Masse filamenteuse susceptible de filtrer des gaz, procédé de fabrication de cette masse filamenteuse et appareil pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention a pour objet une masse filamenteuse susceptible de filtrer des gaz, un procé dé de fabrication de cette masse filamenteuse et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La plupart des filtres pour cigarettes utilisés actuellement sont constitués par des paquets de fila ments synthétiques crêpelés s'étendant de façon générale longitudinalement à la cigarette. Dans la production de ces filtres, avant de les envelopper de papier, il est nécessaire de former un paquet ou mèche des filaments, de crêpeler le paquet, puis d'emmagasiner les filaments crêpelés, étant donné que la vitesse linéaire du traitement ultérieur diffère de celle des stades précédents.
Il est alors néces saire de traiter ou d'ouvrir le paquet ou la mèche pour séparer les filaments individuels de façon que leurs crêpelures soient désorientées afin de ne pas former des canaux par lesquels la fumée passe sans être filtrée et d'appliquer un plastifiant à la mèche ouverte pour favoriser la cohérence des filaments en un corps ferme. Après l'enveloppement à l'aide du papier, les filtres doivent être u cuits pour faire adhérer les filaments aux points de contact et pour renforcer ou raidir les filtres.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et se propose de fournir une masse filamenteuse non tissée qui peut être fabriquée facilement et économiquement et qui con vient pour être utilisée dans la fabrication des filtres pour cigarettes.
Selon la présente invention, la masse filamenteu se susceptible de filtrer des gaz est caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble de filaments en une matière organique d'un denier total d'au moins 40 000, les filaments s'étendant d'une extrémité à l'autre de la masse et suivant des trajets sinueux à travers cette dernière pour former une structure entrelacée résistant aux forces tendant à séparer l'ensemble le long des plans réunissant lesdites extrémités.
Le procédé de fabrication die cette masse fila- menteuse est caractérisé en ce qu'on extrude une matière organique liquéfiée formant des filaments sous forme d'une multitude de filets minces dans une atmosphère gazeuse dans laquelle les filets liqui des se coagulent en filaments, en ce qu'on donne aux filaments, lorsqu'ils sont suffisamment secs pour résister à un tel traitement,
un déplacement tel qu'ils subissent un mouvement relatif au hasard d'une violence telle qu'il se produit alors une struc ture semblable à de la dentelle et présentant une rigidité transversale appréciable par rapport à son sens de déplacement, en ce qu'on enlève ladite struc ture de la zone dans laquelle les filaments ont été formés à une vitesse sensiblement inférieure à celle à laquelle les filets de liquide ont été extrudés, de manière que la structure ait un denier d'au moins 40 000, et en ce qu'on façonne ladite structure en pièces présentant une dimension et une forme pré déterminées.
Dans une mise en aeuvre du procédé il est com mode de déposer les filaments, après les avoir sou mis à un mouvement relatif au hasard ou en un endroit où ils sont encore sous l'effet de ce mouve ment, sur un support mobile tel qu'une courroie sans fin agencée pour évacuer la masse de fila- ments entremêlés à une vitesse linéaire inférieure à celle à laquelle le liquide formant les filaments est extrudé.
II est préférable de faire en sorte que le mouvement relatif entre les filaments et égale ment le dépôt sur un support mobile se produisent pendant que les filaments sont encore assez plas tiques et par conséquent adhésifs. Il se produit alors une fusion des filaments aux points de croisement et par suite une augmentation de la résistance de la structure formée. Un tel produit présente une résistance suffisante pour être utilisé dans la fabri cation de bouts de filtre pour cigarettes sans qu'il soit nécessaire de le plastifier et de le cuire.
Tou tefois, naturellement on peut avoir recours à la plas- tification et à la cuisson si l'on désire conférer une plus grande rigidité au produit. Si les filaments sont très adhésifs, lorsqu'ils sont déposés sur le support, ils se tassent et forment une bande relati vement dense qui est moins appropriée pour pro duire des bouts de filtre, mais peuvent être destinés à d'autres applications pour lesquelles on a recours aux tissus dits non tissés.
Le mouvement relatif au hasard des filaments est effectué de préférence en faisant passer les fila ments à travers une zone turbulente de l'atmosphère gazeuse dans laquelle ils sont formés. En pratique, on a obtenu des résultats excellents en dirigeant des jets d'air sur les filaments au cours de leur passage vers un support mobile.
On peut extruder le liquide formant les filaments vers le bas et à un angle aigu par rapport au support qui reçoit les filaments, et dans ce cas il est préférable d'agen cer des jets d'air dirigés vers le bas à un angle aigu par rapport au support et de façon à heurter les filaments avant qu'ils ne se déposent sur le support.
La vitesse exacte d'évacuation de la structure formée dépend du nombre des orifices., de la vitesse d'extrusion et du denier voulu de la structure, c'est- à-dire du poids voulu en grammes pour 9000 mètres de la structure. Ce denier dépend de l'application finale envisagée pour la structure. Pour fabriquer des filtres pour cigarettes de dimension classique, par exemple de 25 mm environ de circonférence, le denier de l'ensemble de la matière est compris de façon générale entre 40 000 et 500 000 et de pré férence entre 55 000 et 100 000.
Le denier des fila ments individuels est compris de façon générale entre 0,5 et 25 environ et il est de préférence infé rieur à 10 environ. Un avantage réside dans le fait que des filaments aussi petits que 3 deniers et même de moins de 2 deniers, si on le désire, peuvent être obtenus facilement.
Le nombre des filaments, c'est- à-dire le nombre des orifices d'extrusion, peut attein dre 3000 ou plus, bien qu'ils soient de préférence inférieurs à 1800 environ; une augmentation du nombre des filaments dans des conditions de filage données permet d'obtenir le même denier total à une vitesse d'évacuation supérieure. Le rapport d'éva cuation, c'est-à-dire le rapport de la vitesse linéaire d'extrusion à la vitesse d'évacuation de la bande, est d'au moins 1,5, de façon générale d'au moins 10 et de préférence d'au moins 25.
