DE102016105235A1

DE102016105235A1 - Verbessertes Filterpapier für Zigarettenfilter

Info

Publication number: DE102016105235A1
Application number: DE102016105235.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bachmann; Christian Mair; Dietmar Volgger
Original assignee: Delfortgroup AG
Current assignee: Delfortgroup AG
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: PH12018501973A1; US20190059443A1; BR112018068607A2; CN108779609A; EP3433427A1; EP3433427B1; US11083217B2; PL3433427T3; ES2836530T3; CN108779609B; DE102016105235B4; WO2017162347A1

Abstract

Gezeigt wird ein Filterpapier zur Herstellung von Filtern für Rauchartikel, insbesondere Filterzigaretten, mit den folgenden Eigenschaften: das Filterpapier umfasst Fasern, umfassend Zellstofffasern, mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, besonders vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders vorzugsweise 100 Gew.-% des Filterpapiers werden durch Langfaserzellstofffasern gebildet, von den Fasern hat ein auf die Anzahl der Fasern bezogener Anteil von zwischen 2% und 10%, bevorzugt zwischen 3% und 9% und besonders bevorzugt zwischen 4% und 8% eine Länge von weniger als 0,2 mm, die Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers gemessen nach ISO 2965:2009 beträgt zwischen 500 cm·min–1·kPa–1 und 15000 cm·min–1·kPa–1 und vorzugsweise zwischen 1000 cm·min–1·kPa–1 und 9000 cm·min–1·kPa–1, die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Fasern im Filterpapier beträgt mehr als 1 mm und weniger als 5 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm und weniger als 4 mm, und die auf die Anzahl bezogene mittlere Breite der Fasern im Filterpapier beträgt zwischen 10 μm und 50 μm, vorzugweise zwischen 20 μm und 40 μm, und besonders vorzugsweise zwischen 25 μm und 35 μm.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Papier zur Herstellung eines Zigarettenfilters und ein Verfahren zur Herstellung des Filterpapiers. Die Erfindung betrifft ferner eine zugehörige Zigarette. Ein Filter gefertigt aus dem erfindungsgemäßen Filterpapier besitzt Retentionseigenschaften, die denen von Zelluloseacetatfiltern ähnlich sind, und verbessert daher den Geschmackseindruck einer aus diesem Filterpapier gefertigten Zigarette im Vergleich zu Zigaretten mit Papierfiltern aus herkömmlichen Filterpapieren.
HINTERGRUND UND VERWANDTER STAND DER TECHNIK
Eine konventionell hergestellte Filterzigarette besteht im Allgemeinen aus einer zylinderförmigen Säule aus Tabak, die von einem Zigarettenpapier umhüllt wird, und einem Filter, der aus einem Filtermaterial besteht und von einem Filterhüllpapier umhüllt wird. Ein übliches Filtermaterial ist Zelluloseacetat. Typischerweise sind die Tabaksäule und der Filter durch ein Mundstücksbelagpapier miteinander verbunden.
Als Alternative zu Zelluloseacetatfasern ist auch Papier als Filtermaterial für Zigaretten bekannt. Ein Zigarettenfilter kann aus mehreren Segmenten bestehen, wobei jedes Segment aus einem unterschiedlichen Material gebildet sein kann. Beispielsweise sind Filter aus zwei Segmenten aus dem Stand der Technik bekannt, wobei ein Segment ein Zelluloseacetatfilter und ein zweites Segment ein Papierfilter ist. Es ist auch bekannt, Zelluloseacetatfasern und Zellstofffasern in einem Segment zu mischen oder innerhalb eines Segments Gebilde aus diesen Fasern beispielsweise in longitudinaler oder radialer Richtung separat anzuordnen.
Papierfilter besitzen generell den Vorteil, dass sie schneller in der Umwelt abgebaut werden und dass sie im Allgemeinen preisgünstiger sind als Zelluloseacetatfilter. Ein wesentlicher Nachteil eines konventionellen Papierfilters besteht aber darin, dass er andere Retentionseigenschaften besitzt als ein Filter aus Zelluloseacetat. Es ist beispielsweise bekannt, dass bei vergleichbarem Zugwiderstand die Filtrationseffizienz eines Papierfilters für Teer höher ist als die eines Zelluloseacetatfilters. Papierfilter neigen außerdem dazu, Wasser und Wasserdampf wesentlich besser zurückzuhalten als Zelluloseacetatfilter. Diese beiden Effekte können unter anderem den Geschmackseindruck einer Zigarette in unerwünschter Weise verändern. Des Weiteren ist der Zugwiderstand bei vorgegebener Filtrationseffizienz, also der Widerstand, den der Filter dem Durchströmen des Rauchs bietet, oft erheblich geringer als bei einem Filter aus Zelluloseacetat. Ebenso entspricht die Härte eines Papierfilters, also der Widerstand gegen mechanische Verformung, oft nicht den Erwartungen eines Rauchers, der einen Zelluloseacetatfilter gewohnt ist.
In EP 2 761 085 ist beispielsweise ein besonders gut biologisch abbaubares Papier für Papierfilter beschrieben, allerdings können damit die Probleme hinsichtlich des Geschmacks oder der Filtrationseffizienz nicht ganz zufriedenstellend gelöst werden.
Es ist bekannt, dass dem Papierfilter bestimmte Substanzen zur Steuerung der Filtrationseffizienz oder Verbesserung des Geschmackseindrucks hinzugefügt werden können, wie beispielsweise Triacetin, Propylenglykol, Sorbitol, Glyzerin, Polyethylengylkol oder Tri-Ethlyzitrat. Die Beigabe solcher Substanzen löst aber die bestehenden Probleme bezüglich des Zugwiderstands und der Härte nicht und sie erhöht den Preis des Papierfilters.
Es besteht also ein Bedarf ein Filterpapier zur Verfügung zu haben, das einem daraus gefertigten Filter Eigenschaften verleiht, die dem eines Filters aus Zelluloseacetat ähnlicher sind als aus konventionellen Filterpapieren gefertigte Papierfilter für Zigaretten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Filterpapier anzugeben, welches sich einfach und kostengünstig herstellen lässt und gleichzeitig einem daraus gefertigten Filter eine Filtrationseffizienz verleiht, die einem Filter aus Zelluloseacetat mit vergleichbarem Zugwiderstand ähnlich ist. Diese Aufgabe wird durch ein Filterpapier nach Anspruch 1 und dessen Herstellungsverfahren nach Anspruch 15 gelöst. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind ein Filter und eine Filterzigarette, die sich dieses Materials bedienen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird ein Papier zur Verwendung als Filterpapier vorgeschlagen, das folgende Eigenschaften hat:

– das Filterpapier umfasst Fasern,
– mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders vorzugsweise 100 Gew.-% des Filterpapiers werden durch Langfaserzellstofffasern gebildet,
– der Anteil der Fasern mit einer Länge von weniger als 0,2 mm bezogen auf die Anzahl der Fasern beträgt zwischen 2% und 10%, bevorzugt zwischen 3% und 9% und besonders bevorzugt zwischen 4% und 8%,
– die Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers gemessen nach ISO 2965:2009 beträgt zwischen 500 cm·min^–1·kPa^–1 und 15000 cm·min^–1·kPa^–1, und vorzugsweise zwischen 1000 cm·min^–1·kPa^–1 und 9000 cm·min^–1·kPa^–1,
– die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Fasern im Filterpapier beträgt mehr als 1 mm und weniger als 5 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm und weniger als 4 mm, und
– die auf die Anzahl bezogene mittlere Breite der Fasern im Filterpapier beträgt zwischen 10 μm und 50 μm, vorzugweise zwischen 20 μm und 40 μm, und besonders vorzugsweise zwischen 25 μm und 35 μm.

Die Erfinder haben festgestellt, dass die Menge an Feinstoffen im Filterpapier, also der Fasern mit einer Länge von weniger als 0,2 mm, bedeutend dafür ist, dass die Filtrationseffizienz eines aus dem erfindungsgemäßen Filterpapier hergestellten Filters sinkt und damit der eines Zelluloseacetatfilters ähnlicher wird. Dies ist überraschend, weil die Feinstoffe an sich eine große Oberfläche besitzen und ihre Anwesenheit die Filtrationseffizienz daher steigern sollte. Tatsächlich ist es aber weder günstig, dass zu viele noch, dass zu wenige Feinstoffe im Filterpapier enthalten sind, sondern ihr Anteil bezogen auf die Anzahl der Fasern im Filterpapier soll im engen Bereich zwischen 2% und 10% liegen.
