Verfahren zur Herstellung von Filterstäben für Tabakwaren sowie hiernach hergestellter Filterstab
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Filterstäben für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten, und zwar auf solche Filterstäbe, die mindestens einen Anteil von zellulosehaltigen natürlichen und/ oder künstlichen Faserstoffen enthalten. Ferner betrifft die Erfindung einen nach diesem Verfahren hergestellten Filterstab.
Unter den bekannten Filtern für Tabakwaren und insbesondere Zigaretten bilden jene eine besondere Klasse, bei denen Kohle in geeigneter Form im Filter vorhanden ist. Bei Zigarettenfiltern handelt es sich dabei meist um sogenannte Doppel- oder Mehrfachfilter, da ein kohlehaltiges Filter nicht für das Saugende der Zigarette verwendet werden kann, dort also ein nicht kohlehaltiges Filterstück benützt werden muss.
Bei den bisher bekannten kohlehaltigen Filtern wird meist sogenannte Aktivkohle verwendet, die in hochreiner Form zur Absorption von Gasen geeignet ist. In einer Reihe von bekannten Filtern wird die Kohle als Pulver oder in feinkörniger Form auf einen Träger aufgebracht, beispielsweise auf eine zerfaserte Papierbahn oder einen Faserdocht und gelegentlich Klebemittel zur besseren Haftung der feinkörnigen Kohle auf dem Trägermaterial verwendet; derartige Kohlefilter werden meist als sogenannte Doppelfilter verwendet, bei denen der kohlehaltige Filterteil der Tabaksäule zugekehrt ist. Eine andere Bauart von Kohlefiltern verwendet grobkörniges Kohlegranulat, das meist in einer Kammer zwischen zwei nicht kohlehaltigen Filterstücken eingeschlossen ist, so dass ein Dreifachfilter entsteht.
Die Herstellung derartiger kohlehaltiger Filterstücke bereitet bedeutende Schwierigkeiten, weshalb eine ganze Reihe von Verfahren hierfür bereits vorgeschlagen wurde. Ein Nach teil besteht auch in der Notwendigkeit, dass derartige Kohlefilter in speziellen Maschinen erzeugt werden müssen, die meist nur eine geringe Produktionsgeschwindigkeit besitzen und wegen der bei ihnen auftretenden Verschmutzung in besonderen Räumen untergebracht werden müssen.
Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist bereits vorgeschlagen worden, zellulosehaltige Faserstoffe wie Watte, Gewebe und lockere Filze aus Polyacrylnitril, Baumwolle, regenerierter Zellulose usw. zu verwenden und diese zu verkoken.
Es sollen hierdurch Kohlefasern hergestellt und in Filtern verwendet werden. Die Verarbeitung derartiger Kohlefasern zu Zigarettenfiltern bereitet aber die gleichen Schwierigkeiten wie die Verarbeitung von Kohlepulver oder Kohlegranulat, so dass durch diesen Vorschlag die Herstellung von kohlehaltigen Filtern nicht erleichtert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt dagegen eine Lösung dieses Problems dar und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Filterstäben, die mindestens einen Anteil von zellulosehaltigen natürlichen und/oder künstlichen Faserstoffen enthalten, für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten, und ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Teil der Faserstoffe vor der Verarbeitung zu Filterstäben eine Schwefelsäurekomponente beigefügt und die umhüllten Filterstäbe dann erhitzt werden, bis die Schwefelsäurekomponente mit Wasserstoff- und Hydroxilgruppen in den Faserstoffen reagiert und Kohlenstoff unter weitgehender Beibehaltung der Faserstruktur ausgeschieden wird.
Der erfindungsgemässe Filterstab für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten, das nach dem genannten Verfahren hergestellt wird und eine Füllung besitzt, die mindestens teilweise aus Zellulosefasern natürlicher und/oder künstlicher Herkunft besteht, ist gekennzeichnet durch den aus den Fasern ausgeschiedenen Kohlenstoff.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der in der Zeichnung gezeigten Mikrophotographie näher beschrieben, die eine längsgerillte und zerfaserte Papierbahn in 50facher Vergrösserung zeigt.
Das Verfahren sei zunächst an Filterstäben erläutert, die als Füllung eine mit Längsrillen versehene und stark zerfaserte Papierbahn enthalten, wie sie beispielsweise in den schweizerischen Patenten 331545,331197,336683, 341 106, 454714 und 484743 der Anmelderin beschrieben sind. Die Verfahren und Einrichtungen sind auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt, weshalb es genügt zu erwähnen, dass hierbei eine faserhaltige, glatte Papierbahn, mit oder ohne vorherige Anfeuchtung, beim Durchgang durch Walzen mit ineinandergreifenden Ringrippen, mit in Längsrichtungverlaufenden Ril- len versehen und dabei in Querrichtung so stark gereckt wird, dass eine Vielzahl unzusammenhängender Längsrisse mit stark zerfaserten Rändern entsteht und sowohl die Oberseite wie auch die Unterseite der längsgerillten Papierbahn mit abstehenden Fasern bedeckt ist.
