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WO2001028369A1 - Hochleistungs-zigarettenfilter - Google Patents

Hochleistungs-zigarettenfilter Download PDF

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Publication number
WO2001028369A1
WO2001028369A1 PCT/EP2000/010389 EP0010389W WO0128369A1 WO 2001028369 A1 WO2001028369 A1 WO 2001028369A1 EP 0010389 W EP0010389 W EP 0010389W WO 0128369 A1 WO0128369 A1 WO 0128369A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cigarette filter
filter
filter according
cellulose
performance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/010389
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Teufel
Günter Maurer
Emmerich Sackers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cerdia Produktions GmbH
Original Assignee
Rhodia Acetow GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to SI200030331T priority Critical patent/SI1221869T1/xx
Priority to CA002387487A priority patent/CA2387487C/en
Priority to AU11429/01A priority patent/AU764251B2/en
Priority to HK03106890.5A priority patent/HK1054491B/xx
Priority to EA200200482A priority patent/EA003238B1/ru
Priority to DK00972837T priority patent/DK1221869T3/da
Priority to EP00972837A priority patent/EP1221869B1/de
Priority to MXPA02003968A priority patent/MXPA02003968A/es
Priority to HU0203081A priority patent/HUP0203081A3/hu
Priority to DE50005096T priority patent/DE50005096D1/de
Priority to JP2001530972A priority patent/JP3726061B2/ja
Application filed by Rhodia Acetow GmbH filed Critical Rhodia Acetow GmbH
Priority to BRPI0015000-2A priority patent/BR0015000B1/pt
Priority to SK529-2002A priority patent/SK285134B6/sk
Priority to UA2002054166A priority patent/UA67876C2/uk
Priority to AT00972837T priority patent/ATE258017T1/de
Priority to US10/110,953 priority patent/US6776168B1/en
Priority to NZ518131A priority patent/NZ518131A/en
Priority to IL14923400A priority patent/IL149234A0/xx
Publication of WO2001028369A1 publication Critical patent/WO2001028369A1/de
Priority to ZA200202967A priority patent/ZA200202967B/xx
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24D—CIGARS; CIGARETTES; TOBACCO SMOKE FILTERS; MOUTHPIECES FOR CIGARS OR CIGARETTES; MANUFACTURE OF TOBACCO SMOKE FILTERS OR MOUTHPIECES
    • A24D3/00—Tobacco smoke filters, e.g. filter-tips, filtering inserts; Filters specially adapted for simulated smoking devices; Mouthpieces for cigars or cigarettes
    • A24D3/06—Use of materials for tobacco smoke filters
    • A24D3/067—Use of materials for tobacco smoke filters characterised by functional properties
    • A24D3/068—Biodegradable or disintegrable
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24D—CIGARS; CIGARETTES; TOBACCO SMOKE FILTERS; MOUTHPIECES FOR CIGARS OR CIGARETTES; MANUFACTURE OF TOBACCO SMOKE FILTERS OR MOUTHPIECES
    • A24D3/00—Tobacco smoke filters, e.g. filter-tips, filtering inserts; Filters specially adapted for simulated smoking devices; Mouthpieces for cigars or cigarettes
    • A24D3/04—Tobacco smoke filters characterised by their shape or structure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24D—CIGARS; CIGARETTES; TOBACCO SMOKE FILTERS; MOUTHPIECES FOR CIGARS OR CIGARETTES; MANUFACTURE OF TOBACCO SMOKE FILTERS OR MOUTHPIECES
    • A24D3/00—Tobacco smoke filters, e.g. filter-tips, filtering inserts; Filters specially adapted for simulated smoking devices; Mouthpieces for cigars or cigarettes
    • A24D3/06—Use of materials for tobacco smoke filters
    • A24D3/08—Use of materials for tobacco smoke filters of organic materials as carrier or major constituent
    • A24D3/10—Use of materials for tobacco smoke filters of organic materials as carrier or major constituent of cellulose or cellulose derivatives

Definitions

  • the present invention relates to a high-performance cigarette filter with mechanical disintegration on the basis of fibers or filaments of cellulose star.
  • filter tow consisting of endless cellulose-2,5-acetate filaments crimped in the stuffer box.
  • a solution of approx. 30% cellulose-2,5-acetate in acetone is pressed through spinnerets, the acetone is evaporated in a spinning shaft by blowing with heated air, a large number of filaments (3,000 to 35,000) into a band summarized and then crimped in the stuffer box.
  • the product is then dried, filled into storage containers and finally pressed into bales weighing 300 to 600 kg.
  • the total amount of filter tow that is currently produced worldwide using this process is approximately 500,000 tons per year, which underlines the economic importance of the process.
  • the filter tow bales After the filter tow bales have been transported to the filter or cigarette manufacturer, the filter tow is removed from the bale and processed into filter rods on a filter rod machine, as described, for example, in US Pat. No. 5,460,590.
  • the filter is stretched in a stretching device, provided with an additive used to glue the filaments, and then, after forming a three-dimensional fuse, is inserted into the format part with the help of an inlet funnel, compacted there axially, covered with paper and cut to the final length of the filter rods ,
  • the additive applied to bond the filaments is generally a high-boiling solvent for cellulose acetate, such as glycerol triacetate (triacetin), which briefly dissolves the surface of the filaments after its application. Wherever two filaments accidentally touch each other, there is a fixed bond point some time later, since the excess additive enters the The fiber surface migrates, causing the previously liquid drop of cellulose-2.5-acetate in the additive to solidify.
  • glycerol triacetate triacetin
  • spatial filters mechanically strong, three-dimensionally cross-linked filter rods (hereinafter referred to as "spatial filters”) with a low packing density (nowadays 80-120 mg / cm 3 ) are obtained can be processed at high speeds on modern cigarette machines due to their hardness.
  • the advantages of the overall process lie in the high efficiency of the filter tow production, the low transport costs from the filter tow manufacturer to the end customer and in particular the high productivity in the filter production, which is not insignificantly determined by the length of the belts in the bales.
  • Filter Tow is processed on commercially available filter rod machines, such as, for example, the KDF 3 / AF 3 from Körber AG, Hamburg. Production speeds of currently 600 m / min are state of the art.
  • the productivity of filter production can be increased significantly when using the double-strand technology described in DE-A-43 40 029 and when using the twin-tow technology shown in DE-A-43 20 303.
  • Another advantage of conventional filter production is that by changing the speed ratio between the preparation and format part, the filter properties with regard to pressure drop and thus the filtration performance can be varied within wide limits while maintaining the filter tow specification.
  • the filament or total titer by varying the filament or total titer, an almost arbitrarily large variety of filters with different filtration capacities can be produced according to the described method.
  • Cellulose 2,5-acetate is widely used today for the production of spatial filters. With regard to the discussion on smoking and health, it has demonstrably noteworthy properties regarding specific retention phenomena. For example, a filter made of cellulose acetate filters nitrosamines and phenols that are harmful to health far more efficiently than condensate and nicotine. In addition, the smoky taste of the tobacco blend common today, such as "American Blend ",” German Blend “and” Virginia "in combination with a spatial filter
  • Dk permeability of the filter for condensate
  • K1 to K5 are constants which are determined empirically in accordance with the tobacco mixture used and the respective retention determination method. In other words: for a given filter length and a defined diameter, the filter performance of a cigarette filter is clearly determined by the tensile resistance of the filter and the filament titer of the filter tow specification used.
  • ⁇ P f (D, £, dpf, G, ⁇ A) (7).
  • the fiber weight is clearly defined when using a defined filter tow specification.
  • the relationship between fiber weight and tensile resistance cannot be shown in a mathematical equation because of the variety of filter tow specifications available, the filter rod dimensions, and the different residual crimps that can be realized.
  • the Cable ® mentioned above allows the fiber weight to be calculated for a given tensile resistance for each feed tow specification, residual crimp and filter rod dimension.
  • the fiber weight niA of a filter is defined with the residual crimp and the total titer by the following equation:
  • the residual crimp is understood as the ratio of the length of the crimped filaments to the filter length.
  • the residual ripple is a characteristic feature for a given cigarette filter.
  • the total amount of spatial filters can be characterized by a ratio of fiber weight to tensile resistance based on the filament titre.
  • the fiber weight / tensile resistance ratio S related to the filament titer is clearly defined and this value never exceeds the amount 0.7 and thus represents a characteristic variable. This relationship can be expressed for room filters made of cellulose ester by:
  • ⁇ P ⁇ 8 ⁇ Px * (D ⁇ / 7.8) ' 8 [daPA] (10), where the index X denotes the diameter of the actual sample.
  • WO 97/16986 describes additives having an anti-mutagen effect, which only work effectively in conjunction with a likewise high minimum nicotine retention. This requirement clearly limits the spectrum of the filter tow specifications applicable in WO 97/16986 (cf. examples in Table II, page 13).
  • the microorganisms required to degrade the filter material therefore have insufficient access to the filaments in the field and thus to the biodegradation of the polymer.
  • the polymer's improved biodegradability is thus over-determined or dominated by the poor mechanical disintegration of the spatial filter.
  • crimp chamber crimp is a three-dimensional crimp
  • a three-dimensional crimp occurs in the fuse formed in the filter manufacture even without hardening additive, but also, as suggested in DE-C-43 22 966, when using water-soluble adhesive Cross-linking of the filaments in the finished filter, which is so important that the mechanical disintegration of the filter in the environment is also noticeably impeded in these cases. Similar restrictions apply to the photochemical degradation of filaments.
  • the acceleration described in EP-A-0 716 117 and EP-B-0 732 432 is limited by the described structural disadvantages of a spatial filter.
  • EP-A-0 880 907 describes a partial cutting of the filters after their manufacture and the use of water-soluble adhesives. For the sake of completeness it should be mentioned that that described in EP-A-0 880 907 disintegrable cigarette filter the criteria of the spatial filter with respect to the
  • a completely different process for the production of aerosol filters uses a flat structure as the starting material, such as for example paper, spunbonded nonwovens, textile fabrics or nonwovens (in the following such filters are referred to as “surface filters”).
  • surface filters such as for example paper, spunbonded nonwovens, textile fabrics or nonwovens.
  • These filters circumvent the above-mentioned restrictions regarding filter performance and A fabric is manufactured by the manufacturer of the feed material, rolled up on bobbins and then sent to the processor.
  • the filter or cigarette manufacturer unrolls the material from the bobbin, forms it into a rod-shaped product and then it in the format section of the filter rod machine to compress it transversely axially, to wrap it with paper and to cut the filter rods to the final length.
  • the fabric is usually, but not necessarily, crimped parallel to the direction of rotation by a creping device before being formed into the rod Lowering the material density and, on the other hand, influencing the pressure drop (tensile resistance) of the filters. Nevertheless, the packing density of the area filter known today with a fiber weight of 120 to 300 mg / cm 3 is significantly higher than that of the known spatial filter made of cellulose acetate. Cross-linking of the nonwoven layers generally does not take place and is deliberately not sought.
  • the best known area filter consists of paper and is marketed, for example, by Filtrona, Hamburg, under the trade name Myria Filter.
  • WO 95/14398 describes a filter made of paper made from artificial, highly fibrillating cellulose fibers of Lyocell fiber, in a mixture with cellulose fibers or also acetate fibers.
