CN1248888A - 利用用以控制燃烧产物的催化热源的无烟方法和制品 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种吸烟制品(10)及其构造和工作方法,其提供的燃烧产物用于形成带香味的烟雾气体,并且在控制这种燃烧气体成分的同时将这些气体传送至吸烟者口中。在一个催化部分(17)中产生加热气体,燃料和空气在一个蜂窝状催化涂层表面(25)的帮助下在该催化部分中燃烧,所说涂层包含氧化铝和铈的化合物。

Description

利用用以控制燃烧产物的催化热源的无烟方法和制品
发明背景
现有技术中已经有人提议在吸烟制品中使用催化剂，其中催化剂与一种含碳物质混合以形成一种可燃烧燃料元件(美国专利US-5211684)。还有人提出使用一种陶瓷材料的烟雾剂前体以构成吸烟制品中的烟雾剂(美国专利US-5115820)。还有人提出用二氧化铈在吸烟者卷烟中作为燃料的涂层(美国专利US-5040551)。
发明概要
一般地说，本发明涉及一种香烟及其构成和工作方法，所说香烟包括一个热源、一个香味烟雾剂部分和一个烟嘴部分，其中所说热源包括一个液体燃料和空气混合室、以及一个催化剂燃烧室，在该燃烧室中燃料空气混合物在催化剂作用下燃烧。
本发明涉及控制燃烧产物、即包括所产生的一氧化碳的量的方法。这种控制是通过催化剂基质设置的结构和工作实现的，所说催化剂基质包括支承基体和其上的涂层，其中可能包含一种或多种氧化铝涂层、氧化铈涂层，最后是氯化铂/钯涂层。金属氧化物和贵金属涂层具有催化作用。
本发明的香烟包括一个燃料/空气混合区域，其中包括一个含有液体燃料的液体吸收存储体。空气流动通过所说存储体以携带燃料颗粒构成一种混合物，以传送到催化燃烧室。燃烧产物通过香味部分被抽吸，在所说香味部分中包含甘油以构成甘油基的烟雾剂。然后这种带香味的烟雾剂传送到吸烟者的烟嘴部分。
本发明的香烟具有与传统香烟相同的尺寸和外观。
附图简介
图1为本发明的吸烟制品的平面视图；
图1a为沿图1中剖面线1a-1a所取的剖面图；
图2是与图1相同的视图，图中还增加表示了在吸烟过程中空气、燃料/空气混合物和烟雾剂的流动方式；和
图3a-d为在本发明中使用的蜂窝式构件的透视图。
优选实施例的描述
在附图中，香烟或吸烟制品10包括滤嘴部分11、香味部分12、烟雾剂部分13、燃料贮存和空气混合部分16以及催化燃烧部分17。香烟10由外部圆柱体形包覆纸10r包围着，所说包覆纸可以是一张包覆纸或者由连接或重叠部分构成。还可以使用附加包覆纸和接边纸。
烟嘴部分11是用于过滤香烟10之烟气的一个过滤嘴，它可以是一个常规的香烟过滤嘴。香味部分12主要包含烟丝12a，烟丝上含有表面处理或其它物质和香料以增强进入吸烟者口中气体的香味。优选的是，烟丝12a添满烟嘴部分11与烟雾剂支承材料19之间的空间。
烟雾剂部分13包括一个烟雾剂支承塞19，其上含有甘油。作为对甘油的替换物，也可以使用多元醇例如丙二醇。烟雾剂支承材料可以包括碳垫、氧化镁、氧化铝、玻璃珠、蛭石、碳、铝箔和涂覆有可水解有机硅氧烷的纸。烟雾剂形成物还可以添加/结合到烟丝或重制的烟草类材料中。当包含水蒸气、CO2和CO的燃烧热气体通过支承塞19时形成一种甘油烟雾。
燃料贮存和空气混合部分16包括周边的侧面通风孔21，当抽吸香烟时，外部空气通过这些通风孔进入香烟10，下面对此进一步解释。部分16包括燃料吸收存储体22，该存储体包含可贮存大约300-500微升的液体燃料的一种灯芯材料。所说吸收燃料存储体由合成纤维液体传送灯芯材料制成，其利用了毛细作用。优选的是，在本发明中使用Transorb牌灯芯。存储体22可以包括用于保持液体燃料和使液体燃料在香烟10的温度、压力和空气流动速度条件下与空气混合的任何适合的材料。优选的燃料是液体纯乙醇。在室温下，3.3-19.0(体积比)的乙醇与空气比是优选的。