On peut avoir recours à des rapports d'évacuation bien supérieurs, de plusieurs centaines. Les faibles rapports d'éva cuation diminuent la surface de filtrage efficace et/ou l'état désordonné de l'agencement des fila ments, état désordonné qui contribue à l'absence de formation de canaux et à la haute efficacité de fil trage.
Le rapport est mis en corrélation avec le nombre des filaments et leur denier pour fournir un produit ayant un denier total préalablement déterminé ; en opérant sous un rapport d'évacuation et un denier total préalablement déterminés le nombre de filaments et leur denier moyen individuel varient de façon inversement proportionnelle, c7est- à-dire que leur produit est une constante qui, lors qu'on la multiplie par le rapport d'évacuation, donne le denier total.
La largeur et/ou l'épaisseur du produit peut varier de façon étendue. Pour fabriquer des filtres pour cigarettes, la matière peut être extrudée dans des conditions donnant une structure ayant une épaisseur de 5 à 50 mm ou plus, auquel cas la structure est très étroite, de façon générale infé rieure à 300 mm et éventuellement aussi étroite que 25 mm. La structure peut avoir une largeur atteignant 500 mm ou plus, auquel cas elle a habi tuellement une épaisseur de 1 ou 2 mm seulement.
La densité apparente de la matière, telle qu'on la mesure à l'aide d'un échantillon sensiblement non comprimé, est généralement inférieure à 0,032 g/ cm3 et de préférence inférieure à 0,016 g/cm3.
Comme exemple de matières formant les fila ments auxquelles on peut avoir recours, on peut citer des dérivés organiques de la cellulose, tels que les éthers et/ou esters de cette dernière, par exemple l'éthyl cellulose, l'acétate de cellulose, le propionate de cellulose, le butyrate de cellulose, le formiate- acétate de cellulose, le propionate-acétate de cellu lose, et le butyrate-acétate de cellulose.
On peut avoir recours aux esters de cellulose qui ont été portés à maturité de façon à modifier leurs carac téristiques de solubilité et on peut également avoir recours aux esters qui n'ont pas été mûris, c'est-à- dire qui contiennent moins de 0,29 groupe hydro xyle libre environ par motif d'anhydro-glucose, com me le triacétate de cellulose.
Bien qu'on puisse avoir recours à d'autres matières formant les filaments telles que des polyamides, par exemple le nylon 6 ou 66, les polyesters linéaires tels que le téréphta- late de polyéthylène, des polymères et copolymères d'acrylonitrile, des polymères oléfiniques tels que le polyéthylène, le polypropylène, le chlorure de poly vinyle, l'acétate de polyvinyle, le chlorure de poly- vinyle-acétate de vinyle, le chlorure de polyviny- lidène, etc...
on préfère avoir recours aux esters d'acides organiques de la cellulose, tels que l'acétate de cellulose, qui sont filés à sec avantageusement, c'est-à-dire extrudés sous forme d'une solution dans une atmosphère d'évaporation chauffée. En plus de ses autres fonctions, lorsqu'on file à sec, l'air comprimé dirigé sur les filaments faci lite la production de filaments satisfaisants.
En particulier, à mesure que l'air se détend, il refroi dit et empêche ainsi une élimination trop rapide du solvant à partir des surfaces des filaments, dont une élimination excessivement rapide aurait ten dance à fournir sur chaque filament une pellicule dure résistant à la diffusion vers l'extérieur du sol vant à partir de l'intérieur.
On a constaté qu'on obtient des filtres supérieurs par un filage à sec lorsque les filaments sont extrudés sous des pressions extrêmement élevées. Avantageusement, la pression d'extrudage dépasse 42 kg/cm au manomètre, qui peut être atteinte en utilisant de petits orifices, par exemple des orifices ronds ayant un diamètre de 0,040 mm ou moins, avec des vitesses linéaires d'extrusion de 700 m par minute ou plus. Dans ces conditions, le solvant semble être chassé par évaporation et fournit des filaments présentant des caractéristiques de surface différentes de celles résultant de façon générale d'un filage à sec d'une solution à travers des orifices ronds.
En particulier, en ce qui concerne leur sec tion transversale, ils sont irréguliers et présentent de nombreux lobes et des trous profonds, des plis, des creux, des stries et/ou des naeuds. Ils présentent une surface rugueuse, crénelée, qui ressemble à l'écorce d'un arbre. Par suite de stries et des noeuds, il existe une plus grande surface pour un poids donné de filaments. Les creux et irrégularités aug mentent l'emprisonnement des particules de fumée lorsqu'on les utilise comme filtres et les irrégula rités fournissent une action de blocage qui empê che un déplacement relatif des filaments, de sorte qu'on obtient un bout de filtre plus robuste et plus ferme.
De plus, la forte agitation des filaments produit de petites spirales d'un ou plusieurs fila ments qui contribuent en outre à la grande effi cacité de filtrage. .
L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe, des moyens pour extruder une solution d'une matière formant des filaments dans l'enveloppe sous forme d'une série de filaments sensiblement parallèles, des moyens pour admettre un courant d'air chauffé dans l'enveloppe afin d'évaporer le solvant de la solution, des moyens pour évacuer l'air et les vapeurs dudit solvant de l'enveloppe, un support disposé au- dessous des moyens d'extrusion à l'intérieur de l'enveloppe,
des moyens pour souffler de l'air sur les filaments transversalement par rapport à leur trajet de déplacement à partir des moyens d'extru sion vers ledit support pour obliger les filaments à venir au hasard en contact les uns avec les autres et à se souder en des points espacés pour former une bande, et des moyens pour évacuer la bande de l'enveloppe. Le- dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution d'un appareil pour la mise en aeuvre du procédé.
La fig. 1 représente un appareil destiné à être utilisé pour former des bouts de filtres pour ciga rettes constituant la première forme d'exécution.
La fig. 2 représente un appareil destiné à être utilisé pour fabriquer un cordon convenant pour être transformé en bouts de filtres pour cigarettes constituant la seconde forme d'exécution.