Diese zerfaserte Papierbahn wird, falls erforderlich, vom überschüssigen Befeuchtungsmittel durch Trocknung befreit und kann dann entweder unmittelbar einer sogenannten Strangmaschine zur Herstellung von Filterstäben zugeführt oder zuerst zu Bobinen aufgerollt werden, die dann an einer derartigen Strangmaschine wieder abgerollt werden zwecks Herstellung der Filterstäbe.
In diesen Strangmaschinen, die auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt sind und keiner weiteren Beschreibung bedürfen, wird die längsgerillte und zerfaserte Papierbahn in Querrichtung zusammengerafft zu einem angenähert zylindrischen Strang mit einem Durchmesser in der Grössenordnung von etwa 8 mm, der dann mit einem dünnen Papierband umhüllt und in Filterstäbe vorbestimmter Länge unterteilt wird. Für derartige, aus längsgerillten und zerfaserten Papierbahnen hergestellte Filterstäbe kann als Ausgangsmaterial entweder ungeleimtes oder einseitig geglättetes Papier mit einem Gewicht von etwa 20-50 g/m2verwendet werden, aber auch papierartig verfertigte Zellulosewatte und sogenannte Faserbahnen, die z.B. unter dem Handelsnahmen KLEENEX bekannt sind.
Nach dem vorliegenden Verfahren wird bei Verwendung von solchen papierartigen und zellulosehaltigen Faserbahnen als Füllung der Filterstäbe dieser Faserbahn vor der Verarbeitung zu Filterstäben eine Schwefelsäurekomponente beigefügt und aus der so präparierten Faserbahn umhüllte Filterstäbe in der oben kurz beschriebenen Weise erzeugt. Diese Filterstäbe werden dann sofort oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt auf eine solche Temperatur erhitzt, dass die Schwefelsäurekomponente mit Wasserstoff- und Hydroxylgruppen in den Zellulosefasern reagiert und Kohlenstoff unterweitgehender Beibehaltung der Faserstruktur ausgeschieden wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird verdünnte Schwefelsäure der Befeuchtungsflüssigkeit beigefügt, mit der die glatte Papierbahn vor dem Einlaufen in die Rillungswalzen befeuchtet wird.
Bei Verwendung von Wasser als Befeuchtungsmittel für eine glatte Rohpapierbahn mit dem oben angegebenen Gewicht genügt bereits die Beifügung von 0,2 bis 5 Gew. % konzentrierte Schwefelsäure zum Befeuchtungswasser, um die Papierbahn so zu präparieren, dass bei der nachfolgenden Wärmebehandlung der fertigen Filterstäbe die Ausscheidung von Kohlenstoff erfolgt. Auch bei der Verwendung von leichtflüchtigen Flüssigkeiten zur Befeuchtung der Papierbahn, also beispielsweise bei Alkohol oder Azeton, kann der Gehalt an Schwefelsäure im obengenannten Bereich liegen. Natürlich könnte auch mit viel höheren Konzentrationen in der Befeuchtungsflüssigkeit gearbeitet werden, jedoch treten danii meist unerwünschte Nebenwirkungen auf, wie eine merkliche Korrosion von Maschinenteilen usw.
Natürlich besteht auch die Möglichkeit, die gemäss dem vorliegenden Verfahren erforderliche Schwefelsäurekomponente der bereits längsgerillten und zerfaserten Papierbahn beizufügen, beispielsweise mit Wasser verdünnte Schwefelsäure auf die Papierbahn aufluspritzen oder die Papierbahn zu tauchen und anschliessend vom überschüssigen Wasser wieder zu befreien.
Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass die erforderliche Schwefelsäurekomponente bereits bei der Herstellung des zu venvendenden Papiers aus der Pulpe beigefügt werden kann, indem beispielsweise der Pulpe etwa 1 bis 2 Gew. % konzentrierte Schwefelsäure beigefügt werden.
Wird beispielsweise von einer längsgerillten und zerfaserten Papierbahn, die auf die oben beschriebene Weise hergestellt, aber noch nicht mit einer Schwefelsäurekomponente versehen wurde, ein Stück abgeschnitten und dasselbe zur Hälfte in eine Lösung von 2 Gew. % konzentrierter Schwefelsäure in Wasser eingetaucht und anschliessend durch Trocknung vom überschüssigen Wasser befreit, so lässt sich nach erfolgter Trocknung an dem Papier praktisch kein Unterschied zwischen dem getränkten und dem nicht getränkten Teil feststellen.
Wird aber dieses zur Hälfte mit einer Schwefelsäurekomponente versehene Papier bei einer Temperatur von beispielsweise 150 C während einer Dauer von 5 Minuten erhitzt, so zeigt der nicht getränkte Teil des Papiers keine Veränderungen, aber das mit einer Schwefelsäurekomponente versehene Stück hat eine tiefschwarze Färbung angenommen und zeigt kohleartiges Aussehen. Es wird angenommen, dass die Schwefelsäurekomponente bei der Erhitzung mit Wasserstoff- und Hydroxylgruppen in den Zellulosefasern reagiert, dabei Wasser bildet, das verdampft und Kohlenstoff ausgeschieden wird. Die Faserstruktur des Papiers wird aber weitgehend beibehalten.
