방출이 요구된다.
일부 구현예에서, 본 발명은 셀루로오스 아세테이트의 치환도(DS)가 1.3을 초과하는 블루밍된 셀루로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소; 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매; 및 필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩을 포함하는, 분해성 담배 필터에 관한 것으로, 촉매는 필터 요소, 플러그 랩 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 혼입되며, 물에 노출되면 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화한다. 필터 요소는 토우 전체에 분산된 복수의 입자들을 포함할 수 있으며, 상기 입자들에 촉매가 포함될 수 있다. 입자들의 크기는 500 나노미터 내지 800 미크론 범위일 수 있다. 담배 필터의 플러그 랩에 촉매가 포함될 수 있다. 플러그 랩에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 필터 요소는 복수의 섬유들을 포함하며, 이들 섬유에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 섬유는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 필터 요소는 다수의 세그먼트들을 포함하며, 상기 세그먼트들 중 하나 이상에 촉매가 포함된다. 세그먼트화된 필터는 3.5 mm 물/mm 길이 미만의 캡슐화된 압력 강하를 가질 수 있다. 촉매가 포함된 세그먼트 또는 세그먼트들은 중공관, 고리 또는 천공된 디스크 형태일 수 있다. 촉매가 포함된 세그먼트 또는 세그먼트들에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 담배 필터는 필터 요소를 감싸는 하드 쉘을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 하드 쉘에 촉매가 포함된다. 하드 쉘은 면(face)의 직경을 가로질러 두 조각으로 분할되는, 얇은 벽의 직각 원통으로 이루어질 수 있다. 상기 하드 쉘에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 담배 필터의 플러그 랩은 폴리머 필름을 포함할 수 있다. 폴리머 필름은 바인더를 포함할 수 있다. 폴리머 필름에 상기 촉매가 포함될 수 있다. 촉매가 포함된 폴리머 필름에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 염기성 물질은 pH가 7.4 이상, 바람직하게는 7.6 이상일 수 있다. 염기성 물질은 산화칼슘, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 염기성 산화알루미늄 또는 이들의 조합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 촉매는 염기성 물질 및 효소 물질을 포함할 수 있으며, 상기 효소 물질은 에스테라아제, 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물을 포함한다. 효소 물질은 에스테라아제를 포함할 수 있다. 효소 물질은 에스테라아제; 및 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 촉매는 물에 노출되면, 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우를 20일 이내에 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상, 더 바람직하게는 60% 이상 탈아세틸화할 수 있다.
일부 구현예에서, 본 발명은, 에어로졸-형성 기재; 지지 요소; 에어로졸 냉각 요소; 및 마우스피스를 구비한 에어로졸-발생 물품을 포함하는 에어로졸-발생 장치에 관한 것으로, 상기 마우스피스는, 셀루로오스 아세테이트의 치환도(DS)가 1.3을 초과하는 블루밍된 셀루로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소; 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매; 및 필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩을 포함하되, 촉매는 필터 요소, 플러그 랩 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 혼입되며, 물에 노출되면 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화한다.
일부 구현예에서, 본 발명은, 복수의 셀룰로오스 아세테이트 섬유; 및 촉매가 포함된 하나 이상의 섬유를 포함하는, 토우 베일에 관한 것이다. 상기 하나 이상의 섬유는 수용성 섬유로 형성될 수 있다. 상기 하나 이상의 섬유는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 섬유는 복수의 셀룰로오스 아세테이트 섬유들 중 하나의 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 크기에 대해 1:100 내지 100:1 비율의 섬유 크기를 가질 수 있다.
첨부된 비제한적 도면들을 보면서 본 발명을 더 잘 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 분해성 담배 필터를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 분해성 담배 필터를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 분해성 담배 필터를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 구현예에 따른 분해성 담배 필터의 중공관을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 분해성 담배 필터를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 구현예에 따른 분해성 담배 필터의 천공 디스크를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 분해성 담배 필터를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 구현예에 따른 분해성 담배 필터의 하드 쉘을 나타낸다.
I. 서론
본 발명은, 치환도가 1.3을 초과하는 셀룰로오스 아세테이트와 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매가 혼입된 분해성 담배 필터에 관한 것이다. 담배 필터는 적어도 상기 촉매, 상기 셀룰로오스 아세테이트를 포함하는 필터 요소, 및 이러한 필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩을 포함한다. 촉매는 필터 요소, 플러그 랩 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 혼입될 수 있다. 물에 노출되면 촉매는 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화할 수 있다.
본 발명은 또한 다양한 방식으로 촉매가 분산되어 있는 분해성 담배 필터의 여러 구현예에 관한 것이다. 본원에 기재된 촉매 분산 방식의 이점은 특수 제조 장비(예컨대, 특수 필터 로드 제조기 및 삽입 장비)를 사용하지 않아도 촉매를 담배 필터에 혼입시킬 수 있게 한다는 점이다.
10% 이상의 부분 분해에 더하여, 본원에 기재된 분해성 토우, 필터 및 물품의 총 분해 수치는 80% 초과, 예컨대 85% 초과, 90% 초과, 또는 심지어 95%를 초과한다. 이러한 총 분해도는 셀룰로오스 아세테이트 또는 다른 셀룰로오스 에스테르가 셀룰로오스처럼 분해될 수 있음을 의미하므로, 일단 물품이 셀룰로오스로 분해되면 해당 물품을 재활용할 수 있는 가능성을 열어 준다. 총 분해도는 ISO 19679(2016)에 따라 생성된 CO2(mg)을 측정함으로써 구할 수 있다.
셀룰로오스 에스테르 분해의 기본적 기전은 셀룰로오스 에스테르의 치환도("DS")에 따라 정해진다. 셀룰로오스 에스테르의 DS는 치환도를 가리키며, ASTM 871-96 (2010)에 따라 예를 들면 셀룰로오스 아세테이트에서 측정 가능하다. 셀룰로오스 아세테이트의 DS가 1.3을 초과하면, 아세테이트 부분(moiety)의 존재로 인해 셀룰로오스 아세테이트가 천연 발생 효소 또는 박테리아에 의해 분해되지 않는다. 셀룰로오스 아세테이트를 가수분해함으로써, 아세테이트 부분을 하이드록실 부분으로 대체하고 이에 따라 DS를 감소시킨다. 아세틸 부분의 가수분해는 탈아세틸화로도 불린다. 본원에 기재된 분해성 담배 필터의 DS는 통상적으로 1.3을 초과하며, 대개는 2.0 내지 2.6 범위이다. 필터는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소; 상기 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우 중에 분산되어 있거나 상기 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우와 접촉하는 촉매; 및 상기 필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩을 포함한다. 촉매는 염기성 물질, 효소 물질, 또는 이들의 조합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 물에 노출되면 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화할 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 필터는 다른 공지된 셀룰로오스 아세테이트 토우 필터보다 더 빠르게 분해된다.
II. 셀룰로오스 에스테르
본원에 기재된 바와 같이, 본 발명은 셀룰로오스 에스테르(예컨대, 셀룰로오스 아세테이트) 토우 또는 셀룰로오스 아세테이트 토우로부터 형성된 담배 필터에 촉매(즉, 염기성 물질, 효소 물질, 또는 이들의 조합물)를 혼입시키는 것에 관한 것이다. 이러한 염기성 물질, 효소 물질, 또는 이들의 조합물은 셀룰로오스 에스테르와 함께 포함되어, 셀룰로오스 에스테르를 가수분해하고 그의 분해를 돕는다. 본원에 사용된 바와 같이, "셀룰로오스 아세테이트"는 셀룰로오스 디아세테이트를 지칭하지만, 본원에 기재된 촉매 및 방법은, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트-프로피오네이트, 셀룰로오스 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트-부티레이트, 셀룰로오스 프로피오네이트-부티레이트, 셀룰로오스 니트레이트, 셀룰로오스 설페이트, 셀룰로오스 프탈레이트 및 이들의 조합물을 비롯한 다른 종류의 셀룰로오스 에스테르를 위해 사용될 수도 있다.
셀룰로오스 에스테르는 미국특허 제2,740,775호 및 미국 특허출원 공개 번호 제2013/0096297호에 개시된 것을 비롯한 공지된 방법으로 제조될 수 있으며, 이들 문헌의 전체 내용을 본원에 참고로 포함한다. 일반적으로, 셀룰로오스를 적합한 산성 촉매의 존재 하에 아세틸화제와 반응시킨 후 탈에스테르화하여, 아세틸화된 셀룰로오스를 제조한다.
셀룰로오스는 무명 린터, 연재(softwood) 또는 경재(hardwood)을 비롯한 다양한 재료에서 공급받을 수 있다. 연재는 송백류(conifers)의 목재를 지칭하는 데 통상적으로 사용되는 일반 용어(즉, 구과목(order Pinales)의 목에 속하는 침엽수(needle-bearing tree))이다. 연재 생산 나무(softwood-producing tree)의 예로, 소나무, 가문비나무, 삼나무, 전나무, 낙엽송, 미송, 독미나리, 사이프러스, 미국삼나무 및 주목나무가 포함된다. 이와 달리, 경재라는 용어는 활엽수 또는 속씨식물 나무의 목재를 지칭하는 데 통상적으로 사용된다. "연재" 및 "경재"란 용어는 반드시 목재의 실제 경도를 나타내는 것은 아니다. 평균적으로 활엽수는 침엽수보다 밀도와 경도가 높지만 두 그룹 모두 실제 목재 경도에는 상당한 차이가 있으며, 일부 연재 나무는 실제로 경재 나무의 목재보다 더 단단한 목재를 생산할 수 있다. 경재와 연재를 구분하는 한 가지 특징은 기공이나 물관이 경재 나무에는 존재하지만 연재 나무에는 존재하지 않는다는 것이다. 미시적 차원에서 관찰해 보면, 연재는 두 가지 유형의 세포, 즉 세로 목재 섬유(또는 헛물관(tracheid)) 및 가로 방사 세포를 포함한다. 연재의 경우, 나무 속에서의 수분 전달은 헛물관(경재의 경우, 기공)을 통해 이루어진다. 일부 양태에 의하면, 경재 셀룰로오스가 아세틸화에 바람직하다.
아실화제는 카복실산 무수물(또는 단순히 무수물) 및 카복실산 할라이드, 특히 카복실산 클로라이드(또는 단순히 산 클로라이드) 모두를 포함할 수 있다. 적합한 산 염화물의 예로 아세틸 클로라이드, 프로피오닐 클로라이드, 부티릴 클로라이드, 벤조일 클로라이드 및 기타 산 염화물이 포함될 수 있다. 적합한 무수물의 예로 아세트산 무수물, 프로피온산 무수물, 부티르산 무수물, 벤조산 무수물 및 기타 무수물이 포함될 수 있다. 셀룰로오스에 다양한 아실기를 도입하기 위해, 이들 무수물의 혼합물이나 다른 아실화제를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 용도로 일부 구현예에서는 아세트산 프로피온산 무수물, 아세트산 부티르산 무수물 등과 같은 혼합 무수물을 사용할 수도 있다.
대부분의 경우, 셀룰로오스는 아세틸화제에 의해 철저히(exhaustively) 아세틸화되어 이를테면 2.4 내지 3의 높은 치환도(DS) 값을 갖는 셀룰로오스 유도체를 생성하며 일부 경우에는 추가로 하이드록실기가 약간 치환된다(예컨대, 황산에스테르(sulfate ester)). 셀룰로오스가 철저히 아세틸화된다는 것은 셀룰로오스 내의 가능한 한 많은 하이드록실기가 아세틸화 반응을 거치도록 유도하는 완전한 아세틸화 반응을 지칭한다.
