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Tabakrauch-Filterelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein neues, verbessertes Tabakrauchfilterelement in Stabform, das eine grössere Zahl von Fasern mit einem Denier zwischen 2 und 30 aus isotaktischem Polypropylen enthält.
Erfindungsgemäss wird ein neuer und verbesserter Tabakrauchfilter geschaffen, der eine zusammenhängende Einheit vorbestimmter Grösse ist und eine erhöhte Filterwirksamkeit und gleichzeitig eine vergleichsweise starke Luftdurchlässigkeit aufweist. In dem neuen, verbesserten Tabakrauchfilter können die Filterelemente in neuartiger Weise zu einer zusammenhängenden festen Einheit zusammengehalten sein, wobei eine gegenseitige Verschiebung und eine Auflockerung vermieden wird. Der neue Tabakrauchfilter weist ferner einen neuen und verbesserten Aufbau bei gleichzeitigem grösserem Raumumfang bezüglich seiner Masse auf.
Eine bekannte Art von faserförmigen Filterprodukten, die zur Herstellung von Tabakrauchfilternverwendet wird, besteht aus Celluloseacetatfasern, die durch Klebstoffe oder Lösungsmittel zusammengehalten werden.
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lungen auf 25, 4 mm aufweisen. Das Recken oder Verstrecken dieser Fasern ist ein bekanntes Verfahren zur Erreichung der notwendigen Orientierung und der Ausrichtung der Molekülketten, wodurch es möglich wird, den Fasern die erforderliche permanente, hohe Kräuselung zu verleihen. Diese hohe Kräuselung ist notwendig, um aus diesen feinen Fäden ein Werg von ausreichendem Raumumfang zu erhalten, das sich für die Herstellung eines Tabakrauchfilters der erforderlichen Grösse eignet.
Die hohe Kräuselung ist auch notwendig, um innerhalb der Filtereinheit eine ausreichende Oberfläche für den erforderlichen Grad des Oberflächenkontaktes zwischen den Rauchgasen und der Filtersubstanz zu gewährleisten.
In der USA-Patentschrift Nr. 2, 828, 752 und in der brit. Patentschrift Nr. 795, 445 wurden fasementhaltende Filterelemente beschrieben, bei welchen das Verhältnis des Umfanges jeder Faser zu der Quadratwurzel ihrer Querschnittsfläche grösser ist als 3, 52, aber diese Fasern sind nicht unverstreckt, nicht ungekräuselt und nicht aus einem isotaktischen Polypropylen, sondern aus Celluloseacetat hergestellt. Die Nachteile von verstreckten und gekräuselten Fasern sind bereits oben erwähnt worden. Fasern aus Celluloseacetat haben ausserdem den Nachteil, dass sie nur mit Hilfe von Klebstoffen oder Weichmachern zu einem stabförmigen Filter zusammengestellt werden können.
Unverstreckte und ungekräuselte Fasern für Filterelementesind aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 818, 868 bekannt, aber diese Fasern bestehen nicht aus Polypropylen, sondern aus Polyäthylenterephthalat. Auch ist dieser Patentschrift nicht zu entnehmen, Fasern mit nicht-kreisförmigem Umfang anzuwenden.
Es wurde nun gefunden, dass unverstreckte und ungekräuselte isotaktische Polypropylenfasern mit einem Denier zwischen 2 und 30 eine höhere Filterwirksamkeit aufweisen als gereckte oder orientierte Fasern, die den gleichen wirksamen Oberflächenbereich aufweisen und zudem inertes Verhalten zeigen. Es wird angenommen, dass diese erhöhte Filterwirksamkeit auf den Umstand zurückzuführen ist, dass beim Recken und der dabei auftretenden Ausrichtung die Fasern, einschliesslich der Faseroberfläche, gehärtet und auf diese Weise die Filterwirkung der Oberfläche gegenüber den zu filtern den Bestandteilen verschlechtert wird.