Die beigefügte Zeichnung zeigt in starker Vergrösserung die Grenze zwischen dem getränkten und nichtgetränkten Teil eines solchen längsgerillten, zerfaserten Papierstücks und lässt deutlich erkennen, dass die Faserstruktur bei der Kohleausscheidung tatsächlich weitgehend beibehalten wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die gemäss dem beschriebenen Verfahren stattfindende Reaktion keineswegs einer Verkokung des Papiers entspricht, die erst bei sehr viel höheren Temperaturen unter Abgabe von Teer und ölartigen Dämpfen erfolgt. Es wird angenommen, dass bei der beschriebenen Reaktion der Schwefelsäurekomponente nur gewisse Wasserstoffgruppen und/oder Hydroxylgruppen des Zellulosemoleküls unter Ausscheidung von Kohlenstoff zu Wasser verwandelt werden und die Molekülstruktur keine grundsätzliche Änderung erfährt. Die Reaktion findet auch statt, wenn die Erhitzung im Vakuum oder in einem Schutzgas erfolgt.
Wie das beschriebene Beispiel zeigt, würde auch die Möglichkeit bestehen, die mit einer Schwefelsäurekomponente versehene längsgerillte und zerfaserte Papierbahn bereits vor deren Verarbeitung zu umhüllten Filterstäben auf eine Temperatur zu erhitzen, die eine Ausscheidung von Kohlenstoff bewirkt. Dann würde aber ein wesentlicher Nachteil der bisher bekannten Verfahren zur Herstellung kohlehaltiger Filterstäbe in Kauf genommen werden müssen, nämlich die Tatsache, dass den Strangmaschinen bereits ein kohlehaltiges Material zugeführt wird, was zu einer Verschmutzung und häufigen Betriebsunterbrüchen wegen mangelnder Festigkeit der präparierten und erhitzten Papierbahn führen würde.
Gemäss dem vorliegenden Verfahren wird vielmehr die mit einer Schwefelsäurekomponente versehene Papierbahn zunächst in Filterstäbe verarbeitet und dann in der Füllung dieser Filterstäbe, entweder sofort oder nach beliebig langer Lagerung, durch Erhitzung - vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 80" C, aber unterhalb der Verkokungstemperatur - die beschriebene chemische Reaktion bewirkt und Kohlenstoff ausgeschieden. Da hierbei die Faserstruktur in der Füllung weitgehend beibehalten wird, besitzen auch die nunmehr Kohle enthaltenden Filterstäbe praktisch die gleiche Festigkeit wie vorher und ausserdem wird die aus weissem Papier bestehende Umhüllung der Filterstäbe durch die Erhitzung nicht beeinträchtigt.
Derartige kohlehaltige Filterstäbe sind also nach dem vorliegenden Verfahren höchst einfach wie normale Filterstäbe zu erzeugen, denn die Beifügung einer Schwefelsäurekomponente zu den zellulosehaltigen Papierbahnen ist ohne Schwierigkeiten möglich und auch die Erhitzung der fertiggestellten Filterstäbe ist einfach durchzuführen, beispielsweise unter Verwendung eines auf 120 bis 150"C erhitzten Durchlaufofens, in welchem die üblichen Behälter für solche Zigarettenfilter, die etwa 4000 Stück enthalten, während einer Zeit von etwa 5 Minuten verweilen.
Durch das vorliegende Verfahren wird offensichtlich in jeder Zellulosefaser in der Molekülstruktur reiner Kohlen stoff gebildet, der keinerlei Veränderung mehr erfährt, da die ihn erzeugende Reaktion innerhalb der Füllung der betreffenden Filterstäbe nach deren Fertigstellung stattfindet. Dementsprechend weist ein derartiger kohlehaltiger Filterstab ausgezeichnete Absorptions-Eigenschaften auf und ist bezüglich seiner Wirkung auf den durchströmenden Rauch auch den bisher üblichen, hochreine Aktivkohle verwendenden Filterstäben mindestens gleichwertig, wenn nicht überlegen.
Während bei der Herstellung von kohlehaltigen Filterstäben nach den bisher bekannten Verfahren die Gefahr besteht, dass die Aktivkohle beim Herstellungsprozess der Filterstäbe durch Verunreinigungen und eine Vergiftung der porösen Oberfläche in ihrer Aktivität beeinträchtigt wird, besteht diese Gefahr beim vorliegenden Verfahren nicht, da die Filterstäbe nach erfolgter Ausscheidung des Kohlenstoffs lediglich durch Unterteilung in einzelne Filterstäbe verarbeitet werden, was natürlich keine Beeinträchtigung der Aktivität des ausgeschiedenen Kohlenstoffs verursachen kann.
Da der Kohlenstoff ausserdem durch eine chemische Reaktion an einer Vielzahl von Punkten im Gefüge jeder einzelnen Zellulosefaser ausgeschieden wird, ist eine äusserst feine Verteilung des Kohlenstoffs innerhalb des Filterstabes gewährleistet, und die entstehenden Kohlenpartikel weisen eine viel kleinere Korngrösse auf als das bei bisher bekannten Filtern verwendete Kohlepulver.
