Anwendung von Kunststoff Fasern In der letzten Zeit weist die Filterzigarette einen immer grösseren Anteil am Zigarettenverbrauch auf, weshalb den Zigarettenfiltern eine wachsende Bedeu tung zukommt. Dabei werden besonders Filter bevor zugt, die aus gebündelten Kunstfasern bestehen, da sich deren Fabrikation als besonders vorteilhaft erwiesen hat, denn die zu einem endlosen Strang vereinigten Kunstfaserfäden können kontinuierlich den Herstellungsmaschinen für die Filterstöpsel zuge führt werden.
Als Fasermaterial hierfür wird bereits verarbeitet oder ist vorgeschlagen worden: Cellulose- Triacetat, Cellulose-Acetat, Cellulose-Ester, Viskose, Cellulose-Äther usw., alleine oder miteinander ge mischt.
Entgegen der allgemein verbreiteten Annahme, wonach solche Kunstfaserfilter einen Fortschritt gegen über den seit langem bekannten Filtern aus Krepp- papier oder Baumwollwatte ergeben, hat sich durch neuere Untersuchungen beweisen lassen, dass diese Annahme nicht zutrifft.
Es ist behauptet worden: 1. dass Filter aus Kunstfasern (insbesondere aus in Aceton unlöslichem Cellulose-Triacetat) dem Tabak weniger Feuchtigkeit entziehen als etwa Kreppapier filter, 2. dass derartige Filter die Alkaloide im Tabak rauch bis zu 90% abscheiden können, 3. dass Kunstfaserfilter einen besonders guten Schutz der Atmungsorgane (z. B. deren Schleimhäute) gewährleisten.
Angesichts der Wichtigkeit einer zuverlässigen Filtrierung des Tabakrauches wurden - um diese Angaben sachlich zu erhärten - Filter dieser Bauart einer sorgfältigen messtechnischen Kontrolle unter zogen. Dabei haben sich die nachstehenden über raschenden Ergebnisse eingestellt: Zu 1.
Bei der Prüfung von je 10 Stück 12 inm langer Filterstöpsel aus Cellulose-Triacetat und aus Krepp- papier ergab sich
EMI0001.0021
Cellulose- <SEP> Kreppapier
<tb> Triacetat
<tb> Nikotingehalt <SEP> im <SEP> Filter <SEP> in <SEP> mg <SEP> 5,20 <SEP> 9,30
<tb> Gewichtszunahme <SEP> nach <SEP> dem
<tb> Rauchen <SEP> in <SEP> mg <SEP> <B>176,5</B> <SEP> 234,2
<tb> Verhältnis <SEP> 1:33,9 <SEP> 1:25,2 Da Nikotin und Teer jeweils erfahrungsgemäss in fast gleichen Mengen dem Rauch entzogen werden, stellt die angegebene Verhältniszahl die Wasserabsorption der Filter dar.
Also ist die Wasserabsorption bei Cellulose-Triacetat eindeutig grösser (um etwa 30%) als bei Kreppapier.
Zu 2. Nach der in Europa allgemein angewandten Analysenmethode von Schmidt-Pfyhl wurde festgestellt, dass bei einem Tabak von mittlerem Nikotingehalt und einem Filter mit brauchbarem Zugwiderstand aus Acetatfasern kein höherer Abscheidungsgrad für Alkaloide als etwa 20% erreichbar ist.
Zu 3. Die Kunstfasern solcher Filter zeigen den Charakter von anorganischen Substanzen, besitzen also kein Quellvermögen, und die mögliche Wirkung auf die Schleimhäute der Atmungsorgane ist, wenn auch noch weitgehend unerforscht, kaum förderlich. Es hat sich gezeigt, dass beim normalen Rauchen von Zigaretten mit Kunstfaserfiltern durch die mechani sche Beanspruchung, das Durchziehen des Rauches, das unvermeidliche Drücken und Rollen des Mund stückes, ständig kurze Faserenden als Staubteile aus dem Filtermundstück herauskommen und unmittelbar in die Mundhöhle gelangen. Aus Mikrophotographien ist die charakteristische Gestalt solcher Staubteilchen als kantig, spitz und drahtartig erwiesen, und es sind die scharfen Schnitt- bzw. Bruchkanten der Kunst fasern erkennbar.
