DE102021115450A1

DE102021115450A1 - Filtermaterial für rauchartikel mit verbessertem dehnungsverhalten

Info

Publication number: DE102021115450A1
Application number: DE102021115450.2A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Volgger; Stefan Bachmann
Original assignee: Delfortgroup AG
Current assignee: Delfortgroup AG
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2022-12-15
Also published as: KR20240022530A; EP4124200A1; WO2022263030A1; CN117460429A

Abstract

Gezeigt wird ein Filtermaterial zur Herstellung eines Segments für einen Rauchartikel, wobei das Filtermaterial bahnförmig ist und mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, wobei das Filtermaterial ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m2und höchstens 60 g/m2aufweist, wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt, wobei das Filtermaterial eine Maschinenrichtung und eine dazu in der Ebene der Bahn des Filtermaterials orthogonal liegende Querrichtung aufweist, und wobei das Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung aufweist, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial geeignet zur Herstellung eines Segments in einem Rauchartikel, das ein günstiges plastisches Dehnungsverhalten in Querrichtung aufweist, sodass daraus in effizienter Weise Segmente für Rauchartikel hergestellt werden können. Die Erfindung betrifft auch ein Segment für einen Rauchartikel, hergestellt aus diesem Filtermaterial.
HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
Rauchartikel sind typischerweise stabförmige Artikel, die aus mindestens zwei nacheinander angeordneten stabförmigen Segmenten bestehen. Ein Segment enthält ein Material, das in der Lage ist, beim Aufheizen ein Aerosol zu bilden und mindestens ein weiteres Segment dient dazu, die Eigenschaften des Aerosols zu beeinflussen.
Bei dem Rauchartikel kann es sich um eine Filterzigarette handeln, bei der ein erstes Segment das aerosolbildende Material, insbesondere Tabak, enthält und bei der ein weiteres Segment als Filter ausgeführt ist und der Filtration des Aerosols dient. Das Aerosol wird dabei durch Verbrennen des aerosolbildenden Materials erzeugt, und der Filter dient primär dazu, das Aerosol zu filtern und die Filterzigarette mit einem definierten Zugwiderstand auszustatten.
Bei dem Rauchartikel kann es sich aber auch um einen sogenannten Tabakerhitzer handeln, bei dem das aerosolbildende Material nur aufgeheizt aber nicht verbrannt wird. Dadurch wird die Zahl und Menge der gesundheitsschädlichen Substanzen im Aerosol vermindert. Ein derartiger Rauchartikel besteht ebenfalls aus mindestens zwei, häufiger aber aus mehr, insbesondere aus vier Segmenten. Ein Segment enthält das aerosolbildende Material, das typischerweise Tabak, rekonstituierten Tabak oder nach anderen Verfahren aufbereiteten Tabak umfasst. Weitere, teilweise optionale Segmente im Rauchartikel dienen dazu, das Aerosol weiterzuleiten, das Aerosol abzukühlen oder das Aerosol zu filtern.
Die Segmente sind meistens von einem Umhüllungsmaterial umhüllt. Sehr oft wird Papier als Umhüllungsmaterial verwendet.
Im Folgenden wird, soweit nicht explizit darauf hingewiesen wird oder sich direkt aus dem Zusammenhang anderes ergibt, unter „Segment“ das Segment eines Rauchartikels verstanden, das nicht das aerosolbildende Material enthält, sondern beispielsweise dazu dient, das Aerosol weiterzuleiten, abzukühlen oder zu filtern.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, derartige Segmente aus Polymeren wie Celluloseacetat oder Polylactiden zu bilden. Nach dem Konsum des Rauchartikels muss der Rauchartikel geeignet entsorgt werden. In vielen Fällen wirft der Konsument aber den konsumierten Rauchartikel einfach in der Umwelt weg und Versuche, dieses Verhalten durch Information oder Strafen einzuschränken, waren wenig erfolgreich.
Da Celluloseacetat und Polylactide in der Umwelt nur sehr langsam biologisch abgebaut werden, haben Papier und cellulosebasierte Vliese an Bedeutung gewonnen.
Beispielsweise ist es bei der Herstellung eines Segments möglich, eine Bahn aus Papier oder einem cellulosebasierten Vlies zunächst in Längsrichtung zu crimpen, bevor es zu einem endlosen Strang geformt und mit einem Umhüllungsmaterial umhüllt wird. Abschließend kann der endlose Strang in für die weitere Verarbeitung geeignete Stücke geschnitten werden.
Beim Crimpen der Bahn kann die Bahn durch zwei mit einem Muster versehene Rollen durchgeführt werden, die dieses Muster auf die Bahn einprägen. Beispielsweise kann dieses Muster ein in Maschinenrichtung der Bahn orientiertes Linienmuster sein. Derartige eingeprägte Linien dehnen und verformen die Bahn in der zur Maschinenrichtung orthogonalen Richtung, der Querrichtung, sodass danach ein endloser Strang durch Zusammenschieben der Bahn in Querrichtung einfacher gebildet werden kann.
Bei der beschriebenen Art des Crimpens kann es allerdings vorkommen, dass die Bahn in Querrichtung reißt. Es besteht daher ein Bedarf an einem Filtermaterial, das diesen Nachteil nicht oder nur in einem geringeren Ausmaß aufweist, aber ansonsten den bevorzugten Filtermaterialien soweit wie möglich identisch ist.
In der nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT/ EP2019/085125 derselben Erfinder ist ein wasserstrahlverfestigtes Filtermaterial beschrieben, das als Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Filtermaterial dienen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bahnförmiges Filtermaterial für einen Rauchartikel zur Verfügung zu stellen, das sich mit hoher Produktivität zu einem Segment eines Rauchartikels verarbeiten lässt und ansonsten hinsichtlich seiner Eigenschaften bevorzugten Filtermaterialien möglichst ähnlich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Filtermaterial nach Anspruch 1, ein Segment für einen Rauchartikel nach Anspruch 17, und einen Rauchartikel nach Anspruch 24 gelöst, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Segments nach Anspruch 23 und ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermaterials nach Ansprüchen 28, 31 und 32. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfinder haben gefunden, dass diese Aufgabe durch ein Filtermaterial zur Herstellung eines Segments für einen Rauchartikel gelöst werden kann, wobei das Filtermaterial bahnförmig ist und mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält und wobei das Filtermaterial ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist.
Die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, beträgt mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm Die Dicke beeinflusst die Menge an Filtermaterial, die in das Segment des Rauchartikels gepackt werden kann und damit Zugwiderstand und Filtrationseffizienz des Segments, aber auch die Verarbeitbarkeit des Filtermaterials, insbesondere wenn es zur Herstellung eines Segments für einen Rauchartikel gecrimpt oder gefaltet wird. Für solche Prozessschritte ist eine zu hohe Dicke ungünstig und Dicken in dem genannten Intervall erlauben eine besonders gute Verarbeitbarkeit des erfindungsgemäßen Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels.
Ferner weist das Filtermaterial eine Maschinenrichtung und eine dazu in der Ebene der Bahn des Filtermaterials orthogonal liegende Querrichtung auf. Ferner weist das Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung auf, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt. Diese charakteristische plastische Verformbarkeit ist stärker ausgeprägt, als dies bei herkömmlichen Filtermaterialien der Fall ist.
Bei der Herstellung und Weiterverarbeitung des Filtermaterials läuft das Filtermaterial in einer Richtung, der sogenannten Maschinenrichtung durch die Maschine und das Filtermaterial besitzt eine zur Maschinenrichtung orthogonale, in der Bahnebene des Filtermaterials liegende Richtung, die Querrichtung.
Bei der Verarbeitung eines Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels wird das Filtermaterial vorzugsweise gecrimpt. Dazu wird das Filtermaterial beispielsweise durch zwei mit einem Muster versehenen Rollen durchgeführt, die dieses Muster auf die Bahn einprägen. Vorzugsweise ist dieses Muster ein in Maschinenrichtung der Bahn orientiertes Linienmuster. Die eingeprägten Linien dehnen und verformen das Filtermaterial in der zur Maschinenrichtung orthogonalen Richtung, der Querrichtung. Ein auf diese Weise verformtes Filtermaterial kann einfacher in Querrichtung zusammengeschoben und so ein endloser Strang zur Herstellung der Segmente erzeugt werden.
Ein Problem bei diesem Verfahren besteht allerdings darin, dass durch die beiden Rollen eine hohe Dehnung in Querrichtung auf die Bahn ausgeübt werden muss, um eine erwünschte Verformung des Filtermaterials zu bewirken, und dass deshalb die Gefahr besteht, dass das Filtermaterial in Querrichtung reißt. Der Fachmann könnte nun versucht sein, die Bruchdehnung des Filtermaterials in Querrichtung zu erhöhen, sodass das Filtermaterial größere Verformungen toleriert ohne zu reißen. Die Erfinder haben aber erkannt, dass dies das Problem nicht löst, denn um eine bleibende Verformung in Querrichtung zu erreichen, muss dann die Dehnung noch weiter erhöht werden, sodass die Gefahr noch weiter steigt, die Bruchlast in Querrichtung zu überschreiten.
Nach den Erkenntnissen der Erfinder kommt es vielmehr darauf an, dass bei der Dehnung in Querrichtung, der das Filtermaterial beim Crimpen ausgesetzt ist, eine bleibende, plastische und keine elastische Verformung bewirkt wird. Wenn eine solche plastische Verformung bereits mit höherem Abstand der Rollen beim Crimpen erreicht werden kann, reduziert sich die Gefahr, dass das Filtermaterial bei der Verarbeitung in Querrichtung reißt. Generell sollte es dabei ausreichen, das Filtermaterial in Querrichtung bis etwa zur Hälfte seiner Bruchdehnung zu dehnen.
Die Erfinder haben nun gefunden, dass durch geeignete Verfahren das Filtermaterial mit einer Struktur ausgestattet werden kann, die eine gute plastische Verformbarkeit in Querrichtung erlaubt und so das Crimpen vereinfacht. Dazu geeignete Verfahren sind weiter unten erläutert. Diese plastische Verformbarkeit in Querrichtung kann dabei durch einen Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 charakterisiert werden. In diesem Zugversuch wird ein Streifen mit 15 mm Breite in Querrichtung aus der Probe entnommen und mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/min bis zum Bruch gedehnt. Dabei werden die Dehnung ε und die aufgewendete Kraft F erfasst, sodass sich eine Kraft-Dehnungs-Kurve F(ε) ergibt. Ebenso werden die Bruchdehnung ε_b und die Zugfestigkeit F(ε_b) erfasst. Die bis zur halben Bruchdehnung ε_b/2 vom Filtermaterial aufgenommene Verformungsenergie E ergibt sich dann aus $E = \int_{ε = 0}^{ε_{b} / 2} F (ε) d ε,$
wobei in der Praxis das Integral numerisch berechnet wird.
Diese Verformungsenergie besteht aus einem elastischen und einem plastischen Anteil. Die elastische Verformung geht nach Entlastung zurück, sodass sie nichts zum Ergebnis des Crimpens beiträgt. Die plastische Verformung hingegen ist irreversibel, sodass schon bei geringer Dehnung durch die beiden Rollen ein gutes Ergebnis beim Crimpen erwartet werden kann, wenn der Anteil der plastischen Verformungsenergie an der gesamten Verformungsenergie höher ist als bei vergleichbaren Filtermaterialien aus dem Stand der Technik.