In einem Beispiel wurde eine 26 cm breite, einseitig glatte Papierbahn von 35 g Gewicht pro m2 mit Methylalkohol angefeuchtet und durch zwei mit ineinandergreifenden Ringrippen versehenen Walzen in Längsrichtung gerillt und in Querrichtung gereckt, dann vom überschüssigen Befeuchtungsmittel befreit und unmittelbar einer Strangmaschine zugeführt zwecks Erzeugung von Filterstäben mit 8,1 mm Aussendurchmesser und 66 mm Länge. Der Zugwiderstand dieser Filterstäbe wurde in der üblichen, standartisierten Weise gemessen und aus 10 Messungen der Mittelwert gebildet. Anschliessend wurden 15 mm lange Stücke von den Filterstäben abgetrennt, an einer filterlosen Zigarette montiert und in einer standardisierten Abrauchmaschine der Nikotin- und Teergehalt im Rauch hinter dem Filter ermittelt. Auch hierbei wurde ein Mittelwert aus je 10 Abrauchversuchen gebildet.
In der nachstehenden Tabelle sind die gemessenen Werte mit DICO-N bezeichnet.
Zugwiderstand Nikotin t Teer im in mm WS Rauch pro Zigarette DICO-N 92.8 14.6 mg DICO-NK 96.4 12.2 mg
In gleicher Weise und aus dem gleichen Rohpapier wurden unter Beifügung von 2 Gew. % konzentrierter Schwefelsäure zu dem Wasser für die Befeuchtung entsprechende längsgerillte, zerfaserte Papierbahnen erzeugt und hierauf Filterstäbe für Zigaretten hergestellt und auf die oben angegebene Weise untersucht. Es konnten praktisch keine Abweichungen von den für DICO-N angegebenen Werten ermittelt werden. Ein Teil der so hergestellten Filterstäbe wurde auf eine Temperatur von 1300 C während der Dauer von 4 Minuten erhitzt, dann abgekühlt und in gleicher Weise untersucht wie oben angegeben. Die Ergebnisse sind in der Tabelle unter der Bezeichnung DICO-NK wiedergegeben.
Es ist ersichtlich, dass durch den ausgeschiedenen Kohlenstoff die Faserstruktur der Füllung in den Filterstäben nicht beeinträchtigt wurde, denn der Zugwiderstand der betreffenden Filterstäbe DICO-NK hat sich nicht vermindert, sondern etwas erhöht. Die vorteilhafte Wirkung des ausgeschiedenen Kohlenstoffs im Filter zeigt sich an der Tatsache, dass nunmehr im Rauch hinter dem Filter ein um 16 % niedriger Nikotin- und Teergehalt auftritt als bei den nicht behandelten Filtern DICO-N.
Das oben unter Verwendung von zellulosehaltigen, papierartigen Faserbahnen beschriebene Verfahren ist natürlich auf dieses Fasermaterial nicht beschränkt. Es wurde vielmehr festgestellt, dass das Fasermaterial entweder mindestens einen Anteil von zellulosehaltigen natürlichen Faserstoffen oder mindestens einen Anteil von zellulosehaltigen künstlichen Faserstoffen oder mindestens einen Anteil beider Arten von Faserstoffen enthalten kann.
Die Verwendung von Faservliesen mit zellulosehaltigen künstlichen Fasern für Zigarettenfilter ist bereits bekannt, beispielsweise aus den schweizerischen Patenten 351527, 356062 und 369056. Bei der Verarbeitung derartiger Faservliese zu Filterstäben kann ähnlich wie oben bereits beschrieben, dem Fasermaterial eine Schwefelsäurekomponente beigefügt werden, beispielsweise durch Aufsprühen von verdünnter Schwefelsäure und anschliessender Beseitigung überschüssigen Wassers durch Trocknung.
Werden derart hergestellte Filterstäbe einer Wärmebehandlung während der Dauer von 3 bis 6 Minuten bei einer Temperatur von über 80" C aber unterhalb der Erweichungstemperatur der Fasern unterzogen, so erfolgt eine Reaktion der Schwefelsäurekomponente mit den Wasserstoff- und Hydroxylgruppen in den zellulosehaltigen Fasern unter Ausscheidung von Kohlenstoff. Eine derartige Reaktion wurde an Faservliesen mit einem Anteil von zellulosehaltigen künstlichen Faserstoffen wie Viscose, Zelluloseazetat, regenerierter Zellulose, Zelluloseazetatbutyrat und Äthylzellulose festgestellt.
Filterstäbe mit einem Anteil von zellulosehaltigen natürlichen und/oder künstlichen Faserstoffen können auch aus einem Faserdocht hergestellt werden, der langgestreckte Fasern bzw. Fäden enthält. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist beispielsweise im schweizerischen Patent 420 953 beschrieben, wobei vorzugsweise Viscosefasern verwendet werden.
Einem solchen Faserdocht kann die erforderliche Schwefelsäurekomponente, beispielsweise durch Versprühung verdünnter Schwefelsäure im lockeren Faserdocht, beigefügt werden. Nach Beseitigung des überschüssigen Wassers durch Trocknung des Faserdochtes werden dann in üblicher Weise umhüllte Filterstäbe erzeugt, in deren Faserfüllung bei Erhitzung auf eine Temperatur von über 80" C, aber unterhalb der Erweichungstemperatur der Fasern, die Ausscheidung von Kohlenstoff stattfindet.
