DE19536505A1

DE19536505A1 - Biologisch abbaubares Filtermaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19536505A1
Application number: DE19536505A
Authority: DE
Inventors: Juergen Loercks; Harald Schmidt
Original assignee: Biotec Biologische Naturverpackungen & Co Produktions- und Marketing Kg 46446 Emmerich De GmbH; BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
Current assignee: BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-10
Also published as: WO1997012528A1; KR19990044684A; CA2233368C; EP0861036A1; ATE188599T1; AU696205B2; GR3032900T3; KR100261855B1; PL180599B1; TW546125B; AU7215996A; ID18221A; CO4750781A1; JP3266272B2; DE59604195D1; BR9611208A; AR003751A1; ZA968199B; CA2233368A1; PL325968A1

Description

Die Erdung betrifft ein biologisch abbaubares Filtermate rial aus nachwachsenden Rohstoffen zur Verwendung als Ta bakrauchfilterelement von Zigaretten, Zigarren oder Pfeifen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Raucherartikel wie z. B. Zigaretten haben eine zylindrische Form, in der das rauchbare Tabakmaterial in geschredderter Form von einer Hülle aus Papier umgeben ist. Überwiegend be sitzen diese Zigaretten an einem Ende ein Filter, das mit der Zigarette durch eine Banderole verbunden ist. Filterele mente und Zigarettenfilter sind in der Literatur umfangreich als Filtertow beschrieben. Für die Herstellung von Zigaret tenfilter wird üblicherweise ein Fasermaterial aus den Werk stoffen Cellulose-2,5-acetat oder Polypropylen verwendet. Bekannt ist ferner die Verwendung von Papier oder Watte. Ge mäß bekannten Verfahren wird Celluoseacetatfasermaterial im wesentlichen nach dem Düsenspinnverfahren hergestellt. Aus den Celluloseacetatfilamenten und/oder aus Celluloseacetat spinnfasern, die gekräuselt bzw. stauchkammergekräuselt sind, werden die Filtertows zunächst als Filterstäbe herge stellt, indem das gekräuselte Band gestreckt, im Volumen vergrößert und in einer Formatiereinrichtung auf die ge wünschte Dimension gebracht und mit Papier umwickelt wird. Die Cellulose-2,5-acetatrohstoffe werden üblicherweise mit Glycerinacetat als Weichmacher compoundiert, welches nicht unproblemantisch im Tabakrauch enthalten ist. Zur Definition und Beschreibung eines Filtertows und Tabakrauchfilterele mentes wird auf die DE-A-41 09 603 und die DE-A-10 79 521 verwiesen. Verfahren zur Herstellung von Filtertows und Fil terzigaretten werden u. a. in den Druckschriften US-A-5 402 802, DE-A-41 09 603, JP-A-5 377 812, EP-A-0 285 811, WO 93/02070, JP-A-5 392 586, WO 92/15209, und EP-A-0 641 525 beschrieben. Ebenso wurden zahlreiche Vorschläge zur Her stellung und Verwendung von biologisch abbaubaren Zigaret tenfiltern veröffentlicht, die auf Basis von Celluloseester und/oder Polyhydroxybuttersäure (PHB) bzw. einem Copolymer aus Polyhydroxybuttersäure/Polyhydroxyvaleriansäure (PHB/PHV) hergestellt werden, z. B. DE-A-43 22 965, DE-A- 43 22 966, DE-A-43 22 967. Um eine beschleunigte biologische Abbaubarkeit von Cellulosediacetaten zu erreichen, die unter normalen Klimabedingungen erst in ein bis zwei Jahren biolo gisch abgebaut sind (M. Korn, Nachwachsende und bioabbaubare Materialien im Verpackungsbereich, 1. Auflage, 1993 Verlag Roman Kovar, München, Seite 122), sind vielschichtige Problemlösungen bekannt. In der EP-A-0 632 968 wird die Ver wendung von cellulosekettenspaltenden Enzymen und in der DE- A-43 22 966 die Verwendung der abbaufördernden Zusatzstoffe Harnstoff und Harnstoffderivate vorgeschlagen. Auch der EP- A-0 632 970 liegt das Problem der Beschleunigung der Abbau geschwindigkeit von Celluloseacetatfiltern zugrunde, das durch eine Additivierung mit Stickstoffverbindungen gelöst werden soll. In der DE-A-43 25 352 wird vorgeschlagen ein mit ε-Caprolacton modifiziertes Celluloseacetat zur Her stellung von Filamenten zu verwenden. Die EP-A-0 632 969 zeigt ein abbaubares Celluloseacetat mit niedrigem Substitu tionsgrad (Celluloseacetat mit einem Substitutionsgrad von < 2 gilt als schwer abbaubar). Die EP-A-0 597 478 offenbart ein Celluloseacetat mit einem Substitutionsgrad < 2,15 und abbaubeschleunigenden Additiven wie Polycaprolacton. Die EP- A-0 634 113 beschreibt ein Tabakfilter und ein Verfahren zu seiner Herstellung auf Basis von Celluloseestermonofilamen ten unter Verwendung von bis zu 30% wasserlöslichen Polyme ren, z. B. Stärken, um die Abbaubarkeit des Filtertows zu verbessern. Die EP-A-0 641 525 schlägt zur Verbesserung der Abbaubarkeit von Zigarettenfiltern auf Basis von Cellulose acetat(-fasern) die Mitverwendung von wood pulp vor. Auch die US-A-5 396 909 beschreibt ein Zigarettenfilter mit einem Filtertow aus Celluloseacetat. Die WO 93/07771 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Zigarettenfilters aus Cellulose-2,5-acetat, für welches durch die Mitverwendung von Stärke die Abbaugeschwindigkeit beschleunigt werden soll. Die EP-A-0 597 478 betrifft ein biologisch abbaubares Celluloseacetat mit einem Substitutionsgrad von 1,0 bis 2,15 zur Verwendung als Rohstoff für die Herstellung von u. a. Zi garettenfiltern. Die EP 0 539 191 zeigt ein leichtgewichti ges Zigarettenfilter, in dem das Filtermaterial teilweise aus einem geschlossenporigen Schaum besteht. Dadurch wird eine Gewichtsreduktion des Filters erreicht. Eine verbes serte biologische Abbaubarkeit offenbaren die DE-A-40 13 293 und die DE-A-40 13 304 durch Verwendung des Biopolymers Po lyhydroxybuttersäure und/oder des Copolymers Polyhydroxybut tersäure-Polyhydroxyvaleriansäure (PHB/PHV) als Faserroh stoff zur Herstellung eines Filtertows.

