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Die Erfindung betrifft ein Filterelement
mit einem biologisch abbaubaren Filtermaterial vorwiegend aus nachwachsenden
Rohstoffen zur Verwendung insbesondere als zylindrische Tabakrauchfilter von
Zigaretten, Zigarren oder Pfeifen sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung.
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Raucherartikel wie z. B. Zigaretten
haben eine zylindrische Form, in der das rauchbare Tabakmaterial
in geschredderter Form von einer Hülle aus Papier umgeben ist. Überwiegend
besitzen diese Zigaretten an einem Ende einen Filter, der mit der
Zigarette durch eine Banderole verbunden ist. Filterelemente und
Zigarettenfilter sind in der Literatur umfangreich als Filtertow
beschrieben. Für
die Herstellung von Zigarettenfiltern wird üblicherweise ein Fasermaterial
aus den Werkstoffen Cellulose-2,5-Acetat oder Polypropylen verwendet.
Zur Entfernung von im Tabakrauch enthaltenen Toxinen ist ferner
die Verwendung von Aktivkohle bekannt. Gemäß bekannten Verfahren wird
Cellulose-Acetat-Fatermaterial
im wesentlichen nach dem Düsenspinnverfahren
hergestellt. Aus den Cellulose-Acetat-Filamenten und/oder aus Cellulose-Acetat-Spinnfasern,
die gekräuselt bzw.
stauchkammergekräuselt
sind, werden die Filtertows zunächst
als Filterstäbe
hergestellt, indem das gekräuselte
Band gestreckt, im Volumen vergrößert und
in einer Formatiereinrichtung auf die gewünschte Dimension gebracht und
mit Papier umwickelt wird. Die Cellulose-2,5-Acetat-Rohstoffe werden üblicherweise
mit Glycerinacetat als Weichmacher kompoundiert, welches nicht unproblematisch im
Tabakrauch enthalten ist.
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Aus der
EP
861 036 ist ein Verfahren zur Herstellung von biologisch
abbaubarem Filtermaterial aus nachwachsenden Rohstoffen zur Verwendung als
Tabakrauchfilterelement von Zigaretten, Zigarren oder Pfeifen bekannt,
wobei ein Filtertow bzw. Filtermaterial aus Fasern und Filamenten
aus Biopolymeren auf Basis von thermoplastischer Stärke und
deren Polymermischungen hergestellt wird. Filtermaterialien werden
bestimmungsgemäß eingesetzt,
um Toxine aus dem Tabakrauch zurückzuhalten.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass an der Schnittfläche der
Filter von Zigaretten lose, mit bloßem Auge für den Verbraucher nicht ohne
Weiteres erkennbare Bestandteile von Filtermaterialien auftreten.
Hierbei handelt es sich um Fragmente der in den Zigarettenfiltern
meist verwendeten Cellulose-Acetat-Fasern und bei Zigaretten mit
Aktivkohlefiltern um Kohlepartikel. Anteile dieser losen Filterbestandteile
werden beim Ziehen an den Zigaretten freigesetzt. Beispielsweise
können
beim Rauchen von Zigaretten, die aktivkohlehaltige Filter aufweisen,
Kohlepartikel, die mit Tabakrauch-Toxinen befrachtet sein können, freigesetzt
werden. Ferner können
sich z. B. beim Zuschnitt der Filter Fasern oder Faserbestandteile
lösen.
Durch die beschriebenen Filterdefekte beim Zigarettenrauchen kann
es zur Inhalation und zum Schlucken von Filterfasern und/oder -partikeln,
die mit Toxinen aus dem Tabakrauch beschichtet sind, kommen. Es
besteht deshalb zumindest der Verdacht, dass durch die Freisetzung
von Filterbestandteilen ein zusätzliches
gesundheitliches Risiko zu dem durch das Zigarettenrauchen an sich
bereits bedingten beträchtlichen
gesundheitlichen Risiko hinzukommt (vgl. "Freisetzung von Celluloseacetatfasern
und Kohlepartikeln aus Zigarettenfiltern", Stellungnahme des Bundesministers
für gesundheitlichen
Verbraucherschutz und Veterinärmedizin
vom 04. Juni 2002).