Des Weiteren haben die Erfinder festgestellt, dass die Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers eine wesentliche Größe ist, um den Zugwiderstand des Papierfilters und damit auch dessen Filtrationseffizienz in weiten Bereichen zu steuern. Dies ist überraschend, weil der Rauch einer Zigarette im Papierfilter typischerweise entlang der Oberfläche des Filterpapiers und nicht durch das Filterpapier hindurch strömt. Entgegen der Erwartung des Fachmanns zeigt sich ein enger Zusammenhang zwischen Luftdurchlässigkeit, Zugwiderstand und Filtrationseffizienz. Die Luftdurchlässigkeit soll dabei zwischen 500 cm·min^–1·kPa^–1 und 15000 cm·min^–1·kPa^–1 liegen.
Die Luftdurchlässigkeit wird durch die Intensität der Mahlung der Fasern beeinflusst. Dabei führen intensiv gemahlene Fasern zu einer niedrigen Luftdurchlässigkeit und weniger intensiv gemahlene Fasern zu einer hohen Luftdurchlässigkeit. Da aber neben der Luftdurchlässigkeit auch der Gehalt an Feinstoffen durch die Mahlung der Fasern beeinflusst wird, ist es nicht selbstverständlich, dass bei annähernd konstantem Gehalt an Feinstoffen überhaupt die Luftdurchlässigkeit in dem erfindungsgemäßen Bereich eingestellt werden kann. Zusätzlich muss das Filterpapier auch Anforderungen an die mechanische Festigkeit erfüllen, die ebenfalls erheblich durch die Mahlung der Fasern beeinflusst wird.
Die gleichzeitige Vereinbarkeit aller dieser Anforderungen wird durch das weiter unten beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erreicht, in dem zumindest ein Teil des Fasermaterials in einem speziellen Mahlaggregat mit bestimmten Einstellungen gemahlen wird.
Die Dimensionen der Fasern im Filterpapier beeinflussen deren Oberfläche und damit auch die Luftdurchlässigkeit und die Filtrationseffizienz eines daraus gefertigten Filters. Daher ist es günstig, wenn die mittlere Länge und Breite der Fasern im Filterpapier in einem bestimmten Bereich liegt.
Die Länge der Fasern im Filterpapier und deren Breite können nach ISO 16065 gemäß der darin beschriebenen automatisierten optischen Methode gemessen werden. In Abweichung von ISO 16065 werden allerdings Faseranteile mit einer Länge von weniger als 0,2 mm in der Messung berücksichtigt. Eine solche Messung ist mit dem Gerät L&W Fiber Tester Plus – code 912 Plus von Lorentzen & Wettre möglich, bei dem auch die Menge der Feinstoffe bestimmt werden kann. Dabei wird eine Probe von etwa 0,1 g trockener Fasern in Wasser suspendiert und vom Messgerät in einem dünnen Spalt zwischen zwei Platten durchgepumpt. Gleichzeitig überwacht eine Kamera die durch den Spalt der Platten strömende Fasersuspension und nimmt in kurzen Zeitabständen Bilder auf, die analysiert werden, um die Geometrie der durchströmenden Fasern zu bestimmen. Als Ergebnis liefert dieses Messgerät unter anderem eine auf die Anzahl bezogene Verteilung der Faserlängen und Faserbreiten, aus denen die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge und mittlere Breite sowie der Anteil an Feinstoffen bestimmt werden können.
Die derart bestimmte, auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Fasern im Filterpapier soll mehr als 1 mm und weniger als 5 mm, und vorzugsweise mehr als 2 mm und weniger als 4 mm betragen.
Die derart bestimmte, auf die Anzahl bezogene mittlere Breite der Fasern im Filterpapier beträgt ferner zwischen 10 μm und 50 μm, vorzugweise zwischen 20 μm und 40 μm, und ganz besonders vorzugsweise zwischen 25 μm und 35 μm.
Das erfindungsgemäße Filterpapier enthält Fasern, wobei die Fasern jedenfalls Zellstofffasern umfassen. Zellstofffasern sind zellulosebasierte Fasern pflanzlichen Ursprungs, beispielsweise Langfaserzellstofffasern oder Kurzfaserzellstofffasern. Im Sinne der Erfindung sind Fasern aus Kunststoffen, Fasern aus regenerierter Zellulose und insbesondere Zelluloseacetatfasern keine Zellstofffasern.
Die Zellstofffasern können grundsätzlich gebleicht oder ungebleicht sein oder eine Mischung aus gebleichten und ungebleichten Zellstofffasern sein. Vorzugsweise sind die Zellstofffasern aber gebleicht, weil das Filterpapier dann weiß ist und diese Farbe vom Raucher erwartet wird. Die zumindest teilweise Verwendung von ungebleichten Zellstofffasern führt zu einem Filterpapier mit einem hellbraunen bis dunkelbraunen Farbton und ist weniger bevorzugt.
Zur Erreichung einer ausreichenden Festigkeit und Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers und einer entsprechenden Filtrationseffizienz des daraus gefertigten Filters ist es erforderlich, dass ein hoher Anteil der Fasern durch Langfaserzellstofffasern gebildet ist. Der Anteil an Langfaserzellstofffasern bezogen auf das Gewicht des Filterpapiers soll daher mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders vorzugsweise 100 Gew.-% des Filterpapiers betragen.
Die Angabe, dass 100 Gew.-% des Filterpapiers aus Langfaserzellstoff gebildet sind, soll bedeuten, dass das Filterpapier im Wesentlichen ausschließlich Langfaserzellstofffasern enthält. Von dieser Angabe sollen daher auch Filterpapiere umfasst sein, die Verunreinigungen durch beliebige andere Substanzen und Materialien, wie beispielsweise andere Fasern, Kurzfaserzellstofffasern, Füllstoffe, Pigmente, Additive oder Prozesshilfsmittel enthalten, wie sie eben bei der Papierherstellung nach dem Stand der Technik vorkommen können.
Der Langfaserzellstoff kann aus Nadelholz, insbesondere Fichte oder Kiefer gewonnen sein, aber auch aus anderen Pflanzen wie Hanf, Flachs, Sisal, Abacá, Baumwolle, Ramie, Jute, Kenaf, Gampi, Kozu oder Matsumata. Der Fachmann versteht, dass der Begriff „Langfaserzellstoff” sich auf die natürliche Länge der Fasern bezieht, nicht auf die tatsächliche Länge im gemahlenen Zustand im Papier.
Es ist erforderlich, dass das erfindungsgemäße Filterpapier einen gewissen Anteil an Feinstoffen enthält. Zu den Feinstoffen zählen alle Fasern, deren Länge geringer als 0,2 mm ist. Der Anteil an Feinstoffen im erfindungsgemäßen Filterpapier beträgt zwischen 2% und 10% bezogen auf die Anzahl der Fasern im Filterpapier, vorzugsweise zwischen 3% und 9% und besonders vorzugsweise zwischen 4% und 8%, jeweils bezogen auf die Anzahl der Fasern im Filterpapier.
Ebenso ist es für das erfindungsgemäße Filterpapier erforderlich, dass es eine Luftdurchlässigkeit innerhalb eines vorgegebenen Intervalls besitzt, weil dadurch die Filtrationseffizienz des Papierfilters aus diesem Filterpapier eingestellt wird. Die Luftdurchlässigkeit des erfindungsgemäßen Filterpapiers, gemessen nach ISO 2965:2009 mit einem Messkopf mit einer Öffnung von 10 mm × 20 mm, beträgt zwischen 500 cm·min^–1·kPa^–1 und 15000 cm·min^–1·kPa^–1 und vorzugsweise zwischen 1000 cm·min^–1·kPa^–1 und 9000 cm·min^–1·kPa^–1.