Wie diese Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten zeigen, besteht aufgrund des gestiegenen Umweltbewußtseins das Bedürfnis nach einem verbesserten Filtermaterial, z. B. für Zigaretten filter, mit insbesondere guten biologischen Abbaueigenschaf ten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filtertow bzw. ein Filter material aus nachwachsenden Rohstoffen zur Herstellung von Zigarettenfiltern bzw. Filtern für Raucherwaren bereitzu stellen, das gute Filtereigenschaften aufweist, keine Beein flussung des Rauchgenusses bzw. Aromaverlust verursacht und dessen biologische Abbaubarkeit verbessert wird.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, ein Filtertow bzw. Filtermaterial aus Fa sern und Filamenten aus Biopolymeren auf Basis von thermo plastischer Stärke und deren Polymermischungen herzustellen.

Biopolymere Werkstoffe aus nachwachsenden Agrarrohstoffen sind in den letzten Jahren aus mehreren Gründen in den Mit telpunkt des öffentlichen Interesses gerückt. Die Gründe hierfür sind beispielsweise die Innovation in der Entwick lung von Werkstoffen aus Biopolymeren, die Schonung fossiler Rohstoffe, die Reduktion des Müllaufkommens durch schnelle, vollständige biologische Abbaubarkeit im natürlichen Kreis lauf, der Klimaschutz durch Verringerung der CO₂-Freiset zung, sowie Verwendungsmöglichkeiten für die Landwirtschaft. Mit dem erfindungsgemäßen Filtertow aus Biopolymeren verse hene Zigarettenfilter werden nach dem Gebrauch durch natür liche Zersetzungsprozesse schnell biologisch abgebaut und stellen eine Problemlösung dar, beispielsweise hinsichtlich der Vermeidung von Verstopfungen und Funktionsstörungen in Kläranlagen, die durch abgerauchte Zigarettenreste verur sacht werden, die hauptsächlich über das öffentliche Kanal netz eingeschwemmt werden. Die verwendeten Biopolymere, im wesentlichen bestehend aus Stärkewerkstoffen mit thermopla stischen Eigenschaften, zerfallen in kurzer Zeit in die Aus gangsprodukte Kohlendioxid und Wasser, wenn sie der Witte rung unter weiterer Einwirkung von Mikroorganismen ausge setzt werden oder ins Abwasser gelangen. Besonders vorteil haft ist ferner, daß ein derartiges Tabakrauchfilter die Teer- und Kondensatgehalte im Tabakrauch reduziert, ohne den Rauchgenuß geschmacklich zu beeinflussen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen und da zugehörenden Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus Stärkepolymerfasern,

Fig. 1a einen Querschnitt eines nach Fig. 1 hergestellten Filterelementes,

Fig. 1b einen Längsschnitt eines nach Fig. 1 hergestellten Filterelementes,

Fig. 1c einen Längsschnitt einer Zigarette mit einem nach Fig. 1 hergestellten Filter,

Fig. 2 ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus biopolymeren Folien.

Fig. 2a einen Querschnitt eines nach Fig. 2 hergestellten Filterelementes,

Fig. 2b einen Längsschnitt eines nach Fig. 2 hergestellten Filterelementes,

Fig. 2c einen Längsschnitt einer Zigarette mit einem nach Fig. 2 hergestellten Filter,

Fig. 3 ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus Stärkeschaum,

Fig. 3a einen Querschnitt eines nach Fig. 3 hergestellten Filterelementes,

Fig. 3b einen Längsschnitt eines nach Fig. 3 hergestellten Filterelementes,

Fig. 3c einen Längsschnitt einer Zigarette mit einem nach Fig. 3 hergestellten Filter,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der biologischen Ab baubarkeit verschiedener Filtermaterialien.

