Filtre pour la fumée de tabac
La présente invention a pour objet un filtre pour la fumée de tabac.
La techniqueuniversellementacceptéemaintenant pour préparer un filtre de cigarette à partir de filaments cellulosiques continus, Idésignés par l'expression filasse filkarX , comprend l'addition de 5 à 15 O/o en poids de triacétatedeglycéroloutdacétineàla.filasseouverte ou étalée, à uncertainstade pendant son passage à travers une machine à fabriquer les tiges filtrantes. La filasse traitée est alors rendue compacte et mise sous forme d'une tige enveloppée de papier qui présente pra tiquement le mme diamètre qu'une cigarette.
Le triacétate de glycérol disposé sur la filmasse fonctionne com- me un agent plastifiant lent pour les filaments, dissolvant lentementunepartie des filaments avec lesquels il vient t en contact. Il produit ainsi une fusion des filaments en des points de co. ntact repartis au hasard dans toute la tige filtrante, donnant a. celle-ci la. structure rigide né- cessaire pour la découpe subséquente en segments propres à l'usage comme éléments de filtre pour la fumée de tabac.
Il est évidentquela.quantitédeplastifiant ajoutée à la filasse doit tre maintenuedanscertaines limites, car une quantité trop faible ne donne pas une rigidité suNisanteàla. tige filtrante finie et une quantité trop grande amène la fusion de trop de filaments et conduit à la. formation d'un filtre non poreux. C'est pourquoi la plupart des filtresducommerce en filasse d'acétate de cellulose contiennent de 5 à 12 ouzo de triacétate de glycérol, ce domaine de concentration étant le plus favorable pour donner la rigidité correcte à la tige filtrante sans altérer sa perméabilité.
L'action par laquelle les fiQlaments de la filasse filtrante d'acétate de cellulosesontfondus ensemble par le plastifiant triacéta.tedeglycérolesttrèsimportante car elle se produitsansapplication de chaleur. Comme il est connu, cette fusion graduelle des filaments traités par le plastifiant se produit à la température ambiante, supprimant la nécessite de chauffer le plastifiant ou la filasse pendantï'addition du plastifiant, ou de chauffer la tige filtrante résultante.
D'autres types de plastifiants conventionnelsesterscellulosiques ne possèdent pas cet avantage ou leur action est si lente qu'un apport de chaleur est nécessaire en certains stades de la fabrication des filtres pour accélérer la réaction de liaison.
Unautre avantage important du triacétate de glycé- rol comme agent de liaison ou de durcissementpour les tiges filtrantes de fiLasse d'acétate de cellulose est sa nature non collante. Le triacétate de glycérol est t une substancehuileusequi fait fondre graduellement les filaments des tiges filtrantes à la température ambiante après que les tiges ont été fabriquées. R existe donc un contrastemarquéaveclesagentsde liaison du type soidisant adhésif qui rendent la filasse collante dès qu'ils sont appliqués.
L'emploi de tels agents de liaison adhésifs dans la fabrication de filtres pour la fumée de tabac est très critiquable car ces agents font que la tige adhère aux rouleaux de guidage et à d'autres parties de l'installation de fabrication des filtres à travers lesquels elle doit passer après l'application de l'agent de liaison. De plus, l'emploi d'adhésifs implique ordinai- rement la nécessité d'éliminer entièrement. l'eau ou un solvant organique, ce qui complique l'équipement né cessaire et augmente le prix de revient du produit final.
Bien que le triacétatedeglycérol soit le plastifiant le plus actif qui ait été utilisé dans l'industrie des filtres de la fumée de tabac pour lier les filaments des tiges filtrantes de Ëlassed'acétate de cellulose, et qu'il soit très supérieur aux adhésifs, colles et autres résines à base ds solvant utilisés comme nagent de liaison, il laisse encore beaucoup à désirer. Par exemple, les tiges fraîchement préparées contenant du triacétate de glycérol doivent tre emmagasinéespendant environ deux heures à la température ambiante avant d'avoirunerigiditésuf- fisante pour tre coupées en segments plus petits pou vant tre fixés à des cigarettes.
