Elément filtrant destiné à filtrer la fumée de tabac et procédé pour sa fabrication
La présente invention concerne des éléments filtrants de la fumée de tabac, plus particulièrement destinés aux cigarettes.
Ces éléments filtrants ont été fréquemment étudiés ces dernières années. En général, la plupart des filtres connus comprennent des tampons ou des masses de courts filaments ou de granules de diverses matières assurant la filtration. Beaucoup de filtres connus sont faits en papier ou en matériaux sembla bles. Cependant, ces filtres n'ont pas donné entière satisfaction. Certains d'entre eux ne sont pas suffisamment efficaces et d'autres, en particulier les filtres du type à tampon ou masse, sont critiquables par la forte chute de pression qu'ils entraînent.
En plus de la capacité de filtration de certains composants de la fumée, un certain nombre d'autres propriétés doivent être prises en considération. Par exemple, un filtre de cigarette doit se présenter d'une manière acceptable pour le fumeur. C'est-à-dire qu'il doit être ferme, non seulement initialement, mais ne pas se détremper ni se détacher de la cigarette à l'usage. Il ne doit pas entramer une chute de pression telle que l'effort pour aspirer la fumée à travers le filtre soit préjudiciable au fumeur. Il doit être d'une fabrication économique et capable d'être formé sur des machines automatiques et se prêter par lui-même à la production en masse et à grande vitesse exigée dans les fabriques de cigarettes.
L'élément filtrant faisant l'objet de l'invention, pour filtrer la fumée de tabac, est caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau de filaments continus fortement crêpés de polyoléfine, présentant entre 0, 5 et 30 deniers par filament et un crêpage allant jusqu'à 16 ondulations/cm.
Le faisceau de filaments peut être enveloppé dans un papier lourd d'une épaisseur de 0, 08 à 0, 15 mm.
Des filtres de cigarette présentant ces caractères sont relativement fermes et ne se détrempent ni ne s'amollissent à l'usage par suite de l'humidité de la bouche du fumeur ou de la fumée. En outre, par
suite des propriétés hydrophobes des filaments, ces filtres ne sèchent pas la fumée et n'éliminent pas certaines vapeurs hydrophiles qui contribuent à former l'arôme de la fumée de tabac.
La matière polyoléfine utilisée de préférence a un poids moléculaire supérieur à 10 000 et inférieur à 1 000 000, ce poids moléculaire étant de préfé- rence compris entre 30 000 et 200 000. Le point d'amollissement du polymère polyoléfine utilisé de préférence est compris entre 85 et 160 C. On préfère utiliser, parmi les diverses polyoléfines préparées industriellement, le polyéthylène et le polypropylène.
L'élément structurel répété pour le polyéthylène peut être représenté par :
EMI1.1
et celui du polypropylène par
EMI1.2
On peut utiliser soit un polyéthylene de faible densité, c'est-à-dire ayant un point d'amollissement de 90 à 100o C, soit un polyéthylène de forte densité, dont le point d'amollissement est compris entre 110 et 150 C.
Le procédé de fabrication de la matière polyolé- fine est connu. C'est dire que la matière polyoléfine désirée peut être fournie par un fabricant de tels produits en lui donnant les caractéristiques rappelées plus haut pour le poids moléculaire et d'autres propiétés. Il faut noter, cependant, que la matière polyoléfine utilisée est une matière résistante à l'absorp- tion de l'humidité.
La matière polyoléfine utilisée est filée en un faisceau de filaments parallèles qui sont ensuite crêpés sur un dispositif de crêpage d'une filasse textile, donnant de préférence un crêpage uniforme. Le nombre de filaments compris dans le faisceau ou une filasse pour faire une tige de filtration satisfaisante pour le découpage subséquent en éléments filtrants dépend du diamètre des filaments individuels dans la filasse et du crêpage donné à celle-ci. Ce nombre peut être de 2000 au moins. En général, avec un crêpage compris entre 4, 7 et 11, 5 ondulations/cm, on peut utiliser 3500 à 120 000 filaments quand ces derniers présentent de 16 à 0, 5 denier par filaments.
La table I montre comment le nombre de filaments peut varier quand le diamètre des filaments décroît dans des filasses qui ont été crêpées à raison de 4, 7 à 11, 5 ondulations/cm.