Es ist mit der Erfindung vereinbar, dass das Filterpapier weitere Zellstofffasern wie Kurzfaserzellstofffasern, oder andere Fasern wie Fasern aus regenerierter Zellulose wie beispielsweise Viscosefasern, Modalfasern, Lyocellfasern, Fasern aus Zelluloseestern wie Zelluloseacetat oder aus Kunstoffen wie beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyethylen, Polyester oder Polypropylen oder auch Fasern aus Polylactaten umfasst. Diese Fasern reduzieren aber die mechanische Festigkeit und der gesamte Anteil solcher Fasern soll daher nicht mehr als 10 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 5 Gew.-% und besonders vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.-% des Filterpapiers betragen. Insbesondere Viscosefasern, Modalfasern, Lyocellfasern, Fasern aus Zelluloseacetat, Polyvinylalkohol, Polyethylen, Polyester oder Polypropylen verschlechtern die biologische Abbaubarkeit, erhöhen den Preis des Filterpapiers und bereiten wegen ihrer geringen Dichte Probleme bei der Herstellung des Filterpapiers, sodass in einer besonders bevorzugten Ausführung das Filterpapier solche Fasern nicht enthält.
Kurzfaserzellstofffasern können aus Laubholz, insbesondere Birke, Buche oder Eukalyptus gewonnen sein, aber auch aus anderen Pflanzen, wie Espartogras.
Das Filterpapier kann Füllstoffe enthalten, um beispielsweise die Weiße, Farbe oder Opazität des Filterpapiers zu beeinflussen. Insbesondere wenn sich der Filter aus dem erfindungsgemäßen Filterpapier in der Zigarette ganz bis zum Mundende erstreckt, sodass der Raucher ihn sehen kann, können die optischen Eigenschaften des Filterpapiers von Bedeutung sein. Die Füllstoffe reduzieren aber die Festigkeit des Filterpapiers und können die poröse Struktur in unerwünschter Weise beeiuflussen. Der Anteil der Füllstoffe soll daher nicht mehr als 10 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 5 Gew.-% und besonders vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.-% des Filterpapiers betragen. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Filterpapier frei von Füllstoffen.
Füllstoffe können mineralische Füllstoffe sein, insbesondere Carbonate, Sulfate, Silikate oder Oxide, insbesondere beispielsweise Calciumcarbonat, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Titandioxid, Talkum, Kaolin oder Aluminiumhydroxid, sowie Gemische daraus.
Die Partikelform, Partikelgrößenverteilung und Kristallstruktur der Füllstoffe kann in weiten Bereichen variieren und der Fachmann wird diese Parameter entsprechend dem Stand der Technik und dem Zweck, den der Fachmann damit erreichen möchte, auswählen.
Das erfindungsgemäße Filterpapier kann Pigmente oder Farbstoffe enthalten, um dem Filterpapier eine bestimmte Farbe zu verleihen. Ein beispielhaftes Pigment sind Eisenoxide, die typischerweise gelb, rot oder schwarz sind und alleine oder in Mischungen eingesetzt werden können. Eisenoxide oder andere Pigmente oder Farbstoffe können bei Erwärmung ihre Farbe dauerhaft oder vorübergehend verändern, sodass diese Stoffe auch zugesetzt werden können, wenn damit besondere optische Effekte beim oder nach dem Rauchen erzielt werden sollen.
Das erfindungsgemäße Filterpapier kann weitere Additive enthalten, um bestimmte Eigenschaften des Filterpapiers zu beeinflussen. Dazu gehören beispielsweise Leimungsmittel, wie beispielsweise Alkyl Keten Dimer (AKD), Bernsteinsäureanhydrid (ASA), Fettsäuren, Fettalkohole oder andere hydrophobe Substanzen, um das Filterpapier wasserabweisend zu machen, oder Stärke, um die Festigkeit des Filterpapiers zu erhöhen, oder Nassfestmittel.
Von besonderem Interesse kann die Beigabe von Additiven sein, die selektiv bestimmte Substanzen im Rauch der Zigarette beeinflussen. Insbesondere sind dabei 44 Substanzen, die sogenannten „Hoffmann Analytes”, von Bedeutung. Konkret kann das Filterpapier daher Substanzen zur Beeinflussung des Gehalts an Kohlenmonoxid, wie beispielsweise Katalysatoren; Zinkoxid oder andere Metalloxide; Nitrate der Übergangsmetalle oder von Kupfer, Eisen oder Silber; oder Platin enthalten. Zur Beeinflussung, insbesondere der Reduktion, von Cyanwasserstoff (HCN) können Zinkoxid oder Natriumglycinat eingesetzt werden. Zur Beeinflussung von Formaldehyd kann Ascorbinsäure, Weinsäure, Natriumcarbonat oder Polyethylenimin dienen. Ebenso sind Beigaben von Aktivkohle, Polyethylenglykol, Triacetin oder Triethylcitrat möglich. Die Summe aus Pigmenten, Farbstoffen und Additiven, sowie allen anderen Substanzen, die der Fachmann zur Erzielung bestimmter Effekte dem Filterpapier hinzufügen kann, soll nicht mehr als 10 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 5 Gew.-% und besonders vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.-% des Filterpapiers betragen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Filterpapier zumindest frei von Pigmenten und Farbstoffen.
Generell sind bei der Festlegung der Bestandteile des Filterpapiers zusätzlich toxikologische Aspekte und gesetzliche Vorgaben zu beachten.
Die mechanischen Eigenschaften des Filterpapiers sind für die Herstellung eines Filters aus dem erfindungsgemäßen Filterpapier von Bedeutung. Die mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich am Filterpapier in Maschinenrichtung, also der Richtung, in der das Filterpapier durch die Papiermaschine läuft, und der Querrichtung, also der Richtung orthogonal zur Laufrichtung in der Papiermaschine.
Die Zugfestigkeit des Filterpapiers in Maschinenrichtung soll mindestens 7 N/15 mm betragen, bevorzugt mindestens 8 N/15 mm und besonders bevorzugt mindestens 9 N/15 mm. Eine hohe Zugfestigkeit ist nicht von Nachteil. Da die Herstellung eines Filterpapier mit einer hohen Zugfestigkeit aber mit hohem Energieaufwand bei der Mahlung der Fasern verbunden ist, wird man die Zugfestigkeit nicht unnötig steigern. Die Zugfestigkeit in Maschinenrichtung soll daher höchstens 50 N/15 mm betragen, vorzugsweise höchstens 45 N/15 mm und besonders vorzugsweise höchstens 40 N/15 mm.
Das Filterpapier wird bei der Herstellung des Filters in Querrichtung vergleichsweise weniger belastet, sodass die Zugfestigkeit in Querrichtung vorzugsweise mindestens 4 N/15 mm und besonders vorzugsweise mindestens 5 N/15 mm beträgt und vorzugsweise höchstens 9 N/15 mm und besonders vorzugsweise höchstens 8 N/15 mm.
Ebenso bedeutend wie die Zugfestigkeit ist auch die Bruchdehnung, da sie beschreibt wie gut das Filterpapier Geschwindigkeitsunterschiede im Lauf durch die Maschine bei der Filterherstellung ausgleichen kann. Die Bruchdehnung in Maschinenrichtung beträgt daher vorzugsweise mindestens 1% und besonders vorzugsweise mindestens 1,2% und vorzugsweise höchstens 2% und besonders vorzugsweise höchstens 1,8%.
Auch die Bruchdehnung in Querrichtung spielt eine Rolle, weil es bei der Filterherstellung auch zu Dehnungen des Filterpapiers in Querrichtung kommen kann. Daher soll die Bruchdehnung in Querrichtung vorzugsweise mindestens 4% und besonders vorzugsweise mindestens 4,5% und vorzugsweise höchstens 6% und besonders vorzugsweise höchstens 5,5% betragen.
Das Filterpapier kann in Maschinenrichtung oder in Querrichtung gekreppt sein. In diesem Fall beträgt seine Bruchdehnung in der Richtung oder den Richtungen, in denen das Filterpapier gekreppt ist, höchstens 25%, vorzugsweise höchstens 15% und besonders vorzugsweise höchstens 10%.
Die Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Maschinenrichtung und Querrichtung kann nach ISO 1924-2:2008 gemessen werden.
Das Flächengewicht des Filterpapiers kann beispielsweise für die Härte des aus diesem Filterpapier gefertigten Filters von Bedeutung sein. Das Flächengewicht beträgt daher vorzugsweise von 10 bis 80 g·m^–2, besonders vorzugsweise von 20 bis 60 g·m^–2, ganz besonders bevorzugt von 30 bis 40 g·m^–2. Das Flächengewicht eines Filterpapiers kann nach ISO 536:2012 gemessen werden.