Eine elastische Verformung ist generell mit einer Proportionalität zwischen Dehnung und Kraft assoziiert. Unter der fiktiven Annahme, dass sich das Filtermaterial bis zur halben Bruchdehnung ideal linear elastisch verhält, kann die Verformungsenergie E_lin bis zur halben Bruchdehnung durch $E_{l i n} = \frac{1}{2} F (\frac{ε_{b}}{2}) \frac{ε_{b}}{2} = \frac{1}{4} F (\frac{ε_{b}}{2}) ε_{b}$
berechnet werden.
Der über diese Verformungsenergie hinausgehende nichtlineare Anteil E_nl der in das Filtermaterial bis zur halben Bruchdehnung eingebrachten Verformungsenergie ist dann $E_{n l} = \int_{ε = 0}^{ε_{b} / 2} F (ε) d ε - E_{l i n} = \int_{ε = 0}^{\frac{ε_{b}}{2}} F (ε) d ε - \frac{1}{4} F (\frac{ε_{b}}{2}) ε_{b} .$
Nach den Erkenntnissen der Erfinder lassen sich sehr gute Ergebnisse beim Crimpen erzielen, wenn der bis zur halben Bruchdehnung in Querrichtung aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% der gesamten bis zur halben Bruchdehnung in Querrichtung aufgenommenen Verformungsenergie beträgt, also $\frac{E_{n l}}{E} \geq 0,1$
gilt.
Diese Überlegungen zur Quantifizierung des plastischen Verhaltens können durch das in 1 dargestellte Diagramm illustriert werden, wie es beispielsweise bei der Durchführung eines Zugversuchs gemäß ISO 1924-2:2008 entstehen kann. Auf der x-Achse 10 ist die Dehnung ε aufgetragen, während auf der y-Achse 11 die zur Erzeugung dieser Dehnung nötige Kraft F(ε) aufgetragen ist. Ausgehend von einem unbelasteten Zustand 12 wird die Dehnung ε mit einer Rate von 20 mm/min erhöht und gleichzeitig die Kraft F(ε) gemessen, wobei die Kraft-Dehnungs-Kurve 13 entsteht. Die Dehnung wird dabei so weit gesteigert, bis die Probe im Zustand 14 reißt, und daraus werden die Bruchdehnung εb und die Zugfestigkeit F(ε_b) bestimmt.
Bei der Herstellung eines Segments aus dem Filtermaterial kann das Filtermaterial stellenweise beispielsweise in etwa bis zur halben Bruchdehnung ε_b/2, Punkt 15, mit der zugehörigen Kraft F(ε_b/2) belastet werden, sodass man den Zustand 16 erreicht.
Die Linie 17, die die Punkte 12 und 16 verbindet, würde ein fiktives linear elastisches Verhalten repräsentieren und die lineare Verformungsenergie E_lin entspricht der Fläche des von den Punkten 12, 16 und 15 gebildeten Dreiecks. Die gesamte Verformungsenergie E hingegen entspricht der durch die Linien von Punkt 12 bis Punkt 15, von Punkt 15 bis Punkt 16 und der Linie 13 von Punkt 16 bis Punkt 12 eingeschlossenen Fläche. Der nichtlineare Anteil E_nl der Verformungsenergie, der im Rahmen der Erfindung zur Charakterisierung des erfindungsgemäßen Filtermaterials herangezogen wird, entspricht jener Fläche, die von den Linien 17 und 13, jeweils zwischen den Punkten 12 und 16 begrenzt wird. Je stärker sich also die Kraft-Dehnungs-Kurve nach oben durchbiegt und je mehr sie von einem fiktiven linear elastischen Verhalten abweicht, umso größer ist das Potenzial für plastische und damit irreversible Verformung.
Bei der Herstellung von Segmenten aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial kann die Dehnung in Querrichtung beim Crimpen natürlich von der halben Bruchdehnung abweichen, der nichtlineare Anteil der Verformungsenergie bis zur halben Bruchdehnung hat sich aber unabhängig von der tatsächlich aufgewendeten Dehnung und dem tatsächlichen elastisch-plastischen Verhalten als geeigneter Parameter herausgestellt, um die Struktur des erfindungsgemäßen Filtermaterials zu charakterisieren und das Verhalten des Filtermaterials beim Crimpen vorherzusagen.
Zum Vergleich zeigt 2 das Verhalten eines typischen herkömmlichen und nicht erfindungsgemäßen Filtermaterials. Auch hier wird ein Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 an einer Probe in Querrichtung durchgeführt. Auf der x-Achse 20 ist die Dehnung ε aufgetragen, während auf der y-Achse 21 die zur Erzeugung dieser Dehnung nötige Kraft F(ε) aufgetragen ist. Ausgehend von einem unbelasteten Zustand 22 wird die Dehnung ε mit einer Rate von 20 mm/min erhöht und gleichzeitig die Kraft F(ε) gemessen, wobei die Kraft-Dehnungs-Kurve 23 entsteht. Die Dehnung wird dabei so weit gesteigert, bis die Probe im Zustand 24 reißt und daraus werden die Bruchdehnung ε_b und die Zugfestigkeit F(ε_b) bestimmt.
Bei der Herstellung eines Segments aus dem Filtermaterial kann das Filtermaterial beispielsweise in etwa bis zur halben Bruchdehnung ε_b/2, Punkt 25, mit der zugehörigen Kraft F(ε_b/2) belastet werden, sodass man den Zustand 26 erreicht.
Die Linie 27, die die Punkte 22 und 26 verbindet würde ein linear elastisches Verhalten repräsentieren und die zugehörige Verformungsenergie E_lin entspricht der Fläche des von den Punkten 22, 26 und 25 gebildeten Dreiecks. Die gesamte Verformungsenergie E hingegen entspricht der durch die Linien von Punkt 22 bis Punkt 25, von Punkt 25 bis Punkt 26 und der Linie 23 von Punkt 26 bis Punkt 22 eingeschlossenen Fläche. Der nichtlineare Anteil E_nl der Verformungsenergie entspricht jener Fläche, die von den Linien 27 und 23, jeweils zwischen den Punkten 22 und 26 begrenzt wird. Man erkennt, dass bei sehr ähnlicher Bruchdehnung und sehr ähnlichem linearen Anteil der Verformungsenergie der Anteil der nichtlinearen Verformungsenergie wesentlich geringer ist. Ein solches Filtermaterial wird daher auf die Verformung vor allem elastisch reagieren und nach Entlastung im Wesentlichen die gesamte Verformung zurückbilden. Um eine ähnliche plastische Verformungsenergie wie bei dem in 1 dargestellten Filtermaterial einzubringen, angedeutet durch die Linie 28, müsste das Filtermaterial bis zum Punkt 29 gedehnt werden. Die dazu nötige Dehnung ist deutlich höher und vor allem kommt die erforderliche Kraft nahe an die Bruchlast in Querrichtung. Bei kleinen Störungen der Maschine oder Schwankungen in der Qualität des Filtermaterials kann das Filtermaterial daher in Querrichtung reißen. Das erfindungsgemäße Filtermaterial aus 1 hingegen hat eine Struktur, die bereits bei geringer Dehnung eine bleibende Verformung in Querrichtung erlaubt, weshalb sich daraus Segmente für Rauchartikel zuverlässiger herstellen lassen.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial ist bahnförmig, damit es für das Crimpen gut geeignet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist das Filtermaterial ein wasserstrahlverfestigtes Vlies oder ein Papier.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist das Filtermaterial ein wasserstrahlverfestigtes Vlies.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist das Filtermaterial ein Papier.
Obwohl der Begriff „wasserstrahlverfestigt“ zunächst auf das zugrundeliegende Herstellungsverfahren hinweist, ist zu berücksichtigen, dass ein wasserstrahlverfestigtes Vlies charakteristische strukturelle Eigenschaften hat, die es von anderen Vliesen unterscheidet, und die nach Wissen der Erfinder nicht auf identische Weise durch ein anderes Herstellungsverfahren erreicht werden können. Anders als beispielsweise bei Papier, bei dem die Festigkeit vornehmlich durch Wasserstoffbrücken bewirkt wird und die Fasern vor allem in der Ebene des Papiers angeordnet sind, wird bei dem wasserstrahlverfestigten Vlies die Festigkeit durch die Verwirbelung der Fasern erreicht. Ein wasserstrahlverfestigtes Vlies weist eine besonders poröse Struktur auf, die es als Filtermaterial für Segmente von Rauchartikeln besonders gut geeignet macht.
Im Fall, dass das Filtermaterial ein Papier ist, lässt sich eine ähnliche poröse Struktur bevorzugt mittels einer Schrägsiebpapiermaschine erzeugen. Die im folgenden beschriebenen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Filtermaterials, der aus dem Filtermaterial gefertigten erfindungsgemäßen Segmente und der aus dem Segment gefertigten erfindungsgemäßen Rauchartikel gelten daher unabhängig davon, ob es sich bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial um ein wasserstrahlverfestigtes Vlies oder ein Papier handelt.
Insbesondere umfasst das weiter unten erläuterte dritte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermaterials eine Kombination aus Papierherstellung und Wasserstrahlverfestigung, sodass das so erhaltene Filtermaterial nicht eindeutig als Papier oder wasserstrahlverfestigtes Vlies bezeichnet werden kann.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial enthält Cellulosefasern. Nach den Erkenntnissen der Erfinder sind die Cellulosefasern erforderlich, um das Filtermaterial mit einer ausreichenden Festigkeit auszustatten, sodass es zu einem Segment verarbeitet werden kann. Der Anteil an Cellulosefasern im Filtermaterial beträgt erfindungsgemäß mindestens 50% und höchstens 100% der Masse des Filtermaterials, bevorzugt aber mindestens 60% und höchstens 100% und besonders bevorzugt mindestens 70% und höchstens 95%, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials.
Die Cellulosefasern können Zellstofffasern oder Fasern regenerierter Cellulose oder Mischungen daraus sein.
Die Zellstofffasern sind bevorzugt aus Nadelhölzern, Laubhölzern oder anderen Pflanzen wie Hanf, Flachs, Jute, Ramie, Kenaf, Kapok, Kokosnuss, Abaca, Sisal, Bambus, Baumwolle oder aus Espartogras gewonnen. Auch Mischungen aus Zellstofffasern verschiedener Herkunft können für die Herstellung des wasserstrahlverfestigten Filtermaterials eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind die Zellstofffasern aus Nadelhölzern gewonnen, weil solche Fasern schon in einem geringeren Anteil dem Filtermaterial eine gute Festigkeit verleihen.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann Fasern aus regenerierter Cellulose enthalten. Bevorzugt beträgt der Anteil an Fasern aus regenerierter Cellulose mindestens 5% und höchstens 50%, besonders bevorzugt mindestens 10% und höchstens 45% und ganz besonders bevorzugt mindestens 15% und höchstens 40%, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials.
Die Fasern aus regenerierter Cellulose sind bevorzugt zumindest teilweise, insbesondere zu mehr als 70 % durch Viskosefasern, Modalfasern, Lyocell® Fasern, Tencel® Fasern oder Mischungen daraus gebildet. Diese Fasern besitzen eine gute biologische Abbaubarkeit und können dazu eingesetzt werden, die Festigkeit des Filtermaterials zu optimieren und die Filtrationseffizienz des daraus gefertigten Segments für den Rauchartikel anzupassen. Aufgrund ihres Herstellungsverfahrens sind sie weniger variabel als die aus natürlichen Quellen gewonnenen Zellstofffasern und tragen dazu bei, dass die Eigenschaften eines aus dem Filtermaterial gefertigten Segments weniger variieren, als wenn ausschließlich Zellstofffasern verwendet werden. Ihre Herstellung ist aber aufwändiger und sie sind üblicherweise auch teurer als Zellstofffasern.
Das Flächengewicht des Filtermaterials beträgt erfindungsgemäß mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m², bevorzugt mindestens 18 g/m² und höchstens 55 g/m² und besonders bevorzugt mindestens 20 g/m² und höchstens 50 g/m². Das Flächengewicht beeinflusst die Zugfestigkeit des Filtermaterials, wobei ein höheres Flächengewicht generell zu höherer Festigkeit führt. Das Flächengewicht soll aber nicht zu hoch sein, weil dann das Filtermaterial nicht mehr mit hoher Geschwindigkeit zu Segmenten für Rauchartikel verarbeitet werden kann. Die Angaben beziehen sich auf ein Flächengewicht, das nach ISO 536:2019 gemessen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial beträgt in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie.
