Präpariertes Material zur Herstellung von Kohlenstoff enthaltenden Körpern,
Verfahren zur Präparierung des Materials und Verwendung desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein präpariertes Material mit Faser- und/oder Zellstruktur zur Herstellung von Kohlenstoff enthaltenden Körpern, insbesondere Filtern für Rauch, Gase und Flüssigkeiten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Präparierung dieses Materials.
Für verschiedene Zwecke der Technik werden Filter für Rauch, Gase und Flüssigkeiten verwendet, die fein verteilten Kohlenstoff, insbesondere sogenannte aktive Kohle, enthalten. Meistens bestehen solche porösen Körper aus einem Material mit Faser- oder Zellstruktur und einer Oberfläche, an der fein verteilter Kohlenstoff haftet. Gelegentlich bestehen solche Filter aber auch aus zusammengepresster poröser Aktivkohle, Tierknochenkohle und dergleichen und besitzen die Form von Platten, Stäben oder Rohren. Es sind auch bereits Folien mit fein verteiltem Kohlepulver auf der Oberfläche bekannt und Filter, die in einem porösen Gehäuse ein kohlenstoffhaltiges Granulat aufweisen.
Angewendet werden solche kohlenstoffhaltigen Filter für die Absorption oder für die Adsorption dampfartiger, flüssiger oder fester Partikeln aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom bzw. zur chemischen Bindung solcher Substanzen.
Die Herstellung solcher kohlenstoffhaltiger Filter erfolgte bisher meist durch das Zusammenpressen oder Zusammensintern von granulierter Aktivkohle. Bei Folien oder Papierbahnen wird auch Kohlegranulat oder Kohlepulver auf die Oberfläche aufgebracht und dort in geeigneter Weise fixiert.
Papierartigen faserhaltigen Materialbahnen kann Kohlepulver auch bereits im Faserbrei bei der Herstellung der Bahnen beigefügt werden, oder derartige Bahnen, beispielsweise auch Faservliese, werden in eine kohlenstoffhaltige Emulsion getaucht oder damit besprüht und dann getrocknet.
Alle diese Herstellungsmethoden für kohlenstoffhaltige Körper sind kostspielig und wegen der dabei auftretenden Verschmutzung der Einrichtungen sehr umständlich. Ferner werden durch die Manipulation der hochreinen Aktivkohle meist deren Absorptionseigenschaften nachteilig beeinflusst, was nach Fertigstellung der betreffenden Körper gelegentlich eine Aktivierung etwa durch Erhitzung im Vakuum oder in einer besonderen Gasatmosphäre erforderlich macht.
Es würde einen wesentlichen Fortschritt für die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Filtern darstellen, wenn ein Material etwa in Form von papierartigen Bahnen, Faservliesen oder mit einer Zellstruktur existieren würde, das an seiner Oberfläche keine Kohlepartikeln aufweist, also bei der Verarbeitung zu Filtern keine Verschmutzung verursachen würde, an dessen Oberfläche aber nach mechanischer Fertigstellung der Filterkörper durch eine geeignete Behandlung allseits fein verteilte Kohle erzeugt werden könnte.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein derartiges Material, das gekennzeichnet ist durch einen Gehalt an solchen Kohlenwasserstoff-Verbindungen und eine Schwefelsäurekomponente in solcher Form, dass bei Erhitzung des Materials eine chemische Reaktion unter Kohlenstoffabscheidung erfolgt.
Ferner betrifft die Erfindung ein zur Präparierung dieses Materials geeignetes Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während oder nach Bildung der Faser- oder Zellstruktur das Material mit einer schwefelsäurehaltigen Lösung behandelt und dann überschüssiges Lösungsmittel beseitigt wird.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für die Präparierung einer zellulosehaltigen Papierbahn,
Fig. 2 und 3 je ein Ausführungsbeispiel für die Präparierung eines Faserstrangs bzw. eines Faserdochtes,
Fig. 4 ein zur Herstellung von Doppelfiltern für Zigaretten präpariertes Material.
Es existieren eine grosse Zahl von Materialien mit Faserstruktur, die einen Gehalt an Kohlenwasserstoff-Verbindungen aufweisen. Hierzu gehören beispielsweise alle aus natürlichen oder künstlichen Zellulosefasern hergestellten papierartigen Bahnen sowie solche Fasern enthaltende Faservliese und Faserdochte. Ausser Zellulosefasern natürlicher und künstlicher Herkunft werden auch Olefin-Fasern in Form von Faservliesen oder Fasersträngen für viele Zwecke der Technik verwendet. Ein bedeutendes Anwendungsgebiet solcher faserhaltiger Materialien sind beispielsweise Filter für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten.
Die Verarbeitung solcher faserhaltiger Materialien bereitet normalerweise keine Schwierigkeiten. Wird dagegen versucht, aus derartigen Fasermaterialien Filter mit Kohlenstoffgehalt herzustellen, so muss den Faserbahnen, Faservliesen oder Fasersträngen vor ihrer Verarbeitung zu Filterkörpern der Kohlenstoff in fein verteilter Form so beigefügt werden, dass er an der Oberfläche der Bahnen bzw. Fasern haftet. Bereits diese Beifügung von Kohlenstoffteilchen zum Fasermaterial ist umständlich; insbesondere bereitet aber die Verarbeitung des mit Kohlenstoffteilchen versehenen Fasermaterials zu den gewünschten Filterkörpern grosse Schwierigkeit, macht eine Massenfabrikation umständlich und verteuert dementsprechend die hergestellten kohlenstoffhaltigen Filter.
Durch Untersuchungen wurde nun aber überraschenderweise festgestellt, dass die obengenannten Fasermaterialien lediglich mit einer Schwefelsäurekomponente versehen werden müssen, beispielsweise durch Behandlung mit einer verdünnten, schwefelsäurehaltigen Lösung und anschliessender Trocknung, damit ein Material entsteht, das zwar praktisch keine sichtbare Änderung erfahren hat, aber derart präpariert ist, dass nach Fertigstellung der gewünschten Filterkörper mittels einer Erhitzung auf beispielsweise 100" C während einer Zeit von 3 bis 10 Minuten eine chemische Reaktion dieser Schwefelsäurekomponente mit dem Fasermaterial erfolgt, bei der Kohlenstoff in feinster Form in der Faseroberfläche abgeschieden wird.