In grossem Umfange werden für Zigaretten auch Filter verwendet, die aus Zelluloseazetat- insbesondere Zellulose triazetat-Fasern oder -Fäden bestehen, beispielsweise entsprechend den schweizerischen Patenten 317871, 356705 und 358025. Hierbei wird ein zusammengepresstes Band aus langgestreckten Fasern bzw. Fäden durch mechanische und pneumatische Mittel zu einem lockeren Docht verformt und diesem Docht dann ein sogenannter Weichmacher beigefügt, der die Oberfläche der Fasern erweicht,woraufhin der lockere Faserdocht zu einem angenähert zylindrischen Faserstrang von etwa 8 mm Durchmesser zusammengepresst, umhüllt und in Filterstäbe geteilt wird. Die Füllung dieser Filterstäbe stellt dann nach Trocknung des Weichmachers eine an einer Vielzahl von Kreuzungsstellen aneinander haftende Fasermasse dar.
Auch bei der Herstellung derartiger Filterstäbe kann gemäss dem vorliegenden Verfahren dem lockeren Faserdocht eine Schwefelsäurekomponente beigefügt werden, indem vorzugsweise nach Beifügung des Weichmachers eine verdünnte Schwefelsäurelösung im Faserdocht versprüht wird. Nach Be seitigung des überschüssigen Lösungsmittels durch Trocknung können Filterstäbe hergestellt werden, die sich praktisch nicht unterscheiden von den üblicherweise und ohne Schwefel säurekomponente erzeugten Filterstäben. Eine nachträgliche Wärmebehandlung derartiger Filterstäbe bewirkt aber eine Reaktion der Schwefelsäurekomponente mit Wasserstoff- und Hydroxylgruppen in den Zelluloseazetat- bzw. Zellulosetri azetatfasern unter Ausscheidung von Kohlenstoff, so dass kohlenstoffhaltige Filterstäbe entstehen.
Wie bereits oben erwähnt, werden kohlenstoffhaltige Filterstäbe vor allem zu sogenannten Doppelfiltern verarbeitet, bei denen das kohlehaltige Teilstück der Tabaksäule und das nichtkohlehaltige Filterstück dem Saugende der Zigarette zugekehrt ist. Hierzu sind besondere Maschinen erforderlich, die aus kohlehaltigen Filterstäben einerseits und nichtkohlehaltigen Filterstäben anderseits kombinierte Filterstäbe herstellen, bei denen aufeinanderfolgend kohlehaltige und nichtkohlehaltige Teilstücke hintereinander angeordnet sind. Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, derartige kombinierte Filterstäbe unmittelbar und kontinuierlich aus Faserstoffen zu erzeugen.
Es besteht nämlich die einfache Möglichkeit, beispielsweise bei der Herstellung von Filterstäben aus längsgerillten, zerfaserten Papierbahnen, die Schwefelsäurekomponente nur entlang von Streifen quer zur Bahnlängsrichtung beizufügen und dazwischen Streifen frei zu lassen, so dass nach der Zusammenraffung un Umhüllung der Papierbahn zu einem endlosen Filterstrang die Füllung desselben aufeinanderfolgende Bereiche mit bzw. ohne Schwefelsäurekomponente aufweist. Wird dann dieser endlose Strang durch Unterteilung innerhalb der frei gebliebenen Bereiche zu Filterstäben verarbeitet und diese Filterstäbe der oben beschriebenen Wärmebehandlung unterworfen, so findet die beschriebene Reaktion und Ausscheidung von Kohlenstoff nur in den eine Schwefelsäurekomponente aufweisenden Bereichen statt.
Dementsprechend enthalten diese Filterstäbe dann hintereinander angeordnete kohlehaltige und nichtkohlehaltige Abschnitte in der Anordnung, wie sie für Doppelfilter für Zigaretten notwendig ist. Diese kontinuierliche Herstellung von Doppelfiltern mit einem kohlehaltigen Teilstück ist allen bisher bekannten Verfahren zur Schaffung von derartigen Doppelfiltern überlegen. Natürlich können auch Faservliese oder Faserdochte in ähnlicher Weise nur in begrenzten Querschnittbereichen mit einer Schwefelsäurekomponente versehen und dazwischenliegende Querschnittbereiche freigelassen werden, was auch hierfür die kontinuierliche Herstellung von Doppelfiltern ermöglicht.
Die zur Ausfällung von Kohlenstoff nach dem vorliegenden Verfahren erforderliche Wärmebehandlung kann, wie bereits erwähnt, auch bereits bei einer die Schwefelsäurekomponente enthaltenden Faserbahn vorgenommen werden. Es ist in diesem Falle möglich, die Faserbahn ein- oder beidseitig mit Infrarotstrahlung hoher Energie zu erhitzen; die Kohlenstoffabscheidung erfolgt dann bereits nach beispielsweise 5 bis 15 Sekunden. Hierbei kann die Bestrahlung auch auf Teilflächenbereiche begrenzt und nur dort Kohlenstoff abgeschieden werden. Auch Heisslufterhitzung oder andere Heizmethoden sind verwendbar. Bei Filterstäben, deren Füllung mit einer Schwefelsäure-Komponente versehen ist, kann ebenfalls eine Erhitzung und Kohlenstoffabscheidung nur in Teilbereichen erfolgen, beispielsweise durch entsprechende Hochfrequenzfelder.