Table I
Nombre de filaments dans la tige
Dimension des fibres (circonférence 25, 5 mm)
0, 5 D/F 50 000-120 000
1 D/F 35 000-70 000
3 D/F 16 000-30 000
4 D/F 15 000-25 000
8 D/F 6 000-15 000
16 D/F 3 500-7 500
Le procédé de filage des polyoléfines en filaments peut être quelconque. On peut utiliser tout procédé connu dans l'industrie textile pour préparer les filaments, pourvu que ces derniers présentent le denier voulu.
Comme indiqué plus haut, selon une forme d'exé- cution préférée de l'élément filtrant, on donne un crêpage relativement élevé à la filasse de filaments paallèles. La plupart des dispositifs industriels de crêpage pour les filasses textiles sont du type à boîte à étoupe, bien qu'on puisse utiliser le type à engrenages. On préfère un dispositif à boîte à étoupe qui permet facilement d'obtenir un domaine de crêpage allant de 2, 3 ondulations/cm, par exemple, jusqu'à 16 ondulations/cm, ces ondulations ayant une amplitude comprise entre 2, 5 et 0, 25 mm.
Par ondulations/cm, on entend le nombre d'on- dulations mesuré après le crêpage des filaments, sur la distance d'un centimètre. Par amplitude, on entend la hauteur de chaque ondulation.
Il ressort de ce qui précède que la longueur réelle d'un segment de filasse, qui est exprimée en termes d'ondulations/cm et dépend du nombre d'ondulations et de leur amplitude, peut être de 4, 4 à 5, 1 cm sous forme non crêpée pour un segment de 2, 54 cm sous forme crêpée. On donne ainsi une capacité de remplissage considérable à la filasse quand on lui confère un fort crêpage, et les filaments assurent une certaine fermeté au filtre résultant, par suite de ce crêpage lui-même. Cette fermeté est satisfaisante pour la moyenne des fumeurs qui n'aiment pas avoir dans la bouche un bout filtrant mou.
Les filaments crêpés de polyoléfine obtenus comme décrit ci-dessus et sous forme de filaments continus sont faciles à introduire dans une machine automatique connue de fabrication des filtres. Dans une telle machine, un faisceau de filaments crêpés est formé pour donner une tige filtrante qui est coupée en segments, ces segments étant introduits dans une machine à cigarettes pour appliquer les filtres aux cigarettes.
Lors de la coupe des tiges filtrantes en segments, dans certaines machines, les tiges peuvent avoir tendance à se tordre, par suite de la mollesse relative et de la nature cireuse des filaments, ce qui entraîne une coupe incomplète et l'obtention de filtres dans lesquels certains filaments sortent aux deux extrémi- tés. On préfère, par conséquent, envelopper la tige filtrante, avant la coupe, dans un papier qui est notablement plus épais que le papier à cigarettes conventionnel, afin d'obtenir une tige filtrante plus rigide. Un papier pour filtres de cigarettes habituel présente une épaisseur de 0, 02 à 0, 04 mm. On utilise de préférence un papier ayant une épaisseur comprise entre 0, 08 et 0, 15 mm.
On peut utiliser un type quelconque d'enveloppe de papier de cette épaisseur, et il est évident que cette dernière peut être obtenue par laminage d'un papier plus épais ou par application d'un revêtement à un papier à cigarettes ordinaire.
Bien que l'emploi d'un type plus raide ou plus lourd d'enveloppe réponde à la nécessité d'obtenir une tige filtrante rigide, on peut utiliser d'autres méthodes, avec ou sans papier lourd, pour donner au filtre la rigidité voulue. Par exemple, on peut faire passer le faisceau de filaments dans un bloc de formation métallique chauffé. Par le chauffage, les filaments thermoplastiques peuvent être non seulement fondus en surface mais également dans la masse du faisceau où les filaments fortement crêpés sont en contact les uns avec les autres. Par ce procédé, on peut fabriquer des éléments filtrants restant formés d'eux-mêmes sans nécessiter une enveloppe externe ou l'addition d'un plastifiant ou d'un revêtement aux filaments.
Il apparaît que la matière polyoléfine crêpée à filaments multiples peut être utilisée de différentes manières pour fabriquer les éléments filtrants, soit dans une installation connue dans laquelle l'élément filtrant est enfermé dans une enveloppe de papier ferme, soit d'une autre manière sans utiliser d'enve- loppe.
Les essais des filtres pour la fumée de tabac comprenant essentiellement des filaments continus crêpés de polyoléfine montrent que ces éléments éliminent une forte quantité de goudron et de nicotine, avec une chute de pression égale ou inférieure à celle que présentent les filtres actuellement connus.