Die zur Herstellung von Filterelementen aus dem erfindungs gemäßen Filtertow bzw. Filtermaterial verwendeten Stärke werkstoffe haben thermoplastische Eigenschaften, die eine Verarbeitung nach Adaption der Betriebsbedingungen ähnlich der synthetischen Polymeren und/oder Celluloseacetaten im "Melt Blown"-Verfahren oder im Spinnvliesverfahren ermögli chen. Das "Melt Blown"-Verfahren zur Herstellung von biopo lymeren Fasern aus einer Schmelzespinnmasse benutzt eine Ex trusionsanlage, vorzugsweise mit einer Schmelzepumpe und speziellen "Melt Blown"-Düsen, die reihenförmig auf einer Düsenleiste mit ca. 1000 Düsen angeordnet sind. Die extru dierten Fasern auf Basis der Stärkepolymerwerkstoffe BIOPLAST® GF 102 und/oder GF 105 werden als endlose Fäden mit einem Faserdurchmesser von 1 bis 35 µm durch Luft ver wirbelt, abgekühlt und bei Bedarf geschlichtet. Unter in Axialrichtung blasenden Luftströmen, die anfangs auf 40 bis 120°C erwärmt sind und durch Variation mit kalter Luft die Faserform beeinflussen, werden die Fasern in den folgenden Verfahrensschritten zum Faserbündel bzw. Faserstrang zusam mengefaßt, auf ein umlaufendes Band abgelegt und in einem Kalander mit teils heizbaren, teils kühlbaren Walzen zu einem Endlosfilter bzw. Filtertowstab verpreßt und kali briert. Diese Fasern werden nicht besonders verstreckt und haben daher eine weiche flauschige Struktur mit einer für ein Filtertow notwendigen großen Filteroberfläche.

Im Spinnvliesverfahren werden Stärkewerkstoff-Thermoplaste auf Basis der Stärkepolymerwerkstoffe BIOPLAST® GF 102 und/oder GF 105 mit MFI (Schmelzindex nach DIN 53 735) 18- 200 im Extruder mit Spinnpumpe sowie Spinndüse mit Düsen platte und mehr als 1000 Düsenöffnungen zu hochfeinen Fasern und einem Spinnvlies verarbeitet. Dabei wird aus den einzel nen Filamenten ein Fadenvorhang hergestellt, in dem die an der Düse seitlich zugeführte Kühlluft so beschleunigt wird, daß die Filamente verstreckt werden. Die extrudierten Fäden fallen 3-10 m tief in einen Fallschacht, dabei wird durch die Falltiefe bei der niedrigen Schmelzviskosität und durch die axiale Luftströmung eine Verstreckung (1 : 5 bis 1 : 100) der Fasern erreicht, die dadurch eine beträchtlich erhöhte Festigkeit und einen Fadendurchmesser von 1 bis 30 µm erhal ten. Am unteren Ende des Schachtes werden Luft und Fäden gleichmäßig verwirbelt, so daß die gebildeten Filamente aus dem Stärkewerkstoff zu einem unverfestigten Band zusammenge faßt werden, in einer Stauchkammerkräuselmaschine gekräuselt und auf einer Filterstabmaschine zu Filterstäben verarbeitet werden.

Gemäß einem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Filterelemente 1 nach der Erfindung wird ein Stärkepolymer-Granulat 2, das als Ausgangsstoff dient, unter Beimischung ausgewählter Additive in einer Extruderan lage 3 zu einer Schmelze verarbeitet und als Folie in Form von einzelnen Fasern 4 durch eine Düsenplatte mit einer ent sprechenden Anzahl von Öffnungen extrudiert. Die Fasern 4 durchlaufen eine drehende Verspinnungsplatte 5, werden zu einem Faserbündel zusammengefaßt, anschließend durch eine Führung 6, beispielsweise Kompressionswalzen, gezogen und zu einem Endlosfilter 7 ausgeformt. In einer Konfigurationsan lage 8 erfolgt die abschließende Formgebung, wobei der End losfilter 7 gegebenenfalls nochmals einer Stauchkammerkräu selmaschine zugeführt und in einer Filterstabmaschine zu einzelnen Filterelementen 1 verarbeitet wird.

Die Fig. 1a und 1b zeigen jeweils einen Querschnitt sowie einen Längsschnitt eines Filterelementes 1 aus Fasern 4 eines Stärkepolymers.

Die Fig. 1c zeigt einen Längsschnitt einer Zigarette 10 mit dem nach der Erfindung hergestellten Filterelement 12, wobei ein Tabak 11 enthaltender Abschnitt und ein das Filterele ment 1 enthaltender Abschnitt mit Zigarettenpapier 12 um wickelt und verbunden sind, sowie das Filterelement 1 und der Übergangsbereich zum den Tabak 11 enthaltenden Abschnitt mit einer weiteren Banderole 13 zur Verstärkung umhüllt sind.

Nachfolgend werden die nach der Erfindung zu verwendenden Biopolymere auf Basis nachwachsender Rohstoffe beschrieben. Sie sind für die Herstellung von Fasern, Filamenten, Faser filtern und Watten geeignet, basieren im wesentlichen auf Stärke und umfassen insbesondere thermoplastische Stärke und die Gruppe der Polymermischungen aus thermoplastischer Stärke und weiteren abbaubaren Polymerkomponenten, wie Poly milchsäure, Polyvinylalkohol, Polycaprolacton, aliphatische und aromatische Polyester und deren Copolymere. Weitere ver wendete Additive sind Plastifizierungsmittel, wie Glycerin und deren Derivate, sechswertige Zuckeralkohole, wie Sorbit und deren Derivate. Die Herstellung der thermoplastischen Stärke erfolgt in einer ersten Verfahrensstufe unter Zuhil fenahme eines Quell- oder Plastifizierungsmittels ohne Zugabe von Wasser und unter Verwendung von trockener bzw. getrockneter Stärke und/oder Stärke, die durch Entgasung bei der Verarbeitung getrocknet wird.