Process for the production of filter rods for tobacco products as well as filter rod manufactured according to this
The present invention relates to a method for the production of filter rods for tobacco products, in particular for cigarettes, specifically to such filter rods which contain at least a proportion of cellulose-containing natural and / or artificial fibers. The invention also relates to a filter rod produced by this method.
Among the known filters for tobacco products and in particular cigarettes, those in which coal is present in the filter in a suitable form form a particular class. Cigarette filters are mostly so-called double or multiple filters, since a carbon-containing filter cannot be used for the suction end of the cigarette, so a non-carbon-containing filter piece must be used there.
In the case of the carbon-containing filters known so far, so-called activated carbon is usually used, which is suitable in a highly pure form for the absorption of gases. In a number of known filters, the charcoal is applied as a powder or in fine-grained form to a carrier, for example to a fiberized paper web or a fiber wick and occasionally adhesive is used to improve the adhesion of the fine-grained charcoal to the carrier material; Such carbon filters are mostly used as so-called double filters, in which the carbon-containing filter part faces the tobacco column. Another type of carbon filter uses coarse-grained carbon granulate, which is usually enclosed in a chamber between two non-carbon filter pieces, so that a triple filter is created.
The production of such carbon-containing filter pieces presents significant difficulties, which is why a number of methods have already been proposed for this purpose. A disadvantage is also the need for such carbon filters to be produced in special machines, which usually have only a low production speed and have to be housed in special rooms because of the pollution that occurs with them.
In order to overcome these difficulties, it has already been proposed to use cellulosic fibrous materials such as wadding, woven fabrics and loose felts made of polyacrylonitrile, cotton, regenerated cellulose, etc. and to coke them.
This is intended to produce carbon fibers and use them in filters. The processing of such carbon fibers into cigarette filters, however, presents the same difficulties as the processing of carbon powder or coal granules, so that this proposal does not make the production of carbon-containing filters easier.
The present invention, however, represents a solution to this problem and relates to a method for the production of filter rods, which contain at least a portion of cellulosic natural and / or artificial fibers, for tobacco products, in particular for cigarettes, and is characterized in that at least some of the A sulfuric acid component is added to fiber materials before processing into filter rods and the covered filter rods are then heated until the sulfuric acid component reacts with hydrogen and hydroxyl groups in the fiber materials and carbon is eliminated while largely maintaining the fiber structure.
The filter rod according to the invention for tobacco products, in particular for cigarettes, which is produced by the process mentioned and has a filling which consists at least partially of cellulose fibers of natural and / or artificial origin, is characterized by the carbon precipitated from the fibers.
The invention is described in more detail below in some exemplary embodiments with reference to the microphotograph shown in the drawing, which shows a longitudinally grooved and fiberized paper web enlarged 50 times.
The method will first be explained using filter rods that contain a heavily frayed paper web with longitudinal grooves as a filling, as described for example in the applicant's Swiss patents 331545, 331197, 36683, 341 106, 454714 and 484743. The methods and devices are generally known in this field, which is why it suffices to mention that a fibrous, smooth paper web, with or without previous moistening, is provided with interlocking annular ribs when passing through rollers, with longitudinal grooves and in the transverse direction is stretched so much that a large number of incoherent longitudinal tears with heavily frayed edges are created and both the top and the bottom of the longitudinally grooved paper web are covered with protruding fibers.
This fiberized paper web is, if necessary, freed from excess moistening agent by drying and can then either be fed directly to a so-called rod machine for the production of filter rods or first rolled up into bobbins, which are then unrolled again on such a rod machine for the purpose of producing the filter rods.
In these strand machines, which are generally known in this technical field and require no further description, the longitudinally grooved and fiberized paper web is gathered together in the transverse direction to form an approximately cylindrical strand with a diameter in the order of about 8 mm, which is then wrapped with a thin paper tape and is divided into filter rods of a predetermined length. For such filter rods made from longitudinally grooved and fiberized paper webs, either unsized paper or paper smoothed on one side with a weight of about 20-50 g / m2 can be used as the starting material, but also cellulose wadding made in paper form and so-called fiber webs, e.g. are known under the trade name KLEENEX.
According to the present method, when using such paper-like and cellulose-containing fiber webs as a filling of the filter rods of this fiber web, a sulfuric acid component is added before processing into filter rods and covered filter rods are produced from the fiber web thus prepared in the manner briefly described above. These filter rods are then heated immediately or at any later point in time to such a temperature that the sulfuric acid component reacts with hydrogen and hydroxyl groups in the cellulose fibers and carbon is excreted while largely maintaining the fiber structure. In a preferred embodiment of the method, dilute sulfuric acid is added to the dampening liquid with which the smooth paper web is moistened before it enters the creasing rollers.
When using water as a moistening agent for a smooth base paper web with the weight specified above, it is sufficient to add 0.2 to 5% by weight of concentrated sulfuric acid to the moistening water in order to prepare the paper web in such a way that it precipitates during the subsequent heat treatment of the finished filter rods made of carbon. Even when using volatile liquids to moisten the paper web, for example with alcohol or acetone, the sulfuric acid content can be in the range mentioned above. Of course, it is also possible to work with much higher concentrations in the humidifying liquid, but this usually results in undesirable side effects, such as noticeable corrosion of machine parts etc.
Of course, there is also the possibility of adding the sulfuric acid component required according to the present method to the longitudinally grooved and fiberized paper web, for example spraying sulfuric acid diluted with water onto the paper web or dipping the paper web and then releasing it from excess water.
