Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 13
1.1 Разработка способов уменьшения токсичности курительных изделий 13
1.1.1 Возможности конструирования сигарет по показателям безопасности 13
1.1.2 Моделирование сигарет путем применения различных видов бумаги 20
1.1.3 Улучшение свойств табачного дыма путем ароматизации табака 24
1.2 Разработка способов эффективного воздействия на состав и физические свойства табака 26
1.2.1 Ароматизация и соусирование табака 27
1.2.2 Вентиляционная способность сигареты 30
1.2.3 Фильтрация табачного дыма 30
1.3 Выводы из литературного обзора 36
2 Объекты и методы исследований 37
2.1 Схема исследования, сырье и материалы 37
2.2 Характеристика образцов 39
2.3 Методы анализа сигарет 43
2.3.1 Определение показателей качества резаного табака для курительных изделий 43
2.3.2 Определение показателей качества сигарет и фильтрующих мундштуков 47
2.3.3 Оценка качества табачных изделий по химическому составу табачного дыма
3 Результаты экспериментальных исследований и их интерпретация 52
3.1 Подготовка ароматизированной соусированной табачной мешки
при разработке новых видов сигарет 52
3.1.1 Участок обработки табаков Берлей 52
3.1.2 Участок переработки табачной жилки 61
3.1.3 Производство ароматизированной соусированной табачной мешки 70
3.2 Физические методы регулирования основного потока табачного дыма 77
3.2.1 Перфорация сигаретной и ободковой бумаги 77
3.2.2 Использование пластификаторов в производстве ацетатных сигаретных фильтров 81
3.2.3 Параметры, влияющие на жесткость ацетатных сигаретных фильтров 82
3.3 Влияние параметров фильтра на его удерживающую способность 85
3.3.1 Влияние перепада давления фильтра на его удерживающую способность 89
3.3.2 Влияние длины фильтра на его удерживающую способность 90
3.3.3 Влияние диаметра фильтра на его удерживающую способность 91
3.3.4 Влияние элементарного денье на его удерживающую способность 93
3.4 Лабораторный контроль физико-химических показателей качества табака при производстве сигарет 95
3.4.1 Физико-химические аспекты контроля фракционного состава табачной жилки 95
3.4.2 Анализ влажности табака при производстве сигарет 100
3.5 Конструирование и разработка новых видов сигарет по
регламентируемым параметрам токсичности табачного дыма 105
3.5.1 Удерживающая способность и селективные свойства сигаретных фильтров 106
3.5.2 Определение диаметра, сопротивления затяжке,
жесткости и упругости фильтрующих мундштуков 109
3.5.3 Физико-химический анализ проектируемых сигарет по программе «Cigarette designer» 113
3.5.4 Расчет конструкции сигарет по программе «Cigarette designer» 124
4 Экономическая эффективность разработанной технологии 136
4.1 Производственные испытания новых видов курительных
изделий повышенной безопасности 136
4.2 Экономический эффект от внедрения новых видов курительных изделий повышенной безопасности 138
Заключение 142
Литература
- Разработка способов эффективного воздействия на состав и физические свойства табака
- Определение показателей качества резаного табака для курительных изделий
- Физические методы регулирования основного потока табачного дыма
- Экономический эффект от внедрения новых видов курительных изделий повышенной безопасности
Разработка способов эффективного воздействия на состав и физические свойства табака
В случае, если курительное изделие имеет два табачных стержня с мундштучной частью, то соединение двух табачных стержней возможно выполнить разъемным [113]. Благодаря этой конструкции табачный дым будет иметь меньшее содержание смолы. Для изменения потока табачного дыма курительное изделие имеет табачный стержень и фильтр, состоящий из первого отрезка, прилегающего к табачной части стержня, и второго отрезка, присоединяемому к первому отрезку [84].
Внедрены в производство следующие конструкции сигарет: для уменьшения объема дыма путем изменения перепада давления [115]; путем использования вентилируемого фильтра [80]; сдвоенные сигареты, которые можно разделить на два отрезка [37, 140]. Возможно производство сигарет с жесткими показателями безопасности, но при этом при их выкуривании создается имитация крепких сигарет. Такой эффект достигается благодаря введения в табачную мешку сигарет раздражителей [88].