Die im Mikrobild erkennbare Gestalt der Kunst fasern mit ihrer drahtartig aussehenden glatten Ober fläche lassen dieses Material als wenig geeignet für Filterzwecke erkennen, wenn dies auch bisher kaum berücksichtigt wurde.
Es sind bereits Fasern bekannt geworden, die infolge einer Reihe von unregelmässig verteilten Hohl räumen, die wenigstens zum Teil miteinander kommu nizieren, eine erheblich vergrösserte Oberfläche auf weisen. Diese Fasern werden beispielsweise dadurch hergestellt, dass man in eine Spinnlösung ein Gas während des Verspinnens einbläst, wobei die durch das Gas gebildeten Räume bei dem Erhärten erhalten bleiben. Daneben besteht auch die Möglichkeit, der Spinnlösung einen gasbildenden Stoff beizugeben, welcher während des Verspinnens Hohlräume hervor ruft.
Bei entsprechender Bemessung dieses Zusatz stoffes oder der beim Verspinnen eingeblasenen Luft ist es möglich, Fasern zu schaffen, welche, wie oben erwähnt, eine Reihe von unregelmässigen verteilten Hohlräumen aufweisen, die wenigstens zum Teil mit einander kommunizieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun die Anwen dung von Fasern aus saugfähigen Kunststoffen, die eine Vielzahl von wenigstens zum Teil miteinander kommunizierenden, unregelmässig verteilten Hohl räumen und infolgedessen eine grosse aktive Ober fläche aufweisen, für Rauchwarenfilter.
Es hat sich völlig überraschend gezeigt, dass Fasern dieser Art eine sehr gute Filterung des Tabakrauches bewirken. Weiterhin hat sich überraschend heraus gestellt, dass diese Fasern ein Quellvermögen zeigen, obwohl die aus gleichem Material hergestellten glatten bzw. zylindrischen Fasern, wie oben ausgeführt, nicht quellfähig sind.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Hiervon zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Filterfaser, Fig. <I>2a</I> und<I>2b</I> je einen Viskosefaden bekannter Art, Fig. 3a und 3b je eine Mikrophotographie einer trockenen bzw. aufgequollenen Filterfaser, Fig. 4 eine Mikrophotographie einer Aufsicht auf eine Filterfaser, Fig. 5 eine Mikrophotographie eines Querschnitts durch einen Strang aus Filterfasern.
Die zur Erzeugung von Viskosehohlfäden mit oder ohne.Querwänden gebräuchlichen Spinnlösungen ent halten Stoffe, beispielsweise Natriumcarbonat, die beim Spinnprozess durch Einwirkung des saueren Spinnbades eine Gasbildung zur Folge haben, etwa Kohlendioxydgas.
Bei geeigneter Bemessung des Koa- gulationsvorganges gelingt es, die erzeugten, gasblasen- haltigen Fäden zuerst an der Aussenseite zu verfestigen, so dass sich die im flüssigen Innern gebildeten Gas blasen vereinigen können und einen durchgehenden, mehr oder weniger lang sich erstreckenden Hohlkanal bilden.
Es ist bei der Weiterentwicklung dieses Verfahrens bekanntlich gefunden worden, dass der Spinnprozess auch derart durchgeführt werden kann, dass nicht ein solcher mehr oder weniger langer Hohlkanal entsteht, sondern ein Viskosefaden mit einer Vielzahl willkür lich verteilter Hohlräume. Durch geeignete Wahl des Säuregehaltes des Spinnbades und der Verweilzeit der Fäden in demselben, kann erreicht werden, dass ein Teil dieser Hohlräume an gemeinsamen Trennwänden Durchgänge erhalten und dass solche Hohlräume auch von der Fadenoberfläche ins Innere führen.