Bevorzugt beträgt der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 15% und höchstens 40% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie und besonders bevorzugt beträgt der nichtlineare Anteil mindestens 15% und höchstens 35%, und insbesondere mindestens 18% und höchstens 32%. In den bevorzugten und besonders bevorzugten Intervallen lässt sich bei moderater Dehnung ein sehr gutes Ergebnis beim Crimpen erzielen und das Risiko, dass das Filtermaterial in Querrichtung reißt ist besonders gering.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann Zusatzstoffe, wie Alkylketendimere (AKD), Säureanhydride, wie Alkenylbernsteinsäureanhydride (ASA), Polyvinylalkohol, Wachse, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivate, Carboxymethylcellulose, Alginate, Chitosan, Nassfestmittel oder Substanzen zur Einstellung des pH-Werts, wie beispielsweise organische oder anorganische Säuren oder Laugen zur Einstellung spezifischer Eigenschaften enthalten. Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann alternativ oder zusätzlich auch einen oder mehrere Zusatzstoffe enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, wie Trinatriumzitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, wie Natriumacetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lactaten, Oxyalaten, Salicylaten, α-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, und Mischungen daraus.
Der Fachmann ist in der Lage Art und Menge solcher Zusatzstoffe aus seiner Erfahrung zu bestimmen.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann auch noch andere Substanzen umfassen, die die Filtrationseffizienz des Filtermaterials besser an jene von Celluloseacetat anpassen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtermaterials umfasst das Filtermaterial eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Triacetin, Propylenglykol, Sorbitol, Glycerol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polyvinylalkohol und Tri-Ethlyzitrat oder Mischungen daraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist mindestens ein Teil der Cellulosefasern mit einem Füllstoff beladen, wobei der Füllstoff besonders bevorzugt durch mineralische Partikel und insbesondere Calciumcarbonatpartikel gebildet ist. Da die Struktur des Filtermaterials sehr porös ist, ist sie nicht dafür geeignet, Füllstoffe festzuhalten, sodass es günstig ist, die Cellulosefasern mit den Füllstoffen zu beladen und sie so in der Struktur des Filtermaterials zu fixieren. Füllstoffe können dazu dienen, dem Filtermaterial spezielle Eigenschaften zu verleihen.
Die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, beträgt mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm, bevorzugt mindestens 30 µm und höchstens 800 µm und besonders bevorzugt mindestens 35 µm und höchstens 600 µm..
Die mechanischen Eigenschaften des Filtermaterials sind für die Verarbeitung des erfindungsgemäßen Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels von Bedeutung. Die breitenbezogene Zugfestigkeit des Filtermaterials in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, beträgt bevorzugt mindestens 0,05 kN/m und höchstens 5 kN/m, besonders bevorzugt mindestens 0,07 kN/m und höchstens 4 kN/m.
Die Bruchdehnung des Filtermaterials in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, beträgt daher bevorzugt mindestens 0,5% und höchstens 50% und besonders bevorzugt mindestens 0,8% und höchstens 40%. Die Bruchdehnung wird vor allem durch die Länge der Fasern bestimmt, wobei längere Fasern zu höherer Bruchdehnung führen, und sie kann so in einem weiten Bereich an die spezifischen Anforderungen des Filtermaterials angepasst werden.
Aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial können nach aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren erfindungsgemäße Segmente für Rauchartikel hergestellt werden. Diese Verfahren umfassen beispielsweise das Crimpen des Filtermaterials, das Formen eines endlosen Strangs aus dem gecrimpten Filtermaterial, das Umhüllen des endlosen Strangs durch ein Umhüllungsmaterial und das Schneiden des umhüllten Strangs in einzelne Stäbe definierter Länge. In vielen Fällen beträgt die Länge eines solchen Stabs ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des Segments, das dann im erfindungsgemäßen Rauchartikel verwendet werden soll, und deshalb werden die Stäbe vor oder während der Herstellung des Rauchartikels in Segmente der gewünschten Länge geschnitten.
Das erfindungsgemäße Segment für Rauchartikel umfasst das erfindungsgemäße Filtermaterial und ein Umhüllungsmaterial.
Konkret umfasst das Segment ein in Querrichtung zusammengeschobenes Filtermaterial und ein Umhüllungsmaterial, wobei das Filtermaterial mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält. Dabei weist das Filtermaterial ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² auf, und die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, beträgt mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm. Zur Bestimmung des Flächengewichts wird die Fläche des Filtermaterials zugrunde gelegt, wenn dieses ausgebreitet (also nicht mehr zusammengeschoben) ist, und auch die Dicke einer solchen Lage bezieht sich selbstverständlich auf das ausgebreitete Filtermaterial.Das Filtermaterial weist eine Querrichtung auf, in der das Filtermaterial zusammengeschoben ist. Um das Zusammenschieben des Filtermaterials zu erleichtern, kann dieses durch Crimpen oder Falten vorgeformt werden. Der Begriff „Zusammenschieben“ ist hierbei weit zu verstehen, und das darin enthaltene Verb „schieben“ soll keine bestimmte mechanische Art suggerieren, auf die der „zusammengeschobene“ Zustand hergestellt wird. Auch ein „geraffter“ Zustand ist beispielsweise ein „zusammengeschobener“ Zustand im Sinne der vorliegenden Offenbarung, unabhängig davon, auf welche mechanische Weise die Raffung oder Verkürzung in Querrichtung erzeugt wird. Ferner weist das Filtermaterial im nicht zusammengeschobenen Zustand eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung auf, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Segments ist das Segment zylindrisch mit einem Durchmesser von mindestens 3 mm und höchstens 10 mm, besonders bevorzugt von mindestens 4 mm und höchstens 9 mm und ganz besonders bevorzugt von mindestens 5 mm und höchstens 8 mm. Diese Durchmesser sind für die Verwendung der erfindungsgemäßen Segmente in Rauchartikeln günstig.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Segments hat das Segment eine Länge von mindestens 4 mm und höchstens 40 mm, besonders bevorzugt von mindestens 6 mm und höchstens 35 mm und ganz besonders bevorzugt von mindestens 10 mm und höchstens 28 mm.
Der Zugwiderstand des Segments bestimmt unter anderem, welche Druckdifferenz der Konsument beim Gebrauch des Rauchartikels aufbringen muss, um einen bestimmten Volumenstrom durch den Rauchartikel zu erzeugen, und er beeinflusst daher wesentlich die Akzeptanz des Rauchartikels beim Konsumenten. Der Zugwiderstand des Segments kann nach ISO 6565:2015 gemessen werden und wird in mm Wassersäule (mmWG) angegeben. In sehr guter Näherung ist der Zugwiderstand des Segments proportional zur Länge des Segments, sodass die Messung des Zugwiderstands auch an Stäben erfolgen kann, die sich vom Segment nur in der Länge unterscheiden. Daraus kann der Zugwiderstand des Segments einfach berechnet werden.
Der Zugwiderstand des Segments pro Länge des Segments beträgt bevorzugt mindestens 1 mmWG/mm und höchstens 12 mmWG/mm und besonders bevorzugt mindestens 2 mmWG/mm und höchstens 10 mmWG/mm.
Das Umhüllungsmaterial des erfindungsgemäßen Segments ist bevorzugt ein Papier oder eine Folie.
Das Umhüllungsmaterial des erfindungsgemäßen Segments hat bevorzugt ein Flächengewicht gemäß ISO 536:2019 von mindestens 20 g/m² und höchstens 150 g/m², besonders bevorzugt von mindestens 30 g/m² und höchstens 130 g/m². Ein Umhüllungsmaterial mit diesem bevorzugten oder besonders bevorzugten Flächengewicht verleiht dem damit umhüllten, erfindungsgemäßen Segment eine besonders vorteilhafte Härte.
Aus dem erfindungsgemäßen Segment können nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren erfindungsgemäße Rauchartikel hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Rauchartikel umfasst ein Segment, das ein aerosolbildendes Material enthält, und ein Segment, das das erfindungsgemäße Filtermaterial und ein Umhüllungsmaterial umfasst.
Da die Schnittfläche des erfindungsgemäßen Segments der eines Segments aus Celluloseacetat optisch sehr ähnlich ist, ist in einer bevorzugten Ausführungsform das dem Mundende am nächsten gelegene Segment des Rauchartikels ein erfindungsgemäßes Segment.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauchartikel eine Filterzigarette und das aerosolbildende Material umfasst Tabak.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauchartikel ein Rauchartikel, in dessen bestimmungsgemäßem Gebrauch das aerosolbildende Material nur aufgeheizt, aber nicht verbrannt wird und das aerosolbildende Material umfasst vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tabak, rekonstituiertem Tabak, Nikotin, Glycerol, Propylenglykol oder Mischungen daraus. Das aerosolbildende Material kann dabei auch in flüssiger Form vorliegen und sich in einem geeigneten Behältnis im Rauchartikel befinden.
Nach den Erkenntnissen der Erfinder kann der erfindungsgemäße nichtlineare Anteil der Verformungsenergie dadurch erreicht werden, dass die Fasern im Filtermaterial stärker in Maschinenrichtung des Filtermaterials ausgerichtet werden. Dies lässt sich durch die im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erreichen.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann nach einem ersten, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Schritte A1 bis A3 umfasst.
A1 - Bereitstellen einer Faserbahn umfassend Cellulosefasern, die eine Maschinenrichtung und eine dazu orthogonale in der Bahnebene liegende Querrichtung aufweist,
A2 - Wasserstrahlverfestigen der Faserbahn durch auf die Faserbahn gerichtete Wasserstrahlen, um eine wasserstrahlverfestigte Faserbahn herzustellen,
A3 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn,
wobei in Schritt A1 die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern in der Faserbahn so gewählt ist, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und
wobei in Schritt A2 Anzahl, Druck oder Anordnung der Wasserstrahlen so gewählt sind, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt A3, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt..