还可以使用其它燃料诸如乙醇、酯类、碳氢化合物、甲醇、异丙醇、己烷、醇味的碳酸二甲酯等等。此外，可以使用放热燃料，这些燃料是由与支承材料化学或物理结合的一种挥发性燃料成分构成的相对非挥发性的燃料前体。当加热时所说挥发性燃料成分就释放出来。这种燃料具有防止燃料在存储过程中的蒸发损失和确保以足以燃烧和生热的受控和限制量来释放燃料的优点。放热燃料的实例包括薄荷碳酸二甲酯、二甲基碳酸酯、原甲酸三乙酯、吸收在硅藻土或分子筛中的乙醇和“STERNO”牌燃料。
最后，在部分17中发生催化反应，部分17中包括混合物输送管24和内含催化剂的陶瓷管26，其容纳有采用摩擦配合或其它连接方式的蜂窝状结构25。陶瓷管24、26由玻璃基质中的致密富铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)构成。这种材料是可在高温下工作和无孔的细晶粒。这种材料的容积比重为2.4；工作温度为1650℃，抗挠强度为20000psi。优选的是，管24和26由耐热材料例如McDanelRefractory公司生产的MV20富铝红柱石陶瓷管制成。优选的是，催化元件25为Celcor或Celcor 9475蜂窝状陶瓷材料15，其涂覆有氧化铝，然后涂覆包含稀土元素或过渡系元素氧化物例如氧化铈(IV)的催化剂涂覆材料，最后涂覆包含贵金属溶液优选为铂或钯的催化剂涂覆材料。在经过这样的涂覆处理之后，将该蜂窝状基体25(参见图3a-d)放入香烟管26中(参见图1、1a和2)。除了陶瓷材料以外，还可以使用任何其它适合的不可燃催化剂支承材料，例如无纺碳垫、石墨毡、碳纤维纱、碳毡、纺织的陶瓷纤维、整体塑制品材料。整体塑制品材料，也称为蜂窝状材料，可以在市场上购得，(例如，由NY，Coring的Corning Glass Works公司生产)。可以使用过渡系元素氧化物例如Ta2O5、ZnO、ZrO2、MgTiO3、LaCoO3、RuO2、CuO、MnO2和ZnO代替氧化铈。
蜂窝状基质25具有低压降、大表面积和高的热和机械强度。蜂窝结构与致密压缩的陶瓷纤维材料相比具有低压降(当通过支承材料抽吸空气时产生的压力差)。一支香烟的一般压力降(抽吸阻力)为5英寸水高(标准尺寸)，这个压力是在香烟的吸嘴端测得的。优选的是所说蜂窝结构具有正方形孔腔(cell)，其分子式为2MgO·2Al2O3·5SiO2。所说蜂窝结构具有33％的开放孔隙度；平均孔隙大小为3.5微米，热膨胀系数(25-1000℃×10-7/℃)为10，熔融温度大约为1450℃。这种蜂窝材料构成一种非均匀的催化剂。
参见图3a，蜂窝结构25包括16个孔腔29。蜂窝结构25的尺寸为a＝5.7mm；b＝5.7mm和c＝7mm。在图3b中，蜂窝结构25包括9个孔腔29。蜂窝结构25的尺寸为d＝4.5mm、e＝4.5mm和f＝7mm。在图3c和3d中，尺寸为g＝13.09±1.17mm、h＝4.3mm、i＝1.8mm；j＝1.8mm；k＝4.3mm；l＝12.29±0.69mm、m＝2.0mm和n＝3.0mm。图3c表示具有5个孔腔的一个元件，图3d表示具有2个孔腔的一个元件。
在用氧化铝稳定剂涂料涂覆之后，该涂料对于这种制品中的高温是稳定的，蜂窝基质25接受催化处理。图3a-d所示的Celcor堇青石构造通过下列实例中所述的处理被催化。
                   实例1