Da die Präparierung des Materials zur Beifügung der Schwefelsäurekomponente praktisch keine Änderung des Aussehens oder der Verarbeitbarkeit zur Folge hat, kann die Herstellung der jeweils gewünschten Filterkörper in genau gleicher Weise wie bei einem nicht präparierten Material erfolgen, und alle obengenannten Schwierigkeiten sind umgangen. Ausserdem wird durch die Abscheidung von fein verteiltem Kohlenstoff an der Oberfläche der Fasern nach Fertigstellung der Filterkörper durch deren Erhitzung jede unerwünschte Vergiftung der erzeugten Kohlepartikel vermieden und derartige Filter weisen nach ihrer Wärmebehandlung einen hohen Wirkungsgrad bezüglich Abscheidung von Substanzen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen auf.
Die Präparierung des Materials sei zunächst am Beispiel von papierartigen Faserbahnen, Faservliesen und Faserdochten beschrieben, wie sie zur Herstellung von Rauchfiltern für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten verwendet werden.
Unter den bekannten Filtern für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten, existieren bereits solche, bei denen Kohlenstoff 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 Zigaretten verwendet werden kann, dort also ein nicht kohlehaltiges Filterstück angeordnet sein muss.
Bei bekannten Filtern dieser Art wird Kohle in Form von Pulver oder Granulat auf einen Träger aufgebracht, beispielsweise auf eine zerfaserte Papierbahn, ein Faservlies oder einen Faserdocht und gelegentlich Klebemittel zur besseren Haftung der feinkörnigen Kohle auf der Oberfläche des Trägermaterials verwendet; derartige Kohlefilter werden üblicherweise als sogenannte Doppelfilter verwendet, bei denen der kohlehaltige Filterteil der Tabaksäule zugekehrt ist, während ein nicht kohlehaltiger Filterteil das Saugende bildet.
Eine andere Bauart von Kohlefiltern weist eine Kammer zwischen zwei nicht kohlehaltigen Filterstücken auf, die mit grobkörnigem Kohlegranulat gefüllt ist, so dass ein Dreifachfilter vorliegt. Die Herstellung der ein Trägermaterial aufweisenden kohlehaltigen Filterstücke bereitet bedeutende Schwierigkeiten, denn die Kohlepartikeln müssen dem Trägermaterial vor dessen Verarbeitung zu Filterstäben und Filterstöpseln beigefügt werden. Auch bei der Erzeugung von Dreifachfiltern mit einer Kohlegranulat enthaltenden Kammer ergeben sich viele Probleme, die meist nur eine relativ geringe Produktionsgeschwindigkeit der Einfüllvorrichtungen zulassen.
Alle diese Schwierigkeiten werden vermieden, wenn zur Herstellung der Filterstäbe ein gemäss dem vorliegenden Verfahren präpariertes Material verwendet wird, das sich von den sonst verwendeten Filtermaterialien nur durch eine Schwefelsäurekomponente in solcher Form unterscheidet, dass bei Erhitzung der aus solchem präpariertem Material hergestellten Filterstäbe eine chemische Reaktion mit dem Material erfolgt, die eine Kohlenstoffabscheidung verursacht.
Bei sogenannten Doppelfiltern mit einem der Tabaksäule zugekehrten kohlestoffhaltigen Filterteil wird in gewissem Umfange als Trägermaterial für die Kohlepartikeln eine stark zerfaserte Papierbahn aus Zellulosefasern natürlicher und/ oder künstlicher Herkunft verwendet. Dementsprechend besitzt dieses zellulosehaltige Papiermaterial einen Gehalt an Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Üblicherweise werden zur Herstellung solcher kohlenhaltiger Filterstäbe als Ausgangsmaterial glatte Papierbahnen verwendet, die in bekannter Weise durch entsprechende Vorrichtungen zerfasert und vor oder nach der Zerfaserung mit Kohlepartikeln an der Oberfläche versehen werden. Diese Beifügung von Kohlepartikeln erübrigt sich, wenn die üblicherweise in Form von Papierrollen vorliegende glatte Papierbahn gemäss dem vorliegenden Verfahren präpariert wird.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Präparierung solcher Rohpapierbahnen zeigt die Fig. 1. Hier wird die Rohpapierbahn 1 von der Vorratsrolle 2 abgewickelt und läuft durch eine Apparatur, in der sie mit einer schwefelsäurehaltigen Lösung angefeuchtet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel läuft die Rohpapierbahn 1 über eine Umlenkrolle 20 und eine Tauchrolle 21, die in der schwefelsäurehaltigen Lösung 22 im Behälter 23 rotiert. Die so präparierte Papierbahn läuft dann über die Umlenkrolle 24, auf welche die beispielsweise aus elastischem Material bestehende Rolle 25 drückt, so dass überschüssige Lösung aus der Papierbahn abgepresst wird.
Anschliessend läuft die noch feuchte Papierbahn durch eine Trocknungseinrichtung 26, in der gegebenenfalls das Lösungsmittel der schwefelsäurehaltigen Lösung 22 zurückgewonnen werden kann, und wird nach erfolgter Trocknung auf der Vorratsrolle 27 aufgewickelt.
Die so präparierte Papierrolle 27 gleicht äusserlich der Rohpapierrolle 2 und kann ohne jede besondere Massnahme in bekannter Weise zu stark zerfaserten Papierbahnen und dann in Filterstäbe verarbeitet werden, wie beispielsweise in den schweizerischen Patenten Nrn. 331545, 331 197, 336 683, 341 106, 454714 und 484743 beschrieben ist. Die erzeugten Filterstäbe zeigen das gleiche weisse Aussehen wie solche, die aus einer unpräparierten Rohpapierrolle 2 hergestellt sind.