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Filtertow bzw. ein Filtermaterial zur Herstellung von Filtern für Raucherwaren
bereitzustellen, bei dem gesundheitliche Risiken, die sich aus der
Freisetzung von Filterbestandteilen und der äußeren Kontamination von Zigaretten
mit Filterbestandteilen ergeben, vermieden oder zumindest verringert
werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
der Patentansprüche
gelöst.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die
Erfindung von dem Grundgedanken aus, ein Filterelement aus einem
Stärkewerkstoff
und/oder einer Polymermischung auf Stärkebasis sowie gegebenenfalls Aktivkohle
herzustellen, wobei in dem Filterelement Poren und/oder Filterkanäle vorgesehen
sind. Das Filterelement kann ein Filtermaterial aus Stärkeschaum,
Stärkepolymerfasern
oder aus biopolymeren Folien und gegebenenfalls eingelagerte Aktivkohleschichten
enthalten. Derartigen Filtermaterialien gegebenenfalls anhaftende
oder beim Rauchen freigesetzte Filterpartikel können in einer Umgebung mit
entsprechendem Feuchtigkeitsgehalt gelöst werden. Sie kommen für die eingangs
diskutierten gesundheitsschädigenden
Wirkungen nicht in Betracht. Die Aktivkohle kann als Pulver oder
Granulat vorliegen und auf verschiedene Art und Weise in dem Filtermaterial
aus Stärke
und/oder einer Polymermischung auf Stärkebasis vorliegen. Die Stärke kann beispielsweise
aufgeschäumt
sein und ein Trägermaterial
für die
Aktivkohle bilden. Die Aktivkohle kann auf einem aufgeschäumten Filtermaterial
aus Stärkewerkstoff
aufgesprüht
oder als Zwischenschicht eingelagert sein. Der Stärkewerkstoff
kann flächig
ausgebildet sein (z.B. als geschäumte
Platte) oder zu einem endlosen. Rundfilterstab geschäumt sein
und in entsprechend geformte Abschnitte zerschnitten sein. In das
Filterelement können
Naturfasern, wie Cellulosefasern, Hanf oder Baumwollfasern in einer
Menge von ca. 5 Volumen-% eingelagert sein.
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Zur Herstellung von erfindungsgemäßen Filterelementen,
wie Rundfilterstäben
wird auf zerschnittene Stärkeschaumabschnitte
eine Aktivkohleschicht aufgetragen, zum Beispiel als Pulver aufgesprüht, oder
auf andere Art und Weise zwischen Stärkeschaumabschnitte gebracht
oder an diesen angeordnet. Die so zusammengefügten und miteinander verbundenen
Schichten aus Stärkeschaumabschnitten
und Aktivkohle werden mit einer Folie umhüllt oder einer anderen geeigneten
Hülle versehen.
Der Rundfilterstab weist dann stapelweise, d.h. wechselweise quer
zum Gasstrom angeordnete Scheiben bzw. Schichten aus Stärkeschaum
und Aktivkohle auf. Mit der Anordnung, Dicke, Porosität oder anderen
Parametern der Schichten kann der Durchtritt der aromatragenden
Moleküle
des Tabakrauches durch das Filtermaterial beeinflusst werden. Dabei
spielen gegebenenfalls auch die Tabaksorte und bestimmte gewollte
Effekte bezüglich
des Durchtritts aromatragender Moleküle (z.B. deren Anzahl) oder
andere Parameter mit denen der Tabakgeschmack beeinflusst werden
kann, eine Rolle.