Jedenfalls entsteht eine skelettartige Struktur des den Faden bildenden Viskosematerials, teils aus abgeschlossenen, teils aus miteinander kommunizierenden Hohlräumen aufgebaut. Beispielsweise zeigt die Fig. 1 in schema tischer Wiedergabe einen Längsschnitt durch eine solche Filterfaser, die aus einer Vielzahl von Viskose lamellen la, 1b, 1c usw. aufgebaut ist, zwischen denen sich willkürlich verteilte Hohlräume<I>2a</I> bis<I>2d</I> befinden.
Das Viskosematerial besitzt eine gewisse Quell- fähigkeit und kann eine bestimmte Wassermenge auf nehmen. Es ist klar, dass eine Filterfaser nach Fig. 1 eine wesentlich grössere Oberfläche aufweist als eine Vollfaser oder auch eine Hohlfaser nach Fig. 2a bzw. 2b.
Dementsprechend ist auch die absorbierbare Wassermenge der Filterfaser viel grösser, und der Durchmesser einer mit Wasser getränkten Faser erhöht sich wesentlich mehr als etwa jener einer Cellulose- Acetatfaser. In Fig. 3a und 3b ist je eine Mikrophoto graphie einer trockenen bzw. einer 60 Sekunden in Wasser aufgequollenen Viskosefilterfaser von band artiger Gestalt wiedergegeben, woraus eine Vergrö sserung der Breite von etwa 1:2 ersichtlich ist. Der Vergrösserungsmassstab ist bei beiden Aufnahmen derselbe.
Die beschriebenen Filterfasern können auch aus andern Kunststoffen als Viskose hergestellt werden, jedoch muss das Material zu Fäden verarbeitbar sein und eine gewisse Saugfähigkeit besitzen wie etwa Cellulose-Acetat.
Bei Untersuchungen von in feuchter Umgebung aufgequollenen Filterfasern aus Viskose und Cellulose- Acetat hat sich bekanntlich gezeigt, dass praktisch alle Viskoselamellen und Wandungsteile eine ent sprechende Quellung aufweisen. Dies hat zur Folge, dass die vorher elastische Filterfaser beim Aufquellen schlaff und weich wird.
Diese Eigenschaft ist insofern von grosser Bedeutung, als solche Filterfasern aus Viskose wegen ihrer Weichheit ein ausgesprochen organfreundliches Verhalten zeigen und auf Schleim häute, dank ihrer grossen Quellfähigkeit, wie natür liche Staubfasern wirken, im Gegensatz zu andern Kunstfasern etwa aus Cellulose-Triacetat usw., welche scharfkantig und hart bleiben.
Eine Filterfaser aus Viskose der oben beschrie benen Art von bandartiger Gestalt ist aus der in Fig. 4 wiedergegebenen Mikrophotographie ersichtlich, und zwar handelt es sich dabei um eine Aufsicht im Dunkel- feld. Aus diesem bei relativ geringer Vergrösserung entstandenen Bild sind die willkürlich verteilten Hohl räume an der Faseroberseite und im Innern deutlich erkennbar. Einen Querschnitt durch einen Strang aus solchen Filterfasern zeigt die Mikrophotographie der Fig. 5, aus welcher die Skelettstruktur ersichtlich ist.
Die stark vergrösserte Oberfläche solcher Filter fasern ergibt aber nicht nur eine verbesserte Quell- fähigkeit, sondern auch eine gesteigerte Abscheidungs- wirkung. Anstelle längs der glatten Oberfläche bisher üblicher Kunstfasern strömt der durch einen Filter stöpsel aus den beschriebenen Filterfasern gezogene Rauch nun längs der zerklüfteten Aussenseite der selben und dringt durch die kommunizierenden Hohl räume in das Viskoseskelett ein. Die Absorption und die Adsorption ist entsprechend dem Oberflächen zuwachs stark erhöht, und ebenso wird die Konden sation von flüssigen Partikeln im Rauch erleichtert.