Erst wenn die so erzeugten Filterstäbe während einer Zeitdauer von etwa 3-15 Minuten auf eine Temperatur von über etwa 80" C erwärmt werden, findet eine chemische Reaktion der Schwefelsäurekomponente mit den Kohlenstoff-Verbindungen im zellulosehaltigen Papier statt, bei dem eine Kohlenstoffabscheidung erfolgt.
Demnach stellt das nach dem beschriebenen Verfahren auf der Rolle 27 (Fig. 1) befindliche faserhaltige Material ein zur Herstellung von Kohlenstoff enthaltenden Filtern beson ders vorteilhaftes Material dar, das durch einen Gehalt an Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen und eine Schwefelsäurekomponente in solcher Form gekennzeichnet ist, dass bei Er hitzung des Materials eine chemische Reaktion unter Kohlenstoffabscheidung erfolgt. Die vorliegende Erfindung ist auf dieses Material und die Präparierung desselben beschränkt und bezieht sich nicht auf die Weiterverarbeitung des präparierten Materials zu Filterstäben.
Die beschriebene, nach dem vorliegenden Verfahren präparierte Papierrolle stellt ein Produkt dar, das selbstverständlich gewerblich verwertet wird und ausser für die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Filtern für Zigaretten und andere Tabakwaren auch für Filter zur
Reinigung anderer Gase und Flüssigkeiten verwendbar ist.
Das anhand von Fig. 1 oben beschriebene Verfahren kann mit einer wässerigen Lösung 22 durchgeführt werden, die beispielsweise 0,1 bis 5 Gew. % konzentrierte Schwefelsäure enthält. Es ist aber auch möglich, anstelle von Wasser andere Lösungsmittel, besonders leichtflüchtige Lösungsmittel, beispielsweise Alkohol oder Azeton, zu verwenden, was den Vorteil hat, dass die in der Trocknungseinrichtung 26 aufzuwendende Energie zur Beseitigung des überschüssigen Lösungsmittels wesentlich geringer als bei Verwendung von Wasser ist. Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Tauchverfahrens kann die schwefelsäurehaltige Lösung natürlich auch ein- oder beidseitig auf die Papierbahn aufgesprüht, oder diese Papierbahn durch einen Raum mit dampf- oder nebelförmiger Lösung hindurchgeleitet werden.
Das oben anhand von Fig. 1 beschriebene Verfahren zur Präparierung einer Papierbahn mit einer Schwefelsäurekomponente kann auch unmittelbar im Anschluss an die Papierherstellung erfolgen, also die aus den bekannten Papiermaschinen austretende Papierbahn eventuell noch vor vollständiger Trocknung in der oben beschriebenen Weise mit einer schwefelsäurehaltigen Lösung behandelt werden. Ferner besteht die Möglichkeit, die Schwefelsäurekomponente dem Papier dadurch beizufügen, dass die zur Herstellung des Papiers dienende Pulpe bereits diese Schwefelsäurekomponente enthält, so dass die hieraus hergestellten Papierrollen bereits ein mit einer Schwefelsäurekomponente versehenes präpariertes Material darstellen.
Als Trägermaterial für kohlenstoffhaltige Filterstäbe bzw.
Filterstöpsel für Zigaretten werden auch ebene Faservliese verwendet, die wenigstens einen Anteil von Cellulosefasern natürlicher und künstlicher Herkunft besitzen oder wenigstens teilweise aus Olefin-Fasern bestehen. Gemäss dem vorliegenden Verfahren können solche Faservliese ebenfalls durch Behandlung mit einer schwefelsäurehaltigen Lösung und anschliessender Beseitigung des überschüssigen Lösungsmittels so präpariert werden, dass nach Fertigstellung von Filterstäben aus derartigen präparierten Faservliesen eine Kohlenstoffabscheidung durch Erhitzung der Filterstäbe be wirkt werden kann. Solche Faservliese können als ebene, formbeständige Faserbahnen in Form von Rollen vorliegen, so dass das oben anhand von Fig. 1 für ebene Papierbahnen beschriebene Verfahren anwendbar ist.
Natürlich besteht auch bei solchen Faservliesen die Möglichkeit, den Fasern bereits bei der Herstellung des Vlieses die Schwefelsäurekomponente beizufügen. Beispielsweise werden zellulosehaltige ebene Faserbahnen derart hergestellt, dass das ausgebreitete Fasermaterial zuerst mit Laugen behandelt, dadurch an der Oberfläche klebrig gemacht, zu einer ebenen Bahn verfestigt, dann durch Beigabe von Säuren vollständig neutralisiert und anschliessend getrocknet wird; gemäss dem vorliegenden Verfahren kann dem Faservlies eine Schwefelsäurekomponente dadurch beigefügt werden, dass entweder bei der Neutralisierung oder auch nachher mit einer schwefelsäurehaltigen Lösung gearbeitet und ein Faservlies geschaffen wird, das eine Schwefelsäurekomponente enthält.
In grossem Umfange werden Faserstränge oder Faserdochte aus zellulosehaltigen Fasern natürlicher oder künstlicher Herkunft verwendet, die in unregelmässiger Weise zu Ballen gestapelt und zusammengepresst geliefert werden. Bei der Verarbeitung solcher, beispielsweise aus Zelluloseazetatfasern oder Zellulosetriazetatfasern bestehender Faserstränge wird das betreffende Material aus den Ballen abgezogen, durch mechanische oder pneumatische Mittel der Faserstrang zu einem Docht aufgelockert, dann mit einem Weichmacher für die Faseroberfläche versehen, zu einem zylindrischen Strang von etwa 8 mm Durchmesser zusammengepresst und gleichzeitig getrocknet, dann mit einer Papierumhüllung versehen und in Filterstäbe unterteilt.
Für die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Filterstäben muss an einer geeigneten Stelle dieses Herstellungsprozesses bisher Kohlepulver auf die Faseroberflächen aufgebracht und dort fixiert werden.