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Die unverstreckten Fasern können nicht hochgradig gekräuselt und vor allem nicht permanent gekräuselt werden. Wegen der Notwendigkeit des Vorliegens eines ausreichenden Oberflächenkontaktes zwischen den Rauchgasen und der Filtersubstanz wie auch wegen der Notwendigkeit der Schaffung des erforderlichen Raumumfanges im Werg entsteht dadurch ein schwieriges Problem. Erfindungsgemäss kann jedoch der eiforderliche Oberflächenkontakt und Wergumfang ohne Kräuseln der Fasern wie folgt erreicht werden :
Feine Fasern aus isotaktischem Polypropylen haben, wenn sie nach dem üblichen Herstellungsverfahren erhalten werden, einen kreisförmigen oder leicht ovalen Umfang und weisen somit die kleinstmögliche Aussenfläche für einen beliebig gegebenen Querschnitt oder Denier der Faser auf.
Das Verhältnis des Umfanges zu der Quadratwurzel der Querschnittsfläche einer solchen Faser beträgt 3, 52. Durch Erhöhen dieses Verhältnisses wird ein stärkerer Oberflächenumfang und gleichzeitig ein höherer Oberflächenkontakt für einen gegebenen Querschnitt oder Denier der Faser sichergestellt.
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nicht kreisförmig und auch nicht leicht oval ist, so dass das Verhältnis aus dem Umfang und der Quadrat- wurzel der Querschnittsfläche einer solchen Faser mehr als 6 beträgt. Durch Erhöhung dieses Verhältnis- ses auf mehr als 6 wird ein höherer Grad der Faseroberfläche und damit eine höhere Kontaktflächefür den Tabakrauch bei gegebenem Querschnitt oder Denier der Faser sichergestellt.
Beim erfindungsgemässen Tabakrauchfilterelement in Stabform ist demgemäss das Verhältnis des Um- fanges jeder Faser zur Quadratwurzel ihrer Querschnittsfläche grosser als 6 und die Fasern sind in an sich bei
Fasern für Tabakrauchfilter bekannter Weise unverstreckbar und ungekräuselt. Durch dieses höhere Verhält- nis, das vorzugsweise bis zu 10 oder noch mehr betragen kann, wird die Oberflächenwirksamkeit der Fa- seroberfläche im Vergleich zu einer Faser von kreisförmiger Querschnittsfläche verdoppelt.
Eine zweckmässige Form, die dem Faden beim Auspressen gegeben werden kann ist eine solche, in welcher er eine Reihe von Oberflächenfalzen aufweist, die in Längsrichtung zur Oberfläche hervorragen.
In dieser Form hat der Faden wunschgemäss eine Querschnittsfläche, in der Teile oder Arme von einem zentralen Kern aus nach den Seiten vorstehen und insbesondere die Querschnittsform eines Kreuzes oder eines Sternes mit einem vergleichsweise geringen zentralen Kern oder Gerüst annehmen, von dem aus sich die Arme oder Spitzen radial ausstrecken.
In den erfindungsgemässen Filtern können die Fasern spiralförmig im Bereich von ein Viertel Gang bis zu zwei Gängen auf 25, 4 mm gegeneinander verdreht sein. Diese Verdrehung kann ohne Recken oder
Orientieren der einzelnen Fasern durch Verdrehung der einzelnen Fasern oder durch Verdrehen von Faserbündeln erfolgen, aber zweckmässigerweise wird die Verdrehung im Werg vorgenommen, das den notwendigen Umfang und die notwendige Grösse für die Bildung des am Ende erhaltenen Filterstabes aufweist, aus dem die individuellen Filtereinheiten geschnitten werden.
