形成用于煙霧過濾器的多孔物質(zhì)的設備、系統(tǒng)和相關方法
【專利說明】形成用于煙霧過濾器的多孔物質(zhì)的設備、系統(tǒng)和相關方法
【背景技術】
[0001] 本文所述的示例性實施方案涉及用于制造可用于煙霧過濾器中的多孔物質(zhì)的設 備、系統(tǒng)和相關方法，包括其高生產(chǎn)率生產(chǎn)實施方案。
[0002] 疾病控制與防治中心報道在2012年，僅美國境內(nèi)就銷售了超過3000億香煙和超 過130億雪茄。因此，全世界對香煙和雪茄的需求仍持續(xù)存在。
[0003] 逐漸地，政府管制潛在地可能要求從煙草煙霧中去除有害組分的更高過濾效力。 在目前的醋酸纖維素情況下，可通過用濃度增加的顆粒（如活性碳）來摻雜，實現(xiàn)更高的過 濾效力。然而，增加的顆粒濃度改變對吸煙者而言的抽吸特性。
[0004] 抽吸特性的一個量度為封裝壓降。如本文所用，術語"封裝壓降"或"EPD"指的 是：當在輸出端的體積流量為17. 5ml/秒時，試樣在穩(wěn)定條件下被氣流橫穿時，并且當該試 樣被完全封裝在測量裝置中以使得無空氣可穿過該包裹料時，所述試樣兩端之間的靜態(tài)壓 力差。本文已根據(jù) CORESTA (''Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco")推薦的方法No. 41 (2007年6月）測量了 EPD。EH)值越高說明吸煙者抽吸吸 煙裝置所需的力越大。
[0005] 因為過濾器效力的增加改變過濾器的EPD，所以公眾以及制造商必須慢慢采用顯 著不同的技術。因此，盡管不斷在研宄，但在研發(fā)最小影響抽吸特性并同時去除主流煙草煙 霧中較高水平的某些成分的改進且更有效的組合物方面仍存在興趣。此外，這種方案應該 具有滿足吸煙商業(yè)需求所需的大批量生產(chǎn)方法。
【附圖說明】
[0006] 包括以下附圖以說明本發(fā)明的某些方面，并且不應視為排它性實施方案。如本領 域的技術人員將想到并且具有本公開的有益效果的，所公開主題在形式和功能上能夠有相 當?shù)男薷?、改變和等同形式?br>[0007] 圖IA-B示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限 制性實例（未必按比例繪制）。
[0008] 圖2A-B示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限 制性實例（未必按比例繪制）。
[0009] 圖3示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0010] 圖4示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0011] 圖5示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0012] 圖6A示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0013] 圖6B示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0014] 圖7A示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0015] 圖7B示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0016] 圖8示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0017] 圖9示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0018] 圖10示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0019] 圖11示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0020] 圖12示出根據(jù)本文所述至少一個實施方案的用于形成多孔物質(zhì)的系統(tǒng)的非限制 性實例（未必按比例繪制）。