Die in Schritt A2 auf die Faserbahn gerichteten Wasserstrahlen bewirken eine Verwirbelung der Cellulosefasern, wobei die für das günstige plastische Verhalten in Querrichtung förderliche Struktur erzeugt werden kann. Unter dem „Druck des Wasserstrahls“ versteht dabei der Fachmann jenen Druck, der zur Erzeugung des Wasserstrahls, beispielsweise in einer Druckkammer, aufgewendet wird. Nach den Erkenntnissen der Erfinder kommt es zur Erzielung eines günstigen plastischen Verhaltens des Filtermaterials darauf an, dass der Anteil der in Querrichtung orientierten Fasern im Filtermaterial gering ist und die Fasern mehr in Maschinenrichtung und Dickenrichtung ausgerichtet sind. Um diese erfindungsgemäße Struktur im Filtermaterial zu erzeugen sollen die Wasserstrahlen in Querrichtung nahe nebeneinander angeordnet sein. Durch die Nähe der gleichzeitig auf die Faserbahn auftreffenden Wasserstrahlen weicht das Wasser eher in Maschinenrichtung als in Querrichtung aus und orientiert die Fasern entsprechend dieser Richtung.
Der Druck der Wasserstrahlen kann dabei gegenüber dem üblicherweise verwendeten Druck reduziert werden. Der Abstand und der Druck der Wasserstrahlen hängt aber auch erheblich von der Größe der Öffnungen ab, aus denen die Wasserstrahlen austreten, und vor allem auch von der Geschwindigkeit der Faserbahn, sodass der Fachmann den konkreten Wert anhand der Erfahrung, in Anlehnung an die konkreten Ausführungsbeispiele und durch einfache Experimente wählen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vielzahl von Wasserstrahlen verwendet, um das Wasserstrahlverfestigen in Schritt A2 auszuführen, wobei die Wasserstrahlen in mindestens einer Reihe quer zur Maschinenrichtung der Faserbahn angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wasserstrahlverfestigen in Schritt A2 durch mindestens zwei Reihen von auf die Faserbahn gerichteten Wasserstrahlen bewirkt, wobei besonders bevorzugt auf jede der beiden Seiten der Faserbahn mindestens eine Reihe der Wasserstrahlen wirkt.
Das nach diesem ersten Verfahren hergestellte Filtermaterial soll zur Verwendung in Segmenten für Rauchartikel geeignet sein. Dies bedeutet, dass es insbesondere sämtliche Merkmale einzeln oder in Kombination aufweisen kann, die oben im Zusammenhang mit dem Filtermaterial beschrieben wurden und in den auf das Filtermaterial gerichteten Ansprüchen definiert sind.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann nach einem zweiten, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, das die Schritte B1 bis B4 umfasst.
B1 - Herstellen einer wässrigen Suspension umfassend Cellulosefasern,
B2 - Aufbringen der Suspension aus Schritt B1 auf ein umlaufendes Sieb,
B3 - Entwässern der Suspension durch das umlaufende Sieb, um eine Faserbahn zu bilden,
B4 - Trocknen der Faserbahn aus Schritt B3,
wobei in Schritt B1 die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern so gewählt ist, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und
wobei in Schritt B3 durch die Laufrichtung des Siebs eine Maschinenrichtung der Faserbahn definiert wird und durch die dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung eine Querrichtung definiert wird, und
wobei in Schritt B2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird, die geringer ist als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, und die Differenz dieser Geschwindigkeiten so gewählt ist, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt,
wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt B4, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt.
Dabei sind die Geschwindigkeiten des umlaufenden Siebs und der Suspension jeweils in Bezug auf dasselbe Bezugssystem zu verstehen, sodass voneinander abweichende Geschwindigkeiten zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen Suspension und umlaufendem Sieb führt, die bei dieser Ausführungsform des Verfahrens ausgenutzt wird.
Das nach diesem zweiten Verfahren hergestellte Filtermaterial soll zur Verwendung in Segmenten für Rauchartikel geeignet sein. Dies bedeutet, dass es insbesondere sämtliche Merkmale einzeln oder in Kombination aufweisen kann, die oben im Zusammenhang mit dem Filtermaterial beschrieben wurden und in den auf das Filtermaterial gerichteten Ansprüchen definiert sind.
In diesem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren erhält die Faserbahn die gewünschte Struktur, indem die Geschwindigkeit, mit der die Suspension in Schritt B2 auf das umlaufende Sieb strömt, und die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs in Schritt B2 aufeinander geeignet abgestimmt werden. Insbesondere soll nach den Erkenntnissen der Erfinder die Geschwindigkeit, mit der die Suspension in Schritt B2 auf das umlaufende Sieb strömt, kleiner sein als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs. Durch den Geschwindigkeitsunterschied wird die Suspension vom Sieb mitgenommen und es entstehen in der Suspension Scherkräfte, die die Cellulosefasern in Maschinenrichtung ausrichten und so zu einer Struktur des Filtermaterials beitragen, die zu der erfindungsgemäßen plastischen Verformbarkeit in Querrichtung führt.
Die Größe des Geschwindigkeitsunterschieds kann der Fachmann nach seiner Erfahrung und anhand der Ausführungsbeispiele oder durch einfache Experimente bestimmen. Nach Erfahrungen der Erfinder kann eine Struktur mit der gewünschten plastischen Verformbarkeit in Querrichtung in vielen Fällen erreicht werden, wenn in Schritt B2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird, die lediglich etwa 90 % der Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, beispielsweise zwischen 88 % und 93 % der Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs beträgt. Diese Angabe dient indes lediglich als Anhaltspunkt, ein geeigneter numerischer Wert der Differenzgeschwindigkeit wird zumindest teilweise von den übrigen Prozessparametern abhängen, und der Fachmann wird ihn deshalb in der Praxis experimentell ermitteln, wobei als Leitlinie und letztlich entscheidendes Kriterium die erhaltene charakteristische plastische Verformbarkeit des so hergestellten Filtermaterials in Querrichtung dient, die wie oben beschrieben unter Bezugnahme auf den Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 charakterisiert ist.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann auch in einem dritten, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, das eine Kombination des ersten und des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens ist, und die Schritte C1 bis C6 aufweist.
C1 - Herstellen einer wässrigen Suspension umfassend Cellulosefasern,
C2 - Aufbringen der Suspension aus Schritt C1 auf ein umlaufendes Sieb,
C3 - Entwässern der Suspension durch das umlaufende Sieb, um eine Faserbahn zu bilden,
C4 - Überführen der Faserbahn aus Schritt C3 auf ein Stützsieb,
C5 - Wasserstrahlverfestigen der Faserbahn durch auf die Faserbahn gerichtete Wasserstrahlen, um eine wasserstrahlverfestigte Faserbahn herzustellen,
C6 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn,
wobei in Schritt C1 die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern so gewählt ist, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und
wobei in Schritt C3 durch die Laufrichtung des Siebs eine Maschinenrichtung der Faserbahn definiert wird und durch die dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung eine Querrichtung definiert wird,
wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt C6, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt,
wobei in Schritt C2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird, die geringer ist als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, und wobei die Differenz dieser Geschwindigkeiten in Schritt C2 und Anzahl, Druck und/oder Anordnung der Wasserstrahlen in Schritt C5 so gewählt sind, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens hat die wässrige Suspension in Schritt B1 bzw. C1 einen Feststoffgehalt von höchstens 3,0%, besonders bevorzugt höchstens 1,0%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,2% und insbesondere höchstens 0,05%. Der besonders geringe Feststoffgehalt der Suspension erlaubt es, in Schritt B3 eine Faserbahn mit geringer Dichte zu bilden, was sich günstig auf die Filtrationseffizienz eines daraus gefertigten Segments auswirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens ist das umlaufende Sieb der Schritte B2 und B3 bzw. C2 und C3 in Maschinenrichtung der Faserbahn gegen die Horizontale um einen Winkel von mindestens 30 und höchstens 40° aufwärts geneigt, besonders bevorzugt um einen Winkel von mindestens 50 und höchstens 30° und ganz besonders bevorzugt um einen Winkel von mindestens 15° und höchstens 25°.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des umlaufenden Siebs erzeugt wird, um das Entwässern der Suspension in Schritt B3 bzw. C3 zu unterstützen, wobei die Druckdifferenz besonders bevorzugt durch Vakuumkästen oder geeignet geformte Flügel erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten, zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Trocknen in Schritt A3, B4 bzw. C6 zumindest teilweise durch Kontakt mit Heißluft, durch Infrarotstrahlung oder durch Mikrowellenstrahlung bewirkt. Eine Trocknung durch direkten Kontakt mit einer beheizten Oberfläche ist ebenfalls möglich, aber weniger bevorzugt, weil dabei die Dicke des Filtermaterials abnehmen kann.
Die bevorzugten Ausführungsformen des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch auf das dritte erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, wobei Schritt A2 dem Schritt C5 und Schritt A3 dem Schritt C6 entspricht. Ebenso sind die bevorzugten Ausführungsformen des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens auch auf das dritte erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, wobei Schritt B1 dem Schritt C1, Schritt B2 dem Schritt C2, Schritt B3 dem Schritt C3 und Schritt B4 dem Schritt C6 entspricht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten, zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt, in dem ein oder mehrere Zusatzstoffe auf die Faserbahn aufgetragen werden. Die Zusatzstoffe sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylketendimeren (AKD), Säureanhydriden, wie Alkenylbernsteinsäureanhydriden (ASA), Polyvinylalkohol, Wachsen, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivaten, Carboxymethylcellulose, Alginaten, Chitosan, Nassfestmitteln oder Substanzen zur Einstellung des pH-Werts, wie beispielsweise organischen oder anorganischen Säuren oder Laugen, und Mischungen daraus. Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere Zusatzstoffe aufgetragen werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, wie Trinatriumzitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, wie Natriumacetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lactaten, Oxyalaten, Salicylaten, α-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, und Mischungen daraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Auftragen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten A2 und A3 des erfindungsgemäßen Verfahrens oder nach dem Schritt A3, gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Auftragen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten B3 und B4 des erfindungsgemäßen Verfahrens oder nach dem Schritt B4 gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.
In einer bevorzugten Ausführungsform des dritten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Auftragen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten C3 und C4 oder C4 und C5 oder C5 und C6 oder nach dem Schritt C6 gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.
Figurenliste