En se référant à la fig. 1, on a représenté une enveloppe fermée 11 (la face antérieure étant enle vée de façon à voir l'intérieur) contenant un support sans fin très poreux 12, tel qu'un tamis métallique, entraîné autour d'arbres 13, 14 dont un au moins est mis en rotation, à une vitesse relativement fai ble, de sorte que le sommet du support 12 se déplace vers la droite. De l'air chaud est admis dans l'enve loppe 11 en 15 et l'air et les vapeurs s'échappent par la conduite 16.
On admet une solution de matière formant des filaments dissoute dans un solvant volatil par une conduite 17 dans une filière à orifices multiples 18 à travers laquelle elle est extrudée sous pression, de la même façon que lorsqu'on file un fil, sous forme d'une série de filaments sensiblement paral lèles 19 dirigés en direction du support mobile 12.
Des tuyaux inclinés 20 et 21 sont disposés devant et derrière le plan des filaments 19, c'est-à-dire à droite et à gauche dudit plan, et dirigent des jets de gaz, par exemple de l'air comprimé, à l'avant et à l'arrière sur les filaments 19 avant qu'ils n'attei gnent le support 12 ; sous l'action de ces jets les filaments sont brassés dans une zone turbulente, chaque filament étant chassé en tous sens et for mant des entremêlements avec lui-même et avec d'autres filaments.
Le solvant contenu dans les fila ments 19 commence à s'évaporer au contact de l'air chaud contenu dans l'enveloppe 11 et les filaments 19 sont encore suffisamment adhésifs et plastiques lorsqu'ils sont soumis aux jets provenant des tuyaux 20, 21 pour se souder par endroits où ils viennent en contact les uns des autres et se déformer sous des formes géométriques diverses qui sont fixées par la coagulation des filaments.
Une paire de chi canes latérales 22, 23 (cette dernière étant repré sentée en partie en arrachement) sont disposées au- dessus du support 12 et déterminent la largeur de la bande 24 qui se forme à mesure que les fila- ments entremêlés 19 tombent sur le support.
Ces chicanes servent également à empêcher la forma tion d'une bande présentant des bords latéraux ayant une épaisseur ou hauteur inférieure à celle du milieu, c'est-à-dire qu'elles aident à obtenir une bande uniforme et régulière en dehors de la cir culation de l'air sur la largeur de la bande.
La bande 24 est presque entièrement fixée et sèche après s'être déplacée sur une courte distance seulement en direction de la paroi d'extrémité 25 de l'enveloppe 11. La bande 24, qui présente une structure ouverte en forme de dentelle et ainsi de faible densité, est entraînée par le support 12 et quitte l'enveloppe 11 par une fente allongée 26 mé nagée dans la paroi d'extrémité 25.
La bande 24 pénètre alors dans la large extré mité d'un cornet 27 et y est pressée latéralement de sorte que sa section transversale est modifiée sous la forme d'un cordon sensiblement cylindrique 28 ayant la forme de la section transversale et la dimension d'une cigarette. Le cordon 28 pénètre dans un appareil 29 d'enveloppement de papier en même temps qu'un papier 30 et une courroie sans fin 31, le papier 30 étant enveloppé autour du cordon 28 et collé dans l'appareil 29 d'une façon classique.
Le cordon enveloppé 32 sortant de l'appareil 29 est alors découpé par un couteau 33 en des bouts de filtres 34 ayant une longueur préalablement déter- minée, qui peuvent être incorporés en tant que fil tres dans des cigarettes de façon classique.
La bande 24 est une masse entremêlée de fila ments sensiblement dirigés au hasard et continus qui adhèrent les uns aux autres en des endroits espacés de façon à ne pas pouvoir être tirés indivi duellement, bien que l'identité des filaments indivi duels soit apparente sur de courtes distances. Les bords de la bande 24 ont sensiblement la même épais seur que la partie médiane de cette dernière. L'agi tation et la turbulence fournies par jets d'air don nent la structure orientée au hasard, ainsi que de nombreux enroulements ou faisceaux qui semblent être constitués par des enroulements ou amas ser rés d'un filament autour de lui-même ou d'un ou plusieurs autres filaments.
On a observé que des filtres fabriqués à partir de bandes présentant des enroulements possèdent une plus grande efficacité de filtrage.
Le nombre des filaments continus formant la bande 24 est égal au nombre des orifices de filage. Dans chaque centimètre de longueur de la bande 24, il peut se trouver de nombreuses fois des lon gueurs de 1 cm de chaque filament, la longueur de filament en excès étant absorbée par les enrou lements, les crêpelures irrégulières, les entremê lements et en particulier par les croisements dans l'ensemble de la bande.
Le nombre de centimètres de chaque filament dans chaque centimètre de bande est sensiblement égal au rapport de la vitesse linéaire d'extrusion à la vitesse d'enroulement de la bande.
La bande et les filtres obtenus à partir de cette dernière sont caractérisés par une très grande uni formité, des filtres individuels obtenus à partir de portions différentes de la longueur d'une bande don née présentant sensiblement le même poids par unité de longueur et les mêmes efficacités de filtrage et porosité. On peut comparer favorablement les fil tres, aussi bien quant aux prix qu'au rendement, avec des filtres classiques. Bien qu'on puisse avoir recours à un plastifiant, il n'est pas nécessaire, et les bouts ont une fermeté et une élasticité satis- faisantes.
Lorsqu'on opère à partir d'une solution d'acétate de cellulose dans un solvant volatil, on obtient des bouts qui présentent une excellente blancheur bien qu'aucun pigment n'ait été incor poré, tandis que le poids de ces bouts par unité de longueur est habituellement inférieur à celui des filtres classiques ayant une efficacité de filtrage éga le et fabriqués à partir de la même matière.