[0021] 圖13示出根據(jù)本文所述至少一些實施方案的產(chǎn)生組合過濾器棒的方法的示意 圖。
[0022] 圖14示出涉及根據(jù)本文所述至少一些實施方案的本文所述用于形成過濾器的至 少一些方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 本文所述的示例性實施方案涉及用于制造可用于煙霧過濾器中的多孔物質(zhì)的設 備、系統(tǒng)和相關方法，包括其高生產(chǎn)率生產(chǎn)實施方案。
[0024] 本文所述的示例性實施方案提供用于多孔物質(zhì)的高生產(chǎn)率生產(chǎn)的方法和設備 (和/或系統(tǒng)），所述多孔物質(zhì)可用于吸煙裝置過濾器，該吸煙裝置過濾器具有增加的對煙 霧流組分的過濾效力和可接受的抽吸特性。
[0025] 多孔物質(zhì)（2011年10月14日提交的共同待審PCT申請?zhí)朠CT/US11/56388中所 述，其整個公開內(nèi)容以引用方式并入本文）一般包含大量粘結劑顆粒（例如聚乙烯）和機 械性粘結在大量接觸點處的大量活性顆粒（例如碳顆?；蚍惺?。所述接觸點可以是活性 顆粒-粘結劑接觸點，粘結劑-粘結劑接觸點，活性顆粒-活性顆粒接觸點以及它們的組 合。如本文所用，術語〃機械性粘結"、〃機械性粘結的"、〃物理粘結〃等等是指保持兩個 顆粒至少部分地在一起的物理連接。機械性粘結一般是燒結的結果。由此，當本文所述時， 機械性粘結涵蓋其中大量粘合劑顆粒和大量活性顆粒在多個燒結接觸點處機械性粘結的 實施方案。取決于粘結材料，機械性粘結件可以是剛性或柔性的。機械性粘結可能或可能 不涉及化學粘結。應理解，本文所用，術語〃顆?！ê汀w粒狀〃可以可交換地使用，并且 包括材料的所有已知形狀，包括球形和/或卵形、基本上球形和/或卵形、盤狀和/或板狀、 片狀、帶狀、針狀、纖維狀、多邊形（例如立方體狀）、隨機形（例如碎石狀）、多面狀（例如 晶體狀）、或它們的任何混合型。多孔物質(zhì)的另外的非限制性實例在全部于2012年7月7 日提交的共同待審申請 PCT/US2011/043264、PCT/US2011/043268、PCT/US2011/043269 和 PCT/US2011/043271中有詳細描述，其整個公開內(nèi)容以引用方式包括于本文中。
[0026] 多孔物質(zhì)可通過各種方法來產(chǎn)生。例如，一些實施方案可以涉及：（例如用模具） 將基體材料（例如活性顆粒和粘結劑顆粒）形成所需形狀，加熱所述基體材料以機械地將 基體材料粘結）在一起，和精加工所述多孔物質(zhì)（例如將多孔物質(zhì)切割成所需長度）。多 孔物質(zhì)的生產(chǎn)涉及的各種方法/步驟為將基體材料形成所需形狀并同時維持均勻分散，并 且加熱可以是限制高生產(chǎn)率制造的步驟中的兩個。因此，采用氣動致密相進料的方法可以 涉及用于本文所述多孔物質(zhì)的高生產(chǎn)率制造的優(yōu)選方法（例如，線性流速為約lm/min至約 800m/min或約300m/min至約800m/min)。此外，采用任選地用預熱步驟（例如間接加熱或 直接接觸加熱氣體）來快速加熱（例如，用微波并且任選地將微波增強添加劑包括在基體 材料中）的方法可以包括于用于本文所述多孔物質(zhì)的高生產(chǎn)率制造的一些優(yōu)選方法。此 外，在另外的優(yōu)選高生產(chǎn)率制造實施方案中，當該方法的快速加熱部分設計成燒結或機械 性粘結基體材料的一部分（例如外部部分）時，可使用二級燒結或加熱來進行品質(zhì)控制或 完成燒結。
[0027] 本文所用，術語"吸煙裝置"是指包括但不限于以下的制品或裝置：香煙、煙斗、雪 茄、雪茄煙斗、煙管、水煙管、水煙壺、電子吸煙裝置、手工卷制煙、和/或雪茄。
[0028] 應當指出的是，當本文中提供"約"來提及數(shù)字列表中的數(shù)字時，術語"約"修飾 數(shù)字列表中的每個數(shù)字。應當指出的是，在一些范圍的數(shù)字列表中，所列的一些下限可能大 于所列的一些上限。本領域技術人員將認識到，所選子集將需要選擇超過所選下限的上限。