Dabei muss keineswegs eine Vergrösserung des Strö mungswiderstands in Kauf genommen werden.
Das oben erläuterte Verfahren zur Herstellung derartiger Filterfasern unter Gasbildung im saueren Spinnbad kann bekanntlich auch dahingehend modi fiziert werden, dass bereits eine homogen mit feinen Gasblasen durchsetzte Spinnlösung durch geeignete Düsen in das Spinnbad gepresst wird. Da die Filter fasern eine relativ geringe mechanische Festigkeit benötigen, können auch auf diese Weise Kunststoff- fäden mit willkürlich verteilten Hohlräumen für Filter zwecke gewonnen werden. Die Anzahl solcher Gas blasen pro Raumteil Spinnlösung und die mittlere Grösse der Gasblasen können je nach Art der erwünsch ten Faserstruktur gewählt werden.
Der Gehalt der Spinnlösung an feinsten Gasblasen kann schliesslich so weit gesteigert werden, dass ein Feinschaum durch die Düsen in das Spinnbad gepresst wird und dort zu Schaumfäden erstarrt. Weiterhin kann auch durch entsprechende Ausgestaltung der Düsen und gleich zeitige Zufuhr eines unter Druck stehenden Gas stromes beim Durchgang der blasenfreien Spinn lösung durch diese Düsen ein Faden mit willkürlich verteilten Hohlräumen der erwünschten Skelettstruktur erzeugt werden.
Die Filterfasern, hergestellt nach dem beschrie benen Verfahren, werden zweckmässigerweise zu einem endlosen Filterstrang bestimmten Durchmessers ver einigt, der dann nach Umhüllung mit einem Mantel aus geeignetem Material, wie Papier, einer Filter stöpselmaschine zugeführt und zu Filterstöpseln ver arbeitet werden kann. Diese Filterstöpsel unterscheiden sich von den bekannten Kunstfaserfiltern durch die aus einem Kunststoffskelett bestehenden zerklüfteten Fasern, die mit willkürlich verteilten Hohlräumen versehen sind, von denen wenigstens ein Teil mitein ander in Verbindung steht.
Falls erwünscht, kann bei der Strangherstellung sowohl aus Viskose- als auch aus Cellulose-Acetat- Filterfasern ein geeignetes Bindemittel zur Verfestigung des Strangs mitverarbeitet werden.
Use of plastic fibers Recently, filter cigarettes have made up an ever larger share of cigarette consumption, which is why cigarette filters are becoming increasingly important. Filters that consist of bundled synthetic fibers are particularly preferred, as their manufacture has proven to be particularly advantageous because the synthetic fiber threads combined into an endless strand can be continuously fed to the manufacturing machines for the filter plugs.
The fiber material for this has already been processed or has been proposed: cellulose triacetate, cellulose acetate, cellulose esters, viscose, cellulose ethers, etc., alone or mixed together.
Contrary to the widespread assumption that such synthetic fiber filters result in a step forward over the long-known filters made of crepe paper or cotton wadding, recent studies have shown that this assumption does not apply.
It has been claimed: 1. that filters made of synthetic fibers (in particular made of cellulose triacetate which is insoluble in acetone) remove less moisture from the tobacco than, for example, crepe paper filters, 2. that such filters can remove up to 90% of the alkaloids in tobacco smoke, 3. that synthetic fiber filters guarantee particularly good protection of the respiratory organs (e.g. their mucous membranes).
In view of the importance of a reliable filtration of the tobacco smoke - in order to substantiate this information - filters of this type were subjected to careful metrological control. The following surprising results were obtained: Re 1.