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In die einzelnen Schichten und/oder
in das fertige Filterelement können
zusätzliche
Filterkanäle eingebracht
werden, um z. B. den Durchtritt der aromatragenden Moleküle des Tabaks
beeinflussen zu können.
Diese Filterkanäle
können
z.B. durch Nadeln, Wasserstrahlen oder Laser zu einem beliebigen Zeitpunkt
während
der Herstellung der Filterelemente ausgebildet werden. Die Anordnung
und Dicke der Schichten des Filterelementes ist dafür unerheblich. So
können
z. 8. Stärkeschaumabschnitte
zwischengelagert und später
der vorgesehenen Verwendung entsprechend gegebenenfalls mit Zwischenschichten aus
Aktivkohle zu Filterelementen zusammengefügt und mit Folie umhüllt werden.
Die Filterkanäle
können
sich in etwa in der Richtung des Gasstromes erstrecken bzw. orientiert
sein, wobei aber Abweichungen möglich
sind. Die Filterkanäle
können
ferner zum Teil quer zur Richtung des Tabakgasstromes verlaufen.
In diesem Fall können
z.B. als Rundfilterstäbe ausgebildete
Filterelemente mit einer entsprechenden luftdurchlässigen und/oder
perforierten Papierbanderole umwickelt werden oder die Filterkanäle werden
in den fertig ausgebildeten und mit einer Banderole umwickelten
Rundfilterstab eingebracht. Die Filterkanäle können eine Größe bzw.
Weite von vorzugsweise 50 bis 100 μm aufweisen, und sich bis zu einer
bestimmten Tiefe, z.B. von einem oder beiden Enden des Filterelementes
bzw. Rundfilterstabes ausgehend, in diesen hinein erstrecken. Die
Filterkanäle
können
ferner in Längsrichtung
orientiert sein und sich durch den gesamten Rundfilterstab hindurch
erstrecken. Durch die Gestalt, Größe, Anzahl und Anordnung der
Filterkanäle
kann der Filtereffekt beeinflusst werden.
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Bei einer stapelweisen Anordnung
der Schichten aus Stärkeschaum
und Aktivkohle kann die Aktivkohle als Granulat ausgebildet sein.
Der Zusammenhalt der einzelnen Schichten des Filterelementes kann
im Wesentlichen durch das Umhüllungsmaterial,
z.B. eine Schrumpffolie, gewährleistet werden.
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Durch die Einlagerung von Aktivkohle
in ein Filtermaterial oder zwischen Schichten eines Filtermateriales
aus Stärke
und/oder einer Polymermischung auf Stärkebasis wird ein Filterelement
geschaffen, in dem die Vorteile beider Materialien vereint sind.
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Z. B. ca. 5 Vol.-% Naturfasern (z.
B. Baumwollfasern, Cellolosefasern, Hanf) können ähnlich einem Docht im Filterelement
angeordnet bzw. darin eingelagert sein und eine Sangwirkung entwickeln, wobei
ein zusätzliches
Herausfiltern schädlicher
Bestandteile aus dem Tabakrauch begünstigt wird.
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Stärkeschaum selbst emittiert
keine inhalierbaren, flüchtigen
Produkte und kann die oben beschriebenen gegebenenfalls freigesetzten
Kohlepartikel adsorbieren. Beim Zuschnitt der Zigarettenfilter an
den Schnittstellen anhaftende Stärkeschaumpartikel
bzw. Stärkefaserpartikel
sind gesundheitlich unbedenklich, da sie biologisch abbaubar sind.
