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2021-01-07 15:01:26|
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发明领域
本发明涉及吸烟制品的区段，具体地涉及用于冷却或过滤在吸烟制品中流动的气溶胶的区段，所述区段比现有技术中已知的区段更好地生物降解并且所述区段提供了关于吸阻和过滤效率的性能的良好组合。
背景和现有技术
吸烟制品通常是柱状制品，其由彼此相邻布置的至少两个柱状区段组成。一个区段含有能够在加热时形成气溶胶的材料，并且至少一个其他区段用于影响气溶胶的性能。
吸烟制品可以是滤嘴香烟，其中第一个区段含有气溶胶形成材料，特别是烟草，并且其他区段形成为滤嘴并且用于过滤气溶胶。鉴于此，通过燃烧气溶胶形成材料而产生气溶胶，并且滤嘴主要用于过滤气溶胶并且为滤嘴香烟提供限定的吸阻。
然而，吸烟制品也可以是所谓的加热烟草产品，其中气溶胶形成材料仅被加热而非燃烧。鉴于此，减少了气溶胶中有害物质的数目和数量。此类吸烟制品还由至少两个区段，但更经常地是更多区段，特别是四个区段组成。一个区段含有气溶胶形成材料，其通常包括烟草、再造烟草或通过其他方法制备的烟草。吸烟制品中的其他区段在一定程度上任选地用于传递气溶胶、冷却气溶胶或过滤气溶胶。
区段通常由包装材料包裹。更经常地，纸被用作包装材料。
在下文中，除非上下文明确说明或从上下文中可以直接推导，否则“区段”应理解为意指不含有气溶胶形成材料，但例如用于传递、冷却或过滤气溶胶的吸烟制品的区段。
从现有技术中已知由非天然聚合物(例如乙酸纤维素或聚乳酸)生产此类区段。在消耗吸烟制品之后，吸烟制品必须被妥善处置。然而，在许多情况下，消费者只是将消耗的吸烟制品扔在环境中，而且试图通过通告或罚款来限制这种行为几乎没有成功。
由于乙酸纤维素和聚乳酸在环境中仅非常缓慢地降解，因此工业上有兴趣由更好地生物降解的其他材料生产吸烟制品的区段。此外，例如，欧盟计划了大幅减少或禁止在吸烟制品中使用非天然聚合物的条例，因此也出于此原因，有兴趣为吸烟制品提供可替代的区段。
吸烟制品中的区段必须满足各种要求。第一个要求是过滤气溶胶。通常，这种过滤是选择性的，这意味着从气溶胶中除去某些物质，并且从而影响气溶胶的味道。关于过滤，人们希望有具有特别高的过滤效率的区段(例如如果它们主要用于过滤)，以及具有低过滤效率的区段(例如如果它们主要旨在传递或冷却气溶胶)。
其他要求是提供一定的吸阻。在吸烟期间，消费者期望一定的阻力，即一定的压差，以便从吸烟制品中吸取气溶胶。因此，用于吸烟制品的区段通常被设计成使得它们具有一定的吸阻。
其他要求是冷却气溶胶。在气溶胶形成之后，气溶胶立即具有几百摄氏度的温度，并且当其流过吸烟制品时必须冷却至消费者可接受的温度。根据现有技术，这通常通过从气溶胶传导热量来实现。
最后，其他要求是为吸烟制品提供足够的机械稳定性。消费者在正常消耗吸烟制品期间应该不能意外地压缩吸烟制品；因此，区段需要具有一定的硬度。这也部分地通过选择合适的包装材料来实现。
将所有这些要求与良好的可生物降解性相结合的尝试迄今为止还没有充分成功。
技术实现要素：
本发明的目的是提供用于吸烟制品的区段，其可以比吸烟制品中的常规区段更好地生物降解，并且在任何情况下就过滤性能、冷却效果和吸阻而言均不比常规区段差。
这一目的通过根据权利要求1所述的区段和根据权利要求21所述的吸烟制品来实现。在从属权利要求中公开了有利的其他实施方案。