When testing 10 pieces each, 12 inch long filter plugs made from cellulose triacetate and made from crepe paper, the result was
EMI0001.0021
Cellulose <SEP> crepe paper
<tb> triacetate
<tb> Nicotine content <SEP> in the <SEP> filter <SEP> in <SEP> mg <SEP> 5.20 <SEP> 9.30
<tb> Weight gain <SEP> after <SEP> dem
<tb> Smoking <SEP> in <SEP> mg <SEP> <B> 176.5 </B> <SEP> 234.2
<tb> Ratio <SEP> 1: 33.9 <SEP> 1: 25.2 Since experience has shown that nicotine and tar are withdrawn from the smoke in almost equal amounts, the ratio given represents the water absorption of the filters.
So the water absorption with cellulose triacetate is clearly greater (around 30%) than with crepe paper.
Regarding 2. According to the analytical method by Schmidt-Pfyhl, which is generally used in Europe, it was found that with a tobacco with a medium nicotine content and a filter with a useful draw resistance made of acetate fibers, no higher degree of separation for alkaloids than about 20% can be achieved.
To 3. The synthetic fibers of such filters show the character of inorganic substances, so they have no swelling capacity, and the possible effect on the mucous membranes of the respiratory organs is hardly beneficial, even if largely unexplored. It has been shown that during normal smoking of cigarettes with synthetic fiber filters due to the mechanical stress, the pulling through of the smoke, the inevitable pressing and rolling of the mouthpiece, short fiber ends constantly come out of the filter mouthpiece as dust particles and get directly into the oral cavity. Microphotographs have shown the characteristic shape of such dust particles to be angular, pointed and wire-like, and the sharp cut or break edges of the synthetic fibers can be seen.
The shape of the synthetic fibers, which can be seen in the micrograph, with their smooth, wire-like-looking surface make this material unsuitable for filtering purposes, even if this has hardly been considered so far.
Fibers have already become known which, as a result of a number of irregularly distributed cavities, which at least partially communicate with one another, have a considerably enlarged surface. These fibers are produced, for example, by blowing a gas into a spinning solution during spinning, the spaces formed by the gas being retained during hardening. In addition, there is also the possibility of adding a gas-forming substance to the spinning solution, which causes cavities during spinning.
With an appropriate dimensioning of this additive or the air blown in during spinning, it is possible to create fibers which, as mentioned above, have a number of irregularly distributed cavities which at least partially communicate with one another.
The present invention relates to the application of fibers made of absorbent plastics, which spaces a plurality of at least partially communicating, irregularly distributed hollow spaces and as a result have a large active surface, for tobacco products.
It has been shown, completely surprising, that fibers of this type cause very good filtering of tobacco smoke. Furthermore, it has surprisingly been found that these fibers show a swelling capacity, although the smooth or cylindrical fibers produced from the same material, as stated above, are not swellable.
The present invention is explained in more detail below in some exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 5. 1 shows a longitudinal section through a filter fiber, FIGS. 2a and 2b each show a viscose thread of a known type, FIGS. 3a and 3b each show a microphotograph of a dry or swollen one Filter fiber, FIG. 4 is a microphotograph of a top view of a filter fiber, FIG. 5 is a microphotograph of a cross section through a strand of filter fibers.
The spinning solutions commonly used to produce viscose hollow filaments with or without cross walls contain substances such as sodium carbonate, which during the spinning process result in the formation of gas through the action of the acidic spinning bath, such as carbon dioxide gas.
With a suitable dimensioning of the coagulation process, it is possible to first solidify the gas-bubble-containing threads produced on the outside so that the gas bubbles formed in the liquid interior can combine and form a continuous, more or less long extending hollow channel.
It has been found in the further development of this method, as is known, that the spinning process can also be carried out in such a way that not such a more or less long hollow channel is created, but a viscose thread with a large number of arbitrarily distributed cavities. By suitable choice of the acid content of the spinning bath and the dwell time of the threads in the same, it can be achieved that some of these cavities are provided with passages on common partition walls and that such cavities also lead from the thread surface into the interior.