Stärken enthalten als native Stärken handelsüblich 14% Was ser, Kartoffelstärke sogar 18% natürliche Feuchtigkeit als Ausgangsfeuchte. Wenn eine Stärke mit mehr als 5% Feuchtig keit unter Druck und/oder Temperatur plastifiziert bzw. ver kleistert wird, entsteht eine destrukturierte Stärke, deren Herstellungsverfahren endotherm abläuft. Das Herstellungs verfahren der thermoplastischen Stärke ist demgegenüber ein exothermer Vorgang. Zudem betragen die kristallinen Anteile bei der thermoplastischen Stärke weniger als 5% und bleiben unverändert. Bei destrukturierter Stärke sind die kristalli nen Anteile unmittelbar nach der Herstellung ebenfalls ge ring, jedoch nehmen diese bei Lagerung von destrukturierter Stärke wieder zu. Veränderungen unterworfen ist auch der Glasumwandlungspunkt, welcher bei thermoplastischer Stärke bei -40°C verbleibt, während er vergleichsweise bei destruk turierter Stärke wieder auf über 0°C ansteigt (vgl. auch EP- A-0 397 819). Aus diesen Gründen werden destrukturierte Stärke und Werkstoffe auf Basis destrukturierter Stärke bei Lagerung allmählich relativ spröde. Bei der Herstellung der Polymermischungen werden Phasenvermittler für die Homogeni sierung der hydrophilen und polaren Stärkepolymerphase und der hydrophoben und unpolaren Polymerphase verwendet, die entweder zugefügt werden oder vorzugsweise bei der Herstel lung der Polymermischung in situ entstehen. Als Phasenver mittler werden Blockcopolymere verwendet, die u. a. in der WO 91/16375, EP-A-0 539 544, US-A-5 280 055 und EP-A-0 596 437 beschrieben sind. Die intermolekulare Compoundierung dieser unterschiedlichen Polymeren erfolgt unter differenzierten Temperatur- und Scherbedingungen zu verarbeitungsfähigen Granulaten. Diese thermoplastischen Blends werden durch An kopplung der Phasengrenzflächen zwischen den wenig verträg lichen Polymeren technologisch so hergestellt, daß die Ver teilungsstruktur der dispersen Phase bei der Verarbeitung durch das optimale Verarbeitgungsfenster (Temperatur- und Scherbedingungen) erreicht wird. Die Materialeigenschaften von Celluloseacetatfaser-Filter und anderen Filtern aus nie dermolekularen Biopolymeren wie Polyhydroxybuttersäure (PHB) und Polymilchsäure (PLA) sowie Filtern mit dem erfindungsge mäßen Filtermaterial aus Stärkepolymerfasern unterscheiden sich aufgrund der unterschiedlichen chemischen Struktur der Polymeroberflächen voneinander. Die verwendeten Stärken als Makromolekül haben ein Molekulargewicht < 1 Million durch die mit mehr als 75% dominierende Amylopektinfraktion. Dies führt zusammen mit der hydrophilen Polymeroberfläche zu verbesserten Adhäsionseigenschaften der zu filternden Schadstoffteilchen im Tabakrauch. Insbesondere wird die Kondensatkonzentration im inhalierbaren Tabakrauch im Ver gleich zu Celluloseacetat-Filter reduziert. Dieser Effekt wird von dem Anteil an Stärkepolymer-Feinfasern und der Hy drophilie der Faser beeinflußt.

Geeignete Polymermischungen auf Basis thermoplastischer Stärke und Verfahren zu deren Herstellung sind beispiels weise aus der DE-A-43 17 696, WO 90/05161, DE-A-41 16 404, EP-A-0 542 155, DE-A-42 37 535 und der DE-A-195 13 235 be kannt und wurden ferner in der PCT/EP 94/01946 und der DE-A- 44 46 054 vorgeschlagen.

Wie die Fig. 2 zeigt, wird nach einem weiteren Verfahren das erfindungsgemäße Filtertow bzw. Filtermaterial für Zigaret ten und Rauchwaren aus einer Folie 16 aus einem Stärkewerk stoff hergestellt, indem die Folie 16 gekräuselt, gefaltet und in Längsrichtung orientiert als Rundfilterstab herge stellt und mit einer äußeren Umhüllung aus Papier und/oder Folienmaterial versehen wird. Die nach der Erfindung zu ver wendenden Ausgangsstoffe entsprechen den bereits beschriebe nen Polymerwerkstoffen, die im wesentlichen auf Stärke ba sieren. Ein Filtertow aus gekräuselter und perforierter Fo lie aus Celluloseacetat wird in der US-A-5 396 909 bekannt gemacht. Gemäß dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Ver fahren wird ein Stärkepolymer-Granulat 2 (Stärkewerkstoff BIOPLAST® GF 102) in einer Extruderanlage 3 und daran ange schlossener Folienblasanlage 15 zu einer Folie 16 (BIOFLEX® BF 102) verarbeitet. Die Folie 16 hat folgende Eigenschaf ten:

Sie besteht zu 100% aus kompostierbarer Monofolie, ent spricht den Qualitätsanforderungen der LAGA M 10 Prüfnormen für biologisch abbaubare Werkstoffe und besitzt die "ok Compost" Zertifizierung. Die Foliendicke beträgt 15-40 µm, die Dichte 1,2 g/cm³, die Zugfestigkeit längs 20 N/mm², die Zugfestigkeit quer 15 N/mm² und die Wasserdampfdurchlässig keit 600 g/24 Std./m² (bei 23°C, und 85% relativer Luft feuchte). Eine Folie mit einem "harten Griff" und einer Fo lienstärke von 30 µm wird in Streifen geschnitten, gereckt, in einer Kräuselanlage 17 gekräuselt, gefalten, gegebenen falls perforiert und in einer Konfigurationsanlage 8 ab schließend zu einzelnen Filterelementen 1 verarbeitet. Vor teilhaft ist hierbei, daß die Stärkefolie 16 eine viel hö here Wasseraufnahme hat als synthetische Polymerfolien wie Polyethylen-, Polypropylen- und Celluloseacetat-Folien. Da durch wird die Kondensataufnahme steuerbar und die Flexibi lität des Filters nimmt zu. Erfindungsgemäße Filtertows bzw. Filtermaterialien können auch aus biopolymeren Folien herge stellt werden, die wenigstens teilweise thermoplastische Stärken enthalten. Dazu wird beispielsweise auf die DE-A-43 17 696. DE-A-42 28 016, WO 90/05161, DE-A-41 16 404, EP-A-0 542 155, DE-A-42 37 535, PCT/EP 94/01946, DE-A-44 46 054, DE-A-195 13 235, sowie auf die DE-A-195 13 237 und die DE-A- 195 15 013 verwiesen.

Die Fig. 2a zeigst einen vergrößerten Querschnitt und die Fig. 2b einen vergrößerten Längsschnitt eines Filterelemen tes 1 aus einer gekräuselten biopolymeren Folie 16.

Die Fig. 2c zeigt einen Längsschnitt einer Zigarette 10 mit einem gemäß in Fig. 2 dargestellten Verfahren hergestellten Filterelement 1. Ein den Tabak 11 enthaltender Abschnitt und ein das Filterelement 1 enthaltender Abschnitt der Zigarette 10 sind mit Zigarettenpapier 12 umwickelt. Zusätzlich ist das Filterelement 1 bis in den Übergangsbereich zum den Ta bak 11 enthaltenden Abschnitt mit einer verstärkenden Bande role 13 umhüllt.

Fig. 3 zeigt ein Verfahrensschema für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtertows bzw. Filtermaterials zur Ver wendung als Zigarettenfilter und Filter für Rauchwaren aus einem extrudierten Schaum aus nachwachsenden Rohstoffen wie Stärke.

Die Herstellung von Stärkeschaum durch Extrusion ist prinzi piell z. B. aus der DE-A-32 06 751 und der DE-A-43 17 697 be kannt. Bereits seit etwa 1930 ist die sogenannte Kochextru sion von Stärke bekannt. Dabei wird vorzugsweise in einem Zweiwellenextruder die Stärke unter Druck und Temperatur ge latinisiert, destrukturiert und als Schaumstrang ausextru diert. Vorrangige Anwendung findet diese Verfahrenstechnik bei der Herstellung von geschäumten Snackprodukten. Auch sind extrudierte Stärkeschäume als Verpackungschips bekannt. Die EP-A-0 447 792 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Papierschaum aus Papierfasern, Stärke und vollverseiftem Polyvinylalkohol durch Extrusion zur Verwendung als Dämmate rial.

Nach der Erfindung (Fig. 3) wird in einer Extrusionsanlage 3 Stärkeschaum 20 aus einem Ausgangsgemisch 21 von Stärke, vorzugsweise nativer Kartoffelstärke, und plastifizierenden und filmbildenden Additiven durch thermische und mechanische Energieeinleitung verdichtet, gegebenenfalls modifiziert, plastifiziert und durch Temperatur- und Druckabfall expan diert, als aufgeschäumtes Rundprofil in einem Durchmesser von 10 mm hergestellt und im Formatierungsprozeß auf einen Durchmesser von 7,8 mm rundgewalzt und zu Filterstäben mit einer Länge von 12,6 mm verarbeitet. Das spezifische Raumge wicht der Schaumfilterelemente beträgt 12 kg/m³. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß der extrudierte Stärkeschaum 29 im wesentlichen offenporig ist, so daß das aufgeschäumte Filtermaterial aus destrukturierter Stärke mit einem kri stallinen Anteil von weniger als 5% in der Lage ist, die im Tabakrauch enthaltenen Flüssigkeiten und flüssigen Schad stoffe, wie Kondensat und Teerprodukte, zu adsorbieren, wo bei der Stärkeschaumstoff selbst keine inhalierbaren, flüch tigen Produkte in den Tabakrauch emittiert.

Die Fig. 3a zeigt einen vergrößerten Querschnitt und die Fig. 3b einen vergrößerten Längsschnitt eines Filterelemen tes 1 aus einem Stärkeschaum 20.