1 zeigt ein beispielhaftes Kraft-Dehnungs-Diagramm eines erfindungsgemäßen Filtermaterials.
2 zeigt ein beispielhaftes Kraft-Dehnungs-Diagramm eines nicht erfindungsgemäßen Filtermaterials.
3 zeigt eine Vorrichtung, mittels der das dritte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtermaterials durchgeführt werden kann.
4 zeigt an den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen A, B und C in Querrichtung gemessene Kraft-Dehnungs-Kurven.
5 zeigt an dem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel Z in Querrichtung gemessene Kraft-Dehnungs-Kurven.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN UND EINES VERGLEICHSBEISPIELS
Im Folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen des Filtermaterials, der Verfahren zur Herstellung des Filtermaterials, des Segments für Rauchartikel und des Rauchartikels beschrieben. Ferner wird ein nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel beschrieben.
Ausführungsbeispiele A, B und C
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele A, B und C wurde die in 3 dargestellte Vorrichtung verwendet.
Eine Suspension 31 aus Zellstofffasern und Fasern aus regenerierter Cellulose wurde in einem Vorratsbehälter 32 bereitgestellt, Schritt C1, und von dort auf ein umlaufendes, gegen die Horizontale aufwärts geneigtes Sieb 33 gepumpt, Schritt C2, und durch Vakuumkästen 39 entwässert, Schritt C3, sodass sich auf dem Sieb eine Faserbahn 34 bildete, deren generelle Bewegungsrichtung durch den Pfeil 310 angedeutet ist. Dabei wurde die Geschwindigkeit mit der sich das Sieb 33 bewegt um etwa 10% höher gewählt als die Geschwindigkeit der aus dem Vorratsbehälter 32 ausströmenden Suspension 31, um die Fasern vor allem in Maschinenrichtung zu orientieren. Die Faserbahn 34 wurde vom Sieb 33 abgenommen und auf ein ebenfalls umlaufendes Stützsieb 35 übergeführt, Schritt C4. Dort wurden aus Vorrichtungen 36 in mehreren Reihen quer zur Maschinenrichtung der Faserbahn 34 angeordnete Wasserstrahlen 311 auf die Faserbahn 34 gerichtet, um die Fasern zu verwirbeln und die Faserbahn 34 zu einem Vliesstoff zu verfestigen, Schritt C5. In Fortsetzung von Schritt C5 wurden durch zusätzliche Vorrichtungen 37 auch Wasserstrahlen 312 auf die andere Seite der Faserbahn 34 gerichtet.
Danach durchlief der noch feuchte Vliesstoff eine Trocknungseinrichtung 38 und wurde dort getrocknet, Schritt C6, um das Filtermaterial zu erhalten.
Zur Herstellung des Filtermaterials wurde ein Gemisch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 65% Zellstofffasern und 35% Lyocell® Fasern bestand. Das fertige Filtermaterial hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 55 g/m².
In Schritt C5 des Herstellungsprozesses wurden zunächst in drei Reihen Wasserstrahlen, 311 in 3, auf die erste Seite der Faserbahn 34 gerichtet und danach wurde eine Reihe Wasserstrahlen, 312 in 3, auf die zweite Seite der Faserbahn 34 gerichtet. Der Druck der Wasserstrahlen wurde dabei zwischen 2 MPa und 40 MPa in drei Stufen (niedrig, mittel, hoch) variiert, um unterschiedliche erfindungsgemäße Filtermaterialien A, B und C zu erhalten. Der Durchmesser der Öffnungen, aus denen die Wasserstrahlen austraten, war in den Reihen unterschiedlich und wurden zwischen 80 µm und 120 µm gewählt, der Abstand der Öffnungen von Mittelpunkt zu Mittelpunkt betrug 0,3 mm.
Von diesen Filtermaterialien wurden Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Das Ergebnis ist in 4 dargestellt. Auf der x-Achse 40 ist die Dehnung in % aufgetragen, während auf der y-Achse 41 die Kraft in N aufgetragen ist. Die drei mit A, B und C beschrifteten Linien zeigen die Kraft-Dehnungs-Diagramme der drei erfindungsgemäßen Filtermaterialien A, B und C. Beispielhaft ist die Bestimmung des nichtlinearen Anteils der bis zu halben Bruchdehnung aufgenommenen Verformungsenergie an der gesamten bis zur halben Bruchdehnung aufgenommenen Verformungsenergie für das Filtermaterial C erläutert.
Bei der halben Bruchdehnung ε_b/2 wird die zugehörige Kraft F(ε_b/2) ermittelt und daraus kann der lineare Anteil der Verformungsenergie E_lin durch $E_{l i n} = \frac{1}{4} F (\frac{ε_{b}}{2}) ε_{b}$
berechnet werden.
Die gesamte bis zur halben Bruchdehnung aufgenommene Verformungsenergie E entspricht der aus der von x-Achse 40 und Kurve C von e=o bis ε=ε_b/2 aufgespannten Fläche und kann durch Verfahren der numerischen Integration problemlos mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Zieht man davon den linearen Anteil der Verformungsenergie E_lin ab, so verbleibt die als schraffiert dargestellte Fläche, die dem nichtlinearen Anteil der Verformungsenergie E_nl entspricht.
Die Bestimmung der Verformungsenergien bis zur halben Bruchdehnung wurde für alle drei Filtermaterialien A, B und C durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben, wobei E die gesamte Verformungsenergie, E_lin den linearen Anteil der Verformungsenergie und E_nl den nichtlinearen Anteil der Verformungsenergie jeweils in Querrichtung bis zur halben Bruchdehnung bedeuten. Die Verformungsenergien wurden numerisch aus der Kraft-Dehnungs-Kurve ermittelt und besitzen formal die Einheit N·%. Um auf die übliche Einheit J/m² zu kommen, ist noch die Probengeometrie zu berücksichtigen. Da es hier aber nur auf die Verhältnisse zueinander ankommt und die Probengeometrien identisch sind, wird darauf verzichtet. Die Bruchdehnung ε_b und die Kraft bei halber Bruchdehnung F(ε_b/2) sind ebenfalls angegeben. Tabelle 1

