CN104428467A - 在水中快速分解的滤嘴纸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在水中快速分解的纸，用作香烟滤嘴的滤嘴材料或者滤嘴卷纸，其具有以下属性：纸的至少80wt％、优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％由纤维素纤维形成。所述纤维素纤维的至少80wt％、优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％是长纤维浆与丝光化浆的混合物。所述混合物的含量中0至90wt％由丝光化浆形成，其余为长纤维浆，并且所述混合物的纤维素纤维具有根据ISO5267的为不大于30°SR的打浆度，优选地为不大于25°SR以及特别优选地为不大于20°SR。在使用TAPPI T 261所描述的装置进行的分解测试中，在30秒之后所述纸呈现至少60％的分解，优选地至少70％以及特别优选地至少80％。

Description

在水中快速分解的滤嘴纸

技术领域

本发明涉及纸，用于生产香烟滤嘴或者用作滤嘴卷纸。本发明还涉及对应的香烟以及对应的生产方法。所述纸具有在水中快速分解的特性，从而改善了由其制造的香烟滤嘴的生物降解性。

背景技术

常规生产的滤嘴香烟通常由柱形烟草杆和滤嘴组成，烟草杆被香烟纸卷起，滤嘴由滤嘴材料制成并且被滤嘴卷纸卷起。常用滤嘴材料是醋酸纤维素。典型地，烟草杆和滤嘴通过接装纸彼此连接。

滤嘴香烟消费之后剩余的残渣主要由滤嘴组成。在很多情况下，这些残渣不是以有序的方式处理，而是仅被简单地扔掉，由于此原因其仍然保留在环境中，直到其由于环境影响而分解。在分解过程期间，首先接装纸和滤嘴卷纸与滤嘴材料分离。该过程发生地相对快速，然而取决于环境条件，醋酸纤维素纤维的分解需要一个月至三年。因此，行业内感兴趣的是寻找在环境中比醋酸纤维素纤维显著更快地降解的用于香烟滤嘴的材料。

作为醋酸纤维素纤维的替换，还公知的是纸用作香烟的滤嘴材料。尽管纸通常在环境中比醋酸纤维素更快降解，然而公知纸滤嘴的降解仍然比期望地慢。

纸在水中的分解速度能够用描述于TAPPI方法T 261“湿筛造纸原料的精细重量比例”中的装置来测量。该装置由柱形容器组成，该容器具有10cm的内径，填充有23℃的温蒸馏水，该容器的下端设置有滤网并且由滤网下面的排出阀封闭。在该容器中存在搅拌单元，搅拌单元的速度能够设定为每分钟10至3000转。该滤网中每25mm具有32网目，开口宽度为0.57mm。关于搅拌单元、其在容器中的位置以及对该装置的进一步详细描述能够从TAPPI T 261获取。将纸样品放入容器，同时搅拌单元运行，在限定的旋转速度下搅拌具有纸样品的水达限定时间。然后通过打开排出阀将水排出，使得纤维保留在滤网上。然后将具有纤维的滤网进行干燥，并且通过图像分析来确定被分解的纸的部分。

详细地说，测量如下进行。将所要测量的纸在ISO187限定的条件下适应至少两个小时。切割成20±0.5×20±0.5mm的小纸片。在开始测量时，用800ml的水填充容器。然后启动搅拌单元，并且设定为每分钟800转的旋转速度。将纸样品放入容器，在该容器中纸样品能够因搅拌单元引起的剪切力的作用而分解。在添加样品之后30秒停止搅拌单元，通过打开排出阀将水立即排出。没有分解的单根纤维和纸片会保留在滤网上。

在将水排出之后，将滤网与纤维一起在105℃的烘箱中干燥5分钟。通过图像分析来确定留在滤网上的纤维量。为此，将具有纸样品残渣的滤网放置在黑基板上，并且使用数码相机获得具有足够分辨度的灰度图像。用适当的软件，例如程序“Image J”，来分析该图像。

在所获取的数字图像中，滤网和单根纤维将变暗，而未分解的纤维束和较大的纸残渣变亮。灰度值被定义为阈值，该阈值可清楚地区分滤网和单根纤维与纤维束和纸残渣。对于特征在于值从0(黑)到255(白)的稳定增加的256值灰度值，在多数情况下值为140可以胜任合理的阈值选择，结果仅在很小程度上依赖于精确数值。

之后，对灰度值大于阈值、故属于纤维束或者纸的较大残渣的像素的数量进行计数。确定这些像素的数量与对应于20×20mm无损坏纸样品的像素总数量之间的比例。用1减去该比例并且以百分率表示。百分率越高，分解的纸越多。