Die Fig. 3c zeigt einen Längsschnitt einer Zigarette 10 mit einem Filterelement 1 wie es gemäß in Fig. 3 dargestelltem Verfahren hergestellt wird. Dem Tabak 11 und das Filterele ment 1 enthaltende Abschnitte der Zigarette 10 sind gemein sam mit Zigarettenpapier 12 umwickelt. Ferner ist das Fil terelement 1 bis in den Übergangsbereich zum den Tabak 11 enthaltenden Abschnitt mit einer äußeren, verstärkenden Ban derole 13 umwickelt.

In einem einstufigen Verfahren, wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Stärkeschaum 20 durch Extrusion mittels eines Zwei wellenextruders Continua 37 hergestellt und in einem Kom pressionsschritt verdichtet, wobei er in einer Kalanderan lage 22 zu einem Endlosfilter 7 verarbeitet wird. Die ab schließende Formgebung und Vereinzelung zu Filterelementen 1 erfolgt in einer Konfigurationsanlage 8. Die Verfahrensbe dingungen und Rezepturen zur einstufigen Verfahrensgestal tung der Herstellung des Filtertows bzw. Filtermaterials aus Stärkeschaum sind in Tabelle 1 anhand von 4 Beispielen ge zeigt. Dabei stellt ein im wesentlichen elastischer und kom primierbarer Filtertow mit einer offenporigen Schaumstruktur ein befriedigendes Verfahrensergebnis dar (Beispiele 1 bis 3). Bei den Verfahren gemäß Beispiel 1 bis 4 (Tabelle I) und Fig. 3 wird ein Zweiwellenextruder vom Typ Continua C 37 der Firma Werner & Pfleiderer zur Extrusion des Stärkeschaum-Ma terials verwendet. Er weist eine Düsenplatte auf, die mit 1 bis 4 Düsenöffnungen mit jeweils Durchmesser von 1,5 bis 4 mm ausgestattet sein kann. Die Temperatureinstellung der Ex truderanlage erfolgt durch externe Kühl-Heizgeräte. Die Ex truderanlage hat sechs Temperaturzonen, wobei die ersten vier Zonen auf Temperaturen von 25 bis 140°C gehalten wer den. Die Temperaturzonen 5 und 6 können mit Temperaturein stellungen von 140 bis 165°C gefahren werden. Die bevorzug ten Temperatureinstellungen sind der Tabelle I entnehmbar:

Tabelle I

Die Drehzahlen des Zweiwellenextruders bewegen sich vorzugs weise zwischen 200 und 300 UpM. Die Drehzahl bestimmt ge meinsam mit der Dosiermenge der Ausgangsstoffe auch das Drehmoment der Extruderanlage wesentlich. Für die Versuche wurde eine Drehzahl von 350 UpM gewählt. Eine optimale Ex pansion des Stärkeschaumes 20 wird bei Massetemperaturen der Schmelze von 160 bis 195°C erzielt. Diese Massetemperaturen wurden bei den Versuchen realisiert. In der Extruderanlage entstehen Betriebsdrücke von 25 bis 55 bar, wobei die besten Ergebnisse bei hohen Massendrücken erzielt werden. Bezüglich der Düsenkonfiguration wurden Variationen des Durchmessers, der Anzahl der Düsen und der Anordnung der Düsenöffnungen in der Düsenplatte untersucht. Die Düsenöffnungen wurden mit 1,5 bis 3 mm Durchmesser getestet, wobei die Anzahl der Dü sen von 1 bis 3 Düsen variiert wurde. Die Anordnung der Dü senöffnung wurde vom Zentrum der Düsenplatte über einen mittleren Durchmesser bis zum größten Durchmesser getestet. Von den durchgeführten Versuchen des einstufigen Verfahrens wurde je eine Düse mit einem Öffnungsdurchmesser von 2,5 mm (Beispiel 1) bzw. 4 mm (Beispiele 2 bis 4), welche zentral plaziert wurde, getestet.

Die Ausgangsstoffe für das Verfahren zur Herstellung des er findungsgemäßen Filtertows bzw. Filtermateriales sind:
Native Kartoffelstärke der Fa. Emsland, Typ Superior Treibmittel (NaHCO₃-CaCO₃-Citronensäure-Mischung) Polyvinylalkohol der Fa. Hoechst vom Typ Mowiol 17-88 und Fließhilfsmittel (Tricalciumphosphat).

Zur Dosierung der Stärke-Additiv-Mischung (Feststoffdosie rung) dient ein einwelliges, volumetrisches Dosiergerät, wo bei die Dosiermengen von den Betriebsparametern der Extru deranlage direkt abhängig sind. Das Gerät arbeitet mit einer Hohlwelle und hat einen Einsatzbereich von 1,5 kg/Std. bis 35 kg/Std. Die bevorzugten Dosiermengen sind aus der Fig. 4 ersichtlich.

Zur Flüssigdosierung dient ein Membrandosiergerät vom Typ Gamma/5 der Firma ProMint. In den Beispielen 1 bis 4 wurde die Flüssigkeitsmenge von 0 bis 5 Liter/Std. variiert. In Tabelle I sind die dosierten Volumen der Flüssigkeit als Hubmengeneinstellung (in 0,1 ml/Hub) pro Hubfrequenzeinstel lung (in Hüben pro Minute) der Dosierpumpe angegeben. Bei der Einstellung des Dosiergerätes von 5 : 55 werden 0,5 ml pro Hub mit 55 Hüben pro Minute zudosiert. Dies ergibt eine Dosiermenge von 27,5 ml pro Minute.

