DE102010032814B4

DE102010032814B4 - Zigarettenpapier mit hoher Diffusionskapazität während des thermischen Zerfalls, Zigarette, Verfahren zur Herstellung eines Zigarettenpapiers sowie Verwendung eines wasserlöslichen Salzes

Info

Publication number: DE102010032814B4
Application number: DE201010032814
Authority: DE
Inventors: Dietmar Volgger
Original assignee: Delfortgroup AG
Current assignee: Delfortgroup AG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2030-07-31
Also published as: BR112012033375B1; JP5897567B2; PL2597975T3; EP2597975B1; US20130139838A1; DE102010032814A1; BR112012033375A2; EP2597975A1; CN103002758A; MY161365A; WO2012013334A1; ES2663333T3; KR20130135835A; KR101840071B1; JP2013536326A

Abstract

Zigarettenpapier, das mindestens ein wasserlösliches Salz umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Salz ein Salz ist, welches nach Aufheizen auf 230°C mehr als 15%, vorzugsweise mehr als 25% seiner Ausgangsmasse verloren hat, wenn das Aufheizen, ausgehend von einer Starttemperatur von 30°C, mit einer Heizrate von 5°C/min unter einem Stickstoffstrom von 25 ml/min erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zigarettenpapier, das ein wasserlösliches Salz, vorzugsweise Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat oder Ammoniumcarbonat enthält, wodurch eine hohe Diffusionskapazität während des thermischen Zerfalls und damit eine Reduktion von Kohlenmonoxid im Zigarettenrauch erreicht wird.
Hintergrund der Erfindung
Es ist allgemein bekannt, dass der Zigarettenrauch viele gesundheitsschädliche Substanzen enthält, unter anderem auch Kohlenmonoxid. Es besteht daher ein großes Interesse in der Industrie, Zigaretten zu produzieren, deren Rauch nennenswert weniger schädliche Substanzen enthält. Zur Reduktion der Menge an solchen Substanzen sind Zigaretten sehr oft mit Filtern, typischerweise aus Celluloseacetat, ausgestattet. Diese Filter sind jedoch nicht in der Lage, den Gehalt an Kohlenmonoxid im Rauch der Zigarette zu reduzieren, da Celluloseacetat das Kohlenmonoxid nicht absorbieren kann. Verschiedene Vorschläge, Katalysatoren in den Filter einzubauen, um Kohlenmonoxid in das weniger schädliche Kohlendioxid umzuwandeln, waren bisher teils aus funktionalen teils aus wirtschaftlichen Gründen nicht erfolgreich.
Es ist auch bekannt, den in der Zigarette entstehenden Rauch beispielsweise durch einen durch die Perforation des Mundstückbelagpapiers strömenden Luftstrom zu verdünnen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es den Gehalt an Kohlenmonoxid im Zigarettenrauch reduzieren kann, jedoch den Nachteil, dass auch die den Geschmack der Zigarette bestimmenden Substanzen verdünnt werden und damit der Geschmackseindruck der Zigarette und die Kundenakzeptanz verschlechtert werden.
Es ist zudem bekannt, dass durch Erhöhung der Gasdiffusion durch das Zigarettenpapier Kohlenmonoxid im Zigarettenrauch selektiv reduziert werden kann. Verschiedene Ansätze, die Diffusionskonstante des Zigarettenpapiers zu erhöhen, beispielsweise durch Wahl geeigneter Partikelgrößenverteilungen der Füllstoffe, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Wiewohl diese Ansätze erste Erfolge gezeigt haben, mangelt es noch immer an einer Möglichkeit, die Diffusionskonstante des Zigarettenpapiers so nennenswert zu steigern, dass eine substanzielle Reduktion an Kohlenmonoxid zustande kommt.
Hohe Werte an Kohlenmonoxid werden vor allem auch für die aus dem Stand der Technik bekannten selbstverlöschenden Zigaretten beobachtet. Bei solchen Zigaretten werden auf das Zigarettenpapier brandhemmende Streifen aufgebracht, um in einem genormten Test (ASTM E2187-04) Selbstverlöschung zu erzielen. Dieser Test ist Bestandteil gesetzlicher Regelungen, wie beispielweise in den USA, Kanada, Australien und Finnland. Die erhöhten Werte an Kohlenmonoxid kommen dadurch zustande, dass das Kohlenmonoxid nicht durch die brandhemmenden Streifen aus der Zigarette diffundieren kann. Es besteht daher ein Interesse in der Industrie, Zigarettenpapiere zur Verfügung zu haben, die diesen unerwünschten Nebeneffekt kompensieren.
Typische Zigarettenpapiere bestehen aus Zellulosefasern, die aus Holz, Flachs oder anderen Materialien gewonnen werden. Auch Gemische aus Zellulosefasern verschiedener Herkunft werden eingesetzt. Zigarettenpapiere haben ein typisches Flächengewicht von 10 g/m² bis 60 g/m², wobei der Bereich von 20 g/m² bis 35 g/m² im Allgemeinen bevorzugt wird.
Zigarettenpapiere enthalten oft auch anorganische, mineralische Füllstoffe, die dem Papier zu einem Massenanteil von 10% bis 40% zugesetzt werden. Ein häufig eingesetzter Füllstoff ist Kalk (Kalziumcarbonat). Eingesetzt werden aber auch andere Carbonate und Oxide, wie Magnesiumoxid sowie Aluminiumhydroxid.