将200个元件的Celcor堇青石#9475整体陶瓷蜂窝材料(2MgO·2Al2O3·5SiO2；涂覆有耐高温特性的δ-Al2O3稳定剂，直径：4英寸；高度1英寸；每平方英寸包含400个孔腔)切割成正方形截面的整体元件，每个元件由尺寸为4.5mm×4.5mm×7mm(图3b)的9个孔腔构成。在110℃的空气中将蜂窝材料干燥大约0.5至3小时以减少吸留或粘附液体(包括水)。然后将这200个单位材料加入包含200ml的去离子蒸馏水和17.3692克Ce(NO3)3·6H2O的加热(90℃)溶液中。Ce(NO3)3是可溶于水的。将所说整体元件放置在加热溶液中半个小时，每隔10分钟用手搅拌一次。在将其从溶液中取出之后，用压缩空气将过多的水从整体元件中吹出。然后将该整体元件放置在一个玻璃陪替氏培养皿中，并在60℃温度下在一个加热板上加热20分钟。然后在110℃温度下在空气中将该整体元件干燥1小时。再重复上述处理过程两次，总共用Ce(NO3)3溶液处理3次。在第三次，也就是最后一次处理之后，将整体元件在110℃温度下在空气中干燥过夜，以使浸渍的材料基本干燥，然后在550℃温度下在空气中焙烧5小时。
将用Ce(NO3)3如此浸渍过的200个元件分成4个相等堆。每堆用四种不同的PdCl2溶液之一处理。
                       溶液1
通过将15.7233ml的PdCl2溶液(0.0318克Pd/毫升)用去离子蒸馏水稀释到25ml制备出一份2％(重量/体积)的Pd溶液。
                       溶液2
通过将15.7233ml的PdCl2溶液(0.0318克Pd/毫升)用去离子蒸馏水稀释到50ml制备出一份1％(重量/体积)的Pd溶液。
                       溶液3
通过将15.7233ml的PdCl2溶液(0.0318克Pd/毫升)用去离子蒸馏水稀释到100ml制备出一份0.5％(重量/体积)的Pd溶液。
                       溶液4
通过将15.7233ml的PdCl2溶液(0.0318克Pd/毫升)用去离子蒸馏水稀释到200ml制备出一份0.25％(重量/体积)的Pd溶液。
将50个用Ce(NO3)3浸渍的整体元件添加到溶液1中，并加热到70-80℃。分别以同样的方式将50个整体元件添加到其它溶液2-4中的每一种之中。在各种情况下，将整体元件保持在加热溶液中1小时，每隔10分钟用手搅拌一次。在将其从这些溶液中取出之后，用压缩空气将过剩的液体从整体元件中吹出。然后将整体元件放置在一个玻璃陪替氏培养皿中，并在60℃温度下在一个加热板上加热20分钟。
接着，将整体元件在110℃温度下在空气中干燥过夜，之后在550℃温度下在空气中焙烧5小时。结果发现经过如此处理的元件对于实施本发明是有用的。
                        实例2
按照与在实例1中所述基本相似的方式将大约300个干燥的整体元件用Ce(NO3)3·6H2O浸渍，所说元件由两个尺寸为3mm×3mm×12.3mm的孔腔(图3d)构成，与实例1不同之处在于在150毫升的去离子蒸馏水中使用了26.0538克的Ce(NO3)3·6H2O。
按照与在实例1中所述相似方式将300个用Ce(NO3)3浸渍过的整体元件中的其中100个整体元件用包含1.6667克PdCl2、0.25毫升H2PtCl6(8wt％水溶液)、10毫升HCl(1M)和90毫升去离子蒸馏水的加热(70℃)溶液进行处理。结果发现这100个经过处理的元件对于实施本发明是有用的。
                        实例3
按照与实例1所述相似方式将大约60个干燥的9孔腔整体元件用Ce(NO3)3·6H2O进行浸渍处理，不同之处在于在100毫升去离子蒸馏水中使用了8.6846克的Ce(NO3)3·6H2O。