Ebenso wie das Flächengewicht kann die Dicke des Filterpapiers für die Härte des aus diesem Filterpapier gefertigten Filters von Bedeutung sein. Die Dicke beträgt daher vorzugsweise von 60 μm bis 160 μm und besonders vorzugsweise von 80 μm bis 120 μm. Die Dicke eines Filterpapiers kann nach ISO 534:2011 auf einer einzelnen Lage des Filterpapieres gemessen werden.
Das erfindungsgemäße Filterpapier kann nach dem folgenden erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Der erste Schritt (A) umfasst das Bereitstellen einer wässrigen Suspension aus ungemahlenem Fasermaterial in einem Vorratsbehälter. Dieser Prozessschritt kann nach den aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren erfolgen.
Das ungemahlene Fasermaterial umfasst Zellstofffasern, insbesondere Langfaserzellstofffasern. Die Zellstofffasern können gebleicht oder ungebleicht sein oder ein Gemisch aus gebleichten und ungebleichten Zellstofffasern. Vorzugsweise sind die ungemahlenen Zellstofffasern aber gebleicht, weil das Filterpapier dann weiß ist und diese Farbe vom Raucher erwartet wird.
Der Anteil an ungemahlenen Langfaserzellstofffasern bezogen auf das Gewicht des ungemahlenen Fasermaterials beträgt mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders vorzugsweise 100 Gew.-% beträgt.
Die Angabe, dass 100 Gew.-% aus ungemahlenen Langfaserzellstofffasern gebildet sind, soll bedeuten, dass das ungemahlene Fasermaterial im Wesentlichen ausschließlich ungemahlene Langfaserzellstofffasern enthält. Von dieser Angabe sollen daher auch ungemahlenes Fasermaterial umfasst sein, das Verunreinigungen durch beliebige andere Substanzen und Materialien, wie beispielsweise andere Fasern, Kurzfaserzellstofffasern, Füllstoffe, Pigmente, Additive oder Prozesshilfsmittel enthalten, wie sie eben bei der Papierherstellung nach dem Stand der Technik vorkommen können.
Der Langfaserzellstoff ist dabei aus Nadelhölzern, wie beispielsweise Fichte oder Kiefer gewonnen, oder aus Flachs, Hanf, Sisal, Abacá, Baumwolle, Ramie, Jute, Kenaf, Gampi, Kozu oder Matsumata.
Das ungemahlene Fasermaterial kann auch weitere Zellstofffasern wie Kurzfaserzellstofffasern, oder andere Fasern wie Fasern aus regenerierter Zellulose wie beispielsweise Viscosefasern, Modalfasern oder Lyocellfasern, Fasern aus Zelluloseestern wie Zelluloseacetat oder aus Kunstoffen wie beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyethylen, Polyester oder Polypropylen oder auch Fasern aus Polylactaten umfassen. Der gesamte Anteil solcher Fasern soll aber nicht mehr als 10 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 5 Gew.-% und besonders vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.-% des ungemahlenen Fasermaterials betragen.
Kurzfaserzellstofffasern können aus Laubholz, insbesondere Birke, Buche oder Eukalyptus gewonnen sein, aber auch aus anderen Pflanzen, wie Espartogras.
In einem weiteren, optionalen Verfahrensschritt können der wässrigen Suspension des ungemahlenen Fasermaterials andere Materialien wie Füllstoffe, Additive, Prozesshilfsmittel, Pigmente oder Farbstoffe hinzugefügt werden.
Bezüglich der Art und Menge an Füllstoffen, Additiven, Prozesshilfsmitteln, Pigmenten und Farbstoffen gelten die weiter oben gemachten Angaben.
In einem weiteren Verfahrensschritt (B) wird zumindest ein Teil der in Schritt (A) bereitgestellten wässrigen Suspension aus überwiegend oder ausschließlich ungemahlenen Langfaserzellstofffasern und optionalen weiteren Komponenten einem Mahlaggregat zugeführt und dort gemahlen. Der Teil des ungemahlenen Fasermaterials, der in dem Mahlaggregat gemahlen wird, soll mindestens 40 Gew.-%, bevorzugt mindestens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 60 Gew.-% betragen, jeweils bezogen auf die gesamte Menge des ursprünglich ungemahlenen Fasermaterials. Falls ein Teil der Suspension des ungemahlenen Fasermaterials nicht gemahlen wird, kann er in einem späteren Prozessschritt wieder hinzugefügt werden. Es ist aber auch möglich, dass die gesamte in Schritt (A) bereitgestellte Suspension der Mahlung unterzogen wird, und zu einem späteren Zeitpunkt eine andere Suspension, die ungemahlene Langfaserzellstofffasern oder anderes Fasermaterial enthält, zugefügt wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, dass es sich beim Mahlaggregat um einen Papillon Refiner handelt. Die Erfinder haben gefunden, dass speziell ein solcher Papillon Refiner das Fasermaterial so mahlen kann, dass die gewünschte spezielle Eigenschaftskombination aus Luftdurchlässigkeit, Feinstoffgehalt und Festigkeit des Filterpapiers erreicht werden kann.
Im Unterschied zu den üblichen Doppelscheibenrefinern oder Kegelrefinern findet in einem Papillon Refiner die Mahlung in einer zylindrischen Geometrie statt. Dadurch wird das Fasermaterial besonders schonend behandelt und weniger Energie für die Mahlung benötigt. Die Erfinder gehen davon aus, dass die besondere Verteilung der Faserlängen und Faserbreiten und insbesondere der Anteil an Feinstoffen speziell mit solchen Refinern erzielt werden können, während dies mit üblicherweise verwendeten Doppelscheibenrefinern oder Kegelrefinern nicht gelang.
Papillon Refiner werden von verschiedenen Maschinenherstellern angeboten, beispielsweise von Andritz mit den Modellbezeichnungen CS380, CS450, CC380 und CC450. Die folgenden Angaben gelten beispielhaft für einen Papillon Refiner CS380 von Andritz und können mit dem Wissen des Fachmanns oder durch Versuche einfach auf andere Mahlaggregate übertragen werden.
Die Einstellungen des Papillon Refiners müssen an die Art und Menge des ungemahlenen Fasermaterials, die Dimensionen des Mahlaggregats und an die Mahlgarnitur angepasst sein. Bewährt hat sich eine Stoffdichte, d. h. ein massenbezogener Anteil des trockenen Fasermaterials in der für die Mahlung verwendeten Suspension, zwischen 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%. Die Durchflussrate kann zwischen 300 l·min^–1 und 700 l·min^–1 hegen. Die spezifische Mahlkantenbelastung kann zwischen 0,3 J·m^–1 und 1,0 J·m^–1 liegen.
Bevorzugt wird das Fasermaterial mit einem Energieaufwand von 30 W·h·kg^–1 bis 100 W·h·kg^–1 gemahlen, bezogen auf die Masse des trockenen, ungemahlenen Fasermaterials. Zur Mahlung des Fasermaterials in einem Papillon Refiner sind auch die Drehzahl und die Leistungszufuhr festzulegen. Im erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Drehzahl zwischen 500 min^–1 und 2000 min^–1 und vorzugsweise zwischen 600 min^–1 und 1600 min^–1. Die dem Papillon Refiner zugeführte Leistung liegt in bevorzugten Ausführungsbeispielen zwischen 50 kW und 200 kW, vorzugsweise zwischen 60 kW und 150 kW.
Durch Wahl der Drehzahl und der Leistung kann vor allem die Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers eingestellt werden. Generell führen eine hohe Drehzahl oder eine niedrige Leistung zu einer höheren Luftdurchlässigkeit. Umgekehrt führen eine niedrige Drehzahl oder eine hohe Leistung zu einer niedrigen Luftdurchlässigkeit.
Jener Teil der Suspension des ungemahlenen Fasermaterials, der zuvor abgezweigt und nicht gemahlen wurde, wird dann der Suspension des gemahlenen Fasermaterials wieder hinzugefügt.
In einem weiteren, optionalen Verfahrensschritt können der wässrigen Suspension des gemahlenen Fasermaterials andere Materialien wie Füllstoffe, Additive, Prozesshilfsmittel, Pigmente oder Farbstoffe hinzugefügt werden. Bezüglich der Art und Menge an Füllstoffen, Additiven, Prozesshilfsmitteln, Pigmenten und Farbstoffen gelten die weiter oben gemachten Angaben.