[0029] 1.用于形成多孔物質(zhì)的方法和設備
[0030] 形成多孔物質(zhì)的方法可以包括連續(xù)加工方法，間歇加工方法，或混合型連續(xù)-間 歇加工方法。如本文所用，"連續(xù)加工〃是指無中斷地制造或產(chǎn)生材料。材料流可以為連續(xù) 的、編索引的（indexed)、或兩者的組合。如本文所用，〃間歇加工"是指在個體工位作為單 個組分或組分組來制造或產(chǎn)生材料，然后使單個組分或組進行到下一工位。如本文所用，〃 連續(xù)-間歇加工〃是指這兩者的混合型，其中一些工藝、或系列工藝連續(xù)進行，而另外那些 間歇進行。
[0031] 一般而言，多孔物質(zhì)可由基體材料形成。如本文所用，術語〃基體材料〃是指前體， 例如，用于形成多孔物質(zhì)的粘結劑顆粒和活性顆粒。在一些實施方案中，基體材料可包含粘 結劑顆粒和活性顆粒，由粘結劑顆粒和活性顆粒組成，或基本上由粘結劑顆粒和活性顆粒 組成。在一些實施方案中，基體材料可包含粘結劑顆粒、活性顆粒和添加劑。本發(fā)明中提供 合適的粘結劑顆粒、活性顆粒和添加劑的非限制性實例。
[0032] 形成多孔物質(zhì)一般可以包括使基體材料形成所需形狀（例如適用于作為吸煙裝 置過濾器并入水過濾器、空氣過濾器、等等中）并且使基體材料的至少一部分機械性粘結 (例如燒結）在大量接觸點處。
[0033] 使基體材料形成形狀可以涉及模腔。在一些實施方案中，模腔可以為單個件或單 個件的集合，具有或不具有端帽、平板、或塞子。在一些實施方案中，模腔可以為多個模腔部 件，其在組裝形時成模腔。在一些實施方案中，模腔部件可借助于傳送裝置、帶等等來結合 在一起。在一些實施方案中，模腔部件可以沿材料路徑為靜止的，并且被構造為允許傳送裝 置、帶等等從中通過，其中模腔可徑向地伸展和收縮以向基體材料提供所需水平的壓縮。
[0034] 模腔可以具有任何橫截面形狀，包括但不限于圓形、基本上圓形、卵形、基本上卵 形、多邊形（如三角形、方形、矩形、五邊形等等）、帶圓邊的多邊形、環(huán)形等等，或它們的任 何混合型。在一些實施方案中，多孔物質(zhì)可具有包含孔的橫截面形狀，這可以通過使用一種 或多種模頭，通過機加工，通過適當?shù)爻尚偷哪Ｇ唬蛉魏纹渌线m方法（例如可降解材料 的降解）來實現(xiàn)。在一些實施方案中，多孔物質(zhì)可具有特定形狀以用于煙斗或適于裝配在 該煙斗內(nèi)的煙管或允許煙霧通過過濾器到達消費者的煙管。當本文關于傳統(tǒng)吸煙裝置過濾 器，討論多孔物質(zhì)的形狀時，所述形狀可以是就圓柱體的橫截面的直徑或周長而言（其中 周長為圓圈的一周）。但在其中本文所述多孔物質(zhì)呈除真圓柱體之外的形狀的實施方案中， 應當理解術語"周長"用于指任何形狀（包括圓形橫截面）的橫截面的一周。
[0035] 一般而言，模腔可具有縱向和垂直于縱向的徑向，例如基本上為圓柱形。本領域技 術人員應該理解，在適用情況下如何將本文所示實施方案轉(zhuǎn)化成不具有所定義的縱向和徑 向（例如球體和立方體）的模腔。在一些實施方案中，模腔可具有沿縱向改變的橫截面形 狀，例如錐形形狀，從方形至圓形過渡的形狀，或螺旋形。在采用片狀模腔（例如通過兩個 板之間的開口形成）的一些實施方案中，縱向會是加工方向或基體材料流動方向。在一些 實施方案中，模腔可為卷起或成型成所需橫截面形狀（例如圓柱體）的紙。在一些實施方 案中，模腔可以為縱向接縫處膠合的紙的圓柱體。
[0036] 在一些實施方案中，模腔可具有縱軸，并且沿所述縱軸具有作為第一端和第二端 的開口。在一些實施方案中，基體材料可在加工期間沿模腔的縱軸通過。通過非限制性實 例，圖1示出具有沿材料路徑110的縱軸的模腔120。
[0037] 在一些實施方案中，模腔可具有縱軸，并且沿所述縱軸具有第一端和第二端，其中 至少一端封閉。在一些實施方案中，所述封閉端可以能夠打開。