将大约30个用Ce(NO3)3浸渍过的整体元件用在100毫升去离子蒸馏水中包含6.445克ZrCl2O·8H2O的加热(90℃)溶液进行处理。将所说整体元件保持在加热溶液中半个小时，每隔5分钟用手搅拌一次。在将其从溶液中取出之后，用压缩空气吹出整体元件中过剩的液体。然后将整体元件放置在一个玻璃陪替氏培养皿中，并在60℃温度下在一个加热板上加热20分钟。接着在110℃温度下在空气中将所说整体元件干燥1小时。再重复上述处理两次，总共用所说ZrCl2O·8H2O溶液处理三次。在第三次，也就是最后一次处理之后，将整体元件在110℃温度下在空气中干燥过夜，以使浸渍的材料基本干燥，之后在720℃温度下在空气中焙烧5小时。结果发现所说的大约30个元件对于实施本发明是有用的。
                      实例4
将在实例3中15个经过处理的整体元件加入0.005wt％(重量百分比)Pt溶液中，所说溶液是通过将0.125ml的氯化铂溶液(水中含8wt％的Pt)用去离子蒸馏水稀释到200ml。在浸入所说溶液中10分钟之后，将所说整体元件取出，并用压缩空气将过剩液体去除。然后将整体元件放置在一个玻璃陪替氏培养皿中，并在一个加热板上在60℃温度下加热20分钟。之后，将整体元件在110℃温度下在空气中干燥过夜，再在720℃温度下在空气中焙烧5小时。这15个经过如此处理的元件对于实施本发明是有用的。
                        实例5
按照与在实例3中所述类似方式将大约30个干燥的9孔腔整体元件用ZrCl2O·8H2O浸渍。
按照与在实例3中所述类似方式将大约15个用ZrCl2O·8H2O浸渍过的整体元件用Ce(NO3)3·6H2O进行处理，不同之处在于使用的焙烧温度为720℃。这15个经过如此处理的元件对于实施本发明是有用的。
                        实例6
按照与在实例4中所述类似方式将在实例5中经过处理的15个整体元件用0.0005％的Pt溶液进行处理。
陶瓷堇青石元件可以具有9至400个孔腔/平方英寸的孔腔密度。如在以上实施例中所述将这些孔腔涂覆一层均匀的γ氧化铝以增强稳定性和涂覆表面达到100倍或更多。通常，又将氧化铝涂层涂覆Ce(NO3)3溶液或者二氧化铈软膏(CeO2)。硝酸铈Ce(NO3)3是优选的，因为可以获得更加均匀的涂层。可以使用包含草酸铈(III)、碳酸铈或硝酸铈的铈化合物作为启动材料，只要它们在用于本发明之前被转换成氧化铈(IV)。最后，在含铈涂层上施加氯化铂或氯化钯稀释溶液的第三层涂层。这些催化剂涂层在被激活之后(当开始燃烧时)使温度从大约700℃上升至大约1000℃。高的温度有助于实现液体燃料和空气混合物的完全燃烧，并实现一氧化碳(CO)的进一步燃烧。
在香烟10的工作过程中，抽烟者在烟嘴部分11抽吸使得外部空气通过侧边孔21进入燃料存储和空气混合部分16，此外，外部空气通过端孔31进入部分17(参见6个空气流动箭头AF1-F4和箭头B1和B2(图2))。用箭头AF1-AF4表示的外部空气流动穿过包含乙醇燃料的存储体16，在这里形成燃料/空气混合物。当空气/燃料混合物从存储体22中排出时达到饱和。空气/燃料比随着在混合物接触蜂窝结构25的催化剂表面之前经端部开口31吸入的空气而增大。气体从其上流过的催化剂表面面积大约为16至65m2/g。燃料/空气混合物改变方向并开始向烟嘴11流动。随着空气/燃料混合物流动，当用常规的打火机在端部孔31区域点燃香烟10时，空气/燃料混合物逐渐与管26内所涂覆的陶瓷蜂窝结构25接触。当气体继续向烟嘴部分11移动时，它们被催化燃烧加热(参见箭头AR1-AR4；图2)。气体流继续通过传送管27。