Bsp. Druck ε_b [%] F(ε_b/2) [N] E E_lin E_nl E_nl/E [%]

A niedrig 43,0 4,28 59,3 46,0 13,3 22,4

B mittel 40,8 3,92 55,3 40,0 15,3 27,7

C hoch 32,4 3,24 34,1 26,2 7,9 23,0
Die Werte aus Tabelle 1 zeigen, dass bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen A, B und C ein nichtlinearer Anteil der Verformungsenergie von etwa 20% bis etwa 30% vorliegt. Es ist auch erkennbar, dass bei steigendem Druck der Wasserstrahlen die Bruchdehnung abnimmt. Aus diesem Grund kann es von Vorteil sein, einen geringen Druck der Wasserstrahlen zu wählen, weil neben dem guten plastischen Dehnungsverhalten dann auch noch größere bleibende Verformungen beim Crimpen möglich sind.
Ausführungsbeispiel D
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels D wurde das zweite erfindungsgemäße Verfahren umfassend die Schritte B1 bis B4 gewählt.
Zur Herstellung des Filtermaterials wurde ein Gemisch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 80% Zellstofffasern und 20% Lyocell® Fasern bestand. Das fertige Filtermaterial hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 15 g/m².
In Schritt B2 des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Geschwindigkeit der ausströmenden Suspension etwa 10% geringer gewählt als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs.
Von dem so erhaltenen Filtermaterial D wurden vier Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Ausführungsbeispielen A bis C. Die Ergebnisse der vier Messungen sind in Tabelle 2 angeführt. Tabelle 2

Bsp. ε_b [%] F(ε_b/2) [N] E E_lin E_nl E_nl/E [%]

D 4,20 5,97 9,19 6,27 2,92 31,8

D 3,13 5,43 5,91 4,25 1,66 28,1

D 3,56 5,79 7,39 5,15 2,24 30,3

D 4,08 5,90 8,55 6,02 2,53 29,6
Die Werte aus Tabelle 2 zeigen, dass bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial D ein nichtlinearer Anteil der Verformungsenergie von etwa 30% vorliegt und dass Wiederholmessungen am gleichen Probenmaterial eine geringe Streuung aufweisen. Dadurch wird belegt, dass die Verfahrensschritte B1 bis B3 in der Tat zu der gewünschten plastischen Verformbarkeit in Querrichtung beitragen, wenn die Suspension in Schritt B2 mit verringerter Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird.
Ausführungsbeispiel E
Andererseits ist die in den Ausführungsbeispielen A bis C verwendete spezielle Durchführung des Schritts C2 (mit verringerter Auftragsgeschwindigkeit der Suspension) nicht notwendig, um die erfindungsgemäße charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung im wasserstrahlverfestigten Vlies zu erhalten. Dies ist aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel E ersichtlich. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels E wurde das erste erfindungsgemäße Verfahren umfassend die Schritte A1 bis A3 gewählt.
Zur Herstellung des wasserstrahlverfestigten Filtermaterials wurde im Ausführungsbeispiel E ein Gemisch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 80% Zellstofffasern und 20% Lyocell® Fasern bestand. Der Schritt A1 wurde durchgeführt, ohne den Zellstofffasern in der Faserbahn zunächst durch verringerte Auftragsgeschwindigkeit der Suspension wie in Schritten B2 bzw. C2 des zweiten bzw. dritten Verfahrens eine Vorzugsrichtung quer zur Maschinenrichtung zu verleihen. Das fertige Filtermaterial hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 15 g/m².
Der Schritt A2 des Wasserstrahlverfestigens erfolgt wie Schritt C5 des Ausführungsbeispiels B.
Von dem so erhaltenen Filtermaterial E wurden zwei Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Ausführungsbeispielen A bis C. Die Ergebnisse der zwei Messungen sind in Tabelle 3 angeführt. Tabelle 3