Au lieu d'une filière allongée comme représen tée, on peut aligner une série de filières dans le sens longitudinal de l'enveloppe pour stratifier plu sieurs bandes en une natte ayant une largeur et une épaisseur importantes. Si on le désire, on peut déposer des absorbants subdivisés tels que du gel de silice, des flocons de fibres etc... sur la bande 24 dans l'enveloppe 11, peu après sa formation et ils peuvent être ainsi noyés dans la bande ; si on les introduit avant que la bande soit solidifée, ces addi tifs peuvent même être maintenus dans la bande de façon adhésive.
En plus de son application pour fabriquer des filtres pour cigarettes, on peut avoir recours à la bande à l'état étalé pour fabri quer des filtres plats ou autres objets préparés de façon générale à partir de produits non tissés.
Le nombre et la disposition des jets d'air peu vent varier à volonté de façon à modifier les pro priétés physiques de la bande ainsi obtenue.
Suivant la température de l'air régnant dans l'enveloppe et les conditions d'extrusion, il est pos sible de mettre en oeuvre le procédé décrit sans déplacer le support 12, c'est-à-dire que la bande immédiatement après qu'elle est tombée sur le sup port, est suffisamment cohérente pour être dépla cée sur un support fixe sans être rompue. Au lieu d'un tamis comme support de la bande, on peut déplacer une série de filaments ou fils parallèlement espacés provenant d'un métier ou paquet d'ahmen- tation sous la filière, et on peut les réunir à la bande à titre de renforcement.
Si la masse entre mêlée est suffisamment cohérente au fur et à mesu re de sa formation, on peut omettre le support entiè rement.
Au cas où le denier de la bande est supérieur à celui qu'on désire obtenir dans les filtres, on peut diminuer le denier en accélérant la vitesse du sup port ou en étirant avant la condensation la bands dans le cornet 27, par exemple en la faisant passer entre une série de paires de cylindres se déplaçant successivement à une plus grande vitesse périphé rique. Le denier ainsi obtenu de la bande est le pro duit du denier initial et de la vitesse périphérique de la première paire de cylindres, divisé par la vitesse périphérique de la dernière paire de cylin- dres.
Lorsque les filaments formant la bande et les filtres sont obtenus par extrusion à une vitesse élevée et sous une forte pression, ils possèdent des caractéristiques notablement différentes de celles de filaments produits normalement dans la fabrication d'un fil textile. A une échelle fortement grossie, les filaments présentent des surfaces rugueuses analo gues à un ruban, avec des stries hélicoïdales. D'autres filaments présentent des plis longitudinaux et des stries périphériques sensiblement parallèles ; la hau teur de ces plis diffère et leur largeur varie de 1/io à 1/s de la largeur des fibres. Leurs sur faces sont légèrement en creux. Certains sont divi sés en deux plis divergents.
Les plis peuvent être parfaitement séparés ou presque se toucher ; dans certaines zones ils sont très irréguliers et semblent froissés. Si l'on examine une fibre quelconque sur une petite partie de sa longueur, on peut observer toutes ces particularités ou quelques-unes seulement.
L'exemple suivant est donné à titre illustratif de l'application de l'appareil de la fig. 1 <I>Exemple 1</I> On extrude une solution de 26,8 % en poids d'acé tate de cellulose (indice d'acélyte de 55 0/0) dans de l'acétone à travers une filière présentant 30 trous circulaires, ayant chacun un diamètre de 0,034 mm à une vitesse linéaire de 1850 mètres environ par minute (c'est-à-dire à un volume total de 50 ml de solution par minute).
La pression à la filière, c'est- à-dire la pression d'extrusion, est de 42 kg/ce au manomètre, tandis que la pression à la pompe est de 105 kg/cm2 au manomètre. La température de la solution est de 88(l C. On évacue l'air à une pres sion de 75() C, après l'avoir admis dans l'enveloppe à une température de 800 C. Le support 12 est disposé à 20 cm au-dessous de la filière et avance à une vitesse de 1,75 mètre par minute. Les extrémités inférieures des chicanes 22, 23 sont espacées de 112 mm l'une de l'autre.
Les tuyaux 20 et 21 se ter minent sous forme de becs à aile qui dirigent des jets d'air sous forme de nappes à une pression mano- métrique de 1,4 kg/cm-' et à 25o C, à des angles de 45 environ par rapport à la verticale, les tuyaux étant disposés de façon que les jets d'air viennent heurter les filaments et fournissent une zone tur bulente à 15 cm environ au-dessous de la face de la filière. La bande ainsi obtenue a une épaisseur de 1 cm environ et présente un denier de 57 000.
Au fur et à mesure de sa formation, elle est avan cée dans un appareil de fabrication de filtres et convertie en bouts de filtres enveloppés par du papier, ayant une longueur de 15 mm, une circon férence de 25 mm et un denier de 57 000 environ. L'acétate de cellulose contenu dans chaque bout pèse 102 mg. On l'essaie sur un équipement d'essai de filtres classique pour déterminer la quantité d'aspiration nécessaire pour tirer un volume d'air préalablement déterminé à travers le filtre dans des conditions déterminées et pour déterminer le pour centage de matière solide éliminée de la fumée pro duite en fumant le tabac de cigarettes.
Pour facili ter la comparaison, on donne ci-dessous les résul tats en même temps que ceux obtenus à l'aide de bouts de deux des cigarettes à bouts de filtres les plus efficaces disponibles dans le commerce, et uti lisant une mèche classique
EMI0005.0026
Procédé <SEP> Témoin:
<SEP> Témoin
<tb> décrit
<tb> Chute <SEP> de <SEP> pression, <SEP> mm <SEP> d'eau <SEP> 57 <SEP> 50 <SEP> 70
<tb> Longueur <SEP> du <SEP> bout, <SEP> mm <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 10
<tb> Efficacité <SEP> de <SEP> filtrage <SEP> 0/0 <SEP> 27 <SEP> 22 <SEP> 18
<tb> Poids <SEP> du <SEP> bout, <SEP> mg <SEP> 102 <SEP> 180 <SEP> 120 Il ressort du tableau que les nouveaux bouts ont une chute de pression située entre celle des témoins, ce qui indique un manque de parallèlisme dans le filtre, de sorte qu'il ne se produit pas de formation de canaux.