发明人已经发现，用于吸烟制品中的区段的某些基于纤维的网材料适于至少满足关于可生物降解性的要求。基于纤维的网材料描述了可以形成用于吸烟制品的区段的来自短纤维的所有纤维网状材料。合适的基于纤维的网材料具体是纸或非织造物。在下文中，无例外地，“网材料”被理解为意指用于吸烟制品的基于纤维的网材料。
发明人还发现，网材料和由其制造的区段的性能的某些组合允许以特别有利的方式满足各种附加的要求。
具体地，根据本发明的区段包含包装材料和由包装材料包裹的网材料。网材料包含至少40％的纸浆纤维和小于10％的非天然聚合物，其中百分比是指网材料的质量。此外，网材料具有至少10g/m2且至多70g/m2的基重，至少25μm且至多400μm的厚度。在区段中，所述网材料具有每cm3体积的区段的至少20cm2且至多90cm2的面积。由网材料制造的区段在没有包装材料的情况下具有至少50kg/m3且至多300kg/m3的密度。最后，对于网材料的密度(ρ网，kg/m3)、没有包装材料的区段的密度(ρ区段，kg/m3)和每cm3体积的区段的网材料的面积(a网，cm2/cm3)，以下不等式必须成立：
1300≤ρ网+5·ρ区段+12·a网≤2800。
根据发明人的发现，区段的吸阻、过滤效率和冷却效果由区段中网材料的结构和量决定。鉴于此，网材料的多孔结构增加了热传递和过滤效率。除了网材料的结构之外，区段中网材料的量也是重要的。一方面，通过每体积区段的区段中网材料的面积来规定，其中较高的每体积的面积增加了吸阻、过滤效率和热传递，并且另一方面，通过没有包装材料的区段的密度来规定，其中较高的密度主要增加了吸阻。特别是对于区段的冷却效果，除了可用于热传递的面积之外，网材料和区段的密度也是重要的，因为它们决定了热的传导。
现在，发明人已经发现，在网材料的基重、网材料的厚度、网材料的密度、区段中每体积的网材料的面积和没有包装材料的区段的密度的上述限度内，如果由网材料的密度、没有包装材料的区段的密度和每体积区段的网材料的面积计算的参数满足上述不等式，则可以实现性能的特别良好的组合。
在吸烟制品的区段中的网材料包含纸浆纤维，其中网材料的质量的至少40％由纸浆纤维形成。纸浆纤维由天然聚合物组成并且能够良好地生物降解，由此是本发明的第一个优点。对本发明重要的其他优点由纸浆纤维是吸湿的事实产生。吸烟制品中的气溶胶含有水，而纸浆纤维可以吸收部分水并且因此有助于气溶胶的冷却。鉴于此，与由其他材料制成的区段相反，热量不再被传递，而是气溶胶中的一部分水与水中含有的热能一起被保留。因此，气溶胶到达吸烟制品的消费者，其温度不一定大幅降低，但其含有明显较少的热能并且因此对于消费者是更可接受的。
因此，优选地，网材料中的纸浆纤维的含量较高，并且相对于网材料的质量分别优选地为至少60％，特别优选地为至少90％，以及高度特别优选地为至少99％。
纸浆纤维可以是来自落叶树或针叶树的木纸浆纤维，但也可以来自其他植物，例如大麻、亚麻、剑麻、黄麻、马尼拉麻或茅草(espartograss)，并且根据本领域已知的方法制造。也可以使用不同来源的纸浆纤维的混合物。
为了确保区段的良好可生物降解性，网材料应含有小于其质量的10％的非天然聚合物。鉴于此，天然聚合物是直接源自天然原料而没有进行组合物的化学改性或改性的聚合物，或者是与源自自然界的此类聚合物化学上相同的聚合物。具体地，纸浆纤维由天然聚合物组成，并且来自再生纤维素的纤维也属于天然聚合物。然而，对于乙酸纤维素和聚乳酸，已经进行了化学改性，使得它们不属于天然聚合物，并且即使原料存在于自然界，这些原料至少已经被改性使得不再确保快速的生物降解。另外，源自矿物油的所有聚合物(例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯或聚苯乙烯)均是非天然聚合物。