  • WO 95/35043 relates to a cigarette filter made of a water-needled fabric, which in turn contains the lyocell fiber as a component there.
  • DE-A-27 44 796 describes the use of so-called fibrets made of cellulose acetate in combination with cellulose acetate or natural or synthetic fibers for the production of surface filters.
  • US-A-3 509 009 describes the use of the melt-blown technique for the production of nonwovens for use in cigarette filters.
  • DE-C-196 09 143 claims a melt-blown fleece, inter alia, for the production of cigarette filters, starting from a thermoplastic cellulose acetate. All cigarette filters made from the materials described have the advantage that the Filtration performance (measured as nicotine or tar retention) of these filters is significantly higher compared to spatial filters made of cellulose acetate, which are comparable in terms of tensile resistance. It is also known that pure cellulose acetate is not suitable for processing in processes with thermal deformation of the polymer. The problems that occur are described in detail in DE-C-196 09 143.
  • DE-A-1 930 435 describes a distinctly different process for the production of surface filters from cellulose acetate.
  • a conventional filter tow made from non-thermoplasticized cellulose acetate fibers, is drawn off from a bale, spread out in a conventional preparation part, stretched and with a conventional one Provide plasticizer.
  • the prepared filter tow web is then heated in a heating device and then thermoplastic crosslinked under pressure using profiled, heated rollers.
  • the two-dimensional solidified fabric produced in this way is then combined, compressed axially, with Pa- pier wrapped and cut.
  • a surface filter is produced from endless cellulose ester filaments.
  • An advantage of the process is that, for the first time in terms of the product properties of the filter, it combines the advantages of the surface filter with regard to nicotine and condensate retention with the advantages of the polymer cellulose acetate with regard to specific retention and taste.
  • the one-step, inexpensive conversion of filter tow to a surface filter is also advantageous.
  • the filter is characterized by a large number of triangular-shaped smoke channels which are formed from a fleece which has a large number of rectangular depressions.
  • Another disadvantage of this filter construction is that the triangular channels are clearly visible, especially when smoking, which is noticeable as a visual disadvantage of the manufactured products.
  • the ripple in the non-consolidated surface portions is three-dimensionally oriented (see DE-A-1 930 435, Fig. 6), with the result that the adjacent surface layers, in turn, partially cross-link three-dimensionally when compressing transversely to the feed rod.
  • This is reinforced by the fact that due to the short thermal treatment of the filter tow web before the thermoplastic crosslinking of the fleece, the plasticizer previously applied for plasticization has not yet migrated into the fiber and therefore, corresponding to the hardening of room filters made of cellulose acetate, too contributes to bonding adjacent fleece layers.
  • it is the plasticizing described in DE-A-1 930 435 of the products used for cellulose acetate are the same chemical substances as are used for the curing of spatial filters made of cellulose acetate in their function as solvents.
  • the invention is therefore based on the object of providing surface filters based on endless cellulose ester fibers which do not have the disadvantages of the prior art explained above, in particular of the filter described in US Pat. No. 4,007,745. Even without three-dimensional crosslinking, these should have sufficient hardness, and their mechanical disintegration capability should correspond to that of surface filters which were produced from nonwovens with short-cut fibers.
  • the Filtrona hardness should be based on the market requirements.
  • the area filters are to retain the advantageous properties known from the prior art or, in individual cases, improved properties.
  • the above object is achieved by a high-performance cigarette filter with mechanical disintegration based on fibers or fusions of cellulose esters, in particular cellulose acetate, characterized in that a) the fiber weight / tensile resistance ratio S based on the filament titer is greater than about 0.7, the S-value according to the formula:
  • the fiber weight [g], ⁇ P the tensile resistance [daPA] and dpf the filament titer [dtex] and for the tensile resistance the value converted to a diameter of 7.8 mm is used, b) the residual crimp of the filter material has the value of 1 , 45 does not exceed, c) the fiber weight is a maximum of 10 mg / mm filter length and d) the hardness of the cigarette filter exceeds about 90% Filtrona hardness.
  • thermoplastic cellulose ester fiber or filament material or, in the case of a non-thermoplastic cellulose ester, a water-soluble adhesive is used.
  • fiber material is mentioned below, then the corresponding design should also apply to filament materials, as far as this makes sense.
  • thermoplastic properties of cellulose ester derivatives reference is made to the discussion in DE-A-196 09 143 regarding internal and external plasticizers (S1 Z65 ff). The findings made there are of fundamental importance for understanding the following statements. For definition Thermoplasts is also referred to "Römpps Chemielexikon, 8th revised and expanded edition, Vol.
  • thermoplastic cellulose ester fiber material two cases can be distinguished.
  • the fiber material is made from an inherently thermoplastic cellulose ester, such as. B. cellulose acetobutyrate.
  • the filter tow can be processed into filters according to the invention without further measures.
  • a non-thermoplastic starting polymer such as. Example cellulose-2,5-acetate
  • this must be thermoplasticized by adding a suitable plasticizer.
  • the plasticizer must be distributed homogeneously in the fibers. The homogeneous distribution of the plasticizer in the fibers can be demonstrated by a wide variety of methods.
  • a filter plug can be heated in an inert gas stream and the evaporation kinetics can be verified by combustion in a commercially available flame ionization detector (FID).
  • FID flame ionization detector
  • the evaporation rate one in the Fiber evenly applied plasticizer differs sustainably from that of a superficially applied plasticizer. Since the evaporation is diffusion-controlled, the evaporation kinetics are significantly slower with even distribution than with surface application. Another possibility is to display the evaporation kinetics using differential thermogravimetry. Thirdly, the uniform distribution can be determined by short-term extraction methods in solvents suitable for the polymer with subsequent quantitative analysis of the plasticizer.
  • This method provides a significantly lower analysis value for a homogeneously distributed plasticizer than for the superficially applied plasticizer with the same percentage content. Another possibility to qualitatively differentiate superficial and evenly distributed plasticizers is to investigate using NIR reflection. This method provides a significantly lower analysis value for homogeneously distributed plasticizers than for the superficially applied plasticizers with the same percentage content.
  • a filter tow is pulled off the bale, pneumatically spread out and stretched by the method customary for spatial filters.
  • a nonwoven nonwoven with the lowest possible strength is produced in the direction of both surface axes. Surprisingly, it has been shown that this is particularly successful when the plasticizer required for thermoplasticizing the polymer is evenly distributed in the fiber.
  • the ratio of fiber weight / tensile resistance S based on the filament titer according to the formula described above is greater than approximately 0.7. If this value is undershot, this leads to retention values as are customary in conventional cellulose acetate feeds.
  • the fiber weight / tensile resistance ratio S based on the filament titer is preferably at most about 2, and is in particular in the range from about 0.8 to 1.3. If the preferred value of about 2 for the ratio S is exceeded, then this product no longer meets the desired economic requirements.
  • the following general conditions preferably apply:
  • the residual ripple IR of the filter material is less than 1.45.
  • the residual crimp is preferably between approximately 1.05 and 1.4, in particular between approximately 1.1 and 1.3.
  • the fiber weight can be a maximum of 10 mg / mm filter length, in particular a maximum of 9.0 mg / mm filter length, and preferably at least approximately 4 mg / mm filter length.
  • the preferred range is between about 5 to 8 mg / mm filter length. If the maximum value of 10 mg / mm filter length is exceeded, such a product is not sufficiently economical.
  • a minimum value of about 5 mg / mm filter length is preferably maintained. If this value is undershot, the desired hardness of the cigarette filter of at least 90% can no longer be maintained according to the prior art.
  • the minimum limit for Filtrona hardness of around 90% is based on market requirements.
  • the Filtrona hardness of the cigarette filter according to the invention can preferably be set to about 90 to 95%, in particular about 91 to 93%.
  • Determination of the Filtrona hardness A cylindrical rod with a diameter of 12 mm presses vertically with a load of 300 g on a horizontally positioned filter rod with its flat face. The ratio of the compressed diameter to the initial diameter determined by the first touch gives the percentage of the Filtrona Hardness). It proves to be particularly advantageous if a high-performance cigarette filter according to the invention according to the CBDTF test has a weight loss of at least about 40%, in particular at least about 50% by weight, after a test period of 10 weeks.
  • the tensile resistance of the filters according to the invention is preferably in a range between 1 and 12 daPA / mm filter length.
  • the filament titer of the filter tow qualities used varies between 1 and 20 dtex.
  • the disintegrability of the cigarette filters according to the invention is increased by a slight residual ripple IR. This low residual crimp reduces the cross-hooking of the filaments inside and between the levels of the nonwoven webs. As stated above, the residual ripple of the filter according to the invention is less than 1.45.
  • the filter according to the invention it is advisable to produce it from a multi-wide fiber strip in accordance with the teaching of DE 43 40 029.
  • the cigarette filter can be produced from a fiber strip which was separated into several strips before entering the strand part of the filter rod machine.
  • the continuous thermoplastic cellulose ester fibers of the invention can contain cellulose acetate, in particular cellulose 2,5-acetate, cellulose butyrate, cellulose acetobutyrate, cellulose acetopropionate and / or cellulose propionate.
  • the endless thermoplastic fibers of cellulose acetate according to the invention have a degree of substitution of approximately 1.5 to 3.0, preferably approximately 2.2 to 2.6.
  • the plasticizers used for the thermoplasticization of the cellulose esters used and evenly distributed in the fibers can be selected, for example, from the following groups: glycerol esters (in particular glycerol triacetate), ethylene and propylene carbonate, citric acid esters (in particular acetyl and triethyl acetate), glycol esters (in particular triethylene glycol diacetate) (TEGDA) or diethylene glycol dibenzoate), Carbowax ® (in particular polyethylene glycols with a molecular weight of 200 to 14,000, such as manufactured by UCC, USA), sulfolane (tetrahydrothiophene-1, l-dioxide), fatty acid esters, phosphoric acid esters (especially trioctyl) , Triphenyl or trimethyl phosphate), esters of phthalic acid (especially dimethyl, diethyl, dibutyl and / or diisodecyl phthalate) and mixtures of any composition
  • plasticizing plasticizer and / or water-soluble adhesive to be used is well known to those skilled in the art in this technical field. res common. Generally there is a plasticizer and / or adhesive content of about 1 to about 40% by weight, but in special cases the plasticizer content can easily exceed this range without affecting the teaching of the invention.
  • the usual high-boiling solvents used in the manufacture of spatial filters from cellulose acetate can be water-soluble Esters or ethers (also cellulose esters or ethers), starch, starch derivatives, p-polyvinyl alcohols (partially or fully hydrolyzed, and also derivatives thereof), polyvinyl ethers (and their derivatives), p-polyvinyl acetates and / or polysaccharides, water-soluble polyamides and polyacrylates, ie be applied to the fiber web.
  • polyalkylene oxides such as polyethylene glycols, polypropylene glycols or copolymers of polyethylene and polypropylene oxide and their derivatives
  • Esters or ethers also cellulose esters or ethers
  • starch starch derivatives
  • p-polyvinyl alcohols partially or fully hydrolyzed, and also derivatives thereof
  • polyvinyl ethers and their derivatives
  • the cellulose ester fibers or filaments contain additives in the form of photo-reactive additives, additives which promote biodegradability, additives with a selective retention effect and / or colored pigments.