Das Zigarettenpapier kann außerdem auch mit Brandsalzen ausgestattet werden, die die Glimmgeschwindigkeit des Papiers erhöhen oder verringern. Sehr häufig eingesetzt werden Trinatrium- und Trikaliumzitrat und Gemische daraus, die dem Papier zu 0% bis 5% der Papiermasse zugesetzt werden. Die Gruppe der Brandsalze von technischer Bedeutung umfasst aber zusätzlich weitere Zitrate, Malate, Tartrate, Acetate, Nitrate, Succinate, Fumarate, Gluconate, Gycolate, Lactate, Oxylate, Salicylate, α-Hydroxycaprylate und Phosphate. Dabei wird das Papier beispielsweise in der Leimpresse mit einer Lösung oder Suspension dieser Brandsalze imprägniert, oder die Lösung oder Suspension wird in einer Filmpresse auf die Oberfläche des Papiers aufgetragen.
Eine typische Eigenschaft des Zigarettenpapiers von großer technischer Bedeutung ist seine Luftdurchlässigkeit. Sie beschreibt die Durchlässigkeit des Papiers für einen Luftstrom, der durch eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Papiers verursacht wird. Sie bezeichnet daher das durch das Papier pro Zeiteinheit, pro Flächeneinheit und pro Druckdifferenz tretende Luftvolumen und hat daher die Einheit cm³/(min cm² kPa). Sie wird häufig als CORESTA Einheit (CORESTA Unit, CU) bezeichnet, wobei gilt 1 CU = 1 cm³/(min cm² kPa). Typische Zigarettenpapiere weisen eine Luftdurchlässigkeit zwischen 10 CU und 300 CU auf, wobei der Bereich 20 CU bis 120 CU vorzugsweise Verwendung findet. Die Luftdurchlässigkeit kann beispielsweise nach ISO 2965 bestimmt werden.
Eine weitere wichtige Eigenschaft des Zigarettenpapiers ist dessen Diffusionskapazität. Die Diffusionskapazität ist ein Transferkoeffizient und beschreibt die Durchlässigkeit des Zigarettenpapiers für einen Gasstrom, der durch eine Konzentrationsdifferenz verursacht wird. Sie bezeichnet daher das durch das Papier pro Zeiteinheit, pro Flächeneinheit und pro Konzentrationsdifferenz tretende Gasvolumen und hat daher die Einheit cm³/(cm²s) = cm/s. Die Diffusionskapazität eines Zigarettenpapiers für CO₂ kann beispielsweise mit dem CO₂ Diffusivity Meter der Firma Sodim bestimmt werden. Typische Zigarettenpapiere weisen bei Raumtemperatur eine Diffusionskapazität zwischen 0,1 cm/s und 3,5 cm/s auf, wobei der Bereich von 0,5 cm/s bis 3,0 cm/s vorzugsweise auftritt.
Die Diffusionskapazität kann bei Raumtemperatur oder Normbedingungen, wie beispielsweise einer Temperatur von 23°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% gemessen werden, nachdem das Papier entsprechend konditioniert wurde. Alternativ ist es unter anderem auch möglich, die Diffusionskapazität des Papiers zu bestimmen, nachdem das Papier einer thermischen Belastung, insbesondere durch erhöhte Temperaturen, ausgesetzt wurde.
Sowohl die Luftdurchlässigkeit als auch die Diffusionskapazität werden durch die Porenstruktur des Zigarettenpapiers bestimmt, sodass zwischen diesen Größen ein Zusammenhang besteht. Es erweist sich als technisch schwierig, die Diffusionskapazität unabhängig von der Luftdurchlässigkeit des Papiers im Papierherstellungsprozess einzustellen. Insbesondere ist die Luftdurchlässigkeit in den meisten Fällen Gegenstand der von den Herstellern von Zigaretten vorgegebenen Papierspezifikation, sodass sich unter dieser Vorgabe die Diffusionskapazität praktisch aus dem Papierherstellungsprozess ergibt und nur in einem kleinen Bereich variiert werden kann. Daher besteht insbesondere ein Interesse darin, Papiere zu finden, deren Diffusionskapazität erst bei Bedarf steigt, nämlich eben dann, wenn auf der glimmenden Zigarette durch den Glutkegel die Temperatur des Papiers erhöht wird.
Die Substanzen im Zigarettenrauch werden durch ein Verfahren bestimmt, bei dem die Zigarette nach genormten Vorgaben abgeraucht wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in ISO 4387 beschrieben. Dabei wird die Zigarette zunächst am Beginn des ersten Zugs angezündet und dann jede Minute ein Zug am Mundende der Zigarette mit einer Dauer von 2 Sekunden und einem Volumen von 35 cm³ bei einem sinusförmigen Zugprofil an der Zigarette durchgeführt. Die Züge werden dabei solange an der Zigarette wiederholt, bis die Zigarette eine bestimmte, in der Norm vorgegebene Länge unterschreitet. Der aus dem Mundende der Zigarette während der Züge strömende Rauch wird in einem Cambridge Filter Pad gesammelt und dieser Filter wird danach hinsichtlich seines Gehalts an verschiedenen Substanzen, beispielsweise Nikotin, chemisch analysiert. Die aus dem Mundende der Zigarette während der Züge durch das Cambridge Filter Pad hindurchströmende Gasphase wird gesammelt und ebenfalls chemisch analysiert, beispielsweise um den Gehalt an Kohlenmonoxid im Zigarettenrauch zu ermitteln.
Während des genormten Abrauchens befindet sich die Zigarette also in zwei strömungstechnisch unterschiedlichen Zuständen. Während des Zugs besteht eine nennenswerte Druckdifferenz, typischerweise im Bereich von 200 Pa bis 1500 Pa zwischen der dem Tabak zugewandten Innenseite des Zigarettenpapiers und der Außenseite des Zigarettenpapiers. Durch diese Druckdifferenz strömt Luft durch das Zigarettenpapier in den Tabakteil der Zigarette und verdünnt den während des Zuges entstehenden Rauch. Während dieser Phase, die pro Zug 2 Sekunden dauert, wird das Ausmaß der Verdünnung durch die Luftdurchlässigkeit des Papiers bestimmt.