Конструкция сигареты может иметь два фильтра, которые расположены с двух сторон от табачного стержня [141], дополнительно усиленный фильтр в виде плотной части [131], фильтр из непроницаемого материала [108, 109], воздухопроницаемую оболочку, предназначенную для хранения [76], с изолятором горючего материала [75]. Сигарета имеет наполнитель, включающий табачные волокна, получаемые при резке табачного листа, обернутый бумажным материалом [55, 85].
Курительное изделие содержит стержень из курительного материала, заключенный в цилиндрическую бумажную оболочку, длина которой больше длины стержня из курительного материала [19, 81]. Участок бумажной оболочки выполнен с треугольными складками. Изделие содержит стержень из курительного материала, который заключен в бумажную обертку и элемент для зажигания [20]. Сигарета содержит курительный стержень с покровным материалом и определенным количеством курительного материала [62]. Включают табачную крошку, и фильтр, находящийся у одного конца курительного стержня.
Сигарета с фильтром содержит стержень с цилиндрической трубкой, содержащей резаный табачный материал, обернутый слоем восстановленного табачного материала [41,78]. Стержень сигареты обернут пористым бумажным покровным материалом.
Курительное изделие, в котором используют пар в качестве аэрозоль образователя, имеет негорючий держатель с отверстиями для прохождения потока воздуха [118]. Держатель состоит из корпуса, включающего две секции из материалов невысокой и высокой теплопроводности. Для уменьшения содержания монооксида углерода разработаны сигареты с микроотверстиями в ободковой бумаге [57].
Табачное изделие включает сигаретную трубку для удерживания табачного материала, который готовит потребитель в соответствии с собственным вкусом [68,130]. Известны конструкции сигарет, обеспечивающие требуемые показатели безопасности табачного дыма благодаря бумаге необходимой воздухопроницаемости [54,133]. Сигареты с фильтром содержат стержень курительного материала, обернутый в сгорающую оболочку, и фильтр, присоединенный к одному концу этого стержня [44,60]. Фильтр является многокомпонентным и содержит активированный уголь. Возможно введение в фильтр крахмалосодержащего материала [61] и дополнительного микрофильтра [43,114]. Также предусмотрено двойное фильтрование в целях снижения показателей безопасности табачного дыма сигарет [58,79]. Сигаретная бумага может содержать мелко молотый уголь [39,123].
Короткие сигареты, а именно сигареты с фильтром (традиционной толщины или экстратонких) предназначены для короткого курения и незначительного потребления табака и вредных веществ [87]. При этом заполненная табаком часть и, следовательно, абсолютное количество табака существенно сокращается, и соответственно удлинена часть фильтра, причем между мундштучной частью фильтра и передней заполненной табаком частью устанавливают полный или заполненный промежуточными пластинками проницаемый промежуточный фильтр.
Курительное изделие, обеспечивающее уменьшение вредного воздействия курения, состоит из участка стержня с табачным материалом и участком фильтра, соединяющегося с табачным стержнем [122]. Табачный стержень разделен на два участка, в одном из которых находится табачный материал, а в другом - семена душистого растения Agalloch, обладающего целебными свойствами.
Курительное изделие (такое как сигарета, сигара, кальян или трубка) регулирует образование смол и монооксида углерода при сохранении требуемого аромата [112]. На участке одного конца стержня сигареты находится вещество, продуцирующее дым, проходящий через противоположный конец, оснащенный фильтром. Между двумя концами стержня сигареты расположен канал. Фильтр обернут пористой бумагой и слоем покровного бумажного материала, в котором выполнены вентиляционные отверстия, образующие кольцо вокруг цилиндрического фильтра. Внутри стержня изделия находится дополнительный инкапсулированный курительный состав, содержащий вещество из группы, включающей ароматизаторы, фармакологически активные вещества и модификаторы дыма.
Определение показателей качества резаного табака для курительных изделий
Стандарт устанавливает метод определения степени вентиляции сигарет, применяется для определения степени вентиляции круглых и овальных сигарет, изготовленных из обычной или пористой сигаретной и ободковой бумаги, а также с нанесенной на сигаретную или ободковую бумагу искусственной перфорацией.