优选地，网材料含有小于网材料的质量的5％的非天然聚合物，特别优选小于网材料质量的1％。当网材料不含有非天然聚合物时获得最佳的可生物降解性，出于此原因这是高度特别优选的实施方案。
网材料可以含有来自再生纤维素的纤维，例如粘胶纤维、莫代尔纤维、莱赛尔纤维
网材料可以含有填充剂材料，其中所述填充剂材料优选地由碳酸钙、氧化镁、氢氧化镁、氢氧化铝、二氧化钛和硅酸盐或其混合物形成。特别优选的填充剂材料是沉淀碳酸钙。填充剂材料的含量相对于网材料的质量优选地为至少0％，特别优选地为至少5％，并且高度特别优选地为至少10％，并且优选地为至多40％，特别优选地为至多35％，并且高度特别优选地为至多30％。由于填充剂材料比纸浆纤维吸收明显更少的水，对于相同的网材料的基重，填充剂材料的含量的增加可以有助于降低对水的过滤效率。以这种方式，可以影响区段的冷却效果。
网材料也可以被涂覆。在优选的实施方案中，网材料涂覆有聚乙烯醇或多糖，因此降低了对水的过滤效率并且因此使气溶胶较少地干燥。在特别优选的实施方案中，多糖选自淀粉、羧甲基纤维素、瓜尔胶、糊精、果胶或其混合物。应指出，聚乙烯醇不是天然聚合物，并且非天然聚合物的量不超过网材料质量的10％。
网材料也可以被浸渍。与涂层相比，在浸渍的情况下，所应用的组合物不仅保留在表面上，还基本上渗透进入网材料的结构中。在优选的实施方案中，用甘油或丙二醇浸渍网材料。这些物质可以提高对甘油的过滤效率，其通常用作吸烟制品的气溶胶形成材料中的湿润剂并且增强气溶胶的形成。
网材料还可以含有调味剂以调节气溶胶的味道。调味剂可以以化学结合的形式或以物理结合的(例如，包封的)形式包含在网材料中。优选地，调味剂选自薄荷醇、乙基香兰素葡萄糖苷、香兰素和乙基香兰素。
技术人员可以根据其经验选择网材料的其他组分，例如施胶剂(例如akd、asa或树脂)或其他添加剂和加工助剂，其中应注意，非天然聚合物的量必须小于网材料质量的10％。
网材料的基重是10g/m2至70g/m2，并且优选地是20g/m2至60g/m2，并且特别优选地是25g/m2至50g/m2。可以根据iso536:2012确定基重。基重的选择影响网材料的可加工性，特别是卷曲或折叠的加工，以及用于区段的材料的量。优选的范围将材料的量与得到的区段性能结合得特别好。
网材料的厚度是25μm至400μm，并且优选地是35μm至150μm，并且特别优选地是40μm至100μm。与基重一样，网材料的厚度对于可加工性是重要的，并且在区段的所需性质的情况下，优选的范围导致特别非常适合于卷曲或折叠的厚度。可以根据iso534:2011确定厚度。
基重和厚度经由密度一起影响由网材料制造的区段的性能。网材料的密度优选地是100kg/m3至1200kg/m3，特别优选地是200kg/m3至700kg/m3，并且高度特别优选地是300kg/m3至600kg/m3。密度描述了网材料的多孔结构，并且因此描述了对过滤效率、热传递和吸阻而言是重要的量。优选的范围允许吸阻和过滤效率的良好组合。可以根据iso534:2011确定密度。
相对于区段的体积，区段分别含有每cm3体积的区段20cm2至90cm2的网材料，优选地是30cm2/cm3至80cm2/cm3，并且特别优选地是35cm2/cm3至70cm2/cm3。每体积区段的网材料的面积描述了网材料如何致密地填充在区段中。因此，它不仅对吸阻，还对过滤性能、热传递和区段的硬度具有影响。例如，可以通过称量网材料并且根据网材料的标称或测量的基重计算来确定网材料的面积。
