DE2416876A1

DE2416876A1 - Glimmstoff zum herstellen von tabakersatz

Info

Publication number: DE2416876A1
Application number: DE2416876A
Authority: DE
Inventors: Dennis Boyd; George Porter
Original assignee: Gallaher Ltd
Current assignee: Gallaher Ltd
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-06
Publication date: 1974-10-17
Also published as: NO741228L; SE413067B; FR2224099A1; NL7404857A; LU69805A1; BE813500A; NO143860B; NO143860C; FR2224099B1

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland Dn.-lng. Π. König · Dipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte · 4000 Düsaeldorf 3D · Cecilienallee 7s ■ Telefon 432732

5. April 1974

Gallaher Limited, 138 York Street, Belfast, Nord-Irland

"Glimmstoff zum Herstellen von Tabakersatz"

Die Erfindung betrifft einen Glimmstoff zum Herstellen von Tabakersatz.

Es wurde festgestellt, daß das mit dem Zigarettenrauchen verbundene Gesundheitsrisiko auf der Vielzahl und Beschaffenheit der im Rauch enthaltenen Verbrennungsprodukte beruht. Viele dieser Produkte lassen sich nur
sehr schwer oder überhaupt nicht abtrennen und sind in so kleinen Mengen vorhanden, daß ihre pharmakologische Aktivität nicht richtig bestimmt werden kann. In der
Vergangenheit wurden zahlreiche Versuche zur Beeinflussung des inhalierten Rauchs unternommen, und zwar entweder durch Ersetzen des Naturtabaks durch einen Ersatzstoff oder durch Verwenden von Filtereinsätzen, durch
die der Rauch gezogen wird.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Schaffung eines synthetischen Tabakersatzes, der sich besser als bekannte Produkte zum Rauchen eignet.

Erfindungsgemäß wird hierfür ein Glimmstoff vorgeschlagen, der aus einem faserigen, kohlenstoffhaltigen, flexiblen und zusammenhängenden Material mit natürlichem Tabak entsprechenden mechanischen Eigenschaften besteht, dessen Fasern einen Durchmesser zwischen 5 und 100 am aufweisen. Ein hieraus hergestellter Tabakersatz mit einer Grundmasse aus dem genannten Glimmstoff zeichnet sich dadurch aus, daß der Glimmstoff mit einem oder mehreren flüchtigen, festen oder flüssigen Bestandteilen imprägniert ist, die weitgehend ohne chemische .Änderung zu Rauch verschwelen oder sublimieren und bei einem Verglimmen des Brennstoffs den einzuatmenden Rauch bilden.

Hierbei wird ein einfacher Glimmstoff verwendet, der in atmosphärischer Luft verglimmt und dabei vorzugsweise bekannte einfache Verbrennungsprodukte mit überschaubarer toxischer Wirkung ergibt. Der zweckmäßigste Glimmstoff ist Kohlenstoff, der zu gasförmigen Oxyden verbrennt, die einen bekannten chemischen Aufbau besitzen und keine unbekannten Gesundheitsrisiken mit sich bringen. Jedoch ist die Verwendung von Kohlenstoff in Form von Holzkohle unbefriedigend, da sich Holzkohle nicht auf herkömmlichen Zigarettenmaschinen und anderen Tabakbehandlungsanlagen verarbeiten läßt.

Die Fasernatur des kohlenstoffhaltigen Glimmstoffs, dessen Fasern vorzugsweise einen Durchmesser unter 50/um

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besitzen, bestimmt die Flexibilität und die Festigkeit sowie Fähigkeit, ohne Bindemittel zusammenzuhalten. Die Fasern können eine natürliche oder künstliche Kräuselung besitzen oder miteinander verschlungen sein, um den Zusammenhalt zu verbessern. Ein Tabakersatz mit einer Grundmasse aus diesem Glimmstoff kann auf Zigarettenmaschinen leicht zu Zigaretten mit einem annehmbaren Druckabfall beim Rauchen verarbeitet werden.

Beispielsweise wurde festgestellt, daß Glimmstoffe aus oder mit groben Fasern wie pyrolysierte Kokosfaser oder Sisal mit einem Faserdurchmesser bis zu 300^m spröde und nicht flexibel sind sowie schlecht zusammenhängen. Während der Verarbeitung brachen viele Fasern und bildete sich Staub.