Durch diese Verdrehung erhalten die Fäden oder Fadenbündel eine Spiralform, wodurch die wirksame Oberfläche des Filters weiterhin erhöht, der Raumumfang des Filters gesteigert und gleichzeitig eine mechanische Bindung des Fadens innerhalb des Filterkörper gewährleistet wird. Diese mechanische Bindung reicht aus, um die Verwendung von Klebstoffen oder andern Bindeverfahren weniger dringlich werden zu lassen, so dass solcheBindeverfahren selbst beiseite gelassen werden können. Gewünschtenfalls kann jedoch eine solche zusätzliche Bindung zur Anwendung kommen.
Erfindungsgemäss hergestellte Filterkörper können vor oder nach dem Verdrehen einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um dadurch denFilterstab steifer zu machen. Eine solche Behandlung kann in der Weise vor sich gehen, dass der Filterstab durch ein Bad gezogen wird, das beispielsweise niedrigschmelzendes Paraffinwachs enthält und eine Temperatur über dem Schmelzpunkt dieses Wachses aufweist, so dass sich das Wachs im Bad in ausreichend flüssigem Zustand befindet. Eine Badtemperatur zwischen90 und 1200C ist geeignet, um eine dünne Wachsschicht auf die Oberfläche des Filterstabes absetzen zu lassen, wenn letzterer mit hoher Geschwindigkeit durch das Bad gezogen wird.
Der am Ende in seiner verdrehten Form erhaltene Filterstab wird an der Luft gekühlt und die dann auf der Oberfläche festgewordene Wachsschicht verfestigt den Stab, ohne die Durchlässigkeit des Filterkörpers oder des aus dem genannten Stab geschnittenen Filterstückes zu beeinträchtigen.
An Stelle von geschmolzenem Wachs kann ein Bad aus einer Lösung von Paraffinwachs in einem niedrigsiedenden Lösungsmittel, wie beispielsweise reinem Hexan, oder aus einer feinen Dispersion des Wachses in Wasser hergestellt und verwendet werden. Nachdem der Stab das Bad passiert hat, kann derselbe beispielsweise in einem heissen Luftstrom erhitzt werden, damit das Lösungsmittel oder das Wasser verdampfen kann, wobei auf dem Stab eine dünne äussere Wachsschicht zurückbleibt.
Zur Bildung des Wergs des Filters ist es wünschenswert, dass dasselbe nicht weniger als 60 Gel.-% an isotaktischem Polypropylen aufweist.
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Nachstehend und in den Zeichnungen sind besondere Beispiele von Zigarettentabakfiltern gemäss der
Erfindung beschrieben und dargestellt. Ausserdem sind besondere Beispiele für ein Verfahren zur Herstel- lung solcher Filter angeführt. In den Zeichnungen stellen dar :
Fig. l eine schematische, seitliche Darstellung eines Gerätes zur Herstellung der erfindungsgemässen
Filter, Fig. 2 eine spezielle Querschnittsform eines Fadens, aus welchem der erfindungsgemässe Zigaret- tenfilter erhalten werden kann, in vergrössertem Massstab, Fig. 3 eine andere spezielle Querschnittsform eines Fadens, aus welchem der erfindungsgemässe Zigarettenfilter gebildet werden kann, Fig.
4 eine Sei- tenansicht des Wergs in vergrössertem Massstab, nachdem dasselbe verdreht, bevor es in Zigarettenfilter- elemente geschnitten und bevor diese Filterstücke für einen Einbau in die Zigarette umwickelt werden, Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Mundstückzigarette, die ein erfindungsgemässes Filterstück aufweist, in vergrössertem Massstab.
Gemäss einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden die Fasern für die Herstellung eines Tabakrauchfilters aus isotaktischem Polypropylen mit einem Molekulargewicht von ungefähr 300 000 hergestellt. Für die Herstellung der Fäden wird das Polymer geschmolzen und durch Zieh- oder Spinndüsen stranggepresst, die Öffnungen oder Löcher aufweisen, welche die Form der für den Faden gewünschten Querschnittsfläche aufweisen, und dann abgekühlt.