셀룰로오스의 아세틸화를 촉진하는 데 적합한 산성 촉매는 대개 황산, 또는 1종 이상의 다른 산과 황산의 혼합물을 함유한다. 황산을 함유하지 않는 다른 산성 촉매도 마찬가지로 아세틸화 반응을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 황산의 경우, 셀룰로오스의 하이드록실기 중 적어도 일부는 아세틸화 반응 중에 황산에스테르로 초기에 관능화될 수 있다. 철저히 아세틸화되면, 셀룰로오스는 일반적으로 탈에스테르화제의 존재 하에, 제어된 부분 가수분해 단계라고도 불리는 제어된 부분 탈에스테르화 단계를 거친다.
본원에 사용된 바와 같이, "탈에스테르화"는 중간체 셀룰로오스 에스테르의 에스테르기들 중 하나 이상이 셀룰로오스 아세테이트로부터 절단된 후 하이드록실기로 대체되어 (제2) DS가 3 미만인 셀룰로오스 아세테이트 생성물을 생성하는 화학 반응을 지칭한다. 본원에 사용된 바와 같이, "탈에스테르화제"는 셀룰로오스 아세테이트의 에스테르기들 중 하나 이상과 반응하여 중간체 셀룰로오스 에스테르 상에 하이드록실기를 형성할 수 있는 화학 제제를 지칭한다. 적합한 탈에스테르화제의 예로, 저분자량 알코올, 이를테면 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 펜탄올, R-OH(화학식에서, R은 C1 내지 C20 알킬기이다), 및 이들의 혼합물이 포함된다. 탈에스테르화제로 물을 사용해도 되고 물과 메탄올의 혼합물을 사용해도 된다. 전형적으로, 이들 황산에스테르 중 대부분은 아세틸 치환량을 감소시키기 위해 이용되는 제어된 부분 가수분해 도중에 절단된다. 이렇게 감소되는 치환도는 0.5 내지 3.0, 예컨대 1.3 내지 3, 1.3 내지 2.9, 1.5 내지 2.9 또는 2 내지 2.6 범위일 수 있다. 본 발명의 목적상, 치환도가 1.3 미만이면 자연 분해가 발생할 수 있으므로 보통은 치환도를 1.3 내지 2.9에 유지한다. 바인더 조성물에 사용되는 1종 이상의 유기 용매를 토대로 치환도를 선택할 수 있다. 예를 들어, 유기 용매로서 아세톤을 사용하는 경우, 치환도는 2.2 내지 2.65 범위일 수 있다.
셀룰로오스 에스테르는 30,000 달톤(Da) 내지 100,000 Da, 예컨대 50,000 Da 내지 80,000 Da 범위의 수평균 분자량과, 1.5 내지 2.5, 예컨대 1.75 내지 2.25 또는 1.8 내지 2.2의 다분산도를 가질 수 있다. 본원에 언급되는 모든 분자량은, 달리 명시되지 않는 한, 수평균 분자량이다. 최종 토우 또는 필터 로드(rod)에 원하는 경도에 따라 분자량을 선택할 수 있다. 분자량이 클수록 경도가 증가하지만, 분자량이 커지면 점도 역시 증가한다. 셀룰로오스 에스테르는 분말 또는 플레이크(박편) 형태로 제공될 수 있다.
일부 양태에서, 분자량이 상이한 셀룰로오스 에스테르 플레이크 또는 분말의 블렌드를 사용할 수 있다. 따라서, 고분자량 셀룰로오스 에스테르, 예컨대 분자량이 60,000 Da를 초과하는 셀룰로오스 에스테르를 저분자량 셀룰로오스 에스테르, 예컨대 분자량이 60,000 Da 미만인 셀룰로오스 에스테르와 배합할 수 있다. 고분자량 셀룰로오스 에스테르 대 저분자량 셀룰로오스 에스테르의 비는 다양할 수 있지만, 일반적으로 1:10 내지 10:1, 예컨대 1:5 내지 5:1, 또는 1:3 내지 3:1 범위일 수 있다. 다양한 셀룰로오스 에스테르의 블렌드를 또한 사용할 수 있으며, 2종, 3종, 4종, 또는 그 이상의 상이한 셀룰로오스 에스테르를 다양한 비로 포함할 수 있다. 일부 양태에서는, 한 종류의 셀룰로오스 에스테르가 다량으로 존재하는 반면에 다른 종류의 셀룰로오스 에스테르는 더 적은 양으로 존재할 수 있다.
III. 셀룰로오스 아세테이트 섬유, 토우 및 토우 베일(tow bale)
셀룰로오스 아세테이트로부터 섬유를 형성하는 많은 방법을 본 발명의 셀룰로오스 아세테이트 섬유를 형성하는 데 이용할 수 있다. 일부 구현예에서, 셀룰로오스 에스테르로부터 섬유를 형성하기 위해, 셀룰로오스 에스테르를 용매에 용해시켜 도프 용액을 형성하는 식으로 도프를 형성한다. 도프 용액은 일반적으로 점성이 매우 높은 용액이다. 도프 용액의 용매는 물, 아세톤, 메틸에틸 케톤, 염화메틸렌, 디옥산, 디메틸 포름아미드, 메탄올, 에탄올, 빙초산, 초임계 이산화탄소, 전술된 폴리머를 용해시킬 수 있는 임의의 적합한 용매 및 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 일부 양태에서, 도프 용액의 용매는 아세톤이거나 또는 아세톤과 최대 5 중량% 물의 조합물이다. 도프에는 안료도 첨가될 수 있다. 도프는 예를 들어 10 내지 40 중량%의 셀룰로오스 아세테이트와 60 내지 90 중량%의 용매로 이루어질 수 있다. 안료를 첨가하는 경우, 안료의 함량은 0.1 내지 5 중량%, 예를 들어 0.1 내지 4 중량%, 0.1 내지 3 중량%, 0.1 내지 2 중량%, 0.5 내지 5 중량%, 0.5 내지 4 중량%, 0.5 내지 3 중량%, 0.5 내지 2 중량%, 1 내지 5 중량%, 1 내지 4 중량%, 1 내지 3 중량% 또는 1 내지 2 중량%일 수 있다. 이어서 도프를 여과 및 탈기 처리한 후, 방사하여 섬유를 형성한다. 도프는 각각 방사구(spinneret)가 구비된 하나 이상의 캐비넷을 포함하는 방사기에서 방사될 수 있다. 방사구에는 용매가 섬유로부터 증발하는 속도에 영향을 미치는 구멍들이 형성되어 있다.
도프에 첨가되는 안료에 대한 특별한 제한은 없으며, 임의의 통상적인 안료를 사용할 수 있다. 흔하게 사용되는 적합한 안료의 예로, 탄산칼슘, 규조토, 산화마그네슘, 산화아연 및 황산바륨이 포함된다.
일반적으로, 토우 밴드 베일의 제조는 도프로부터 섬유를 방사하는 단계, 섬유로부터 토우 밴드를 형성하는 단계, 토우 밴드를 권축가공(crimping)하는 단계 및 권축가공된 토우 밴드를 베일링하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제조 과정 내에, 방사 단계 후 섬유를 가온시키는 단계, 권축가공 전에 섬유 및/또는 토우 밴드에 마감재 또는 첨가제를 도포하는 단계 및 권축가공된 토우 밴드를 컨디셔닝하는 단계가 선택적 단계들로서 포함될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 최소한 이들 단계의 매개변수는 원하는 베일을 제조하는 데 중요하다.
베일은 추가 가공을 위해 필요에 따라 크기와 모양이 다양할 수 있음에 유의해야 한다. 일부 구현예에서, 베일의 치수는 높이가 30 인치(76 cm) 내지 60 인치(152 cm) 범위, 길이가 46 인치(117 cm) 내지 56 인치(142 cm) 범위, 폭이 35 인치(89 cm) 내지 45 인치(114 cm) 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 베일의 중량은 900 파운드(408 kg) 내지 2100 파운드(953 kg) 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 베일의 밀도는 300 kg/m3 (18.8 lb/ft3)를 초과할 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 본 발명은 촉매가 혼입된 하나 이상의 섬유와 셀룰로오스 아세테이트 섬유로부터 형성되는 토우 베일을 포함한다. 상기 촉매가 혼입된 하나 이상의 섬유를 다양한 방식을 통해 토우 베일에 혼입시킬 수 있다. 예를 들어, 권축가공 전에 섬유를 압출한 후, 상기 하나 이상의 섬유를 셀룰로오스 아세테이트 섬유와 함께 토우 밴드에 혼입시킬 수 있다. 본원에 더 설명하겠지만 상기 하나 이상의 섬유는 셀룰로오스 아세테이트 섬유와 유사하거나 동일한, 또는 더 작거나 더 큰, 필라멘트 당 데니어 수치를 가질 수 있다. 상기 하나 이상의 섬유는 촉매가 포함된 셀룰로오스 아세테이트 섬유일 수 있거나, 다른 재료(이를테면, 수용성 섬유)로부터 형성될 수 있다. 상기 하나 이상의 섬유의 예로, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트 또는 이들의 조합물이 포함된다. 상기 하나 이상의 섬유는 단일 섬유로 포함될 수도 있고, 복수의 섬유들일 수도 있다. 상기 하나 이상의 섬유는 토우 밴드의 중심에 있을 수 있거나, 토우 밴드 전체에 불규칙하게 또는 정해진 위치에 분산될 수 있다.
섬유
본 발명에 사용되는 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 구조에 대한 특별한 제한은 없으며, 공지된 다양한 섬유 구조를 사용할 수 있다. 예를 들어, 토우 밴드는 광범위한 필라멘트 당 데니어(dpf) 수치의 섬유를 사용할 수 있다. 일부 구현예에서, 토우 밴드의 섬도는 1 내지 30 dpf, 예컨대 2 내지 28 dpf, 3 내지 25 dpf, 4 내지 22 dpf, 5 내지 30 dpf, 5 내지 28 dpf, 5 내지 25 dpf, 5 내지 22 dpf, 10 내지 30 dpf, 10 내지 28 dpf, 10 내지 25 dpf, 10 내지 22 dpf, 15 내지 30 dpf, 15 내지 28 dpf, 15 내지 25 dpf, 15 내지 22 dpf, 20 내지 30 dpf, 20 내지 28 dpf, 20 내지 25 dpf, 또는 20 내지 22 dpf이다.
본 발명에 사용되는 섬유는 임의의 적합한 단면 형상을 가질 수 있으며, 그 예로 원형, 실질적인 원형, 톱니형, 난형, 실질적인 톱니형, 다각형, 실질적인 다각형, 개 뼈다귀 모양, "Y자형", "X자형", "K자형", "C자형" 다중 로브형 및 이들의 임의의 혼합형이 포함되지만 이에 제한되지 않는다. 본원에 사용된 바와 같이, "다중 로브"란 용어는 한 점(반드시 단면의 중앙에 있을 필요는 없음)에서 2개 이상의 로브가 뻗어 나오는(반드시 일정하게 간격을 맞추거나 일정한 크기일 필요는 없다) 단면 형상을 지칭한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 섬유는 당업자가 주지하고 있는 임의의 방법으로 제조될 수 있다. 전술한 대로, 일부 구현예에 의하면, 방사구를 통해 도프를 방사하는 식으로 섬유를 제조할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "도프"란 용어는 섬유를 제조하는 데 사용되는 셀룰로오스 아세테이트 용액 및/또는 현탁액을 지칭한다. 일부 구현예에서, 도프는 셀룰로오스 아세테이트 및 용매를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 발명과 함께 사용되는 도프는 셀룰로오스 아세테이트, 용매 및 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 도프 내 셀룰로오스 아세테이트의 농도는 10 내지 40 중량%(예컨대, 20 내지 30 중량%, 25 내지 40 중량%, 25 내지 30 중량%) 범위일 수 있고, 용매의 농도는 60 내지 90 중량%(예컨대, 60 내지 80 중량%, 70 내지 80 중량%, 80 내지 90 중량%) 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 도프는 40℃내지 100℃(예컨대, 45℃ 내지 95℃, 50℃ 내지 90℃, 55℃ 내지 85℃, 60℃ 내지 80℃) 범위의 온도까지 가열될 수 있다.