  • a finely dispersed titanium dioxide of the anatase type with an average particle size of less than 2 ⁇ m is preferably used as the photoreactive additive.
  • Additives which promote biodegradability include in particular: nitrogenous substances whose natural or microbial degradation products release basic amines (for example urea and its derivatives; oligopeptides and proteins such as beta-lactoglobulin; condensation products from carbonyls and amines , for example hexamethylenetetramine; and nitrogen-containing organic heterocycles, in particular carbazoles).
  • basic amines for example urea and its derivatives
  • oligopeptides and proteins such as beta-lactoglobulin
  • condensation products from carbonyls and amines for example hexamethylenetetramine
  • nitrogen-containing organic heterocycles in particular carbazoles
  • Preferred additives with a selective retention effect are filtration aids, such as those mentioned in WO 97/16986.
  • Organic acids or acidic carboxylic acid esters, polyphenols or porphyrin derivatives are preferably used.
  • the high-performance cigarette filter according to the invention can thus be improved in terms of its biological and photochemical degradability to an extent that is only possible to a limited extent in the case of spatial filters from the prior art.
  • the advantages associated with the invention are therefore numerous.
  • the easy disintegration of the filter according to the invention under environmental influences is of great advantage.
  • This can be significantly improved in terms of the biological and photochemical degradability compared to a known spatial filter.
  • it has increased retention compared to spatial filters, for example made of cellulose acetate, with the same tensile resistance, while at the same time meeting the requirements placed on the filter, in particular by the cigarette manufacturer and the end user, to a high degree.
  • By mixing different starting tows of any filament size (filament titer) it is also possible to set an optimal area volume and filtration capacity accordingly. This way of working also makes it possible to optimize the filter according to its Filtrona hardness.
  • the existing plasticizer such as triacetin
  • a cigarette filter was produced from a filter tow of the specification 3.0 Y 35.
  • This filter consists of individual filaments with a filament titer of 3.33 dtex and a total titer of 38,889 dtex, where Y describes the cross section of the filament.
  • the filters have a length of 21 mm and a diameter of 7.80 mm.
  • the tensile resistance is 60 daPA with an acetate weight of 107 mg.
  • the filters were coated with a non-porous filter wrapping paper from Glatz (D-67468 Neidenfels) with the designation F 796-28.
  • the Filtrona hardness of the filter rods is 92.2%.
  • the test material (10 filter plugs, freed from paper) is irradiated with a xenon burner at wavelengths greater than 290 nm.
  • the radiation intensity is determined at 340 nm and set to 0.35 Wm "2 nm " .
  • the temperature, measured by a white standard, is 55 ° C.
  • the samples are irrigated twice a day with deionized water.
  • Rk EFiltcr / (EFilter -r- Ecamb ⁇ dgefilter).
  • a filter tow of specification 3.0 Y 55 (filament titer: 3.33 dtex; total titer:
  • the filter tow web with a minimum width of 250 mm is introduced into a pair of heated calender rollers and calendered with an effective line pressure of 40 kg / cm.
  • the profiled calender rolls have a diameter of 230 mm and a grooved width of 350 mm and have 10 profile grooves per cm. They are heated to a temperature of 205 ⁇ 3 ° C with a silicone oil.
  • the groove profile is trapezoidal with an upper width of 0.4 mm and a depth of 0.45 mm and an included angle of 35 °.
  • the fleece produced in this way is folded into a strand by insertion into an inlet nozzle and wrapped in paper in a commercially available KDF2, from the Körber company, Hamburg, at a strand speed of 70 m / min and cut to a filter rod length of 126 mm.
  • the diameter of the filter rods was set to 7.8 mm.
  • the Filtrona hardness of the filter rods is 89.5%.
  • Filter plugs with a length of 21 mm are then cut from these rods, which, as shown in Comparative Example 1, are then examined for their disintegrability (the results are summarized in Table 1).
  • the tensile resistance of these filter rods is 51 daPA with an acetate weight of 141 mg.
  • a filter plug of length 21 mm produced three months before the examination date is inserted into a V2A steel tube with an inner diameter of 7.5 mm.
  • the inside diameter of the steel tube is tapered on both sides to a diameter of 0.3 mm using suitable technical means.
  • nitrogen gas is flowed in at a flow rate of 30 ml per minute and on the outlet side with a commercially available flame ionization detector (FID) connected.
  • the sample tube is placed in a heating furnace with a heating rate of
  • the recorded FID signal reaches its maximum intensity after two minutes at the latest and the baseline after about 6 minutes.
  • cellulose acetate flakes were introduced into a double-walled universal mixer with a total volume of 615 liters and a cooling / heating device.
  • the mixing tool 1 is in one piece with three blades all the way around the bottom and placed vertically on the drive shaft.
  • a one-piece, four-bladed chopper tool 2 is attached horizontally to the drive shaft, which prevents agglomerate formation during the addition and diffusion of plasticizer and is operated at a peripheral speed of 21 m / sec (2890 rpm).
  • Mixer 1 was started up at a peripheral speed of 6.5 m / sec. 65 kg of triacetin were added uniformly over 10 minutes. At this time, the chopper tool 2 is switched on. Mixing was continued intensively for 12 minutes for intimate mixing. In the next 20 minutes, the material was heated to a temperature of 76 ° C. This temperature was maintained for 5 minutes. The mixture was then continuously cooled to 20 ° C. for 30 minutes. The total duration of action of the triacetin on the flakes was 67 min. The mixer was then quickly drained within three minutes. This product obtained by this procedure is very easy to pour and store. The thermoplasticized cellulose acetate granulate is converted into a filter tow of the specification 3.0 Y 55 [filament titer 3.33 dtex; Total titre 61,111 dtex] processed.
  • This filter tow was processed on a conventional two-stage KDF 2 drafting system from Hauni, Hamburg. In contrast to Comparative Example 2, no additional plasticizer is applied after stretching.
  • the filter tow web with a minimum width of 250 mm is introduced into a pair of heated calender rollers and calendered.
  • the profiled Calender rolls have a diameter of 150 mm and a width of 550 mm and have 10 profile grooves per cm. They are heated to a temperature of 180 ⁇ 3 ° C with a silicone oil.
  • the groove profile is trapezoidal with an upper width of 0.4 mm and a depth of 0.45 mm and an included angle of 35 °.
  • the fleece produced in this way is folded into a strand by introducing it into an inlet nozzle and wrapped in paper in a commercially available KDF2, from the Körber company, Hamburg, at a strand speed of 120 m / min and cut to a filter rod length of 126 mm.
  • the diameter of the filter rods was set to 7.8 mm.
  • the Filtrona hardness of the filter rods is 91.4%.
  • Filter plugs with a length of 21 mm are then cut from these rods, which, as shown in Comparative Example 1, are then examined for their disintegrability (the results are summarized in Table 1).
  • the tensile resistance of these filter rods is 51 daPA with a fiber weight of 156 mg.
  • a filter stopper with a length of 21 mm produced three months before the examination date is inserted into a V2A steel tube with an inner diameter of 7.5 mm.
  • the inside diameter of the steel tube is tapered on both sides to a diameter of 0.3 mm using suitable technical means.
  • Nitrogen gas is flowed in on the inlet side at a flow rate of 30 ml per minute and connected on the outlet side to a commercially available flame ionization detector (FID).
  • the sample tube is heated in a heating oven at a heating rate of 75 ° C / min to an oven temperature of 150 ° C.
  • the recorded FID signal reaches its maximum intensity after four minutes at the earliest and the baseline after about 10 minutes.
  • Table 1 shows the results of the tests for the disintegration of comparative examples 1, 2 and the example according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Zigarettenfilter mit mechanischer Desintegrierbarkeit auf der Basis von Fasern bzw. Filamenten von Celluloseestern. Dieses Hochleistungs-Zigarettenfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass a) das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht (bzw. Filamentgewicht)/Zugwiderstandsverhältnis S grösser ist als etwa 0,7, wobei der S-Wert nach der Formel: S = (mA / DELTA P7,8 / dpf [10m/daPA] berechnet wird, worin bedeuten mA das Fasergewicht, DELTA P den Zugwiderstand und dpf den Filamenttiter und für den Zugwiderstand der auf einen Durchmesser von 7,8 mm umgerechnete Wert eingesetzt wird, b) die Restkräuselung des Filtermaterials den Wert von 1,45 nicht übersteigt, c) das Fasergewicht maximal 10 mg/mm Filterlänge beträgt und d) die Härte des Zigarettenfilters etwa 90 % Filtronahärte überschreitet. Dieser Filter zeichnet sich unter Umwelteinflüssen gegenüber Vergleichsprodukten durch eine verbesserte Desintegrierbarkeit aus.

Description

Hochleistungs-Zigarettenfilter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Zigarettenfilter mit mechanischer Desintegrierbarkeit auf der Basis von Fasern bzw. Füamenten von Cellulosee- stern.
Die überwiegende Zahl der heute verwendeten Zigarettenfilter wird aus Filter Tow, bestehend aus endlosen, stauchkammergekräuselten, Cellulose-2,5-acetat-Filamenten hergestellt. Zur Produktion von Filter Tow wird eine Lösung von ca. 30% Cellulose- 2,5-acetat in Aceton durch Spinndüsen gepreßt, das Aceton in einem Spinnschacht durch Anblasen mit erwärmter Luft verdampft, eine Vielzahl von Füamenten (3.000 bis 35.000) zu einem Band zusammengefaßt und dieses anschließend stauchkammer- gekräuselt. Daraufhin wird das Produkt getrocknet, in Ablagebehälter eingefüllt und letztlich zu Ballen mit einem Gewicht von 300 bis 600 kg gepreßt. Die Gesamtmenge an Filter Tow, die heute weltweit nach diesem Verfahren hergestellt wird, beträgt ca. 500.000 Tonnen pro Jahr, was die wirtschaftliche Bedeutung des Prozesses unter- streicht. Nach Transport der Filter Tow-Ballen zum Filter- oder Zigarettenhersteller wird das Filter Tow dem Ballen entnommen und auf einer Filterstabmaschine, wie zum Beispiel in der US-A-5,460,590 beschrieben, zu Filterstäben verarbeitet. Dabei wird das Filter in einer Streckeinrichtung verstreckt, mit einem zur Verklebung der Filamente dienenden Zusatzmittel versehen und dann nach Bildung einer dreidimen- sionalen Lunte mit Hilfe eines Einlauftrichters in das Formatteil eingeführt, dort queraxial verdichtet, mit Papier umhüllt und auf die Endlänge der Filterstäbe geschnitten.
Das zur Verklebung der Filamente aufgebrachte Zusatzmittel ist in der Regel ein hochsiedendes Lösungsmittel für Celluloseacetat, wie zum Beispiel Glycerintriacetat (Triacetin), welches nach dessen Applikation die Oberfläche der Filamente kurzzeitig anlöst. Überall dort, wo sich zufällig zwei Filamente berühren, kommt es einige Zeit danach zu einer festen Verklebungsstelle, da das überschüssige Zusatzmittel in die Faseroberfläche migriert, wodurch sich der zuvor flüssige Lösungstropfen, aus Cel- lulose-2,5-acetat im Zusatzmittel, verfestigt. Nach einer Lagerdauer von weniger als einer Stunde erhält man, bedingt durch die zuvor erwähnte Migration des Härtungsmittels, mechanisch feste, dreidimensional vernetze Filterstäbe (im folgenden als „Raumfilter" bezeichnet) geringer Packungsdichte (heute üblich 80-120 mg/cm3), die sich aufgrund ihrer Härte ohne Schwierigkeiten auf modernen Zigarettenmaschinen mit hohen Geschwindigkeiten verarbeiten lassen.