Diese zusätzliche Beifügung von Kohlepulver lässt sich mit dem vorliegenden Verfahren vermeiden, wenn der Faserstrang nach dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel präpariert wird. Der Faserstrang oder Faserdocht 3 wird dabei aus dem Ballen 4 abgezogen und über die Umlenkrollen 5, 6 und 7 einer Tränkungseinrichtung zugeführt, die der oben anhand von Fig. 1 beschriebenen Tränkungseinrichtung entspricht.
Hierbei läuft der Faserstrang 3 über die Umlenkrolle 20 und die Tauchrolle 21 durch die schwefelsäurehaltige Lösung 22 im Behälter 23, wird zwischen den Rollen 24 und 25 abgepresst und in der Trocknungseinrichtung 26 von überschüssigem Lösungsmittel befreit. Über die Umlenkrollen 8, 9, 10 läuft dann der mit einer Schwefelsäurekomponente versehene Faserstrang 11 zu einer Stapeleinrichtung 12 bekannter Bauart und wird in einem Behälter 13 in unregelmässiger Weise aufgestapelt und anschliessend zusammengepresst. Der im Behälter 13 befindliche präparierte Faserstrang unterscheidet sich äusserlich und in bezug auf seine Verarbeitung zu Filterstäben in keiner Weise von dem nicht präparierten Faserstrang 3 im Behälter 4.
Der Kohlen-Wasserstoffverbindungen besitzende Faserstrang weist aber nunmehr eine Schwefelsäurekomponente in solcher Form auf, dass bei seiner Erhitzung eine chemische Reaktion dieser Schwefelsäurekomponente mit dem Fasermaterial unter Kohlenstoffabscheidung erfolgt.
Bei der Präparierung solcher Faserstränge nach dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Verfahren ist es wichtig, dass die schwefelsäurehaltige Lösung 22 den durchlaufenden Faserstrang möglichst vollständig durchfeuchtet, wofür die Verwendung leichtflüchtiger und die Fasern rasch benetzender Lösungsmittel wie beispielsweise Alkohol und Azeton, zweckmässig ist. Das Verfahren kann sowohl für Faserstränge aus glatten, wie auch aus gekräuselten Fasern verwendet werden.
Zur Präparierung von Fasersträngen, die aus einzelnen, nicht aneinander haftenden Fasern bestehen, kann auch ein Verfahren gemäss Fig. 3 verwendet werden. Hierbei wird aus dem Ballen 4 der Faserstrang 3 über die Umkehrrollen 28, 29 abgezogen und läuft durch eine pneumatische Ausbreitkammer 30 sowie über die rotierenden Rollen 31, 32 und 33, die er als ebene Bahn weitgehend paralleler Einzelfäden verlässt.
In der Befeuchtungseinrichtung 34 wird Ober- und Unterseite dieser ebenen Faserbahn mit einer schwefelsäurehaltigen Lösung besprüht und in der anschliessenden Trocknungseinrichtung 35 das überschüssige Lösungsmittel beseitigt. Die trockenen parallelen Einzelfasern werden dann in einer trichterförmigen Einrichtung 36 wieder zu einem Faserstrang 11 zusammengerafft, der aber nunmehr eine Schwefelsäurekomponente enthält. Dieser Faserstrang 11 läuft über die Umkehrrollen 37, 38 und wird dann in gleicher Weise wie oben anhand von Fig. 2 beschrieben, im Behälter 13 in unregelmässiger Weise aufgestapelt und zusammengepresst.
Es sind auch bereits kohlehaltige Filter vorgeschlagen worden, die nicht aus einem faserhaltigen Material, sondern aus einem porösen Material mit Zellstruktur als Träger für Kohlenpartikeln bestehen. Wird für diese Zwecke ein Körper mit Zellstruktur verwendet, der einen Gehalt an Kohlenwasserstoff-Verbindungen aufweist und eine Schwefelsäurekomponente solcher Form enthält, dass bei einer Erhitzung dieses Materials eine chemische Reaktion unter Kohlenstoffabscheidung erfolgt, so besteht die Möglichkeit, aus diesem zunächst keinen Kohlenstoff an der Oberfläche aufweisenden Material die gewünschten Filterkörper herzustellen und dann durch eine Wärmebehandlung die Kohlenstoffabscheidung an der Oberfläche zu bewirken.
Filterkörper dieser Art können entweder aus einem derart präparierten Material mit Zellstruktur hergestellt werden oder aus einem Trägermaterial beliebiger Art bestehen, dem das präparierte Material mit Zellstruktur in Form von Partikeln oder Flocken beigefügt ist.
Wie bereits oben erwähnt, ist bei kohlehaltigen Filtern für Tabakwaren, insbesondere für Zigaretten die Erzeugung von Doppel- oder Dreifachfiltern erforderlich, da das dem Saugende zugekehrte Stück des Filterstöpsels frei von Kohle sein soll. Normalerweise werden für solche Doppel- oder Mehrfachfilter die kohlehaltigen und die nicht kohlehaltigen Filterteile getrennt hergestellt und dann in besonderen Maschinen zu sogenannten Mehrfachfilterstäben aus hintereinander angeordneten, kohlehaltigen und nicht kohlehaltigen Teilstükken entsprechender Länge zusammengesetzt.
Zur Vermeidung dieser Zusammensetzung kohlehaltiger und nicht kohlehaltiger Filterstücke in besonderen Einrichtungen ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, solche Doppelfilterstäbe unmittelbar aus Papier- oder Faserbahnen herzustellen, die auf ihrer Oberfläche nur in Querstreifen mit Kohlenpartikeln versehen sind und dazwischen nicht kohlehaltige Querstreifen aufweisen, etwa in der in Fig. 4 angedeuteten Weise. Werden solche ebenen Papier- oder Faserbahnen in bekannter Weise zu einem endlosen Filterstrang verarbeitet und dieser an den richtigen Stellen in Filterstäbe unterteilt, dann entstehen die gewünschten Doppelfilterstäbe, wenn die kohlehaltigen und nicht kohlehaltigen Querbereiche entsprechende Breite besitzen.