적합한 용매로, 물, 아세톤, 메틸에틸 케톤, 염화메틸렌, 디옥산, 디메틸 포름아미드, 메탄올, 에탄올, 빙초산, 초임계 CO2, 전술된 폴리머를 용해시킬 수 있는 임의의 적합한 용매, 또는 이들의 임의의 조합물이 포함될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 비제한적 예로, 셀룰로오스 아세테이트용 용매는 아세톤/메탄올 혼합물일 수 있다. 일부 구현예에 의하면, 본 발명에서의 매우 높은 dpf 수치를 얻기 위해서는, 일반적인 dpf 수치(예를 들어, 2 내지 8 dpf)를 위한 양에 비해 더 많은 양의 용매를 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 매우 높은 dpf의 토우를 생성하기 위한 용매 양은 일반적인 dpf의 토우를 위한 용매 양에 비해 5 중량% 내지 30 중량% 더 많을 수 있다. 경우에 따라, 추가 용매 양으로 인해 섬유 가공에 문제가 생길 수도 있다.
본 발명의 일부 구현예는 섬유에 표면 관능성을 부여하기 위해 섬유를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 섬유는, 생체분해성 부위(예컨대, 표면적을 증가시켜 생체분해성을 향상시키기 위한 결함 부위), 화학적 핸들부분(예컨대, 후속 관능화를 위한 카복실산기), 활성 입자 결합 부위(예컨대, 금 입자에 결합되는 황화물 부위 또는 산화철 입자에 결합하기 위한 킬레이팅기), 황 부분, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는 표면 관능기를 포함할 수 있다. 당업자라면 표면 관능기를 얻기 위한 다수의 방법 및 기전들을 알고 있을 것이다. 일부 구현예는, 표면 관능기를 얻기 위한 방법으로, 디핑법, 스프레이법, 이온화, 관능화, 산성화, 가수분해, 플라즈마로의 노출법, 이온화된 가스로의 노출법, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 표면 관능기를 부여하는 데 적합한 화학물질은 셀룰로오스 아세테이트와 반응할 수 있는 임의의 화학물질 또는 이러한 화학물질들의 집합일 수 있다. 그 예로, 산(예컨대, 황산, 질산, 아세트산, 불화수소산, 염산 등), 환원제(예컨대, LiAlH4, NaBH4, H2/Pt 등), 그리냐르 시약(예컨대, CH3MgBr 등), 전이에스테르화 시약, 아민(예컨대, CH3NH3과 같은 R-NH3), 또는 이들의 임의의 조합물이 포함되지만 이에 제한되지 않는다. 플라즈마 및/또는 이온화된 가스로의 노출법은 표면과의 반응, 표면에서의 결함 생성, 또는 이들의 임의의 조합을 야기할 수 있다. 상기 결함은 섬유의 표면적을 증가시킬 수 있으며, 이는 최종 필터 생성물에서의 더 높은 로딩 및/또는 더 높은 여과 효율로 이어질 수 있다.
본 발명의 일부 구현예는 섬유에 마감재를 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 적합한 마감재로, 오일(예컨대, 광유 또는 액체 석유 유도체), 물, 첨가제, 또는 이들의 임의의 조합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 적합한 광유의 예로, 38℃(100℉)에서 측정하였을 때 점도가 80 내지 95 SUS(Sabolt Universal Seconds)인 무색(즉, 투명한) 광유가 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 적합한 유화제의 예로, 소르비탄 모노라우레이트, 예컨대 SPAN® 20(Croda(미국 델라웨어주 윌밍턴 소재)로부터 입수가능), 폴리(에틸렌 옥사이드) 소르비탄 모노라우레이트, 예컨대 TWEEN® 20(Croda(미국 델라웨어주 윌밍턴 소재)로부터 입수가능)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 물은 탈염수, 탈이온수, 또는 적절히 여과되고 처리된 물일 수 있다. 윤활제 또는 마감재는 스프레이법 또는 와이핑법(wiping)을 통해 도포될 수 있다. 일반적으로, 섬유가 토우로 형성되기 전에 윤활제 또는 마감재를 섬유에 첨가한다. 본 발명의 일부 구현예에서, 마감재는 미처리 마감재 또는 수중유형 마감재 에멀젼 형태로서 도포될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "미처리 마감재"란 용어는 과량의 물이 첨가되지 않은 마감재 제제를 지칭한다. 마감재 제제가 물을 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일부 구현예에 의하면, 마감재를 미처리 상태로 도포한 후 물을 별도로 적용할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 마감처리된 에멀젼은 물을 98% 미만, 95% 미만, 92% 미만, 또는 85% 미만으로 함유할 수 있다. 일부 구현예에 의하면, 후속 단계들에서, 물로 인한 수분의 중량 퍼센트가 더 낮은(토우 밴드의 5% 내지 25% w/w) 섬유를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 마감처리된 에멀젼의 수분 함량은 전술한 것과 같은 섬유 내 수분 중량 퍼센트를 달성하는 데 도움이 될 수 있는 적어도 하나의 매개변수일 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 마감처리된 에멀젼은 물을 92% 미만, 85% 미만, 또는 75% 미만으로 함유할 수 있다.
토우
본 발명은 바람직하게는 복수의 섬유들로 토우 밴드를 형성하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 토우 밴드의 총 섬도는 10,000 내지 100,000, 예컨대, 15,000 내지 100,000, 20,000 내지 100,000, 25,000 내지 100,000, 30,000 내지 100,000, 10,000 내지 90,000, 15,000 내지 90,000, 20,000 내지 90,000, 25,000 내지 90,000, 30,000 내지 90,000, 10,000 내지 90,000, 15,000 내지 90,000, 20,000 내지 90,000, 25,000 내지 90,000, 30,000 내지 90,000, 10,000 내지 80,000, 15,000 내지 80,000, 20,000 내지 80,000, 25,000 내지 80,000, 30,000 내지 80,000, 10,000 내지 70,000, 15,000 내지 70,000, 20,000 내지 70,000, 25,000 내지 70,000, 30,000 내지 70,000, 10,000 내지 60,000, 15,000 내지 60,000, 20,000 내지 60,000, 25,000 내지 60,000, 또는 30,000 내지 60,000 데니어이다. 상한치 기준으로, 토우 밴드의 총 섬도는 100,000 미만, 예를 들어 90,000 미만, 80,000 미만, 70,000 미만, 또는 60,000 미만 데니어일 수 있다. 하한치 기준으로, 토우 밴드의 총 섬도는 10,000 초과, 예를 들어 15,000 초과, 20,000 초과, 25,000 초과, 또는 30,000 초과 데니어일 수 있다.
일부 구현예에서, 토우의 파단강도는 3.5 kg 내지 25 kg, 예컨대 3.5 kg 내지 22.5 kg, 3.5 kg 내지 20 kg, 3.5 kg 내지 17.5 kg, 3.5 kg 내지 15 kg, 4 kg 내지 25 kg, 4 kg 내지 22.5 kg, 4 kg 내지 20 kg, 4 kg 내지 17.5 kg, 4 kg 내지 15 kg, 4.5 kg 내지 25 kg, 4.5 kg 내지 22.5 kg, 4.5 kg 내지 20 kg, 4.5 kg 내지 17.5 kg, 4.5 kg 내지 15 kg, 5 kg 내지 25 kg, 5 kg 내지 22.5 kg, 5 kg 내지 20 kg, 5 kg 내지 17.5 kg, 또는 5 kg 내지 15 kg일 수 있다. 상한치 기준으로, 토우의 파단강도는 25 kg 미만, 예컨대 22.5 kg 미만, 20 kg 미만, 17.5 kg 미만, 또는 15 kg 미만일 수 있다. 하한치 기준으로, 토우의 파단강도는 3.5 kg 초과, 예컨대 4 kg 초과, 4.5 kg 초과, 또는 5 kg 초과일 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 토우 밴드는 2가지 이상 유형의 섬유로 이루어질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 2가지 이상 유형의 섬유는 dpf, 단면 형상, 조성, 토우 밴드의 형성 전의 처리, 또는 이들의 임의의 조합에 따라 달라질 수 있다. 적합한 추가 섬유의 예로, 탄소 섬유, 활성탄 섬유, 천연 섬유, 합성 섬유, 또는 이들의 임의의 조합이 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일부 구현예는 권축형 토우 밴드를 형성하기 위해 토우 밴드를 권축가공하는 단계를 포함할 수 있다. 토우 밴드의 권축가공은 당업자가 주지하고 있는 임의의 적합한 권축 기법을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 이 기법은 비제한적으로, 스터퍼 박스(stuffer box) 또는 기어를 비롯한, 다양한 장치를 포함할 수 있다. 권축가공 장치들 및 이들의 작동 기전의 비제한적인 예를 미국특허 제7,610,852호 및 제7,585,441호에서 찾아볼 수 있으며, 이들 문헌의 전체 개시 내용이 본원에 참조로 포함된다. 적합한 스터퍼 박스 크림퍼는 매끄러운 크림퍼 닙 롤(crimper nib roll), 나사산 또는 홈이 형성되어 있는 크림퍼 닙 롤, 텍스쳐 가공된 크림퍼 닙 롤, 상부 플랩, 하부 플랩, 또는 이들의 임의의 조합을 구비할 수 있다.
권축 구성은 최종 베일의 가공성에 일조할 수 있다. 권축 구성의 예로, 횡방향, 수직방향(vertical), 횡방향과 수직방향 사이의 어느 방향, 불규칙, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 본원에 사용된 바와 같이, "횡방향"이란 용어는 권축 배향을 설명할 때 토우 밴드 평면 내의 권축 또는 섬유 굽힘을 가리킨다. 본원에 사용된 바와 같이, "수직방향"이란 용어는, 권축 배향을 설명할 때 토우 밴드 평면 밖으로 나가는, 토우 밴드 평면과 직각을 이루는 권축을 가리킨다. 횡방향 및 수직방향이란 용어는 일반 전체 권축 배향을 지칭하는 것으로, 상기 구성에서 ±30°만큼 편차를 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다.
본 발명의 일부 구현예에서, 권축형 토우 밴드는 제1 권축 구성을 갖는 섬유 및 제2 권축 구성을 갖는 섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 권축형 토우 밴드는 가장자리 가까이의 적어도 수직방향 권축 구성을 갖는 섬유, 및 중앙 가까이의 적어도 횡방향 권축 구성을 갖는 섬유를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 권축형 토우 밴드는 가장자리 가까이의 수직 권축 구성을 갖는 섬유, 및 중앙 가까이의 횡방향 권축 구성을 갖는 섬유를 포함할 수 있다.
권축 구성은 후속 가공 단계들에서 최종 베일의 가공성에 중요할 수 있다. 예컨대, 응집력 향상을 위해 추가 단계를 취하지 않는 한, 횡방향 권축 구성이 수직방향 권축 구성보다 더 양호한 섬유 응집력을 제공할 수 있다. 토우 밴드를 실질적으로 횡방향 권축 구성으로 권축하기 위한 방법이 예를 들어 미국 특허출원 공개 번호 제2013/0115452호 및 미국 특허출원 공개 번호 제2015/0128964호에 개시되어 있고, 이들 각각이 본원에 그 전체로 포함된다.
