DE2123219A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Zigarettenfiltern - Google Patents

Description

Köln, den 3*5.1971 Ke/Ax

CELANESE CORPORATION 522 Fifth Avenue, New York, N.Y. IOO36 (U.S.A.).

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung "

von Zigarettenfiltern

Ein gutes Tabakrauchfilter, insbesondere ein Zigarettenfilter, muß eine hohe Filterwirkung für Tabakrauchteilchen, d.h. einen hohen Rauchentfernungswirkungsgrad bei annehmbarem Zugwiderstand, d.h. Druckabfall, aufweisen.

Das Filter muß wirtschaftlich im kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden können. Ferner muß es eine solche Festigkeit haben, daß es während des Rauchens nicht zusammenfällt, und es darf den Geschmack und den Geruch des | Tabakrauchs nicht übermäßig nachteilig verändern.

Viele Materialien einschließlich Cellulosefasern und der verschiedensten synthetischen Fasern wurden für die Herstellung von Tabakrauchfiltern vorgeschlagen. Von diesen Materialien haben nur Stränge aus Celluloseacetat-Endlosfäden und in geringerem Maße Papier einen nennenswerten Eingang gefunden. Es wird weiterhin nach neuen Tabakrauchfiltern gesucht, die die vorstehend genannten Voraussetzungen erfüllen und eine verbesserte Filterwirkung und erhöhten Rauchentfernungswirkungsgrad haben»

Gegenstand der Erfindung sind verbesserte Tabakrauchfilter mit hohem Rauchentfernungswirkungsgrad bei angenehmem 109848/1370

Geschmack, guter Festigkeit, annehmbarem Druckabfall und guter Wirtschaftlichkeit ο

Die Erfindung umfaßt ferner verbesserte Zwischenprodukte, die sich für die Herstellung von Filtern mit den oben genannten Eigenschaften eignen.

Die Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung der vorstehend genannten Filter und Zwischenprodukte gerichtet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Abbildung beschrieben.

Fig«t zeigt perspektivisch eine Vorrichtung, die sich sur Umwandlung einer Bahn von synthetischen Fasern in das umhüllte Zwischenprodukt und anschließend in ein Zigarettenfilter eignet»

Fig_o2 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die sich zur Herstellung des umhüllten Zwischenprodukts eignet,,

Fig.3 zeigt als Seitenansicht eine zur Umwandlung des umhüllten Zwischenprodukts in Zigarettenfilter geeignete Vorrichtung ο

Fig.4 zeigt perspektivisch eine Vorrichtung zur Herstellung der bevorzugten Bahn und veranschaulicht außerdem die Umwandlung dieser Bahn in ein Zigarettenfilter_o

Fig.5 zeigt eine Stirnansicht der Strangpressdüse, die einen Teil der in Fig„4 dargestellten Vorrichtung bildet.

Fig.6 ist eine Seitenansicht der in Fig.1, 3 und 4 dargestellten Muster- oder Strukturierwalzen.

Die Filter gemäß der Erfindung bestehen aus einer verdichteten Bahn von synthetischen thermoplastischen Fasern von kleinem Durchmesser, die vorzugsweise keine Cellulosederivate enthalten«. Bei den bevorzugten Ausführungsformen verbindet man die Fasern mit einem filmbildenden Cellulosederivat und/oder versieht die Bahn mit wenigstens einer

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gemusterten oder strukturierten Oberfläche.

Die bevorzugen Zwischenprodukte, die für die Herstellung der Filter gemäß der Erfindung verwendet werden, werden hergestellt, indem man die Fasern an wenigstens einer Oberfläche der Bahn von synthetischen organischen thermoplastischen Fasern mit einer Lösung eines filmbildenden organischen Cellulosederivatsumhüllt und vorzugsweise die Bahn im wesentlichen gleichmäßig mit dieser Lösung imprägniert, das Lösungsmittel aus der Lösung entfernt, wobei wenigstens teilweise ein Film gebildet wird, die Bahn biegt, um den Film zu zerreißen oder im wesentlichen zu Λ

zerstören und eine Vielzahl von an den Fasern haftenden Teilchen des organischen Cellulosederivats zu bilden, einen Weichmacher auf die Bahn aufbringt, um die Teilchen klebrig zu machen, und die Bahn zur Filterform verdichtet, während die Teilchen sich im klebrigen Zustand befinden.

Faserbahnen für die Zwecke der Erfindung können aus den verschiedensten synthetischen organischen Fasern, z.B. Polyolefin-, Polyester-, Polyamid- und Cellulosefasern hergestellt werden. Die Fasern in der Bahn können die Form eines Stranges von Endlosfäden oder einer Stapelfaserlunte haben oder regellos wie beispielsweise in einem Vlies angeordnet sein. I

Die zu beschichtende Bahn hat vorzugsweise einen Gesamttiter von etwa 25000 bis 120000 den, vorzugsweise \on etwa 45000 bis 65000 den, eine Breite von etwa 5 bis 61 cm, für Versandzwecke vorzugsweise von 5 bis etwa 20 cm, und eine Dicke von etwa 0,5 bis 6,4 mm.

Die Einzelfasern, die die Bahn bilden, haben gewöhnlich einen Titer von etwa 0,01 bis 16 den (entsprechend einem Durchmesser von etwa 1 bis 45 u), wobei der untere Wert, z.B. von etwa 0,01 bis 1,0 den (entsprechend etwa 1 bis 12 ü Durchmesser), bevorzugt wird.

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Bei Verwendung eines Stranges von Endlosfäden hat dieser gewöhnlich einen Gesamttiter von etwa 20.000 bis 120.000 den. Er "besteht aus gekräuselten Endlosfäden mit bis zu etwa 1575 Kräuselungen, vorzugsweise etwa 200 bis 590 Kräuselungen pro Meter und Einern Einzeltiter von etwa 0,5 "bis 16 den. Diese Stränge können in einfacher Weise beispielsweise aus Celluloseacetat- oder Polyolefinfäden hergestellt werden.