在罕见的情况下会发生的是，稍微分解的纸样品折叠沉积在网上而不是平铺沉积在网上。因为可见纸表面较小，所以这些样品将错误地指示纸的较大程度的分解。在这种情况下，必须舍弃该样品，并且必须用新样品重复进行测量。

在该分解测试中至少60％的结果对应于在几分钟内容器中因稍微移动的水而完全分解的纸，而对于常规纸来说分解测试提供较低的结果，常规纸在这些条件下即使在几小时之后也不会显示任何分解迹象。

用这种常规纸制造的香烟滤嘴的劣势在于，在环境中比期望地降解地更慢。总之，不得不说的是，常规纸在干态下具有足够的稳定性，例如使得它们能够被机器加工，一般来说在水中溶解得慢于本发明目的所期望的。

现有技术中已经尝试开发在水中相对快溶解的纸材料。在该方面的一个例子是使用未漂白浆料，由其可以生产出确实快速分解的滤嘴，然而，其提供的滤嘴具有通常不期望的浅棕色。

发明内容

本发明的目的是提供这样的滤嘴材料，其能够方便且廉价地生产，同时在水中相对快地分解。该目的是通过根据权利要求1的在水中快速分解的纸以及根据权利要求13的其生产方法来实现的。本发明的进一步目的是使用这种材料的滤嘴香烟。从属权利要求公开了进一步优选的实施方案。

根据本发明，提出了在水中快速分解的纸，用作滤嘴材料，其具有以下属性：

-纸的至少80wt％，优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％由浆纤维形成，

-浆纤维的至少80wt％，优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％由长纤维浆和丝光化浆的混合物组成，

其中，所述混合物的0至90wt％由丝光化浆组成，其余为长纤维浆，以及

其中，所述混合物的浆纤维具有根据O5267确定的不大于30°SR的打浆度，优选地不大于25°SR以及特别优选地不大于20°SR，

-在使用TAPPI T 261所描述的装置进行的分解测试中，在30秒之后，纸呈现至少60％、优选地至少70％以及特别优选地至少80％的分解。

发明人已经发现，通过组合特殊浆料，即浆纤维的相对高的浆料比例和相对低的打浆度，能够制造出在水中快速分解而在干态下具有足够稳定性的纸，并且其适用于用作香烟滤嘴的滤嘴材料。然而，这种纸还能够有利地被用作滤嘴卷纸，出于与滤嘴材料同样的原因，其本身在水中可快速分解。

由于相对低强度的精磨，避免了纤维束的过度纤丝化，因而限制了在纤维网中形成氢键的可能性，形成氢键会阻碍纸在水中的溶解。

然而，同时，常规纸中同样的氢键负责提供纸在干态下的足够的机械强度。在本发明的内容中，通过使用长纤维浆和丝光化浆的混合物来实现在水中分解和干态下的机械强度这些看似冲突的性能之间的适当折中，其中，混合物由以下组成：至多90wt％的丝光化浆，其余为长纤维浆。换句话说，该“混合物”包括全部浆料是长纤维浆的可能性。丝光化浆的例子是用氢氧化钠溶液处理以提供具有低密度特别大体积的纸的浆料。

此外，通过保持浆料含量相对较高可有利于干态下的足够强度，因此仅仅使用少量填料，甚至不使用填料。正如将从下文的三个示范实施方案示出的，根据本发明，通过选择浆料、浆料在全部质量中的高比例以及低打浆度，能够获得兼有干态下的足够强度和在水中快速分解的滤嘴或者滤嘴卷纸。长纤维浆的平均纤维长度为大于1mm，优选地大于2mm，并且小于5mm，优选地小于4mm。长纤维浆能够从针叶木获得，特别是从云杉或松树获得。

在现有技术中公知的是，在造纸机的施胶压榨和薄膜压榨过程中，施加淀粉、淀粉衍生物或者纤维素衍生物至纸的表面，以增加纸的强度并且改善纸的某些其他性能。如果物质是水溶性的，则在施胶压榨或薄膜压榨过程中施加是很有必要的，如果这些物质在生产纸的早期阶段在水中溶解，例如在碎浆机中或流浆箱中，则它们将在加压段和干燥段中在滤网上失去很大一部分。

