Большинство курильщиков, даже с большим стажем, совершенно не задумываются о том, как устроен сигаретный фильтр, из каких материалов он выполнен, как работает, почему он пропускает одни частицы, а задерживает другие. Им кажется это чем-то совершенно обыденным и простым
Однако за кажущейся простотой скрываются десятилетия серьезной инженерной работы, тысячи патентов на изобретения, а также миллиардные инвестиции, потраченные на их разработку и дальнейшие исследования. За прошедшие 100 лет сигаретный фильтр прошел путь от простого бумажного мундштука до высокотехнологичного инженерного устройства, которое управляет потоками воздуха, а также вкусами.
1. А что же именно фильтрует сигаретный фильтр?
Сигаретный дым представляет собой сложную аэрозольную смесь, состоящую из смол, никотина, газов, и прочих вредных веществ, таких как, например, формальдегид.
Частицы смол и никотина имеют размеры меньше микрона. Сигаретный фильтр улавливает такие частицы за счет того, что они «врезаются» в волокна фильтра на большой скорости и «прилипают» к ним. Газы же буквально «пролетают» сквозь волокна фильтра. Поэтому именно для газов инженеры начали придумывать так называемые ловушки, в том числе активированный уголь.
Главным параметром сигаретного фильтра является сопротивление затяжке, или как его еще называют RTD (от английского resistance-to-draw). Так, например, если сигаретный фильтр сделать слишком плотным, то сигарету попросту невозможно будет выкурить, а если слишком свободным, она просто мгновенно сгорит, оставляя табачный дым неочищенным. Таким образом, инженеры, разрабатывающие сигаретные фильтры, всегда стремятся найти оптимальный баланс.
2. Бумажные фильтры
Изначально, еще в начале XX века, сигаретные фильтры придумали не в качестве заботы о здоровье курильщика, а для того, чтобы предотвратить попадание частиц табака в рот. Кроме того, бумага на кончике сигареты постоянно размокала от слюны, что делало процесс курения затруднительным, или практически невозможным.
Озадачившись решением вышеуказанных проблем, венгерский изобретатель Борис Айваж получил патент (патент США US 2,064,239) на «Фильтрующую заглушку или вкладыш для сигаретных бумажных гильз», в котором предложил так называемый фильтр из крепированной (гофрированной) бумаги, которая складывалась гармошкой, а затем скручивалась в спираль и размешалась в мундштуке сигаретной гильзы с образованием множества микроканалов.
Однако, предложенное Айважем решение все же не позволило решить проблему «размокания» сигареты, поскольку бумага все равно впитывала влагу от слюны, а фильтр разбухал и сжимался, что сильно затрудняло затяжку сигареты.
3. «Смертельные» фильтры
В начале 1950-х годов были впервые опубликованы научные исследования, указывающие на прямую взаимосвязь между курением и раком легких. В попытке обезопасить курильщиков табачные компании стали активно разрабатывать новые фильтры.
Однако такая попытка не увенчалась успехом и привела к самому роковому в табачной индустрии решению, а именно выпуску американской компанией P. Lorillard Tobacco Company в 1952 году сигарет марки «Kent» с фильтром «Micronite», на который был получен патент США 2,765,515.
В выданном патенте был предложен способ изготовления фильтра табачного дыма, в котором смешивают хлопок и голубой асбест (крокидолит) в определенных соотношениях.
В телевизионной рекламе, а также в медицинских журналах отмечалось, что фильтрующий материал является настолько эффективным, что используется для очистки воздуха на атомных объектах, а также в операционных больниц, что безусловно обеспечит «высшую медицинскую защиту» от смол.
Известно, что голубой асбест обладает мощнейшими фильтрующими свойствами. Однако его игольчатые волокна являются чрезвычайно хрупкими.
При каждой затяжке сигареты курильщиком микроскопические иголки асбеста отрывались от фильтра и летели прямо в легкие. Исследования показали, что человек, выкуривавший пачку таких сигарет в день, за год вдыхал более 131 миллиона волокон асбеста, вызывающих редкую форму рака – мезотелиому. За 4 года компания продала около 13 миллиардов сигарет. Из-за жалоб на то, что сигареты «плохо тянутся» (то есть имели слишком высокое сопротивление затяжке – RTD) и портят вкус, их производство было прекращено в 1956 году.
4. Ацетатные фильтры
Приняв во внимание проблемы с бумагой и асбестом, инженеры разработали новый материал, который задерживает смолы, но не размокает и не выделяет токсинов.