Im Zeitraum zwischen den Zügen hingegen, glimmt die Zigarette ohne eine nennenswerte Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Tabakteils der Zigarette und der Umgebung, sodass der Gastransport durch die Gaskonzentrationsdifferenz zwischen Tabakteil und Umgebung bestimmt wird. Dabei kann auch Kohlenmonoxid durch das Zigarettenpapier hindurch aus dem Tabakteil und insbesondere aus der Region des Glutkegels in die Umgebungsluft diffundieren. In dieser Phase, die pro Zug 58 Sekunden dauert, ist die Diffusionskapazität für die Reduktion des Kohlenmonoxids der maßgebliche Parameter.
Um den Gehalt an Kohlenmonoxid im Rauch zu reduzieren, kommt es also darauf an, dass die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers hoch ist und dass sie insbesondere im Bereich des Glutkegels hoch ist, da an dieser Stelle das Kohlenmonoxid entsteht. Es ist also besonders von Vorteil, wenn die Diffusionskapazität hoch ist oder rasch steigt, sobald das Zigarettenpapier durch die Annährung des Glutkegels erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird.
Beim Abrauchen einer Zigarette erkennt man im Gebiet des Glutkegels recht deutlich eine sogenannte „Char Line”, die das bereits fast vollständig thermisch zerstörte Zigarettenpapier von dem noch weitgehend intakten Zigarettenpapier trennt. Messungen aus dem Stand der Technik zeigen, dass die sogenannte „Char Line” eine Temperatur von etwa 450°C aufweist. Entsprechend kommt es daher darauf an, dass die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers schon bei Temperaturen die wesentlich unter 450°C liegen, hoch ist oder stark steigt.
Die CH 663 633 A5 offenbart ein Zigarettenpapier mit einer Porenstruktur, die die Diffusion von Kohlenmonoxid begünstigt. Das Zigarettenpapier besteht aus Flachs- und/oder Hanf-Fasern mit einer feinen Fibrillierung und mit einem Mahlgrad von etwa 90° SR, Glimmsalzen und Füllstoffen. Das Zigarettenpapier hat einen Gehalt von 20–50 Gewichtsprozent Flachs- und/oder Hanffasern mit einem Mahlgrad von mindestens 92° SR, bezogen auf das Trockengewicht, und einer Faserfraktion der gemahlenen Masse im Bereich von 35–45% der Ausgangs-Eintragsmasse. Als Füllstoff wird Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat vorgeschlagen.
Die DE 692 32 298 T2 offenbart eine Papierhülle für eine Zigarette, die die Herstellung von Rauchartikeln mit bestimmten Merkmalen ermöglicht, wie zum Beispiel eine bestimmte Zügezahl, Teerzufuhr oder Kohlenmonoxidzufuhr, indem der Calciumcarbonatanteil des Papiers und/oder das Grundgewicht des Papiers geändert wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zigarettenpapier mit einer gesteigerten Diffusionskapazität verfügbar zu machen, das eine Reduktion an Kohlenmonoxid im Zigarettenrauch ermöglicht.
Kurzfassung der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem das Zigarettenpapier mit einem oder mehreren wasserlöslichen Salzen imprägniert oder beschichtet wird, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, d. h. deutlich weniger als 450°C, zerfallen und dadurch auf einer daraus gefertigten, glimmenden Zigarette die Porenstruktur des Papiers so auflockern, dass eine erheblich bessere Diffusion von Kohlenmonoxid aus der Zigarette erlaubt wird.
Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Zigarettenpapier, das mindestens ein wasserlösliches Salz umfasst, das nach Aufheizen auf 230°C mehr als 15% seiner Ausgangsmasse verloren hat, wobei das Aufheizen, ausgehend von einer Starttemperatur von 30°C, mit einer Heizrate von 5°C/min unter einem Stickstoffstrom von 25 ml/min erfolgt.
In einer Ausführung verliert das wasserlösliche Salz mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 25%, besonders bevorzugt mehr als 30%, und ganz besonders bevorzugt mehr als 35% seiner Ausgangsmasse.
In einer Ausführung ist das wasserlösliche Salz ein anorganisches Salz oder eine Mischung aus anorganischen Salzen.
In einer Ausführung ist das wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat, oder ein Carbonat, vorzugsweise ein Ammoniumcarbonat. Eine Mischung dieser Salze wird ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer bevorzugten Ausführung ist das wasserlösliche Salz bzw. das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat. Eine Mischung der beiden Salze wird ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das wasserlösliche Salz bzw. das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Kaliumhydrogencarbonat.
In einer Ausführung beträgt der Gehalt an dem wasserlöslichen Salz 0,1% bis 10%, vorzugsweise 1% bis 6%, besonders bevorzugt 3% bis 6% der Papiermasse. Diese Gehalte können auch durch eine Mischung verschiedener wasserlöslicher Salze erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist das wasserlösliche Salz Natriumhydrogencarbonat mit einem Gehalt von mindestens 4%, vorzugsweise 4% bis 10%, besonders bevorzugt 4% bis 6% der Papiermasse.
In einer alternativen bevorzugten Ausführung ist das wasserlösliche Salz Kaliumhydrogencarbonat mit mindestens 3%, vorzugsweise 3% bis 10%, besonders bevorzugt 3% bis 6% der Papiermasse.
In einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführung ist das wasserlösliche Salz Ammoniumcarbonat mit mindestens 4%, vorzugsweise 4% bis 10%, besonders bevorzugt 4% bis 6% der Papiermasse.
In einer Ausführung ist das wasserlösliche Salz in Teilbereichen des Zigarettenpapiers, vorzugsweise in diskreten streifenförmigen Teilbereichen enthalten.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche derart gestaltet, dass sie auf einer aus dem Zigarettenpapier gefertigten Zigarette ein oder mehrere Bänder in Umfangsrichtung eines Tabakstrangs bilden.
Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn das Zigarettenpapier, wie im Stand der Technik bekannt, bereits mit die Diffusionskapazität reduzierenden, brandhemmenden Streifen versehen ist, um eine Selbstverlöschung einer daraus gefertigten Zigarette in einem genormten Test (ASTM E2187-04) zu erzielen. Typischweise sind diese brandhemmenden Streifen so angeordnet, dass sie auf der Zigarette in Umfangsrichtung Bänder bilden. Solche Zigaretten weisen erhöhte Werte von Kohlenmonoxid auf, da durch die brandhemmenden Streifen weniger Kohlenmonoxid aus der Zigarette diffundieren kann. Um diesen Effekt zu kompensieren, kann es sinnvoll sein, auf die noch unbehandelten Bereiche des Zigarettenpapiers, also die Bereiche abseits der brandhemmenden Streifen, die erfindungsgemäßen Salze aufzutragen, um in diesen Bereichen zum Ausgleich höhere Diffusionskapazitäten während des thermischen Zerfalls des Zigarettenpapiers zu erzielen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche von brandhemmenden Bereichen, vorzugsweise brandhemmenden Streifen getrennt. Der Begriff „getrennt” soll bedeuten, dass die Teilbereiche von den brandhemmenden Bereichen abgegrenzt sind, zieht jedoch auch eine gewisse Überlappung in Betracht, die beispielsweise fertigungstechisch bedingt sein kann.
In einer Ausführung ist das Zigarettenpapier mit dem wasserlöslichen Salz imprägniert (getränkt).
In einer alternativen Ausführung ist das Zigarettenpapier mit dem wasserlöslichen Salz einseitig oder beidseitig beschichtet.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Zigarettenpapier, das mindestens ein wasserlösliches Salz umfasst, wobei das mindestens eine wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat, oder ein Carbonat, vorzugsweise ein Ammoniumcarbonat ist. Mischungen dieser Salze werden ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat. Mischungen der beiden Salze werden ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Kaliumhydrogencarbonat.
In einer Ausführung beträgt der Gehalt an dem oben definierten wasserlöslichen Salz 0,1% bis 10%, vorzugsweise 1% bis 6%, besonders bevorzugt 3% bis 6% der Papiermasse.
In einer bevorzugten Ausführung ist das oben definierte wasserlösliche Salz ein Natriumhydrogencarbonat mit einem Gehalt von mindestens 4%, vorzugsweise 4% bis 10%, besonders bevorzugt 4% bis 6% der Papiermasse.
In einer alternativen bevorzugten Ausführung ist das oben definierte wasserlösliche Salz ein Kaliumhydrogencarbonat mit mindestens 3%, vorzugsweise 3% bis 10%, besonders bevorzugt 3% bis 6% der Papiermasse.
In einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführung ist das oben definierte wasserlösliche Salz ein Ammoniumcarbonat mit mindestens 4%, vorzugsweise 4% bis 10%, besonders bevorzugt 4% bis 6% der Papiermasse.
In einer Ausführung ist das oben definierte wasserlösliche Salz in diskreten Teilbereichen des Zigarettenpapiers, vorzugsweise in streifenförmigen Teilbereichen enthalten.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche mit dem oben definierten wasserlöslichen Salz derart gestaltet, dass sie auf einer aus dem Zigarettenpapier gefertigten Zigarette ein oder mehrere Bänder in Umfangsrichtung eines Tabakstrangs bilden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche von brandhemmenden Bereichen getrennt.
In einer Ausführung ist das Zigarettenpapier mit dem oben definierten wasserlöslichen Salz imprägniert (getränkt).
In einer alternativen Ausführung ist das Zigarettenpapier mit dem oben definierten wasserlöslichen Salz einseitig oder beidseitig beschichtet.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Zigarette, die ein erfindungsgemäßes Zigarettenpapier umfasst.
Die Zigarette kann auf üblichen Zigarettenmaschinen aus dem Zigarettenpapier unter Zuhilfenahme weiterer, zum Teil optionaler Komponenten, wie Tabak, Mundstückbelagpapier, Filter, Filterhüllpapier und Leim, gefertigt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zigarettenpapiers, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(1) Bereitstellen eines Zigarettenpapiers oder einer Faser-Füllstoffsuspension mit weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30% Wassergehalt, bezogen auf die Gesamtmasse des Papiers bzw. die Gesamtmasse der Faser-Füllstoffsuspension;
(2) Aufbringen einer wässrigen Lösung mit mindestens einem wasserlöslichen Salz, wobei der Gehalt an dem wasserlöslichen Salz in der Lösung 0,2% bis 20%, vorzugsweise 2% bis 15%, bezogen auf die Masse der Lösung, beträgt.