然而，发明人发现，在造纸机的施胶压榨或薄膜压榨的任选加工之前的任何情形下，如果使用水溶性纤维素衍生物，尤其是羧甲基纤维素(CMC)，处理湿态的浆纤维悬浮液的话，能够特别好地产生期望属性，即干态下具有良好机械强度以及在水中快速分解。这是惊人的结果，因为已经发现，实际上，水溶性淀粉衍生物中的最大部分不会进入纸，而是通常以溶解状态保留在滤网水中。如果纤维素衍生物的比例例如是碎浆机中纤维团的20wt％，则发现纤维素衍生物在最终纸中的比例显著低于最终纸的3wt％，通常基本上低于最终纸的1wt％。然而，发现的是，尽管相对低比例的纤维素衍生物保留在纸中，干态下的机械强度和水中的降解性因而增加了，这是本发明的优化效果。

此外，发现的是，用纤维素衍生物处理的方式具有决定性重要性，在某些方面具有比在最终纸中纤维素衍生物的绝对含量更大的重要性。这是因为发明人已经发现，对于常规处理来说，在造纸机的施胶压榨或薄膜压榨中不会发生优选效果，虽然与添加至碎浆机、流浆箱或者滤网段(正如提到的，在这些地方，很大一部分纤维素衍生物损失在滤网水中)的情况下相比，在常规处理情况下可以实现最终纸中非常高的纤维素衍生物含量。发明人推想，这种特殊技术效果是因这样的事实引起的：纤维素衍生物很薄地涂布在纤维上并且妨碍了氢键的形成，但同时导致纤维的附着，尽管这分别确保了纸干态下和相对高的机械强度或者断裂强度，然而，在水中，纤维素衍生物快速溶解，于是纸快速分解。

所得的纸具有可测量的相对低比例的水溶性纤维素衍生物，在0.1wt％和3wt％之间，优选地在0.3wt％和2wt％之间。相对低比例纤维素衍生物是在造纸机的施胶压榨或薄膜压榨的任选加工之前处理浆纤维悬浮液的结果。

在优选的实施方案中，本发明因此涉及根据先前描述的本发明实施方案的香烟滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其能够通过以下获得：在造纸机的施胶压榨或薄膜压榨的任选加工之前，使用水溶性纤维素衍生物处理在纸的生产中所使用的浆纤维悬浮液。在该方面，措辞“在造纸机的施胶压榨或薄膜压榨的任选加工之前”意味着，对于生产来说，施胶压榨或薄膜压榨不是必须使用的，但其排除这种施胶压榨或薄膜压榨中的现有技术常规的处理，根据发明人的严谨研究，这种施胶压榨或薄膜压榨不提供出于本发明目的的纸的特别有利的属性。

在该方面，处理浆纤维悬浮液能够包括一个或多个以下加工步骤：

-将纤维素衍生物添加至碎浆机中的纤维团，其中，纤维素衍生物的比例优选地大于所述碎浆机中的纤维团的5wt％，特别优选地大于所述碎浆机中的纤维团的10wt％，

-将所述纤维素衍生物添加至造纸机的碎浆机，和/或

-在施胶压榨或薄膜压榨之前，施加在所述造纸机中运转的仍然潮湿的浆纤维悬浮液网状物上。

施加能够尤其通过喷洒来执行，例如喷洒在造纸机的滤网段中。

在特别优选的实施方案中，纤维素衍生物由羧甲基纤维素(CMC)形成，其中特别是具有取代度为0.6至0.95的钠-CMC，优选为0.65至0.9，已经被证明是优选的。

在优选的实施方案中，滤嘴或者滤嘴卷纸具有的根据ISO1924的至少9N/15mm的断裂强度，优选地至少10N/15mm以及特别优选地至少12N/15mm。断裂强度的这种值足以允许纸的进一步自动加工，因此断裂强度大于12N/15mm是优选的。

优选地，滤嘴纸或者滤嘴卷纸具有的基重为10至50g/m²，特别优选为20至40g/m²。

滤嘴纸的生产优选地在斜网纸机上执行，因为在这些机器上能够生产具有特别高孔隙率的纸，其过滤效率尤其适合于香烟烟雾的过滤。次优选的替代品是长网造纸机或圆网造纸机。

为了用滤嘴纸生产滤嘴塞，通常对宽度例如约30cm的纸网进行压花和/或起皱，有时，这还在升高的温度或者湿度下进行。然后正如常规醋酸纤维素滤嘴那样，将滤嘴纸形成连续的杆，该杆被滤嘴卷纸卷起。随后从该杆切割滤嘴塞。