Exemple I Elements filtrants de polyethylene
Un fil étiré de polyéthylène de 5, 0 deniers par filament est préparé par filage du polyéthylène fondu avec une filière comprenant 50 trous d'un diamètre de 0, 30 mm. Le fil étiré présente une résistance de 2, 9 g par denier, un allongement de 30 % et un point d'amollissement d'environ 115 C. Il est plié en une filasse (16 000 filaments) et une partie de cette filasse est crêpée sur un dispositif de crêpage de textile à raison de 10 ondulations/cm, toutes dans une direction perpendiculaire à la longueur des filaments.
On fait alors bouffer la filasse sur une largeur de 30, 5 cm et on l'introduit dans une machine à former les tiges filtrantes qui produit de telles tiges enveloppées dans du papier à cigarettes. Les tiges ont une longueur de 90 mm et une circonférence de 25, 5 mm. Après chauffage pendant 10 secondes à 120"C, les tiges montrent une fermeté satisfaisante et présentent une chute de pression moyenne (résistance à l'aspiration) de 23, 6cm dans un courant d'air d'un débit de 17, 5 rnl/sec. Deux des tiges sont coupées à une longueur de 15 mm et ces bouts filtrants sont fixés à des cigarettes de format king 10 (marque A) qui ont été raccourcies de 15 mm.
Ces cigarettes munies du filtre sont fumées jusqu'à obtention d'un bout de 35 mm de longueur, sur une machine à fumer automatique d'un type connu, comme décrit par J. A. Harlan et H. R. Hanmer, Ind. and
Eng. Chem. 28, 8360839 (1936). La fumée qui passe à travers le filtre est recueillie et analysée quant à sa teneur en goudron et en nicotine. Les résultats de cet essai et la chute de pression des cigarettes munies de filtres sont donnés dans la table II.
Exemple II
Elgments filtrants de polypropylène
Un fil étiré de polypropylène de 4, 8 deniers par filament est préparé par filage de polypropylène fondu en utilisant une filière de 50 trous d'un diamètre de 0, 30 mm. Le fil étiré présente une résistance de 4, 7 g par denier, un allongement de 35 % et un point d'amollissement d'environ 126 C. Il est plié en une filasse (16700 filaments) et reçoit un crêpage à raison de 11 ondulations/cm. On fait bouf- fer la filasse crêpée sur une largeur de 30, 5 cm et on l'introduit dans une machine à former les tiges filtrantes qui la forme en un faisceau serré et l'en- veloppe dans du papier blanc d'une épaisseur de 0, 10 mm.
Les tiges filtrantes résultantes sont très fermes par suite de la lourde enveloppe de papier et ne demandent aucun traitement thermique. Ces tiges ont une longueur de 90 mm et une circonférence de 25, 7 mm. Leur chute de pression moyenne est de 23, 1 cm. Deux de ces tiges sont coupées en segments de 15 mm de longueur et ces bouts filtrants sont fixés à des cigarettes de format king 10 (marque A), raccourcies de 15 mm. Ces cigarettes munies de filtres sont fumées jusqu'à l'obtention d'un bout de 35 mm, sur une machine à fumer automatique, et la fumée recueillie est analysée quant à sa teneur en nicotine et en goudron. Le résultat de cet essai est donné dans la table II.
Exemple III Elements filtrants de polyethylene
Une partie de la filasse de polyéthylène (33 000 filaments) de l'exemple I est crêpée à raison de 4, 7 ondulations/cm. La filasse crêpée est transformée en bouchons, durcie et essayée sous forme de bouts filtrants de 15 mm, comme décrit dans l'exem- ple I. La chute de pression et les quantités de nicotine et de goudron obtenues sont indiquées dans la tête II. (En tête page 4.)
Ces résultats montrent que le filtre décrit est efficace. Il est nouveau et économique. Les filaments de polyoléfine étant résistants par eux-mêmes, les filasses composées de ces filaments peuvent résister à une tension considérable pendant la fabrication des filtres, ce qui permet d'obtenir ces derniers à grande vitesse.
Filter element for filtering tobacco smoke and method for its manufacture
The present invention relates to filter elements for tobacco smoke, more particularly for cigarettes.
These filter elements have been studied frequently in recent years. In general, most of the known filters comprise pads or masses of short filaments or granules of various filtration materials. Many known filters are made of paper or similar materials. However, these filters have not been entirely satisfactory. Some of them are not sufficiently effective and others, in particular filters of the buffer or mass type, are open to criticism due to the high pressure drop they cause.