Die Herstellung solcher abwechselnd kohlehaltigen und nicht kohlehaltigen Querbereiche ist bereits bekannt, beispielsweise aus den schweizerischen Patentschriften Nummern 341106 und 453 996, jedoch haben derartige Vorschläge bisher keinen Eingang in die Praxis gefunden, da natürlich die Verarbeitung derartiger, mit kohlehaltigen Querstreifen versehenen Materialbahnen ähnliche Schwierigkeiten bereiten wie die vollständig mit Kohlenpartikeln bedeckten Papier- oder Faserbahnen. Diese Schwierigkeiten lassen sich aber dadurch beseitigen, dass auf Papierbahnen, ebenen Faservliesen oder flach ausgebreiteten Fasersträngen die Schwefelsäurekomponente nicht gleichmässig über die ganze Oberund/oder Unterseite aufgebracht wird, sondern nur in Querstreifen mit dazwischen gelegenen, keine Schwefelsäurekomponente enthaltenden Querbereichen.
Das Aufbringen der Schwefelsäurekomponente auf einzelnen Querstreifen der Materialoberfläche kann in ähnlicher Weise erfolgen, wie dies aus den obengenannten Patentschriften bekannt ist, also beispielsweise durch Aufdrucken einer schwefelsäurehaltigen Lösung auf einzelne Querbereiche, wie schematisch in Fig. 4 angedeutet. Dabei kann die schwefelhaltige Lösung entweder zur homogenen Befeuchtung des ganzen Querstreifens benützt werden, oder der Aufdruck der schwefelsäurehaltigen Lösung erfolgt mit einem Raster wie bei 39 angegeben. Die Querstreifen können auch nur in einzelnen Teilen 40 oder 41 ihrer Oberfläche mit dem Lösungsmittel bedruckt werden.
Anstelle eines Druckverfahrens können auch alle anderen bekannten Methoden zur Aufbringung der schwefelsäurehaltigen Lösung auf solche Querstreifen der Materialbahn verwendet werden.
Eine derart nur in definierten Querstreifen präparierte Materialbahn kann ohne jede Schwierigkeiten zu Filterstäben verarbeitet werden, da das Vorhandensein einer Schwefelsäurekomponente auf Teilen der Bahn- oder Faseroberfläche nicht wahrgenommen werden kann oder irgendwelche Schwierigkeiten bei der Verarbeitung ergibt. Die aus solchen mit Querstreifen präparierten Materialbahnen hergestellten endlosen Filterstränge müssen natürlich an vorbestimmten Stellen in Filter aufgeteilt werden, wozu an den hierfür benützten Strangmaschinen ein Organ notwendig ist, das beim Durchlauf eines präparierten Querstreifens ein Signal liefert, das die Schneideinrichtung entsprechend steuern kann. Zur Betätigung dieses Organs ist es zweckmässig, der schwefelsäurehaltigen Lösung einen Indikator beizufügen, der dieses Organ zum Ansprechen bringt.
Ist beispielsweise das Steuerorgan mit einer optischen Abtastung des noch nicht vollständig umhüllten Faserstrangs versehen, so kann die Lösung mit einem Farbstoff oder auch einem fluoreszierenden Stoff versehen werden, der bei entsprechender Beleuchtung einen genügenden Kontrast der präparierten Querstreifen gegenüber den nicht präparierten Querbereichen ergibt. Auch andere als optische Indikatoren können verwendet werden, beispielsweise solche, welche beim Durchlauf der präparierten Querstreifen durch ein elektrisches oder magnetisches Feld eine Feldänderung hervorrufen.
Auch Faserdochte oder Faserstränge können nur in einzelnen Querbereichen mit einer Schwefelsäurekomponente versehen werden, beispielsweise durch Besprühen mit einer rasch benetzenden schwefelsäurehaltigen Lösung von aussen oder durch Einspritzen einer solchen Lösung in das Innere des Dochtes.
Das vorliegende Material mit einem Gehalt an Kohlenwasserstoff-Verbindungen und einer Schwefelsäurekomponente in solcher Form, dass bei Erhitzung des Materials eine chemische Reaktion unter Kohlenstoffabscheidung erfolgt, ist in seiner Anwendung natürlich nicht nur auf die oben beschriebenen homogenen oder mehrteiligen Filter für Tabakwaren beschränkt. Vielmehr kann ein derart präpariertes Material auch zur Herstellung von Filterkörpern für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von rohrförmigen Filterkörpern aus aufgewickelten Papier- und Faserbahnen bzw. Faservliesen sowie zur Herstellung plattenförmiger Filterkörper aus aufeinandergeschichteten präparierten Materialbahnen.
Die Erfindung ist nicht auf Materialien mit Faser- und/ oder Zellstruktur aus zellulosehaltigen Stoffen natürlicher oder künstlicher Herkunft beschränkt, oder auf die ebenfalls genannten Olefine. Vielmehr ist hierfür jedes Material geeignet, das einerseits Kohlenwasserstoff-Verbindungen enthält und anderseits während oder nach seiner Herstellung mit einer Schwefelsäurekomponente in einer solchen Form versehen werden kann, dass bei Erhitzung des Materials eine chemische Reaktion unter Kohlenstoffabscheidung erfolgt. Es existieren natürlich Hunderte von Stoffen, vorzugsweise Kunststoffen, die nicht unter den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen, da sie beim Vorhandensein einer Schwefelsäurekomponente und bei Erhitzung keine Kohlenstoffabscheidung bewirken.
Da die Feststellung, ob ein Material zum Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung gehört, durch eine ganz einfache Probe mit einer wässerigen Lösung von Schwefelsäure, Trocknung und anschliessenden Erwärmung des Materials während einiger Minuten auf eine Temperatur von über 80" C ermittelt werden kann, ist der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung jeweils leicht abzugrenzen.
Prepared material for the manufacture of bodies containing carbon,
Method of preparation and use of the material
The present invention relates to a prepared material with a fiber and / or cell structure for the production of carbon-containing bodies, in particular filters for smoke, gases and liquids. The invention also relates to a method for preparing this material.