Die Vorteile des Gesamtverfahrens liegen in der hohen Effizienz der Filter Tow- Herstellung, den niedrigen Transportkosten vom Filter Tow Hersteller zu den Endkunden und insbesondere der hohen Produktivität bei der Filterherstellung, die nicht unwesentlich durch die Lauflänge der Bänder in den Ballen bestimmt wird. Die Verarbeitung von Filter Tow wird auf kommerziell erhältlichen Filterstabmaschinen, wie zum Beispiel der KDF 3/AF 3 der Fa. Körber AG, Hamburg, durchgeführt. Dabei sind Produktionsgeschwindigkeiten von derzeit 600 m/min Stand der Technik. Die Produktivität der Filterherstellung kann bei Anwendung der in der DE-A-43 40 029 beschriebenen Doppelstrangtechnologie und bei Anwendung der in der DE-A-43 20 303 dargestellten Twin Tow-Technologie noch deutlich gesteigert werden. Ein weiterer Vorteil der herkömmlichen Filterherstellung liegt darin begründet, daß man durch Veränderung des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Aufbereitungs- und Formatteil die Filtereigenschaften bezüglich Druckabfall und damit die Filtrationsleistung in weiten Grenzen bei Beibehaltung der Filter Tow Spezifikation variieren kann. Darüber hinaus läßt sich durch Variation des Filament- beziehungsweise Gesamttiters eine fast beliebig große Vielfalt an Filtern unterschiedlichster Filtrationsleistungen nach dem beschriebenen Verfahren herstellen.
Zur Herstellung von Raumfiltern wird heute weitgehend Cellulose-2,5-acetat eingesetzt. Es besitzt im Hinblick auf die Diskussion bezüglich Rauchen und Gesundheit nachweislich hervorzuhebende Eigenschaften betreffend spezifischer Retentionsphä- nomene. So filtriert ein Filter aus Celluloseacetat gesundheitlich bedenkliche Nitrosa- mine und Phenole weitaus effizienter als Kondensat und Nikotin. Außerdem wird der Rauchgeschmack der heute üblichen Tabakmischung, wie zum Beispiel "American Blend" , "German Blend" und "Virginia" in Kombination mit einem Raumfilter aus
Celluloseacetat durch den Raucher als am angenehmsten beurteilt. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Vorteil eines Raumfilters aus Cellulose-2,5-acetat ist in der optischen Homogenität der Schnittflächen der Filter begründet.
Alle anderen möglichen Polymeren, mit denen nach vergleichbaren Verfahren Raumfilter herstellbar wären, haben sich wegen negativer Geschmacksbeeinflussung des Rauches, mangelnder spezifischer Retention, Problemen mit der Härtung und Schneidproblemen der Filter an der Filterstabmaschine, aber auch an der Zigaretten- maschine, am Markt nicht durchsetzen können. Die durchweg negative Beurteilung des Rauchgeschmacks und der Mangel an spezifischen Retentionen bei Verwendung von anderen Polymeren zur Herstellung von Raumfiltern legt nahe, daß die Vorteile des heutigen Acetatfüters nicht ursächlich verknüpft sind mit der physikalischen Filterkonstruktion, sondern auf adsorbtive Eigenschaften des Polymers Cellulose-2,5- acetat zurückzuführen sind, die sich auch bei Flächenfiltern positiv auswirken sollten. Allerdings haben Raumfilter aus Cellulose-2,5-acetat ungeachtet ihrer unbestreitbaren Marktdominanz einige gravierende Nachteile: Zugwiderstand und Filtrationsleistung sind für Raumfilter aufgrund konstruktiver physikalischer Vorgaben eindeutig definiert. Die Partikelfiltration oder auch Kondensatretention ,,Rκ" eines üblichen Raum- filters ist eine Funktion von Filamenttiter (Faserfeinheit), Filterdurchmesser, Zugwiderstand und Filter länge. Es gilt:
Rk = f (dpf, DA ΔP) (1),
worin bedeuten: dpf Filamenttiter [dtex] ,
D Filterdurchmesser [mm], C Filterlänge [mm] und ΔP Zugwiderstand [daPA] .
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, den Zusammenhang zwischen diesen Größen durch empirisch ermittelte Gleichungen darzustellen. Beispiele dafür sind in den folgenden Druckschriften zu finden: „Design of Cigarettes", C.L. Brown, Hoechst - Celanese Corporation, 3. Auflage, 1990 und Cable®: Capability Line Expert Copyright © 1994 by Rhodia Acetow AG, D - 79123 Freiburg.
Bei dem derzeitigen Filterberechnungsprogramm „Cable®" wird folgender empirisch ermittelter Zusammenhang verwendet:
Figure imgf000005_0001
worin bedeutet: Dk = Durchlässigkeit des Filters für Kondensat,
wobei gilt: Dk = exp(L*A+B) (3),
A = Kl - K2 * dpf (4),
L = 21 - £ (5) und
B = -(K3 * D4 * ΔP + K4 / dpf + K5) (6).
Kl bis K5 sind hierbei Konstanten die entsprechend der verwendeten Tabakmischung und der jeweilige Retentionsbestimmungsmethode empirisch ermittelt werden. Mit anderen Worten: Für eine gegebene Filterlänge und einen festgelegten Durchmesser ist die Filterleistung eines Zigarettenfilters eindeutig bestimmt durch den Zugwider- stand des Filters und den Filamenttiter der eingesetzten Filter Tow Spezifikation.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Filtrationsleistung von Raumfiltern unter Beibehaltung der Vorgaben, wie Länge, Durchmesser, Zugwiderstand und Filamenttiter, zu steigern. Ein solches Hochleistungsfilter ist beispielsweise in der DE-A-26 58 479 beschrieben, wobei hier die Erhöhung der Filtrationsleistung durch Zugabe von reten- tionserhöhenden, feindipersen Metalloxiden gelingt. Auch der Zugwiderstand eines Raumfilters ΔP ist eindeutig definiert. Er ist abhängig vom Durchmesser D des Filters, seiner Länge _ , dem Filamenttiter dpf, dem Gesamttiter G [g/10exp4 * m] sowie dem Fasergewicht ΠIA [g]
ΔP = f (D, £, dpf, G, ΓΠA) (7). Für einen gegeben Filterstab mit einem Zugwiderstand ΔP, einem Durchmesser D und einer Länge £ ist bei Verwendung einer definierten Filter Tow-Spezifikation das Fasergewicht eindeutig festgelegt. Der Zusammenhang zwischen Fasergewicht und Zugwiderstand ist wegen der Vielfalt der zur Verfügung stehenden Filter Tow- Spezifikationen, der Filterstabdimensionen, der realisierbaren unterschiedlichen Restkräuselungen nicht in einer mathematischen Gleichung geschlossen darzustellen. Das obengenannte Cable® erlaubt es jedoch für jede Füter-Tow Spezifikation, Restkräuselung und Filterstabdimension das Fasergewicht für einen gegebenen Zugwiderstand zu berechnen.
Das Fasergewicht niA eines Filters ist mit der Restkräuselung und dem Gesamttiter durch folgende Gleichung definiert:
IR = 10.000* mκ l (G * () (8).
Die Restkräuselung versteht sich dabei als das Verhältnis der Länge der entkräuselten Filamente zur Filterlänge. Die Restkräuselung ist für ein gegebenes Zigarettenfilter ein charakteristisches Merkmal. Aufgrund der mit Mitteln des Standes der Technik möglichen Restkräuselwerte und der heute üblichen Filamenttiter für Raumfilter aus Celluloseestern läßt sich die Gesamtmenge der Raumfilter durch ein auf den Filamenttiter bezogenes Verhältnis von Fasergewicht zu Zugwiderstand charakterisieren. Für Raumfilter gilt, daß das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht/Zugwiderstandsverhältnis S eindeutig definiert ist und dieser Wert den Betrag 0,7 nie überschreitet und somit eine charakteristische Größe darstellt. Dieser Zusammenhang läßt sich für Raumfilter aus Celluloseester ausdrücken durch:
S = (r_A / ΔP s) / dpf < 0,7 [10 m/daPA] (9),
wobei für den Zugwiderstand immer der auf einen Durchmesser von 7,8 mm umge- rechnete Wert eingesetzt werden muß. Für die Umrechnung gilt folgende Gleichung:
ΔPτ 8 = ΔPx*(Dχ/ 7,8) ' 8 [daPA] (10), worin der Index X den Durchmesser der tatsächlichen Probe kennzeichnet.
Trotz der sich daraus ergebenden ungeheuren Vielfalt an möglichen Raumfiltern exi- stieren durch die genannten Zusammenhänge (Gleichung 2) Beschränkungen bezüglich der erzielbaren Kondensatretentionen.
Es ist technisch völlig problemlos, mit dem Spektrum der heute üblichen Filter Tow Spezifikationen Filter herzustellen, um das Segment der Full-Flavour-Zigaretten ge- nauso abzudecken, wie das Segment der Medium- und Leichtzigaretten. Problematisch wird es, wenn eine Filterleistung, wie für die Konstruktion von Ultra-Leicht- Zigaretten erforderlich, von deutlich mehr als 50% bei einem üblichen Filterdurchmesser von 7,80 mm und einer Filter länge von 21 bis 25 mm gefordert wird. Da der Rauch bei einem Raumfilter parallel zur Faserrichtung strömt, ist dies nur durch eine deutliche Erniedrigung des Filamenttiters zu erreichen, was gleichzeitig bei Beibehaltung des Gesamttiters eine deutliche Zugwiderstandserhöhung zur Folge hätte. Gesamttiter und Filamenttiter müssen also gleichermaßen reduziert werden, mit der Folge, daß die Härte der Filter, insbesondere auch während des Abrauchens drastisch vermindert wird. Dieses Phänomen wird vom Fachmann als "Hot-collapse" bezeichnet und gilt als gänzlich unerwünscht.
Auch durch Additive bewirkte, spezifische Retentionsleistungen lassen sich nur bei vergleichsweise hoher Basisretention realisieren. So beschreibt beispielsweise die WO 97/16986 antimutagen wirkende Additive, die nur im Zusammenspiel mit einer gleich- falls hohen Mindestnikotinretention effektiv wirken. Diese Forderung begrenzt deutlich das Spektrum der in der WO 97/16986 anwendbaren Filter Tow Spezifikationen (vergl. dort Beispiele in Tabelle II, Seite 13).