In einer Ausführung des Verfahrens ist das wasserlösliche Salz ein anorganisches Salz. Mischungen von anorganischen Salzen in der wässrigen Lösung werden ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer Ausführung des Verfahrens ist das wasserlösliche Salz in der wässrigen Lösung ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat, oder ein Carbonat, vorzugsweise ein Ammoniumcarbonat. Mischungen dieser Salze in der wässrigen Lösung werden ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist das wasserlösliche Salz bzw. das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat. Mischungen der beiden Salze in der wässrigen Lösung werden ebenfalls in Betracht gezogen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das wasserlösliche Salz bzw. das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Kaliumhydrogencarbonat.
In einer Ausführung beträgt der Gehalt an dem mindestens einen wasserlöslichen Salz 0,1% bis 10%, vorzugsweise 1% bis 6%, besonders bevorzugt 3% bis 6% der Papiermasse des durch das Verfahren hergestellten Zigarettenpapiers.
In einer Ausführung wird in Schritt (2) des Verfahrens das wasserlösliche Salz in Teilbereichen des Zigarettenpapiers, vorzugsweise in diskreten streifenförmigen Teilbereichen aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche derart gestaltet, dass sie auf einer aus dem Zigarettenpapier gefertigten Zigarette ein oder mehrere Bänder in Umfangsrichtung eines Tabakstrangs bilden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche von brandhemmenden Bereichen getrennt.
In einer Ausführung erfolgt in Schritt (2) des Verfahrens das Aufbringen der wässrigen Lösung unter Verwendung einer Leimpresse oder einer Filmpresse.
Das Aufbringen der wässrigen Lösung in der Leimpresse oder Filmpresse einer Papiermaschine erfolgt vollflächig auf eine oder beide Seiten des Papiers. Dabei wird das Papier in der Papiermaschine im Wesentlichen mit der Lösung imprägniert.
In einer alternativen Ausführung erfolgt in Schritt (2) des Verfahrens das Aufbringen der wässrigen Lösung unter Verwendung einer Druck- oder Sprühtechnik.
Das Aufbringen der wässrigen Lösung mittels eines Druckverfahrens oder durch Aufsprühen in oder nach der Papiermaschine bietet die Möglichkeit, die Lösung mehr oberflächlich und nur auf einer Seite des Papiers aufzutragen. Dies kann von Vorteil sein, wenn die Lösung die optischen Eigenschaften des Papiers verändert. Dann wird vorzugsweise die Lösung auf die später dem Tabak zugewandte Seite des Papiers aufgetragen.
Andere Verfahren zum Aufbringen einer wässrigen Lösung auf Papier werden ebenfalls in Betracht gezogen. Wichtig ist jedoch, dass die Lösung zu einem Zeitpunkt während oder nach der Papierproduktion aufgebracht wird, zu dem das Zigarettenpapier bereits in der Lage ist, die Lösung aufzunehmen und das wasserlösliche Salz weitgehend in der Faserstruktur zu fixieren. Dies wird der Fall sein, wenn das Papier bzw. die die Papiermaschine durchlaufende Faser-Füllstoffsuspension einen Wassergehalt von weniger als 50%, bezogen auf die gesamte Papiermasse, vorzugsweise von weniger als 30%, bezogen auf die gesamte Papiermasse, aufweist, was in üblichen Papiermaschinen zumeist erreicht ist, wenn das Papier die Pressenpartie verlässt. Es ist beispielsweise nicht vorteilhaft, wasserlösliche Carbonate oder Hydrogencarbonate wie einen Füllstoff der Faser-Füllstoff-Suspension beizumischen, bevor diese Suspension auf die Papiermaschine gelangt, da die in Lösung befindlichen Carbonate oder Hydrogencarbonate im Entwässerungsprozess in der Siebpartie der Papiermaschine zum überwiegenden Großteil wieder verloren gehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch die Verwendung von mindestens einem wasserlöslichen Salz, vorzugsweise einem anorganischen Salz, zur Erhöhung der Diffusionskapazität eines Zigarettenpapiers oder von Teilbereichen eines Zigarettenpapiers während des thermischen Zerfalls um mehr als 0,9 cm/s und/oder um mehr als 50%, bezogen auf einen Ausgangswert der Diffusionskapazität bei 23°C vor dem thermischen Zerfall.
In einer Ausführung der Verwendung ist das wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder eine Ammonium-Hydrogencarbonat, oder ein Carbonat, vorzugsweise ein Ammoniumcarbonat.
In einer Ausführung der Verwendung ist das wasserlösliche Salz ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat.
In einer bevorzugten Ausführung der Verwendung ist das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Kaliumhydrogencarbonat.
In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Teilbereiche von brandhemmenden Bereichen getrennt.
Die hier und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen wesentlich sein.
Die Erfindung beruht auf dem überraschenden Befund, dass sich ein Zigarettenpapier mit einer erhöhten Diffusionskapazität erzielen lässt, indem man das Papier mit bestimmten Salzen, hier gezeigt mit Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonat, imprägniert oder beschichtet, die bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, also deutlich unter 450°C, zerfallen und damit die Porenstruktur des Zigarettenpapiers öffnen. Es hat sich gezeigt, dass die Zunahme der Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers während des thermischen Zerfalls teilweise um mehr als das Doppelte gesteigert werden kann. Eine solche Steigerung der Zunahme der Diffusionskapazität kann nennenswert zur Reduktion von schädlichem Kohlenmonoxid im Rauch der aus diesen Papieren gefertigten Zigaretten beitragen.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Beispiele und die beigefügte Abbildung genauer beschrieben.
zeigt den Massenverlust von wasserlöslichen Salzen beim Aufheizen in der thermogravimetrischen Analyse. Dargestellt ist der Verlust der Masse in % der Ausgangsmasse in Abhängigkeit von der Temperatur. Das Aufheizen auf eine Temperatur von bis zu 600°C, wobei die Starttemperatur 30°C betrug, erfolgte mit 5°C/min unter Stickstoffstrom mit 25 ml/min. TKZ, Trikaliumzitrat; TNZ, Trinatriumzitrat.
BEISPIELE
BEISPIEL 1: Herstellung von Zigarettenpapier mit Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat oder Ammoniumcarbonat
Ein Zigarettenpapier aus Holzzellstoff, wobei 32% der Papiermasse aus Kalk als Füllstoff bestehen, und mit einer Flächenmasse von 25 g/m², einer Luftdurchlässigkeit von 30 CU und einer Diffusionskapazität von 1,75 cm/s wurde für die Experimente gewählt. Hierbei handelt es sich um ein übliches Zigarettenpapier, sodass vergleichbare Ergebnisse auch mit anderen Zigarettenpapieren erwartet werden können und grundsätzlich keine Einschränkungen bei der Auswahl des Zigarettenpapiers, beispielsweise hinsichtlich Luftdurchlässigkeit, Diffusionskapazität, Faser- und Füllstoffzusammensetzung oder Flächenmasse bestehen.
Dieses Zigarettenpapier wurde mit wässrigen Lösungen aus Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃), Kaliumhydrogencarbonat (KHCO₃) oder Ammoniumcarbonat ((NH₄)₂CO₃) in verschiedenen Konzentrationen in der Leimpresse imprägniert.
Zum Vergleich diente dasselbe Zigarettenpapier, das mit einer wässrigen Lösung aus Trinatriumzitrat (TNZ) bzw. einem 50:50 Gemisch, bezogen auf die Masse, aus Trinatriumzitrat und Trikaliumzitrat (TNZ/TKZ), also herkömmlichen Brandsalzen, in unterschiedlichen Konzentrationen ebenfalls in der Leimpresse imprägniert wurde.
BEISPIEL 2: Messung der Diffusionskapazität des hergestellten Zigarettenpapiers
Die Diffusionskapazität der in Beispiel 1 hergestellten Zigarettenpapiere wurde mit einem CO₂ Diffusivity Meter der Firma Sodim bestimmt.