区段自身(没有包装材料)的密度是50kg/m3至300kg/m3，优选地是60kg/m3至250kg/m3，并且特别优选地是70kg/m3至200kg/m3。该参数还对区段的吸阻、过滤效率和硬度具有重要影响。因为包装材料对吸阻、过滤效率或热传递具有很小的影响，所以在没有包装材料的情况下显示区段的密度。可以通过计算来确定区段的密度。鉴于此，首先确定区段的体积，例如，其可以由圆柱形区段的直径和长度来计算。包装材料对直径的影响可以忽略。可以通过称重来确定区段的质量，其中区段用包装材料包裹。可以由包装材料的面积和包装材料的标称或测量的基重来确定包装材料的质量。例如，对于典型的圆柱形区段，包装材料的面积由区段的周长和包装材料自身的重叠部以及区段的长度决定。
将具有包装材料的区段的质量减去包装材料的质量并且通过将其除以区段的体积来计算其密度。下面进一步详细地进行数值实例。
由于网材料的密度、没有包装材料的区段的密度和每体积区段的区段中网材料的面积均对区段的吸阻、过滤效率和热传递具有影响，并且由此以复杂的方式相互作用，发明人已经发现，只有这些性质的特定组合可以适当地满足对区段的要求。发现由这些性质计算的参数z与此相关，其通过下式计算：
z＝ρ网+5·ρ区段+12·a网，
其中
ρ网是网材料的密度，以kg/m3计，
ρ区段是没有包装材料的区段的密度，以kg/m3计，以及
a网是每体积区段的网材料的面积，以cm2/cm3计。
该参数z应为至少1300且至多2800，优选地为至少1350且至多2600，并且特别优选地为至少1400且至多2400。仅以这种方式获得具有有利的性能的区段，并且仅在优选的范围内获得吸阻与过滤效率的特别有利的折衷。
区段的包装材料优选地是纸，并且特别优选地是具有至少20g/m2且至多150g/m2的基重的纸，并且特别优选地是具有至少50g/m2且至多120g/m2的基重的纸。为了获得区段的有利的性能，区段的密度和因此的硬度均比较低。因此，具有50g/m2至150g/m2的基重的包装材料可以进一步改善区段的硬度。然而，基重必须不能太高，因为否则，包装材料的恢复力使得区段的制造，特别是包装材料与自身的胶合更困难。
包装材料的弯曲刚度可以与基重一样重要，以便获得有利的区段的硬度。因此，弯曲刚度应优选地是至少0.05nmm且至多0.90nmm，特别优选地是至少0.10nmm且至多0.80nmm。可以根据iso5628:2012，特别是根据该标准中描述的两点法确定弯曲刚度。弯曲刚度可以取决于从网材料中取出样品的方向。当在至少一个方向上的弯曲刚度处于限定的优选或特别优选的范围内时，获得由上述优选和特别优选的范围限定的特征。
根据本发明的区段优选地是圆柱形的，并且优选地具有至少5mm且至多9mm的直径，特别优选地具有至少7mm且至多8.5mm的直径。
根据本发明的区段的长度优选地是至少4mm且至多40mm，特别优选地是至少6mm且至多35mm，并且高度特别优选地是至少10mm且至多28mm。
根据本发明的区段可以是吸烟制品的组件，使得根据本发明的吸烟制品包括气溶胶形成材料和根据本发明的区段。
在优选的实施方案中，吸烟制品是滤嘴香烟，其包括根据本发明的至少一个区段和含有烟草的其他区段。在特别优选的实施方案中，根据本发明的区段是滤嘴香烟的滤嘴的区段。
在其他优选的实施方案中，吸烟制品是含有气溶胶形成材料的吸烟制品，其在吸烟制品的预期使用期间仅被加热而非燃烧，并且其含有根据本发明的至少一个区段和滤嘴区段，其中所述根据本发明的至少一个区段布置在气溶胶形成材料与滤嘴区段之间。在这种布置中，根据本发明的至少一个区段主要用于冷却气溶胶。
根据本发明的区段可以根据本领域已知的方法制造。此类方法通常包括卷曲或折叠网材料，由网材料制造连续的柱，用包装材料包裹连续的柱并且将包裹的柱切割成所需尺寸的区段。