Cette périodede traitement lent produit souvent une ovalisation o des tiges placées dans les rayons d'emmagasinage de ces tiges à l'extrémité de sortie de la machine à fabriquer les filtres.
Cela est dû au fait que, pour des raisons pratiques, les rayons doivent tre placés verticalement afin que les tiges filtrantes puissent tre empilées en couches, chacune sur la partie supérieure d'une autre. Mais la pression produite par le poids des tiges dans un rayonnage complet peut entraîner une distorsion de certaines des tiges de la section inférieure avant qu'une rigidité suffisante se soit développée pour résister à cette distorsion.
Un autre inconvénient de la triacétine est qu'elle diffuse dans les fibres très rapidement après que la tige filtrante a été préparée. Ce phénomène constitue une perte dans les capacités de liaison puisque la triacétine qui a diffusé dans une fibre ne se trouve plus à la surface de celle-ci et ne peut entraîner sa fusion avec les fibres adjacentes et créer ainsi une structure plus ri- gide.
Un plastifiant capable d'assurer la liaison à la température ambiante et qui resterait plus longtemps à la surface des fibres serait plus efficace comme agent de liaison que la triacétine. De plus, un plastifiant tel que la triacétine qui diffuse dans les fibres n'est plus efficace pour l'élimination sélective de certains constituants indésirables de la fumée de tabac.
Par exemple, on a montré (D. Hoffmann et E. L.
Wynder, J. Nat. Cancer Institute, p. 67-84, janvier 1963) qu'un filtre d'acétate de cellulose contenant de 6 à
12 /o de triacétine élimine plus de phénol de la fumée d'une cigarette qu'un filtre similaire sans triacétine.
Toutefois, il est indiqué dans cet article que lorsque le filtre a vieilli de plusieurs semaines, la triacétine est absorbée dans les fibres et que finalement les filtres âgés mais encore rigides ne se montrent guère supérieurs dans l'élimination du phénol à un filtre decontrôle non plastifié.
Un troisième désavantage du triacétate de glycérot est son goût amer, nettement plus marqué que celui d'autres agents de liaison plastifiants recommandés pour les filtres de filasse d'acétate de cellulose. Il est évi- dent qu'il est toujours possible que ce goût soit détecté par le fumeur.
Un quatrième désavantage du triacétate de glycérol est son point d'ébullition relativement bas (258o C à 760 mm). Bien qu'il soit pratiquement non volatil à la température ambiante, une quantité notable de triacétate de glycérol peut tre éliminée du filtre pendant que la a cigarette est fumée. Cela provient de ce que, pendant les dernières bouffées tirées de la cigarette, la température de la fumée entrant dans le filtre peut t attein- dre 95o C bien que la température de sortie de la fu- mée soit seulement de 450 C au maximum. Il peut en résulter qu'une quantité suffisante de triacétine soit entraînée dans la fumée pendant les dernières bouffées et impartisse un goût amer à cette fumée.
Par conséquent, il serait avantageux d'utiliser un plastifiant de liaison à température ambiante qui présente un point d'ébulli- tion très supérieur à celui de la triacétine. Toutefois, comme mentionné plus haut,, alors mme qu'il existe beaucoup de plastifiants organiques à pointde fusion très supérieur a celui de la triacetine, ce sont soit des plastifiants non liants qui ne produisent pas un filtre rigide d'acétate de cellulose, soit des plastifiants qui né- cessitent de la chaleur pour fonctionner comme agents de liaison.