Filters for smoke, gases and liquids that contain finely divided carbon, in particular so-called active carbon, are used for various technical purposes. Such porous bodies usually consist of a material with a fiber or cell structure and a surface to which finely divided carbon adheres. Occasionally, however, such filters also consist of compressed porous activated carbon, animal bone carbon and the like and are in the form of plates, rods or tubes. There are also already known foils with finely divided carbon powder on the surface and filters which have carbon-containing granules in a porous housing.
Such carbon-containing filters are used for the absorption or adsorption of vapor-like, liquid or solid particles from a gas or liquid flow or for the chemical binding of such substances.
The manufacture of such carbon-containing filters has so far mostly been carried out by compressing or sintering granulated activated carbon. In the case of foils or paper webs, carbon granulate or carbon powder is also applied to the surface and fixed there in a suitable manner.
Paper-like fiber-containing material webs can also be added to carbon powder already in the pulp during the production of the webs, or such webs, for example also fiber fleeces, are dipped in a carbon-containing emulsion or sprayed with it and then dried.
All of these manufacturing methods for carbonaceous bodies are costly and very cumbersome because of the resulting pollution of the facilities. Furthermore, the manipulation of the high-purity activated carbon usually adversely affects its absorption properties, which occasionally makes it necessary to activate it, for example by heating it in a vacuum or in a special gas atmosphere, after the body in question has been completed.
It would represent a significant advance in the production of carbon-containing filters if a material existed in the form of paper-like webs, fiber fleeces or with a cell structure that has no carbon particles on its surface, i.e. it would not cause any pollution when processed into filters, but on the surface of which, after mechanical completion, the filter body could be produced by a suitable treatment on all sides finely divided carbon.
The present invention relates to such a material, which is characterized by a content of such hydrocarbon compounds and a sulfuric acid component in such a form that when the material is heated, a chemical reaction with carbon deposition takes place.
The invention also relates to a method suitable for preparing this material, which is characterized in that, during or after the formation of the fiber or cell structure, the material is treated with a solution containing sulfuric acid and then excess solvent is removed.
The invention is explained below with reference to the drawings, for example. These show:
1 shows an embodiment for the preparation of a cellulosic paper web,
2 and 3 each show an exemplary embodiment for the preparation of a fiber strand or a fiber wick,
4 shows a material prepared for the production of double filters for cigarettes.
There are a large number of materials with a fiber structure that contain hydrocarbon compounds. These include, for example, all paper-like webs made from natural or artificial cellulose fibers, as well as nonwovens and fiber wicks containing such fibers. Besides cellulose fibers of natural and artificial origin, olefin fibers in the form of nonwovens or fiber strands are also used for many technical purposes. An important field of application of such fiber-containing materials is, for example, filters for tobacco products, in particular for cigarettes.
The processing of such fiber-containing materials does not normally cause any difficulties. If, on the other hand, attempts are made to produce filters with carbon content from such fiber materials, the carbon must be added in finely divided form to the fiber webs, nonwovens or fiber strands before they are processed into filter bodies so that it adheres to the surface of the webs or fibers. Even this addition of carbon particles to the fiber material is cumbersome; In particular, however, the processing of the fiber material provided with carbon particles into the desired filter bodies causes great difficulty, makes mass production inconvenient and accordingly makes the carbon-containing filters produced more expensive.
Investigations have now surprisingly found that the above-mentioned fiber materials only have to be provided with a sulfuric acid component, for example by treatment with a dilute solution containing sulfuric acid and subsequent drying, so that a material is created that has practically not undergone any visible change, but is prepared in this way is that after completion of the desired filter body by means of heating to, for example, 100 "C for a time of 3 to 10 minutes, a chemical reaction of this sulfuric acid component with the fiber material takes place, in which carbon is deposited in the finest form in the fiber surface.
Since the preparation of the material for the addition of the sulfuric acid component results in practically no change in the appearance or the processability, the production of the respectively desired filter body can be carried out in exactly the same way as with an unprepared material, and all of the above-mentioned difficulties are avoided. In addition, the deposition of finely divided carbon on the surface of the fibers after completion of the filter body by heating it avoids any undesirable poisoning of the carbon particles produced and such filters have a high degree of efficiency with regard to the separation of substances from gas and liquid flows after their heat treatment.
The preparation of the material will first be described using the example of paper-like fiber webs, fiber fleeces and fiber wicks as they are used for the production of smoke filters for tobacco products, especially for cigarettes.
Among the known filters for tobacco products, in particular for cigarettes, there are already those in which carbon is present in the filter in a suitable form. 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 arranged there.
In known filters of this type, carbon is applied in the form of powder or granules to a carrier, for example to a fiberized paper web, a fiber fleece or a fiber wick, and occasionally adhesives are used to better adhere the fine-grained carbon to the surface of the carrier material; Such carbon filters are usually used as so-called double filters, in which the carbon-containing filter part faces the tobacco column, while a non-carbon-containing filter part forms the suction end.
Another type of carbon filter has a chamber between two non-carbon-containing filter pieces, which is filled with coarse-grained carbon granulate so that a triple filter is present. The production of the carbon-containing filter pieces having a carrier material presents significant difficulties because the carbon particles must be added to the carrier material before it is processed into filter rods and filter stoppers. When producing triple filters with a chamber containing carbon granulate, there are also many problems which usually only allow a relatively low production speed of the filling devices.
All these difficulties are avoided if a material prepared according to the present process is used for the production of the filter rods, which differs from the filter materials otherwise used only by a sulfuric acid component in such a form that a chemical reaction occurs when the filter rods made of such prepared material are heated occurs with the material, causing carbon deposition.
In the case of so-called double filters with a carbon-containing filter part facing the tobacco column, a heavily frayed paper web made of cellulose fibers of natural and / or artificial origin is used to a certain extent as a carrier material for the carbon particles. Accordingly, this cellulose-containing paper material has a content of hydrocarbon compounds. Normally smooth paper webs are used as starting material for the production of such carbon-containing filter rods, which are defibrated in a known manner by appropriate devices and provided with carbon particles on the surface before or after defibration. This addition of carbon particles is unnecessary if the smooth paper web, which is usually in the form of paper rolls, is prepared according to the present process.