Ein weiterer unbestreitbarer Nachteil von aus Celluloseacetat hergestellten Raumfil- tern ist ihre schlechte mechanische Desintegrierbarkeit in der Umwelt. Diese schlechte Desintegrierbarkeit verzögert den Abbau der in die Umwelt gelangenden Zigarettenfilter nachhaltig. Es konnte nachgewiesen werden, daß sich der Abbau von Cellulose- acetatfasern durch unterschiedlichste Maßnahmen wirksam beschleunigen läßt. Alle diese Maßnahmen wirken aber gleichermaßen in Richtung Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit des Polymers Celluloseacetat, aber nicht in Richtung leichterer Desintegrierbarkeit der Filter. Die Wirkung der z. B. in der DE-C-43 22 966 und DE- C-43 22 965 beschriebenen Maßnahmen ist im wesentlichen durch die dreidimensionale Vernetzung der Filamente in einem Raumfilter begrenzt. Die zum Abbau des Filtermaterials notwendigen Mikroorganismen haben demnach im Freiland einen zu geringen Zugang zu den Füamenten und damit zum biologischen Abbau des Polymers. Die zwar verbesserte biologische Abbaubarkeit des Polymers wird also überbestimmt oder dominiert durch die schlechte mechanische Desintegration der Raumfilter.
Da es sich bei der zuvor erwähnten Stauchkammerkräuselung um eine dreidimensionale Kräuselung handelt, tritt in der bei der Filterherstellung gebildeten Lunte auch ohne Härtungszusatz, aber auch, wie in der DE-C-43 22 966 vorgeschlagen, bei Ver- wendung wasserlöslicher Kleber, eine dreidimensionale Vernetzung der Filamente im fertigen Filter auf, die so bedeutend ist, daß die mechanische Desintegration der Filter in der Umwelt auch in diesen Fällen, merklich behindert wird. Ähnliche Einschränkungen gelten für den photochemischen Abbau von Füamenten. Die in EP-A-0 716 117 und EP-B-0 732 432 beschriebene Beschleunigung ist begrenzt durch die be- schriebenen konstruktiven Nachteile eines Raumfilters.
In der EP-A-0 880 907 wurde deshalb vorgeschlagen, die Querverhakung durch Einsatz von Filter Tow Spezifikationen mit extrem niedriger Restkräuselung (siehe Seite 5, Gleichung 8) im fertigen Filter weitestgehend zu verhindern. Dies wird letztlich durch eine drastische Anhebung der Gesamttiter und damit der Filtergewichte erreicht. Daraus ergibt sich naturgesetzlich eine Erhöhung der Zugwiderstände. Zur Kompensation dieser hohen Zugwiderstände muß daher der Filamenttiter entsprechend angehoben werden (s. Beispiel II).
Als weitere Maßnahmen beschreibt die EP-A-0 880 907 ein teilweises Zerschneiden der Filter nach deren Fertigung und die Verwendung von wasserlöslichen Klebern. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß das in der EP-A-0 880 907 beschriebene desintegrierbare Zigarettenfilter die Kriterien des Raumfilters bezüglich des auf den
Filamenttiter bezogenen Gewichts- / Zugwiderstandsverhältnis S < 0,7 erfüllt (Beispiel II: S = 0,31 m/daPA).
Ein völlig unterschiedliches Verfahren zur Herstellung von Aerosolfiltern nutzt als Ausgangsmaterial ein Flächengebilde, wie zum Beispiel Papier, Spinnvliese, textile Gewebe oder Non-Wovens (im folgenden werden solche Filter als „Flächenfilter" bezeichnet). Diese Filter umgehen die oben genannten Einschränkungen bezüglich Filterleistung und Desintegrierbarkeit. Dabei wird beim Hersteller des Fütermaterials ein Flächengebilde hergestellt, auf Bobinen aufgerollt und anschließend zum Verar- beiter versandt. Der Filter- oder Zigarettenhersteller rollt das Material von der Bobine ab, formt es zu einem stabförmigen Produkt, um es dann im Formatteil der Filterstabmaschine queraxial zu verdichten, mit Papier zu umhüllen und auf die Endlänge der Filter Stäbe zu schneiden. Ergänzend dazu wird das Flächengebilde in der Regel, aber nicht notwendigerweise, vor der Umformung zum Stab parallel zur Laufrichtung durch eine Kreppeinrichtung gekräuselt. Damit erreicht man zum einen eine Erniedrigung der Materialdichte und zum anderen eine Beeinflussung des Druckabfalls (Zugwiderstands) der Filter. Dennoch liegt die Packungsdichte der heute bekannten Flächenfilter mit 120 bis 300 mg Fasergewicht/cm3 deutlich höher als die der bekannten Raumfilter aus Celluloseacetat. Eine Quervernetzung der Vlieslagen findet in aller Regel nicht statt und wird bewußt nicht angestrebt.
Das bekannteste Flächenfilter besteht aus Papier und wird zum Beispiel von der Fa. Filtrona, Hamburg, unter dem Handelsnamen Myria Filter vermarktet. In der WO 95/14398 wird ein Filter aus einem Papier aus künstlichen, hochfibrülierenden Cellu- losefasern der Lyocellfaser, im Gemisch mit Zellstoffasern oder auch Acetatfasern beschrieben. Ferner betrifft die WO 95/35043 ein Zigarettenfilter aus einem wasser- vernadelten Gewebe, das wiederum die Lyocellfaser als dortigen Bestandteil enthält.
Neben den in den genannten Anmeldungen erwähnten Verfahren können selbstverständlich alle bekannten Verfahren zur Bildung von Flächengebilden im Zusammen- hang mit der aus Gründen ihres Faserdurchmessers nach Fibrülierung höchst interessanten Lyocellfaser zur Herstellung von Flächenfiltern herangezogen werden.
Alle diese Filter gelten als biologisch gut abbaubar, weil leicht desintegrierbar, bedingt durch die fehlende Vernetzung der Flächenlagen und die geringe Wasserfestigkeit von Produkten, die in einem Papierprozeß hergestellt wurden. Nach Wiederaufrollen des Zigarettenfilters zu einem Flächengebilde unter Umwelteinflüßen bietet ein solches Flächengebilde außerdem, im Unterschied zu einem schwer desintegrierbaren Raumfilter, eine vergleichsweise wesentlich größere Oberfläche für zum biologischen Abbau geeignete Mikroorganismen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Flächenfilter besteht in einer deutlich höheren Nikotin- und Kondensatretention im Vergleich zu Raumfiltern entsprechenden Zugwiderstandes. Diese höhere Filtrationsleistung ist auf die physikalische Konstruktion der Flächenfilter zurückzuführen und demnach nicht abhängig vom jeweils eingesetzten Filtermaterial.
Dennoch wird bei Verwendung von Flächenfiltern, bei denen das Filtermaterial nicht oder nur teilweise aus Celluloseacetat besteht, immer wieder die negative geschmackliche Beeinflussung des Rauches durch z. B. cellulosische Fasern vom Konsumenten negativ beurteilt. Außerdem weisen diese hauptsächlich aus cellulosischen Fasern be- stehenden Filter nicht die für Raumfilter aus Celluloseacetat typischen, hohen selektiven Retentionen gegenüber Phenolen und Nitrosaminen auf.
Es hat deshalb in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, Flächenfilter auf der Basis von Celluloseacetat vorzuschlagen. So beschreibt die DE-A-27 44 796 die Ver- wendung von sogenannten Fibrets aus Celluloseacetat in Kombination mit Celluloseacetat- bzw. natürlichen oder synthetischen Fasern zur Herstellung von Flächenfiltern. Beispielsweise beschreibt die US-A-3 509 009 die Anwendung der Melt-Blown Technik zur Herstellung von Vliesen für die Anwendung in Zigarettenfiltern.
Die DE-C-196 09 143 beansprucht ein Melt-Blown-Vlies u. a. zur Herstellung von Zigarettenfiltern, ausgehend von einem thermoplastischen Celluloseacetat. Alle aus den beschriebenen Materialien hergestellten Zigarettenfilter haben den Vorteil, daß die Filtrationsleistung (gemessen als Nikotin- oder Teerretention) dieser Filter gegenüber im Zugwiderstand vergleichbaren Raumfiltern aus Celluloseacetat deutlich höher ist. Ferner ist bekannt, daß reines Celluloseacetat zur Verarbeitung in Prozessen mit thermischer Verformung des Polymers nicht geeignet ist. Die dabei auftretenden Pro- bleme sind in der DE-C-196 09 143 eingehend geschildert.
Von Nachteil ist ferner, daß aufgrund der erwähnten höheren Dichte der Filter, der Materialeinsatz vergleichsweise so hoch ist, daß selbst bei Einsatz eines billigen Ausgangstoffes, wie Papier auf Basis von Papierzellstoff, der Preis pro Filter sich nicht wesentlich von dem eines Raumfilters aus Celluloseacetat unterscheidet. Wesentlich teurer werden die Filter jedoch, wenn man Flächengebilde aus gesponnenen endlosen Fasern zur Herstellung verwendet. In diesen Fällen steht am Anfang ein Spinnprozeß zur Herstellung eines gekräuselten Tows, welches dann zu einer Faser geschnitten wird, die dann wiederum in einer zusätzlichen Arbeitsstufe zu einem Flächengebilde als Ausgangsmaterial für den Filterhersteller weiterverarbeitet wird. Beispiele für eine solche Vorgehensweise sind in der schon erwähnten WO 95/14398 oder auch der DE- A-27 44 796 beschrieben.
Angesichts der oben geschilderten Nachteile wird es verständlich, daß sich die Tech- nologie des Flächenfilters, hergestellt durch das mehrstufige Verfahren (Spinnen, Schneiden, Vliesherstellung), bei der Verarbeitung zu Massenartikeln (Full-Flavour oder Light-Segment) nie durchgesetzt hat.
Ein deutlich anderes Verfahren zur Herstellung von Flächenfiltern aus Celluloseacetat beschreibt die DE-A-1 930 435. Dabei wird ein herkömmliches Filter Tow, hergestellt aus nicht thermoplastifizierten Celluloseacetatfasern, aus einem Ballen abgezogen, in einem üblichen Aufbereitungsteil ausgebreitet, ver streckt und mit einem üblichen Pla- stifizierungsmittel versehen. Abweichend vom üblichen Verarbeitungs verfahren zur Herstellung von Raumfiltern wird dann die aufbereitete Filter Tow Bahn in einer Heizvorrichtung aufgeheizt und anschließend mit Hilfe von profilierten, beheizten Walzen unter Druck thermoplastisch vernetzt. Das so hergestellte zweidimensional verfestigte Flächengebilde wird dann zusammengefaßt, queraxial verdichtet, mit Pa- pier umhüllt und geschnitten. Dadurch entsteht, wie in der US-A-4,007,745 beschrieben, ein Flächenfilter aus endlosen Celluloseesterfilamenten. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß es erstmals, von den Produkteigenschaften der Filter her gesehen, die Vorteile des Flächenfilters bezüglich Nikotin- und Kondensatretention mit den Vorteilen des Polymers Celluloseacetat bezüglich spezifischer Retention und Geschmack kombiniert. Auch ist die einstufige, kostengünstige Umwandlung von Filter Tow zu einem Flächenfilter vorteilhaft. Das Filter ist jedoch gekennzeichnet durch eine Vielzahl von dreiecksförmigen Rauchkanälen, die aus einem Vlies gebildet werden, welches eine große Anzahl von rechteckigen Vertiefungen aufweist. Ein weiterer Nachteil dieser Filterkonstruktion besteht darin, daß die dreieckigen Kanäle insbesondere beim Abrauchen gut sichtbar werden, was sich als optischer Nachteil der gefertigten Produkte bemerkbar macht.