Вентилирование – та часть воздуха, которая попадает через любую часть сигареты, кроме конца, предназначенного для зажигания. Передняя зона – конец сигареты, предназначенной к зажиганию. Разбавление - эффект вентилирования на выходе воздуха из сигареты. Общее вентилирование -общее количество воздуха, попадающее в сигарету при вентилировании. Составляющие общего вентилирования - воздух, проходящий через сигаретную или ободковую бумагу и другие части сигареты.
Степень вентиляции - отношение потока вентилированного воздуха к общему потоку воздуха через конец сигареты, находящийся во рту, измеренное при одном и том же давлении, температуре и гигрометрических условиях и выраженное в процентах.
ГОСТ Р 51295-99 (ИСО 2965-97) Бумага сигаретная, бумага для обертки фильтров, бумага ободковая, включая бумагу с перфорацией. Определение воздухопроницаемости
Стандарт устанавливает метод определения воздухопроницаемости сигаретной бумаги, бумаги для обертки фильтров и ободковой бумаги, включая бумагу с перфорацией, воздухопроницаемость которых составляет свыше 10 см3 при перепаде давления 1 кПа.
Испытуемый образец закрепляем в держателе прибора. Устанавливаем перепад давления между двумя поверхностями образца и измеряем проходящий через него поток воздуха. Поток воздуха проходит через образец путем воздействия положительного или отрицательного давления на одну из его сторон. Направление потока воздуха через образец должно быть таким же, как и у готового изделия, т.е. от лицевой стороны к внутренней стороне. Воздухопроницаемость ВП см3 (мин l х см"2) зоны измерения площадью 2 см2 определяем по формуле 2 где Q - расход воздуха, в см3 х мин"1. На практике при измерении Q - разность давлений не соответствует только 1 кПа и поэтому проводим корректировку результата до 1 кПа. 2.3.3 Оценка качества табачных изделий по химическому составу табачного дыма
ГОСТ 30038-93 (ИСО 2881-77) Табак и табачные изделия. Определение алкалоидов в табаке. Спектрофотометрический метод
Измельченную пробу табака подвергаем перегонке с водяным паром в сильном щелочном растворе, затем проводим спектрофотометрическое определение содержания алкалоидов в дистилляте и вычисление процентного содержания в пересчете на никотин.
ГОСТ 30422-96 (ИСО 3612-75) Табак и табачные изделия. Сигареты. Определение скорости свободного горения
При свободном горении через сигарету воздух не просасывается. Скоростью свободного горения является отношение длины сгоревшее сигареты ко времени ее свободного горения (в мм/мин). Коэффициентом горения является отношение массы табака в сигарете ко времени, которое необходимо для полного сгорания сигареты (мг/мин). Уклоном свободного горения является отношение потери массы в сигарете ко времени, которое необходимо для свободного горения сигареты (мг/мин). Внутренним горением является отношение потери массы в сигарете в результате свободного горения к массе, имеющейся первоначально в сигарете, %.
Прямой метод. Определяем время свободного горения каждой из 10 сигарет до определенной длины и рассчитываем скорость горения. На других 10 сигаретах определяем среднюю массу табака, содержащегося в сгоревшей части сигарет, и рассчитываем коэффициент горения.
Косвенный метод. Определяем время, необходимое для свободного сгорания 10 сигарет определенной длины, при этом непрерывно фиксируем потерю массы, собираем пепел и взвешиваем его. Расчет показателя горения и внутреннего горения сигарет проводим на основе графической записи скорости свободного горения.