L'efficacité de filtrage du nouveau filtre est de 20 % environ supérieure à celle du meilleur des témoins et de 50 % supérieure à celle de l'autre témoin ;
son poids est inférieur à 85 % du bout le plus court (de moindre efficacité) et inférieur à 60 % de celui du bout le plus efficace.
Le denier des filaments individuels varie en moyenne entre 2,6 et 3,2 environ. Leur section effi cace est extrêmement irrégulière en raison de leurs trous et ondulations et la section efficace d'un. fila ment donné varie considérablement en des empla cements longitudinaux différents le long du fila ment. De façon générale, la largeur maximum moyenne de chacun de ces filaments est de 30 microns environ, bien que la largeur minimum moyenne soit de 10 microns environ.
L'exemple suivant est donné à titre illustratif de l'utilisation de l'appareil représenté sur la fig. 2 <I>Exemple 2</I> On extrude la solution d'acétate de cellulose uti lisée dans l'exemple 1 à travers trois filières 45 présentant des faces perforées planes montées à un angle de 45o par rapport à un tamis ou courroie perforée sans fin horizontale 46, entraînée à une vitesse constante de 60 m par minute par des cylin dres 47 et 48 dans le sens indiqué par la flèche.
Le cylindre 48 et sa portion associée de tamis 46 sont disposés à l'extérieur d'une enveloppe 49 qui contient les filières 45, le reste du tamis 46 et l'équi pement supplémentaire décrit ci-dessous ; sur le des sin, on a omis le côté proche de l'enveloppe 49 pour en faciliter la compréhension.
Chaque filière 45 présente 300 orifices ayant un diamètre de 0,028 mm et évacue continuellement 520 grammes par minute de la solution à 1250 C ; la pression d'extrusion est de 49 kg/cm2 au manomètre environ à la filière et la brusque chute de pression et la grande vitesse, à mesure que la solution quitte la filière, provo quent la vaporisation du solvant et ceci semble être responsable des caractéristiques de la surface des filaments précédemment décrite. Les filaments indi viduels présentent une moyenne de 2 à 3 deniers environ.
Une tuyère d'air allongée 50 s'étend sur toute la largeur du tamis 46 et évacue continuelle ment de l'air à 80,) C environ et sous une pression manométrique de 0,05 kg/cm2 à un angle de 45 par rapport au tamis et à un angle de<B>900</B> par rap port aux filaments, l'air venant heurter les filaments à une courte distance au-dessus du tamis. Les fila ments 51 sont ainsi séchés en partie et fouettés pour former des enroulements et des entremêle ments et sont soudés les uns aux autres en des emplacements disposés au hasard.
Les filaments tombent sur le tamis 46 sous forme d'une bande 52 ayant une largeur de 550 mm environ et une hau teur de 1 mm environ. A mesure que la bande 52 se déplace vers la droite, elle passe successivement en regard de chicanes 53 et 54, puis quitte l'envelop pe 49 par une ouverture ménagée dans la paroi d'extrémité de l'enveloppe 49. La bande passe alors à travers un guide 55, puis sur l'élément horizontal d'une barre 56 en forme de H dont les éléments verticaux sont espacés de 6,25 mm environ pour condenser la bande sous forme d'un cordon ou mèche ayant un denier de 75 000 environ.
Le cordon est tiré par une paire de galets d'avance 57 pour être recueilli ou façonné directement en bouts de fil tres pour cigarettes. Des conduites 58, 59 s'étendent sur la longueur de l'enveloppe 49 à la partie supé rieure et à la partie inférieure respectivement. De l'air chaud est .admis à<B><I>1500</I></B> C dans la conduite 58 et s'échappe par des ouvertures 60 pour venir au con tact de la bande 52 et pour passer par des ouver tures 61 ménagées dans la conduite 59.
De la vapeur vive sous une pression manométrique de 2,1 kg/cm' est dirigée par des ajutages 62 vers la bande 52 pour diminuer la tension de vapeur de l'acétone et favo riser ainsi le séchage.
Filamentous mass capable of filtering gases, method of manufacturing this filamentous mass and apparatus for implementing this method The present invention relates to a filamentous mass capable of filtering gases, a process for manufacturing this filamentous mass and an apparatus for implementing this method.
Most of the filters for cigarettes in use today consist of packets of crimped synthetic filaments extending generally longitudinally of the cigarette. In the production of these filters, before wrapping them with paper, it is necessary to form a bundle or wick of the filaments, crimp the bundle, and then store the crimped filaments, since the linear speed of the subsequent processing differs from that of the previous stages.
It is then necessary to treat or open the packet or the wick to separate the individual filaments so that their crimping is disoriented so as not to form channels through which the smoke passes without being filtered and to apply a plasticizer to it. the wick open to promote consistency of the filaments into a firm body. After wrapping with the paper, the filters should be baked to adhere the filaments to the contact points and to strengthen or stiffen the filters.
The object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks and proposes to provide a non-woven filamentary mass which can be manufactured easily and economically and which is suitable for use in the manufacture of filters for cigarettes.
According to the present invention, the filamentous mass capable of filtering gases is characterized in that it comprises a set of filaments made of an organic material with a total denier of at least 40,000, the filaments extending from a end to the other of the mass and following sinuous paths through the latter to form an interlaced structure resistant to the forces tending to separate the assembly along the planes joining said ends.
The method of manufacturing this filamentous mass is characterized by extruding a liquefied organic material forming filaments in the form of a multitude of thin threads in a gaseous atmosphere in which the liquid threads coagulate into filaments, in what is given to the filaments, when they are dry enough to withstand such a treatment,
a displacement such that they undergo a relative movement at the chance of such violence that there then occurs a structure similar to lace and presenting an appreciable transverse rigidity with respect to its direction of displacement, in that removes said structure from the area in which the filaments were formed at a rate substantially slower than that at which the liquid streams were extruded, so that the structure has a denier of at least 40,000, and in that 'said structure is shaped into pieces having a predetermined size and shape.