除了在纸生产中使用的常规加工辅助装备，根据本发明的纸的生产不需要其他部件；在这方面，根据本发明的纸确实能够容易且廉价地制造。然而，此外，能够向纸添加特殊物质以增加或改善其过滤效果。在优选实施方案中，纸包含催化地促进CO降解为CO2的金属氧化物，例如铁氧化物。同样地，能够使用选择性地从烟雾中移除香烟烟雾的特定成分的其他物质，诸如碳酸盐(碳酸钠或碳酸钾)或碳酸氢盐(例如，碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢铵)或磷酸盐(例如，磷酸钠或磷酸钾)。然而，这些物质应该在水中快速溶解，或者如果它们是不溶于水的，应该以颗粒存在，该颗粒足够小以致于对根据本发明的纸在水中的分解不产生负面影响。

具体实施方式

现在将结合以下三个示范实施方案解释本发明：

示范实施方案1：

在斜滤网机器上用100wt％的商标名称为Green 85FZ的长纤维浆生产根据本发明的滤嘴纸。该浆料用松树和云杉木材生产，具有2.35mm至2.65mm之间的平均纤维长度。为了实现足够的断裂强度，将浆料精磨到15°SR的打浆度。该纸具有26.9g/m²的基重并且断裂强度为10.6N/15mm。在分解测试中，发现80％至85％的纸分解。

示范实施方案2：

在斜网纸机上用70wt％(相比纸的全部纤维团)的商标名称为Green 85FZ的长纤维浆以及30wt％(也相比纸的全部纤维团)的商标名称为Buckeye HPZ的丝光化浆生产根据本发明的滤嘴纸。将纤维精磨到15°SR的打浆度。该纸具有28.6g/m²的基重并且断裂强度为9.7N/15mm。在分解测试中，发现80％至85％的纸分解。

示范实施方案3：

在斜网纸机上用100wt％的商标名称为Green 85FZ的长纤维浆生产根据本发明的滤嘴纸。在碎浆机中浆料的分散期间，添加商标名称为7ULC的CMC，其量为纤维团的20wt％。将由CMC处理后的浆纤维精磨到15°SR的打浆度。该纸具有27.9g/m²的基重并且断裂强度为14.81N/15mm。在纸中CMC相对于全部纸质量的比例小于1wt％。在分解测试中，发现96％至99％的纸分解。

前述三个示范实施方案示出了：利用根据本发明的滤嘴纸，实际上，干态下的足够机械强度(也即，断裂强度为大约10N/15mm或更高)能够与在水中快速分解的能力兼有。这甚至是更引人注目的，因为能够格外容易因而廉价地生产具有有利属性的纸。

示范实施方案3还示出了通过添加水溶性纤维素衍生物能够实现的特殊技术效果，在该具体情况中，CMC的商标名称为7ULC。精磨CMC是最低纯度为98％的带负电荷的钠CMC。根据MA304.1506A测量，7ULC的取代度为0.65–0.90，具有7.0％至8.9％的钠含量。通过添加CMC，正如能够从与示范实施方案1的比较看出的，能够显著增加断裂强度，并且也能加速纸的分解。这是令人惊讶和显著的结果，因为在水中的分解率以及断裂强度通常是对抗的参数，在这个意义上，一个参数的优化通常是以牺牲另一参数为代价的。

下文中将这三个示范实施方案与两个比较例比较，这两个比较例不是本发明的实施方案。

比较例1：

在快速纸页成形器上用100wt％的商标名为Green85FZ的长纤维浆生产不是根据本发明的滤嘴纸，快速纸页成形器具有静态的纸页成形机，来自PTI纸测试仪器GmbH公司，RK3-KWT型号，序列号0311。将浆纤维精磨到50°SR的打浆度。该纸具有26.6g/m²的基重并且断裂强度为19.54N/15mm。分解测试显示0％的纸分解。比较例1与示范实施方案1的不同之处基本上在于，打浆度选择地相当高，为50°SR。能够看出，该纸具有相当高的断裂强度，但在水中的分解非常慢。

比较例2：

在斜网纸机上用100wt％的商标名为Green 85FZ的长纤维浆生产不是根据本发明的滤嘴纸。将浆料精磨到15°SR的打浆度。在施胶压榨过程中，用商标名称为7ULC的CMC的2％水溶液完全浸渍该纸。该纸具有26.8g/m²的基重并且断裂强度为13.88N/15mm。在纸中CMC的比例为1wt％至2wt％。分解测试显示40％至50％的纸被分解。

在比较例2中，根据生产纸的常规方法在施胶压榨中施加CMC，使得大约与示范实施方案3相同量的CMC存在于纸中。然而，分解测试的结果显示：向基本干的纸较晚地施加CMC(正如发生在造纸机中那样)并未导致期望的效果，然而添加在碎浆机中(正如示范实施方案3中那样)或者至少施加在依然潮湿的纸上，对纸的快速分解是必要的。