Die Diffusionskapazität der Papiere bei 23°C und 50% Luftfeuchtigkeit war einheitlich etwa 1,75 cm/s. Nachdem die Papiere 30 Minuten lang einer Temperatur von 230°C ausgesetzt waren, wurden sie auf 23°C und 50% Luftfeuchtigkeit konditioniert, und es wurde die Diffusionskapazität gemessen. Die absoluten Messwerte sind in Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1: Diffusionskapazität in cm/s nach Aufheizen (230°C, 30 min)

Gehalt in % der Papiermasse*	TNK	TNZ/TKZ	NaHCO₃	KHCO₃	(NH₄)₂CO₃
1	2,168	2,180	2,310	2,285	2,305
2	2,357	2,319	2,472	2,524	2,481
3	2,237	2,362	2,547	2,677	2,574
4	2,367	2,367	2,632	2,838	2,696
5	2,380	2,519	2,666	2,952	2,736
6	2,364	2,568	2,730	3,009	2,824
7	2,365	2,616	2,796	3,112	2,897
8	2,358	2,505	2,739	3,289	2,926

* entspricht Gew.-%

Tabelle 1 zeigt, dass die Diffusionskapazität von Papieren mit Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat oder Ammoniumcarbonat bei jedem vorgegebenen Gehalt in der Papiermasse höher ist als diejenige von Papieren mit Trinatriumzitrat oder Trinatrium/Trikaliumzitrat. Die höchste mit Zitrat gemessene Diffusionskapazität beträgt 2,616 cm/s bei 7% Trinatrium-/Trikaliumzitrat. Höhere Werte als 2,616 cm/s werden mit Natriumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonat ab einem Gehalt von 4% und mit Kaliumhydrogencarbonat sogar bereits ab einem Gehalt von 3% erreicht. Eine Diffusionskapazität von 2,7 cm/s und mehr wird nur mit Natriumhydrogencarbonat (≥ 6%), Kaliumhydrogencarbonat (≥ 4%) oder Ammoniumcarbonat (≥ 5%) erzielt, nicht aber mit den Zitraten.

Die Zunahme der Diffusionskapazität in cm/s gegenüber dem Ausgangswert bei Raumtemperatur von 1,75 cm/s und die relative Zunahme in Prozent bezogen auf diesen Ausgangswert sind in Tabelle 2 angeführt. Tabelle 2: Änderung der Diffusionskapazität in cm/s und in % nach Aufheizen (230°C, 30 min).

Gehalt in % der Papiermasse*	TNK	TNZ/TKZ	NaHCO₃	KHCO₃	(NH₄)₂CO₃
1	+0.42 (23.9%)	+0,43 (24.6%)	+0.56 (32.0%)	+0.53 (30.5%)	+0.55 (31.7%)
2	+0.61 (34.7%)	+0,57 (32.5%)	+0.72 (41.2%)	+0.77 (44.2%)	+0.73 (41.7%)
3	+0.49 (27.8%)	+0.61 (35.0%)	+0.80 (45.5%)	+0.93 (53.0%)	+0.82 (47.1%)
4	+0.62 (35.2%)	+0.62 (35.3%)	+0.88 (50.4%)	+1.09 (62.1%)	+0.95 (54.0%)
5	+0.63 (36.0%)	+0.77 (43.9%)	+0.92 (52.3%)	+1.20 (68.7%)	+0.99 (56.3%)
6	+0.61 (35.1%)	+0.82 (46.7%)	+0.98 (56.0%)	+1.26 (71.9%)	+1.07 (61.37%)
7	+0.62 (35.2%)	+0.87 (49.5%)	+1.04 (59.8%)	+1.36 (77.8%)	+1.14 (65.5%)
8	+0.61 (35.1%)	+0.75 (43.2%)	+0.99 (56.5%)	+1.54 (87.9%)	+1.17 (67.2%)

* entspricht Gew.-%

Man erkennt in Tabelle 2 deutlich, dass durch den Einsatz von Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat oder durch Ammoniumcarbonat die Zunahme der Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers während des thermischen Zerfalls teilweise um mehr als das Doppelte gegenüber Zitraten als herkömmlichen Brandsalzen gesteigert werden kann.