본 발명의 일부 구현예에 의하면, 섬유들을 서로 접착시켜, 최종 베일이 더 양호한 가공성을 갖도록 할 수 있다. 접착용 첨가제는 임의의 권축 구성과 함께 사용될 수 있지만, 접착용 첨가제를 수직방향 권축 구성과 함께 사용하는 것이 유리할 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 접착 단계는 섬유 표면에 및/또는 섬유 내부에 접착용 첨가제를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 접착용 첨가제의 예로, 바인더, 접착제, 수지, 점착제, 또는 이들의 임의의 조합물이 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 본원에 기재된 또는 두 섬유를 함께 접착시킬 수 있는 모든 첨가제(예를 들어, 활성 입자, 활성 화합물, 이온 수지, 제올라이트, 나노입자, 세라믹 입자, 연화제, 가소제, 안료, 염료, 풍미제, 아로마, 제어방출 소낭, 표면개질제, 윤활제, 유화제, 비타민, 과산화물, 살생물제, 항진균제, 항균제, 대전방지제, 난연제, 소포제, 분해제, 전도율 개질제, 안정화제, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다)를 사용할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 본 발명의 일부 구현예는 접착용 첨가제를 도프에 혼입시키거나, 접착용 첨가제를 마감재에 혼입시키거나, (토우 밴드 형성 이전, 이후 및/또는 동안에) 접착용 첨가제를 섬유에 도포하거나, (권축가공 이전, 이후 및/또는 동안에) 접착용 첨가제를 토우 밴드에 도포시키거나, 이들 중 임의의 방식에 의해, 접착용 첨가제를 섬유에(섬유 내부에, 표면에, 또는 둘 다에) 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
최종 베일이 더 양호한 가공성을 갖도록, 섬유를 복수의 접점들에서 접착시키기에 충분한 농도의 접착용 첨가제를 섬유 내부에 및/또는 표면에 혼입시킬 수 있다. 사용할 접착용 첨가제의 농도는 접착용 첨가제의 유형 및 접착용 첨가제가 제공할 접착 강도에 따라 정해질 수 있다. 일부 구현예에 의하면, 접착용 첨가제의 농도는 최종 베일의 토우 밴드의, 하한치 기준으로, 0.01 중량%, 0.05 중량%, 0.1 중량%, 또는 0.25 중량% 내지, 상한치 기준으로, 5 중량%, 2.5 중량%, 1 중량%, 또는 0.5 중량% 범위일 수 있다. 접착 이상의 용도로 사용되는 첨가제의 경우, 최종 베일의 토우 밴드 내 농도가 더 높을 수 있다는(예컨대, 25% 이하) 점에 유의해야 한다.
또한, 본 발명의 일부 구현예는 권축가공 이전, 이후 및/또는 동안에 섬유를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가열 단계는 임의의 권축 구성과 함께 이용될 수 있지만, 상기 가열 단계를 수직방향 권축 구성과 함께 이용하는 것이 유리할 수 있다. 상기 가열 단계는 토우 밴드의 섬유를 스팀, 에어로졸화된 화합물(예컨대, 가소제), 액체, 고온 유체, 직접 열원, 간접 열원, 섬유 내 첨가제(예컨대, 나노입자)로 하여금 열을 발생하게 만드는 조사(광)원, 또는 이들의 임의의 조합에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예는 권축형 토우 밴드를 컨디셔닝하는 단계를 포함할 수 있다. 컨디셔닝 단계를 이용하여, 잔여 아세톤 함량이 0.5% w/w 이하인 권축형 토우 밴드를 얻을 수 있다. 컨디셔닝 단계를 이용하여, 잔여 수분 함량이 8% w/w 이하인 권축형 토우 밴드를 얻을 수 있다. 상기 컨디셔닝 단계는 권축형 토우 밴드의 섬유를 스팀, 에어로졸화된 화합물(예컨대, 가소제), 액체, 고온 유체, 직접 열원, 간접 열원, 섬유 내 첨가제(예컨대, 나노입자)로 하여금 열을 발생하게 만드는 조사(광)원, 또는 이들의 임의의 조합에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
UCE는 섬유의 권축을 푸는 데 필요한 일의 양이다. 후술되겠지만, 베일링 이전에, 즉 건조 이후와 베일링 이전에, UCE 샘플링을 수행한다. 본원에 사용된 UCE는 다음과 같이 측정된다: (기존 보정 단계 20분 전) 예열된 Instron 인장 시험기(Model 1130, 크로스헤드 기어-기어 번호 R1940-1 및 R940-2, Instron Series IX-Version 6 데이터 획득 및 분석 소프트웨어, Instron 50 Kg 최대 용량 로드 셀, Instron 톱 롤러 어셈블리, 1"x4"x1/8" 두께의 고등급 Buna-N 70 쇼어 A 경도계 고무 그립면)를 사용하여, 약 76 cm 길이의 사전 컨디셔닝된 토우 샘플(22℃±2℃, 60%±2%의 상대 습도에서, 24시간 동안 사전 컨디셔닝)을 100 g±2 g(판독 디스플레이 당)을 가볍게 밀어서 사전 신장된 톱 롤러 중앙의 위로 고리 형태로 구부려 톱 롤러의 중앙에 걸쳐 고르게 펼치고, 샘플의 각 단부를 하부 그립에서 (제조사 권고 사항을 넘지 않는 범위 내에서 이용가능한 가장 높은 압력으로) 권축가공하여 50 cm 게이지 길이(로버 그립(robber grip)의 상단으로부터 측정된 게이지 길이)를 얻은 후, 30 cm/분의 크로스헤드 속도로, 파단될 때까지 시험한다. 허용 수준의 시험 3개가 수행될 때까지 본 시험을 반복하고, 이들 시험으로부터의 3개 데이터 포인트들의 평균을 보고한다. 에너지(E) 한계치는 0.220 kg 내지 10.0 kg이다. 변위(D)의 사전설정 포인트(preset point)는 10.0 kg으로 지정한다. 다음과 같은 공식을 통해 UCE를 계산한다: UCE (gcm/cm)=(E*1000)/((D*2)+500). 동일한 시험 및 다음과 같은 식을 이용하여 파단강도를 계산할 수 있다: BS = L(여기서, L은 최대 하중(kg)에서의 하중이다). 본 발명의 특정 구현예에 의하면, UCE 값(gcm/cm)은 190 내지 400 범위, 예컨대 200 내지 300 범위, 예컨대 290일 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에 의하면, 파단강도는 3.5 kg 내지 25 kg 범위, 예컨대 4 kg 내지 20 kg, 4.5 kg 내지 15 kg, 또는 5 kg 내지 12 kg 범위일 수 있다.
로드(rod) 제조 시, 본원에 기재된 촉매를 셀룰로오스 아세테이트 토우에 첨가할 수 있다. 예를 들어, 로드 제조 장치 상에서 이동 중인 토우 밴드에 촉매 입자를 뿌릴 수 있다. 필터 제조 시, 촉매를 담배 필터에 첨가할 수도 있다. 예를 들어, 필터 플러그 랩에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 이들 구현예와 다른 구현예들을 함께 아래에서 더 상세히 설명하기로 한다.
IV. 담배 필터
분해성 담배 필터는 일반적으로 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우로 제조된 필터 요소(또는 필터 플러그), 필터 요소를 감싸는 플러그 랩, 및 촉매를 포함한다. 예시적인 구현예를 도 1에 나타내었다. 필터(10)는 필터 요소(12)를 포함한다. 필터 요소(12)는 필터 요소(12)를 감싸는 플러그 랩(16)과, 토우(14)를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "분해성 담배 필터"는 실외 환경에 노출되는 경우(즉, 비, 이슬 또는 다른 수분 공급원에 노출되는 경우) 분해되는 담배 필터를 의미한다. 본원에 사용되는 촉매는 셀룰로오스 아세테이트 토우의 가수분해에 촉매 작용을 하는 물질, 즉 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함한다. 일부 구현예에서, 촉매는 수용성 기질 물질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에 의하면, 담배 필터 제조 시, 촉매를 필터 요소에 첨가할 수 있다. 일부 구현예에서는, 토우 제조 시, 촉매를 셀룰로오스 아세테이트 토우에 첨가할 수 있다. 일부 양태에서, 담배 필터는 셀룰로오스 아세테이트를 블루밍된 토우 이외의 형태로 함유하는 특별 품목일 수 있다. 본원에 제공된 개시내용은 이러한 필터에도 적용될 수 있으며, 마찬가지로 필터에 촉매가 포함될 수 있다.
필터에 포함된 촉매의 중량, 크기, 양, 그리고 분산 방법은 토우 내 셀룰로오스 아세테이트의 원하는 탈아세틸화율에 따라 정해질 수 있으며, 또한 필터 유형, 예를 들어 마이크로슬림, 슈퍼슬림 및 킹 사이즈에 따라 선택될 수 있다. 따라서, 촉매의 양, 그리고 촉매를 포함시키기 위해 이용되는 방법은 필터 크기의 질량을 기반으로 선택될 수 있다. 중량 기준으로, 촉매 대 토우의 비는 1:50 내지 1:1, 예컨대, 1:25 내지 1:2, 또는 1:10 내지 1:2일 수 있다.
V. 촉매
셀룰로오스 아세테이트의, 구체적으로는 셀룰로오스 아세테이트 토우의 분해를 돕기 위해, 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매를 담배 필터 내부에 분산시킨다. 담배 필터 내부에 촉매를 다양하게 배치할 수 있다. 일부 구현예에서는, 촉매 입자를 토우(즉, Dalmatian 필터) 전체에 분산시킨다. 일부 구현예에서는, 필터 플러그 랩에 촉매를 혼입시킨다. 일부 구현예에서는 필터 플러그 랩에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 일부 구현예에서, 필터 요소는 복수의 세그먼트들을 포함하며, 이들 세그먼트 중 적어도 하나에 촉매를 혼입시킨다. 일부 구현예에서, 필터는 필터 요소를 감싸는 하드 쉘을 포함하도록 구성되며, 상기 하드 쉘에 촉매를 혼입시킨다. 이들 구현예 각각을 아래에서 더 설명하기로 한다.
산성 물질과 비교하여, 염기성 물질 또는 효소 물질을 포함시키는 것의 이점은 아세테이트 부분을 가수분해하는 데 필요한 시간이다. 산이 아세테이트 부분을 가수분해할 수 있긴 하지만, 염기성 물질 또는 효소 물질보다는 느리다. 이러한 상대적으로 더 느린 가수분해는 담배 필터를 주변환경에 버린 경우에 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 필터를 물웅덩이에 버렸거나 심한 폭우가 내렸다면, 셀룰로오스 아세테이트 토우에서 산성 물질이 씻겨 나갈 수 있으므로, 셀룰로오스 아세테이트의 분해에 촉매 작용을 할 산성 물질이 남아 있지 않게 된다. 이와 달리, 염기성 물질은 물에 침지되면 셀룰로오스 아세테이트를 빨리 가수분해하여, 토우에서 염기성 물질이 씻겨 나가기 전에 탈아세틸화가 일어날 수 있게 한다.
염기성 물질 또는 효소 물질을, 구체적으로는 물에 노출되면 물품 내의 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화할 수 있는 물질을, 해당 물품에 포함시킴으로써, 상기 염기성 물질 또는 효소 물질이 분해에 촉매 작용을 하기 전에 씻겨 나갈 가능성을 크게 감소시킨다. 본원에 사용된 바와 같이, "물에 노출되면"은 촉매를 함유한 토우가 실온(예컨대, 22 내지 25℃) 및 표준 압력 하에 물에 완전히 침지되는 것을 지칭한다.
추가로, 산성 물질과 비교하여, 염기성 물질 또는 효소 물질을 포함시키면, 분해된 셀룰로오스 아세테이트 토우 및 그로부터의 모든 폐기물은 산성 물질보다 중성 물질에 더 가깝다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 이는 카보닐기를 양성자화하는 산 촉매와 달리, 염기성 물질의 경우는 실제로 소모되기 때문인 것으로 여겨진다. 일부 양태에서, 염기성 물질의 초기 pH는 7.4를 초과하며, 셀룰로오스 아세테이트 토우는 염기성 물질에 의해 탈아세틸화된 후 pH가 7.4 미만, 예컨대 7.3 미만, 7.2 미만, 또는 7.1 미만이 된다. 셀룰로오스 아세테이트 토우는 염기성 물질에 의해 탈아세틸화된 후 pH가, 하한치 기준으로, 6 이상, 예컨대 6.2 이상, 6.4 이상, 6.6 이상, 또는 6.8 이상이 된다. 일부 양태에서, 염기성 물질의 초기 pH는 7.6을 초과하며, 토우는 염기성 물질에 의해 탈아세틸화된 후 pH가 7.4 미만이 된다. 일부 추가 양태에 의하면, pH는 적어도 2 pH 단위만큼 감소한다. 일부 양태에서, 셀룰로오스 아세테이트 토우의 pH는 탈아세틸화된 후 대략 7이다.