Bsp. ε_b [%] F(ε_b/2) [N] E E_lin E_nl E_nl/E [%]

E 3,26 2,75 3,01 2,47 0,53 17,72

E 3,95 2,85 3,42 2,82 0,59 17,37
Die Werte aus Tabelle 3 zeigen, dass bei dem nach dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filtermaterial E ein Anteil der nichtlinearen Verformungsenergie von etwa 17% vorliegt. Der Vergleich mit Ausführungsbeispielen A bis C, die mittels der Kombination aus geeigneter Durchführung des Wasserstrahlverfestigens in Schritt C5 und Vorstrukturierung der Faserbahn durch verringerte Auftragsgeschwindigkeit in Schritt C2, d. h. einer Kombination aus dem ersten und zweiten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, zeigt, dass diese Kombination höhere Anteile der nichtlinearen Verformungsenergie von etwa 22% bis etwa 28% erlaubt und so zu einem besseren Verhalten beim Crimpen führen kann. Der Aufwand des kombinierten Verfahrens ist natürlich etwas höher als jener des ersten Verfahrens alleine, d. h. wenn wie in Ausführungsbeispiel E die erfindungsgemäße charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung nur durch geeignete Durchführung der Wasserstrahlverfestigung in Schritt A2 erhalten wird. Das Ausführungsbeispiel E demonstriert, dass sich auch mit diesem einfacheren Verfahren erfindungsgemäße Filtermaterialien herstellen lassen.
Vergleichsbeispiel Z
Zur Herstellung eines nicht erfindungsgemäßen Filtermaterials wurde dasselbe Gemisch aus Fasern verwendet wie in Ausführungsbeispiel D. Das Flächengewicht war weiterhin 15 g/m², es wurden aber nur Maschineneinstellungen verwendet, wie sie bei der Herstellung herkömmlicher Filterpapiere üblich sind.
Von dem Filtermaterial des Vergleichsbeispiels Z wurden drei Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Ausführungsbeispielen A bis C. Die Ergebnisse der drei Messungen sind in Tabelle 4 angeführt. Tabelle 4

Bsp. ε_b [%] F(ε_b/2) [N] E E_lin E_nl E_nl/E [%]

Z 3,21 8,38 7,22 6,71 0,52 7,17

Z 3,23 7,42 6,40 5,97 0,42 6,64

Z 3,15 7,10 5,89 5,58 0,32 5,38
Die Kraft-Dehnungs-Kurven von Vergleichsbeispiel Z sind in 5 dargestellt. Auch ohne quantitative Analyse ist bereits erkennbar, dass das Verhalten deutlich näher an einem linear elastischen Verhalten liegt, sodass Verformungen bei Entlastung im Wesentlichen wieder zurückgebildet werden und viel größere Dehnungen und Kräfte nötig sind um bleibende Verformungen zu erreichen. Dabei kann leicht die Bruchlast oder die Bruchdehnung in Querrichtung überschritten werden.
Herstellung von Segmenten und Rauchartikeln
Aus jedem Filtermaterial der Ausführungsbeispiele A bis E und dem Vergleichsbeispiel Z wurden mit Papier umhüllte Filterstäbe mit einer Länge von 100 mm und einem Durchmesser von 7,85 mm gefertigt. Die Bahnbreite des Filtermaterials und die Maschineneinstellungen bei der Filterherstellung wurden dabei so gewählt, dass sich ein Zugwiderstand von 450±10 mmWG ergab.
Es konnten aus den Filtermaterialien der Ausführungsbeispiele A bis E und dem Vergleichsbeispiel Z Filterstäbe hergestellt werden. Es zeigt sich bei der Herstellung aber, dass bei den Filtermaterialien der Ausführungsbeispiele A bis E der Vorgang des Crimpens wesentlich weniger empfindlich auf Änderung der Maschineneinstellungen und insbesondere auf die Einstellung des Abstands der Rollen beim Crimpen reagierte als beim Vergleichsbeispiel Z.
Aus den Segmenten der Ausführungsbeispiele A bis E und dem Vergleichsbeispiel Z wurden Filterzigaretten nach einem üblichen Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt. Dieser Herstellungsprozess verlief problemlos.
Es zeigt sich also, dass sich aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial Segmente und Rauchartikel zuverlässiger und einfacher fertigen lassen als aus herkömmlichen. wasserstrahlverfestigten Vliesen oder Papieren und dass durch das günstige plastische Dehnungsverhalten ein besseres Ergebnis beim Crimpen erzielt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2019085125 [0012]