Feine Fasern, wie pyrolysierte Baumwolle oder Chinagras mit einem Durchmesser von 5 bis 20^/m sind flexibel, hängen zusammen und lassen sich ohne wesentlichen Bruch zu Zigaretten verarbeiten.

Ein geeigneter faseriger Glimmstoff muß eine bestimmte Härte und einen hinreichenden Druckabfall beim Rauchen aufweisen. Die Härte der Zigarette wird durch JNfiederpressen der Oberfläche unter einem gegebenen mechanischen Druck gemessen; sie läßt sich durch Vergrößern der Pakkungsdichte erhöhen. Allerdings wird hierdurch auch der Druckabfall beim Rauchen vergrößert. Die Verwendung von Fasern mit natürlicher oder künstlicher Kräuselung führt bei gegebenem Druckabfall zu einer größeren Härte im Vergleich zu einer entsprechenden, nicht gekräuselten Faser. Baumwolle besitzt beispielsweise eine natürliche Kräuselung.

Im Rahmen von Versuchen wurden feine Fasern mit einem Durchmesser von 5 "bis 20 ,_£< m und ausreichender Flexibilität bei unterschiedlicher Dichte zu Zigaretten so verarbeitet, daß die einzelnen Fasern erhalten blieben. Bei hoher Packungsdichte ergab sich eine annehmbare Härte, jedoch ein zu hoher Druckabfall. Demgegenüber ergaben sich bei niedriger Packungsdichte ein annehmbarer Druckabfall, jedoch eine unzureichende Härte. Es wurde festgestellt, daß diese Schwierigkeit überwunden werden kann, wenn die Fasern des Brennstoffs zu Büscheln zusammengeballt sind. Die einzelnen Fasern bewirken eine Bindung zwischen benachbarten Büscheln, während sich die notwendige Durchlässigkeit aus den Abständen zwischen den Büscheln ergibt. Als Büschel eignen sich auch Seilstücke, Garn, Werg oder ein verdrillter Faserstrang, entweder gerade oder gekräuselt, ferner "Vlies oder zerschnitzeltes Gewebe.

So wurden beispielsweise pyrolysierte Hanffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 50^m zu verdrilltem Garn mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm verarbeitet. Beim Herstellen von Zigaretten erweist sich der faserige Brennstoff als flexibel und nicht brüchig_o Ferner ergeben sich ein annehmbarer Druck beim Rauchen und eine akz-ektable Härte.

Die Fasern weisen vorzugsweise eine Länge von 1 mm bis 5 cm auf, während die Büschel einen Durchmesser von 0,1 bis 5 mm und eine Länge von 5 mm bis 5 cm besitzen sollten.

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Um die Härte ohne Gefahr einer starken Änderung des Druckabfalls heraufzubeschwören oder umgekehrt, können die Fasern oder Agglomerate in Rauchrichtung ausgerichtet sein.

Das Zusammenballen der Fasern zu Büscheln ist nicht für alle Fasertypen geeignet. Beispielsweise ergeben ungekräuselte Viskosefasern mit einem Durchmesser von 15 bis 30/^m oder gekräuselte Viskosefasern mit einem Durchmesser von 10 bis Λ5/*τά ohne Zusammenballung bei zufriedenstellender Härte einen geeigneten Druckabfall, Es ist anzunehmen, daß dies auf dem relativ großen Elastizitätsmodul der Viskosefasern beruht. Dennoch ist eine Zusammenballung von Viskosefasern wünschenswert, wenn der Durchmesser der ungekräuselten oder gekräuselten Fasern unter 15/*m bzw. 10^m liegt und die Gefahr eines zu hohen Druckabfalls nicht besteht.