ГОСТ 30438-2003(ИСО 3400-97) Сигареты. Определение содержания алкалоидов в конденсате дыма. Спектрометрический метод Метод заключается в следующем. Перегоняют с паром в два этапа аликвотную часть раствора; затем его подкисляют минеральной кислотой, удаляют кислые и нейтральные вещества, которые в результате дистилляции могут уноситься с паром. После подщелачивания осуществляют дистилляцию никотина в растворе. Проводят измерение на спектрофотометре, определяя щелочную поглощаемость дистиллята. Делают расчет содержания никотина. ГОСТ 30569-98 (ИСО 3401-91) Сигареты. Определение удерживания алкалоидов фильтрами. Спектрометрический метод
Прямой способ. Прокуривание сигарет с фильтром проводим на обычной лабораторной курительной машине. Затем отделяем фильтрующие мундштуки от окурков сигарет. После добавления метанола к фильтрующим мундштукам проводим перегонку с водяным паром из кислой среды для удаления летучих нейтральных и кислых веществ; дистиллят удаляем. Остаток в дистилляционной колбе подщелачиваем сильной щелочью, а затем отгоняем алкалоиды с водяным паром. Определение содержания алкалоидов проводим путем спектрометрического измерения абсорбции дистиллята, полученного при щелочной дистилляции. Вычисляем массу алкалоидов в пересчете на никотин.
Косвенный способ. Прокуривание сигарет с фильтром проводим на обычной лабораторной курительной машине. Проводим сбор конденсата главной струи дыма, подготовку метанольного раствора конденсата и определение массы алкалоидов путем дистилляции. Удаляем фильтрующий материал из второй пробы идентичных сигарет с фильтром. Прокуривание оставшихся частей сигарет с фильтром проводим на курительной машине. Проводим сбор конденсата главной струи дыма, подготовку метанольного раствора конденсата и определение содержания алкалоидов дистилляцией.
Коэффициент удерживания алкалоидов (никотина) фильтров сигареты Rник – это отношение, выраженное в процентах, массы алкалоидов, удержанных фильтром, к массе алкалоидов, поступающих в фильтр.
Физические методы регулирования основного потока табачного дыма
Элементарную нить ацетатного волокна, которую также называют филаментой, обычно характеризуют величиной элементарного денье – массой в граммах 9000 м одной гладкорастянутой нити. Общее денье – это сумма элементарных денье в целом для жгута волокон, из которых изготовлен фильтр. Элементарное денье ацетатных волокон, используемых для изготовления сигарет, изменяется в широком диапазоне: от 1,5 до 8 г. Это эквивалентно диаметру круглого сечения от 20 до 40 мкм. Элементарные волокна отличаются друг от друга не только величиной денье, но и формой сечения. Различную форму сечения достигают путем применения различного рода фильер в процессе изготовления волокон. Y-форма является наиболее оптимальной, т.к. при равных материальных затратах достигают наибольшую фильтрующую поверхность, прочность при растяжении, и в конечной счете лучшее удерживание веществ табачного дыма. Удельная поверхность такого волокна составляет около 0,8 м2/г, что соответствует примерно 1000 см2 на сигаретный фильтр длиной 20 мм.
Ацетатный фильтр, изготовленный из жгута ацетатных волокон, должен обладать определенной жесткостью, необходимой в процессе изготовления сигарет с фильтром и их упаковки. Для придания повышенной жесткости ацетатному фильтру во время изготовления на волокна наносится так называемый пластификатор (в количестве 3-7% от массы фильтрующего материала). Обычно для этих целей применяют триацетин (глицеринтриацетат). Обработка волокна пластификатором способствует растворению наружного слоя нитей, в результате чего в местах пересечения их образуются спайки. В конечном счете возникает жесткая каркасная система, в которой все нити в большей или меньшей мере связаны между собой. Если ацетатный фильтр имеет, например, характеристику 2,5Y40000, то это означает: элементарное волокно имеет 2,5 денье и Y-форму поперечного сечения. Общее денье жгута волокон равно 40000, что соответствует примерно 16000 волокон.
Все химические и физические изменения происходят в горящей сигарете. Табачный дым представляет собой аэрозоль и состоит из микроскопических частиц не полностью сгоревших органических веществ, углерода, золы и других нелетучих соединений. Горящую часть сигареты делят на несколько зон: зона горения, зона пиролиза и зона дистилляции.
Зона горения имеет температуру около 800оС. Отсюда частицы дыма (частично сгоревшие органические вещества, углерод, зола и другие соединения) выносятся потоком воздуха. Зона пиролиза – это область, расположенная непосредственно позади зоны горения, которая продуцирует сотни летучих компонентов. Эти компоненты начинают конденсироваться на частичках углерода, золы и других соединений, которые образовались в зоне горения. Эта конденсация формирует аэрозоль, из которого состоит дым.