In einer Umgebung mit entsprechendem Feuchtigkeitsgehalt nehmen
die Stärkepartikel
oder -fasern die Feuchtigkeit auf bzw. binden diese. Die Parameter
der verwendeten Stärkewerkstoffe
können
bei deren Herstellung so eingestellt werden, dass der Feuchtigkeitsgehalt
von Atemluft in der Lunge ausreicht, um gegebenenfalls freigesetzte
Stärkepartikel
oder Stärkefasern,
an denen ggf. Aktivkohlepartikel und Toxine haften, zu binden bzw.
zu lösen
und während
des Ausatmens die Stärkepartikel
und -fasern zusammen mit der Atemluft wieder aus der Lunge herauszubefördern. Somit
kann eine Ansammlung in der Lunge bei der Inhalation von Tabakrauch
verhindert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Zeichnungen näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1:
ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus Stärkeschaum,
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2:
Längsschnitte
einzelner Filterelemente,
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3:
einen Längsschnitt
einer Zigarette mit einem erfindungsgemäßen Filterelement.
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Gemäß vorliegender Endung werden
zur Herstellung eines Filterelementes Stärkewerkstoffe mit thermoplastischen
Eigenschaften verwendet, die eine Verarbeitung nach Anpassung der
Betriebsbedingungen, beispielsweise im "Melt-blown"-Verfahren oder Spinnfließverfahren
ermöglichen.
Verfahren, die für
die vorliegende Erfindung anwendbar sind, werden beispielsweise
in der
EP 861 036 ausführlich erläutert. In
den dort vorgestellten Verfahren können mit Hilfe von Extrusionsanlagen
und speziellen Düsen
hochfeine Fasern als endlose Fäden
(Filamente) ausgetragen, durch Luft verwirbelt und entweder verstreckt
(um die Festigkeit zu erhöhen)
und anschließend
gekräuselt
werden (Spinnfließverfahren)
oder nicht verstreckt werden, um eine weiche, flauschige Struktur
mit großer
Oberfläche
zu erzielen (Melt-blown-Verfahren).
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Bei der Herstellung eines Filtermaterials
für ein
erfindungsgemäßes Filterelement
nach dem Spinnfließverfahren
werden zunächst
die extrudierten Fasern versponnen und zu einem Faserbündel zusammengefasst
und nach dem Ziehen durch Kompressionswalzen zu einem Endlosfilter
ausgeformt. In einem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Filterelemente
aus Stärkepolymerfasern
erfolgt eine abschließende
Formgebung in einer Konfigurationsanlage, wobei der Endlosfilter
gegebenenfalls nochmals einer Stauch-, Kräuselmaschine zugeführt und
in einer Filterstabmaschine zu einzelnen Filterabschnitten verarbeitet
wird.
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Zur Herstellung von Stärkeschaum
durch Extrusion wird die Stärke
vorzugsweise in einem Zweiwellenextruder Continua 37® unter
Druck und Temperatur gelatinisiert, destrukturiert und als Schaumstrang
ausextrudiert. Wie in 1 schematisch
dargestellt, wird in einer Extrusionsanlage 3 Stärkeschaum 20 aus
einem Ausgangsgemisch 2 von Stärke, vorzugsweise nativer Kartoffelstärke, und
plastinfizierenden und filmbildenden Additiven durch thermische
und mechanische Energieeinleitung verdichtet, gegebenenfalls modifiziert,
plastifiziert und durch Temperatur- und Druckabfall expandiert und
in einem Kompressionsschritt verdichtet, wobei er in einer Kalanderanlage 22 zu
einem Endlosfilter 7 verarbeitet wird. Dabei wird ein aufgeschäumtes Rundprofil
in einem Durchmesser von 10 mm hergestellt und im Formatierungsprozess
auf einen Durchmesser von 7,8 mm kalibriert. Das spezifische Raumgewicht
des Schaumfilterstranges beträgt
z. B. ca. 12 kg/m3. Der extrudierte Stärkeschaum 20 ist
im wesentlichen offenporig, so dass das aufgeschäumte Filtermaterial aus destrukturierter
Stärke
mit einem kristallinen Anteil von weniger als 5 % in der Lage ist,
die im Tabakrauch enthaltenen Flüssigkeiten
und flüssigen Schadstoffe,
wie Kondensat und Teerprodukte, zu adsorbieren, wobei der Stärkeschaumstoff
selbst keine inhalierbaren, flüchtigen
Produkte in den Tabakrauch emittiert.