Claims

Filtermaterial zur Herstellung eines Segments für einen Rauchartikel, wobei das Filtermaterial bahnförmig ist und mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, wobei das Filtermaterial ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt, wobei das Filtermaterial eine Maschinenrichtung und eine dazu in der Ebene der Bahn des Filtermaterials orthogonal liegende Querrichtung aufweist, und wobei das Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung aufweist, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.
Filtermaterial nach Anspruch 1, bei dem das Filtermaterial ein wasserstrahlverfestigtes Vlies oder ein Papier ist.
Filtermaterial nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anteil an Cellulosefasern im Filtermaterial mindestens 60% und höchstens 100%, bevorzugt mindestens 70% und höchstens 95% beträgt, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials.
Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Cellulosefasern durch Zellstofffasern, durch Fasern regenerierter Cellulose oder Mischungen daraus gebildet sind.
Filtermaterial nach Anspruch 4, bei dem die Zellstofffasern aus Nadelholz oder Nadelhölzern, Laubholz oder Laubhölzern oder anderen Pflanzen, insbesondere Hanf, Flachs, Jute, Ramie, Kenaf, Kapok, Kokosnuss, Abaca, Sisal, Bambus, Baumwolle oder aus Espartogras gewonnen sind; oder durch eine Mischung aus Zellstofffasern verschiedener dieser Herkunftsarten gebildet sind.
Filtermaterial nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Anteil an Fasern aus regenerierter Cellulose mindestens 5% und höchstens 50%, bevorzugt mindestens 10% und höchstens 45% und besonders bevorzugt mindestens 15% und höchstens 40% beträgt, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials.
Filtermaterial nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Fasern aus regenerierter Cellulose zumindest teilweise, insbesondere zu mindestens 70 % durch Viskosefasern, Modalfasern, Lyocell® Fasern, Tencel® Fasern oder Mischungen daraus gebildet sind.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Flächengewicht mindestens 18 g/m² und höchstens 55 g/m², bevorzugt mindestens 20 g/m² und höchstens 50 g/m² beträgt.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung aufweist, die dadurch charakterisiert ist, dass in dem genannten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 15% und höchstens 40%, vorzugsweise mindestens 15% und höchstens 35%, und insbesondere mindestens 18% und höchstens 32% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens einen Zusatzstoff enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylketendimeren (AKD), Säureanhydriden, insbesondere Alkenylbernsteinsäureanhydriden (ASA), Polyvinylalkohol, Wachsen, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivaten, Carboxymethylcellulose, Alginaten, Chitosan, Nassfestmitteln oder Substanzen zur Einstellung des pH-Werts, insbesondere organischen oder anorganischen Säuren oder Laugen, oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Zusatzstoffe enthält.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens einen Zusatzstoff enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, insbesondere Trinatriumzitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, insbesondere Natriumacetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lactaten, Oxyalaten, Salicylaten, α-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Zusatzstoffe enthält.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens eine Substanz enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Triacetin, Propylenglykol, Sorbitol, Glycerol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polyvinylalkohol und Tri-Ethlyzitrat, oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Substanzen enthält.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der Cellulosefasern mit einem Füllstoff beladen ist, wobei der Füllstoff vorzugsweise durch mineralische Partikel, insbesondere Calciumcarbonatpartikel gebildet ist.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, mindestens 30 µm und höchstens 800 µm und bevorzugt mindestens 35 µm und höchstens 600 µm beträgt.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die breitenbezogene Zugfestigkeit des Filtermaterials in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, mindestens 0,05 kN/m und höchstens 5 kN/m, bevorzugt mindestens 0,07 kN/m und höchstens 4 kN/m beträgt.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bruchdehnung des Filtermaterials in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, mindestens 0,5% und höchstens 50%, bevorzugt mindestens 0,8% und höchstens 40% beträgt.
Segment für einen Rauchartikel, umfassend ein in Querrichtung zusammengeschobenes Filtermaterial und ein Umhüllungsmaterial, wobei das Filtermaterial mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, wobei das Filtermaterial ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt, wobei das Filtermaterial eine Querrichtung aufweist, in der das Filtermaterial zusammengeschoben ist, und wobei das Filtermaterial im nicht zusammengeschobenen Zustand eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung aufweist, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.
Segment nach Anspruch 17, bei dem das Filtermaterial eines oder mehrere der zusätzlichen Merkmale aufweist, die in Ansprüchen 2 bis 16 definiert sind.
Segment nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das Segment zylindrisch ist mit einem Durchmesser von mindestens 3 mm und höchstens 10 mm, bevorzugt von mindestens 4 mm und höchstens 9 mm und besonders bevorzugt von mindestens 5 mm und höchstens 8 mm, und/oder wobei das Segment eine Länge von mindestens 4 mm und höchstens 40 mm, bevorzugt von mindestens 6 mm und höchstens 35 mm und besonders bevorzugt von mindestens 10 mm und höchstens 28 mm hat.
Segment nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Zugwiderstand des Segments nach ISO 6565:2015 pro Länge des Segments mindestens 1 mmWG/mm und höchstens 12 mmWG/mm, und bevorzugt mindestens 2 mmWG/mm und höchstens 10 mmWG/mm beträgt.
Segment nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dessen Umhüllungsmaterial durch ein Papier oder eine Folie gebildet wird.
Segment nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dessen Umhüllungsmaterial ein Flächengewicht gemäß ISO 536:2019 von mindestens 20 g/m² und höchstens 150 g/m², bevorzugt von mindestens 30 g/m² und höchstens 130 g/m² hat.
Verfahren zum Herstellen eines Segments nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem ein Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 16 gecrimpt oder gefaltet wird, ein vorzugsweise endloser Strang aus gecrimptem oder gefaltetem Filtermaterial gebildet wird, der Strang aus gecrimptem oder gefaltetem Filtermaterial mit einem Umhüllungsmaterial umhüllt und der umhüllte Strang in einzelne Stäbe definierter Länge geschnitten wird.
Rauchartikel, umfassend ein Segment, welches ein aerosolbildendes Material enthält, und ein Segment nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das genannte Segment nach einem der Ansprüche 17 bis 22 vorzugsweise das dem Mundende am nächsten gelegene Segment des Rauchartikels bildet.
Rauchartikel nach Anspruch 24, wobei der Rauchartikel eine Filterzigarette ist und das aerosolbildende Material Tabak ist oder enthält.
Rauchartikel nach Anspruch 24, wobei der Rauchartikel ein Rauchartikel ist, bei dessen bestimmungsgemäßem Gebrauch das aerosolbildende Material nur aufgeheizt, aber nicht verbrannt wird, wobei das aerosolbildende Material vorzugsweise ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tabak, rekonstituiertem Tabak, Nikotin, Glycerol, Propylenglykol oder Mischungen daraus.
Rauchartikel nach Anspruch 26, bei dem das aerosolerzeugende Material in flüssiger Form vorliegt und sich in einem zugehörigen Behältnis im Rauchartikel befindet.
Verfahren zur Herstellung eines Filtermaterials, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A1 - Bereitstellen einer Faserbahn umfassend Cellulosefasern, die eine Maschinenrichtung und eine dazu orthogonale in der Bahnebene liegende Querrichtung aufweist, A2 - Wasserstrahlverfestigen der Faserbahn durch auf die Faserbahn gerichtete Wasserstrahlen, um eine wasserstrahlverfestigte Faserbahn herzustellen, A3 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn, wobei in Schritt A1 die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern in der Faserbahn so gewählt ist, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und wobei in Schritt A2 Anzahl, Druck und/oder Anordnung der Wasserstrahlen so gewählt sind, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt A3, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem eine Vielzahl von Wasserstrahlen verwendet wird, um das Wasserstrahlverfestigen in Schritt A2 auszuführen, wobei die Wasserstrahlen in mindestens einer Reihe quer zur Maschinenrichtung der Faserbahn angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem das Wasserstrahlverfestigen in Schritt A2 durch mindestens zwei Reihen von auf die Faserbahn gerichteten Wasserstrahlen bewirkt wird, wobei bevorzugt auf jede der beiden Seiten der Faserbahn mindestens eine Reihe der Wasserstrahlen wirkt.
Verfahren zur Herstellung eines Filtermaterials, das die folgenden Schritte B1 bis B4 umfasst: B1 - Herstellen einer wässrigen Suspension umfassend Cellulosefasern, B2 - Aufbringen der Suspension aus Schritt B1 auf ein umlaufendes Sieb, B3 - Entwässern der Suspension durch das umlaufende Sieb, um die genannte Faserbahn zu bilden, B4 - Trocknen der Faserbahn aus Schritt B3, wobei in Schritt B1 die Menge oder der Anteil an Cellulosefasern so gewählt wird, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, wobei durch die Laufrichtung des Siebs in Schritt B3 eine Maschinenrichtung der Faserbahn definiert wird und durch eine dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung eine Querrichtung definiert wird, und wobei in Schritt B2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird, die geringer ist als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, und die Differenz dieser Geschwindigkeiten so gewählt ist, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt B4, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Filtermaterials, das die folgenden Schritte C1 bis C6 umfasst: C1 - Herstellen einer wässrigen Suspension umfassend Cellulosefasern, C2 - Aufbringen der Suspension aus Schritt C1 auf ein umlaufendes Sieb, C3 - Entwässern der Suspension durch das umlaufende Sieb, um eine Faserbahn zu bilden, C4 - Überführen der Faserbahn aus Schritt C3 auf ein Stützsieb, C5 - Wasserstrahlverfestigen der Faserbahn durch auf die Faserbahn gerichtete Wasserstrahlen, um eine wasserstrahlverfestigte Faserbahn herzustellen, C6 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn, wobei in Schritt C1 die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern so gewählt ist, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und wobei in Schritt C3 durch die Laufrichtung des Siebs eine Maschinenrichtung der Faserbahn definiert wird und durch eine dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung eine Querrichtung definiert wird, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m² und höchstens 60 g/m² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt C6, mindestens 25 µm und höchstens 1000 µm beträgt, wobei in Schritt C2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird, die geringer ist als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, und wobei die Differenz dieser Geschwindigkeiten in Schritt C2 und Anzahl, Druck und/oder Anordnung der Wasserstrahlen in Schritt C5 so gewählt sind, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die wässrige Suspension in Schritt B1 bzw. C1 einen Feststoffgehalt von höchstens 3,0%, besonders bevorzugt höchstens 1,0%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,2% und insbesondere höchstens 0,05% hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, bei dem das umlaufende Sieb der Schritte B2 und B3 bzw. C2 und C3 in Maschinenrichtung der Faserbahn gegen die Horizontale um einen Winkel von mindestens 30 und höchstens 40° aufwärts geneigt ist, bevorzugt um einen Winkel von mindestens 5° und höchstens 30° und besonders bevorzugt um einen Winkel von mindestens 150 und höchstens 25°.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, das ferner einen Schritt umfasst, in dem eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des umlaufenden Siebs erzeugt wird, um das Entwässern der Suspension in Schritt B3 bzw. C3 zu unterstützen, wobei die Druckdifferenz besonders bevorzugt durch Vakuumkästen oder geeignet geformte Flügel erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, bei dem das Trocknen in Schritt A3, B4 bzw. C6 zumindest teilweise durch Kontakt mit Heißluft, durch Infrarotstrahlung oder durch Mikrowellenstrahlung bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 36, wobei das nach diesem Verfahren hergestellte Filtermaterial ein Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 37, welches einen weiteren Schritt umfasst, in dem ein oder mehrere Zusatzstoffe auf die Faserbahn aufgetragen werden, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe ausgewählt ist bzw. sind aus der Gruppe bestehend aus Alkylketendimeren (AKD), Säureanhydriden, insbesondere Alkenylbernsteinsäureanhydriden (ASA), Polyvinylalkohol, Wachsen, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivaten, Carboxymethylcellulose, Alginaten, Chitosan, Nassfestmitteln und Substanzen zur Einstellung des pH-Werts, insbesondere organischen oder anorganischen Säuren oder Laugen, und Mischungen daraus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, welches einen weiteren Schritt umfasst, in dem ein oder mehrere Zusatzstoffe auf die Faserbahn aufgetragen werden, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe ausgewählt ist bzw. sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, insbesondere Trinatriumzitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, insbesondere Natriumacetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lactaten, Oxyalaten, Salicylaten, α-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, und Mischungen daraus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 oder 39, bei dem der eine oder die mehreren Zusatzstoffe - zwischen den Schritten A2 und A3, bzw. - zwischen den Schritten B3 und B4 bzw. - zwischen den Schritten C3 und C4 oder C4 und C5 oder C5 und C6 aufgetragen wird bzw. werden, oder bei dem der eine oder die mehreren Zusatzstoffe - nach dem Schritt A3, bzw. - nach dem Schritt B4, bzw. - nach dem Schritt C6 aufgetragen wird bzw. werden, gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.