Die Beispiele zeigen des Weiteren, dass sich eine Erhöhung der Diffusionskapazität um mehr als 0,9 cm/s, ausgehend vom Ausgangswert bei 23°C, in diesem Fall von 1,75 cm/s, oder eine prozentuale Steigerung der Diffusionskapazität um mehr als 50%, ebenfalls bezogen auf den Ausgangswert bei 23°C, nicht mit Zitraten als herkömmlichen Brandsalzen, wohl aber mit den verwendeten anorganischen Salzen erzielen lässt. Dafür müssen zumindest 4% Natriumhydrogencarbonat oder zumindest 3% Kaliumhydrogencarbonat oder zumindest 4% Ammoniumcarbonat eingesetzt werden.
Man sieht an den Beispielen auch, dass eine Erhöhung des Gehalts an Natriumhydrogencarbonat über 6% hinaus keine weitere wesentliche Verbesserung erzielt, sodass ein Gehalt von höchstens 6% bezogen auf die Papiermasse zu bevorzugen ist. Bei Kaliumhydrogencarbonat hingegen kommt es auch bei einer weiteren Erhöhung des Gehalts über 6% hinaus noch zu einer spürbaren Verbesserung, sodass eine Obergrenze für den sinnvollen Einsatz von Kaliumhydrogencarbonat aufgrund der Experimente nicht festgelegt werden kann, sondern der Gehalt eher aus Gründen des Geschmackseindrucks einer aus einem solchen Papier gefertigten Zigarette mit etwa 10% zu begrenzen ist. Bei Ammoniumcarbonat scheint die erzielbare Verbesserung bei einem über 6% hinausgehenden Gehalt immer geringer zu werden, doch kommt sie bis zu einem Gehalt von 8% nicht zum Stillstand, sodass auch hier eine sinnvolle Obergrenze bei etwa 10% gezogen werden kann. Insgesamt erweist sich das Kaliumhydrogencarbonat dem Natriumhydrogencarbonat oder dem Ammoniumcarbonat für den beabsichtigten Effekt als überlegen, sodass es besonders bevorzugt eingesetzt werden kann.
Die Ursache für den beobachteten Effekt liegt vermutlich darin, dass Natrium- und Kaliumhydrogencarbonat bereits bei niedrigeren Temperaturen zerfallen als herkömmliche Brandsalze, nämlich ab etwa 50°C. Auch Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonate zerfallen bereits ab einer Temperatur von 60°C und damit bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als Trinatrium- oder Trikaliumzitrat, die beide erst ab 150°C zerfallen. Eine Analyse mittels Thermogravimetrie des in Tabelle 1 für den Auftrag auf das Papier verwendeten Natrium- und Kaliumhydrogencarbonats, wobei diese Substanzen unter einem Stickstoffstrom von 25 ml/min mit einer Rate von 5°C/min von 30°C auf 600°C aufgeheizt wurden, weist darauf hin, dass der rasche Massenverlust bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen für die Steigerung der Diffusionskapazität verantwortlich ist. Die Ergebnisse sind in dargestellt. Es zeigt sich, dass bei Erreichen von 230°C der Massenverlust im Fall von Natriumhydrogencarbonat etwa 35% der Ausgangmasse und im Fall von Kaliumhydrogencarbonat etwa 30% der Ausgangsmasse beträgt. Die Abbildung weist weiterhin darauf hin, dass Natrium- und Kaliumhydrogencarbonat nicht nur zu einer absoluten Zunahme der Diffusionskapazität führen, wie in Tabelle 1 gezeigt, sondern diese im Bereich von etwa 130°C bis 230°C auch höher ist als bei herkömmlichen Brandsalzen.
Man kann also davon ausgehen, dass der beobachtete Effekt erwartet werden darf, wenn unter den Bedingungen dieses Analyseverfahrens das gewählte anorganische Salz bei 230°C mindestens etwa 30% bis 35%, vermutlich bereits bei geringeren Anteilen, z. B. ab 15% oder 25%, seiner Ausgangsmasse verloren hat.