[0038] 在一些實施方案中，在機械性粘結之前，個體模腔可用基體材料填充。在一些實施 方案中，單個模腔可以用于通過在機械粘結之前和/或期間使基體材料從中連續(xù)通過，連 續(xù)產(chǎn)生多孔物質(zhì)。在一些實施方案中，單個模腔可用于產(chǎn)生個體多孔物質(zhì)。在一些實施方 案中，所述單個模腔可再使用和/或連續(xù)再用于產(chǎn)生數(shù)種個體多孔物質(zhì)。
[0039] 在一些實施方案中，模腔可至少部分地用包裹物內(nèi)襯和/或用剝離劑涂布。在一 些實施方案中，包裹物可為個體包裹物，例如紙張。在一些實施方案中，包裹物可以為可纏 繞長度的包裹物，例如50英尺的紙卷。
[0040] 在一些實施方案中，模腔可以用不止一種包裹物內(nèi)襯。在一些實施方案中，形成多 孔物質(zhì)可包括用（一個或多個）包裹物內(nèi)襯（一個或多個）模腔。在一些實施方案中，形 成多孔物質(zhì)可包括用包裹物包裹該基體材料，以使得包裹物有效地形成模腔。在這種實施 方案中，包裹物可預成形為模腔，在基體材料存在下形成模腔，或圍繞呈預成形形狀的基體 材料包裹（例如借助于增粘劑）。在一些實施方案中，包裹物可通過模腔連續(xù)進料。包裹物 可以能夠保持多孔物質(zhì)的形狀，能夠從模腔中使多孔物質(zhì)剝離，能夠輔助使基體材料通過 模腔，能夠在處理或裝運期間保護多孔物質(zhì)，以及它們的任何組合。
[0041] 合適的包裹物可包括但不限于紙（例如基于木材的紙，含有亞麻的紙，亞麻紙，由 其他天然或合成纖維生產(chǎn)的紙，功能化紙，特殊標記紙，彩色紙），塑料（例如氟化聚合物， 如聚四氟乙烯，硅酮），膜，涂覆紙，涂覆塑料，涂覆膜等等，以及其任何組合。在一些實施方 案中，包裹物可為適用于吸煙裝置過濾器的紙。
[0042] 在一些實施方案中，包裹物可粘附（例如膠合）至其自身以輔助維持所需形狀 (例如基本上圓柱形的構造）。在一些實施方案中，基體材料的機械性粘結也可將基體材料 機械地粘結（或燒結）至包裹物，這可緩解包裹物粘附至其自身的需要。
[0043] 合適的剝離劑可為化學剝離劑或物理剝離劑?；瘜W剝離劑的非限制性實例可以包 括油，油基溶液和/或懸浮液，肥皂溶液和/或懸浮液，粘結到模具表面的涂層等等，以及它 們的任何組合。物理剝離劑的非限制性實例可以包括紙、塑料和它們的任何組合。物理剝 離劑（可以稱為剝離包裹物）可類似于本文所述包裹物那樣來實施。
[0044] 一旦用模腔形成所需橫截面形狀，則基體材料可以機械地粘結在大量接觸點處。 可以在基體材料處于模腔內(nèi)期間和/或之后，進行機械性粘結?？梢杂脽岷?或壓力而不 用粘合劑來實現(xiàn)機械性粘結（即，形成燒結接觸點）。在某些情況下，可以任選地包括粘合 劑。
[0045] 加熱可以為輻射熱、傳導熱、對流熱和它們的任何組合。加熱可以涉及的熱源包括 但不限于：模腔內(nèi)部的加熱的流體、模腔外部的加熱的流體、蒸汽、加熱的惰性氣體、來自多 孔物質(zhì)（例如納米顆粒、活性顆粒等等）的組分的次級輻射、烘箱、爐、火焰、傳導或熱電材 料、超聲等等，以及它們的任何組合。通過非限制性實例，加熱可以涉及對流烘箱或加熱塊。 另一個非限制性實例可以涉及用微波能量（單一模式或多重模式施用裝置）來加熱。在另 一個非限制性實例中，加熱可以涉及使加熱的空氣、氮、或其他氣體通過基體材料并同時處 于該模腔中。在一些實施方案中，加熱的惰性氣體可用于減輕對活性顆粒和/或添加劑的 任何不需要的氧化。另一個非限制性實例可以涉及由熱電材料制成的模腔，以使得模腔加 熱。在一些實施方案中，加熱可以涉及上述方式的組合，例如使加熱的氣體通過基體材料并 同時使基體材料通過微波爐。
[0046] 在一些實施方案中，可通過用電磁福射（例如γ -射線、X-射線、UV光、可見光、 IR光、微波、無線電波和/或長無線電波）輻射所述組分，實現(xiàn)來自多孔物質(zhì)（例如納米顆 粒、活性顆粒等等）的組分次級輻射。通過非限制性實例，基體材料可以包含碳納米管，其 在用射頻波輻射時散發(fā)熱。在另一個非限制性實例中，基體材料可以包含活性顆粒，如碳 粒，其能夠?qū)⑽⒉ㄝ椛滢D(zhuǎn)換成熱并且將粘結劑顆粒機械地粘結在一起或輔助將粘結劑顆粒 機械性粘結（例如燒結）將粘結劑顆粒在一起。在一些實施方案中，電磁輻射可以通過頻 率和功率電平調(diào)節(jié)，以便恰當?shù)嘏c選擇的組分相互作用。例如，活化的碳可以結合具有選擇 來匹配加熱的目標速率的固定或可調(diào)節(jié)的功率設定在范圍從約900MHz至約2500MHz的頻 率下的微波來使用。