In any case, a skeletal structure of the viscose material forming the thread is created, partly built up from closed, partly from intercommunicating cavities. For example, Fig. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through such a filter fiber, which is composed of a plurality of viscose lamellae la, 1b, 1c, etc., between which arbitrarily distributed cavities <I> 2a </I> to < I> 2d </I> are located.
The viscose material has a certain swellability and can absorb a certain amount of water. It is clear that a filter fiber according to FIG. 1 has a much larger surface area than a solid fiber or a hollow fiber according to FIG. 2a or 2b.
Accordingly, the amount of water that can be absorbed by the filter fiber is also much greater, and the diameter of a fiber soaked with water increases significantly more than that of a cellulose acetate fiber, for example. In Fig. 3a and 3b each a microphotograph of a dry or a 60 seconds swollen viscose filter fiber in water of ribbon-like shape is shown, from which an enlargement of the width of about 1: 2 can be seen. The magnification is the same for both images.
The filter fibers described can also be made from plastics other than viscose, but it must be possible to process the material into threads and have a certain absorbency, such as cellulose acetate.
In investigations of filter fibers made of viscose and cellulose acetate that are swollen in a moist environment, it has been shown, as is known, that practically all viscose lamellae and wall parts have a corresponding swelling. This has the consequence that the previously elastic filter fiber becomes slack and soft when it swells.
This property is of great importance insofar as such filter fibers made of viscose, because of their softness, show a decidedly organ-friendly behavior and, thanks to their great swellability, act like natural dust fibers on mucous membranes, in contrast to other synthetic fibers made of cellulose triacetate etc. which remain sharp and hard.
A filter fiber made of viscose of the type described above and having a ribbon-like shape can be seen from the microphotograph shown in FIG. 4, namely a top view in the dark field. From this image created at a relatively low magnification, the arbitrarily distributed cavities on the fiber top and inside are clearly visible. A cross section through a strand of such filter fibers is shown in the microphotograph in FIG. 5, from which the skeletal structure can be seen.
The greatly enlarged surface of such filter fibers not only results in an improved swellability, but also an increased separation effect. Instead of flowing along the smooth surface of the previously common synthetic fibers, the smoke drawn through a filter plug from the filter fibers described now flows along the rugged outside of the same and penetrates through the communicating cavities into the viscose skeleton. The absorption and adsorption is greatly increased in accordance with the increase in surface area, and the condensation of liquid particles in the smoke is also facilitated.
In this case, an increase in the flow resistance does not have to be accepted.
The above-explained method for producing such filter fibers with gas formation in the acidic spinning bath can, as is known, also be modified to the effect that a spinning solution interspersed with fine gas bubbles is already pressed through suitable nozzles into the spinning bath. Since the filter fibers require a relatively low mechanical strength, plastic threads with arbitrarily distributed cavities for filter purposes can also be obtained in this way. The number of such gas bubbles per space part of the spinning solution and the mean size of the gas bubbles can be selected depending on the type of fiber structure desired.
The content of the finest gas bubbles in the spinning solution can finally be increased to such an extent that a fine foam is pressed through the nozzles into the spinning bath and solidifies there to form foam threads. Furthermore, a thread with randomly distributed cavities of the desired skeletal structure can also be generated by appropriate design of the nozzles and simultaneous supply of a pressurized gas stream when the bubble-free spinning solution passes through these nozzles.
The filter fibers, made according to the process described enclosed, are conveniently united to form an endless filter rod of a certain diameter, which can then be fed to a filter plug machine after being wrapped with a jacket made of suitable material such as paper and made into filter plugs. These filter plugs differ from the known synthetic fiber filters by the fissured fibers consisting of a plastic skeleton which are provided with arbitrarily distributed cavities, at least some of which are connected to each other.
If desired, a suitable binding agent for strengthening the strand can also be used in the production of the strand from both viscose and cellulose acetate filter fibers.