In addition to the filtration capacity of certain components of smoke, a number of other properties must be taken into consideration. For example, a cigarette filter must present itself in a manner acceptable to the smoker. That is, it should be firm, not only initially, but not soggy or come off the cigarette with use. It must not cause a pressure drop such that the effort to suck the smoke through the filter is detrimental to the smoker. It must be economical to manufacture and capable of being formed on automatic machines and lend itself to the mass and high speed production demanded in cigarette factories.
The filter element forming the subject of the invention, for filtering tobacco smoke, is characterized in that it comprises a bundle of continuous filaments strongly crimped of polyolefin, having between 0, 5 and 30 denier per filament and a creping up to 16 waves / cm.
The filament bundle can be wrapped in heavy paper with a thickness of 0.08-0.15mm.
Cigarette filters exhibiting these characteristics are relatively firm and do not become soggy or soggy with use as a result of moisture from the smoker's mouth or smoke. In addition, by
Due to the hydrophobic properties of the filaments, these filters do not dry out the smoke and do not eliminate certain hydrophilic vapors which contribute to forming the aroma of tobacco smoke.
The polyolefin material preferably used has a molecular weight greater than 10,000 and less than 1,000,000, which molecular weight is preferably between 30,000 and 200,000. The softening point of the polyolefin polymer preferably used is within the range of 30,000 to 200,000. between 85 and 160 C. It is preferred to use, among the various polyolefins prepared industrially, polyethylene and polypropylene.
The repeated structural element for polyethylene can be represented by:
EMI1.1
and that of polypropylene by
EMI1.2
It is possible to use either a low density polyethylene, that is to say having a softening point of 90 to 100o C, or a high density polyethylene, whose softening point is between 110 and 150 C.
The method of making the polyolefin material is known. That is, the desired polyolefin material can be supplied by a manufacturer of such products by giving it the characteristics recalled above for molecular weight and other properties. It should be noted, however, that the polyolefin material used is a material resistant to moisture absorption.
The polyolefin material used is spun into a bundle of parallel filaments which are then creped on a textile tow creping device, preferably giving uniform creping. The number of filaments included in the bundle or tow to make a satisfactory filter rod for subsequent cutting into filter elements depends on the diameter of the individual filaments in the tow and the creping given to it. This number can be at least 2000. In general, with a creping of between 4.7 and 11.5 corrugations / cm, one can use 3500 to 120,000 filaments when the latter have 16 to 0.5 denier per filament.
Table I shows how the number of filaments can vary as the diameter of the filaments decreases in yarns which have been crimped at 4.7 to 11.5 crimps / cm.
Table I
Number of filaments in the stem
Fiber dimension (circumference 25.5mm)
0.5 D / F 50,000-120,000
1 D / F 35,000-70,000
3 D / F 16,000-30,000
4 D / F 15,000-25,000
8 D / F 6,000-15,000
16 D / F 3,500-7,500
The process for spinning the polyolefins into filaments can be any. Any method known in the textile industry can be used to prepare the filaments, provided that the latter have the desired denier.
As indicated above, in a preferred embodiment of the filter element, a relatively high creping is imparted to the tow of parallel filaments. Most industrial creping devices for textile tows are of the stuffing box type, although the gear type can be used. Preferred is a stuffing box device which easily achieves a creping range from 2.3 corrugations / cm, for example up to 16 corrugations / cm, these corrugations having an amplitude between 2.5 and 0. , 25 mm.
By corrugations / cm, is meant the number of undulations measured after the creping of the filaments, over the distance of one centimeter. By amplitude is meant the height of each undulation.
It follows from the above that the actual length of a yarn segment, which is expressed in terms of ripples / cm and depends on the number of ripples and their amplitude, can be from 4.4 to 5.1 cm in non-crimped form for a segment of 2.54 cm in crimped form. A considerable filling capacity is thus given to the tow when it is given a strong creping, and the filaments provide a certain firmness to the resulting filter, as a result of this creping itself. This firmness is satisfactory for the average smoker who does not like to have a soft filter tip in their mouth.
The creped polyolefin filaments obtained as described above and in the form of continuous filaments are easy to introduce into a known automatic machine for manufacturing filters. In such a machine, a bundle of crimped filaments is formed to give a filter rod which is cut into segments, these segments being fed into a cigarette machine to apply the filters to the cigarettes.
