-
Verfahren zur Herstellung von Filtermaterial, insbesondere für Tabakrauch,
aus cellulosehaltigen Pflanzenfasern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von insbesondere für Tabakrauch geeignetem Filtermaterial aus cellulosehaltigen
Pflanzenfasern.
-
Es ist z. B. bei der Papierherstellung bekannt, pflanzliche Cellulosefasern
einer chemischen Behandlung zu unterwerfen, die die Bindung zwischen den einzelnen
Fasern (Mikrofasern) jedes Faserbündels (Makrofasern) völlig löst. In diesem Fall
wird die chemische Behandlung so lange durchgeführt, bis die Makrofasern völlig
in Mikrofasern übergeführt worden sind. Aus der Textilindustrie ist es bekannt,
pflanzliche Cellulosefasern z. B. zum Verspinnen aufzuarbeiten, indem man sie einer
chemischen Behandlung aussetzt, die unterbrochen wird, bevor die Makrofasern durch
Schwächen der Bindung zwischen den Mikrofasern auch nur teilweise zerstört werden.
-
Das Verfahren zur Herstellung von Filtermaterial, insbesondere für
Tabakrauch, bei dem die Faserbündel zuerst chemisch aufgeschlossen und hierbei das
L ignin mindestens teilweise herausgelöst wird, worauf eine mechanische Behandlung
erfolgt, besteht erfindungsgemäß darin, daß der chemische Aufschluß nur so lange
durchgeführt wird, bis die gegenseitige Bindung der aus langen Fasern (Mikrofasern)
bestehenden Faferbündel (Makrofasern) gelockert, aber wenigstens zum größten Teil
nicht völlig gelöst ist, worauf die Faserbündel getrocknet und bei der nachfolgenden
mechanischen Behandlung unter Kräuselung in Faserbündel mit einer durchschnittlichen
Länge von etwa 1. cm aufgeteilt werden, die nur noch aus wenigen Fasern bestehen,
worauf man das erhaltene Produkt, gegebenenfalls mit einem Bindemittel vermischt,
zu Stäbchen formt.
-
Gegenüber den bekannten Verfahren wird also bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die chemische Behandlung früher unterbrochen, als dies bei der Herstellung
von Fasermaterial zur Papierherstellung üblich ist, und später, als dies gewöhnlich
bei der Behandlung von Fasern zum Verspinnen der Fall ist.
-
Man kann die cellulosehaltigen Fasern auch vor der chemischen Behandlung
einer Kämm- bzw. Hechel-und/oder Schlagbehandlung unterziehen, um zu erreichen,
daß sich die Faserbündel teilweise der Länge nach aufspalten. Wenn die Faserbündel
einer derartigen Bearbeitung vor der chemischen Behandlung unterworfen werden, wird
das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert.
-
Ein- oder mehrmaliges Schneiden kann vor der chemischen Behandlung
und/oder vor der mechanischen Bearbeitung vorgenommen werden, um die ; Faserbündel
auf eine passende Länge zu verringern. Selbst wenn die Länge der Faserbündel und/oder
der Fasern im fertigen Filterstäbchen nicht wesentlich ist, kann noch ein ein- oder
mehrmaliges Schneiden erfolgen, um die Fasern auf eine für die chemische und/ oder
mechanische Behandlung geeignete Länge zu verkürzen.
-
Das Filterstäbchen kann aus Faserbündeln und/ oder deren Fasern bestehen,
die aneinander durch ein Bindemittel gebunden sind, z. B. durch ein hitzehärtendes
oder thermoplastisches Material oder eine Mischung davon. Gleichzeitig oder nach
dem Verbinden der Faserbündel und/oder Fasern untereinander kann man das Äußere
des Stäbchens an die Innenseite einer röhrenförmigen Umhüllung binden, von der das
Stäbchen umgeben ist.
-
Die chemische Behandlung kann auch ein Bleich-und/oder Färbeverfahren
einschließen. Die chemische Behandlung soll vorzugsweise das Gewicht der behandelten
Faserbündel auf 60 bis 95% gegenüber dem Gewicht vor der Behandlung herabsetzen.