Das in der DE-A-1 930 435 dargestellte Verfahren sowie der entsprechende Zigaret- tenfüter der US-A-4,007,745 haben allerdings noch einige weitere erhebliche Nachteile: Bedingt durch die thermoplastische Verschmelzung der Filamente entstehen großflächige, völlig verschmolzene Flächenanteile niedriger Porosität (s. Fig 2 bis 6), die für die Filtration des Rauches unwirksam sind. In der Folge benötigt man bei diesen Filtern einen Materialeinsatz, der erheblich über dem heutiger Raumfilter liegt. Beispielhaft werden in der US-A-4,007,745 Filter beschrieben, deren Materialeinsatz die heute übliche Einsatzmenge zwei bis zweieinhalbfach übersteigt (s. Beispiel 4 bis 7).
Ferner ist die Kräuselung in den nicht verfestigten Flächenanteilen dreidimensional orientiert (siehe DE-A-1 930 435, Fig. 6), mit der Folge, daß die benachbarten Flächenlagen bei der queraxialen Verdichtung zum Füterstab wiederum teilweise dreidimensional vernetzen. Dies wird noch verstärkt durch die Tatsache, daß durch die kurze thermische Behandlung der Filter Tow Bahn vor der thermoplastischen Vernetzung des Vlieses, der zuvor zur Plastifizierung aufgebrachte Weichmacher noch nicht in die Faser migriert ist und deshalb, entsprechend der Aushärtung von Raumfiltern aus Celluloseacetat, zu einer Verklebung benachbarter Vlieslagen beiträgt. Es ist dabei zu wissen, daß es sich bei den in der DE-A-1 930 435 beschriebenen, zur Plastifizierung des Celluloseacetats eingesetzten Produkten, um dieselben chemischen Substanzen handelt, wie sie zur Aushärtung von Raumfiltern aus Celluloseacetat in ihrer Funktion als Lösungsmittel eingesetzt werden.
Die beiden zuletzt genannten Nachteile verhindern das Wiederaufrollen des Flächenfilters zu einer Vliesbahn. Die hierfür verantwortlichen Prinzipien entsprechen denen der oben diskutierten Raumfilter.
Ein weiterer Nachteil der Lehre der DE-A-1 930 435 liegt darin begründet, daß die Filter Tow Bahn zum Zeitpunkt der Vliesbildung, wie schon erwähnt, mit Härtungsmittel benetzt ist, wodurch die Oberfläche stark klebrig wird. Dieses führt zu Verklebungen an der Kalanderwalze und macht demnach die Verfahrensführung, insbesondere bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten von > 100 m/min, äußerst schwierig.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Flächenfilter auf Basis endloser Celluloseesterfasern bereitzustellen, welche die oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik, insbesondere des in der US-A-4,007,745 beschriebenen Filters, nicht aufweisen. Diese sollen auch ohne dreidimensionale Vernetzung eine ausreichende Härte besitzen, wobei ihre mechanische Desintergrierbarkeit derjenigen von Flächen- filtern entsprechen soll, welche aus Vliesen mit Kurzschnittfasern hergestellt wurden. Hierbei soll sich die Filtronahärte an den Markterfordernissen orientieren. Ferner sollen die Flächenfilter die aus dem Stand der Technik bekannten vorteilhaften oder in Einzelfällen verbesserten Eigenschaften beibehalten.
Erfindungsgemäß wird obige Aufgabe gelöst durch einen Hochleistungs- Zigarettenfilter mit mechanischer Desintegrierbarkeit auf der Basis von Fasern bzw. Füamenten von Celluloseestern, insbesondere Celluloseacetat, dadurch gekennzeichnet, daß a) das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht/Zugwiderstandsverhältnis S größer ist als etwa 0,7, wobei der S-Wert nach der Formel:
S = (π / ΔP? s) / dpf [10 m/daPA] berechnet wird, worin bedeuten
ΠIA das Fasergewicht [g], ΔP den Zugwiderstand [daPA] und dpf den Filamenttiter [dtex] und für den Zugwiderstand der auf einen Durchmesser von 7,8 mm umgerech- nete Wert eingesetzt wird, b) die Restkräuselung des Filtermaterials den Wert von 1,45 nicht übersteigt, c) das Fasergewicht maximal 10 mg/mm Filterlänge beträgt und d) die Härte des Zigarettenfilters etwa 90% Filtronahärte überschreitet.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters wird entweder ein thermoplastisches Celluoseester Faser- bzw. Filamentmaterial oder im Falle eines nicht thermoplastischen Celluloseesters ein wasserlösliches Verklebungsmittel verwendet. Wird nachfolgend von Fasermaterial gesprochen, dann soll die entsprechende Ausführung auch für Filament- materialien, so fern sinnvoll, gelten. (Bezüglich der thermoplastischen Eigenschaften von Celluloseesterderivate sei auf die in der DE-A-196 09 143 dargestellte Diskussion bezüglich internen und externen Weichmachern (Sl Z65 ff) verwiesen. Die dort getroffenen Feststellungen sind für das Verständnis der folgenden Ausführungen von grundlegender Bedeutung. Zur Definition von Thermoplasten wird außerdem auf „Römpps Chemielexikon, 8. neubearbeitete und erweiterte Auflage, Bd. 6, Franckh'sche Verlags- buchhandlung, Stuttgart 1988" , Seite 4229" .) verwiesen. Für den ersten Fall eines thermoplastischen Celluloseester-Fasermaterials kann man zwei Fälle unterscheiden. Im ersten Fall ist das Fasermaterial aus einem von Natur aus schon thermoplastischen Celluloseester, wie z. B. Celluloseacetobutyrat, hergestellt. In diesem kann das Filter Tow ohne weitere Maßnahmen zu erfindungsgemäßen Filtern verarbeitet werden. Im Falle eines nicht-thermoplastischen Ausgangspolymers, wie z. Beispiel Cellulose-2,5- acetat, muß dieses durch Zugabe eines geeigneten Weichmachers thermoplastifiziert werden. In diesem Fall muß der Weichmacher in den Fasern homogen verteilt sein. Die homogene Verteilung des Weichmachers in den Fasern läßt sich durch unterschiedlichste Methoden nachweisen. Diese sind beispielsweise: Aufzeichnung der Verdampfungskine- tik der Weichmacher. Dazu kann ein Filter Stöpsel in einem Inert-Gasstrom erhitzt werden und die Verdampfungskinetik über die Verbrennung in einem handelsüblichen Flammen- Ionisations-Detektor (FID) nachgewiesen werden. Die Verdampfungskinetik eines in der Faser gleichmäßig eingebrachten Weichmachers unterscheidet sich nachhaltig von der eines oberflächlich aufgebrachten Weichmachers. Da die Verdampfung diffusionskon- trolliert erfolgt, ist die Verdampfungskinetik bei gleichmäßiger Verteilung signifikant langsamer als bei oberflächlicher Applikation. Eine andere Möglichkeit besteht darin die Verdampfungskinetik mittels Differential -Thermogravimetrie darzustellen. Drittens kann die gleichmäßige Verteilung durch Kurzzeitextraktionsverfahren in für das Polymer geeigneten Lösungsmitteln mit anschließender quantitativer Analyse des Weichmachers ermittelt werden. Diese Methode liefert für einen homogen verteilten Weichmacher einen deutlich niedrigeren Analysenwert als für den nur oberflächlich aufgetragenen Weichma- eher bei gleichem prozentualen Gehalt. Eine weitere Möglichkeit oberflächlichen und gleichmäßig verteilten Weichmacher qualitativ zu unterscheiden besteht in der Möglichkeit mittels NIR Reflexion zu untersuchen. Diese Methode liefert für homogen verteilten Weichmacher einen deutlich niedrigeren Analysenwert als für den nur oberflächlich aufgetragenen Weichmacher bei gleichem prozentualen Gehalt.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filters wird ein Filter Tow vom Ballen abgezogen, pneumatisch ausgebreitet und nach dem für Raumfilter üblichen Verfahren verstreckt. Vor dem eigentlichen Filterherstellungsschritt wird intermediär ein Non- Woven-Vlies mit möglichst niedriger Festigkeit in Richtung beider Flächenachsen erzeugt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß dies besonders dann gelingt, wenn der zur Thermoplastifizierung des Polymers notwendige Weichmacher gleichmäßig in der Faser verteilt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das auf den Filamenttiter bezogene Ver- hältnis von Fasergewicht / Zugwiderstand S nach der oben bezeichneten Formel größer als etwa 0,7. Wird dieser Wert unterschritten, dann führt das zu Retentions werten, wie sie bei konventionellen Celluloseacetat-Fütern üblich sind. Bevorzugt beträgt das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht / Zugwiderstandsverhältnis S höchstens etwa 2, und liegt insbesondere im Bereich von etwa 0,8 bis 1,3. Wird der bevorzugte Wert von etwa 2 für das Verhältnis S überschritten, dann erfüllt dieses Produkt nicht mehr die gewünschten Wirtschaftlichkeitsanforderungen. Hinsichtlich der weiteren zugrundeliegenden Parameter gelten vorzugsweise folgende Rahmenbedingungen :
Die Restkräuselung IR des Filtermaterials ist kleiner als 1,45. Bevorzugt liegt die Restkräuselung zwischen etwa 1 ,05 und 1,4, insbesondere zwischen etwa 1 , 1 und 1 ,3.
Das Fasergewicht kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre maximal 10 mg/mm Filterlänge, insbesondere maximal 9,0 mg/mm Filterlänge, und vorzugsweise minde- stens etwa 4 mg/mm Filterlänge betragen. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen etwa 5 bis 8 mg/mm Filterlänge. Wird der Maximalwert von 10 mg/mm Filterlänge überschritten, dann ist ein derartiges Produkt nicht hinlänglich wirtschaftlich. Vorzugsweise wird ein Mindestwert von etwa 5 mg/mm Filterlänge eingehalten. Wird dieser Wert unterschritten, dann läßt sich nach dem Stand der Technik die gewünschte Härte des Zigarettenfilters von minimal 90% nicht mehr einhalten. Der Mindestgrenzwert der Filtronahärte von etwa 90% orientiert sich an den Markterfordernissen. Die Filtronahärte des erfindungsgemäßen Zigarettenfilters kann hierbei vorzugsweise auf etwa 90 bis 95% , insbesondere etwa 91 bis 93 % eingestellt sein. (Bestimmung der Filtronahärte: Ein zylindrischer Stab von 12 mm Durchmesser drückt mit seiner flachen Stirnseite vertikal mit einer Last von 300 g auf einen horizontal positionierten Filterstab. Das Verhältnis des zusammengedrückten Durchmessers zum vorher durch die erste Berührung ermittelten Ausgangsdurchsmessers ergibt die prozentuale Angabe der Filtrona-Härte). Es erweist sich von besonderem Vorteil, wenn ein Hochleistungs- Zigarettenfilter gemäß der Erfindung nach dem CBDTF-Test nach 10 Wochen Ver- suchsdauer einen Gewichtsverlust von mindestens etwa 40% insbesondere mindestens etwa 50 Gew.-% aufweist.