使用根据本发明的区段的吸烟制品也可以根据本领域的方法制造。
附图说明
图1显示了其中总结了25种网材料的组成的表(表1)。
图2显示了其中总结了表1的25种网材料的网材料的特征性能(宽度、基重、厚度、密度)的表(表2)。
图3显示了其中总结了由表1和表2的网材料制造的25个区段的特征性质(质量、密度、面积、参数z)的表(表3)。
图4显示了其中总结了表3的区段的功能性质(吸阻，尼古丁、水和甘油的过滤效率)的表(表4)。
具体实施方式
现在将经由根据本发明的几个实施方案并且与未根据本发明的实施例进行比较来更精确地描述本发明。
根据本领域已知的方法制造不同的基于纤维的网材料，并且切割成具有175mm至315mm的宽度的卷筒。将网材料的卷筒卷曲，并且制造连续的柱中的每一个，并且用具有78g/m2的基重的包装材料包裹。具有包装材料的柱具有7.85mm的直径，其中包装材料具有27mm的宽度，并且因此重叠约2.3mm用于与自身胶合。
网材料的组成在表1中给出。所有的网材料均是由木纸浆制造；对于两种网材料(22号和23号)，还使用了莱赛尔纤维，其中所示的40％的百分比是相对于网材料中总纤维质量中的莱赛尔纤维的质量。网材料4至6、12和13还含有其质量的29.5％的沉淀碳酸钙(caco3)。
网材料16至21、24和25涂覆有氧化淀粉，并且网材料14、15、18和19用甘油浸渍。网材料20和21用丙二醇浸渍。
根据iso536:2012确定网材料的基重，并且根据iso534:2011确定厚度和密度。结果在表2中给出，其中网材料的编号对应于表1的编号。
将由网材料制造的柱切割成具有108mm的长度的柱，并且通过称重确定其质量。
由网材料1至25制造的柱的数据在表3中给出，其中网材料的编号也对应于表1的编号。鉴于此，表3中的质量是具有包装材料的108mm长的柱的质量，其中包装材料具有78g/m2的基重。由柱的质量和已知的几何形状计算密度如下。
27mm宽且108mm长的包装材料的质量为：
78g/m2×0.027m×0.108m＝0.227g。
因此，由已知的几何形状计算的柱的体积：
π/4×(7.85mm)2×108mm＝5227mm3。
鉴于此，忽略包装材料的厚度。将具有包装材料的柱的质量减去包装材料的质量并且将结果除以体积。由此，例如，由网材料1制造的柱的密度为：
(0.71g–0.227g)/5227mm3＝92.4kg/m3。
参数z也在表3中示出，其由下式计算：
z＝ρ网+5·ρ区段+12·a网，
其中
ρ网是网材料的密度，以kg/m3计，
ρ区段是没有包装材料的区段的密度，以kg/m3计，以及
a网是每体积区段的网材料的面积，以cm2/cm3计。
参数z独立于几何形状，特别是柱或区段的直径和长度，并且仅表征区段的内部结构。
根据iso6565测量108mm长的柱的吸阻。从柱上切下具有18mm的长度的区段，并且由此制造吸烟制品。
吸烟制品是所谓的加热烟草产品，其中吸烟制品中含有的烟草仅被加热。吸烟制品由具有烟草的区段、在流动方向上紧接的传递区段(其中气溶胶可以浓缩)、以及再紧接的根据本发明的区段(其在此主要用于冷却气溶胶)以及最后的滤嘴区段组成。
在可商购的加热装置中加热吸烟制品，并且根据iso3308中给出的方法吸烟。对于由网材料8至25制造的区段，测量对尼古丁、水和甘油的过滤效率。鉴于此，过滤效率是相对于流进区段的物质的量，流进区段的物质的量与流出区段的物质的量之间的差。过滤效率表示为百分比，并且通过这种方法确定18mm长的区段对尼古丁、水和甘油的过滤效率。
在表4中，显示了108mm长的柱的吸阻以及18mm长的区段对尼古丁、水和甘油的过滤效率。在此，网材料的编号也对应于表1的编号。