Un autre inconvénient encore du triacétate de glycérol est son inefficacité à lier les fibres d'une filasse d'acétate de cellulose quand la teneur en acétyle des fibres est t supérieure à 41 /o. Par exemple, bien qu'il soit satisfaisant pour des filasses filtrantes d'acétate de cellulose de pureté commerciale qui sont préparées avec des filaments filés à par. tir d'acétone et présentant une teneur en acétyle de 39 à 40 /o, le triacétate de glycérol est un mauvaisagentdeliaisonpourles filasses de filaments de cellulose qui sont insolubles dans l'acétone mais solubles dans le chlorure de méthylène et présentent une teneur en acétyle. comprise entre 41 et 44,8 /o.
Le filtre faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste en un milieu filtrant fibreux plas tifiable, lié en des points répartis au hasard par un ester diacétique, dipropionique ou dibutyrique d'un polyéthy- lène-glycol.
Parmi ces esters diacétiques, dipropioniques et dibutyriques qui peuvent tre utilisés avantageusement, on compte les esters du triéthylène-giycol,dutétraéthylène- glycol et du pentaéthylène-glycol.
Le milieu filtrant fibreux peut contenir avantageuse, ment de 4 à ZO O/o, et de préférence de 5 à 12 ouzo en poids d'ester polyéthylène-glycol.
Les milieux filtrants fibreux préférés sont ceux composés d'acétate de cellulose.
Les esters du polyéthylène-glycol, et plus spécialement ceux dérivés de polyéthylène-glycols ayant un poids moléculaire allant jusqu'à 2000, servent d'agents de liaison non collants pour les filasses d'ester de celle- lose. Bien que tous les esters se soient montrés satisfaisants pour produire des filtres rigides à partir d'une e filasse ordinaire de fibres d'acétate d'une teneur en acétyle de 39 à 40"/o,lesdipropionates de polyéthylèneglycol se sont révélés plus efficaces que les esters diacétiques avec des filasses d'acétate de cellulose d'une teneur en acétyle approchant du domaine allant de 43 à 44, 8 /o.
Il y, a plus : la stabilité hydrolytique d'un ester di propionique est supér, ieure à celle d'un ester diacétique.
Un ester moins hydrolysable d'un polyéfhylène-glycol est préféré comme agent de liaison pour un filtre d'acétate de cellulose, puisqu'il existe toujours une possibilité de développement d'une odeur dans un filtre contenant un agent plus facilement hydrolysable. En outre, un agent de liaison qui libère un acide par exposition à l'humidité pourrait tre désavantageux dans un filtre d'acétate de cellulose contenant du charbon activé puisque l'acide tendrait à désactiver le charbon et à rendre ainsi ce dernier moins efficace pour éliminer les vapeurs contenues dans la fumée telles que l'lacétaldéhyde et les acroléines.
On a trouvé que les esters glycoliques envisagés ici sont en général supérieurs aux agents de liaison précé- demmentemployés.D'abord, ils soudent ensemble par fusion les fibres plastifiables à la température ambiante dans un temps moindre que ne le font les agents connus et, par suite de leur structure polymétrique, ils sont sensiblement moins volatils que, par exemple, la tri acétine, et par conséquent communiquent une moindre amertume ou mme ne communiquent aucune amertume à la fumée pendant les dernières bouffées.
En outre, ces esters, à l'encontre de la triacétine, sont plus efficaces dans leur capacité à éliminer le phé- nol puisqu'ils ne sont pas graduellement diffusés dans les fibres d'acétate de cellulose ni absorbés par ces fi bres dans la mme mesure, et de beaucoup. Contrairement au triacétate de glycérol, les esters d'un polyéthy lène-glycol sont aussi miscibles avec l'eau, ce qui permet de les diluerpourobtenu*desagents de liaison plus économiques.
Quand ils contiennent une quantité ap préciabled'eau, 10 à 30'"/o par exemple, leur capacité à s'étaler sur les surfaces des filaments de la filasse peut tre améliorée en incorporant de petites quantités d'un agent tensio-actif conventionnel de type ionique comme un sulfate ou un sulphona, te d'alcoyle, d'aryle ou d'alcoyiaryle.