Der Zugwiderstand der erfindungsgemäßen Filter liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 und 12 daPA/mm Filterlänge. Die Filamenttiter der eingesetzten Filter Tow Qualitäten variieren zwischen 1 und 20 dtex. Die Desintegrierbarkeit der erfindungsgemäßen Zigarettenfilter wird durch eine geringe Restkräuselung IR angehoben. Diese geringe Restkräuselung verringert die Quer- ver hakung der Filamente innerhalb und zwischen den Ebenen der Vliesbahnen. Die Restkräuselung des erfindungsgemäßen Filters ist, wie oben ausgeführt, kleiner als 1 ,45.
Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Desintegrierbarkeit des erfindungsgemäßen Filters empfiehlt es sich, dieses aus einem mehrfachbreiten Faserstreifen gemäß der Lehre der DE 43 40 029 herzustellen. Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Zigarettenfilter aus einem Faserstreifen hergestellt werden, der vor Eintritt in den Strangteil der Filterstabmaschine in mehrere Streifen aufgetrennt wurde.
Die endlosen thermoplastischen Celluloseesterfasern der Erfindung können Celluloseacetat, insbesondere Cellulose-2,5-acetat, Cellulosebutyrat, Celluloseacetobutyrat, Celluloseacetopropionat und/oder Cellulosepropionat, enthalten. Vorteilhafterweise weisen die erfindungsgemäßen endlosen thermoplastischen Fasern aus Celluloseacetat einen Substitutionsgrad von etwa 1 ,5 bis 3,0, vorzugsweise etwa 2,2 bis 2,6 auf.
Die zur Thermoplastifizierung der verwendeten Celluloseester eingesetzten und in den Fasern gleichmäßig verteilten Weichmacher können beispielsweise aus folgenden Gruppen ausgewählt sein: Glycerinester (insbesondere Glycerintriacetat), Ethylen- und Propylencarbonat, Zitronensäureester (insbesondere Acetyl-, Triethy leitrat), Glykole- ster (insbesondere Triethy lenglykoldiacetat (TEGDA) oder Diethylenglykoldibenzoat), Carbowax® (insbesondere Polyethylenglykole eines Molekulargewichts von 200 bis 14.000, wie etwa hergestellt von der Firma UCC, USA), Sulfolan (Tetrahydrothio- phen-l , l-dioxid), Fettsäureester, Phosphorsäureester (insbesondere Trioctyl-, Triphe- nyl- oder Trimethylphosphat), Estern der Phthalsäure (insbesondere Dimethyl-, Die- thyl, Dibutyl- und/oder Diisodecylphtalat) und Mischungen beliebiger Zusammensetzungen aus ein oder mehreren dieser Substanzen.
Die Menge an einzusetzendem plastifizierndem Weichmacher und/oder wasserlöslichem Verklebungsmittel ist dem Fachmann auf diesem technischen Gebiet ohne weite- res geläufig. Im allgemeinen liegt ein Gehalt an Weichmacher und/oder Verklebungs- mittel von etwa 1 bis etwa 40 Gew.-% vor, in besonderen Fällen kann der Gehalt an Weichmacher diesen Bereich jedoch ohne weiteres übersteigen, ohne daß hiervon die Lehre der Erfindung betroffen ist.
Als wasserlösliche Verklebungsmittel, die bevorzugt auf der Oberfläche der Fasern vorliegen, können die üblichen, bei der Herstellung von Raumfiltern aus Celluloseacetat angewandten hochsiedenden Lösungsmittel, wie Polyalkylenoxide (wie Polye- thylenglykole, Polypropylenglykole oder Copolymere aus Polyethylen- und Polypropylenoxid sowie deren Derivate), wasserlösliche Ester oder Ether (auch Celluloseester oder -ether), Stärke, Stärkederivate, p-Polyvinylalkohole (partiell oder vollständig hydrolysiert, sowie Derivate davon), Polyvinylether (und deren Derivate), p- Polyvinylacetate und/oder Polysaccharide, wasserlösliche Polyamide und Polyacrylate eingesetzt, d.h. auf die Faserbahn appliziert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten die Celluloseester fasern bzw. -filamente Additive in Form von fotoreaktiven Additiven, die biologische Abbaubarkeit begünstigenden Additiven, Additiven mit selektiver Retenti- onswirkung und/oder farbigen Pigmenten. Bevorzugt wird als fotoreaktives Additiv ein feindisperses Titandioxid des Anatas-Typs mit einer mittleren Teilchengröße von kleiner 2 μm eingesetzt. Als Additive, die die biologische Abbaubarkeit begünstigen sind insbesondere zu nennen: stickstoffhaltige Substanzen, deren natürlichen oder mi- krobiellen Abbauprodukte basische Amine freisetzen (beispielsweise Harnstoff und seine Derivate; Oligopeptide und Proteine, wie etwa beta-Lactoglobulin; Kondensati- onsprodukte aus Carbonylen und Aminen, etwa Hexamethylentetramin; sowie stickstoffhaltige organische Heterocyclen, insbesondere Carbazole).
Bevorzugte Additive mit selektiver Retentionswirkung sind Filtrationshilfen, wie sie zum Beispiel in der WO 97/16986 genannt sind. Vorzugsweise werden organische Säuren bzw. saure Carbonsäureester, Polyphenole, oder Porphyrinderivate eingesetzt. Durch geeignete Maßnahmen kann das erfindungsgemäße Hochleistungs- Zigarettenfilter somit im Hinblick auf die biologische und photochemische Abbaubarkeit in einem Ausmaß verbessert werden, wie dies bei Raumfiltern aus dem Stand der Technik nur bedingt möglich ist.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile sind somit vielfältig. Insbesondere ist die leichte Desintegrierbarkeit des erfindungsgemäßen Filters unter Umwelteinflüssen von großem Vorteil. Dieses kann hinsichtlich der biologischen und photochemischen Abbaubarkeit gegenüber einem bekannten Raumfilter deutlich verbessert werden. Zudem besitzt es gegenüber Raumfiltern, beispielsweise aus Celluloseacetat, eine erhöhte Retention bei gleichem Zugwiderstand, wobei gleichzeitig die an den Filter gestellten Anforderungen, insbesondere des Zigarettenherstellers sowie des Endverbrauchers, in hohem Maße erfüllt werden. Durch Mischung von unterschiedlichen Ausgangs-Tows beliebiger Filamentgröße (Filamenttiter) ist es darüber hinaus möglich, ein Optimum an Flächenvolumen und Filtrationskapazität entsprechend einzustellen. Diese Arbeitsweise ermöglicht auch, das Filter entsprechend seiner Filtronahärte zu optimieren. Ferner kann durch den vorhandenen Weichmacher, wie beispielsweise Triacetin, eine positive Geschmacksbeeinflussung erfolgen, wobei gleichzeitg jedoch eine wesentlich geringere Menge an Weichmacher direkt in den Rauch übergeht. Demzufolge werden beim erfindungsgemäßen Hochleistungs-Zigarettenfilter signifikant niedrigere Kondensatwerte festgestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen, welche die erfindungsgemäße Lehre nicht beschränken sollen, im einzelnen beschrieben. Dem Fachmann sind im Rahmen der erfindungsgemäßen Offenbarung weitere Ausführungsbeispiele offensichtlich.
Beispiele:
Vergleichsbeispiel 1:
Als Vergleichbespiel 1, welches ein heute übliches Zigarettenfilter (Raumfilter) repräsentiert, wurde ein Zigarettenfilter hergestellt aus einem Filter Tow der Spezifikation 3,0 Y 35. Dieses Filter besteht aus Einzelfüamenten des Filamenttiters 3,33 dtex und einem Gesamttiter von 38.889 dtex, wobei Y den Querschnitt des Filaments beschreibt. Die Filter haben eine Länge von 21 mm bei einem Durchmesser von 7,80 mm. Der Triacetingehalt beträgt 7 % (= 8,5 mg). Der Zug widerstand ist 60 daPA bei einem Acetateinsatzgewicht von 107 mg. Die Filter wurden umhüllt mit einem unporösen Filterumhüllungspapier der Fa. Glatz (D-67468 Neidenfels) mit der Bezeichnung F 796-28. Die Filtronahärte der Filterstäbe beträgt 92,2 % . Das Filter hat demnach ein auf den Filamenttiter normiertes Gewichts /Zugwiderstandsverhältnis von S = 0,54 (10 m/daPA). Diese Filter wurden nach der im Folgenden beschriebenen, von einer CORESTA Arbeitsgruppe erarbeiteten Testmethode (CBDTF-Test), bezüglich ihrer Desintegration untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Das Testmaterial (10 Filterstöpsel, vom Papier befreit) wird mit einem Xenonbrenner bei Wellenlängen größer 290 nm bestrahlt. Die Bestrahlungsintensität wird bei 340 nm bestimmt und zu 0,35 Wm"2nm'' eingestellt. Die Temperatur, gemessen durch einen Weißstandard, beträgt 55 °C. Zweimal täglich erfolgt Bewässerung der Proben mit deionisiertem Wasser. Einmal täglich werden die Proben durch Rütteln mit vier Stahlkugeln (M = 16g, D = 1 ,2 cm) in einem Stahlbecher mechanisch belastet. Wöchentlich erfolgt nach Konditionierung der Proben die Bestimmung des Gewichts und wahlweise des Volumens. Zur Bestimmung der Kondensatretention der Filter wurden die 21 mm langen Filter an einen "American Blend" Tabakstrang gekoppelt und nach CORESTA recommended No. 22 und 23 abgeraucht. Das Cambridgefilter und die vom Tabakstummel abgetrennten Filter werden in Methanol extrahiert und nach entsprechender Verdünnung UV-spektroskopisch die Extinktion der Lösungen bei einer Wellenlänge von 310 nm bestimmt. Die Retention errechnet sich dann nach folgender Gleichung:
Rk = EFiltcr / (EFilter -r- Ecambπdgefilter) .
Beim Vergleichsbeispiel 1 wurde die Kondensatretention zu 37,5 % bestimmt. Vergleichsbeispiel 2:
Ein Filter Tow der Spezifikation 3.0 Y 55 (Filamenttiter: 3.33 dtex; Gesamttiter:
61.111 dtex) wurde auf einem üblichen zweistufigen Streckwerk KDF 2 der Firma
Hauni, Hamburg, aufbereitet und mit 8% Triacetin besprüht. Nach Verlassen der Umlenkwalze wird die Filter Tow-Bahn mit einer Mindestbreite von 250 mm in ein Paar von beheizten Kalanderwalzen eingeführt und mit einem wirksamen Liniendruck von 40 kg/cm kalandriert. Die profilierten Kalanderwalzen haben einen Durchmesser von 230 mm und eine gerillte Breite von 350 mm und weisen 10 Profilrillen pro cm auf. Sie werden mit einem Silikonöl auf eine Temperatur von 205 ± 3 °C beheizt. Das Rillenprofil ist trapezförmig mit einer oberen Breite von 0,4 mm und einer Tiefe von 0,45 mm und einem eingeschlossenen Winkel von 35°.