当吸烟者连续抽吸香烟10时，燃烧气体通过含有甘油的塞状支承体19流出传送管27，形成甘油烟雾，其流过部分10，从烟丝12a中拾取香味。载有香味的烟雾最后通过烟嘴过滤嘴11进入吸烟者口中。当吸烟者停止抽吸时，催化剂在部分17中保持足够的热量，使得当吸烟者第二次抽吸时能够接着恢复燃烧，而无需再次点燃。
排出传送管27并且最终进入吸烟者口中的燃烧产物包括水、CO2、CO。每只香烟中CO的重量小于在目前市售的标准香烟中的重量。例如，本发明的香烟中每只香烟的CO含量为O.2mg或低于这个值。
CO的减少归因于空气和燃料混合物通过蜂窝材料20的过程，如本说明书所述，蜂窝材料由于被涂覆和催化剂而发挥作用。在这种流动过程中，催化作用使得CO氧化为CO2，所以当气体排出管27时大大地减少了CO含量。
考虑到在燃烧部分17产生的热量，可以利用铝箔/纸叠层、石墨箔、玻璃纤维、无纺碳垫和纺织的陶瓷纤维将这个部分进行隔离。这种隔离还使得催化剂温度在两次抽吸之间保持在其点火(激活)温度之上。
吸烟制品中的包含催化剂的部分可以重复使用。可以在一包或一条吸烟制品中包含一个或多个催化剂元件，吸烟者可以将其连接在吸烟用具的端部。
术语“无烟的”在香烟工业领域大多指的是加热而不是燃烧烟丝的一种装置。“无焰的”指的是催化剂无焰燃烧，包括挥发性有机蒸气在一种金属或金属氧化物上的催化氧化。本发明的装置既是“无烟的”，又是“无焰的”。
当存储体22中的燃料全部耗尽时，香烟10自动熄灭。香烟10设计成可抽吸6至12口。

Claims (26)

1、一种具有一个烟嘴部分的香烟，它包括：
a)一个热源，用于产生燃烧气体，该热源又包括
   (1)一个热源主体部分；
   (2)香烟中的通风孔，以使外部空气通过这些通风孔进入所
说主体部分；
   (3)位于所说通风孔上游的一个吸收燃料存储体，空气从所
说存储体流过以生成空气/燃料混合物；
   (4)位于所说吸收部分上游的一个蜂窝催化剂燃烧部分，当
其燃烧时所说燃料/空气混合物流入和通过所说燃烧部分；
   (5)热源主体部分中的一个排出导管，以将燃烧气体导向所
说烟嘴部分；
b)一个烟雾剂部分，所说燃烧气体流入其中和从中通过，以形成烟雾，和
c)一个烟草部分，当所说烟雾进一步向下游向烟嘴部分移动时，所说烟雾流入该烟草部分。
2、如权利要求1所述的香烟，其特征在于，陶瓷催化剂部分包括一个涂覆有氧化铝、而氧化铝之上又涂覆有第一催化涂层的陶瓷基质。
3、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说第一催化涂层是一种稀土元素氧化物。
4、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说第一催化涂层是一种过渡系元素氧化物。
5、如权利要求3所述的香烟，其特征在于，所说第一催化涂层包括硝酸铈。
6、如权利要求3所述的香烟，其特征在于，所说稀土元素氧化物是氧化铈。
7、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说基质还进一步涂覆有包含贵金属的第二催化涂层。
8、如权利要求7所述的香烟，其特征在于，所说贵金属是钯。
9、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说氧化铝是γ氧化铝。
10、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说第一催化涂层包含氧化铈IV。
11、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说第一催化涂层包含Ce(NO3)3。
12、如权利要求1所述的香烟，其特征在于，所述存储体中存储有纯乙醇作为燃料。
13、如权利要求1所述的香烟，其特征在于，所说陶瓷部分包括一个基质，其具有9至400个孔腔/平方英寸的孔腔密度。