La formule moléculaire générale des agents de Maison envisagés ici peut tre représentée, à titre d'exem- ple, en se référant aux esterspropioniquescomplètement estérifiés, d'un tri, tétra. et pentaéthylène-glycol de la manière suivante :
EMI3.1
avec n. = 1 a 3.
Les formules moléculaires spécifiquesdesdivers esters dipropioniques sont les suivantes :
1. Dipropionate de triéthylène-glycol
EMI3.2
2. Dipropionate de tétraéthylène-glycol
EMI3.3
3. Dipropionate de pentabthylène-glycol
EMI3.4
Les estersdiacétiques, dipropioniques et dibutyri quesl d'un tri, tétra et pentaéthylène-glycol peuvent tre préparés par toute méthode appropriée.
Par exemple, les esters dipfmpioniques sont avantageusement préparés en chauffant une mole de glycol entre 80 et 100 C, avec agitation, pendant que 2,2 moles d'anhydride proionique sont introduites lentement goutte à goutte dans le flacon de réaction qui est équipéd'uncondenseur.
Cetteréaction ne requiert aucun catalyseur. Une fois tout l'anhydrideajouté,on laisse la réaction se poursuivre pendantencoreuneheureà80-100"C.Fina- lement, on ajoute une mole d'eau au mdLange dans le condenseur pour convertir tout excès d'anhydride en acide propionique. Le produit résultant est alors purifié par distillationsouspressionréduite.
Ces nouveaux agents de Maison plastifiants peuvent tre appliqués à la filasse filtrante de toute façon appropriée au cours de latransformation de la filasse en tiges filtrantes. Par exemple, les agents de liaison plas tifiants peuvent tre pulvérisés sur la filasse gonflée (ouverte) juste avant le stade où cette filasse est à nouveau rendue com, et tirée à travers le poste d'enveitoppe- ment dans du papier d'une machine à fabriquer les tiges filtrantes.
Une autre manière d'ajouter ces agents de liaison à haut point d'ébullition à la filasse estd'utiliser un dispositif à mèche qui < x étale la quantité désirée de liquide sur la filasse goni lée len un cerbain point au cours de son déplacement à travers la machine.
Exemple 1
Une filasse contenant 12000 filaments d'acétate de cellulose de 5 deniers par filament et ondulée à raison de 4,8 ondulations/cm est étalée et chargée par pulvéri- sation d'un diacétate de polyéthylène-glycol d'un poids moléculaire de 484. La filasse contenant 9,8 O/o d'ester est alors mise sous forme de tiges filtrantes avec une machine standard.
Après 30 minutes, les tiges sont fermes et peuvent tre coupées en sections de 17 mm de longueur pour tre fixées à un lot de cigarettes. Celles-ci sont fumées sur une machine à fumer automatique et la fumée est recueillie et analysée en ce qui concerne sa teneur en phénol.
L'expérience est répétéeaprèsqueles tiges filtrantes ont été vieillies à la température ordinaire pendant quatre semaines. A dtre de comparaison, (a) une filasse non enduite de l'agentdeliaison, servant de contrôle, et (b) la mme filasse ayant reçu de 6,7 à 10 /0 de triacé- tate de glycérol sont aussi soumises au procédé cidessus.
Les résultats de ces expériences sont donnés dans le tableau A ci-dessous.
Exemple 2
On répète le procédé donné dans l'exemple 1, sauf qu'on. apique à la filasse seulement 6,2 ouzo de diacétate de polyéthylène-glycoLCommedansl'exemple1, les filtres sont fermes après un emmagasinage de 30 minutes à la température ambiante.
Exemple 3
On répète le procédé de l'exemple 1, mais cette fois avec 9,5"/o de dipropionate de pdyéthylène-glycol. Là également, les filtres sont fermes après 30 minutes.