Auch das Hinzufügen gemahlenen Fasermaterials aus einem oder mehreren anderen Mahlaggregat(en) ist in diesem Verfahrensschritt möglich, wobei allerdings, sofern es sich nicht um gemahlene Langfaserzellstofffasern handelt, die früher beim ersten Prozessschritt (A) angegebenen Grenzen zu beachten sind.
Insbesondere können in diesem Schritt auch Feinstoffe, also Fasern mit einer Länge von höchstens 0,2 mm, zur wässrigen Suspension hinzugefügt werden, um damit die Filtrationseffizienz einzustellen. Der Anteil an Feinstoffen in der fertigen wässrigen Suspension beträgt insgesamt zwischen 2% und 10% bezogen auf die Anzahl der Fasern in der wässrigen Suspension, vorzugsweise zwischen 3% und 9% und besonders vorzugsweise zwischen 4% und 8%, jeweils bezogen auf die Anzahl der Fasern in der wässrigen Suspension. Der Begriff „fertige Suspension” bezieht sich auf die Suspension in dem Zustand, in dem sie in einem nachfolgend beschriebenen Schritt (C) einer Papiermaschine zugeführt wird, also nachdem sämtliche Zugaben von weiterem ungemahlenen Langfaserzellstoff, Fasermaterial oder Feinstoffen erfolgt ist.
In der fertigen wässrigen Fasersuspension ist die Länge und Breite der Fasern von Bedeutung. Die mittlere Länge der Fasern in der fertigen wässrigen Fasersuspension soll vorzugsweise mehr als 1 mm und weniger als 5 mm und besonders vorzugsweise mehr als 2 mm und weniger als 4 mm betragen.
Die mittlere Breite der Fasern in der fertigen wässrigen Fasersuspension beträgt vorzugsweise zwischen 10 μm und 50 μm, besonders vorzugweise zwischen 20 μm und 40 μm, und ganz besonders vorzugsweise zwischen 25 μm und 35 μm.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt (C) wird die fertige wässrige Suspension einer Papiermaschine zugeführt und dort nach den im Stand der Technik an sich bekannten Verfahren ein Filterpapier hergestellt. Vorzugsweise ist die Papiermaschine eine Schrägsiebmaschine, weil sich auf diesen Maschinen Papiere mit einer besonders hohen Luftdurchlässigkeit herstellen lassen, deren Filtrationseffizienz für das Filtrieren von Zigarettenrauch gut geeignet ist. Weniger bevorzugte Alternativen sind die Langsieb- oder Rundsiebmaschinen.
Auf einer für das Verfahren geeigneten Papiermaschine wird die Suspension zunächst in einem Stoffauflauf gesammelt und dann auf ein Sieb gepumpt, sodass ein großer Teil des Wassers durch das Sieb fließt, während das Fasermaterial und andere Komponenten zum überwiegenden Teil auf dem Sieb verbleiben und eine Faserbahn bilden. Danach durchläuft die Faserbahn eine Pressenpartie, in der die Faserbahn durch mechanischen Druck, beispielsweise gegen einen Filz, weiter entwässert wird und weiter eine Trockenpartie, in der die Faserbahn durch Wärme, Mikrowellenstrahlung oder Infrarotstrahlung, vorzugsweise durch Kontakt mit dampfbeheizten Trockenzylindern und ganz besonders bevorzugt durch Heißluft, insbesondere durch eine Prallströmtrocknung oder Durchströmtrocknung, getrocknet wird, bis sie einen Feuchtegehalt von 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% bezogen auf die Masse des Filterpapiers besitzt. Die Trocknung durch eine Prallströmtrocknung oder Durchströmtrocknung ist ganz besonders bevorzugt, weil sie dem Filterpapier eine hohe Porosität und eine hohe Dicke verleihen kann. Abschließend wird das Filterpapier aufgerollt und optional in schmälere Rollen mit einer Breite von mindestens 100 mm und höchstens 400 m geschnitten, die danach für die Herstellung von Zigarettenfiltern verwendet werden können.
Zur Herstellung eines Filterstabs aus dem Filterpapier wird eine Filterpapierbahn mit einer Breite von mindestens 100 mm und höchstens 400 mm, beispielsweise etwa 300 mm üblicherweise geprägt oder gekreppt, fallweise auch unter erhöhter Temperatur oder Feuchtigkeit. Die Kreppung kann in Maschinenrichtung, in Querrichtung oder in beide Richtungen erfolgen, ebenso kann die Kreppung auch diagonal, in beliebiger Richtung, oder in Mustern erfolgen. Das Filterpapier wird danach, wie bei konventionellen Zelluloseacetatfiltern, zu einem endlosen Strang geformt, der von einem Filterhüllpapier umhüllt wird. Aus diesem endlosen Strang werden im Anschluss Filterstäbe geschnitten.
Als Filterhüllpapier kommt jedes aus dem Stand der Technik bekannte Filterhüllpapier in Frage, insbesondere ein wenig poröses Filterhüllpapier oder ein Filterhüllpapier mit einer Luftdurchlässigkeit gemessen nach ISO 2965:2009 zwischen 1000 cm·min^–1·kPa^–1 und 30000 cm·min^–1·kPa^–1.
Die Erfindung betrifft weiter einen Papierfilter umfassend das erfindungsgemäße Filterpapier.
Ein erfindungsgemäßer Papierilter kann dabei als Filterstab mit einer Länge von 60 mm bis 200 mm vorliegen, vorzugsweise mit einer Länge von 80 mm bis 180 mm. Die Länge des Filterstabs beträgt dabei ein ganzzahliges Vielfaches, vorzugsweise ein Vier- bis Sechsfaches, der Länge des Filterstöpsels, der dann als Filter auf der Zigarette dient.
Der erfindungsgemäße Papierfilter kann daher auch als Filterstöpsel mit einer Länge von 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise mit einer Länge von 15 mm bis 30 mm vorliegen.
Der erfindungsgemäße Papierfilter kann aber auch als Segment eines Zigarettenfilters vorliegen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Zigarettenfilter aus einem Segment aus Zelluloseacetat und einem Segment mit Filterpapier besteht oder auch, wenn beispielsweise im Zigarettenfilter ein Hohlraum mit Aktivkohlepartikeln vorgesehen ist, der durch zwei Segmente begrenzt wird, die Filterpapier enthalten können. Der erfindungsgemäße Papierfilter kann daher auch eine Länge von 3 mm bis 10 mm, vorzugsweise von 4 mm bis 8 mm aufweisen.
Der Papierfilter, also der Filterstab, Filterstöpsel oder das Papierfiltersegment, besitzt einen Durchmesser zwischen 3 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 9 mm und besonders vorzugsweise zwischen 7 mm und 9 mm. Der Durchmesser richtet sich nach dem Durchmesser der Zigarette, die den Papierfilter enthalten soll. Bei der Messung des Durchmessers eines Papierfilters kann CORESTA Guide No. 10 Berücksichtigung finden.
Der Zugwiderstand des Papierfilters ist im Wesentlichen abhängig vom Durchmesser, dem Filtermaterial und der Länge des Papierfilters und kann nach ISO 6565:2011 bei einem Volumensstrom von 17.5 cm³·s^–1 gemessen werden. Der Zugwiderstand eines Papierfilters wird in Pa angegeben und ist in sehr guter Näherung proportional der Länge des Papierfilters, sofern der Papierfilter über seine Länge näherungsweise homogen ist. Deshalb kann der längenspezifische Zugwiderstand als Druckdifferenz pro mm Länge des Papierfilters ausgedrückt werden, wenn die Angabe unabhängig von der konkreten Länge des Papierfilters sein soll. Der erfindungsgemäße Papierfilter hat einen längenspezifischen Zugwiderstand zwischen 10 Pa·mm^–1 und 40 Pa·mm^–1, vorzugsweise zwischen 15 Pa·mm^–1 und 35 Pa·mm^–1.