Зона дистилляции – это весь отрезок табачного штранга, который находится позади зоны горения и пиролиза. За время менее чем 0,2 секунды с начала затяжки, табачный дым, образовавшийся в зоне пиролиза и имеющий температуру около 800оС, проходит зону дистилляции и покидает фильтр с температурой чуть выше комнатной.
После зоны дистилляции табачный дым попадает в фильтр. Ацетатные волокна в фильтре ориентированы под углом примерно 30о по направлению к потоку дыма. При нормальных условиях поток дыма через ацетатный фильтр – ламинарный.
Фильтрация частиц табачного дыма является механическим процессом, основанным на том, что каждый контакт частицы с волокном будет иметь эффект благодаря поверхностным силам частицы аэрозоля задерживаются на волокне, с которым контактирует во время прохождения через фильтр.
Ацетатные нити расположены по объему фильтра на определенном расстоянии друг от друга (примерно 100 микрон). Размер же частицы дыма примерно равен 0,1-2 микронам. Поэтому ацетатный фильтр удерживает частицы дыма не с помощью эффекта «сита», а с помощью других механизмов. Эти механизмы фильтрации называются: прямой перехват (Direct Interception), инерционное столкновение (Inertial Impaction) и диффузионное осаждение (Diffusional Deposition).
Механизм прямого перехвата – когда частица табачного дыма проходит через ацетатное волокно, то она сталкивается с ним и удаляется из потока табачного дыма.
Механизм инерционного столкновения – когда частица табачного дыма обладает достаточной инерцией, чтобы отклониться из потока дыма и продолжить путь напрямую. При контакте с волокном фильтра частица изымается из потока дыма. При этом фильтруются крупные, быстро двигающиеся частицы.
Механизм диффузионного осаждения – когда частицы находятся достаточно близко к волокну, то они захватываются волокном. В потоке дыма наблюдается броуновское движение: случайное движение микроскопических частиц, являющееся результатом столкновения с молекулами, находящимися в окружающем газе. В результате некоторые частицы дыма пересекают общий поток дыма. При этом захватываются мелкие, медленно двигающиеся частицы.
Удерживающая способность фильтра – основной параметр фильтра, от которого зависит выход компонентов дыма (смолы, никотина, монооксида углерода и др.).
На удерживающую способность фильтра влияют следующие параметры фильтра: размеры фильтра (длина и диаметр), перепад давления фильтра и элементарное денье волокна.
Повышение перепада давления фильтра увеличивает его удерживающую способность, уменьшает выход смолы и никотина, не изменяет выход компонентов газовой фазы дыма, увеличивает жесткость фильтра, увеличивает вес фильтра и потребность в волокне. На удерживающую способность никотина влияет не только повышение перепада давления фильтра, но и элементарное денье фильтра (таблица 9). Перепад давления фильтра повышается с увеличение веса фильтра, длины фильтра, угла крепирования фильтра, от специфической поверхности волокна (в соответствии с уменьшением элементарного денье при постоянном общем денье). Перепад давления фильтра уменьшается при увеличении диаметра фильтра, при увеличении неравномерности формирования фильтропалочки, при увеличении элементарного денье.
Экономический эффект от внедрения новых видов курительных изделий повышенной безопасности
При этом последовательно читаем диалоги (рисунки 12-19), в которые вводим планируемые значения показателей с целью решения задачи получения сигарет с заданными параметрами токсичных веществ дыма. Процесс конструирования сигарет с заданными параметрами токсичных веществ дыма носит итерационный характер, поскольку в большинстве случаев получение требуемых результатов происходит в несколько этапов.
Расчет конструкции сигарет по программе «Cigarette Designer» Проводим конструирование сигарет мешек 1, 2, 4 типов «полный вкус», «легкие», «супер легкие» с помощью программного обеспечения «Cigarette Designer 3.0». В результате получаем сигареты с заданными параметрами смолы и никотина (таблицы 28-30).
Для сигарет мешки 1 типов «легкие», «супер легкие» используем характеристики сигарет типа «полный вкус».