Diese Form kann eine beliebige, nicht-kreisförmige sein, vorausgesetzt, sie vermittelt das oben erwähnte hohe Verhältnis des Umfanges zu der Quadratwurzel der Querschnittsfläche. Vorzugsweise hat die Form die Gestalt eines Sternes mit einem kleinen Zentralkörper In den Fig. 2 und 3 werden Fäden gezeigt, die erfindungsgemäss in verschiedener Form ausgepresst wurden.
Für die Herstellung der Fäden und das Zusammenbündeln derselben in ein zu verarbeitendes Werg weist jede Düse eine Zahl von Öffnungen und Löchern auf, durch welche eine ganze Zahl von Fäden gepresst wird. Beim Abkühlen verfestigen sich diese Fäden, bevor sie zur Herstellung eines Bündels zusam - mengelegt werden. Zur Herstellung eines kontinuierlichen Wergs mit dem Raumumfang des Zigarettenfilterstückes oder der Filtereinheit wird eine Zahl solcher Bündel zusammengegeben. Eine Filtereinheit hat gewöhnlich einen Umfang von 25 mm. Die notwendige Zahl der einzelnen Fäden zur Herstellung eines Wergs hängt von der Grösse und Form der einzelnen Fäden ab.
Beispielsweise können 5 000 kontinuierliche unverstreckteFäden aus isotaktischem Polypropylen, von denen jeder einen kreuzförmigen Querschnitt mit T-förmig nach der Seite ausgestreckten Armen aufweist, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird, zur Bildung eines Wergs zusammengelegt werden.
Jeder Faden hat eine Stärke entsprechend 13 Denier, d. h. ein Gewicht von 13 g auf eine Länge von 9000 m, so dass das Werg insgesamt einen Denier von 65000 und ein Verhältnis des Umfanges zu der Quadratwurzel der Querschnittsfläche von 11 bis 1 hat.
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Polypropylen mit der in Fig. 2 oder 3 dargestellten Form besteht, in Form eines zusammengedrückten
Ballens 11 bereitgestellt, aus welchem das Werg kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit mittels in Betrieb stehender Godet-Walzen 12 entnommen wird. Das Werg 10 wird dann durch eine Garn- verdrehungsmaschine 13 geschickt, wie sie für die spiralförmige Verdrehung eines Garnes oder Seiles an sich bekannt ist.
Die Verdrehung geschieht gegebenenfalls unter Ausübung eines nur geringen Zuges auf die Fäden zur Vermeidung einer Orientierung derselben. Je stärker die Verdrehung ist, umso stärker ist der Zugwiderstand. Die Verdrehung sollte nicht weniger als 1/4 Gang pro 25,4 mm und braucht nicht mehr als 2 Gänge pro 25, 4 mm zu betragen. Sie sollte vorzugsweise zwischen einem halben Gang und einem Gang pro 25, 4 mm liegen.
Das verdrehte erg wird dann durch eine Aufheizvorrichtung 14 geschickt, in welcher es während kurzer Zeit einer Temperatur von ungefähr 1340C ausgesetzt ist, so dass es in seiner verdrehten Form und seiner spiralförmigen Gestalt fixiert wird, wodurch eine Stabilisierung unter Bildung eines kontinuierlichen
Filterstabes 10a erfolgt.
Der verdrehte, in der Hitze fixierte Filterstab 10a wird dann durch ein Bad mit niedrigschmelzen- dem Wachs 15 geschickt, das vorzugsweise Paraffinwachs enthält und eine Temperatur von ungefähr
100 C, die über dem Schmelzpunkt des Wachses liegt, aufweist, bei der das Bad darum genügend flüssig bleibt, damit sich eine dünne Wachsschicht auf der äusseren Oberfläche des Filterstabes absetzt, während derselbe das Bad mit hoher Geschwindigkeit passiert.