본원에 사용된 바와 같이, "촉매"란 용어는 적어도 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 조성물을 의미한다. 일부 구현예에서, 촉매는 수용성 기질 물질을 추가로 포함할 수 있다.
염기성 물질은 탄산칼슘, 산화칼슘, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 인산나트륨 또는 이들의 조합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 염기성 물질은 탄산마그네슘 및/또는 염기성 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 염기성 물질의 pH는 최소한 7.0 초과, 예컨대, 7.4 이상, 7.5 이상, 7.6 이상, 7.7 이상, 7.8 이상, 7.9 이상, 또는 8.0 이상일 수 있다. 일부 양태에서, 염기성 물질은 강염기, 예컨대 산화칼슘, 수산화칼슘, 또는 이들의 조합물일 수 있다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 촉매에 강염기가 포함되면, 해당 촉매는 아세테이트 부분을 가수분해하고 셀룰로오스 아세테이트 토우 내의 글리코시드 결합을 절단할 수도 있으므로 이중으로 작용하는 것으로 여겨진다.
효소 물질은 에스테라아제, 셀룰라아제, 글루코시다아제, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 에스테라아제는 리파아제다. 어떠한 염기성 물질도 없이 효소 물질을 포함시키고자 할 때 에스테라아제를 사용한다. 염기성 물질에 추가하여 효소 물질을 포함시키는 경우에는 셀룰라아제, 글루코시다아제, 또는 셀룰라아제와 글루코시다아제와 에스테라아제의 조합물을 사용할 수 있다. 일부 양태에서는, 엔도- 및 엑소-셀룰라아제의 조합물과 같은 셀룰라아제의 조합물을 사용할 수 있다.
촉매 내에서의 염기성 및/또는 효소 물질의 활성화를 제어하기 위해 수용성 기질 물질, 예컨대 셀룰로오스 아세테이트 이외의 물질에 기반한 코팅을 촉매에 포함시킬 수 있다. 기질 물질의 수용해도는 25℃에서 0.01 g/100 mL 이상, 예컨대 25℃에서 0.1 g/100 mL 이상, 25℃에서 0.5 g/100 mL 이상, 25℃에서 1.0 g/100 mL 이상일 수 있다. 일부 양태에서, 기질 물질은 젤라틴, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 알코올 또는 이들의 조합물을 포함한다. 추가의 양태에서, 기질 물질은 올리고사카라이드, 모노사카라이드, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 기질 물질은 셀룰로오스 아세테이트를 1 중량% 미만 또는 0.1 중량% 미만으로 함유할 수 있거나, 셀룰로오스 아세테이트를 함유하지 않을 수 있다. 일부 양태에서, 염기성 물질의 수용해도는 기질 물질의 수용해도보다 낮을 수 있으며, 예컨대 적어도 5%, 적어도 10% 또는 적어도 25% 더 낮을 수 있다.
임의의 수용성 기질 물질을 포함하는 경우의 촉매는 염기성 물질을 1 내지 99 중량%, 예컨대 5 내지 99 중량%, 10 내지 90 중량%, 또는 25 내지 75 중량%로 포함할 수 있다. 촉매는 또한 충전재, 풍미제, 감미료, 유화제, 붕해보조제, 습윤제, 완충제 및 이들의 혼합물을 포함하는 다른 성분을 함유할 수 있다. 이러한 기타 성분들은 단독으로 또는 본원에 기재된 염기성 물질 및/또는 효소 물질과의 조합물로서 촉매 중량의 나머지를 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 제제의 여타 성분들은 인공 물질일 수 있거나, 약초 또는 생물학적 공급원에서 얻거나 유래할 수 있다. 본 발명에 따른 하나 이상의 제제에 포함될 수 있는 예시적 유형의 성분으로, 염, 이를테면 염화나트륨, 염화칼륨, 시트르산나트륨, 시트르산칼륨, 아세트산나트륨, 아세트산칼륨; 천연 감미료, 이를테면 과당, 수크로오스, 글루코오스, 말토오스, 바닐린, 에틸 바닐린 글리코사이드, 만노오스, 갈락토오스 및 락토오스; 인공 감미료, 이를테면 수크랄로오스, 사카린, 아스파탐, 아세술팜 K 및 네오탐; 유기- 및 무기- 충전재, 이를테면 곡물, 가공 곡물, 부푼 곡물, 말토덱스트린, 덱스트로오스, 탄산칼슘, 인산칼슘, 옥수수 전분, 락토오스, 당알코올(이를테면, 이소말트, 만니톨, 자일리톨 또는 소르비톨), 미분 셀룰로오스 및 식물성 단백질; 바인더, 이를테면 포비돈, 나트륨 카복시메틸 셀룰로오스 및 바인더의 다른 변성 셀룰로오스 유형, 알긴산나트륨, 잔탄 검, 전분계 바인더, 아라비아 검, 젤란 검 및 레시틴; 겔화제, 이를테면 피시 젤리 pH 조정제 또는 완충제, 이를테면 알칼리성 금속 수산화물, 이를테면 수산화나트륨 및 수산화칼륨을 포함하는 금속 수산화물, 및 다른 알칼리 금속 완충제, 이를테면 탄산칼륨 또는 탄산나트륨을 포함하는 금속 탄산염, 또는 금속 중탄산염, 이를테면 중탄산나트륨; 유화제; 염료 및 안료; 습윤제, 이를테면 글리세린 및 프로필렌 글리콜; 보존제, 이를테면 소르브산칼륨; 시럽, 이를테면 꿀 및 고과당 옥수수 시럽; 붕해보조제, 이를테면 미정질 셀룰로오스, 크로스카르멜로스 나트륨, 크로스포비돈, 나트륨 전분 글리콜레이트 및 전호화 옥수수 전분; 향료 및 향료의 혼합물, 항산화제, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 예시적 유형의 성분은, 예를 들어 본원에 참고로 포함된 미국 특허출원 공개 번호 제2010/0291245호에 기재된 것을 포함할 수 있다.
촉매가 염기성 물질을 함유하지 않는 일부 양태에서, 효소 물질은 셀룰로오스 아세테이트를 탈아세틸화하기 위해 에스테라아제를 포함한다. 촉매가 염기성 물질을 함유하는 양태에서, 촉매는 에스테라아제, 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 에스테라아제는 셀룰로오스 아세테이트를 탈아세틸화하거나 또는 탈아세틸화를 돕기 위해 포함될 수 있는 반면, 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물은, 셀룰로오스 아세테이트의 DS가 1.3 미만인 경우에, 셀룰로오스 아세테이트를 분해하기 위해 포함될 수 있다.
일부 양태에서, 촉매는 셀룰로오스 아세테이트 토우를 20일 이내에 20% 이상, 20일 이내에 30% 이상, 20일 이내에 40% 이상, 20일 이내에 50% 이상, 또는 20일 이내에 60% 이상 탈아세틸화한다. 일부 양태에서, 촉매는 셀룰로오스 아세테이트 토우를 10일 이내에 20% 이상, 10일 이내에 30% 이상, 10일 이내에 40% 이상, 10일 이내에 50% 이상, 10일 이내에 60% 이상, 10일 이내에 80% 이상, 또는 10일 이내에 90% 이상 탈아세틸화한다. 일부 양태에서, 촉매는 셀룰로오스 아세테이트 토우를 30일 이내에 20% 이상, 30일 이내에 40% 이상, 30일 이내에 50% 이상, 30일 이내에 60% 이상, 30일 이내에 70% 이상, 또는 30일 이내에 80%만큼 이상 탈아세틸화한다. 본원에 사용된 바와 같이, 수용액 중의 아세테이트 음이온을 직접 측정하는 전도도 검출기와 함께 이온 크로마토그래피를 이용하여 탈아세틸화를 측정한다.
촉매는 후술되는 바와 같이 다양한 방식으로 필터에 혼입될 수 있다.
입자 분산
일부 양태에 의하면, 필터 요소는 토우 전체에 분산된 복수의 입자들을 포함하며, 이들 입자에 촉매가 포함된다. 일 예로, 촉매가 포함된 입자들을 필터용 토우 로드 성형의 일부인 로드 제조기 상에서 이동 중인 토우 밴드에 뿌릴 수 있다. 예시적인 구현예를 도 1에 나타내었다. 필터(10)는 필터 요소(12)를 포함한다. 필터 요소(12)는, 토우(14), 토우(14)를 감싸는 플러그 랩(16), 및 토우(14) 전체에 분산된 복수의 입자들(18)을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "입자"란 용어는 촉매가 포함된 고체 물질을 지칭한다. 입자의 크기는, 하한치 기준으로, 0.1 나노미터 이상, 0.5 나노미터 이상, 1 나노미터 이상, 10 나노미터 이상, 100 나노미터 이상, 500 나노미터 이상, 1 미크론 이상, 5 미크론 이상, 10 미크론 이상, 50 미크론 이상, 100 미크론 이상, 150 미크론 이상, 200 미크론 이상 또는 250 미크론 이상 범위 중 적어도 한 치수일 수 있다. 활성 입자의 크기는 상한치 기준으로 5000 미크론 미만, 2000 미크론 미만, 1000 미크론 미만, 900 미크론 미만, 700 미크론 미만, 500 미크론 미만, 400 미크론 미만, 300 미크론 미만, 250 미크론 미만, 200 미크론 미만, 150 미크론 미만, 100 미크론 미만, 50 미크론 미만, 10 미크론 미만 또는 500 나노미터 미만 중 적어도 한 치수일 수 있다. 본 발명과 함께 사용하는 데 있어서 이들 하한치와 상한치를 임의로 조합한 범위가 적합할 수 있으며, 최대 크기는 최소 크기보다 크도록 선택된다. 일부 양태에서, 입자 크기는 0.1 나노미터 내지 5000 미크론, 예컨대 0.5 나노미터 내지 2000 미크론, 1 나노미터 내지 1000 미크론, 10 미크론 내지 1000 미크론, 100 미크론 내지 1000 미크론, 또는 200 내지 600 미크론 범위이다. 일부 양태에서, 본원에 기재된 Dalmatian 유형 필터의 입자 크기는 10 미크론 내지 1000 미크론, 100 미크론 내지 1000 미크론, 또는 200 미크론 내지 600 미크론이다. 일부 구현예에 의하면, 본 발명과 함께 사용되는 입자는 전술한 하한치와 상한치를 조합한 범위의 크기를 가질 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에 의하면, 입자의 크기는 다봉형 분포를 나타낼 수 있다.
플러그 랩
일부 양태에서는, 플러그 랩에 촉매가 포함된다. 일부 양태에서는, 플러그 랩에 촉매를 함침시킨다. CaCO3를 CaO로 대체하는 것과 같이 촉매를 일반적인 종이 충전재로 대체할 수 있다. 또 다른 양태에서, 플러그 랩의 종이 충전재는 CaO와 CaCO3의 블렌드를 포함할 수 있다. 촉매가 용해됨에 따라 증가된 다공성에 의해 미생물 접근이 개선됨으로써 분해가 더욱 향상된다. 일부 구현예에서, 플러그 랩에 촉매를 코팅한다. 예를 들어, 토우 로드를 성형할 때와 같이 플러그 랩의 내부 표면에 막을 형성하는 것처럼 촉매를 코팅(접착 또는 도포)할 수 있다. 또 다른 양태에서는, 로드 제조 시 플러그 랩 상으로 촉매를 공급하는 스풀을 사용하여 촉매를 플러그 랩 상에 코팅할 수 있다. 벌집 형태와 같이 연속 코팅으로서 촉매를 플러그 랩의 내부 표면 및/또는 외부 표면에 도포할 수도 있다. 바람직한 일 구현예에 의하면, 내부 표면 상에 (즉, 셀룰로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소와 접촉하도록) 코팅이 자리한다. 일부 구현예에서는, 플러그 랩에 촉매를 함침시키고 촉매를 코팅한다.