La capacitédesfiltresdesexemples 1 à 3 à éliminer le phénol de la fumée d'une cigarette est illustrée par les résultats donnés dans le tableau A.
Tableau A
Quantité de phénol en mg trouvée
dans la fumée de 100 cigarettes
Agent de liaison âge : 1 jour âge : 4 semaines contrôle 7,0 7,1 diacetate de polyéthylène-glycol (9,81 /o) 4,4 4,6 diacétate de polyéthylène-glycoll (6,2 /o) 5,3 5,8 dipropionate de polyéthylène-glycol (9,5 o/o) 4,2 4,5 triacétate de glycémi(tnacétine)(10, 3 /0). 4,7 6,7 triacetate de glycérol (triacétine) (6,7'0/o) 5, 9 6,9
Le temps de vieillissementestcomptéa.partir de l'application de l'agent de liaison.
On peut remarquer qu'alors que les filtres contenant t le triacétate de glycérol sont très efficaces quand ils sont fraîchement préparés, ils sont beaucoup moins satisfaisants après quatre semaines de vieillissement.
Exesnple ?
Une filasse filtrante de 16000 filaments crpés d'acé- tate de cellulose (39,8"/ed'acétyle) est divisée en huit sections de 150 m. La première section est traitée et enveloppée d'un papier d'une épaisseur de 0,03 mm pour former des tiges filtrantes sans aucun agent de liaison plastifiant et constituant des tiges de contrôle.
Chacune des sept sections restantes est recouverte d'un des plastifiants suivants jusqu'à ce que 9 à 9,5 O/o en poids de l'agent de liaison ait été ajouté à la filasse : (1) triacétine, (2) diacétate de triéthylène-glycol, (3) diacétate de té raethylene-glycol, (4) d.
actat de pentaéthylene-glycol, (5) dipropionate de triéthylène-glycol, (6) dipropionate de tétraéthylène-gtycol, (7) dipropionatedepentaéthy- lène-glycol.Uns fois chacunedessections de 150 m couverteavecl'un.decesagentsdeliaison,elleestfor- mée en tiges filtrantes enveloppées de papier. Dans tous lescas,.tes tiges présentent une circonférence de 25,2 mm et sont obtenues avec une machine conven tionnelleàfabriquer les tiges filtrantes.
Le tableau B ci-dessous donne les plastifianks utilisés et les duretés observées de toutes les tiges filtrantes après emmagasinage à la température ambiante (24 C) pendant des pé- riodes variées.
Tableau B
Dureté de la tige observée après emmagasinage de
Agent de liaison 15 mn 30 mn 45 mn 60 mn 2 h contrôle, sans plastifiant 12 12 12 12 12 triacétine 12 9 9 6 3 diacétate de triéthylène-glycol 10 6 3- diacétats de tétraéthylene-glycol 10 6 3-diacétate de pentaéthylène-glycol 12 9 5 3 dipropionate de triéthylène-glyco] 9 3-- dipropionate de tétraéthylène-gtycol 6 3-- dipropionate de pentaéthylène-glycol 9 6 3 12 = tige molle, ne peut tre coupée en segments fil
trants
9 = tige semi-ferme
6 = tige ferme,
peut tre coupée en segments filtrants
mais avec difficulté ; certains des filaments sont
tirés des segments filtrants pendant la coupe
3 = tige rigide, peut tre coupée facilement en seg
ments, aucun problème d'effilage aux extrémités
des filtres.
On a observé que lorsque le papier mince (enveloppe de bout-filtre d'une épaisseur semblable à celle d'un papier à cigarette, soit 0,03 mm) est retirée des tiges 15 minutes après leur préparation, la tige de contrôle et les tiges traitées à la triacétine deviennent bouffantes. Cela indique qu'aucune liaison ne s'est produite. Par ailleurs, les tiges traitées au dipropionate d'un polyéthylène-gly- col après 15 minutes d'emmagasinage ne deviennent pas bouffantes quand le papier est retiré, ce qui indique que le plastifiant a commencé à fonctionner comme agent liaison.