[0047] 在受益于本公開的情況下，本領域技術人員應該理解，電磁輻射的不同波長以不 同深度滲透材料。因此，當采用初級或次級輻射方法時，應該考慮模腔材料，構造和組成，基 體材料組合物，將電磁輻射轉(zhuǎn)換成熱的組分，電磁輻射的波長，電磁輻射的強度，輻射方法， 以及次級輻射（例如熱）的所需量。
[0048] 用于加熱（包括通過任何本文所述方法，例如，對流烘箱或暴露于電磁輻射）和/ 或?qū)е聶C械性粘結（例如燒結接觸點）發(fā)生的施加壓力的停留時間的時間長度可以從約 百分之一秒、十分之一秒、1秒、5秒、30秒、或1分鐘的下限，至約30分鐘、15分鐘、5分鐘、 1分鐘、或1秒的上限，并且其中所述停留時間可以從任何下限至任何上限并且涵蓋其間的 任何子集合。應當指出的是，對于利用較快的加熱方法（例如暴露于電磁輻射，如微波）的 連續(xù)方法，短停留時間可以是優(yōu)選的，例如約10秒或更少，或更優(yōu)選約1秒或更少。此外，諸 如對流加熱的工藝的加工方法可以在分鐘的時標上提供較長停留時間，其可以包括大于30 分鐘的停留時間。本領域普通技術人員應該理解，較長的時間可以是適用的，例如，數(shù)秒至 數(shù)分鐘至數(shù)小時或更長，前提條件是可真對給定基體材料選擇適當溫度和加熱分布圖。應 當指出的是，如本文所用，未將未達到允許機械性粘結的足夠溫度和/或壓力的預熱或預 處理方法和/或步驟考慮為停留時間的一部分。
[0049] 在一些實施方案中，加熱以有利于機械性粘結可以是達到基體材料的組分的軟化 溫度。如本文所用，術語"軟化溫度"是指這樣的溫度，在該溫度以上材料變得柔韌，該溫 度通常低于材料的熔點。
[0050] 在一些實施方案中，機械性粘結可以在溫度為約90°C、100°C、110°C、120°C、 130°〇、或140°〇的下限或約300°〇、275°〇、250°〇、225°〇、200°〇、175°〇、或150°〇的上限范圍 內(nèi)實現(xiàn)，并且其中溫度可以從任何下限至任何上限并且涵蓋其間任何子集合。在一些實施 方案中，加熱可以通過使材料經(jīng)受單個溫度來實現(xiàn)。在另一個實施方案中，溫度分布圖可以 隨時間變化。通過非限制性實例，可以使用對流烘箱。在一些實施方案中，加熱可以局部化 于基體材料內(nèi)。通過非限制性實例，來自納米顆粒次級輻射可以僅加熱在納米顆粒緊鄰的 基體材料。
[0051 ] 在一些實施方案中，基體材料可以在進入模腔之前被預熱。在一些實施方案中，基 體材料可以預熱至低于基體材料的組分的軟化溫度的溫度。在一些實施方案中，基體材料 可以預熱至比基體材料的組分的軟化溫度低約10%、約5%、或約1%的溫度。在一些實施 方案中，基體材料可以預熱至比基體材料的組分的軟化溫度低約1(TC、約5°C、或約1°C的 溫度。預熱可以涉及的熱源包括但不限于上文作為用于實現(xiàn)機械性粘結的熱源所列的那 止匕 -、〇
[0052] 在一些實施方案中，粘結該基體材料可以產(chǎn)生多孔物質(zhì)或多孔物質(zhì)長段（porous mass lengths)。如本文所用，術語〃多孔物質(zhì)長段〃是指連續(xù)多孔物質(zhì)（即，并非永不斷 而是比多孔物質(zhì)長的多孔物質(zhì)，其可以連續(xù)產(chǎn)生）。通過非限制性實例，多孔物質(zhì)長段可以 通過使基體材料連續(xù)通過加熱的模腔來產(chǎn)生。在一些實施方案中，粘結劑顆?？梢栽跈C械 性粘結過程期間保留其初始物理形狀（或基本上保留其初始形狀，例如，形狀與初始形狀 相比，變化（例如收縮）不大于10% )，即，粘結劑顆粒可以與基體材料和與多孔物質(zhì)（或 長段）在形狀上基本相同。為了簡便且易讀，除非另外指明，否則術語〃多孔物質(zhì)〃涵蓋多 孔物質(zhì)節(jié)、多孔物質(zhì)和多孔物質(zhì)長段（被包裹的，等等）。
[0053] 在一