An embodiment of the method for preparing such raw paper webs is shown in FIG. 1. Here, the raw paper web 1 is unwound from the supply roll 2 and runs through an apparatus in which it is moistened with a solution containing sulfuric acid. In the present exemplary embodiment, the base paper web 1 runs over a deflection roller 20 and a dip roller 21, which rotates in the sulfuric acid-containing solution 22 in the container 23. The paper web prepared in this way then runs over the deflection roller 24, which is pressed by the roller 25, which consists for example of elastic material, so that excess solution is pressed out of the paper web.
The still moist paper web then runs through a drying device 26, in which the solvent of the sulfuric acid-containing solution 22 can optionally be recovered, and is wound onto the supply roll 27 after drying has taken place.
The paper roll 27 prepared in this way is externally similar to the raw paper roll 2 and can be processed in a known manner into heavily frayed paper webs and then into filter rods, as for example in Swiss Patents Nos. 331545, 331 197, 336 683, 341 106, 454714 without any special measures and 484743. The filter rods produced show the same white appearance as those made from an unprepared roll of raw paper 2.
Only when the filter rods produced in this way are heated to a temperature of over 80 ° C for a period of about 3-15 minutes does a chemical reaction of the sulfuric acid component with the carbon compounds in the cellulose-containing paper take place, during which carbon is deposited.
Accordingly, the fibrous material located on the roller 27 (FIG. 1) according to the method described is a particularly advantageous material for the production of carbon-containing filters, which is characterized by a content of carbon-hydrogen compounds and a sulfuric acid component in such form that when the material is heated, a chemical reaction occurs with carbon deposition. The present invention is limited to this material and the preparation thereof and does not relate to the further processing of the prepared material into filter rods.
The paper roll described, prepared according to the present process, is a product that is of course commercially exploited and, in addition to the production of carbon-containing filters for cigarettes and other tobacco products, also for filters
Purification of other gases and liquids can be used.
The method described above with reference to FIG. 1 can be carried out with an aqueous solution 22 which contains, for example, 0.1 to 5% by weight of concentrated sulfuric acid. However, it is also possible to use other solvents, particularly volatile solvents, for example alcohol or acetone, instead of water, which has the advantage that the energy to be expended in the drying device 26 to remove the excess solvent is significantly less than when using water . Instead of the immersion process shown in FIG. 1, the solution containing sulfuric acid can of course also be sprayed onto one or both sides of the paper web, or this paper web can be passed through a space with a vaporous or mist-like solution.
The method described above with reference to FIG. 1 for preparing a paper web with a sulfuric acid component can also take place immediately after the paper production, i.e. the paper web emerging from the known paper machines may be treated with a sulfuric acid solution in the manner described above before it is completely dried . Furthermore, there is the possibility of adding the sulfuric acid component to the paper in that the pulp used to produce the paper already contains this sulfuric acid component, so that the paper rolls produced from this already represent a prepared material provided with a sulfuric acid component.
As a carrier material for carbon-containing filter rods or
Filter stoppers for cigarettes are also used with flat fiber fleeces which have at least a proportion of cellulose fibers of natural and artificial origin or at least partially consist of olefin fibers. According to the present process, such fiber webs can also be prepared by treatment with a solution containing sulfuric acid and subsequent removal of the excess solvent so that after the filter rods have been made from such prepared fiber webs, carbon deposition can be effected by heating the filter rods. Such fiber webs can be present as flat, dimensionally stable fiber webs in the form of rolls, so that the method described above with reference to FIG. 1 for flat paper webs can be used.
Of course, there is also the option of adding the sulfuric acid component to the fibers during the manufacture of the nonwoven with such fiber webs. For example, flat fibrous webs containing cellulose are produced in such a way that the spread out fibrous material is first treated with alkalis, thereby made sticky on the surface, solidified into a flat web, then completely neutralized by adding acids and then dried; According to the present process, a sulfuric acid component can be added to the nonwoven fabric by working with a sulfuric acid solution either during the neutralization or afterwards and creating a nonwoven fabric which contains a sulfuric acid component.
Fiber strands or fiber wicks made of cellulosic fibers of natural or artificial origin, which are irregularly stacked in bales and delivered pressed together, are used to a large extent. When processing such fiber strands, for example consisting of cellulose acetate fibers or cellulose triacetate fibers, the material in question is pulled from the bale, the fiber strand is loosened into a wick by mechanical or pneumatic means, then provided with a plasticizer for the fiber surface, into a cylindrical strand of about 8 mm Compressed diameter and dried at the same time, then provided with a paper wrap and divided into filter rods.
For the production of carbon-containing filter rods, carbon powder had to be applied to the fiber surfaces and fixed there at a suitable point in this production process.
This additional addition of carbon powder can be avoided with the present method if the fiber strand is prepared according to the embodiment shown schematically in FIG. The fiber strand or fiber wick 3 is withdrawn from the bale 4 and fed via the deflection rollers 5, 6 and 7 to an impregnation device which corresponds to the impregnation device described above with reference to FIG.
Here, the fiber strand 3 runs over the deflection roller 20 and the dip roller 21 through the sulfuric acid-containing solution 22 in the container 23, is pressed between the rollers 24 and 25 and freed of excess solvent in the drying device 26. The fiber strand 11 provided with a sulfuric acid component then runs over the pulleys 8, 9, 10 to a stacking device 12 of known design and is irregularly stacked in a container 13 and then pressed together. The prepared fiber strand located in the container 13 does not differ in any way from the unprepared fiber strand 3 in the container 4 externally and with regard to its processing into filter rods.
The fiber strand, which has carbon-hydrogen compounds, however, now has a sulfuric acid component in such a form that when it is heated, a chemical reaction of this sulfuric acid component with the fiber material takes place with carbon deposition.