Das auf die Bahn aufgebrachte Imprägniermittel besteht aus einer Lösung eines filmbildenden organischen Cellulosederivats in einem geeigneten Lösungsmittel» Besonders vorteilhafte filmbildende Materialien sind die Celluloseester und Celluloseäther, z.B. Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetobutyrat, Celluloseacetopropionat, Athylcellulose, Methylcellulose, ITatriumcarboxymethylcellulose, Carboxymethylhydroxyäthylcellulose und Gemische dieser Cellulosederivate. Besonders geeignet ist Celluloseacetat auf Grund seiner Kosten und seiner bisherigen großtechnischen Verwendung.

Das für die Herstellung der Imprägnierlösung verwendete Lösungsmittel ist nicht entscheidend wichtig« Es variiert in einem gewissen Grade in Abhängigkeit von der verwendeten filmbildenden Verbindung. Geeignet sind im allgemeinen organische Lösungsmittel, z.B. Aceton, Methyläthylketon, Methylenchlorid und normalerweise flüssige organische Äther und Ester. Wasser kann ebenfalls als Lösungsmittel bei Cellulosederivaten wie Natriumcarboxymethylcellulose und Celluloseacetaten mit gewissen Acetylwerten und Molekulargewichten verwendet werden.

Die Imprägnierlösung enthält im allgemeinen etwa 3 bis 30fo, vorzugsweise etwa 6 bis 10$ des filmbildenden Derivats, bezogen auf die Gesamtmenge der Lösung. Mengen außerhalb des allgemeinen"Bereichs können verwendet werden, jedoch können sich hierbei Schwierigkeiten beim Auftrag oder bei der Entfernung des Lösungsmittels ergeben. V09848/1.37Q

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bahn 10 von einem Vorrat 12 abgezogen, der in der Abbildung als Rolle dargestellt ist, jedoch können auch andere Ausgangsmaterialien, Z₀B. Ballen verwendet werden« Die Bahn wird der Lösungsauftragvorrichtung 14 zugeführt, wo die Lösung 16 auf wenigstens eine Seite der Bahn aufgetragen wird.

In der Abbildung ist die Auftragvorrichtung 14 als Walzenauftragmaschine dargestellt» Natürlich können auch andere Auftragmaschinen verwendet werden,. Beispielsweise " g kann die Celluloseacetatlösung auch leicht mit Dochtauftragvorrichtungen, Spritzvorrichtungen u.dgl. aufgebracht werden.

Nachdem die Bahn 10 wenigstens an einer Seite mit der Lösung 16 beschichtet und vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig imprägniert worden ist, wird sie einem Trockner 18 zugeführt, wo das Lösungsmittel entfernt und die Bahn getrocknet wird. Der Trockner 18 besteht im allgemeinen aus einer in geeigneter Weise beheizten Kammer mit einem Vakuumanschluß, durch den das verdampfte Lösungsmittel einem (nicht dargestellten) Rückgewinnungssystem zugeführt wird. Der Aufbau des jeweiligen Trockners ist | nicht entscheidend wichtig, so lange die Bahn vom Lösungsmittel im wesentlichen befreit wird.

Nach der Entfernung des Lösungsmittels kann die behandelte Bahn auf einer geeigneten Aufwickelvorrichtung 20 aufgenommen und beispielsweise zu einer Rolle oder zu einem Ballen für die anschließende Verarbeitung oder den Versand oder unmittelbar zu Tabakfiltern verarbeitet werden.

Das Zwischenprodukt oder die behandelte Bahn 10 besteht zu etwa 10 bis 40^, vorzugsweise etwa 20 bis 3Q$ aus dem filmbildenden Cellulosederivat, das eine filmartige Hülle um die Fasern und zwischen wenigstens einem Teil der Fasern bildet. Während der Bildung der Rolle oder des

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Ballens für die Lagerung kann der getrocknete Film in einem gewissen Umfange brechen, wobei er nicht mehr geschlossen ist» Dieses Brechen ist jedoch aus Gründen, auf die nachstehend eingegangen wird, nicht abträglich für die Eigenschaften der Bahn»

Zur Herstellung der Filter wird die Bahn von der Rolle oder vom Ballen 20 oder vom Trockner 18 der Biegevorrichtung 22 zugeführt, die den geschlossenen Film weiter bricht oder teilweise zerstört und die Flexibilität dex* Bahn erhöht, wobei eine Vielzahl von an den Fasern haftenden Teilchen des Cellulosederivate gebildet wird.

Wie bereits erwähnt, hat das Zwischenprodukt gemäß der Erfindung zweckmäßig eine Breite von etwa 5 bis 20 cm, um die Verpackung und den Versand zu erleichtern. Bei Verwendung von Bahnen dieser Breite ist es in dieser Stufe zweckmäßig, die Bahn quer auf eine Breite von etwa 20 bis 61 cm zu bringen, um optimale Filtereigenschaften nach der Verdichtung der Bahn zu einem Tabakrauchfilter zu erzielen. Diese Breitstreckung oder öffnung kann auch nach der Weichmachung der Bahn vorgenommen werden, jedoch wird die vorherige Breitstreckung bevorzugt, um eine optimale Verteilung des Weichmachers zu erzielen»

Die in der Abbildung dargestellte Biegevorrichtung 22 besteht aus mehreren Walzenpaaren, wobei wenigstens eine Walze jedes Paares mit um den Umfang verlaufenden Rillen versehen ist. Eine Biegevorrichtung dieser Art ist für die Zwecke der Erfindung besonders gut geeignet, da sie sowohl die Biegung als auch die Streckung der Bahn auf die gewünschte Breite bewirkt. Diese spezielle Vorrichtung bildet keinen Teil der Erfindung, sondern veranschaulicht lediglich die Tatsache, daß die Biegung und die Breitstreckung der Bahn gleichzeitig stattfinden können»

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Erhebliche Verbesserungen der Filtereigenschaften v/erden festgestellt, wenn die Bahn 10 nach dem Biegen und der wahlweise vorgenommenen Breitstreckung durch den Spalt eines Paares von Muster- oder Strukturierwalzen 24 geführt wird. In der Abbildung bilden die Strukturierwalzen 24 einen Teil der Biegevorrichtung 22, jedoch können im allgemeinen Rahmen der Erfindung die Strukturierwalzen 24 auch eine von der Biegevorrichtung 22 getrennte Vorrichtung bilden.

Die Strukturierv/alzen 24, von denen wenigstens eine Rolle eine gemusterte oder profilierte Oberfläche hat, f

sind so ausgebildet, daß sie eine Vielzahl von bleibend vertieften Bereichen in der Bahn bilden. Die Rollen 24 verlaufen im wesentlichen quer zur Laufrichtung des Stranges und sind auf parallelen Achsen angeordnet. Im allgemeinen ist eine Walze des Paares oberhalb des durchlaufenden Stranges und die zweite Walze gegenüberliegend unter dem Weg des Stranges angeordnet. Die Bahn kann jedoch auch senkrecht geführt werden, wobei jeweils eine Profilwalze an jeder Seite der Bahn angeordnet ist« Die Walzen 24 können nachgiebig in Berührung miteinanaer oder mit leichtem Abstand befestigt werden. Sie müssen jedoch so dicht beieinander liegen, daß wenigstens eine gewisse a bleibende Vertiefung im Strang beim Durchhang zwischen den Walzen gebildet wird. Vorzugsweise haben die Walzen einen Abstand von 0 bis etwa 0,5 mm, wobei ein Abstand von 0 bis etwa 0,25 mm besonders zweckmäßig ist. Der Abstand hängt natürlich von der Dicke des Stranges ab, die vom Gesamttiter und der Breite des Stranges bestimmt wird. Bahnen, die durch Walzen mit dem oben genannten Abstand geführt werden, haben eine Gesamtdicke von etwa 0,1 bis 2,5 mm.

Um die Vorteile der Erfindung zu verwirklichen, können die verschiedensten Muster in die Oberfläche der Bahn eingearbeitet werden. Diene Muster können aus endlonen vertieften Bereichen und/oder endlosen S Legen bestehen.

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Beispielsweise kann ein Waffelmuster, wie es in Fig„2 dargestellt ist, in die Oberfläche der Bahn eingedrückt werden. Bei diesem Muster können entweder die endlosen oder die unterbrochenen Bereiche zusammengepresst v/erden« Das Waffelmuster kann auch so ausgerichtet werden, daß die Ränder des Musters einen Winkel zur Längsachse der Bahn bilden, wobei ein rautenförmiges Muster in die Oberfläche der Bahn eingedrückt wird. Im allgemeinen wurde gefunden, daß im Rahmen der Erfindung vom Standpunkt der größten relativen Verminderung des Druckabfalles Muster zu bevorzugen sind, die aus Rillen bestehen, die im wesentliehen parallel zur Längsachse der Bahn verlaufen= Diese Längsrillen bilden vorzugsweise eine gerade Linie längs der Bahn, d.h. Ziehharmonikafalten", jedoch sind auch sinusförmige oder zickzackförmige Rillen möglich»

Für die Zwecke der Erfindung werden Walzen bevorzugt, die um den Umfang oder schraubenförmig verlaufende Rillen in einer Zahl von etwa 2 bis 31, vorzugsv/eise etwa 8 bis 18 pro cm aufweisen. Die- erhabenen Stege der Walzen haben gewöhnlich eine Breite von etwa 0,76 bis 0,13 mm, vorzugsweise von etwa 0,38 bis 0,2 mm. Die Rillen haben im allgemeinen eine Tiefe von etwa 0,9 bis 0,13 mm, vorzugsweise von etwa 0,05 bis 0,025 mm. Die erhabenen Stege einer gegebenen Walze haben im allgemeinen eine gleichmäßige Breite, jedoch ist dies nicht unbedingt notwendig. Stege, deren Breite von der Mitte des gemusterten Bereichs nach außen allmählich schmaler wird, können sogar die Bildung eines gleichmäßigeren Filters begünstigen» Ebenso kann die Tiefe der Rillen quer über die Bahn unterschiedlich sein.

Die Festigkeit der Filterstäbe kann verbessert werden, wenn rechteckige oder im wesentlichen rechteckige Rillen verwendet werden, da mit solchen Rillen ein Material erhalten wird, das nach dem Zusammenraffen zur Stabform selbsttragende, dreieckförmige, schwierig zusammendrückbare Kanäle aufweist» Der Ausdruck "im wesentlichen recht-

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BADORfGINAL

eckige Rillen" "bezeichnet eine Rille, in der der Winkel von der Vertikalen der Wand O bis 45 » vorzugsweise 0 bis 30 beträgt. Natürlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Rillenformen, z.B. halbkreisförmige, trapezförmige oder dreieckige Rillen verwendet werden«

In gewissen Pällen erwies sich die Verwendung beheizter Strukturierwalzen als vorteilhaft für die Erzielung einer verbesserten Wellung. In diesem Pail haben die beheizten Walzen im allgemeinen eine Temperatur von etwa 25 bis

225⁰C, vorzugsweise von etwa 110 bis 160⁰C. · -

Die Strukturierwalzen 24 haben einen Durchmesser von wenigstens 5 cm, vorzugsweise von etwa 10 bis 20 cm_o Die Breite des profilierten Teils der Walzen hängt natürlich in einem gewissen Maße von der Breite der zu strukturierenden Bahn ab. Im allgemeinen genügt eine profilierte Gesamtbreite von etwa 20 bis 41 cm für die meisten Zwecke»

Nach dem Biegen und dem wahlweise vorgenommenen Ausbreiten in Querrichtung und/oder nach der Strukturierung wird die Bahn 10 einer Weichmacherauftragvorrichtung 26 zugeführt," wo ein Weichmacher, d_oh_e ein solvatisierendes Mittel, auf die Bahn aufgebracht wird, um die Cellulose- ^ teilchen klebrig zu machen. In der Abbildung ist die '

Auftragvorrichtung 26 eine Walzenauftragvorrichtung des in der U.S„A.-Patentschrift 3 387 992 'beschriebenen Typs. Die Auftragvorrichtung 26 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse, einer im Gehäuse unter dem V/eg der Bahn und im wesentlichen quer dazu angeordneten drehbaren Scheibe, einer Vorrichtung zur Förderung eines Weichmachers zur drehbaren Scheibe und einer Vorrichtung zur Rückführung von nicht gebrauchtem Weichmacher. Andere Auftragmaschinen, die sich zur Aufbringung eines Weichmachers auf eine endlose Paserbahn eignen, können ebenfalls für die«en Zweck verwendet werden= Geeignet sind beispie 1:.·weine mit Dochten oder Spritzdüsen arbeitende Auf-

Im allgemeinen wird der Weichmacher in einer Menge von etwa 3 bis 25^, vorzugsweise etwa 6 bis 15^, bezogen auf die Menge des Cellulosederivate, aufgetragen» Triacetin wird normalerweise nach der Weichmachung verwendet, besonders wenn es sich bei dem Cellulosederivat um Cellu-. loseacetat handelt. Jedoch können auch andere organische Lösungsmittel wie Triäthylcitrat, Dimethyläthylphthalat oder die Dimethyläther von Triäthylen- oder Tetraäthylenglykol, verwendet werden. Bei einigen der oben genannten Cellulosederivate kann auch Wasser als Weichmacher verwendet werden.

Nach der Behandlung mit dem Weichmacher wird die Bahn in die Filterformungsvorriehtung 28 eingeführt, wo die Bahn zu Filterstäben gerafft wird, die im allgemeinen einen Durchmesser von e twa 8 mm haben und in Länren von 60 bis 180 mm geschnitten v/erden. Filterstäbe dieser Länne sind erwünscht, da sie leicht zu sechs Filtern von je 10 bis 30 mm Länge zur Anfügung an 'Tabaksäulen geschnitten werden können.

Beispiele 1 bis 6

Spritzgesponnene Bahnen aus Polypropylenfasern wurden im wesentlichen gleichmäßig mit einer Lösung eines Celluloseacetatpolymeren in Aceton imprägniert» Die umhüllten Bahnen wurden dann getrocknet und gebogen, um die filmartige Beschaffenheit des gebildete Celluloseacetat!"ilins zu beseitigen₀ Triacetin wurde als Weichmacher auf die Bahnen aufgebracht, die dann mit 7,9 parallelen, in Längsrichtung verlaufenden, rechteckigen Furchen oder Rillen pro cm strukturiert wurden« Die Bahn wurde dann zu Zigarettenfiltern von 20 mm Länge und 24,0 mm Umfang verdichtet. Die Zusammensetzung der Bahnen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Produkts, und die Oberfläche der Bahnen sind nachstehend in Tabelle I genannt.

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	Polypro pylen, !,i»	Tabelle I	des FiI	ters
	70,8	Eigenschaften	Triace- tin, 0Jo	Spezifische ? Oberfläche, m /Ί
Zwischen produkt	67,9	- Cellulose acetat, y'o	3,4	0,50
1	70,6	25,8	3,7	0,53
2	67,1	28,4	2,9	0,40
3	68,8	26,5	3,7	0,54
4	70,8	29,2	3,5	0,41
5	27,7	3,4	0,50
6	25,8

Der Druckabfall von Filtern, die aus dem vorstehend beschriebenen Zwischenprodukt hergestellt worden waren, wurde bestimmt» Die Filter wurden dann an Tabaksäulen von 65 mm Länge angefügt, worauf der Entfernungswirkunrsgrad für Rauch, Nikotin und "Teer" (feinteilige Stoffe insgesamt abzüglich Nikotin und Wasser) bestimmt wurde. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:

	Eignung	Tabelle II	aba kra u ch f i11 er	%	Zusammendrück-
		als T		TiCW5	barkeit
Zwischen	mm WS		NEW2	62,1	31,6
produkt	64	REW	61,0	53,7	nicht geprüft
1	62	66,5	53,2	48,0	dto<,
2	65	59,3	48,6	54,4	38,2
3	60	53,7	55,6	48,3	43,8
4	55	59,6	50,6	62,4	31,6
5	70	56,3	64,0
6	67,3

1) REW = Rauchentfernungswirkunpjsgrad

2) NEV/ -- NikotinentfernungswirkunfiSgrad

3) TEW = Teerentfernungswirkungsgrad

Zur Vergleich sei erwähnt, daß übliche Celluloseacetatfiltrr mit einem Druckabfall von 55 bis 70 mm WS einen Rauch-

von etwa 42 bis 52$, einen Nikotinvon etwa 32 bis 4?f! und einen Teerentfernun^nwirkun^s^rad von etwa 35 bis 45$ haben.

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BADORiGlNAU .

Beispiel 7

Ein Band aus gekräuselten Endlosefäden aus Polypropylen mit etwa 750 Kräuselungen pro m, einem Einzeltiter pro Faden von 0,9 den und einem Gesamttiter von 50500 den wurde im wesentlichen gleichmäßig mit einer lösung imprägniert, die, bezogen auf das Gewicht der Lösung, 6$ Celluloseacetatpolymeres in Aceton enthielt, und getrocknet, wobei ein Zwischenprodukt erhalten wurde, das aus etwa 60$ Polypropylenfäden und 40$ Celluloseacetat bestand» Dieses Material wurde gebogen und mit 7,9 rechteckigen, in Längsrichtung verlaufenden, parallelen Rillen pro cm strukturiert. Dann wurden 10$ Triacetin, bezogen auf das Celluloseacetat, aufgebracht. Das weichgemachte Material wurde dann zu Zigarettenfiltern geformt, die einen guten Rauchentfernungswirkungsgrad, einen guten Druckabfall und gute Festigkeit hatten.

Die vorstehende Beschreibung befaßte sich nur mit der Herstellung von Filtern aus einer imprägnierten Faserbahn, jedoch ist es auch möglich, gute und häufig bessere Filter durch Einarbeitung eines oder mehrerer anderer Filtermaterialien in die Bahn vor der Strukturierung herzustellen. Beispiele solcher Materialien sind Kohle, Kieselgel oder andere großoberflächige Absorptionsmittel, körnige Polyurethane, Celluloseacetatflocken, Holzzellstoff, Flock, flüssige Zusätze und andere Adsorptionsmittel für Gase oder selektive Absorptionsmittel für Gas. Im allgemeinen können diese Materialien in einer Menge bis etwa 20%, bezogen auf das Gewicht des Filters, verwendet werden, wobei eine N'enge von etwa 5 bis \0% bevorzugt wird. Natürlich kann man eine Vielzahl von Fadenmaterialien und Stränge, die die gleichen oder verschiedene Fadenmaterialien enthalten, zu geeigneten Filtern der hier beschriebenen Art kombinieren.

Bevorzugt als Faserbahn für die Zwecke der Erfindung wird eine spritzgesponnene Bahn, die eine Oberfläche von etwa 0,1 bis ?,0 m /g, vorzugsweise von etwa 0,^ bis 1/i m'/g

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hat und aus einer regellosen vernetzten Masse von Fasern besteht, die aus einem Nichtcellulose-Polymeren, vorzugsweise einem Polyolefin wie Polypropylen oder Polyäthylen "bestehen«. Im Idealfall "bestehen die Fasern oder Fäden aus einem Polyolefin, das eine Grenzviskosität (Intrinsic Viscosity) von etwa 0,4 "bis 1,25, vorzugsweise von etwa 0,6 bis 0,75 hat.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung dieser Produkte wird ein faserbildendes, thermoplastisches Polymeres, vorzugsweise ein Polyolefin, einem Schmelzextruder 11 von üblicher Bauart zugeführt, in dem das Polymere zum | geschmolzenen Zustand erhitzt und durch die Strangpressdüse 13 ausgepresst wird« Die Spinntemperaturen können oberhalb des Schmelzpunkts des Polymeren liegen, jedoch wurde gefunden, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn das Polymere auf eine Temperatur erhitzt wird, die um wenigstens 150 C, vorzugsweise um etwa 250 bis 350 C über dem Erweichungspunkt des zu spinnenden Polymeren liegt» Beispielsweise wird Polypropylen mit den nachstehend genannten Eigenschaften im allgemeinen auf Temperaturen von etwa 325 bis 400⁰O erhitzt. Polyäthylen andererseits wird auf etwa 350 bis 45O⁰C erhitzt.

Die dargestellte Spinndüse oder Strangpressdüse hat eine ^ mittlere Polymeraustrittsdüse 15, die gewöhnlich einen Durchmesser von etwa 0,254 bis 2,54 mm, vorzugsweise von etwa 0,38 bis 0,76 mm hat. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Polymere im allgemeinen in einer Menge von etwa 0,45 bis 13,6 kg/Stunde, zweckmäßig in einer Menge von 0,9 bis 6,8 kg/Stunde ausgepresst.

Kreisförmig um die Polymeraustrittsdüse 15 sind mehrere Gasdüsen 17 angeordnet, die ein die Fäden reckendes Gas ausströmen und einen Durchmesser von etwa 0,254 bis 6,4 mm, vorzugsweise von etwa 1,5 bis 3 mm haben. Die Reckgasdüsen 17 sind 30 angeordnet, daß wenigstens ein Teil des den Faden reckenden Gases auf das Polymere in einem Winkel

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von vorzugsweise etwa 45 bis 5° zur Achse der Polymerspinndüse auftrifft und es von der Spinndüse hinwegschleudert „ Natürlich können Düsen mit einer oder mehreren Polymerspinnöffnungen und/oder einer oder mehreren Gasaustrittsöffnungen verwendet werden. Eerner ist es möglich, mehrere Düsen für jede Ablagevorrichtung zu verwenden. Die Düsen 17 für das reckende Gas sind mit rundem Querschnitt dargestellt, jedoch sind auch andere Querschnittsformen möglich. Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn etwa 10 bis 15 kg reckendes Gas pro kg des gesponnenen Polymeren verwendet werden.

Das aus der Spinndüse 15 austretende geschmolzene Polymere wird durch das aus den Düsen 16 austretende Gas zu einer Aufnahmevorrichtung 19 geschleudert, die in der Abbildung als rotierende Trommel dargestellt ist. Katürlich können auch andere Arten von Ablaaevorrichtunsen, z.B. endlose Bänder, für diesen Zv/eck verwendet werden. Die Aufnahmevorrichtung wird gewöhnlich mit einer Geschwindigkeit gedreht, die genügt, um eine Fläche zu bilden, die sich mit etwa 7,6 bis 38 m/Minute bewegt. Die Geschwindigkeit kann jedoch auch in Abhängigkeit von der Menge des auf die Aufnahmevorrichtung auftreffenden Materials etwas variieren.

Die Kraft, die das reckende Gas auf den Polymerstrom ausübt, bewirkt eine starke Querschnittsabnahme des Polymeren, z.B. auf 1/10 bis 1/500, bezogen auf die Durchmesserverhältnisse, und möglicherweise eine Fibrillierung bis zu einem solchen Grad, daß ein im wesentlichen endloser Faden gebildet wird. Turbulenz und dadurch ein Uraherwirbeln des fadenförmigen Polymeren findet statt. Dies hat zur Folge, daß eine allgemein regellose, dreidimensionale vernetzte Bahn von Fasern bzw. Fäden gebildet wird, wenn das Material auf die Aufnahmevorrichtung auf trifft,, Da das Polymere beim Auftreffen auf die Aufnahmevorrichtung sich noch in einem leicht geschmolzenen oder klebrigen

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Zustand befindet, findet eine gewisse Verklebung an den Kreuzungspunkten der Fasern bzw„ Fäden statt. Der Einfachheit halber wird diese Verklebuno als Verklebung vor: Faser zu Paser bezeichnet,' obwohl diese Verklebung imallgemeinen natürlich die Folge der Tatsache ist, dai ein einzelner F.-Kien in Schleifen urnhergeschleudert wird und mit sich selbst verklebte

Zur Erzielung bester Ergebnisse sollte die Oberfläche der Ablagevorrichtung 19 einen Abstand von etwa 15 bis 122 cc, vorzugsweise 25 bis 76 cm von der Polymerspinnoffnunr 15 haben. Bei größeren Abständen ist das Spritzbild schwie- f rig zu regulieren, und die erhaltene Bahn wird ungleichmäßig. Mit kürzeren Abständen wird eine Eahn erhalten, die "Schrot", d.h. Kürelchen von nicht ausgezogenem PoIymerem erhalten, wodurch die anschließende Verarbeitung und Gleichmäßigkeit der Eahn nachteilig beeinflußt wird.

Wenn die Ablagefläche 19 eine zylindrische Trommel ist, wie in der Abbildung dargestellt, sollte der Polymerstrcn die Polymerdüse 15 zweckmäßig auf einer Linie verlassen, die durch den Bereich der Trommel, der der Düse arn nächsten liegt, und durch die Achse der Trcr^mel verläuft, wenn ein regelloses Vlies oder Wirrvlies gewünscht wird_D

Bei Beachtung der hier beschriebenen Bedingungen wird auf der Ablagefläche ein Spritzbild von etwa 7,6 bis 51 cm Durchmesser und eine Eahn von ungefähr der gleichen Breite gebildete Der Aufnahneteil 19 sollte natürlich eine solche Breite und einen solchen Durchmesser haben, daß eine Ablagefläche gebildet wird, die wenigstens diese Größe hat und vorzugsweise größer ist,

D'"e Bahn 10, die eine etwas flockige Beschaffenheit hat, ' ird v/ahlweise vom Aufnahmeteil 19 durch Kalandrierwalzen 23 abgezogen, die die Bahn unter einem solchen Druck zunfjr:::aen{.rc:;.jf;n, daß ein flpohcs-Fliichongobilde erhalten wird. Der angewandte Druck darf ,"jedoen nicht so hoch

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sein, daß die Bahn filmartig und hierdurch ihre Luftdurchlässigkeit verringert wird,, Um dies während des Zusammenpressens zu verhindern, wird im allgemeinen mit Drücken von nicht mehr als 357 kg/cm gearbeitete Da die Kalandrierstufe wahlweise eingefügt wird und in erster Linie dazu dient, eine Bahn zu bilden, die sich in den anschließenden Stufen besser verarbeiten läßt, ist dem angewandten Druck keine untere Grenze gesetzte Wenn jedoch eine Kalandrierung gewünscht wird, wird normalerweise mit einem Druck von etwa 45 bis 134 kg/cm gearbeitete Die Kalanderwalzen 23 können starr befestigte oder schwenkbare oder abgefederte Walzen mit aufgelegten Gewichten sein. Verschiedene übliche Typen sind verfügbar.

Die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellte Bahn kann mit einem Cellulosematerial beschichtet und zu Zigarettenfiltern verarbeitet werden«, Außerdem wurde gefunden, daß Bahnen dieser speziellen Art zu sehr guten Zigarettenfiltern verarbeitet werden können, indem die Bahn lediglich durch die Strukturierwalzen 24 geführt wird, bevor sie zu Zigarettenfiltern gerafft und verdichtet wird. Die folgenden Beispiele beschreiben die Herstellung von Zigarettenfiltern nach diesem Verfahren.

Beispiel 8

Polypropylen mit einem Schmelzindex von 7 und einer Grenzviskosität von 2,2 wurde bei einer Temperatur von 400 C unter einem Druck von 23 atü durch eine Düse, die einen Durchmesser von 0,41 mm hatte, stranggepresst,, Auf eine Temperatur von 485°C erhitzter Wasserdampf wurde aus vier Düsen, die einen Durchmesser von je 1,6 mm hatten, unter einem Druck von 1,4 atü in einem Auftreffwinkel von 12 auf den ausgepressten Polymerstrom gerichtet, wobei ein im wesentlichen endloser verdünnter Faden gebildet wurde_o Der Faden wurde auf einer rotierenden zylindrischen Oberfläche aufgenommen, wobei eine Bahn gebildet wurde, die aus einer regellosen, räumlich verfilzten Masse von FoIy-

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propylenfäden bestand, die eine Grenzviskosität von 0,64 und einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 12 u hatten.

Teile der Bahn wurden strukturiert und zu Zigarettenfiltern geformt, die eine Länge von 20 mm und einen Umfang von 24,8 mm hatten. Die Filter wurden an 65 mm lange Tabaksäulen angesetzt und geprüft. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle genannt.

Tabelle

Versuch
Nr.

REW

ΔΡ

mm WS

Filtergewicht

mg Behandlung der Bahn

53,1 55,4 55,2 55,5

45,6 55,0

56,0 56,5

55,8 59,9 58,4

61,5

55 62 64 71

510 526 510 296

51

41 nicht gemessen

51 dto. 59

49

59

66

79

49,2	46	288
55,7	55	278
55,4	60	298
55,4	70	295

Strukturiert mit bei Raumtemperatur gehaltenen Riffelwalzen mit 4,7 V-förmigen parallelen Rillen pro cm.

Strukturiert mit Walzen, die auf 14O°C erhitzt und mit 3,9 rechteckigen, parallelen Längsrillen pro cm versehen waren.

Strukturiert mit auf 14O°C erhitzten Walzen mit 3,9 rechteckig geformten, parallelen Längsrillen pro cm. Die Bahn wurde vor der Strukturierung mit Aktivkohle "bestäubt".

Strukturiert mit Walzen, die auf 14O°C erhitzt und mit 3,9 rechteckig geformten parallelen Längsrillen pro cm versehen waren. Die Bahn wurde vor der Strukturierung mit Kieselgel "bestäubt".

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Beispiel 9

Polypropylen, das einen Schmelzindex von 7 und eine Grenzviskosität von 2,2 hatte, wurde bei 400⁰C unter einem Druck von 28 atü durch eine Düse, die einen Durchmesser von 0,51 mm hatte, stranggepresst„ Auf 483⁰C erhitzter Wasserdampf wurde aus vier Düsen, die einen Durchmesser von je 1,6 mm hatten, unter einem Druck von 1,4 atü auf den ausgepressten Polymerstrom mit einem Auftreffwinkel von 12 gerichtet, wobei ein im wesentlichen endloser verdünnter Faden gebildet wurde. Der Faden wurde auf einer rotierenden zylindrischen Oberfläche aufgenommen, wobei eine Bahn gebildet wurde, die aus einer regellosen, räumlich verfilzten Masse von Polypropylenfäden bestand_} .die eine Grenzviskosität von 0,56 und einen Durchmesser hatten, der im Bereich von 1 bis 5 JU schwankte.

Teile der Bahn wurden strukturiert und zu Zigarettenfiltem geformt, die eine Länge von 20mm und einen Umfang von 24,8 mm hatten. Die Filter wurden an Tabaksäulen von 65 mm Länge angefügt und geprüft. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle genannt.

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Tabelle 9

Ver- REW Ap Filtersuch _c, mm WS gewicht, Behandlung der Bahn

Nr₀ '° mg

1 55,9 37 227 Die Bahn wurde bei 2812 kg/cr/ 65,6 37 242 und 15O⁰C kalandriert und mit 60,6 38 230 Walzen so strukturiert, dass pro 66,8 43 229 cm 3,9 rechteckige, in Längsrichtung ausgerichtete parallele Rillen gebildet wurden.

2 50,8 23 223 wie beim Versuch 1

50,8	23	223
52,1	25	' 232
56,4	27	220
56,6	27	222
59,0	35	183
64,8	40	189
65,3	46	179
68,6	52	169
46,5	20	182
53,4	25	192
53,3	29	177
62,8	35	183
61,2	48	172
68,2	54	175
72,3	62	169

'> 65,1	46	176
. 55,5	50	199
63,8	55	202
65,9	60	198

Die Bahn wurde mit 14
(bezogen auf das Gewicht der Bahn) Aktivkohle "bestäubt" und dann in der gleichen Weise wie beim Versuch 1 behandelt.

wie beim Versuch 3

Die Bahn wurde kalandriert, worauf 7,9 rechteckig geformte parallele Längsrillen pro cm bei 140⁰O eingepresst wurden und die Bahn in einem Ofen
bei 150⁰C heißfixiert wurde.

Die Bahn wurde unter einem Druck von 2812 kg/cm kalandriert, worauf 9,8 V-förmige parallele en pro cm bei 160 0

eingepresst wurden,

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BAD ORIGINAL

Beispiel 10

Polyäthylen, das einen Schmolzindex von 15 und eine Grenzviskosität von 1,0 hatte, wurde bei einer Temperatur der Schmelze von 430 C spritzgesponnen, wobei eine Bahn, die eine Oberfläche von 0,54 m"/g hatte, gebildet wurde. Die Bahn bestand aus einer räumlich verfilzten Masse von PoIyäthylenfasern, deren Durchmesser im Bereich von 4 bis 24 W lag. Die durchschnittliche Grenzviskosität des faserförmigen Polyäthylens betrug 0,62. Diese Bahn wurde zwisehen zwei Strukturierwalzen durchgeführt, die auf 160 C erhitzt und mit 7,9 parallelen, um den Umfang verlaufenden Rillen pro cm versehen waren. Filter von 20 mm Länge und 24,8 mm Umfang wurden aus der Bahn unter Bedingungen geformt, unter denen ein unterschiedlicher Druckabfall eingestellt wurde» Diese Filter wurden an Tabaksäulen angefügt, worauf der Rauchentfernungswirkungsgrad ermittelt wurde. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle genannt.

Tabelle 10

Ver- REW Δ ρ Filtersuch gf' ,._G gewicht, Behandlung der Bahn Mr. ^{/a mm Wb} mg -

1 51,6 33 158 Die Bahn wurde mit 7,9 paralle-52,5 38 169 len, rechteckigen Längsrillen

56.0 41 158 pro cm unter Verwendung von

58.1 44 159 Rollen, die auf 160⁰C erhitzt

waren, strukturiert„■

2 59,7 50 175 Wie bei Versuch 1 59,4 53 174 *

60,9 56 170
63,4 61 166

Beispiel 11

Polypropylen, das einen Schmelzindex von 30 und eine Grenzviskosität von 1,8 hatte, wurde zu einer Bahn, die eine Oberfläche von 1,52 m /g hatte, spritzgesponnen. Die Fasern hatten eine Grenzviskosität von 0,58. Der Gesanittiter der Bahn betrug 9O₀OOO. Diese Bahn, die eine Breite 109848/1370

BAD ORIGINAL'

von 28 cm hatte, wurde strukturiert, indem sie zwischen zwei bei Raumtemperatur gehaltenen Walzen durchgeführt wurde, die mit 9,8 um den Umfang verlaufenden Rillen pro cm versehen waren. Im Spalt der Walzen wurde ein Druck von 2,46 atü auf die Bahn ausgeübt» Die Bahn wurde zu Zigarettenfiltern geformt, die eine Länge von 20 mm und einen Umfang von 24»8 mm hatten» Filter mit einem Druckabfall von 64 mm WS und 75 mm WS wurden an Tabaksäulen von 65 nim Länge angefügt« Der durchschnittliche Rauchentfernungswirkungsgrad betrug 66,2$ bei den Filtern mit einem Druckabfall von 64 mm WS und 73,4$ bei den Filtern - j mit einem Druckabfall von 75 mm WS. Im Vergleich hierzu haben übliche Celluloseacetatfilter mit einem Druckabfall von 55 bis 70 mm WS einen Rauchentfernungswirkungsgrad im Bereich von 42 bis 52$.

Beispiel 12

Ein Polypropylen, das einen Schmelzindex von 30 und eine Grenzviskosität von 1,8 hatte, wurde unter solchen Bedingungen spritzgesponnen, daß eine Bahn mit einem Gesarairtiter von 72000 den und einer Oberfläche von 1,2 m /g und einer Breite von 28 cm gebildet wurde. Die Einzelfäden hatten eine Grenzviskosität von 0,54» Diese Bahn wurde durch den Spalt von zwei bei Umgebungstemperatur |

gehaltenen Walzen, die mit 9,8 reckeckigen, parallelen, um den Umfang verlaufenden Rillen versehen waren, unter einem Druck von 2,45 atü geführt und zu Filtern von 20 mm Länge und 24,8 mm Umfang geformt, die einen Druckabfall von 45, 54 und 65 mm WS hatten. Diese Filter wurden at. Tabaksäulen von 65 mm Länge angefügt und geprüft. Der Rauchentfernungswirkungsgrad betrug im Durchschnitt 50,0$ bei den Filtern mit einem Druckabfall von 44 mm V/3, 56,3$ bei den Filtern mit einem Druckabfall von 54 mm WS und 65,0$ bei den Filtern mit einem Druckabfall von 65 mm WS.

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Beispiel 13

Ein Geraisch von Polyäthylen mit einem Schmelzindex von 15 und Polypropylen mit einem Sehraelzindex von 60 im Verhältnis von 1:1 wurde bei 410 C spritzgesponnen, wobei eine Bahn mit einer Oberfläche von 0,39 m /g gebildet wurde. Biese Bahn bestand aus Pasern, deren Durchmesser • im Bereich von 3 bis 25 M variierte. Die durchschnittliche Grenzviskosität der Fasern betrug 0,55« Die Bahn wurde strukturiert und zu Zigarettenfiltern geformt, die gute Rauchentfernungswirkungsgrade bei annehmbarem Druck-A abfall zeigten»

In den vorstehenden Beispielen wurde der Zusatz von Aktivkohle und Kieselgel zu der spritzgesponnenen Bahn während der Pilterherstellung beschriebene Andere Zusatzstoffe, z.B. großoberflächige Absorptionsmittel, körniges Polyurethan, Celluloseacetatflocken, Holzzellstoff, Plock, flüssige Zusätze und andere Adsorptionsmittel für Gase oder selektive Absorptionsmittel können ebenfalls vorteilhaft verwendet werden» Im allgemeinen können bis zu etwa 20^3 dieser Materialien, bezogen auf das Gewicht des endgültigen Filters, verwendet werden, wobei eine Menge von etwa 5 bis 10$ bevorzugt' wird.

In der oben beschriebenen V/eise hergestellte Pilter können als einziges Filtermittel an Zigaretten oder als Teil eines Doppelfilters oder aus mehreren Abschnitten bestehenden Filters verwendet werden. Im letzteren Fall sind die Filter gemäß der Erfindung geeignet, wenn sie in Kombination mit Papierfiltern oder Filterabschnitten aus Celluloseacetat verwendet werden. Es ist ferner möglich, Filter zu bilden, indem die Bahn mit anderen Fassrstoffbahnen der Länge nach kombiniert, d.h. übereinander gelegt wird.

Die hier beschriebene Strukturierung ist nicht auf die Strukturierung der in der oben beschriebenen Weise hergestellten spritzgesponnenen Bahnen beschränkt, obwohl

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IS

mit diesem speziellen Material überlegene Ergebnisse erzielt worden sind. Auch andere spritzgespornene Bahnen, z.B_e die in der U.S.A₀-Patentschrift 3 444 863 beschriebenen, zeigen ebenfalls verbesserte Filterwirkunsen, wenn sie in der hier beschriebenen V/eise strukturiert werden»

Die eriindungsgemäßen Faserbahnen eignen sich nicht nur für die Herstellung von Zigarettenfiltern, sondern können auch in Filtern für Klimaanlagen, industriellen Gasfiltern Uodgl. verwendet werden,,

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Claims (12)

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung von Zigarettenfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bahn aus synthetischen thermoplastischen Pasern an mindestens einer Oberfläche mit der Lösung eines filmbildenden organischen Cellulosederivate in einer Menge, die etwa 10 bis 40 Gew.^ Cellulosederivat bezogen auf die Paserbahn entspricht, imprägniert, das Losungsmittel von der behandelten Bahn entfernt und gegebenenfalls anschließend einen Weichmacher auf die Bahn aufbringt und diese zur Filterform verdichtet, während die auf den Pasern haftenden Teile des Cellulosederivatfilmes sich im klebrigen Zustand befinden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bahn mit einem Gesamttiter von etwa 25000 bis 120000 den und einem Titer des Einzelfadens von etwa 0.1 bis Io verwendet.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bahn mit einer Oberfläche von etwa 0,1 bis 2 m /g verwendet.

4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bahn verwendet, deren Pasern eine Intrinsic Viscosity von etwa 0,4 bis 1,25 haben.

5.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bahn aus einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen gekräuselten Endlosfäden verwendet.

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6.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß man die Bahn mit einer Lösung, die etwa 5 bis ~$0 Gew.fo Cellulosederivat in einem geeigneten Lösungsmittel enthält, imprägniert.

7.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man etwa 3 bis 25 Gew.% Weichmacher, bezogen auf das Cellulosederivat, aufbringt.

8.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bahn mit einer Vielzahl paralleler Rillen ™ entlang der Längsachse der Bahn verwendet.

9.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man eine nichtgewebte Bahn in Form eines Wirrvlieses verwendet.

10.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß man die Bahn vor dem Aufbringen des Weichmachers breit-~ streckt.

11.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet im wesentlichen durch Mittel zum f Auftragen der Lösung des filmbildenden Cellulosederivate auf mindestens eine Oberfläche der Faserbahn, zum Biegen der imprägnierten Bahn, zum Auftragen eines Weichmachers auf wiederum mindestens eine Oberfläche der Bahn und zum Umformen der vorbehandelten Bahn in einen im wesentlichen zylindrischen Filterstab.

12.) Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zum Einpressen von Strukturen, vorzugsweise Längsrillen, in mindestens eine der Oberflächen der Faserbahn.

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13·) Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Mittel zum Breitstrecken der imprägnierten Paserbahn.

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