Die Kalanderanlage 22 besteht aus vier hintereinanderlaufen gefrästen Riemenscheiben. Der Durchmesser der Riemenscheiben und die Nutentiefe/Nutenbreite wurden bei den durchgeführten Versuchen variiert. Es wurde weiterhin der Einsatz von Zug federn mit verschiedenen Zugstärken getestet, die einen An preßdruck der Riemenscheiben von 5 bis 100 N erzeugen kön nen. Die bevorzugten Anpreßdrücke der Kalanderanlage sind aus Tabelle I ersichtlich. Der Endlosfilter 7 des Stärke schaumes 20 wurde dabei unterschiedlich stark verkleinert und schließlich auf einen standardisierten Enddurchmesser gebracht.

Bei einer anschließenden Konditionierung wird der Stärke schaum 20 gegebenenfalls auf eine bestimmte Restfeuchte ein gestellt.

Als Konfigurationsanlage 8 wird ein Stranggranulator mit eingebauter Einzugswalze verwendet. Durch Einstellung der Messerdrehzahl und der Anzahl der Messer kann bei konstanter Einzugsgeschwindigkeit die Länge der Filterelemente 1 bzw. Zigarettenfilter eingestellt werden.

Anhand der durchgeführten Beispiele wurden folgende Erkennt nisse gewonnen:
Bei Erhöhung der Schneckendrehzahl der Extruderanlage stei gen der Massedruck und die Schmelztemperatur an und die Ex pansion des Stärkeschaumes verbessert sich. Gleichzeitig muß die Dosiermenge erhöht werden, um diesen Effekt beibehalten zu können. Eine große zudosierte Flüssigkeitsmenge hat die Auswirkung, daß der Stärkeschaum direkt hinter der Düse stark expandiert, aber dann in sich zusammenfällt. Deshalb muß das Dosiermengenverhältnis der Feststoffe und der Flüs sigkeit genau abgestimmt werden. Die einstellbaren Be triebsparameter werden durch das maximale Drehmoment der Ex truderanlage 3 begrenzt, so daß die Durchsatzmenge und die Temperaturführung während dem Bearbeiten der Ausgangsstoffe im Extruder im mittleren Bereich liegen. Je nach den einge stellten Betriebsparametern der Extruder- und Dosieranlagen hat der Endlosfilter 7 aus Stärkeschaum 20 vor dem Durchlau fen der Kalanderanlage 22 eine Dichte von 6 kg/m³ bis 10 kg/m³. Nach der Kompression in der Kalanderanlage 22 steigt die Dichte des Endlosfilters 7 durch Volumenverkleinerung bei konstanter Masse an. Dieser Dichteanstieg ist wesentlich von dem Durchmesser des Endlosfilters 7 vor der Kalanderan lage 22, der Anzahl der Riemenscheiben und den Anpreßdrücken abhängig.

Bei einer zweistufigen Verfahrensgestaltung wird zunächst ein Stärkegranulat nach einem bekannten Verfahren (z. B. DE- A-43 17 696 oder WO 90/05161) hergestellt. Anschließend er folgt die Verarbeitung der Stärkegranulate durch erneute Ex trusion in einem Einwellenextruder zu einem Stärkeschaum strang und die Konfektionierung zum Filtertow bzw. Filter element 1 unter Bedingungen, ähnlich denen des einstufigen Verfahrens. Auf eine ausführliche Verfahrensbeschreibung wird daher verzichtet. Die Tabelle II zeigt anhand von vier Beispielen Verfahrensbedingungen und Rezepturen zur Herstel lung von thermoplastischem Stärke-Polymer-Granulat (1. Ver fahrensstufe):

Tabelle II

Die Tabelle III zeigt die Verfahrensbedingungen zur Herstel lung von Filtertows bzw. Filtermaterial aus zu Stärkeschaum verarbeiteten thermoplastischem Stärke-Polymer-Granulat (2. Verfahrensstufe):