В патенте США 2,794,480, полученном компанией Eastman Kodak, было предложено заменить бумагу на ацетат целлюлозы. По сути, это тончайшие ацетатные нити. Для того чтобы нити не рассыпались, их сбрызгивали пластификатором, который слегка «подплавляет» места скрепления нитей, создавая прочную структуру, которая удерживает форму, даже когда сигарету сжимают губами. Такой фильтрующий материал удерживает до половины всех смол. Именно они стал мировым стандартом.
5. «Комбинированные» фильтры
Поскольку ацетатные нити улавливали лишь смолы, а газы все равно проходили через них и попадали в легкие,инженерыпродолжили исследования, пытаясь найти мощный адсорбент, который позволил бы улавливать такие газы. И в качестве такого вещества решили использовать активированный уголь. Использование же простоактивированного угля в мундштуке фильтра приводило к тому, что курильщик по сути вдыхал угольную пыль, вызывающую колоссальные риски для здоровья.
Инженеры успешно решили данные проблемы. В патенте США 2,881,770, полученном компанией Eastman Kodak, было предложено распределять мелкозернистый активированный уголь непосредственно по поверхности ацетатных нитей. Уголь, сцепляясь с волокнами, превращал весь фильтр в губку, которая эффективно поглощала из дыма вредные газы.
В более позднем патенте США 3,251,365 идея размещения угля в фильтре была усовершенствована изобретателями Чарльзом Китом, Велло Норманом и Уильямом Бейтсом из компании Liggett & Myers. Авторы предложили так называемый двухсекционный фильтр. В первой секции размещались угольные гранулы для очистки газов, а во второй – ацетат, предотвращающий попадание угольной пылив рот курильщика. Именно эта технология легла в основу знаменитого фильтра «Gas-Trap» сигарет марки «Lark», продаваемых в 1970 годах.
6. Вентилируемые фильтры
К 1970-м годам государственные органы начали жестко контролировать табачную индустрию, используя специальные курительные машины для измерения уровня смол и никотина. Инженеры озадачились тем, как снизить показатели вредных веществ на испытаниях, проводимых с использованием таких машин, без изменения рецептуры табака и увеличения себестоимости фильтра. Решение оказалось очень простым и заключалось в вентиляции дыма наружным воздухом.
В патенте США 3,046,994, полученном компанией Olin Mathieson Chemical Corporation, описана вентилируемая сигарета, вокруг оси фильтра которой выполнено кольцо из микроотверстий для втягивания через них наружного воздуха при затяжке сигареты курильщиком.
Когда на курительной машине выполняли затяжку внутрь фильтра через микроотверстия в сигарете подсасывался атмосферный воздух, который просто «разбавлял» табачный дым, тем самым занижая концентрацию смол и никотина в отбираемой машиной пробе.
Таким образом, при исследованиях, проводимых на курительных машинах, такие вентилируемые сигареты показывали низкие уровни смол, что и стало причиной появления названий сигарет «легкие» (Lights) и «ультралегкие» (Ultra Lights). Однако в реальной жизни курильщики просто по привычке зажимали микроотверстия пальцами во время затяжки. В результате они получали совершенно такую же дозу вредных веществ, что и от обычной сигареты без вентиляции, веря при этом, что употребляют более «легкие» сигареты.
7. Фильтры-мундштуки или «утопленные» фильтры
В конце 1980-х и в 1990-х годах, когда вентиляция уже стала применяться повсеместно, инженеры столкнулись с новой проблемой. «Разбавленный» воздухом сигаретный дым втягивался легче, но его вкус и повышенная температура во рту вызывали недовольство у курильщиков. Кроме того, по мере курения торец фильтра окрашивался смолами в коричневый цвет, что вызывало некое эстетическое отторжение.
Решением стала технология «Recess» (в переводе с английского – утопленный), которая предлагала формирование некой камеры на мундштучном конце сигареты. Такая воздушная камера между фильтрующим материалом и ротовой полостью курильщика описана, например, в патенте США4,580,584, полученном компанией Brown & Williamson Tobacco Corporation, в котором ацетатный фильтр смещен ближе к табачному стержню, оставляя на конце полость.
Камера выполняла роль смесителя и охладителя. Втягиваемый через табачный стержень и ацетатный фильтр дым, а также поступающий через микроотверстия «разбавляющий» воздух, попадая в камеру смешивались, а температура снижалась, что делало затяжку более мягкой и нивелировало «удар по горлу».
Не последнюю роль сыграл психологический эффект. Коричневый цвет от уловленных смол теперь оставался внутри «утопленного» фильтра, а сигарета выглядела визуально чистой до окончания процесса курения.
И, конечно, огромное значение придавалось маркетинговым ходам. Именно вокруг этой технологии в свое время и построила рекламную компанию корпорация Philip Morris с сигаретами марки «Parliament» под слоганом: «Tobacco tastes best when the filter’s recessed» («Табак вкуснее, когда фильтр утоплен»).