일부 양태에서, 플러그 랩은 본원에 참조로 포함된 미국 특허출원 공개 번호 제2018/0310624호에 기재된 것과 같은 폴리머 필름을 포함한다. 일부 구현예에서, 폴리머 필름은 셀룰로오스 아세테이트를 포함한다. 필름에 촉매를 함침 및/또는 코팅할 수 있다. 일부 구현예에서, 셀룰로오스 아세테이트 필름은 수용성 바인더를 추가로 포함한다.
본원에 기재된 셀룰로오스 아세테이트를 필름으로 제조하여 담배 필터의 한 구성요소로서 사용할 수 있다. 일부 구현예에서는, 필름을 플러그 랩으로 사용한다. 셀룰로오스 아세테이트는 용융-가공 온도보다 낮은 분해 온도로 인해 원료 상태에서 가공될 수 없다. 이 문제에 대한 한 가지 해결책은 가소제를 사용하는 것이다. 가소제를 셀룰로오스 아세테이트와 조합하면, 셀룰로오스 아세테이트 폴리머 사슬의 세그먼트 간 상호 작용이 감소하고 셀룰로오스 아세테이트의 유리전이온도, 용융 점도 및 탄성률이 낮아져, 가소화된 셀룰로오스 아세테이트를 용융 가공할 수 있게 된다.
일반적으로, 셀룰로오스 아세테이트 필름 내 셀룰로오스 아세테이트는 필름의 총 중량을 기준으로 55 내지 99.5 중량%, 예컨대 60 내지 95 중량%, 65 내지 90 중량%, 또는 70 내지 85 중량%로 함유된다. 셀룰로오스 아세테이트 필름은 또한 가소제를 포함하며, 가공 보조제 및/또는 이형제를 포함할 수도 있다. 일부 양태에서, 셀룰로오스 아세테이트 필름은 셀룰로오스 아세테이트와 폴리락트산의 블렌드를 포함할 수 있다.
가소제는 필름의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 40 중량%, 예컨대 1 내지 35 중량%, 5 내지 30 중량%, 또는 10 내지 25 중량%로 함유될 수 있다. 가소제의 비율은 셀룰로오스 아세테이트 필름의 성형 방법 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 용매 주조에 비해 용융 압출에 의한 필름 성형에 더 많은 중량비의 가소제가 사용된다. 예컨대 용매 주조의 경우 0.5 내지 25 중량%, 예컨대 1 내지 25 중량%, 5 내지 25 중량%, 또는 10 내지 25 중량%의 가소제가 사용되지만, 용융 압출의 경우에는 예컨대 15 내지 40 중량%, 20 내지 40 중량%, 또는 25 내지 35 중량%의 가소제가 사용된다.
미국 특허출원 공개 번호 제2015/0351311호에 기재된 것을 비롯한, 다양한 가소제가 셀룰로오스 아세테이트를 가소화하는 것으로 알려져 있지만, 식품 등급 가소제가 선호되는데, 이는 전통 담배든 가열식 담배든 간에 수많은 전형적인 가소제들을 담배에 사용하는 것이 명시적으로 금지되어 있기 때문이다. 예를 들어, 프탈레이트 함유 가소제, 인 함유 가소제, 염소화된 가소제가 금지될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "식품 등급"이란 용어는 (직접 또는 간접) 접촉이 승인된 물질을 지칭하며, 미국 약전("USP 등급"), National Formulary("NF 등급") 및/또는 Food Chemicals Codex("FCC 등급")(2017년 4월 30일 기준)의 요건에 대한 해당 물질의 적합성을 토대로 분류될 수 있다. 식품 등급 가소제의 예로, 트리아세틴, 디아세틴, 트리프로피오닌, 트리메틸 시트레이트, 트리에틸 시트레이트, 트리부틸 시트레이트, 유게놀, 신나밀 알코올, 알킬 락톤(예: γ-발레로락톤), 메톡시 하이드록시 아세토페논(아세토바닐론), 바닐린, 에틸바닐린, 폴리에틸렌 글리콜, 2-페녹시에탄올, 글리콜 에테르, 에틸렌 글리콜 에테르, 프로필렌 글리콜 에테르, 폴리소르베이트 계면활성제, 소르비탄 에스테르 계면활성제, 폴리에톡실화된 방향족 탄화수소, 폴리에톡실화된 지방산, 폴리에톡실화된 지방 알코올, 및 이들의 조합물이 포함된다. 추가 구현예에서, 가소제는 트리아세틴이다. 또 다른 양태에서, 가소제는 프탈레이트를 함유하지 않는다("프탈레이트 무함유").
설명한 바와 같이, 필름은 또한 선택적으로 가공 보조제를 포함한다. 포함되는 경우, 가공 보조제는 필름의 총 중량을 기준으로 0.05 내지 10 중량%, 예컨대 0.1 내지 5 중량%, 또는 0.5 내지 2.5 중량%의 양으로 함유될 수 있다. 가공 보조제는 이산화티타늄, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 이산화규소, 탄산칼슘, 규산칼슘, 규산알루미늄, 규산마그네슘, 인산칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 가공 보조제는 실리카이다. 가공 보조제의 평균 입자 크기는 다양할 수 있다. 일부 양태에서, 가공 보조제의 평균 입자 크기는 0.01 내지 50 ㎛, 예컨대 0.02 미크론 내지 40 미크론, 0.05 미크론 내지 30 미크론일 수 있다. 입자 크기는 예를 들어 체(sieve) 분석을 통해 구할 수 있다.
필름 성형 후, 백킹 시트 또는 기재로부터의 필름 이형성을 개선하기 위해 이형제가 또한 포함될 수 있다. 포함되는 경우, 이형제는 필름의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%, 예컨대 0.05 내지 5 중량%, 0.05 내지 1 중량%, 또는 0.05 내지 0.5 중량%로 함유될 수 있다. 일반적으로 필름을 용매 주조한 경우에 이형제가 포함되고 도프에 첨가된다. 일부 구현예에서, 이형제는 지방산, 이를테면 스테아르산이다.
필름의 두께는 14 내지 700 ㎛, 예컨대 14 내지 150 ㎛ 또는 20 내지 75 ㎛일 수 있다. 필름의 두께가 얇아질수록 필름의 열 관리가 향상되고 비용이 절감된다. 다시 말하지만, 특히 폴리락트산 필름에 비해 셀룰로오스 아세테이트 필름이 상대적으로 유연하므로, 셀룰로오스 아세테이트 필름이 얇을 수 있다(예컨대, 50 ㎛ 미만). 필름이 얇을수록 더 많은 가공 보조제를 사용할 수 있다.
필름은, 육안 검사와 표준 20, 60 및 85° 측정으로 알 수 있듯이, 광택이 있거나 무광일 수 있다. 일부 양태에 의하면, 필름은 무광이다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 필름이 무광이면 필름의 표면적이 증가되어 냉각이 개선될 수 있는 것으로 여겨진다. 일부 구현예에 의하면, 필름에 추가 성분이 첨가될 수 있다. 이러한 성분으로 소광제(matting agent)가 포함되지만, 무광 필름을 제공하는 데 이러한 작용제가 필요한 것은 아니다. 일부 양태에서, 무광 표면은 주조 또는 압출 공정에 의해 부여된다. 다른 양태에서는, 엠보싱 롤러가 사용될 수 있다.
셀룰로오스 아세테이트 필름은 용융 압출 또는 용매 주조 등 두 가지 일반적인 방법들 중 하나에 의해 제조될 수 있으며, 이들 각각을 하기에 설명하기로 한다.
a. 용융 압출
용융 압출을 위해, 셀룰로오스 아세테이트, 가소제 및 임의의 선택적 성분(이를테면, 가공 보조제)의 혼합물을 조합한다. 상기 혼합물은 플레이크 또는 분말 형태의 셀룰로오스 아세테이트를 가소제 및 선택적인 가공 보조제와 조합하여 얻을 수 있다. 일부 구현예에 의하면, 혼합 단계 시 스프레이 분산 시스템을 사용하여 가소제 및 선택적인 가공 보조제를 셀룰로오스 아세테이트와 조합할 수 있다. 다른 구현예에서는, 혼합 단계 시 가소제 및 선택적 가공 보조제를 연속적으로 또는 간헐적으로 셀룰로오스 아세테이트에 첨가할 수 있다. 일부 구현예에서 분말 형태의 셀룰로오스 아세테이트가 바람직한 반면에, 다른 구현예에서는 셀룰로오스 아세테이트 플레이크를 사용할 수 있다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 플레이크 형태에 비해 분말 형태는 가소화 및 균일성이 향상된 시트를 생성할 수 있는 것으로 여겨진다.
셀룰로오스 아세테이트, 가소제 및 선택적인 가공 보조제를 포함하는 혼합물을 형성한 후, 이 혼합물을 작은 구멍 다이에서 용융 압출시켜 필라멘트를 형성한 다음 펠릿 제조기로 보내어 펠릿을 형성할 수 있다. 용융 압출은 165 내지 230℃, 예컨대 165 내지 220℃ 또는 165 내지 210℃의 온도에서 수행될 수 있다. 용융 압출기는 동시 회전 나사들을 갖는 트윈 스크류 피더(twin screw feeder)일 수 있고, 100 내지 500 rpm, 예컨대 150 내지 450 rpm, 또는 250 내지 350 rpm의 나사 속도로 작동될 수 있다. 이렇게 펠릿을 압출시켜 필름을 형성할 수 있다. 이어서, 필름을 건조시킬 수 있다. 건조 후에는 크림퍼를 사용하여 필름을 권취가공할 수 있다.
b. 용매 주조
용매 주조에 의한 셀룰로오스 아세테이트 필름 제조 방법에 대해 미국특허 제2,232,012호 및 제3,528,833호에 기재되어 있으며, 이들의 전체 내용이 본원에 참고로 포함된다. 일반적으로, 용매 주조 공정은, 가소제, 가공 보조제, 이형제 및 용매(예컨대, 아세톤)에 용해된 셀룰로오스 아세테이트를 포함하는 도프라고도 하는 혼합물을 주조하는 단계를 포함한다. 본원에 설명되는 필름의 특성은 이러한 혼합물의 성분들 및 각 성분의 양에 의해 결정된다.
셀룰로오스 아세테이트를 용매에 용해시켜 도프를 제조할 수 있다. 일부 구현예에서, 용매는 아세톤이다. 일 구현예에서, 용매는 에틸 락테이트 메틸 에틸 케톤 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된다. 아세톤에 대한 셀룰로오스 아세테이트의 용해도를 높이기 위해 1차 혼합기에 셀룰로오스 아세테이트와 아세톤을 연속적으로 첨가할 수 있다. 그런 후에는 혼합물을 제2 및/또는 제3 혼합기로 보내어 셀룰로오스 아세테이트가 아세톤에 완전히 용해될 수 있도록 한다. 혼합기는 직렬로 사용되는 연속 혼합기일 수 있다. 일부 구현예의 경우에는, 셀룰로오스 아세테이트를 용해시키는 데 하나의 혼합기가 충분할 수 있다는 것이 알려져 있다. 다른 구현예에서는, 2개, 3개 또는 그 이상의 혼합기(예를 들어, 4개의 혼합기, 5개의 혼합기, 또는 6개 이상의 혼합기)를 직렬 또는 병렬로 사용할 수 있다. 또 다른 구현예에 의하면, 어떠한 혼합기도 사용하지 않고, 하나 이상의 블렌더에서 셀룰로오스 아세테이트, 용매 및 기타 첨가제를 조합할 수 있다.
이어서 도프를 주조 밴드 상에 주조하고 건조시켜 용매를 증발시킴으로써 필름을 제조할 수 있다. 이형제가 포함되면 주조 밴드로부터의 필름 이형이 향상된다. 필름은 전술한 바와 같이 건조 및 권취가공될 수 있다.