In an implementation of the process, it is convenient to deposit the filaments, after having subjected them to a relative movement at random or in a place where they are still under the effect of this movement, on a mobile support such as an endless belt arranged to discharge the mass of entangled filaments at a linear speed lower than that at which the liquid forming the filaments is extruded.
It is preferable to allow the relative movement between the filaments and also the deposition on a movable support to take place while the filaments are still quite plastic and therefore adhesive. There then occurs a fusion of the filaments at the crossing points and consequently an increase in the resistance of the structure formed. Such a product has sufficient strength to be used in the manufacture of filter tips for cigarettes without having to be plasticized and baked.
However, of course, plasticizing and baking can be used if it is desired to impart greater rigidity to the product. If the filaments are very adhesive, when deposited on the backing, they settle down and form a relatively dense band which is less suitable for producing filter tips, but may be intended for other applications for which there is a need. uses so-called non-woven fabrics.
The random relative movement of the filaments is preferably effected by passing the filaments through a turbulent zone of the gas atmosphere in which they are formed. In practice, excellent results have been obtained by directing jets of air over the filaments during their passage towards a mobile support.
The liquid forming the filaments can be extruded downwards and at an acute angle to the support which receives the filaments, and in this case it is preferable to arrange jets of air directed downwards at an acute angle by relative to the support and so as to strike the filaments before they are deposited on the support.
The exact rate of evacuation of the formed structure depends on the number of orifices, the extrusion rate and the desired denier of the structure, i.e. the desired weight in grams per 9000 meters of the structure. This denier depends on the final application envisaged for the structure. To make cigarette filters of conventional size, for example about 25 mm in circumference, the denier of the whole material is generally between 40,000 and 500,000 and preferably between 55,000 and 100,000.
The denier of the individual filaments is generally between about 0.5 and 25 and is preferably less than about 10. One advantage is that filaments as small as 3 denier and even less than 2 denier, if desired, can be obtained easily.
The number of filaments, i.e. the number of extrusion ports, can be as high as 3000 or more, although they are preferably less than about 1800; an increase in the number of filaments under given spinning conditions results in the same total denier at a higher discharge rate. The discharge ratio, that is, the ratio of the linear extrusion speed to the discharge speed of the strip, is at least 1.5, generally at least 10 and preferably at least 25.
We can have recourse to much higher evacuation ratios, of several hundred. The low evacuation ratios decrease the effective filtering area and / or the disordered state of the filament arrangement, a disordered state which contributes to the absence of channel formation and to the high filtering efficiency.
The ratio is correlated with the number of filaments and their denier to provide a product having a predetermined total denier; by operating under a predetermined evacuation ratio and total denier, the number of filaments and their individual average denier vary inversely proportional, that is to say that their product is a constant which, when multiplied by the evacuation report, gives the total denier.
The width and / or thickness of the product can vary widely. To make cigarette filters, the material can be extruded under conditions providing a structure having a thickness of 5 to 50 mm or more, in which case the structure is very narrow, generally less than 300 mm and possibly as narrow as. 25 mm. The structure may have a width of up to 500 mm or more, in which case it usually has a thickness of only 1 or 2 mm.
The bulk density of the material, as measured using a substantially uncompressed sample, is generally less than 0.032 g / cm3 and preferably less than 0.016 g / cm3.
As examples of filament-forming materials which may be used, there may be mentioned organic derivatives of cellulose, such as ethers and / or esters of the latter, for example ethyl cellulose, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose butyrate, cellulose formate acetate, cellulose propionate acetate, and cellulose butyrate acetate.
It is possible to use cellulose esters which have been brought to maturity so as to modify their solubility characteristics and it is also possible to use esters which have not been matured, that is to say which contain less About 0.29 free hydro xyl group per anhydro-glucose unit, such as cellulose triacetate.
Although other filament-forming materials such as polyamides, for example nylon 6 or 66, linear polyesters such as polyethylene terephthalate, acrylonitrile polymers and copolymers, polymers and copolymers, polymers and copolymers olefins such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride-vinyl acetate, polyvinylidene chloride, etc.
it is preferred to use the organic acid esters of cellulose, such as cellulose acetate, which are advantageously dry spun, that is to say extruded in the form of a solution in a heated evaporating atmosphere . In addition to its other functions, when spinning dry, the compressed air directed at the filaments facilitates the production of satisfactory filaments.
In particular, as the air expands, it cools and thus prevents too rapid removal of solvent from the surfaces of the filaments, an excessively rapid removal of which would tend to provide on each filament a hard, water-resistant film. diffusion towards the outside of the ground before starting from the inside.
It has been found that superior filters are obtained by dry spinning when the filaments are extruded at extremely high pressures. Advantageously, the extrusion pressure exceeds 42 kg / cm at the gauge, which can be achieved by using small orifices, for example round orifices having a diameter of 0.040 mm or less, with linear extrusion speeds of 700 m per. minute or more. Under these conditions, the solvent appears to be removed by evaporation and provides filaments exhibiting surface characteristics different from those generally resulting from dry spinning of a solution through round orifices.
In particular, as regards their cross section, they are irregular and have many lobes and deep holes, folds, hollows, ridges and / or knots. They have a rough, crenellated surface that resembles the bark of a tree. As a result of streaks and knots, there is a larger surface area for a given weight of filaments. Hollows and irregularities increase the entrapment of smoke particles when used as filters and irregularities provide a locking action which prevents relative displacement of the filaments, resulting in a stronger filter tip. and firmer.
In addition, the strong agitation of the filaments produces small spirals of one or more filaments which further contribute to the high filtering efficiency. .
The apparatus for carrying out the process is characterized in that it comprises an envelope, means for extruding a solution of a material forming filaments in the envelope in the form of a series of substantially parallel filaments, means for admitting a stream of heated air into the casing in order to evaporate the solvent from the solution, means for discharging the air and vapors of said solvent from the casing, a support disposed below the means of extrusion inside the casing,
means for blowing air over the filaments transversely to their path of travel from the extrusion means to said support to cause the filaments to come into random contact with each other and to weld together. points spaced apart to form a strip, and means for removing the strip from the envelope. The accompanying drawing shows, by way of example, two embodiments of an apparatus for carrying out the method.