将比较例2与示范实施方案1比较进一步显示了：在施胶压榨过程中CMC的施加导致增加了断裂强度，但同时减慢了在水中的分解，因此不适合于本发明的目的。

Claims (15)

1.在水中快速分解的纸，用作香烟滤嘴的滤嘴材料或者滤嘴卷纸，其具有以下属性：

-纸的至少80wt％、优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％由浆纤维形成，

-所述浆纤维的至少80wt％、优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％由长纤维浆与丝光化浆的混合物组成，

其中，所述混合物的0至90wt％由丝光化浆组成，其余为长

纤维浆，以及

其中，所述混合物的浆纤维具有根据ISO5267确定的不大于30°SR的打浆度，优选地为不大于25°SR以及特别优选地为不大于20°SR，

-在使用TAPPI T 261所描述的装置进行的分解测试中，在30秒之后所述纸呈现至少60％的分解，优选地至少70％以及特别优选地至少80％。

2.根据权利要求1所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其中，所述长纤维浆的平均纤维长度为大于1mm，优选地大于2mm并小于5mm，优选地小于4mm。

3.根据权利要求1或2所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其中，所述长纤维浆从针叶木获得，特别是从云杉或松树获得。

4.根据前述权利要求中任一项所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其包含水溶性纤维素衍生物。

5.根据权利要求4所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其中，所述水溶性纤维素衍生物的比例在0.1wt％和3wt％之间，优选地在0.3wt％和2wt％之间。

6.根据权利要求4或5所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其能够通过以下来获得：在任选的造纸机施胶压榨或薄膜压榨加工之前，使用一种或多种水溶性纤维素衍生物处理在纸的生产中所使用的浆纤维悬浮液。

7.根据权利要求6所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其中，处理所述浆纤维悬浮液包括一个或多个以下加工步骤：

-将所述纤维素衍生物添加至碎浆机中的纤维团，其中，所述纤维素衍生物的比例优选地大于所述碎浆机中的纤维团的5wt％，特别优选地大于所述碎浆机中的纤维团的10wt％，

-将所述纤维素衍生物添加至造纸机的流浆箱，和/或

-施加在所述造纸机中运转的仍然潮湿的浆料悬浮液网状物上，尤其是通过喷洒，优选地喷洒在所述造纸机的滤网段。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其中，所述纤维素衍生物由羧甲基纤维素(CMC)形成，特别是由取代度为0.6至0.95、优选为0.65至0.9的钠-CMC形成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其中，所述纸具有根据ISO1924的至少9N/15mm的断裂强度，优选地为至少10N/15mm以及特别优选地为至少12N/15mm。

10.根据前述权利要求中任一项所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其具有的基重为10至50g/m²，优选为20至40g/m²。

11.根据前述权利要求中任一项所述的滤嘴纸或者滤嘴卷纸，其还包含催化地促进CO降解为CO₂的金属氧化物。

12.滤嘴香烟，其滤嘴或者滤嘴卷纸是根据权利要求1至11中任一项所述的纸。

13.用于生产滤嘴纸或者滤嘴卷纸的方法，具有以下步骤：

-将长纤维浆和丝光化浆的混合物精磨成打浆度不大于30°SR，优选地不大于25°SR以及特别优选地不大于15°SR，其中，所述混合物的0至90wt％由丝光化浆组成，其余为长纤维浆，

-在纸的生产中使用浆料混合物，其中，所述混合物占所采用的全部浆料的至少70wt％，优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％，并且所述全部浆料占纸的至少80wt％，优选地至少90wt％以及特别优选地至少95wt％。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在任选的造纸机施胶压榨或薄膜压榨加工之前，使用一种或多种水溶性纤维素衍生物处理浆纤维悬浮液，水溶性纤维素衍生物尤其是CMC，优选的是取代度为0.6至0.95、优选为0.65至0.9的钠-CMC。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，处理所述浆纤维悬浮液包括一个或多个以下方法步骤：

-将纤维素衍生物添加至碎浆机中的浆纤维团，其中，所述纤维素衍生物的比例优选地大于所述碎浆机中的浆纤维团的5wt％，特别优选地大于所述碎浆机中的纤维团的10wt％，

-将所述纤维素衍生物添加至造纸机的流浆箱，和/或

-施加在所述造纸机中运转的仍然潮湿的浆料悬浮液网状物上，尤其是通过喷洒，优选地喷洒在所述造纸机的滤网段。