Die
mechanische Bearbeitung kann aus einer Aufteilung oder mechanischen
Auflockerung in einer Schlag-oder Hammermühle nach bekannter Weise bestehen, in
der Art, daß die Faserbündel durch Öffnungen in einer perforierten Platte durch
die Einwirkung von Hämmern und eines Luftstroms geschlagen werden.
-
Die Cellulosefaserbündel, aus denen das Filtermaterial hergestellt
wird, sind vorzugsweise harte Faserbündel, wie Manilahanf, Henequen (Agave foureroydes)
oder insbesondere Sisal.
-
Es eignen sich jedoch auch die cellulosehaltigen Pflanzenteile wie
Blätter, Rinden oder Stengel von Coir (Fasern aus Kokosnußschalen), Flachs, Hanf,
Jute, Kenaf, Ramie (Boehmeria tenecissima) und Sunn (Sonnenhanf).
-
Die ausgewählten Cellulosefaserbündel werden zweckmäßigerweise zuerst
auf eine für die Durchführung des Verfahrens bzw. eine für das Endprodukt geeignete
Länge geschnitten. Will man das Filtermaterial für die Herstellung von Zigarettenfilter
verwenden, so wird es im allgemeinen auf eine Länge von 2,5 bis 15,2 cm geschnitten.
-
Die Cellulosefaserbündel können vor der chemischen Behandlung einer
Kämm- bzw. Hechel- und! oder Schlagbehandlung unterzogen werden, wodurch wenigstens
ein Teil der Faserbündel der Länge nach aufgespalten und die anschließende chemische
Behandlung erleichtert wird. Beispielsweise können die Fasern einer Aufrauhmaschine
zugeführt werden, in der sie über den Umfang eines mit Spitzen versehenen Zylinders
von verhältnismäßig großem Durchmesser an einem oder mehreren kleineren, mit Spitzen
versehenen Zylindern vorbeigeführt werden, deren Spitzen mit denen des größeren
Zylinders ineinanderwirken, so daß die Faserbündel zerrissen, ausgerichtet und durch
die ineinandergreifenden Spitzen der Länge nach gespalten werden.
-
Die geschnittenen, vorbehandelten Faserbündel werden dann einer chemischen
Behandlung unterworfen, die so lange fortgesetzt wird, daß die Bindung zwischen
den Fasern jedes Faserbündels gelockert, aber die Faserbündel noch nicht in einzelne
Fasern aufgeteilt werden. Eine derartige Behandlung kann z. B. durch an sich bekannte
Bleichverfahren erfolgen. Den Ablauf der chemischen Reaktion kann man in der Praxis
dadurch verfolgen, daß man ein Faserbündel mit der Hand bricht. Wenn die chemische
Behandlung noch nicht genügend fortgeschritten ist, ist die Faser noch brüchig und
bricht ohne Ausfransen oder Splittern der Fasern vom Faserbündel glatt ab. Ist das
Verfahren jedoch weit genug fortgeschritten, wird sich beim Brechen das Faserbündel
der Länge nach aufspalten, wobei die gebrochenen Enden ausgefranst sind. Wenn die
chemische Behandlung zu lange gedauert hat, zerfallen die Faserbündel völlig in
die einzelnen Fasern, wobei sich eine weiche, flockige, verhedderte Masse von der
Konsistenz der Baumwolle bildet.
-
Eine weitere Wirkung der chemischen Behandlung besteht darin, daß
verschiedene unerwünschte Bestandteile der Faserbündel, z. B. Fremdstoffe, Lignin,
Pectin, Pentosane, Fette und Wachse, entfernt werden. Ein anderes Anzeichen dafür,
daß die chemische Behandlung bis zu dem gewünschten Ausmaß fort-(yeschritten ist,
kann durch Messen des Gewichtsverlustes der Faserbündel erhalten werden. Bei dem
vorzugsweise ausgeführten Verfahren beträgt das Gewicht der chemisch behandelten
Faserbündel zwischeu 60 und 9511,a) ihres ursprünglichen Gewichtes. Diese Werte
hängen stark von der Qualität des Rohmaterials ab.