由网材料1至25制造的区段是根据本发明的区段，其具有约1300至约2250的参数z。108mm长的柱的吸阻是17.9mmwg至63.9mmwg，并且能够实现区段的设计，其传递气溶胶并且仅具有低的吸阻或者其过滤气溶胶并且还允许增加吸阻。特别地，其组成相同的网材料2和11的比较显示了区段的密度对吸阻的影响。来自网材料2的具有73.3kg/m3的区段密度的区段(108mm)提供23.8mmwg的吸阻，而由网材料11制造的具有170.5kg/m3的密度的区段(108mm)具有54.5mmwg的吸阻。这显示了区段的密度的重要性，出于此原因它是参数z的重要组成部分。然而，吸阻不仅由区段的密度决定。
网材料6和7具有类似的基重，然而，其中网材料6含有29.5％碳酸钙并且因此具有明显更高的密度。由其制造的区段具有相似的密度，并且每体积区段的网材料的面积也是相似的。然而，它们在吸阻方面明显不同，对于由网材料6制造的柱(108mm)，吸阻是63.9mmwg，而对于由网材料7制造的柱(108mm)，吸阻是30.5mmwg。这表明网材料自身的密度对由其制造的区段的性能具有独立的影响，并且因此也构成参数z的重要组成部分。
每体积区段的网材料的面积取决于网材料的密度和没有包装材料的区段的密度，并且因此也是吸阻的重要性质，并且因此也是参数z的组成部分。
与来自可比较的网材料8、9和11的区段相比，涂覆有淀粉的网材料16至21的区段均显示出对水较低的过滤效率，而它们对尼古丁和甘油的过滤效率几乎没区别。因此，这表明可以使用具有氧化淀粉的涂层来调节对水的过滤效率。
与来自没有此类浸渍的网材料16和17的区段相比，用甘油或丙二醇浸渍网材料18至21导致了在由其制造的区段中对尼古丁和甘油明显更高的过滤效率。因此，可以通过浸渍来调节对尼古丁和甘油的过滤效率。
总之，由网材料1至25制造的所有区段可用作吸烟制品中的区段，并且可以用于冷却气溶胶以及用于气溶胶的过滤。由网材料1至25制造的所有区段的可生物降解性直接由使用的组分产生，并且没有进一步测试。已经表明，使用根据本发明的区段，可以获得用于吸烟制品的有利性能，并且还可以获得优异的可生物降解性。
以下未根据本发明的两个实施例表明参数z对于区分根据本发明的区段与未根据本发明的区段是重要的。
由网材料7制造了具有90.4kg/m3的密度(没有包装材料)和36.9cm2/cm3的每体积区段的网材料的面积的区段。该区段的参数z为：
350.0+5·90.4+12·36.9＝1244.8，
并且因此处于根据本发明的1300至2800的范围之外。
来自该网材料的108mm长的柱具有仅12.3mmwg的吸阻，这对于在吸烟制品中应用而言太低了。此外，尽管包装材料硬度为78g/m3，但区段的硬度不足以进一步加工成吸烟制品。应注意，该区段满足根据本发明的所有要求，除与参数z相关的那些之外。
由网材料12制造了具有233.9kg/m3的密度(没有包装材料)和89.9cm2/cm3的每体积区段的网材料的面积的区段。该区段的参数z为：
604.7+5·233.9+12·89.9＝2853.6，
并且因此处于根据本发明的1300至2800的范围之外。
尽管网材料12中碳酸钙含量高，但该区段对水的过滤效率大于65％，并且因此产生太干的气溶胶，并且从而导致了消费者不可接受的味道。应注意，该区段也满足根据本发明的所有要求，除与参数z相关的那些之外。
因此，未根据本发明的两个比较例表明参数z对于获得令人满意的性能的区段是重要的。
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