8. «Капсульные» фильтры
К началу XXI века реклама табачных изделий оказалась под полным запретом в большинстве стран мира. Классические ароматизированные сигареты стали запрещать из-за их чрезмерной привлекательности для молодежи. В этот момент фокус инженерной мысли сместился с фильтрации на управление вкусами непосредственно в процессе курения.
Инженеры предложили технологию внедрения бесшовной, герметичной микрокапсулы из желатина диаметром несколько миллиметров, внутри которой находился ароматизатор. Согласно описанию к вышеприведенному патенту ароматизатор может быть как натуральным, так и синтетическим, например, освежающим, сладким, травяным, кондитерским, цветочным, фруктовым или пряным. Оболочка капсулы выполнена так, чтобы оставаться не только стабильной при хранении, но не растворяться от тепла проходящего дыма, при этом разрушаясь легко при нажатии пальцами.
В простонародье эта технология получила название «кнопка». Курильщик получил возможность самостоятельно решать в какой именно момент затяжки изменить вкус сигареты – в самом начале, в середине или в самом конце. На рынке также представлены сигареты с двумя «кнопками», позволяющими курильщику выбирать вкус. Таким образом, ацетатный фильтр перестал быть просто защитником, превратившись во что-то большее.
9. Биоразлагаемые фильтры
К 2010-м годам было выявлено, что ацетат целлюлозы, ставший спасением в 1950-х годах, на самом деле является разновидностью пластика, что вызвало экологический скандал в области табачной продукции. По подсчетам ежегодно в мире выбрасывается около 4,5 триллионов окурков, делая их самым распространенным видом пластикового мусора на планете. Обычный ацетатный фильтр разлагается в почве от 10 до 15 лет, распадаясь на токсичный микропластик.
В ответ на постоянное ужесточение экологических требований, таких, например, как определены в Директиве ЕС об одноразовых пластиках, предусматривающих сокращение использования пластиков, вектор инженерной мысли кардинально изменился. Не является исключением и табачная промышленность, одной из приоритетных целей которой стало проведение разработок и исследований по созданию фильтров, способных «бесследно исчезать» в природе за недели. Эти исследования развернулись сразу по нескольким направлениям:
а) Растворимые адгезивы
В патенте США 5,453,144, полученном компанией National Starch And Chemical Investment Holding Corporation, был предложен инновационный подход к сборке фильтра. Вместо стандартных химических клеев использовался чувствительный к воде термоклей для скрепления продольного шва ободковой бумаги. Как только окурок попадал под действие воды, клей мгновенно растворялся и фильтр физически распадался на тысячи отдельных волокон, что ускоряло его разложение микроорганизмами.
б) Биоразлагаемые оболочки
В патенте США 5,709,227, полученномкомпанией R. J. Reynolds Tobacco Company, была предложена «разлагаемая» сигарета. Авторы разработали многослойную внешнюю оболочку фильтра на основе водорастворимых и быстроразрушаемых видов бумаги. Это решило проблему изоляции фильтра от внешней среды. Внешняя гильза разрушалась под действием влаги, позволяя аэробным бактериям «перейти» к фильтру.
в) Лиоцелл
Идея заменить синтетический ацетат целлюлозы на Лиоцелл (Lyocell), который представляет собой экологически чистое волокно из древесной целлюлозы, возникла еще в середине 1990-х годов. Однако долгие годы инженеры не могли заставить это жесткое растительное волокно правильно гофрироваться на сверхскоростных станках. Прорывом в этой области стал решение, описанное в патенте США 11,330,836, полученном совместно компаниями Kolon Industries Inc. и KT&G Corporation, в котором предложено гофрировать волокна из Лиоцелла с 25-30 изгибами на дюйм, позволяя материалу повторять все физические свойства и удержание смол привычного сигаретного фильтра. Однако, в отличие от пластика, этот материал на 100% разлагается в почве без остатка.
10. Заключение
За прошедшие 100 лет «простой» элемент на кончике сигареты превратился из защитника ротовой полости от табачных крошек в сложнейшее устройство. На стыке эволюции фильтров сошлись физика аэрозолей, органическая химия, инженерия, пищевые технологии, а теперь – и биоинженерия. Какими бы ни были вызовы будущего, сигаретный фильтр уже доказал, что за его внешней простотой всегда стоит колоссальная работа инженеров и ученых.
Автор: Ашихин Денис Александрович – юрист фирмы «Городисский Партнеры»,
патентный поверенный РФ, Евразийский патентный поверенный