섬유
일부 양태에서, 필터 요소는, 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우 외에도, 촉매에 함침되었거나 촉매가 코팅된 복수의 섬유들 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 구현예에서, 이러한 섬유의 예로, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물이 포함된다. 일부 양태에서, 필라멘트의 고형물 로딩(loading) 과정을 돕기 위해 수용성 폴리머가 포함될 수 있다. 일 구현예에 의하면, 토우 밴드 형성 시 또는 토우 블루밍 시, 섬유를 셀룰로오스 아세테이트 토우에 첨가할 수 있다. 다른 구현예에서는, 필터 로드 제조 시 섬유를 필터 요소에 첨가될 수 있다. 예시적인 구현예를 도 1에 나타내었다. 필터(10)는 필터 요소(12)를 포함한다. 필터 요소(12)는, 토우(14), 토우(14)를 감싸는 플러그 랩(16), 및 토우(14) 전체에 분산된 복수의 섬유들(20)을 포함한다.
필터 요소는 이러한 촉매가 포함된 섬유를 셀룰로오스 아세테이트 토우와 섬유의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%, 예컨대 0.5 내지 18 중량%, 3 내지 15 중량%, 또는 5 내지 10 중량%로 함유할 수 있다.
필터 요소에 포함될 섬유의 수 및 중량%는 필터 요소의 특성(예컨대, 직경 및 형상) 또는 촉매의 특성(예컨대, 촉매의 유형 및 분해 목표에 필요한 촉매의 양)에 따라 달라질 수 있다. 일부 구현예에서, 필터에 포함될 섬유의 수 및 중량%는 캡슐화된 압력 강하를 3.5 mm 물/mm 길이 이하로, 예컨대 3.0 mm 물/mm 길이 미만, 2.8 mm 물/mm 길이 미만, 2.5 mm 물/mm 길이 미만, 또는 2.2 mm 물/mm 길이 미만으로 유지하는 것에 기반하여 정해진다. 범위 기준으로, 캡슐화된 압력 강하의 범위는 1.0 내지 3.5 mm 물/mm 길이, 예컨대 1.2 내지 3.2 mm 물/mm 길이, 1.5 내지 3 mm 물/mm 길이, 또는 1.8 내지 2.8mm 물/mm 길이일 수 있다. 일부 양태에서, 촉매가 혼입된 필터의 캡슐화된 압력 강하는 촉매가 혼입되지 않은 동일한 필터에 비해 20% 미만(만큼), 예컨대 15% 미만, 10% 미만, 5% 미만, 또는 1% 미만(즉, 실질적으로 변하지 않음)(만큼) 변한다. 섬유의 크기는 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 크기에 비례하여 정해질 수 있다. 예를 들어, 섬유 대 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 크기 비율은 1:100 내지 100:1, 예컨대 1:50 내지 50:1, 1:25 내지 25:1, 1:10 내지 10:1, 1:5 내지 5:1, 1:3 내지 3:1, 또는 대략 1:1일 수 있다. 일부 양태에서, 상기 하나 이상의 섬유는 단일 섬유이다. 다른 양태에서, 상기 하나 이상의 섬유는 토우 전체에 고르게 분포되거나 토우의 특정 영역(이를테면, 중앙)에 모여 있는 복수의 섬유들이다.
세그먼트화된 필터
일부 양태에서, 필터 요소는 다수의 필터 세그먼트들을 포함하며, 이들 세그먼트 중 하나 이상에 촉매가 포함된다. 세그먼트에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 촉매가 포함된 세그먼트는 셀룰로오스 아세테이트 이외의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세그먼트는 전술한 수용성 기질 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매가 포함된 세그먼트는 연기가 통과할 수 있는 형상을 갖는다. 일 구현예에 의하면, 도 3에 예시된 바와 같이, 촉매가 포함된 세그먼트는 중공관이다. 도 3은 필터(10)를 나타낸다. 상기 필터는 다수의 세그먼트들(22)을 포함하는 필터 요소(12)를 구비한다. 한 세그먼트는 토우(14)를 포함하고, 제2 세그먼트는 중공관(24)이다. 플러그 랩(16)은 이러한 다수의 세그먼트들(22)을 둘러싼다. 도 3a는 필터 요소를 절단선(26)을 따라 절단한 경우에 보이는 중공관(24)을 나타낸다. 중공관(24)을 포함하는 필터 세그먼트(22)에 중공 공간(28)이 있어, 연기가 통과할 수 있도록 한다. 일 구현예에 의하면, 촉매가 포함된 세그먼트는 링이다. 일 구현예에 의하면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 촉매가 포함된 세그먼트는 천공된 디스크이다. 도 4는 필터(10)를 나타낸다. 상기 필터는 다수의 세그먼트들(22)을 포함하는 필터 요소(12)를 구비한다. 한 세그먼트는 토우(14)를 포함하고, 제2 세그먼트는 천공된 디스크(30)이다. 플러그 랩(16)은 다수의 세그먼트들(22)을 둘러싼다. 도 4a는 필터 요소를 절단선(32)을 따라 절단한 경우에 보이는 천공된 디스크(30)를 나타낸다. 천공 디스크(30)를 포함하는 필터 세그먼트(22)에 천공들(34)이 있어, 연기가 통과할 수 있도록 한다. 일부 양태에서, 관(24)은 완전히 중공형 구조일 필요는 없지만, 압력 강하에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 충분한 공기 투과성을 허용하는 다공성 구조면 된다.
필터 요소 쉘
일부 양태에서, 필터 요소는 필터 요소를 감싸는 하드 쉘을 추가로 포함하며, 상기 하드 쉘에 촉매가 포함된다. 일부 구현예에서, 하드 쉘은 면(face)의 직경을 가로질러 두 조각으로 분할되는, 얇은 벽의 직각 원통으로 이루어진다. 플러그 랩을 추가하기 전에 필터 요소 주위에 이들 조각을 끼워 넣어, 플러그 랩에 필터 요소와 하드 쉘이 수용될 수 있도록 한다. 일부 구현예에 의하면, 하드 쉘에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행할 수 있다. 쉘은 셀룰로오스 아세테이트 이외의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 쉘은 전술한 수용성 기질 물질을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 도 5에 필터 요소(12)를 포함하는 필터(10)를 예시하였다. 필터 요소(12)는 토우(14), 토우(14)를 감싸는 하드 쉘(36), 및 하드 쉘(36)을 감싸는 플러그 랩(16)을 포함한다. 도 5a는 필터 요소를 절단선(38)을 따라 절단한 경우에 보이는 하드 쉘(36)을 나타낸다. 하드 쉘(36)의 두 조각이 접합선(40)에서 함께 접합된 상태를 나타낸다.
본 발명은 하기의 비제한적 실시예들을 통해 더 잘 이해될 것이다.
실시예
실시예 1
다양한 촉매 물질에 따른 셀룰로오스 아세테이트의 탈아세틸화 속도를 측정하기 위해, DS가 2.5인 셀룰로오스 아세테이트 토우를 제조하여 로드(rod)로 성형하였다. 로드는 또한 8 wt.%의 트리아세틴을 가소제로 함유하였다. 각 로드의 중량은 대략 0.15 g이었다. 이후, 각 로드를 대략 4 mL의 탈이온수에 넣었다. 후술되는 비교 샘플 A를 제외한 모든 샘플에서, 대략 50 mg의 촉매 물질을 물에 첨가하였다. 3일 후와 38일 후에 pH를 측정하였다. 셀룰로오스 아세테이트 토우의 샘플을 제거하고 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용하여 탈아세틸화도(%)를 측정하였다. 그 결과를 아래에 나타내었다.
촉매 물질 1일차 pH 38일차 pH
비교 샘플 A - 6.5 6.0
비교 샘플 A 시트르산 2.0 2.0
샘플 1 산화망간 9.0 6.5
샘플 2 수산화마그네슘 8.0 7.0
1일차 pH 35일차 pH
샘플 3 산화칼슘 11.0 9.0
샘플 4 수산화칼슘 11.0 7.0
1일차 pH 21일차 pH
비교 샘플 C 인산나트륨 10.0 8.0
탈아세틸화도 (%)
4일차 5일차 10일차 12일차 14일차 19일차 31일차 38일차
비교 샘플 A 7.80 8.09 8.27 8.36 8.28 8.84 8.85 9.93
비교 샘플 B 1.52 1.67 2.28 2.63 2.96 3.83 5.36 5.88
샘플 1 11.62 14.41 17.59 19.48 21.54 27.04 47.26 43.02
샘플 2 10.08 10.93 12.60 12.34 13.46 14.65 18.85 20.01
1일차 3일차 7일차 9일차 11일차 16일차 28일차 35일차
샘플 3 83.87 >100 >100 >100 >100 >100 >100 >100
샘플 4 67.79 94.58 >100 >100 >100 73.19 81.34 >100
1일차 3일차 7일차 14일차 21일차
비교 샘플 C 25.05 26.70 29.04 27.21 28.81
본원에 기재된 바와 같이, 자연 분해가 발생하기 위해서는 셀룰로오스 아세테이트의 아세틸 부분이 하이드록실 부분으로 대체되어야 하기 때문에 탈아세틸화율이 중요하다. 상술한 것과 같이, 촉매 물질이 혼입되지 않은 비교 샘플 A에서는 38일 후에 단지 9.93% 탈아세틸화가 이루어졌다. 촉매 물질로서 시트르산이 혼입된 비교 샘플 B는, 놀랍게도 비교 샘플 A보다 더 낮은 탈아세틸화를 나타내었다. 샘플 1과 샘플 2에서는 잘 수행되었으며, 38일차의 비교 샘플 A 및 비교 샘플 B보다 더 높은 탈아세틸화를 4일차에 나타내었다. 샘플 3과 샘플 4에서는 최적으로 수행되었으며, 3일차에 완전한 탈아세틸화 또는 거의 완전한 탈아세틸화에 도달하였다. 샘플 3과 샘플 4의 탈아세틸화가 100%를 초과하는 수치를 가졌으나, 이들 수치는 8 wt.%의 트리아세틴에 의한 것으로 여겨진다.
실시예 2
다양한 물질에 따른, 흡연 후의 담배 필터 내 셀룰로오스 아세테이트의 탈아세틸화율을 측정하기 위해, 필터 로드 중량을 대략 0.24 g으로 하였다는 점을 제외하고, 셀룰로오스 아세테이트 토우 로드를 전술한 바와 같이 제조하였다. 가소제 및 촉매는 실시예 1에서와 동일하였다. 염기성 물질 또한 실시예 1에서와 같았다. 실시예 1에서와 같이 측정하였다. 그 결과를 아래에 나타내었다.
촉매 물질 1일차 pH 21일차 pH
비교 샘플 D - 7.5 6.5
비교 샘플 E 시트르산 4.0 4.0
(15일차)
샘플 5 산화칼슘 11.0 8.0
샘플 6 수산화칼슘 11.0 7.0
샘플 7 산화마그네슘 9.0 7.5
비교 샘플 F 탄산칼슘 7.5 6.5
탈아세틸화도 (%)
1일차 3일차 7일차 14일차 21일차
비교 샘플 D 6.21 7.23 7.66 9.18 9.31
비교 샘플 E 4.3 4.38 4.39
(6일차)		 4.58
(8일차)		 5.90
(15일차)
샘플 5 33.24 77.63 88.44 88.42 92.30
샘플 6 30.09 42.20 43.55 46.72 50.80
샘플 7 7.42 13.66 14.86 26.36 31.36
비교 샘플 F 8.15 9.37 10.21 9.04 7.36
위에 나타낸 결과들과 유사하게, 염기성 물질이 혼입된 경우는 비교 샘플 D, 비교 샘플 E 및 비교 샘플 F에 비해 놀랍고 예상치 못한 탈아세틸화율 개선을 나타내었다.