Vorzugsweise besteht der Glimmstoff mindestens teilweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material, das das Produkt einer gesteuerten Pyrolyse eines polymeren organischen Materials ist und aus zumindest 80%, vorzugsweise zumindest 90% Kohlenstoff besteht. Das organische Material ist vorzugsweise ein Polymer mit einem Kohlenstoffskelett und enthält nur Kohlenstoff und Wasserstoff und gegebenenfalls Sauerstoff. Die gesteuerte Pyrolyse ändert im allgemeinen chemisch das Ausgangsmaterial, und es entstehen hauptsächlich lose verbundene Kohlenstoffketten ohne einen bedeutenden Anteil an Seitengruppen mit Sauerstoff oder Wasserstoff. Ein derartiger Glimmstoff ergibt hauptsächlich Oxyde des Kohlenstoffs und Wasser. Während der Pyrolyse unterliegt das organische

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Material einer Gewichtsabnahme, jedoch bleibt seine Gestalt, abgesehen von einem einfachen Schrumpfen weitgehend unverändert. Das Ausgangsmaterial sollte deshalb ebenfalls aus flexiblen Fasern bestehen.

Es ist bekannt, daß bei pyrolysierten organischen Materialien umso weniger flüchtige Stoffe und Abbauprodukte während der "Verbrennung entstehen, je höher die Temperatur ist. Beispielsweise läßt sich ein geeigneter Glimmstoff durch gesteuerte Pyrolyse von Wolle in einer inerten Atmosphäre herstellen. Beim Verglimmen unter konstanten Saugbedingungen in einer pfeifenähnlichen Vorrichtung wurde die Rauchzusammensetzung bestimmt. Die folgende Tabelle zeigt die Zusammensetzung dieses Rauches je einer bei 700 und 900⁰C pyrolysierten Wolle und eines wärmegetrockneten Tabaks.

	N₂ W	°2 W	co₂ *(%)*	CO W	Methan (%)	Andere flüchti Stoffe (%)
Wolle pyroly- siert bei 700⁰C	67	2	16	13	0,3	0,1
Wolle pyroly- siert bei 900⁰C	74	1	22	3	4.0,01	0,02
Wärmegetrockne ter Tabak	63	5	20	5	3	4

Die Hauptkomponenten des Rauches sind Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenoxyde,

Des weiteren eignen sich als faserige Ausgangsmaterialien für die Pyrolyse sehr reine Materialien auf Zellulosebasis, wie Baumwolle, Baumwollinters, "beispielsweise nach einem Ausformen zu einer Bahn und einem Zerkleinern, ferner Bastfaser, Chinagras, Zelluloseazetat oder regenerierte Zellulose wie Viskose und Kupferkunstseide. Ferner sind auch karbonisierte organische Polymere geeignet, wie "beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen und Polyvinylalkohol .

Der Glimmstoff muß geeignete Glimmeigenschaften besitzen, die die Glimmgeschwindigkeit und die Zündtemperatur bestimmen. Diese ändern sich nicht nur bei veränderten Pyrolysebedingungen , sondern auch mit der Packungsdichte der Fasern und können bei einem gegebenen Material auch durch Zusatz eines das Glimmen fördernden oder hemmenden Stoffes geändert werden. Der Glimmstoff sollte eine Zündtemperatur von höchstens 800⁰C aufweisen.

Beispielsweise wurde festgestellt, daß bei 900⁰C pyrolysierter Baumwollinters eine Zündtemperatur in Luft von 625°C aufweist. Die Zündtemperatur ergibt sich als Hauptspitze der differentiellen Gewichtsverlustkurve bei niedriger Erwärmungsgeschwindigkeit. Nach einem Verdichten zu einer zigarettenähnlichen Form ergibt sich kein zufriedenstellendes Verglimmen. Wenn jedoch das Material bei 500⁰C pyrolysiert wird, liegt die Zündtemperatur bei nur 510°C und ergibt sich ein annehmbares Verglimmen.

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Um aus dem Glimmstoff Tabakersatz herzustellen, muß er mit flüchtigen Feststoffen oder Flüssigkeiten gemischt oder in anderer Weise imprägniert werden, die den Geschmack des Rauchers ansprechen. Diese Zusätze sollten bei der Glimmtempaatur stabil sein, d.h. sie sollten sich ohne Zersetzung oder chemische Veränderung verflüchtigen. Beim Rauchen tritt eine Verflüchtigung oder Sublimierung stromabwärts von der Brennzone auf, da die Zusätze durch Wärmeleitung und -strahlung von der Brennzone sowie durch den Kontakt mit den heißen Verbrennungsprodukt en erwärmt werden. Auf diese Weise sind die flüchtigen Zusätze tatsächlich nur Temperaturen ausgesetzt, die unter der Glimmtemperatur liegen.