-
Die chemische Behandlung führt auch, sofern es sich um eine Bleichung
handelt, zu einer Aufhellung der Farbe der Faserbündel, wodurch das Aussehen des
fertigen Materials verbessert wird. Die Aufhellung kann noch unterstützt werden,
wenn man eine Bleichflüssigkeit verwendet, die einen optischen Aufheller enthält,
der auf die Faserbündel niedergeschlagen wird und der sich beim Auffallen von Licht
durch Leuchtkraft auszeichnet, wodurch die scheinbare Helligkeit der Faserbündel
verstärkt wird. Eine optische Bleiche hat noch den Vorteil, daß die gebleichten
Faserbündel eine geringere Neigung zum Gelbwerden beim Altern zu haben scheinen.
-
Die im folgenden beschriebene chemische Behandlung ist für bessere
Qualitäten von handelsüblichem Sisal geeignet. Dieser Sisal hat eine durchschnittliche
Faserlänge von ungefähr 0,6 bis 1.2 m und ist vor der chemischen Behandlung maschinell
oder von der Sonne getrocknet worden.
-
a) Kochen der Faserbündel in einer schwachen Lösung von Ätznatron.
-
b) Bleichen der Faserbündel durch Kochen in einer angesäuerten Natriumchloritlösung.
Die nassen Faserbündel läßt man an der Luft trocknen, jedoch wird ein dichteres
Produkt erhalten, wenn man das Trocknen z. B. in einer Trockenmaschine vornimmt.
-
Die chemische Behandlung kann in ihrer Intensität z. B. durch Regelung
der Temperatur, des Drucks oder der Konzentration der verwendeten Lösungen gesteuert
werden.
-
Wenn die Faserbündel vor der chemischen Behandlung nicht geschnitten
;wurden. kann dies vor der mechanischen Bearbeitung, die sich der chemischen Behandlung
anschließt, nachgeholt werden.
-
Zweck der mechanischen Bearbeitung ist es, die Faserbündel der Länge
nach aufzuspalten, die geraden Fasern zu kräuseln und die Faserbündel ganz oder
teilweise in Bündel aufzuteilen, die aus weniger Einzelfasern als die noch nicht
mechanisch behandelten Faserbündel bestehen. Durch diese Behandlung entsteht eine
Masse von gekräuselten, ineinandergreifenden Faserbündeln, die eine große Elastizität
hat und für manche Zwecke, z. B. als Luftfilter- oder Tabakrauchfiltermaterial,
direkt verwend-.t werden kann. Das Kräuseln der Faserbündel während der mechanischen
Bearbeitung dürfte wegen der plötzlichen Aufhebung der Bindungskräfte während der
Behandlung zustande kommen.
-
Bei einem besonders wirksamen mechanischen Verfahren führt man die
getrockneten, chemisch behandelten Faserbündel einer Vorrichtung zu, in der sie
gespalten. gekräuselt. durch die Wirkung von rotierenden Hämmern gekürzt, danach
in einen Luftstrom eingeführt und durch die Wirkung dieses Luftstroms durch Öffnungen
einer perforierten Platte gezwängt werden. Die Steuerung der Intensität der mechanischen
Bearbeitung kann durch Änderung des Volumens und Geschwindigkeit der Luft, der Größe
der Öffnungen in der Platte, der Größe und Umlaufgeschwindigkeit der Hämmer und
der der Vorrichtung zugeführten Menge an Faserbündeln erfolgen. Beispielsweise können
bei Faserbündeln bis zu 7,6 cm
Länge die Öffnungen 6,35 mm Durchmesser
und bei Fasern von 15,2 cm Länge die Öffnungen 9,53 mm Durchmesser besitzen.
-
Bei der mechanischen Bearbeitung wird gewöhnlich ein Teil, 5 bis 15
Gewichtsprozent, des Fasermaterials als Staub anfallen. Er kann z. B. durch Sieben
entfernt werden, wodurch ein Verlust von 5 bis 20 Gewichtsprozent des Materials
eintreten kann.
-
Häufig ist es ratsam, die chemisch behandelten Faserbündel vor der
mechanischen Bearbeitung einer Kämm- bzw. Hechel- und/oder Schlagbehandlung zu unterziehen,
um zu erreichen, daß die Faserbündel sich teilweise der Länge nach aufhalten. Dadurch
wird bei der mechanischen Bearbeitung das weitere Aufspalten erleichtert. Diese
Kämm- und/oder Schlagbehandlung kann in einer Aufrauhmaschine bewirkt werden, in
der die Fasern über den Umfang eines mit Nadeln versehenen Zylinders von verhältnismäßig
großem Durchmesser an einem oder mehreren kleineren, mit Nadeln versehenen Zylindern
vorbeigeführt werden, deren Nadeln mit denen des größeren Zylinders ineinanderwirken.