Tabelle III

Fig. 4 zeigt graphisch dargestellt Ergebnisse biologischer Abbaubarkeitstests für das erfindungsgemäße Filtermaterial, wobei Linie a) Stärkeschaum, Linie b) Fasern und Folien (Stärkewerkstoff BIOFLEX® BF 102), Linie c) Cellulosepulver und Linie d) Cellulose-2,5-acetat darstellt. Die wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen Filtermaterials ist der schnelle biologische Abbau. Diese Eigenschaft wurde an dem Stärkepolymerwerkstoff BIOLFELEX® BF 102 nach folgender Me thode (beim Institut O.W.S. in Gent, Belgien) durchgeführt: CEN Draft "Evaluation of the Ultimate Aerobic Biodegradability and Disintegration of Packing Materials under Controlled Composting Conditions - Method by Analysis of Realeased Carbon Dioxide" entsprechend modifizierter ASTM D 5338-92. Der Stärkewerkstoff BIOFLEX® BF 102, aus dem die Fasern und Folien zur Herstellung des erfindungsgemäßen Fil tertows bzw. Filtermaterials bestehen, war nach 45 Tagen zu 96,6% unter den Testbedingungen mineralisiert. Die Refe renzsubstanz, reines Cellulosepulver (Linie c)), das als vollständig biologisch abbaubar gilt, war in der gleichen Zeit unter den gleichen Bedingungen nur zu 79,6% abgebaut. Daher kann BIOFLEX® BF 102 laut Gutachten des Institutes O.W.S. als vollständig biologisch abbaubar gelten. Das Fil termaterial aus Stärkeschaum (Linie d)) ist aufgrund seiner porösen Oberfläche und Polymerzusammensetzung noch schneller vollständig abbaubar. Die sehr gute biochemische Abbaubar keit wurde ermittelt durch den CSB (chemischer Sauerstoffbe darf in mg/l) und den BSB₅ (Biologischer Sauerstoffbedarf in mg/l), wobei ein CSB von 1050 mg/l und ein BSB₅ von 700 mg/l gemessen wurden. Der Quotient aus BSB₅/CSB × 100 ergibt die sehr hohe biochemische Abbaubarkeit von 66%, wobei Werte von mehr als 50% als sehr gut abbaubar gelten. Bereits nach 10 Tagen war das Filtermaterial aus Stärkeschaum unter aero ben Kompostbedingungen zu mehr als 90% biologisch abgebaut. Alle erfindungsgemäßen Filtermaterialien entsprechen den Qualitätsanforderungen des LAGA-Merkblatt M 10: Qualitäts kriterien und Anwendungsempfehlungen für Kompost.

Claims

1. Biologisch abbaubares Filterelement (1) bzw. Filtertow für Tabakrauchfilterelemente mit einem Filtermaterial aus nachwachsenden Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der nachwachsende Rohstoff eine Stärke und/oder eine Polymermischung auf Stärkebasis ist.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermischung auf Stärkebasis eine Faser ist.

3. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermischung auf Stärkebasis eine Folie ist.

4. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke und/oder die Polymermischung ein Schaum ist.

5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial strangförmig, queraxial verdichtet und umhüllt ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Filterelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) kontinuierliches Zuführen einer dosierten Mischung aus nachwachsenden Rohstoffen und/oder einer Poly mermischung auf Stärkebasis sowie weiteren Additiven in eine Extruderanlage,
b) Erhitzen und Kneten der Mischung unter einem defi nierten Temperatur-Druckregime zur Ausbildung einer Schmelze,
c) Extrudieren der Schmelze durch eine Düse,
d) Ausbilden eines Extrudates mit luftdurchlässiger Konfiguration,
e) Komprimieren des Extrudates und Ausbilden eines end losen Rundfilterstabes und
f) Umhüllen des Rundfilterstabes und Ausbilden einzel ner Filterelemente.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte c) und d) kontinuierlich aufeinanderfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Verfahrensstufe mit den Schritten a) bis c) ein thermoplastisches Stärke-Polymer-Granulat herge stellt wird, das in einer zweiten Verfahrensstufe in einem Einwellenextruder nach den Schritten a) bis f) zu Filterelementen verarbeitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß der in den Verfahrensschritten a) bis c) einge setzte Extruder ein Zweiwellenextruder Continua C37 ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der nachwachsende Rohstoff eine native oder modifizierte Stärke, vorzugsweise eine native Kar toffelstärke ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die weiteren Additive ein Treibmittel, Polyvinylalkohol, und ein Fließhilfsmittel sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Extrudat als Spinnfäden, Folie oder Schaum ausgetragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Düsen mehr als 1000 Düsenöffnungen für die Extrusion von Spinnfäden, 1 bis 2 Düsenöffnungen für die Extrusion von Folien bzw. 1 bis 40 Düsenöffnun gen für die Extrusion von Schaum aufweisen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Düse für die Extrusion von Folien eine Breitschlitzdüse oder eine Ringdüse bzw. Doppel ringdüse ist und eine Flachfolie oder eine geblasene Fo lie geformt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Extruderanlagen mehrere Tempera turzonen, vorzugsweise sechs Temperaturzonen aufweisen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß der Verfahrensschritt a) in einer 1. und 2. Temperaturzone und der Verfahrensschritt b) in einer 3. bis 6. Temperaturzone abläuft.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das folgende Temperaturre gime gefahren wird: Zone 1: 25- 45°C
Zone 2: 70-110°C
Zone 3: 110-160°C
Zone 4: 150-220°C
Zone 5: 180-220°C
Zone 6: 180-220°Cund die Schmelze als Schaum bei 180-220°C extrudiert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 8 in Kombination mit einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeich net, daß das folgendes Temperaturregime gefahren wird: Zone 1: 25- 45°C
Zone 2: 60-100°C
Zone 3: 90-120°C
Zone 4: 90-120°C
Zone 5: 90-120°C
Zone 6: 90-125°Cund die Schmelze als Granulat bei 80-180°C extrudiert wird.

19. Verfahren nach Anspruche 18, dadurch gekennzeichnet, daß das folgende Temperaturregime gefahren wird: Zone 1: 25-45°C
Zone 2: 60-120°C
Zone 3: 100-190°C
Zone 4: 140-190°C
Zone 5: 140-190°C
Zone 6: 140-200°Cund die Schmelze als Schaum bei 150-200°C extrudiert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vor dem Extrudieren plastifiziert wird.