Для этого заносим значения, полученные при производстве пробной партии сигарет типа «полный вкус» (таблица 25) в соответствующие поля, появляющиеся в процессе работы в программе. После того, как все необходимые параметры базовой сигареты типа «полный вкус» внесены, производим копирование этих данных для создания новой конструкции сигареты. Для получения сигареты типа «легкие» изменяем ряд параметров сигарет типа «полный вкус» – в данном случае следующие
Для достижения необходимого результата подобную операцию провели несколько раз. В результате получены значения выхода смолы и никотина для сигарет типа «легкие», которые составили соответственно 8,1 мг/сиг и 0,59 мг/сиг. Аналогично произвели расчет конструкции сигарет типа «супер легкие», при этом изменениям подверглись следующие показатели: - воздухопроницаемость ободковой бумаги со 180 CU до 560 СU; - тип перфорации (с электроперфорации на микролазерную); - число перфорационных дорожек; - воздухопроницаемость фицеллы с 6000 CU до 24000 CU; - воздухопроницаемость сигаретной бумаги; - длина фильтра со 20 мм до 25 мм; - длина окружности фильтра со 120 мм до 100 мм; - сопротивление затяжке с 370 мм в.ст. до 410 мм в. ст.; - общее денье с 35000 den до 37000 den; - элементарное денье с 3,0 den до 2,5 den; - длина табачного жгута с 63 мм до 58 мм.
Получены данные по выходу смолы и никотина в дым сигарет типа «супер легкие», которые составили соответственно 5,0 мг/сиг и 0,40 мг/сиг.
Для сигарет мешки 2 типов «легкие», «супер легкие» используем характеристики сигарет типа «полный вкус».
Для этого заносим значения, полученные при производстве пробной партии сигарет мешки 2 типа «полный вкус» (таблица 25) в соответствующие поля, появляющиеся в процессе работы в программе. После того, как все необходимые параметры базовой сигареты типа «полный вкус» внесены, производим копирование этих данных для создания новой конструкции сигареты. Для получения сигареты типа «легкие» изменяем ряд параметров сигарет типа «полный вкус» – в данном случае следующие показатели: - воздухопроницаемость ободковой бумаги со 180 CU до 400 СU; - тип перфорации (с электроперфорации на микролазерную); - добавлено число перфорационных дорожек; - воздухопроницаемость фицеллы с 6000 CU до 16000 CU; - воздухопроницаемость сигаретной бумаги с 49 CU до 50 CU; - увеличена длина фильтра со 20 мм до 25 мм; - сопротивление затяжке с 370 мм в.ст. до 410 мм в. ст.; - общее денье с 35000 den до 35000 den; - элементарное денье с 3 den до 2 den.
Для достижения необходимого результата подобную операцию провели несколько раз. В результате получены значения выхода смолы и никотина для сигарет типа «легкие», которые составили соответственно 5,9 мг/сиг и 0,49 мг/сиг.
Получены данные по выходу смолы и никотина в дым сигарет типа «супер легкие», которые составили соответственно 3,9 мг/сиг и 0,34 мг/сиг.
Для сигарет мешки 4 типов «легкие», «супер легкие» используем характеристики сигарет типа «полный вкус».
Для этого заносим значения, полученные при производстве пробной партии сигарет мешки 4 типа «полный вкус» (таблица 25) в соответствующие поля, появляющиеся в процессе работы в программе. После того, как все необходимые параметры базовой сигареты типа «полный вкус» внесены, производим копирование этих данных для создания новой конструкции сигареты. Для получения сигареты типа «легкие» изменяем ряд параметров сигарет типа «полный вкус» – в данном случае следующие показатели:
Для достижения необходимого результата подобную операцию проводят несколько раз. В результате получены значения выхода смолы и никотина для сигарет типа «легкие», которые составили соответственно 6,0 мг/сиг и 0,48 мг/сиг.
Получены данные по выходу смолы и никотина в дым сигарет типа «супер легкие», которые составили соответственно 1,0 мг/сиг и 0,09 мг/сиг.
Таким образом, получена возможность сравнения точности расчета конструкции сигареты и точности прогнозирования программным обеспечением химического состава дыма. Для этого сравним данные по количественному содержанию смолы, никотина и оксида углерода, полученные в лабораторных условиях при помощи лабораторного оборудования с данными, полученными при расчете с помощью программного обеспечения.