실시예 3
염기성 물질을 담배 필터에 매립시킨 점을 제외하고 샘플들을 전술한 바와 같이 제조하였다.
탈아세틸화도 (%)
재료 1일차 4일차 7일차 9일차
비교 샘플 G 재료 무첨가,
미흡연		 7.53 8.26 7.53 7.88
샘플 8 산화마그네슘,
미흡연		 11.9 14.82 17.5 19.04
샘플 9 수소화칼슘,
미흡연		 88.32 >100 >100 >100
샘플 10 산화칼슘,
미흡연		 >100 >100 >100 >100
비교 샘플 H 재료 무첨가,
흡연됨		 6.73 8.07 8.00
(6일차)
샘플11 산화마그네슘,
흡연됨		 10.30 9.74 15.79
(6일차)
샘플 12 수소화칼슘,
흡연됨		 26.61 49.04 59.94
(6일차)
샘플 13 산화칼슘,
흡연됨		 32.11 59.71 73.08
(6일차)
실시예 4
총 분해도를 시험하기 위해, 흡연된 담배들을 제공하고, 종이를 제거하였다. 염기성 물질을 필터 내부에 넣은 후 생분해시켰다. 해수 대신 강물을 사용하였다는 점을 제외하고 ISO 19679 (2016)을 따랐다. 그 결과를 도 1에 나타내었다. 염기성 물질이 전혀 포함되지 않은 경우에 비해, 산화칼슘 및 수산화칼슘이 거의 2배의 이산화탄소를 소모하는 것으로 드러났다. 셀룰로오스와 비교하여 이산화탄소 소모율(%)을 직선 기울기에 근거하여 본 결과, 수산화칼슘의 이산화탄소 소모율은 82.39%였고, 산화칼슘의 이산화탄소 소모율은 83.10%였으며, 어떠한 염기성 물질도 첨가되지 않은 대조군의 이산화탄소 소모율은 42.55%였다.
예시
예시 1: 셀루로오스 아세테이트의 치환도(DS)가 1.3을 초과하는 블루밍된 셀루로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소; 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매; 및 필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩을 포함하는, 분해성 담배 필터로서, 촉매는 필터 요소, 플러그 랩 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 혼입되며, 물에 노출되면 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화한다.
예시 2: 예시 1에 따른 필터에 있어서, 필터 요소는 토우 전체에 분산된 복수의 입자들을 포함하며, 상기 입자들에 촉매가 포함된다.
예시 3: 예시 1에 따른 필터에 있어서, 입자들의 크기는 500 나노미터 내지 800 미크론 범위이다.
예시 4: 예시 1에 따른 필터에 있어서, 플러그 랩에 촉매가 포함된다.
예시 5: 예시 4에 따른 필터에 있어서, 플러그 랩에 촉매를 함침시킨다.
예시 6: 예시 4 또는 예시 5에 따른 필터에 있어서, 플러그 랩에 촉매를 코팅한다.
예시 7: 예시 1에 따른 필터에 있어서, 필터 요소에 촉매를 함침시키거나, 촉매를 코팅하거나, 이들을 조합한 방식을 수행한다.
예시 8: 예시 7에 따른 필터에 있어서, 섬유는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
예시 9: 예시 1에 따른 필터에 있어서, 필터 요소는 다수의 세그먼트들을 포함하며, 상기 세그먼트들 중 하나 이상에 촉매가 포함된다.
예시 10: 예시 9에 따른 필터에 있어서, 필터는 3.5 mm 물/mm 길이 미만의 캡슐화된 압력 강하를 갖는다.
예시 11: 예시 9 또는 예시 10에 따른 필터에 있어서, 촉매가 포함된 세그먼트는 중공관 형태이다.
예시 12: 예시 9 또는 예시 10에 따른 필터에 있어서, 촉매가 포함된 세그먼트는 고리 형태이다.
예시 13: 예시 9 또는 예시 10에 따른 필터에 있어서, 촉매가 포함된 세그먼트는 천공된 디스크 형태이다.
예시 14: 예시 9 내지 예시 13 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 촉매가 포함된 세그먼트는 촉매를 함침시킨 세그먼트이다.
예시 15: 예시 9 내지 예시 14 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 촉매가 포함된 세그먼트는 촉매가 코팅된 세그먼트이다.
예시 16: 예시 1에 따른 필터에 있어서, 필터는 필터 요소를 감싸는 하드 쉘을 추가로 포함하며, 상기 하드 쉘에 촉매가 포함된다.
예시 17: 예시 16에 따른 필터에 있어서, 하드 쉘은 면(face)의 직경을 가로질러 두 조각으로 분할되는, 얇은 벽의 직각 원통으로 이루어진다.
예시 18: 예시 16 또는 예시 17에 따른 필터에 있어서, 하드 쉘에 촉매를 함침시킨다.
예시 19: 예시 16 내지 예시 18 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 하드 쉘에 촉매를 코팅한다.
예시 20: 예시 1 내지 예시 19 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 플러그 랩은 폴리머 필름을 포함한다.
예시 21: 예시 20에 따른 필터에 있어서, 폴리머 필름은 바인더를 포함한다.
예시 22: 예시 20 또는 예시 21에 따른 필터에 있어서, 폴리머 필름은 가소제를 포함한다.
예시 23: 예시 20 내지 예시 22 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 폴리머 필름은 촉매를 포함한다.
예시 24: 예시 23에 따른 필터에 있어서, 폴리머 필름에 촉매를 함침시킨다.
예시 25: 예시 23 또는 예시 24에 따른 필터에 있어서, 폴리머 필름에 촉매를 코팅한다.
예시 26: 예시 1 내지 예시 25 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 염기성 물질은 pH가 7.4 이상, 바람직하게는 7.6 이상이다.
예시 27: 예시 1 내지 예시 26 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 염기성 물질은 산화칼슘, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 염기성 산화알루미늄 또는 이들의 조합물 중 하나 이상을 포함한다.
예시 28: 예시 1 내지 예시 27 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 촉매는 염기성 물질 및 효소 물질을 포함하며, 상기 효소 물질은 에스테라아제, 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물을 포함한다.
예시 29: 예시 1 내지 예시 28 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 효소 물질은 에스테라아제를 포함한다.
예시 30: 예시 1 내지 예시 29 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 효소 물질은 에스테라아제; 및 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물 중 하나 이상을 포함한다.
예시 31: 예시 1 내지 예시 30 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 촉매는 물에 노출되면, 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트 토우를 20일 이내에 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상, 더 바람직하게는 60% 이상 탈아세틸화한다.
예시 32: 예시 1 내지 예시 31 중 어느 하나에 따른 필터에 있어서, 하나 이상의 섬유는 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 크기를 기준으로 1:100 내지 100:1의 비율로 함유된다.
예시 33: 에어로졸-형성 기재; 지지 요소; 에어로졸 냉각 요소; 및 마우스피스를 구비한 에어로졸-발생 물품을 포함하는 에어로졸-발생 장치로서, 상기 마우스피스는, 셀루로오스 아세테이트의 치환도(DS)가 1.3을 초과하는 블루밍된 셀루로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소; 염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매; 및 필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩을 포함하되, 촉매는 필터 요소, 플러그 랩 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 혼입되며, 물에 노출되면 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화한다.
예시 34: 복수의 셀룰로오스 아세테이트 섬유; 및 촉매가 포함된 하나 이상의 섬유를 포함하는, 토우 베일.
예시 35: 예시 34에 따른 토우 베일에 있어서, 상기 하나 이상의 섬유는 수용성 섬유로 형성된다.
예시 36: 예시 34 또는 예시 35에 따른 토우 베일에 있어서, 상기 하나 이상의 섬유는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
예시 37: 예시 34 내지 예시 36 중 어느 하나에 따른 토우 베일에 있어서, 상기 하나 이상의 섬유는 복수의 셀룰로오스 아세테이트 섬유들 중 하나의 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 크기에 대해 1:100 내지 100:1 비율의 크기를 갖는다.
본 발명을 상세히 설명하였지만, 당업자에게는 본 발명의 사상 및 범위 내에서의 변형이 확실히 자명할 것이다. 전술된 및/또는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 양태들을 다양한 구현예들 및 다양한 특징들의 일부와 전체적으로 또는 부분적으로 조합하거나 교체할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 다양한 구현예들에 관한 위 설명에서, 당업자라면 인지할 수 있듯이, 전술된 구현예들 중 한 구현예를 그외 다른 구현예들과 적절히 조합할 수 있다. 또한, 당업자는 위 설명이 단지 예시일 뿐, 본 발명을 제한하고자 의도하지 않음을 이해할 것이다. 본원에 인용된 모든 미국 특허문헌과 공개문헌은 그 전체가 참고로 포함된다.

Claims (15)

  1. 셀루로오스 아세테이트의 치환도(DS)가 1.3을 초과하는 블루밍된(bloomed) 셀루로오스 아세테이트 토우를 포함하는 필터 요소;
    염기성 물질, 효소 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 촉매; 및
    필터 요소를 적어도 부분적으로 감싸는 플러그 랩
    을 포함하는 분해성 담배 필터로서,
    촉매는 필터 요소, 플러그 랩 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 혼입되며,
    물에 노출되면 촉매는 블루밍된 셀룰로오스 아세테이트를 20일 이내에 10% 이상 탈아세틸화하는 것인, 분해성 담배 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    필터 요소는 토우 전체에 분산된 복수의 입자들을 포함하며, 상기 복수의 입자들에 촉매가 포함되고, 바람직하게는 상기 복수의 입자들은 입자 크기가 500 나노미터 내지 800 미크론 범위인, 분해성 담배 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    블루밍된 셀룰로오스 아세테이트는 셀룰로오스 아세테이트 섬유; 및 촉매를 함침시켰거나, 촉매로 코팅되었거나, 이들을 조합한 방식이 수행된 하나 이상의 섬유를 포함하는 것인, 분해성 담배 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 섬유는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인, 분해성 담배 필터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 섬유는 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 크기에 기준하여 1:100 내지 100:1 비율로 함유되는 것인, 분해성 담배 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 필터 요소는 다수의 세그먼트들을 포함하며, 상기 세그먼트들 중 하나 이상에 촉매가 포함되고, 바람직하게는 촉매가 포함된 세그먼트는 중공관, 고리 또는 천공된 디스크 형태인, 분해성 담배 필터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 촉매가 포함된 세그먼트는 촉매를 함침시켰고/시켰거나 촉매를 코팅한 세그먼트인, 분해성 담배 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 필터는 필터 요소를 감싸는 하드 쉘을 추가로 포함하며, 상기 하드 쉘에 촉매가 포함되는 것인, 분해성 담배 필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플러그 랩은 폴리머 필름을 포함하는 것인, 분해성 담배 필터.
  10. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 필름은 바인더, 가소제 및/또는 촉매를 포함하는 것인, 분해성 담배 필터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 염기성 물질은 pH가 7.4 이상, 바람직하게는 7.6 이상인, 분해성 담배 필터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 염기성 물질은 산화칼슘, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 염기성 산화알루미늄 또는 이들의 조합물 중 하나 이상을 포함하는 것인, 분해성 담배 필터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 염기성 물질 및 효소 물질을 포함하며, 상기 효소 물질은 에스테라아제, 셀룰라아제, 글루코시다아제 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인, 분해성 담배 필터.
  14. 에어로졸-형성 기재; 지지 요소; 에어로졸 냉각 요소; 및 마우스피스를 구비한 에어로졸-발생 물품
    을 포함하는 에어로졸-발생 장치로서,
    상기 마우스피스는 제1항에 따른 분해성 담배 필터를 포함하는 것인, 에어로졸-발생 장치.
  15. 복수의 셀룰로오스 아세테이트 섬유; 및 촉매가 포함된 하나 이상의 섬유
    를 포함하는 토우 베일로서,
    바람직하게는 상기 하나 이상의 섬유는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리락트산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리하이드록시알카노에이트, 또는 이들의 조합물로 형성되는 것인, 토우 베일.
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