Finally, it should be pointed out that the required sulfuric acid component can already be added during the production of the paper to be used from the pulp, for example by adding about 1 to 2% by weight of concentrated sulfuric acid to the pulp.
For example, a piece is cut from a longitudinally grooved and fiberized paper web that has been produced in the manner described above but has not yet been provided with a sulfuric acid component, and half of it is immersed in a solution of 2% by weight concentrated sulfuric acid in water and then dried freed from excess water, practically no difference between the soaked and the non-soaked part can be found on the paper after drying has taken place.
However, if this paper, half of which has a sulfuric acid component, is heated at a temperature of, for example, 150 C for a period of 5 minutes, the non-soaked part of the paper shows no changes, but the piece with a sulfuric acid component has assumed a deep black color and shows coal-like appearance. It is believed that when heated, the sulfuric acid component reacts with hydrogen and hydroxyl groups in the cellulose fibers to form water that evaporates and carbon is excreted. The fiber structure of the paper is largely retained.
The attached drawing shows the border between the impregnated and non-impregnated part of such a longitudinally grooved, shredded piece of paper and clearly shows that the fiber structure is actually largely retained during the carbon precipitation.
It should be pointed out that the reaction taking place according to the process described in no way corresponds to coking of the paper, which only takes place at much higher temperatures with the release of tar and oily vapors. It is assumed that during the described reaction of the sulfuric acid component only certain hydrogen groups and / or hydroxyl groups of the cellulose molecule are converted into water with the excretion of carbon and that the molecular structure does not undergo any fundamental change. The reaction also takes place if the heating takes place in a vacuum or in a protective gas.
As the example described shows, it would also be possible to heat the longitudinally grooved and fiberized paper web provided with a sulfuric acid component to a temperature that causes carbon to precipitate before it is processed into wrapped filter rods. Then, however, a major disadvantage of the previously known processes for producing carbon-containing filter rods would have to be accepted, namely the fact that a carbon-containing material is already being fed to the strand machines, which leads to contamination and frequent interruptions in operation due to insufficient strength of the prepared and heated paper web would.
According to the present process, the paper web provided with a sulfuric acid component is first processed into filter rods and then in the filling of these filter rods, either immediately or after any length of storage, by heating - preferably to a temperature of at least 80 "C, but below the coking temperature - The chemical reaction described causes the carbon to be eliminated. Since the fiber structure is largely retained in the filling, the filter rods now containing carbon have practically the same strength as before and the white paper covering of the filter rods is not affected by the heating.
Such carbon-containing filter rods are therefore extremely easy to produce according to the present process, like normal filter rods, because the addition of a sulfuric acid component to the cellulose-containing paper webs is possible without difficulty and the finished filter rods can also be heated easily, for example using a 120 to 150 " C heated continuous furnace, in which the usual containers for such cigarette filters, which contain about 4000 pieces, remain for a time of about 5 minutes.
Through the present process, pure carbon is obviously formed in the molecular structure of each cellulose fiber, which no longer undergoes any change, since the reaction that generates it takes place within the filling of the filter rods in question after they have been completed. Accordingly, such a carbon-containing filter rod has excellent absorption properties and, with regard to its effect on the smoke flowing through, is at least equivalent, if not superior, to the filter rods that have been customary up to now and that have used highly pure activated carbon.
While in the production of carbon-containing filter rods according to the previously known methods there is the risk that the activity of the activated carbon is impaired in its activity by impurities and poisoning of the porous surface during the production process of the filter rods, this risk does not exist with the present method, since the filter rods after Precipitation of the carbon can only be processed by dividing it into individual filter rods, which of course cannot impair the activity of the precipitated carbon.
Since the carbon is also separated out through a chemical reaction at a large number of points in the structure of each individual cellulose fiber, an extremely fine distribution of the carbon within the filter rod is guaranteed, and the carbon particles produced have a much smaller grain size than those used in previously known filters Coal powder.
In one example, a 26 cm wide, one-sided smooth paper web weighing 35 g per m2 was moistened with methyl alcohol and grooved in the longitudinal direction by two rollers provided with intermeshing ring ribs and stretched in the transverse direction, then freed from the excess moistening agent and fed directly to a strand machine for the purpose of producing Filter rods with an outer diameter of 8.1 mm and a length of 66 mm. The tensile resistance of these filter rods was measured in the usual, standardized manner and the mean value was formed from 10 measurements. Then 15 mm long pieces were separated from the filter rods, mounted on a filterless cigarette and the nicotine and tar content in the smoke behind the filter was determined in a standardized smoking machine. Here, too, an average value was formed from 10 smoking tests each.
In the table below, the measured values are labeled DICO-N.
Draw resistance nicotine t tar im in mm WS smoke per cigarette DICO-N 92.8 14.6 mg DICO-NK 96.4 12.2 mg
In the same way and from the same raw paper, with the addition of 2% by weight of concentrated sulfuric acid to the water for moistening, corresponding longitudinally grooved, fiberized paper webs were produced and filter rods for cigarettes were then produced and examined in the manner indicated above. Practically no deviations from the values given for DICO-N could be determined. A part of the filter rods produced in this way was heated to a temperature of 1300 ° C. for a period of 4 minutes, then cooled and examined in the same way as indicated above. The results are given in the table under the designation DICO-NK.