Ein wesentliches Merkmal eines Papierfilters ist seine Filtrationseffizienz für die partikuläre Phase des Zigarettenrauchs. Genauer betrachtet man bei der partikulären Phase das nikotinfreie Trockenkondensat (NFDPM; nicotine-free dry particulate matter), das umgangssprachlich als „Teer” bezeichnet wird und dessen Gehalt im Rauch einer Zigarette fallweise auf der Packung in mg pro Zigarette angegeben ist. Die Filtrationseffizienz für NFDPM beschreibt das Massenverhältnis der im Filter zurückgehaltenen partikulären Phase des Rauchs zur gesamten in den Filter strömenden partikulären Phase des Rauchs. Die Filtrationseffizienz wird in % ausgedrückt. Der Filter, umfassend das erfindungsgemäße Filterpapier, hat eine Filtrationseffizienz für NFPDM zwischen 20% und 80%, vorzugsweise zwischen 30% und 70%. Die Filtrationseffizienz des Filters wird in aus dem Stand der Technik bekannter Weise von Durchmesser, Länge und Zugwiderstand des Papierfilters beeinflusst.
Die Filtrationseffizienz eines Filters wird bestimmt, indem zunächst eine ausreichende Anzahl von Zigaretten, beispielsweise 20 Stück, auf einer Rauchmaschine gemäß ISO 3308:2012 abgeraucht wird und daraus der Gehalt an NFDPM in mg pro Zigarette, bezeichnet mit X, gemäß ISO 4387:2000 bestimmt wird. In einem weiteren Schritt wird der Filter jeder abgerauchten Zigarette abgetrennt und analysiert, wieviel NFDPM im Filter in mg pro Zigarette, bezeichnet mit Y, enthalten ist. Die Filtrationseffizienz F des Filters ist dann das Verhältnis F = Y·(X + Y)^–1 und wird in % ausgedrückt.
Im Fall, dass der Filter aus mehreren Segmenten besteht, beispielsweise aus n Segmenten mit i = 1, 2, ... n, kann für jedes Filtersegment die darin enthaltene Menge an NFDPM, bezeichnet mit Y_i in mg pro Zigarette bestimmt werden. Die Nummerierung der Filtersegmente soll dabei in Strömungsrichtung des Rauchs bei normaler Verwendung der Zigarette aufsteigend erfolgen. Das Segment i = 1 grenzt also direkt an den Tabakstrang der Zigarette, während das Segment i = n am Mundende der Zigarette liegt. Die Filtrationseffizienz F_k des Segments k kann dann durch die Formel
also durch das Verhältnis der im Filtersegment k zurückgehaltenen Menge an NFDPM zu der in das Filtersegment k einströmenden Menge an NFDPM berechnet und in % ausgedrückt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Filterzigarette umfassend einen Papierfilter. Der Papierfilter kann der einzige Filter auf der Filterzigarette sein oder kann vorzugsweise ein Segment in einem segmentierten Zigarettenfilter sein. Besonders bevorzugt ist eine Filterzigarette, in der das dem Mundende nächstliegende Filtersegment durch Zelluloseacetat gebildet wird und mindestens ein weiteres dem Tabakstrang näherliegendes Segment das erfindungsgemäße Filterpapier enthält, weil dann das optische Erscheinungsbild des Mundendes dem einer Filterzigarette mit Zelluloseacetatfilter entspricht und damit die Erwartungen des Rauchers erfüllt.
Die Herstellung einer Filterzigarette umfassend einen erfindungsgemäßen Papierfilter kann nach den aus denn Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Tabelle 1, die Fasereigenschaften von 16 verschiedenen Filterpapieren enthält, deren Fasermaterial mit unterschiedlichen Einstellungen eines Papillon Refiners gemahlen wurden.
2 zeigt eine Tabelle 2, die das Flächengewicht, die Dicke, die Luftdurchlässigkeit, die Zugdehnung und die Bruchdehnung der 16 Papiere der Tabelle von 1 enthält.
3 zeigt eine Tabelle 3, die die Filtrationseffizienz, den Zugwiderstand und den spezifischen Zugwiderstand der 16 Papiere der Tabelle von 1 enthält.
4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Luftdurchlässigkeit der erfindungsgemäßen Filterpapiere und der Filtrationseffizienz für NFDPM der aus den Filterpapieren gefertigten Papierfilter.
5 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Zugwiderstand eines Filters und der Filtrationseffizienz für NFDPM für die erfindungsgemäßen Papierfilter (Kreise), herkömmliche Papierfilter (Quadrate) und herkömmliche Filter aus Zelluloseacetat (Dreiecke).
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung und deren Vorteile demonstrieren.
Als Fasermaterial wurden ausschließlich gebleichte, ungemahlene Langfaserzellstofffasern in einem Papillon Refiner bei unterschiedlichen Drehzahlen zwischen 600 min^–1 und 1200 min^–1 und Leistungen zwischen etwa 60 kW und etwa 140 kW gemahlen. Insgesamt wurden 16 verschiedene Kombinationen aus Leistung und Drehzahl gewählt. Die konkreten Werte sind in Tabelle 1 („Einstellungen des Papillon Refiner”) angegeben, die in 1 abgebildet ist. Zu den gemahlenen Langfaserzellstofffasern wurden ungemahlene Langfaserzellstofffasern hinzugefügt, sodass die gesamte Suspension aus Langfaserzellstoffasern etwa 60 Gew.-% gemahlene und etwa 40 Gew.-% ungemahlene Langfaserzellstofffasern enthielt.
Des Weiteren wurden die Eigenschaften der Fasern in der Suspension in Anlehnung an ISO 16065 unter Verwendung eines L&W Fiber Tester Plus – code 912 Plus bestimmt, wobei auch die Feinstoffe, also Fasern mit einer Länge von weniger als 0,2 mm berücksichtigt wurden.
Die mittlere Faserlänge, die mittlere Faserbreite und der Anteil an Feinstoffen in % bezogen auf die Anzahl der Fasern sind in den entsprechenden Spalten von Tabelle 1 aus 1 angegeben. Die mittlere Faserlänge beträgt für die beispielhaften erfindungsgemäßen Filterpapiere etwa zwischen 2 mm und 2,5 mm, die mittlere Faserbreite zwischen 30,5 μm und 31,5 μm, und der Anteil an Feinstoffen zwischen 5% und 8% bezogen auf die Anzahl Fasern im Fasermaterial.
Die Erfinder gehen davon aus, dass sich nur mit einem Papillon Refiner solche konstanten Fasereigenschaften trotz der variablen Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers erzielen lassen und dass diese Fasereigenschaften wesentlich zur Filtrationseffizienz der aus diesen Filterpapieren gefertigten Filter beitragen.
Aus diesen 16 verschieden gemahlenen Langfaserzellstoffen wurden 16 verschiedene Filterpapiere auf einer Schrägsiebmaschine hergestellt. Die Filterpapiere sind mit 1 bis 16 entsprechend der Spalte „No.” in den in den 1 bis 3 gezeigten Tabellen 1 bis 3 nummeriert, wobei in allen Tabellen eine Nummer jeweils dasselbe Filterpapier bzw. den daraus gefertigten Filter bezeichnet.
Das Flächengewicht nach ISO 536:2012, die Dicke nach ISO 534:2011 und die Luftdurchlässigkeit nach ISO 2965:2009 wurden für jedes Filterpapier bestimmt und sind in den entsprechenden Spalten in Tabelle 2 (2) angegeben. Das Flächengewicht liegt zwischen 34,9 g·m^–2 und 36,6 g·m^–2 und damit in einem sehr engen Bereich, ebenso variiert die Dicke nur zwischen 83 μm und 101 μm. Die Luftdurchlässigkeit der Filterpapiere verändert sich hingegen in Abhängigkeit der Mahlung des Fasermaterials und liegt zwischen 1099 CU und 8364 CU.
Ebenso wurden die Zugfestigkeit und Bruchdehnung nach ISO 1924-2:2008 für das ungekreppte Filterpapier jeweils in Maschinenrichtung (MD; machine direction) und in Querrichtung (CD; cross direction) bestimmt. Auch diese Werte sind in den entsprechenden Spalten von Tabelle 2 (2) angegeben. Die Werte für die Zugfestigkeit überschreiten alle das technisch notwendige Minimum, um aus den Filterpapieren Filter herstellen zu können. Ebenso liegen die Bruchdehnungen in einem für die weitere Verarbeitung des Filterpapiers günstigen Bereich.