When cutting filter rods into segments, in some machines the rods may have a tendency to twist, due to the relative softness and waxy nature of the filaments, resulting in incomplete cutting and obtaining filters in which some filaments come out at both ends. It is preferred, therefore, to wrap the filter rod, before cutting, in a paper which is significantly thicker than conventional cigarette paper, in order to obtain a more rigid filter rod. A typical cigarette filter paper has a thickness of 0.02 to 0.04 mm. A paper having a thickness between 0.08 and 0.15 mm is preferably used.
Any type of paper wrap of this thickness can be used, and it is obvious that the latter can be obtained by laminating thicker paper or by coating a regular cigarette paper.
While the use of a stiffer or heavier type of casing meets the need for a stiff filter rod, other methods, with or without heavy paper, can be used to give the filter the desired stiffness. . For example, the bundle of filaments can be passed through a heated metal forming block. By heating, the thermoplastic filaments can be melted not only on the surface but also into the bulk of the bundle where the heavily crimped filaments are in contact with each other. By this process, filter elements remaining formed by themselves can be made without requiring an outer shell or the addition of a plasticizer or coating to the filaments.
It appears that the creped multi-filament polyolefin material can be used in various ways to manufacture the filter elements, either in a known installation in which the filter element is enclosed in a firm paper envelope, or in another way without using. envelope.
Tests of filters for tobacco smoke comprising essentially continuous creped polyolefin filaments show that these elements eliminate a large amount of tar and nicotine, with a pressure drop equal to or less than that exhibited by currently known filters.
Example I Polyethylene Filter Elements
A drawn polyethylene yarn of 5.0 denier per filament is prepared by spinning the molten polyethylene with a spinneret comprising 50 holes with a diameter of 0.30 mm. The drawn yarn has a strength of 2.9 g per denier, an elongation of 30% and a softening point of about 115 C. It is folded into a tow (16,000 filaments) and part of this tow is crimped. on a textile creping device at a rate of 10 corrugations / cm, all in a direction perpendicular to the length of the filaments.
The tow is then puffed to a width of 30.5 cm and introduced into a filter rod forming machine which produces such rods wrapped in cigarette paper. The rods have a length of 90 mm and a circumference of 25.5 mm. After heating for 10 seconds at 120 "C, the rods show satisfactory firmness and exhibit an average pressure drop (suction resistance) of 23.6cm in an air stream with a flow rate of 17.5 ml / Two of the stems are cut to a length of 15mm and these filter tips are attached to king size 10 cigarettes (brand A) which have been shortened by 15mm.
These cigarettes fitted with the filter are smoked until a 35 mm length is obtained, on an automatic smoking machine of a known type, as described by J. A. Harlan and H. R. Hanmer, Ind. and
Eng. Chem. 28, 8360839 (1936). The smoke that passes through the filter is collected and analyzed for its tar and nicotine content. The results of this test and the pressure drop of cigarettes fitted with filters are given in Table II.
Example II
Polypropylene filter elements
A 4.8 denier per filament drawn polypropylene yarn is prepared by spinning molten polypropylene using a 50 hole die with a diameter of 0.30 mm. The drawn yarn has a strength of 4.7 g per denier, an elongation of 35% and a softening point of about 126 C. It is folded into a tow (16,700 filaments) and crimped at the rate of 11 waves / cm. The creped tow is baffled to a width of 30.5 cm and introduced into a filter rod forming machine which forms it into a tight bundle and wraps it in white paper of a thickness. of 0.10 mm.
The resulting filter rods are very firm due to the heavy paper wrap and require no heat treatment. These rods have a length of 90 mm and a circumference of 25.7 mm. Their average pressure drop is 23.1 cm. Two of these rods are cut into segments 15mm in length and these filter tips are attached to king 10 (brand A) size cigarettes, shortened by 15mm. These cigarettes equipped with filters are smoked until a 35 mm tip is obtained on an automatic smoking machine, and the smoke collected is analyzed for its nicotine and tar content. The result of this test is given in Table II.
Example III Polyethylene filter elements
A portion of the polyethylene tow (33,000 filaments) of Example I is creped at a rate of 4.7 corrugations / cm. The creped tow is plugged, cured and tested as 15 mm filter tips as described in Example I. The pressure drop and the amounts of nicotine and tar obtained are shown in Head II. (Heading page 4.)
These results show that the filter described is effective. It is new and economical. Since the polyolefin filaments are strong by themselves, the yarns composed of these filaments can withstand considerable tension during the manufacture of the filters, allowing the filters to be produced at high speed.