When preparing such fiber strands according to the method described with reference to FIG. 2, it is important that the solution 22 containing sulfuric acid soaks the fiber strand running through as completely as possible, for which purpose volatile solvents such as alcohol and acetone which quickly wet the fibers are useful. The method can be used for fiber strands made from smooth as well as from crimped fibers.
A method according to FIG. 3 can also be used to prepare fiber strands that consist of individual fibers that do not adhere to one another. Here, the fiber strand 3 is withdrawn from the bale 4 via the reversing rollers 28, 29 and runs through a pneumatic expansion chamber 30 and over the rotating rollers 31, 32 and 33, which it leaves as a flat path of largely parallel individual threads.
In the moistening device 34, the top and bottom of this flat fiber web is sprayed with a solution containing sulfuric acid and the excess solvent is removed in the subsequent drying device 35. The dry parallel individual fibers are then gathered again in a funnel-shaped device 36 to form a fiber strand 11 which, however, now contains a sulfuric acid component. This fiber strand 11 runs over the reversing rollers 37, 38 and is then in the same way as described above with reference to FIG. 2, stacked in the container 13 in an irregular manner and compressed.
There have also already been proposed carbon-containing filters which do not consist of a fiber-containing material but of a porous material with a cell structure as a carrier for carbon particles. If a body with a cell structure is used for this purpose, which has a content of hydrocarbon compounds and contains a sulfuric acid component in such a form that when this material is heated, a chemical reaction with carbon deposition takes place, there is the possibility of initially not removing any carbon from it Surface material having to produce the desired filter body and then to bring about the carbon deposition on the surface by a heat treatment.
Filter bodies of this type can either be produced from a material prepared in this way with a cell structure or consist of a carrier material of any kind to which the prepared material with a cell structure is added in the form of particles or flakes.
As already mentioned above, in the case of carbon-containing filters for tobacco products, in particular for cigarettes, the production of double or triple filters is necessary, since the piece of the filter plug facing the suction end should be free of carbon. Normally, for such double or multiple filters, the carbon-containing and non-carbon-containing filter parts are produced separately and then put together in special machines to form so-called multiple filter rods from carbon-containing and non-carbon-containing parts of corresponding length arranged one behind the other.
In order to avoid this combination of carbon-containing and non-carbon-containing filter pieces in special facilities, it has already been proposed several times to produce such double filter rods directly from paper or fiber webs that are only provided with carbon particles in transverse strips on their surface and have non-carbon-containing transverse strips in between, for example in the in Fig. 4 indicated manner. If such flat paper or fiber webs are processed into an endless filter rod in a known manner and this is divided into filter rods at the right places, then the desired double filter rods are created when the carbon-containing and non-carbon-containing transverse areas have the appropriate width.
The production of such alternating carbon-containing and non-carbon-containing transverse areas is already known, for example from Swiss patent specifications 341106 and 453 996, but such proposals have so far not found their way into practice, since of course the processing of such material webs provided with carbon-containing transverse strips cause similar difficulties like the paper or fiber webs completely covered with carbon particles. However, these difficulties can be eliminated by not applying the sulfuric acid component evenly over the entire upper and / or lower side of paper webs, flat fiber fleeces or flat fiber strands, but only in horizontal stripes with transverse areas in between that do not contain any sulfuric acid components.
The sulfuric acid component can be applied to individual transverse strips of the material surface in a manner similar to that known from the above-mentioned patents, for example by printing a solution containing sulfuric acid onto individual transverse areas, as indicated schematically in FIG. The sulfur-containing solution can either be used for homogeneous moistening of the entire transverse strip, or the sulfuric acid-containing solution is printed with a grid as indicated at 39. The transverse strips can also be printed with the solvent only in individual parts 40 or 41 of their surface.
Instead of a printing process, all other known methods for applying the sulfuric acid-containing solution to such transverse strips of the material web can also be used.
A material web prepared in this way only in defined transverse strips can be processed into filter rods without any difficulties, since the presence of a sulfuric acid component on parts of the web or fiber surface cannot be perceived or results in any difficulties during processing. The endless filter strands made from such material webs prepared with transverse strips must of course be divided into filters at predetermined points, for which purpose an element is necessary on the strand machines used for this purpose, which supplies a signal when a prepared transverse strip passes through, which the cutting device can control accordingly. To activate this organ, it is advisable to add an indicator to the solution containing sulfuric acid, which makes this organ respond.
If, for example, the control element is provided with an optical scan of the not yet completely encased fiber strand, the solution can be provided with a dye or a fluorescent substance which, with appropriate lighting, gives a sufficient contrast between the prepared transverse stripes and the unprepared transverse areas. Indicators other than optical indicators can also be used, for example those which cause a field change when the prepared transverse strips pass through an electric or magnetic field.
Also fiber wicks or fiber strands can only be provided with a sulfuric acid component in individual transverse areas, for example by spraying with a rapidly wetting solution containing sulfuric acid from the outside or by injecting such a solution into the interior of the wick.
The present material with a content of hydrocarbon compounds and a sulfuric acid component in such a form that when the material is heated a chemical reaction with carbon deposition occurs, is of course not limited to the homogeneous or multi-part filters for tobacco products described above. Rather, a material prepared in this way can also be used to produce filter bodies for other purposes, for example to produce tubular filter bodies from wound paper and fiber webs or nonwovens, and to produce plate-shaped filter bodies from prepared material webs stacked on top of one another.
The invention is not restricted to materials with a fiber and / or cell structure made from cellulose-containing substances of natural or artificial origin, or to the olefins also mentioned. Rather, any material is suitable for this, which on the one hand contains hydrocarbon compounds and on the other hand can be provided with a sulfuric acid component during or after its production in such a form that when the material is heated, a chemical reaction with carbon deposition takes place. There are of course hundreds of materials, preferably plastics, which do not fall under the scope of the present invention because they do not cause carbon deposition when a sulfuric acid component is present and when heated.
Since the determination of whether a material belongs to the scope of the present invention can be determined by a very simple sample with an aqueous solution of sulfuric acid, drying and subsequent heating of the material for a few minutes to a temperature of over 80 "C, the scope is of the present invention to be easily delimited.