Aus einer 240 mm breiten Rolle jedes der 16 Filterpapiere wurden Papierfilterstäbe mit einem Umfang von 24,35 mm und einer Länge von 132 mm unter Verwendung eines unporösen Filterhüllpapiers auf einer Laborfiltermaschine hergestellt.
Der Zugwiderstand jedes Papierfilterstabs wurde nach ISO 6565:2011 bestimmt und ist umgerechnet auf eine Länge von 22 mm und als spezifischer Zugwiderstand in den entsprechenden Spalten der Tabelle 3 (3) angegeben.
Jeder Papierfilterstab wurde in sechs gleich lange Papierfilterstöpsel mit je 22 mm Länge geteilt und daraus Zigaretten mit einer Länge von 83 mm, einem Umfang von 24,5 mm, einer Länge des Tabakstrangs von 61 mm und einem Tabakgewicht von 600 mg hergestellt. Der Tabak wurde dabei mit einem konventionellen Zigarettenpapier mit einer Luftdurchlässigkeit von 50 cm·min^–1·kPa^–1 zu einem Tabakstrang geformt. Der Papierfilter wurden mit einem 27 mm langen Tippingpapier umhüllt, sodass also das Tippingpapier den Tabakstrang 5 mm weit überlappt und damit den Papierfilter mit dem Tabakstrang verbindet.
Die Tabakmischung und alle geometrischen Daten der Zigaretten waren identisch, sodass sie sich nur bezüglich des Papierfilters unterschieden. Mit Hilfe dieser Zigaretten wurde die Filtrationseffizienz der Papierfilter nach dem weiter oben beschriebenen Verfahren bestimmt.
Die Filtrationseffizienz für nikotinfreies Trockenkondensat (NFDPM) ist für jeden der 16 Filterstöpsel (22 mm) in Tabelle 3 (3) angegeben. Es ergibt sich eine Filtrationseffizienz für NFPDM zwischen 36,2% und 55,2%. Durch Änderung der Länge des Filterstöpsel oder durch die Verwendung einer anderen Rollenbreite bei der Herstellung des Papierfilterstabs können problemlos Filtrationseffizienzen unterhalb oder oberhalb dieses Intervalls erzielt werden, sodass mit dem erfindungsgemäßen Filterpapier ein Intervall an Filtrationseffizienzen abgedeckt werden kann, wie es auch für Filter aus Zelluloseacetat üblich ist.
4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Filtrationseffizienz für NFPDM der erfindungsgemäßen Papierfilter und der Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers. Man kann erkennen, dass die Luftdurchlässigkeit eine wesentliche Größe ist, um die Filtrationseffizienz in weiten Bereichen einzustellen, weil alle anderen Größen, wie beispielsweise Flächengewicht, Dicke oder Fasereigenschaften annähernd konstant gehalten werden.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung lässt sich anhand von 5 demonstrieren. Die Figur zeigt den Zusammenhang zwischen dem Zugwiderstand eines Filters und der Filtrationseffizienz für NFPDM für die erfindungsgemäßen Papierfilter (Kreise), herkömmliche Papierfilter (Quadrate) und herkömmliche Filter aus Zelluloseacetat (Dreiecke). Alle Filter hatten eine Länge von 22 mm.
Man kann aus der Figur deutlich einen der Nachteile herkömmlicher Papierfilter erkennen. Möchte man beispielsweise eine Filtrationseffizienz für NFDPM von 45% erreichen, dann hat ein herkömmlicher Papierfilter einen Zugwiderstand von etwa 300 Pa, während ein herkömmlicher Zelluloseacetatfilter einen Zugwiderstand von etwa 600 Pa besitzt. Der Zugwiderstand einer unventilierten Filterzigarette wird im Wesentlichen vom Zugwiderstand des Filters und dem des Tabakstrangs bestimmt. Für eine King-Size Zigarette mit einem Umfang von 24 mm bis 25 mm erwartet der Raucher einen Zugwiderstand von etwa 1000 Pa. Tauscht man also in einem bestehenden Zigarettendesign den herkömmlichen Zellulosacetatfilter mit einem Zugwiderstand von 600 Pa gegen einen herkömmlichen Papierfilter mit 300 Pa, dann fällt der Zugwiderstand der Filterzigarette auf 700 Pa, also um 30%. Dieser Unterschied ist für den Raucher deutlich wahrnehmbar und unerwünscht.
Mit dem erfindungsgemäßen Filterpapier jedoch lässt sich bei einer Filtrationseffizienz für NFPDM von 45% ein Papierfilter mit einem Zugwiderstand von etwa 400 Pa herstellen, vergleiche Beispiel 6, sodass der Zugwiderstand der Zigaretten nur auf 800 Pa fällt. Damit ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Filterpapier ein erheblich geringerer Aufwand nötig, um das Zigarettendesign an den geänderten Zugwiderstand anzupassen.
Ebenso erreicht man mit einem herkömmlichen Filter aus Zelluloseacetat bei einem Zugwiderstand von 700 Pa eine Filtrationseffizienz für NFPDM von knapp unter 50% während ein herkömmlicher Papierfilter bei diesem Zugwiderstand bereits eine Filtrationseffizienz von etwa 70% besitzt. Mit dem erfindungsgemäßen Filterpapier, beispielsweise jenem aus Beispiel 3, lässt sich ein Papierfilter herstellen, der bei ähnlichem Zugwiderstand eine Filtrationseffizienz von knapp über 50% aufweist und damit näher an einem Filter aus Zelluloseacetat liegt als ein herkömmlicher Papierfilter. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Papierfilter auch dann Vorteile gegenüber herkömmlichen Papierfiltern bietet, wenn man den Zugwiderstand des Filters konstant halten möchte.
Insgesamt zeigt 5, dass die erfindungsgemäßen Papierfilter bezüglich Filtrationseffizienz und Zugwiderstand immer zwischen herkömmlichen Papierfiltern und herkömmlichen Zelluloseacetatfiltern liegen, und zusätzlich wird bei höheren Zugwiderständen der Unterschied zwischen den erfindungsgemäßen Papierfiltern und den Filtern aus Zelluloseacetat kleiner.
Mit den erfindungsgemäßen Filterpapieren und Papierfiltern lassen sich also die Vorteile eines Papierfilters besser nutzen und der Wechsel von Zelluloseacetatfiltern auf die erfindungsgemäßen Papierfilter benötigt weniger Anpassungen beim Zigarettendesign als für herkömmliche Papierfilter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2761085 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 2965:2009 [0009]
ISO 16065 [0015]
ISO 16065 [0015]
ISO 2965:2009 [0024]
ISO 1924-2:2008 [0040]
ISO 536:2012 [0041]
ISO 534:2011 [0042]
ISO 2965:2009 [0069]
ISO 6565:2011 [0075]
ISO 3308:2012 [0077]
ISO 4387:2000 [0077]
ISO 16065 [0088]
ISO 536:2012 [0092]
ISO 534:2011 [0092]
ISO 2965:2009 [0092]
ISO 1924-2:2008 [0093]
ISO 6565:2011 [0095]

Claims

Filterpapier zur Herstellung von Filtern für Rauchartikel, insbesondere Filterzigaretten, mit den folgenden Eigenschaften: – das Filterpapier umfasst Fasern, umfassend Zellstofffasern, – mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, besonders vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders vorzugsweise 100 Gew.-% des Filterpapiers werden durch Langfaserzellstofffasern gebildet, – von den Fasern hat ein auf die Anzahl der Fasern bezogener Anteil von zwischen 2% und 10%, bevorzugt zwischen 3% und 9% und besonders bevorzugt zwischen 4% und 8% eine Länge von weniger als 0,2 mm, – die Luftdurchlässigkeit des Filterpapiers gemessen nach ISO 2965:2009 beträgt zwischen 500 cm·min^–1·kPa^–1 und 15000 cm·min^–1·kPa^–1 und vorzugsweise zwischen 1000 cm·min^–1·kPa^–1 und 9000 cm·min^–1·kPa^–1, – die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Fasern im Filterpapier beträgt mehr als 1 mm und weniger als 5 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm und weniger als 4 mm, und – die auf die Anzahl bezogene mittlere Breite der Fasern im Filterpapier beträgt zwischen 10 μm und 50 μm, vorzugweise zwischen 20 μm und 40 μm, und besonders vorzugsweise zwischen 25 μm und 35 μm.