Der in seiner endgültigen verdrehten Form anfallende, mit einer dünnen Wachsschicht versehene Stab 10a, wird an der Luft abgekühlt. Hiebei wird das Wachs fest und übt dadurch eine Verfestigungswirkung auf den Stab aus, ohne dessen Durchlässigkeit zu beeinträchtigen.
Der wie oben beschrieben hergestellte Stab 10a kann dann nach den üblichen und bekannten Herstellungsverfahren für Zigarettenfilter unter Bildung von Filtermundstücken oder Filterenden für dieVer- einigung mit den tabakhaitigen Teilen der Zigaretten weiterverarbeitet werden.
Beispielsweise kann der Stab 10a in einer Wickel-und Faltvorrichtung 16 mit Zigarettenpapier umwickelt und dann in der Schneidmaschine 17 unterBildungvonFilterstückenoderFilterenden 18 in Stücke geschnitten werden. Diese Filterstücke 18 mit eigener Umhüllung 20 werden dann mit den tabakhaltigen Teilen 21 der Zigaretten in ihrer Papierumhüllung 22 durch Überlappen der Blätter 22 vereinigt.
Die Länge der Filtermundstücke 18 variiert und kann beispielsweise in einer Zigarette, die eine Gesamtlänge von 85 mm hat, 17 mm betragen.
In bestimmten bekannten Vorrichtungen kann die Länge der Filterkörper, die aus dem kontinuierlichen Filterstab geschnitten werden, 102 mm betragen. Diese Länge kann dann später in die Länge der für eine Zigarette erforderlichen Filtereinheiten unterteilt werden.
Anstatt das Werg 10, wie oben beschrieben, aus kontinuierlichen Fäden herzustellen, kann dasselbe aus geschnittenen Stapelfasern verschiedener Länge, von beispielsweise 1 cm bis zu ungefähr 5 cm, hergestellt werden, oder es kann aus einer Kombination von kontinuierlichen einzelnen Fäden und geschnittenen Stapeln zusammengemischt werden.
Bei der beschriebenen besonderen Ausführungsform der Erfindung wurde das Werg aus nicht verstrek- ten Fäden durch die Garnverdrehungsvorrichtung 13 geschickt, wie dies in der gewöhnlichen Textilverarbeitung bekannt ist. Bei einer abgeänderten Behandlungsweise wurden die einzelnen Fäden oder die einzelnen Fadenbündel, wie sie aus der Strangpresse oder den Spinndüseneinheiten erhalten werden, spiralförmig gegeneinander verdreht, ehe sie zu dem schliesslich erhaltenen Werg vereinigt werden. In einer dritten Ausführungsweise der Erfindung wurde das aus den einzeln verdrehten Fäden oder aus den verdrehten Fadenbündeln schliesslich gebildete Werg selbst für die Bildung des für die Herstellung des Zigarettenfilters verwendeten Stabes verdreht.
Die erste und die dritte Ausführungsform sind besonders vorteilhaft, weil hier das Werg dazu dient, die Fäden gegenüber einer gegenseitigen axialen Verschiebung zusammenzuhalten.
Die durch die beschriebene Verdrehung des Wergs zustandegekommene Bindung ist so ausreichend stark, dass zusätzliche Bindehilfsmittel, wie etwa Klebestoffe oder Lösungsmittel, nicht benötigt werden. Wird jedoch eine zusätzliche Bindung gewünscht, so kann z. B. zur Bildung des Wergs ein Gemisch aus zwei Fasertypen mit verschiedenem Schmelzpunkt verwendet werden. Das Werg wird dann in der Weise erhitzt, dass die Fasern mit niedrigerem Schmelzpunkt schmelzen, ohne dass es zu einem Schmelzen der Fasern mit höherem Schmelzpunkt kommt.
Ausser den oben beschriebenen Vorteilen der Erfindung hat der Filterkörper einen solchen Aufbau, dass der Filter für eine Herstellung in MassenproduktionunterVerwendung von zur Zeit für Filterkörper fabriksmässig benutzten Geräten zugänglich ist.