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Die weitere Formgebung und Vereinzelung zu
kurzen Filterstäben
bzw. Filterabschnitten 1 erfolgt in einer Konfigurationsanlage
B. Nach der Erfindung wird der Endlosfilter zu Filterabschnitten
zugeschnitten und zu einem Filterelement bzw. Zigarettenfilter mit
einem stapelförmigen
Aufbau von Filterabschnitten auf Stärkebasis gegebenenfalls im
Wechsel mit Aktivkohleschichten (wie in 3 dargestellt) verarbeitet.
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Obwohl nach der Erfindung ein Extrudat
mit luftdurchlässiger
Konfiguration ausgebildet wird, ist für die Luftdurchlässigkeit
ein großer
Bereich möglich.
So kann das Extrudat im wesentlichen offenporig ausgebildet sein,
so dass eine hohe Luftdurchlässigkeit
zu erwarten ist. Ebenso kann das Extrudat teilweise geschlossenporig
ausgebildet und die Luftdurchlässigkeit
entsprechend niedrig sein. Um das Filtermaterial für Tabakrauchfilter
auf besstimmte Filtereigenschaften einzustellen, können zusätzliche Filterkanäle in geegneter
Anzahl und Größe eingebracht
werden
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Nach der Erfindung können in
ein Filtermaterial aus einem Stärkewerkstoff
die Filterkanäle
durch Nadeln, Wasserstrahlen oder mittels Laserstrahl eingebracht
werden. In einem schichtweise aufgebauten Filterelement (Rundfilterstab)
werden die Dicke jeder Filterschicht aus Stärkewerkstoff und gegebenenfalls
Aktivkohle und die Lasertiefe, die der Kanallänge entspricht, aufeinander
abgestimmt. Obwohl ein Filtermaterial aus einem geschäumten Stärkewerkstoff
offenporig ausgebildet sein kann, können zusätzlich eingebrachte Filterkanäle die vorteilhaften Eigenschaften,
wie die Adhäsionseigenschaften,
dieses Filtermateriales verstärken.
Ferner besitzt beispielsweise ein Filtermaterial aus Stärkepolymerfasern
verbesserte Adhäsionseigenschaften
der zu filternden Schadstoffteilchen im Tabakrauch. Ein Filtermaterial
aus einem faserigen Stärkewerkstoff
kann zu Stapelfasern zugeschnitten werden, wobei die Enden der kurzen
Fasern beispielsweise in zusätzlich
in das Filtermaterial eingebrachte Filterkanäle hineinragen und so die Filtereigenschaften
weiter verbessert werden können.
Die 3 zeigt einen Längsschnitt einer
Zigarette 10 mit einem Filterelement 1, wie es gemäß einem
in 1 dargestellten Verfahren
hergestellt wird, wobei ein Tabak 11 enthaltender Abschnitt
und ein das Filterelement 1 enthaltender Abschnitt mit
Zigarettenpapier 12 umwickelt und verbunden sind sowie
das Filterelement 1 und der Übergangsbereich zum den Tabak 11 enthaltenden
Abschnitt mit einer weiteren Banderole 13 zur Verstärkung umhüllt sind.
Das Filterelement 1 ist stapelförmig aufgebaut (vgl. 2), wobei Schichten aus Stärkeschaum 20 und
Schichten aus Aktivkohle 21 abwechselnd angeordnet sind.
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Die Verfahrensbedingungen und Rezepturen zur
einstufigen Verfahrensgestaltung und Herstellung eines im wesentlichen
elastischen komprimierbaren Filtertows aus Stärkeschaum mit einer offenporigen Schaumstruktur,
wie in der
EP 861 036 vorgestellt, können für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.