Filterpapier nach Anspruch 1, bei dem die Zellstofffasern gebleicht sind, ungebleicht sind oder eine Mischung aus gebleichten und ungebleichten Zellstofffasern bilden.
Filterpapier nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Langfaserzellstoff aus Nadelholz, insbesondere Fichte oder Kiefer, oder aus Hanf, Flachs, Sisal, Abacá, Baumwolle, Ramie, Jute, Kenaf, Gampi, Kozu oder Matsumata gewonnen ist.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zu höchstens 10 Gew.-%, vorzugsweise zu höchstens 5 Gew.-% und besonders vorzugsweise zu höchstens 2 Gew.-%, bezogen auf die Masse des Filterpapiers, aus Kurzfaserzellstofffasern besteht, wobei die genannten Kurzfaserzellstofffasern vorzugsweise aus Laubholz, insbesondere Birke, Buche oder Eukalyptus, oder aus Espartogras gewonnen sind.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zu höchstens 10 Gew.-%, vorzugsweise zu höchstens 5 Gew.-%, besonders vorzugsweise zu höchstens 2 Gew.-% bezogen auf die Masse des Filterpapiers aus Füllstoffen besteht, wobei die genannten Füllstoffe vorzugweise ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Carbonaten, Sulfaten, Silikaten oder Oxiden, insbesondere Calciumcarbonat, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Titandioxid, Talkum, Kaolin oder Aluminiumhydroxid, sowie Gemischen daraus.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches Pigmente oder Farbstoffe, insbesondere Eisenoxid oder eine Mischung aus Eisenoxiden enthält.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Leimungsmittel, insbesondere Alkyl Keten Dimer (AKD), Bernsteinsäureanhydrid (ASA), eine hydrophobe Substanz, insbesondere eine oder mehrere Fettsäuren oder einen oder mehrere Fettalkohole, Stärke, oder Nassfestmittel enthält.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Zugfestigkeit in Maschinenrichtung mindestens 7 N/15 mm, bevorzugt mindestens 8 N/15 mm und besonders bevorzugt mindestens 9 N/15 mm und/oder höchstens 50 N/15 mm, vorzugsweise höchstens 45 N/15 mm und besonders vorzugsweise höchstens 40 N/15 mm beträgt.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Zugfestigkeit in Querrichtung mindestens 4 N/15 mm, vorzugsweise mindestens 5 N/15 mm beträgt und/oder höchstens 9 N/15 mm, vorzugsweise höchstens 8 N/15 mm beträgt.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Bruchdehnung in Maschinenrichtung mindestens 1%, vorzugsweise mindestens 1,2% und/oder höchstens 2%, vorzugsweise höchstens 1,8% beträgt.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Bruchdehnung in Querrichtung mindestens 4%, vorzugsweise mindestens 4,5% und/oder höchstens 6%, vorzugsweise höchstens 5,5% beträgt.
Filterpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches in Maschinenrichtung und/oder in Querrichtung gekreppt ist, und dessen Bruchdehnung in der Richtung oder den Richtungen, in denen das Filterpapier gekreppt ist, höchstens 25%, vorzugsweise höchstens 15% und besonders vorzugsweise höchstens 10% beträgt.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Flächengewicht zwischen 10 und 80 g·m^–2, vorzugsweise zwischen 20 und 60 g·m^–2 und ganz besonders bevorzugt von 30 bis 40 g·m^–2 beträgt.
Filterpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Dicke zwischen 60 μm und 160 μm, vorzugsweise zwischen 80 μm und 120 μm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Filterpapiers zur Herstellung von Filtern für Rauchartikel, insbesondere Filter-Zigaretten, umfassend die folgenden Schritte: (A) Bereitstellen einer wässrigen Suspension aus ungemahlenem Fasermaterial, wobei das ungemahlene Fasermaterial ungemahlene Langfaserzellstofffasern umfasst und der Anteil ungemahlener Langfaserzellstofffasern mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, besonders vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders vorzugsweise 100 Gew.-% des ungemahlenen Fasermaterials beträgt, und die wässrige Suspension zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-% ungemahlenes Fasermaterial enthält, (B) Mahlen des Fasermaterials in der wässrigen Suspension aus Schritt (A), oder des Fasermaterials aus einem abgezweigten Teil der wässrigen Suspension aus Schritt (A), in einem Papillon Refiner mit einer Mahlenergie zwischen 30 W·h·kg^–1 und 100 W·h·kg^–1 bezogen auf die Masse des ungemahlenen Fasermaterials und einer spezifischen Mahlkantenbelastung von zwischen 0,3 J·m^–1 und 1,0 J·m^–1 und, (C) Zuführen der Suspension aus Schritt (B) zu einer Papiermaschine, vorzugsweise einer Schrägsiebmaschine, und Bildung eines Filterpapiers in der Papiermaschine, wobei die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Fasern in der in Schritt (C) zugeführten Suspension mehr als 1 mm und weniger als 5 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm und weniger als 4 mm beträgt, und wobei die auf die Anzahl bezogene mittlere Breite der Fasern in der in Schritt (C) zugeführten Suspension zwischen 10 μm und 50 μm, vorzugweise zwischen 20 μm und 40 μm, und besonders vorzugsweise zwischen 25 μm und 35 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem zwischen Schritt (B) und (C) der Suspension, die in Schritt (B) einer Mahlung unterzogen wurde, eine weitere Suspension zugeführt wird, die ungemahlene Langfaserzellstofffasern enthält, sodass in der Mischung beider Suspensionen mindestens 40 Gew.-%, bevorzugt mindestens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 60 Gew.-% der Langfaserzellstofffasern gemahlen sind, wobei die genannte weitere Suspension vorzugsweise durch einen abgezweigten Teil der in Schritt (A) bereitgestellten Suspension gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Schritt (B) des Mahlens des Fasermaterials so durchgeführt wird, und gegebenenfalls zwischen Schritt (B) und (C) Fasern mit einer Länge von höchstens 0,2 mm beigefügt werden, dass in der in Schritt (C) zugeführten Suspension ein auf die Anzahl der Fasern bezogener Anteil von zwischen 2% und 10%, bevorzugt zwischen 3% und 9% und besonders bevorzugt zwischen 4% und 8% eine Länge von weniger als 0,2 mm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, das ferner einen Schritt (D) des Kreppens des Filterpapiers in Maschinenrichtung und/oder in Querrichtung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18 zur Herstellung eines Filterpapiers nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Zigarettenfilter, der zumindest teilweise aus einem Filterpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.
Zigarettenfilter nach Anspruch 20, der in einer der folgenden Formen vorliegt: – als Filterstab mit einer Länge von 60 mm bis 200 mm, vorzugsweise einer Länge von 80 mm bis 180 mm, aus dem Filterstöpsel oder Filterstöpselsegmente gefertigt werden können, – als Filterstöpsel mit einer Länge von 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise 15 mm bis 30 mm, oder – als Filterstöpselsegment mit einer Länge von 3 mm bis 10 mm, vorzugsweise von 4 mm bis 8 mm.
Zigarettenfilter nach Anspruch 20 oder 21, mit einem Durchmesser von 3 mm bis 10 mm, vorzugsweise 4 mm bis 9 mm und besonders vorzugsweise 7 mm bis 9 mm.
Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 20 bis 22, mit einem spezifischen Zugwiderstand von 10 Pa·mm^–1 bis 40 Pa·mm^–1, vorzugsweise von 15 Pa·mm^–1 bis 35 Pa·mm^–1.
Filterzigarette, umfassend einen Tabakstrang und einen Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei der Zigarettenfilter durch einen Filterstöpsel nach Anspruch 21 gebildet wird, oder ein Filterstöpselsegment nach Anspruch 21 enthält.
Filterzigarette nach Anspruch 24, deren Zigarettenfilter eine Filtrationseffizienz für NFDPM von 20% bis 80%, vorzugsweise von 30% bis 70% aufweist.
Filterzigarette nach einem der Ansprüche 24 oder 25, mit einem segmentierte Zigarettenfilter, der ein Filterstöpselsegment nach Anspruch 21 und ein Filterstöpselsegment aus Zelluloseacetat umfasst, wobei das Filterstöpselsegment aus Zelluloseacetat am Mundende der Zigarette liegt.