Die flüchtigen Bestandteile können pharmakologisch oder physiologisch aktive Stoffe enthalten, um dem Raucher beispielsweise den Geschmack natürlichen Tabaks zu geben.. Beispiele hierfür sind Nikotin, Koffein oder andere phar_T makologisch aktive Alkaloide. Sie können als Salz vorliegen, das leicht anwendbar ist und die wirksamen Stoffe beim Rauchen leicht freisetzt. Die flüchtigen Zusätze können ferner auch einen Rauch entwickelnden Stoff enthalten, der den optischen und körperlichen Eindruck einer natürlichen Rauchentwicklung,beispielsweise durch eine Ärosolbildung, erweckt. Der den Rauch entwickelnde Stoff muß ebenfalls toxikologisch verträglich sein wie Alkane mit 8 bis 32 Kohlenstoffatomen, hochsiedende alicyklische Stoffe wie Dekalin, hochsiedende Äther wie Di-Isoamyläther, Polyalkohole wie Propylenglycol, Glyzerin und 1,3 Butylen-Glycol, oder Glyzerin-Äther wie Glyzerintriacetat.

Ferner können die flüchtigen Zusätze auch Aschebildner und Geschmacksstoffe enthalten, die dem Rauch ein Aroma geben. Beispiele für Geschmacksstoffe sind Formiate, Azetate, Propionate und Butyrate des Terpinols oder aLicykllsohen Alkoholen mit hohem Molekulargewicht, ferner Ketone, Menthol, Vanillin oder geeignete Naturtabakextrakte .

Im Falle einer Zigarette ist normalerweise eine Umhüllung erforderlich. Da es wichtiger ist, daß die Rauchzusammensetzung voll überschaubar ist, müssen Rauchbestandteile aus unkontrollierter Verbrennung von Zelluloseprodukten so weit wie möglich vermieden werden. Die Umhüllung kann daher entweder unbrennbar sein, jedoch ausreichend empfindlich, um wie normales Papier abzublättern und beispielsweise aue einem anorganischen Film bestehen, oder sie kann aus einer nicht porösen Kohlenstoffmatte oder einem Papier bestehen dessen Verbrennungsprodukte nicht in den Rauchstrom gelangen, beispielsweise infolge Beschichtens der der Füllung zugekehrten Oberfläche mit einem anschwellenden Film.

Die Erfindung ermöglicht somit das Herstellen einer idealen Zigarette aus einem Kohlenstoff-Glimmstoff als offene Matrix mit flüchtigen Zusätzen ausschließlich bekannter Zusammensetzung und biologischer Aktivität, die unverändert sublimieren und verdampfen sowie gegebenenfalls aus feuerfesten anorganischen Materialien.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Beispiel 1

Ein Tabakersatz wurde aus einem schweren Baumwolltuchgewebe hergestellt, das vor der Pyrolyse in einzelne Stränge zerteilt wurde. Eine Probe von etwa 4 g wurde in einem Metallschiffchen in einem Rohrofen mit einer Temperatur von 500⁰C eingesetzt. Das Rohr wurde mit 1000 ml/min Np beschickt. Nach 15 Minuten wurde die Probe aus dem Ofen genommen, und jedes weitere Verkohlen wurde durch Einsetzen der Probe in ein Becherglas mit festem Kohlendioxyd unterdrückt. Etwa 20% der ursprünglichen Probe waren als Kohlenstoffasern übriggeblieben. Die erkaltete Probe wurde in Stücke mit 10 mm Länge geschnitten. Da die Fasern für eine Zigarette zu schnell verglimmen, wurden sie mit einem Glühhemmer in Form einer Lösung von 0,75% Natrium-Dihydrogen-Phosphat bis zur Sättigung behandelt, und danach in einem Ofen 48 Stunden bei 55°C getrocknet.

Unter Verwendung eines langsam verglimmenden Zigarettenpapiers (Papirosi) und eines 15 mm langen Zelluloseazetat-Filters wurden 0,3 g zu Zigaretten verarbeitet. