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Filterelement, insbesondere für Tabakrauch.
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Die Erfindung betrifft einen Filter und ein Filterverfahren für Rauch
und insbesondere das Filtern von Tabakrauch.
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Es ist allgemein anerkannt, daß Filter in Zigaretten, Zigarren, Pfeifen
usw. notwendigerweise aus billigen, geruchlosen und geschmacklosen Materialien gebildet
sein müssen, welche die Eigenschaften haben, das in dem Rauch vorhandene schädliche
Material auszufiltern, ohne den natürlichen Geschmack des Tabaks wesentlich zu ändern.
Außerdem sollen diese Materialien sicher sein und von solcher Art sein, daß sich
keine störende Behinderung ergibt, wenn der Rauch durch das Material gezogen wird.
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Die Verwendung von Filtern für Tabakrauch ist nicht neu, d.h. es
sind verschiedene Fänger für Teere und andere im Tabakrauch vorhandene schädliche
Materialien verwendet worden.
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Neuerdings sind verschiedene natürliche und synthetische
anorganische
und organische Materialien als Filter verwendet worden, und zwar entweder allein
oder in Kombination miteinander in einem Versuch, die unerwUnschten Komponenten
im Tabakrauch zu entfernen. Beispielsweise sind nachstehende reprksentative Materialien
mit verschiedenem Wirkungsgrad verwendet worden: behandelte und unbehandelte tierische
Materialien, wie getrocknete Lunge, Leder, Wolle, ausgetrocknete Knochen usw.; Pflanzenmaterialien,
wie Cellulose, Holzkohle, Baumwolle, Papier, Stärke, Dextrin und Kornprodukte usw.;
synthetische organische Materialien, wie Acrylate, Pyrrolidone usw., und anorganische
Materialien, wie Silicagele, Ionenaustauschharze u.dgl. Obgleich solche Filtermaterialien,
wenn sie allein oder in Kombination miteinander verwendet werden, gewisse erwünschte
Filtereigenschaften besitzen, ist kein vollständig zufriedenstellender Filter geschaffen
worden, der verhältnismäßig billig ist, so daß er für Zigaretten, Zigarren usw.
wirtschaftlich interessant ist, und der gleichzeitig große Filterkapazität zum Reinigen
von Tabakrauch besitzt. Weiterhin schafen alle bisher verwendeten Filtermaterialien
keine ideale Filterung zufolge ihrer begrenzten Fähigkeit, Rauch æu filtern, wenn
sie in üblichen Größen und Gewichten verwendet werden. Weiterhin ist -bis heute
kein Filtermaterial entwickelt worden, mittels welchem eine vorhersagbare und vorbestimmte
Menge an Teer usw.
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an dem Tabakrauch entfernt werden kann, ohne daß der -Geschmack des
Rauches oder der Druckgradient des Rauchstromes merkbar beeinflußt werden.
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Es ist nunmehr Jedoch unerwartet gefunden worden, daß eine wirksame
mit vorhersagbarer Wirkung arbeitende Filtereinriohtung durch die Verwendung einer
Matrix aus Glasfasern hergestellt werden kann. Ein solches Filtermittel ermöglicht
die Entfernung einer vorhersagbaren und vorbestimmten Menge an Teer usw ohne merkbares
Beeinflussen des natilrlichen Geschmaks des Tabaks oder des Druckgradienten des
Rauchstromes.
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Es ist daher ein Hauptzweck der Erfindung, ein Tabaks termittel herzustellen,
welches von den Nachteilen bisher bekannter Materialien frei ist.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, ein Tabakfiltermittel
zu schaffen, mittels dem eine vorhersagbare und vorbestimmte Menge an Teer aus Tabakrauch
entfernt werden kann, ohne daß der natürliche Geschmack des Tabaks oder der Druckgradient
des Rauchstromes merkbar beeinflußt bzw.
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beeinträchtigt werden.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht irin, ein unerwartet wirksames
Rauchfiltermittel zu schaffen, das eine Matrix aus Glasfasern aufweist und zum Filtern
schädlichen Rauches von Industrieanlagen und Wohngebieten dient, beispielsweise
bei Auspuffanlagen von Personenwagen, Bussen und Lastwagen sowie industriellen Kaminen
und Wohnhauskaminen.
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Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
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Es ist nunmehr unerwartet gefunden worden, daß ein Filter hergestellt
werden kann, der in der Lage ist, eine vorhersagbare und vorbestimmte Menge an Teer
usw. aus Tabakrauch zu entfernen, ohne den natürlichen Geschmack des Tabaks oder
den Druckgradienten d 5 Rauchstromes merkbar zu beeinflussen, und zwar durch Verwendung
einer Matrix aus Glasfasern als das Filtermittel.
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Die bei Rauchfiltern gemäß der Erfindung verwendeten Materialien
sind Mikroglaafasern, wie sie für chromatographische Trennung organischer Materialien
entwickelt und gegenwärtig im Gebrauch sind. Solche Materialien sind weich und faltbar
und haben einen Griff ähnlich dem Griff von Samt. Die einzelnen Fasern der Matrix
werden wirtschaftlich hergestellt mit Durchmessern von etwa 0,005 bis etwa 0,5 mm.
Die einzelnen Glasfasern sind entweder gerollt, gewebt, geschichtet oder zusammengepreßt,
und zwar zu Tafeln oder Blättern, zu
Zylindern oder zu irgendeiner
anderen gewünschten Gestalt zur Verwendung als Filtermittel für Tabakrauch u.dgl.
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Die Filterelemente sind derart in der Zigarette, der Zigarre, der
Pfeife, dem Zigarettenhalter usw. angeordnet, daß der Tabakrauch durch sie hindurchgeht
und die zu beanstandenden Bestandteile aus dem Rauch entfernt werden.
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Es ist gefunden worden, daß die nachstehenden drei Parameter die
Filterkapazität der Glasfasermatrices beeinflussen: 1.) Dicke der einzelnen Glasfasern;
2.) Dichte der Glasfasermatrix, d.h. die Porosität der Matrix, und 3.) die Länge
des Filters, der in dem Weg des Tabakrauchstromes verwendet wird.
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Durch ändern eines oder mehrerer dieser Parameter ist gemäß der Erfindung
gefunden worden, daß Filterung von Tabakrauch auf einer vorbestimmten gesteuerten
Basis vorteilhaft erhalten werden kann. Weiterhin kann eine Filterung, die sich
100 % annähert, d.h. daß 100 % der schädlichen Teere usw. entfernt werden, ohne
nachteilige Wirkung auf den Geschmack oder den Druckgradienten durch richtige Manipulation
und änderung dieser Parameter erhalten werden kann.
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Wie oben erwähnt, ändert sich die Dicke der einzelnen Glasfasern
üblicherweise von Durchmessern von etwa 0,005 bis 0,5 mm, obwohl etwas kleinerer
oder größerer Durchmesser wirksam verwendet werden kann, um sich ändernde Anforderungen
zu erfüllen. Dies trifft insbesondere bei industriellen Anwendungen zu, wo die Durchmesser
diese Grenzen weit überschreiten können.
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Die Dichte oder Porosität der Filtermatrix hat ebenfalls eine Wirkung
auf die Fähigkeit des Filters, schädliche Material lien zu entfernen. In dieser
Hinsicht ist gefunden worden, daß die Dichte des Filters den Druckgradienten, d.h.
den Zug des Rauchstromes in umgekehrt proportionaler Weise beeinflußt.
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Es ist gefunden worden, daß im wesentlichen 100 Xige Filterung des
Tabakrauchs ohne Vergrößern der Länge oder des Gewichts des Filters über Länge und
Gewicht gegenwärtig verfügbarer handelsüblicher Filter hinaus erhalten werden kann.
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Es liegt auch im Bereich der Erfindung, in den Glasrasern des Filtermittels
der Erfindung verschiedene Substanzen einzulagern oder die Glasfasern damit zu überziehen,
um wahlweises Filtern und quantitatives Filtern des Tabakrauchs zu ändern oder zu
unterstützen. Solche Materialien umfassen beispielsweise Mittel, wie Polyoxyäthylensorbitanmonooleat,
gesättigte Salicylsäurelösungen, Pflanzenöle, Kaliumsilikat und ähnliche bekannte
Additive. Weiterhin liegt es zusätzlich zu diesen Mitteln im Bereich der Erfindung,
in den Glasfasermatrices, wenn es gewünscht wird, verschieaene Geschmacksmittel
einzuschließen, beispielsweise aromatische Öle, Pfefferminz, Lakritze, Anis usw.,
so daß im Mund des Rauches ein gewürzter bzw. bestimmter Geschmack vorhanden ist.
Außerdem können verschiedene Materialien, wie Phenolsalicylat oder p-Acetylaminophenol
oder deren Ester, verwendet werden, und zwar als Über züge der Filtermatrix oder
eingelagert in die Filtermatrix, um Mundgerüche zufolge Tabakrauchs zu verringern.
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Hinsichtlich der unüblichen Wirksamkeit des Filtermittels gemäß der
Erfindung wird u.a. angenommen, daß diese Wirksamkeit durch eine magnetische Anziehung
zwischen der Glasfasermatrix und elektrostatisch aufgeladener partikelförmigem Material
in dem Rauch erzeugt ist. Es wird angenommen, daß den Partikeln zufolge vergrößerter
Molekularbewegung bzw.
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Molekularrührung und vergrößertem Molekularfluß als Ergebnis von Verbrennung:
Reibung erteilt wird. Durch solche Reibung werden die elektrostatischen Ladungen
der Partikel vergrößert, wobei die sich ergebende Wirkung eine vergrößerte Affinität
zwischen dem Filter und dem partikelförmigen Material in dem
Teer
usw. des Rauches ist.
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Die Filterelemente gemäß der Erfindung können in Übereinstimmung
mit bekannten Arbeitsweisen hergestellt werden-.
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Es gehört somit zur Lehre der Erfindung, nicht nur die vorgenannten
Materialien allein, sondern auch in Kombination mit anderen Materialien und erprobten
Tabakfiltermaterialien zu verwenden. Dies ist zutreffend, unabhängig davon, ob die
Materialien als dauerhaft befestigte Filter in Zigaretten verwendet werden sollen,
wobei die Glasrasermatrix sich in fester Lage zu der Tabak-füllung befindet, oder
ob der Filter in Pfeifenß in Zigaretten- oder Zigarrenhaltern verwendet werden soll,
wobei die Filter wegwerfbar sind.
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Bei einer bevorzugten AusfUirungsform der Erfindung werden Glasfaserscheiben
einer Dicke von etwa 1,0 bis 1,5 mm ausgestanzt, d.h. mit genAgender Porosität,
so daß der Durchgang von Rauch ermöglicht ist. Eine bis sechs dieser Scheiben kennen
als einziges Filtermittel der brennbaren Tabakfüllung einer Zigarette benachbart
verwendet werden, indem sie in einer Hülle aus Papier, Metall, Kork, Kunststoff
usw.
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eingeschlossen werden. Stattdessen kann eine kleinere Anzahl solcher
Scheiben in Verbindung mit üblichen Filtermitteln, beispielsweise Cellulosefiltern,
verwendet werden. Beispielsweise können Scheiben aus einer Glasfasermatrix entweder
zwischen dem Cellulosef r und der brennbaren Tabakfüllung oder zwischen dem Cellulosefilter
und dem Mund des Rauchers angeadnet werden, um zufriedenstellende Filterelemente
zu erzeugen.
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Zusätzlich können Glasfilterscheiben zwischen übliche Filterelemente
eingesetzt werden.
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Außer daß die Glasfaserfilter gemäß der Erfindung unübliche Eigenschaften
hinsichtlich der Teerentfernung haben, sind sie nicht entflammbar. Daher gehen brennende
Zigaretten, die zum Ende der Tabakfüllung brennen gelassen werden, bei Erreichten
des Filters aus, da Glasfasern nicht brennen können.
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Feuergefahr ist daher im Vergleich mit entflammbFren Filtern
verringert.
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Diese Eigenschaft der Nicht-Entflammbarkeit macht weiterhin die Glasfaserfilter
gemäß der Erfindung für andere Rauchquellen als Tabakrauch außerordentlich nützlich,
beispielsweise rur Auspuffsysteme von Personenwagen, Bussen oder Lastwagen. Außerdem
können die Filter in industriellen Abgasanlagen und Kaminen von Wohngebäuden verwendet
werden, wobei alle diese Systeme für Luftverschmutzung sowie große Beeinträchtigung
von Gesundheit und Eigentum verantwortlich sind. Während Filterscheiben für diese
Zwecke vorteilhaft verwendet werden können, werden gerollte oder geschichtete Zylinder
aus der Glasfasermatrix bevorzugt.
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Weiterhin schließt die molekulare Natur der Glasfaserfilter gemäß
der Erfindung Durch-weichung oder Durchfeuchtung oder Wasserzurückhaltung aus, so
daß die Filterwirksamkeit während des gesamten Rauchvorganges aufrechterhalten ist.
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Dies ist ein beträchtlicher Vorteil gegenüber üblichen Filtern, die
durchfeuchtet werden oder Wasser oder andere fließfähige Komponenten des Rauches
oder Speichel des Rauchers zurückhalten und somit während des Fortschreitens des
Rauches an Filterwirksamkeit verlieren.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen näher erläutert.
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Beispiel I Scheiben mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Dicke
von 1,2 mm wurden aus einem handelsüblichen chromatographischen Glasfaserbogen/mittleren
.Fasrfl gestanzt. Eine bis sechs Scheiben gleicher Größte wurden in eine Glashülle
mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser eingesetzt, wie es bei handelsüblichen
Zigarettenfiltern verwendet wird. Diese Glashülle mit den eingesetzten Scheiben
wurde zwischen Zigaretten mit Standardgröße und einr handelsüblichen Rauchmasohine
angeordnet. Außerdem wurde der Teer in einer Chloroformmethanol
(2:1)-Lösung
zwischen den Filtern und der Vakuumquelle gefangen. Der von Zigaretten ohne den
Filter gemäß der Erfindung gefangene Teer wurde berechnet durch Wiegen der Restmaterialien
nach Verdampfen der Chloroformmethanol-Lösung unter Stickstoffgas. Die von der ungefilterten
Zigarette und der Filterzigarette erhaltenen Gewichte ermöglichten die Berechnung
der Filterkapazität der angeordneten Glasfaserfilw ter. Die Ergebnisse sind nachstehend
in Prozenten des Teers angegeben, der von den Glasfaserfiltern gefangen wurde, im
Vergleich zu dem gefangenen Teer, wenn kein Filter verwendet wurde: Kein Filter
= O ffi Teer gefangen Zwei Filterscheiben = 36 ffi Teer gefangen Vier Filterscheiben
= 72 ffi Teer gefangen Sechs Filterscheiben = 97 ß Teer gefangen.
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Selbst bei Verwendung von 6 solcher Filterscheiben wurde kein merkbarer
Verlust des Druckgradienten beobachtet.
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Dies zeigt an, daß kein merkbarer Verlust an Zugenergie vorhanden
ist.
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Beispiel II Mehrere handelsübliche Cellulosefilter wurden in Querrichtung
geteilt und eine Glasfaserscheibe eines Durchmessers von 7 mm und einer Dicke von
1,2 mm wurde zwischen der nahe liegenden und der entfernt liegenden Hälfte des Cellulosefilters
angeordnet, wonach der Filter wieder verschlossen wurde.
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Die Zigaretten wurden in die bei Beispiel I verwendete Rauchmaschine
eingesetzt und mit der gleichen Marke von Zigaretten ohne die Glasfaserscheiben
verglichen. Der Filterungskoeffizient, berechnet wie in Beispiel I, zeigte eine
l9«ige Zunahme des Teerfangens gegenüber dem nicht behandelten Cellulosefilter an.
Weiterhin war, wenn die Filter wieder geöffnet wurden, ein beträchtlicher Unterschied
im Grad der Verfärbung bzw.
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Entfärbung des Cellulosefilters vorhanden, wenn die entfernt
liegende
und die nah+tiegende Hälfte verglichen wurden. Viel weniger Entfärbung bzw. Verfärbung
wurde in derjenigen Hälfte des Cellulosefilters beobachtet, die sich zwischen der
Vakuumquelle und der Glasfaserscheibe befand, d.h. bei der nahgiiegenden Hälfte
bzw. derjenigen Hälfte, die den Lippen des Rauchers am nächsten liegt.
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Beispiel III Bei diesem Beispiel wurde eine bekannte Zigarettenmarke
mit einem ausgenommenen Filter verwendet. In die ausgenommene Kammer einer Abmessung
von etwa .6,35 mm (1/4") wurden Faserglasscheiben in einer Anzahl von 1 bis 3 eingesetzt.
Die Zigaretten wurden in die bei Beispiel I verwendete Rauchmaschine eingesetzt
und mit Zigaretten der gleichen Marke ohne Glasfaserfilterscheiben gemäß der Erfindung
verglichen. Als Ergebnis dieses Versuchs wurde eine beträchtliche Vergrößerung gefangenen
Teers aus dem Rauchstrom gefunden in einem Bereich von 21 ß bei einer Scheibe bis
zu 67 % bei drei Scheiben.
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Beispiel IV Der Glasfaserbogen gemäß Beispiel I wurde mit 5Xiger
Athanollösung von Tween 80 (Polyoxyäthylenßorbitanmonooleat) überzogen durch Eintauchen
der Bögen in diese Lösung und nachfolgendes Lufttrocknen. Beim Prüfen von aus solchen
überzogenen Bögen hergestellten Scheiben in der Rauchmaschine wie bei Beispiel I
und beim Vergleich mit den bei Beispiel I erhaltenen Ergebnissen wurde gefunden,
daß die Teerfangkapazität des so behandelten Glasfasermaterials gegenüber der ursprtingliohen
Kapazität der Glasfaserbögen um etwa 10 ffi erhöht war, ohne merkbaren Verlust an
Zugenergie oder Zugkraft.
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Eine ähnliche Erscheinung wurde beobachtet, wenn entweder Tween 20
(Polyoxyäthylensorbitanmonolaureat) oder eine 5Xige alkoholische Pflanzenöllösung
(Mais oder Baumwollsamen) verwendet
wurde.
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Beispiel V Bei diesem Beispiel wurde als Überzugsmaterial eine Wasserlösung
von 6 ffi Kaliumsilikat verwendet. Nach dem Trocknen der Glasfaserbögen oder -blätter
in einem Ofen bei einer Temperatur von 210 C während 12 Stunden wurden die Bögen
wie bei Beispiel I geprüft, wobei eine Verringerung der Kapazität zum Filtern des-Tabakrauchs
um 15 % der überzogenen Fasern im Vergleich zu nicht überzogenen Fasern beobachtet
wurde. Es wurd-e angenommen, daß diese Erscheinung sich zufolge einem Verlust des
elektrostatisehen Potentials der Fasern ergab, welches die Ausfilterung des partikelförmigen
Materials aus dem Tabakrauch unterstützt.
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Beispiel VI Bei diesem Beispiel wurden gerollte Zylinder aus Glasfaserbögen
als Glasfilter verwendet. Blätter oder Bögen aus sinken Glasfaser mit den Abmessungen
1,5 x 4,5 cm und einer Dicke von 1,2 mm Eeiner-Qualität-bzw-guter-Qualität wurden
zu 1,5 cm langen Zylindern aus konzentrischen Schichten gerollt.
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Diese Zylinder wurden in der gleichen Weise wie die Scheiben in der
Rauchmaschine gemaß Beispiel I verwendet. Obwohl die Wirksamkeit der Filterung etwas
geringer als bei Verwendung von Scheiben gleicher Breite war, wurde eine geringzügige
schnellere Strömung des Rauchstromes beobachtet.
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Beispiel VII Bei diesem Beispiel wurde die subJektive Beurteilung
von 25 Rauchern ausgewertet, die Zigaretten mit und ohne Glasfaserfilter aufeinanderfolgend
in dieser Reihenfolge rauchten (die Glasfaserfilter umfaßten alle zwei Scheiben).
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Bei Befragung hinsichtlich des Geschmacksverlustes des durch
den
Filter gehenden Rauches machten 84 % (21 Raucher) keinen Geschmacksverlust geltend,
12 % (3 Raucher) geringen Geschmacksverlust und 4 % (1 Raucher) vollständigen Geschmacksverlust
geltend. Da Glasfasern als Filter keinen Eigengeschmack hinzufügen, zeigen diese
Ergebnisse, daß sich nur wenig oder kein Geschmacksverlust beim Rauchen einer Zigarette
mit dem Filter gemäß der Erfindung ergibt.