Claims

Zigarettenpapier, das mindestens ein wasserlösliches Salz umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Salz ein Salz ist, welches nach Aufheizen auf 230°C mehr als 15%, vorzugsweise mehr als 25% seiner Ausgangsmasse verloren hat, wenn das Aufheizen, ausgehend von einer Starttemperatur von 30°C, mit einer Heizrate von 5°C/min unter einem Stickstoffstrom von 25 ml/min erfolgt.
Zigarettenpapier nach Anspruch 1, wobei das wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat oder Ammoniumcarbonat ist.
Zigarettenpapier, das mindestens ein wasserlösliches Salz umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat oder Ammoniumcarbonat ist.
Zigarettenpapier nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat ist.
Zigarettenpapier nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gehalt an dem wasserlöslichen Salz 0,1% bis 10%, vorzugsweise 1% bis 6%, besonders bevorzugt 3% bis 6% der Papiermasse beträgt.
Zigarettenpapier nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wasserlösliche Salz in diskreten Teilbereichen, vorzugsweise in streifenförmigen Teilbereichen enthalten ist.
Zigarettenpapier nach Anspruch 6, wobei die Teilbereiche derart gestaltet sind, dass sie auf einer aus dem Zigarettenpapier gefertigten Zigarette ein oder mehrere Bänder in Umfangsrichtung eines Tabakstrangs bilden.
Zigarettenpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zigarettenpapier mit dem mindestens einen wasserlöslichen Salz imprägniert ist.
Zigarettenpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zigarettenpapier mit dem mindestens einen wasserlöslichen Salz einseitig oder beidseitig beschichtet ist.
Zigarette, die ein Zigarettenpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Zigarettenpapiers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, oder zur Herstellung einer Zigarette nach Anspruch 10, das folgende Schritte umfasst: (1) Bereitstellen eines Zigarettenpapiers oder einer Faser-Füllstoffsuspension mit weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30% Wassergehalt, bezogen auf die Gesamtmasse des Papiers bzw. die Gesamtmasse der Faser-Füllstoffsuspension; (2) Aufbringen einer wässrigen Lösung mit mindestens einem wasserlöslichen Salz auf das Zigarettenpapier bzw. die eine Papiermaschine durchlaufende Faser-Füllstoffsuspension, wobei der Gehalt an dem wasserlöslichen Salz in der Lösung 0,2% bis 20%, vorzugsweise 2% bis 15%, bezogen auf die Masse der Lösung, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat, oder ein Carbonat, vorzugsweise ein Ammoniumcarbonat, ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Aufbringen der wässrigen Lösung unter Verwendung einer Leimpresse oder einer Filmpresse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Aufbringen der wässrigen Lösung unter Verwendung einer Druck- oder Sprühtechnik erfolgt.
Verwendung von mindestens einem wasserlöslichen Salz zur Erhöhung der Diffusionskapazität eines Zigarettenpapiers, oder von Teilbereichen eines Zigarettenpapiers, während des thermischen Zerfalls um mehr als 0,9 cm/s und/oder um mehr als 50%, bezogen auf den Ausgangswert der Diffusionskapazität bei 23°C vor dem thermischen Zerfall.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei das wasserlösliche Salz ein Hydrogencarbonat, vorzugsweise ein Alkalimetall-Hydrogencarbonat oder ein Ammonium-Hydrogencarbonat, oder ein Carbonat, vorzugsweise ein Ammoniumcarbonat, ist.
Verwendung nach Anspruch 17, wobei das Alkalimetall-Hydrogencarbonat ein Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat ist.