It can be seen that the fiber structure of the filling in the filter rods was not impaired by the carbon precipitated, because the tensile resistance of the relevant DICO-NK filter rods has not decreased, but increased somewhat. The beneficial effect of the excreted carbon in the filter is shown by the fact that the smoke behind the filter now has a nicotine and tar content that is 16% lower than with the untreated DICO-N filters.
The method described above using cellulose-containing, paper-like fiber webs is of course not restricted to this fiber material. Rather, it was found that the fiber material can contain either at least a portion of cellulosic natural fibers or at least a portion of cellulosic synthetic fibers or at least a portion of both types of fibers.
The use of fiber fleeces with cellulose-containing artificial fibers for cigarette filters is already known, for example from Swiss patents 351527, 356062 and 369056. When processing such fiber fleeces into filter rods, a sulfuric acid component can be added to the fiber material, for example by spraying on, similar to that already described above diluted sulfuric acid and subsequent removal of excess water by drying.
If filter rods produced in this way are subjected to a heat treatment for 3 to 6 minutes at a temperature of over 80 "C but below the softening temperature of the fibers, the sulfuric acid component reacts with the hydrogen and hydroxyl groups in the cellulose-containing fibers with the separation of carbon Such a reaction has been found on nonwovens with a proportion of cellulose-containing artificial fibers such as viscose, cellulose acetate, regenerated cellulose, cellulose acetate butyrate and ethyl cellulose.
Filter rods with a proportion of cellulose-containing natural and / or artificial fibers can also be produced from a fiber wick that contains elongated fibers or threads. Such a production method is described, for example, in Swiss patent 420 953, with viscose fibers being preferably used.
The required sulfuric acid component can be added to such a fiber wick, for example by spraying dilute sulfuric acid in the loose fiber wick. After the excess water has been removed by drying the fiber wick, covered filter rods are then produced in the usual way, in the fiber filling of which carbon is deposited when heated to a temperature of over 80 ° C. but below the softening temperature of the fibers.
Filters made of cellulose acetate, in particular cellulose triacetate fibers or threads, for example in accordance with Swiss patents 317871, 356705 and 358025, are used on a large scale for cigarettes. Here, a compressed band of elongated fibers or threads is mechanically and pneumatically used Agent is deformed into a loose wick and a so-called plasticizer is added to this wick, which softens the surface of the fibers, whereupon the loose fiber wick is compressed into an approximately cylindrical fiber strand of about 8 mm diameter, wrapped and divided into filter rods. After the softener has dried, the filling of these filter rods is a fiber mass that adheres to one another at a large number of intersections.
In the production of filter rods of this type, a sulfuric acid component can also be added to the loose fiber wick according to the present method, in that a dilute sulfuric acid solution is sprayed into the fiber wick, preferably after the plasticizer has been added. After the excess solvent has been removed by drying, filter rods can be produced which practically do not differ from the filter rods usually produced without a sulfuric acid component. Subsequent heat treatment of such filter rods causes the sulfuric acid component to react with hydrogen and hydroxyl groups in the cellulose acetate or cellulose acetate fibers with the separation of carbon, so that carbon-containing filter rods are formed.
As already mentioned above, carbon-containing filter rods are mainly processed into so-called double filters, in which the carbon-containing section of the tobacco column and the non-carbon-containing filter piece faces the suction end of the cigarette. For this purpose, special machines are required which produce combined filter rods from carbon-containing filter rods on the one hand and non-carbon-containing filter rods on the other, in which carbon-containing and non-carbon-containing sections are arranged one behind the other. The present process makes it possible to produce such combined filter rods directly and continuously from fibrous materials.
There is the simple possibility, for example in the production of filter rods from longitudinally grooved, fiberized paper webs, to add the sulfuric acid component only along strips transverse to the longitudinal direction of the web and to leave strips free between them, so that after the gathering and wrapping of the paper web into an endless filter strand Has filling of the same successive areas with or without sulfuric acid component. If this endless strand is then processed into filter rods by subdivision within the remaining free areas and these filter rods are subjected to the heat treatment described above, the reaction and precipitation of carbon described takes place only in the areas containing a sulfuric acid component.
Accordingly, these filter rods then contain carbon-containing and non-carbon-containing sections arranged one behind the other in the arrangement required for double filters for cigarettes. This continuous production of double filters with a carbon-containing section is superior to all previously known methods for creating such double filters. Of course, fiber fleeces or fiber wicks can similarly be provided with a sulfuric acid component only in limited cross-sectional areas and cross-sectional areas in between can be left free, which also enables the continuous production of double filters for this purpose.
The heat treatment required for the precipitation of carbon by the present process can, as already mentioned, also be carried out on a fiber web containing the sulfuric acid component. In this case it is possible to heat the fiber web on one or both sides with high-energy infrared radiation; carbon is then deposited after, for example, 5 to 15 seconds. In this case, the irradiation can also be limited to partial areas and only there carbon can be deposited. Hot air heating or other heating methods can also be used. In the case of filter rods whose filling is provided with a sulfuric acid component, heating and carbon deposition can also only take place in partial areas, for example by means of corresponding high-frequency fields.