Nach Verlassen der Kalanderwalze wird das so hergestellte Vlies durch Einführen in eine Einlaufdüse strangförmig gefaltet und in einer handelsüblichen KDF2, der Fa. Körber, Hamburg, bei einer Stranggeschwindigkeit von 70 m/min mit Papier umhüllt und auf eine Filterstablänge von 126 mm geschnitten. Der Durchmesser der Filterstäbe wurde auf 7,8 mm eingestellt. Die Filtronahärte der Filterstäbe beträgt 89,5 % . Aus diesen Stäben werden dann Filterstöpsel mit einer Länge von 21 mm geschnitten, die dann, wie im Vergleichsbeispiel 1 dargestellt, bezüglich ihrer Desintegrierbarkeit untersucht werden (Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt). Der Zugwiderstand dieser Filterstäbe beträgt 51 daPA bei einem Acetateinsatzgewicht von 141 mg. Damit beträgt das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht / Zugwiderstandsverhältnis S = 0,83 [10 m/daPA]. Die Kondensatretention, bestimmt wie im Vergleichsgleichsbeispiel 1 beschrieben, war 42,3 % .
Der Nachweis der nicht homogenen Verteilung des aufgesprühten Triacetins wird wie folgt geführt: Ein drei Monate vor dem Untersuchungsdatum produzierter Filterstöpsel der Länge 21 mm wird in ein V2A-Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 7,5 mm eingeführt. Der Innendurchmesser des Stahlrohrs wird beidseitig durch geeignete technische Mittel auf eine Durchmesser von 0,3 mm verjüngt. Eintrittsseitig wird Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 ml pro Minute eingeströmt und auf der Austrittsseite mit einem handelsüblichen Flammen-Ionisation-Detektor (FID) verbunden. Das Probenrohr wird in einem Heizofen mit einer Aufheizrate von
75 °C/min bis zu einer Ofentemperatur von 150 °C erhitzt. Das aufgezeichnete FID- Signal erreicht sein Intensitätsmaximum nach spätestens zwei Minuten und die Basislinie nach ca. 6 Minuten.
Beispiel:
In einem doppelwandigen Universalmischer mit dem Gesamtinhalt von 615 1 Volumen und Kühl-Heizeinrichtung wurden 300 kg Celluloseacetat-Flakes eingefüllt. Das Mischwerkzeug 1 ist einteilig mit drei Flügeln in Bodennähe umlaufend und senkrecht auf die Antriebswelle aufgesteckt. Waagerecht zur Antriebswelle ist einteiliges, vier- flügliges Zerhackerwerkzeug 2 angebracht, welches Agglomeratbüdung während der Weichmacherzugabe und -diffusion verhindert und mit 21 m/sec (2890 Umin) Umfangsgeschwindigkeit betrieben wird.
Mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 6,5 m/sec wurde der Mischer 1 in Betrieb gesetzt. Während 10 min wurden 65 kg Triacetin gleichmäßig zugegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das Zerhackerwerkzeug 2 zugeschaltet. Es wurde weiterhin zur innigen Vermischung 12 min intensiv gemischt. In den nächsten 20 min wurde bis zu einer Materialtemperatur von 76 °C aufgeheizt. Diese Temperatur wurde 5 min beibe- halten. Anschließend wurde 30 min kontinuierlich auf 20°C abgekühlt. Die Gesamteinwirkdauer des Triacetin auf die Flakes betrug 67 min. Anschließend wurde der Mischer innerhalb drei Minuten schnellentleert. Dieses nach dieser Verfahrensweise erhaltene Produkt ist sehr gut riesel- und lagerfähig. Das thermoplastifizierte Cellulo- seacetatgranulat wird mittels des üblichen Trockenspinnverfahrens zu einem Filter Tow der Spezifikation 3,0 Y 55 [Filamenttiter 3,33 dtex; Gesamttiter 61.111 dtex] verarbeitet.
Dieses Filter Tow wurde auf einem üblichen zweistufigen Streckwerk KDF 2 der Firma Hauni, Hamburg, aufbereitet. Im Unterschied zum Vergleichsbeispiel 2 wird nach der Verstreckung kein zusätzlicher Weichmacher aufgebracht. Nach Verlassen der Umlenkwalze wird die Filter Tow-Bahn mit einer Mindestbreite von 250 mm in ein Paar von beheizten Kalanderwalzen eingeführt und kalandriert. Die profilierten Kalanderwalzen haben einen Durchmesser von 150 mm und eine Breite von 550 mm und weisen 10 Profilrillen pro cm auf. Sie werden mit einem Silikonöl auf eine Temperatur von 180 ± 3 °C beheizt. Das Rillenprofil ist trapezförmig mit einer oberen Breite von 0,4 mm und einer Tiefe von 0,45 mm und einem eingeschlossenen Winkel von 35°. Nach Verlassen der Kalanderwalze wird das so hergestellte Vlies durch Einführen in eine Einlaufdüse strangförmig gefaltet, und in einer handelsüblichen KDF2, der Fa. Körber, Hamburg bei einer Stranggeschwindigkeit von 120 m/min mit Papier umhüllt und auf eine Filterstablänge von 126 mm geschnitten. Der Durchmesser der Filterstäbe wurde auf 7,8 mm eingestellt. Die Filtronahärte der Filter Stäbe beträgt 91,4 % .
Aus diesen Stäben werden dann Filter Stöpsel mit einer Länge von 21 mm geschnitten, die dann, wie im Vergleichsbeispiel 1 dargestellt, bezüglich ihrer Desintegrierbarkeit untersucht werden (Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt). Der Zugwi- derstand dieser Filterstäbe beträgt 51 daPA bei einem Fasereinsatzgewicht von 156 mg. Damit beträgt das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht/Zugwiderstandsverhältnis S = 0,92 [10 m/daPA] . Die Kondensatretention, bestimmt wie im Vergleichsgleichsbeispiel 1 beschrieben, war 44, 1 % .
Der Nachweis der homogenen Verteilung des aufgesprühten Triacetins wird wie folgt geführt: Ein drei Monate vor dem Untersuchungsdatum produziertes Filter Stöpsel der Länge 21 mm wird in ein V2A-Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 7,5 mm eingeführt. Der Innendurchmesser des Stahlrohrs wird beidseitig durch geeignete technische Mittel auf eine Durchmesser von 0,3 mm verjüngt. Eintrittsseitig wird Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 ml pro Minute eingeströmt und auf der Austrittsseite mit einem handelsüblichen Flammen-Ionisations-Detektor (FID) verbunden. Das Probenrohr wird in einem Heizofen mit einer Aufheizrate von 75 °C/min bis zu einer Ofentemperatur von 150 °C erhitzt. Das aufgezeichnete FID- Signal erreicht sein Intensitätsmaximum frühestens nach vier Minuten und die Basisli- nie nach ca. 10 Minuten. In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Versuche zur Desintegration der Vergleichsbeispiele 1 , 2 und des erfmdungsgemäßen Beispiels dargestellt.
Tabelle 1:
Figure imgf000024_0001
Es ist aus den obigen Tabellenwerten ersichtlich, daß die Desintegration eines erfindungsgemäß hergestellten Erzeugnisses mit fortschreitender Versuchsdauer den Werten der Vergleichsbeispiele überraschend deutlich überlegen ist.
In Tabelle 2 sind alle gemessenen Daten zusammengefasst.
Tabelle 2:
Figure imgf000024_0002
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Claims

Patentansprüche
1. Hochleistungs-Zigarettenfilter mit mechanischer Desintegrierbarkeit auf der Basis von Fasern bzw. Füamenten von Celluloseestern, dadurch gekennzeichnet, daß a) das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht (bzw. Filamentge- wicht)/Zugwiderstandsverhältnis S größer ist als etwa 0,7, wobei der S-Wert nach der Formel:
S = (π_A / ΔPT 8) / dpf [10 m/daPA]
berechnet wird, worin bedeuten niA das Fasergewicht [g], ΔP den Zugwiderstand [daPA] und dpf den Filamenttiter [dtex] und für den Zugwiderstand der auf einen Durchmesser von 7,8 mm umgerechnete Wert eingesetzt wird, b) die Restkräuselung des Filtermaterials den Wert von 1 ,45 nicht übersteigt, c) das Fasergewicht maximal 10 mg/mm Filterlänge beträgt und d) die Härte des Zigarettenfilters etwa 90% Filtronahärte überschreitet.
2. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Celluloseestermaterial Celluloseacetat ist.
3. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zigarettenfilter nach dem CBDTF-Test mindestens etwa 40% Gewichtsverlust nach 10 Wochen Versuchsdauer aufweist.
4. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Celluloseestermaterial thermoplastisch ist und die Fasern bzw. Filamente, sofern ein Weichmacher einbezogen wird, diesen gleichmäßig verteilt ent- halten.
5. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Fasern bzw. Filamente ein wasserlösliches Verklebungsmittel vorliegt.
6. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Restkräuselung zwischen etwa 1,05 und 1,4, insbesondere zwischen etwa 1, 1 und 1 ,3 liegt.
7. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zigarettenfilter aus einem mehrfachbreiten
Faserstreifen hergestellt worden ist.
8. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zigarettenfilter aus einem Faserstreifen hergestellt worden ist, der vorher in mehrere Streifen aufgetrennt wurde.
9. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Fasern bzw. Filamente Celluloseacetat, insbesondere Cellulose-2,5-acetat, Cellulosebutyrat, Celluloseaceto- butyrat, Celluloseacetopropionat und/oder Cellulosepropionat enthalten.
10. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Einsatzes eines Weichmachers der Weichmachergehalt zwischen etwa 1 und 40% liegt.
11. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Einsatzes eines Weichmachers dieser Triacetin, Triethylenglykoldiacetat und/oder Zitronensäurediethylester ist.
12. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Fasern bzw. Filamente auf Celluloseacetat eines Substitutionsgrads von etwa 1,5 bis 3,0, insbesondere etwa
2,2 bis 2,6 beruhen.
13. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserlöslichen Verklebungsmittel in Form von Polyethylenglykolen, wasserlöslichen Estern oder Ethern, Stärke und/oder Stärkederivaten, p-Polyvinylalkoholen, p-Polyvinylacetaten vorliegen.
14. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Filamenttiter bezogene Fasergewicht (bzw. Filamentge- wicht)/Zugwiderstandsverhältnis S höchstens etwa 2 beträgt, insbesondere im Bereich von etwa 0,8 bis 1 ,3 liegt.
15. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasergewicht (bzw. Filamentgewicht) mindestens etwa 4 mg/mm Filter länge, insbesondere etwa 5 bis 8 mg/mm Filterlänge beträgt.
16. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtronahärte des Zigarettenfilters etwa 90 bis 95 % , insbesondere etwa 91 bis 93 % beträgt.
17. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Zigarettenfilter nach dem CBDTF-Test einen Ge- wichtsverlust von mindestens etwa 50 Gewichtsprozent aufweist.
18. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Celluloseesterfasern bzw. -füamenten Additive in Form von fotoreaktiven Additiven, die biologische Abbaubarkeit begünsti- genden Additiven, Additiven mit selektiver Retentionswirkung und/oder farbigen Pigmenten enthält.
19. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als fotoreaktives Additiv ein feindisperses Titandioxid des Anatas-Typs mit einer mittleren Teilchengröße von kleiner 2 μm eingesetzt ist.
20. Hochleistungs-Zigarettenfilter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Additive organische Säuren bzw. saure Carbonsäureester, Polyphenole und/oder Porphyrinder ivate eingesetzt werden.
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