-
Die aus der Vorrichtung austretenden Faserbündel und/oder Fasern werden,
gegebenenfalls nach einer weiteren Trennung, zu Stäbchen geformt, beispielsweise
dadurch, daß man von dem Filtermaterial eine Schicht einheitlicher Dicke auf einem
Förderband bildet und dann die Schicht in an sich bekannter Weise zu einem Stäbchen
mit einheitlichem Querschnitt formt. Das Stäbchen kann von einer zylindrischen Umhüllung,
z. B. aus Zigrettenpapier, umgeben sein. Bei einer chemischen und mechanischen Bearbeitung
von Sisalfaserbündeln wurden durch mikroskopische Untersuchungen die Veränderungen
der Faserbündel vor und nach der Behandlung verfolgt. Ein Bündel bestand durchschnittlich
aus etwa 350 Fasern am Ende des Bündels, die Zahl der Fasern am Kopf des Bündels
betrug etwa vierzig. Nach der erfindungsgemäßen Behandlung hatte das Material eine
durchschnittliche Länge von etwa 1 cm und bestand hauptsächlich aus Bündeln mit
etwa zwölf Fasern. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um Durchschnittswerte,
die bei einzelnen Faserbündeln stark abweichen können. Die Luftporosität des entstandenen
Materials wurde dadurch gemessen, daß man verschiedene 11/2-g-Proben in einen Behälter
von 4,9 cm3 Innenvolumen einschloß und 21/21 Luft je Minute durch den Behälter leitete.
Die Weglänge der Luft in dem Material betrug 6 mm, und der Druckabfall zwischen
den Enden des Weges betrug etwa 5 bis 7 cm Wassersäule.
-
Das eingangs erwähnte Bindemittel kann beispielsweise ein festes thermoplastisches
oder hitzehärtendes Material sein, das zu der kräuseligen porösen Masse in Form
eines feinen Pulvers gegeben wird, worauf das Stäbchen erhitzt wird. Hierbei wird
das Bindemittel fließfähig und trägt zu einer besseren Verbindung bei. Bei einem
typischen Beispiel wurden 5 bis 50 Gewichtsprozent Polyäthylen oder ein anderes
synthetisches Harz mit einer Teilchengröße von weniger als 50 Mikron zu 95 bis 50
Gewichtsprozent der Faserbündelmasse gegeben. Das Pulver wurde einheitlich in der
Masse verteilt. Danach wurde das Stäbchen auf eine Temperatur über den Schmelzpunkt
des Polyäthylens genügend lange erhitzt, um ein Fließen des Polyäthylens zu bewirken.
Anschließend wurde gekühlt. Bei einem anderen Beispiel wurde das Bindemittel, z.
B. Polystyrol, in Formeiner Lösung oder Emulsion in einer Menge von 5 bis 50 Gewichtsprozent
zu 95 bis 50 Gewichtsprozent der Masse durch Sprühen oder durch Eintauchen der Masse
zugefügt. Die aus dieser Masse hergestellten Stäbchen wurden erhitzt oder auf andere
Weise behandelt, um die flüssige Phase zu entfernen.
-
Bei jedem dieser Beispiele kann man nach der Zugabe des Bindemittels
und vor Beendigung der Bindungsreaktion die Masse oder das geformte Stäbchen zusammendrücken,
wobei sich der Widerstand des Stäbchens gegen das Durchlassen des zu filternden
Materials verstärkt. Andererseits kann man die Masse auch mechanisch auflockern,
um ihr Volumen zu vermehren, wobei der Widerstand des Stäbchens gegen das Durchlassen
des zu filternden Materials verringert wird.
-
Wenn das Fasermaterial an eine äußere Umhüllung gebunden ist, ist
es nicht erforderlich, die Form des Stäbchens beizubehalten, da manchmal dieser
Vorgang benutzt wird, um dem Stäbchen eine andere endgültige Form zu geben. Hierbei
kann das Stäbchen auch in Stückchen passender Länge geschnitten werden, die direkt
einer Zigarettenmaschine oder einer Verpackungsstelle zugeführt werden.