On voit facilement d'après ces exemples que les esters dipropioniques d'un potlyéthylène-glycol agissent plus rapidementcomme agents de liaison que les esters diacéliquescorrespondants. On voit également que les esters diacétiques et dipropioniques des polyéthylènesglycols agissent plus rapidement, comme agents de liaison, que le triacétate de glycérolquiestleplastifiant conventionnelutilisé dans l'industrie des fibres en filasse d'acétate de cellulose.
Exemple 5
Une filasse de 16 000 filaments continus crpés d'acétate de ceIMose présentant une teneur en acétyle de 43,6 ID/o est divisée en sept sections de 150 m. Chaque section : est formée en tiges enveloppées de papier et traitée par le plastifiant (9-9, 5 /0), chaque tige présen- tant une culeooifsrence de 25,2 mm, au moyen d'une machine à fabriquée les tiges filtrantes.
Le tableau C montre les agents de liaison plasti- fiants utilises et les duretés observées pour les tiges après emmagasinage à dia tempénature ordinaire (240 C) pendant diverses périodes.
Tableau C
Dureté de la tige observée après emmagasinage de
Agent de liaison 30mn 1 h 3 h 6 h 24 h tnacétine 12 12 12 10 10 diacétatedetriéthylène-glycol 12 12 12 9 6 diacétatedetétraéthylène-glycol 12 12 12 9 6 diacétatedepentaéthylène-glycol 12 12 12 10 9 dipropionate de tnéthyJène-glycol.. 12 9 3- dipropionate de tétraéthylènle-glycol 12 10 3-- dipiopionate. de pentaéthylène-glycol 12 10 6 3-
L'explication des chiffres représentant la dureté des liges ast donnée dans l'exemple 4.
L'exemple 5 montre clairemzent que les dipropionates de polyéthylène-glycol constituent des agents de liaison pour les tiges Ëltranftes préparées à partir d'une Ëlasse de filaments crepes de Itriacótate dle cellulose layant une teneur en acétyle supérieure à 42"/o, tandis que les diacétates de polyéthylene-glycol et le tmacétate de glycérol montrent une action de liaison très lente avec ce type de matière.
Exemple 6
DeséchantillonspudSés de diacétates et de dipro- pionates de tri, tétra et pentaéthylene-glycol sont préparés. On forme ensuite des mélanges contenant 50 cm3 d'eau et 150 cm de chacun de ces agents de liaison plastifiants miscibles avec l'eau, et on les emmagasine dans des récipientsenverrescellésetplaces au bainmarie à 50"C pendant une semaine. A certains inter- valves, on ouvre les récipients et despartiesailiquotes sont pfélevées et analysées pour déterminerlaprésence d'acide libre.
Après 72 h, une faible odeur acide est observée dans toutes les solutions de diacetates, mais après 168 h aucune odeur acide n'est encore observée pour les échantillonsdedipropionates. Les résultats complets de ces essais sont donnés dans le tableau D.
Tableau D
/o d'acide libre trouvé
Echantillon Agent de liaison 24h 72h 168 h
1 diacétate de triéthylène-glycol 0 0,8 3,2
2 dipropionate de tnéthylene-gtycol 0 0 0,1
3 diacétate ta de tétraéthylène-glycol 0 0,6 3,0
4 dipropionate de tétraéthylènbglycol 0 0 0,1
5 diacétate de pentaéthylène-glycol 0 0, 8 2,8
6 dipropionate de pentaethylène-glycol 0 0 0,2
Cet exemple montrela.stabilitéhydrolytiquesupé- rieure des esters propioniques des tri,
tétra et penta éthylène-glycols par rapport aux esters acétiques correspondants de ces glycols.