Fig. 1 shows an apparatus for use in forming filter tips for cigarettes constituting the first embodiment.
Fig. 2 shows an apparatus for use in making a bead suitable for being made into cigarette filter tips constituting the second embodiment.
Referring to fig. 1, there is shown a closed casing 11 (the front face being removed so as to see the interior) containing a very porous endless support 12, such as a metal screen, driven around shafts 13, 14 of which one at least is rotated, at a relatively low speed, so that the top of the support 12 moves to the right. Hot air is admitted into the casing 11 at 15 and the air and vapors escape through line 16.
A solution of filament-forming material dissolved in a volatile solvent is admitted through line 17 into a multi-orifice die 18 through which it is extruded under pressure, in the same manner as when a thread is spun, as a thread. a series of substantially parallel filaments 19 directed towards the mobile support 12.
Inclined pipes 20 and 21 are arranged in front of and behind the plane of the filaments 19, that is to say to the right and to the left of said plane, and direct jets of gas, for example compressed air, to the front and rear on the filaments 19 before they reach the support 12; under the action of these jets, the filaments are stirred in a turbulent zone, each filament being driven in all directions and forming intermingling with itself and with other filaments.
The solvent contained in the filaments 19 begins to evaporate on contact with the hot air contained in the casing 11 and the filaments 19 are still sufficiently adhesive and plastic when subjected to the jets coming from the pipes 20, 21 to weld in places where they come into contact with each other and deform into various geometric shapes which are fixed by the coagulation of the filaments.
A pair of side clips 22, 23 (the latter being shown partly cut away) are arranged above the support 12 and determine the width of the strip 24 which forms as the entangled filaments 19 fall on the support.
These baffles also serve to prevent the formation of a web having side edges having a thickness or height less than that of the middle, that is to say, they help to obtain a uniform and regular web outside the web. air circulation across the width of the belt.
The strip 24 is almost completely set and dry after moving a short distance only towards the end wall 25 of the casing 11. The strip 24, which has an open structure in the form of lace and so on. low density, is entrained by the support 12 and leaves the casing 11 through an elongated slot 26 formed in the end wall 25.
The strip 24 then enters the broad end of a horn 27 and is pressed laterally therein so that its cross section is changed into a substantially cylindrical bead 28 having the shape of the cross section and the dimension of. a cigarette. Cord 28 enters paper wrapping apparatus 29 along with paper 30 and endless belt 31, with paper 30 being wrapped around cord 28 and glued into apparatus 29 in a conventional manner.
The wrapped bead 32 exiting the apparatus 29 is then cut by a knife 33 into filter tips 34 having a predetermined length, which can be incorporated as threads in cigarettes in conventional fashion.
The web 24 is an interwoven mass of substantially randomly directed and continuous filaments which adhere to each other at places spaced so as not to be able to be pulled out individually, although the identity of the individual filaments is apparent on many occasions. short distances. The edges of the strip 24 have substantially the same thickness as the middle part of the latter. The agitation and turbulence provided by air jets give the structure randomly oriented, as well as numerous windings or bundles which appear to be formed by windings or tight clusters of a filament around itself or by one or more other filaments.
Filters made from bands having windings have been observed to have higher filtering efficiency.
The number of continuous filaments forming the strip 24 is equal to the number of the spinning orifices. In each centimeter of strip 24 length there may be many times 1 cm lengths of each filament, the excess filament length being absorbed by windings, irregular twists, tangles and in particular. by crossings throughout the strip.
The number of centimeters of each filament in each centimeter of tape is substantially equal to the ratio of the linear extrusion speed to the winding speed of the tape.
The band and the filters obtained from it are characterized by a very high uniformity, individual filters obtained from different portions of the length of a given band having substantially the same weight per unit length and the same. filtering efficiencies and porosity. The very filters can be compared favorably, both in terms of price and efficiency, with conventional filters. Although a plasticizer can be used, it is not necessary, and the tips have satisfactory firmness and elasticity.
When operating from a solution of cellulose acetate in a volatile solvent, ends are obtained which exhibit excellent whiteness although no pigment has been incorporated, while the weight of these ends per unit in length is usually less than that of conventional filters having equal filtering efficiency and made from the same material.
Instead of an elongated die as shown, a series of dies can be aligned in the longitudinal direction of the casing to laminate multiple webs into a mat of substantial width and thickness. If desired, one can deposit subdivided absorbents such as silica gel, fiber flakes etc ... on the strip 24 in the envelope 11, shortly after its formation and they can thus be embedded in the strip; if introduced before the strip has solidified, these additives can even be adhesively held in the strip.
In addition to its application for making cigarette filters, the strip may be used in the spread state for making flat filters or other articles generally prepared from nonwoven products.
The number and arrangement of the air jets may vary at will so as to modify the physical properties of the strip thus obtained.
Depending on the temperature of the air prevailing in the casing and the extrusion conditions, it is possible to implement the method described without moving the support 12, that is to say that the strip immediately after it has fallen on the support, is sufficiently coherent to be moved on a fixed support without being broken. Instead of a screen as a backing for the web, a series of parallel spaced filaments or threads from a feed loom or pack can be moved under the die, and they can be joined to the web as a enhancement.
If the mass between melee is sufficiently consistent as it is formed, the support can be omitted entirely.
In the event that the denier of the strip is greater than that which is desired to be obtained in the filters, the denier can be reduced by accelerating the speed of the support or by stretching the bands in the cone 27 before condensation, for example by passing between a series of pairs of cylinders moving successively at a greater peripheral speed. The resulting strip denier is the product of the initial denier and the peripheral speed of the first pair of rolls divided by the peripheral speed of the last pair of rolls.