14、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说燃烧气体流过的所说催化涂覆表面面积大约为16至65平方米/克。
15、如权利要求7所述的香烟，其特征在于，所说燃烧气体流过的所说催化涂覆表面面积大约为16至65平方米/克。
16、如权利要求2所述的香烟，其特征在于，所说陶瓷基质是一种堇青石材料。
17、一种香烟，其具有一个烟嘴，用于产生抽吸时通过所说烟嘴的带香味气体，所说香烟包括：
(a)用于产生加热气体的一个无焰热源部分，它包括
    i)一个包含燃料的存储体元件；
    ii)通入和离开所说存储体元件的导管装置，使得当抽吸香烟
时，产生适合的空气/燃料混合物；
iii)一个催化剂部分，其包括一个蜂窝支承体，其上涂覆有
铝层、硝酸铈层和钯的化合物层；和
(b)一个香味部分；
从而当点燃并抽吸香烟时，热气体从所说热源部分通过所说香味部分到达所说烟嘴部分。
18、如权利要求17所述的香烟，其特征在于，所说蜂窝支承体为堇青石，其具有大约为400个孔腔/平方英寸的结构。
19、一种在香烟中产生烟雾的方法，包括在从香烟第一次点燃直到它停止产生烟雾之间的多次抽吸过程中生成燃烧气体和将所说烟雾通过一个烟雾生成部分传送到吸烟者口中，该方法包括以下步骤：
a)提供一个香烟主体，其具有一个吸收燃料存储体，在所说存储体中选定量的可用液体燃料和空气间歇式地混合以形成一系列的燃料/空气混合物；
b)还提供一个陶瓷催化剂燃烧部分，其上涂覆有一层或多层催化剂；
c)使这种燃料/空气混合物连续地传送到和通过所说陶瓷催化剂燃烧部分，
(1)经过这些催化层表面区域之上；
(2)所说表面区域具有这样的特性，使得进入和通过所说燃烧部分并经过这种区域的所说一系列燃料/空气混合物形成的燃烧气体产生选定总重量的CO2、选定总重量的水和选定总重量的CO，其中在所说的多次抽吸中产生的所说CO的总重量大约为0.2毫克。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，所说燃烧部分的形成包括以下步骤：
a)在所说部分设置一个陶瓷蜂窝基质支承体；
b)在所说基质支承体之上施加氧化铝涂层；和
c)在所说氧化铝涂层上施加催化涂层。
21、如权利要求17所述的方法，其特征在于，所说催化涂层包含二氧化铈。
22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，所说催化涂层包含硝酸铈。
23、如权利要求21所述的方法，其特征在于，所说催化涂层包含氧化铈(IV)。
24、如权利要求21所述的方法，其特征在于，所说催化涂层包含铈，此外另一涂层包含贵金属。
25、向一个人的口中提供气体物质的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一个具有烟嘴和用于容纳蜂窝材料的腔室的管；
b)用氧化铝稳定剂涂覆所说蜂窝材料；
c)干燥经过涂覆的蜂窝材料；
d)将所说蜂窝材料放入Ce(NO3)3·H2O的水溶液中；
e)搅动在所说溶液中的所说蜂窝材料；
f)加热所说蜂窝材料；
g)干燥所说蜂窝材料；
h)使燃料/空气混合物在产生热量的条件下流过所说蜂窝材料；和
i)使所说加热气体流过一个烟雾剂部分并进入所说人的口中。
26、如权利要求25所述的方法，该方法包括以下附加步骤：
a)提供一个陶瓷蜂窝基质；
b)在所说基质上施加氧化铝涂层；
c)在所说氧化铝涂层之上施加氧化铈(IV)涂层；和
d)在所说氧化铈涂层之上施加氯化铂涂层。
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