When the filaments forming the web and the filters are obtained by extrusion at a high speed and under a high pressure, they have notably different characteristics from those of filaments normally produced in the manufacture of a textile yarn. On a highly magnified scale, the filaments show rough, ribbon-like surfaces with helical ridges. Other filaments have longitudinal folds and substantially parallel peripheral striations; the height of these folds differs and their width varies from 1/10 to 1 / s of the width of the fibers. Their surfaces are slightly hollow. Some are divided into two divergent folds.
The folds can be perfectly separated or almost touching; in some areas they are very irregular and appear wrinkled. If you examine any fiber over a small portion of its length, you can see all of these features or just a few.
The following example is given by way of illustration of the application of the apparatus of FIG. 1 <I> Example 1 </I> A solution of 26.8% by weight of cellulose acetate (acelyte number 55 0/0) in acetone is extruded through a die having 30 holes circular, each having a diameter of 0.034 mm at a linear speed of about 1850 meters per minute (i.e. at a total volume of 50 ml of solution per minute).
The die pressure, i.e. the extrusion pressure, is 42 kg / cc at the gauge, while the pump pressure is 105 kg / cm2 at the gauge. The temperature of the solution is 88 (l C. The air is evacuated at a pressure of 75 () C, after having admitted it into the envelope at a temperature of 800 C. The support 12 is placed at 20 ° C. cm below the die and advance at a speed of 1.75 meters per minute The lower ends of the baffles 22, 23 are spaced 112 mm apart.
Hoses 20 and 21 terminate in the form of winged nozzles which direct jets of air in the form of sheets at a gauge pressure of 1.4 kg / cm- 'and at 25o C, at angles of 45 approximately relative to the vertical, the pipes being so arranged that the air jets strike the filaments and provide a tur bulente zone approximately 15 cm below the face of the die. The strip thus obtained has a thickness of approximately 1 cm and has a denier of 57,000.
As it is formed, it is advanced through a filter making apparatus and converted into paper wrapped filter tips having a length of 15mm, a circumference of 25mm and a denier of 57,000. about. The cellulose acetate contained in each end weighs 102 mg. This is tested on conventional filter testing equipment to determine the amount of suction required to draw a predetermined volume of air through the filter under specified conditions and to determine the percent of solids removed from the filter. smoke produced by smoking cigarette tobacco.
To facilitate comparison, the results are given below together with those obtained using the tips of two of the most effective filter-tip cigarettes commercially available, and using a conventional wick.
EMI0005.0026
Method <SEP> Witness:
<SEP> Witness
<tb> described
<tb> <SEP> pressure drop <SEP>, <SEP> mm <SEP> of water <SEP> 57 <SEP> 50 <SEP> 70
<tb> Length <SEP> of the <SEP> end, <SEP> mm <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 10
<tb> <SEP> efficiency of <SEP> filtering <SEP> 0/0 <SEP> 27 <SEP> 22 <SEP> 18
<tb> Weight <SEP> of the <SEP> end, <SEP> mg <SEP> 102 <SEP> 180 <SEP> 120 It appears from the table that the new ends have a pressure drop located between that of the controls, which indicates a lack of parallelism in the filter, so that the formation of channels does not occur.
The filtering efficiency of the new filter is approximately 20% higher than that of the best of the controls and 50% higher than that of the other control;
its weight is less than 85% of the shortest end (less efficient) and less than 60% of that of the most efficient end.
The denier of the individual filaments varies on average between about 2.6 and 3.2. Their effective section is extremely irregular due to their holes and corrugations and the effective section of a. The filament given varies considerably at different longitudinal locations along the fila ment. Generally, the average maximum width of each of these filaments is about 30 microns, although the average minimum width is about 10 microns.
The following example is given by way of illustration of the use of the apparatus shown in FIG. 2 <I> Example 2 </I> The cellulose acetate solution used in Example 1 is extruded through three dies 45 having flat perforated faces mounted at an angle of 45o with respect to a perforated screen or belt horizontal endless 46, driven at a constant speed of 60 m per minute by cylinders 47 and 48 in the direction indicated by the arrow.
Cylinder 48 and its associated screen portion 46 are disposed outside of a casing 49 which contains dies 45, the remainder of screen 46, and additional equipment described below; on the sin, the side close to the envelope 49 has been omitted for ease of understanding.
Each die 45 has 300 orifices having a diameter of 0.028 mm and continuously discharges 520 grams per minute of the solution at 1250 C; the extrusion pressure is about 49 kg / cm2 at the gauge at the die and the sudden drop in pressure and the high speed, as the solution leaves the die, causes the solvent to vaporize and this seems to be responsible for the characteristics of the surface of the filaments described above. The individual filaments have an average of about 2 to 3 denier.
An elongated air nozzle 50 runs the full width of the screen 46 and continuously exhausts air at about 80 ° C and under a gauge pressure of 0.05 kg / cm2 at an angle of 45 to through the sieve and at an angle of <B> 900 </B> to the filaments with air impinging upon the filaments a short distance above the sieve. The filaments 51 are thus partially dried and whipped to form windings and entanglements and are welded to each other at randomly arranged locations.
The filaments fall onto the screen 46 in the form of a strip 52 having a width of about 550 mm and a height of about 1 mm. As the strip 52 moves to the right, it passes successively opposite baffles 53 and 54, then leaves the envelope 49 through an opening made in the end wall of the envelope 49. The strip then passes through a guide 55, then onto the horizontal member of an H-shaped bar 56, the vertical members of which are spaced approximately 6.25 mm apart to condense the strip in the form of a cord or wick having a denier of 75 Around 000.
The cord is pulled by a pair of feed rollers 57 to be collected or shaped directly into ends of very cigarette thread. Pipes 58, 59 extend along the length of the casing 49 at the upper part and at the lower part respectively. Hot air is admitted at <B> <I> 1500 </I> </B> C in line 58 and escapes through openings 60 to come into contact with band 52 and to pass through openings 61 made in the pipe 59.
Live steam at a gauge pressure of 2.1 kg / cm 3 is directed through nozzles 62 to the strip 52 to decrease the vapor pressure of the acetone and thereby promote drying.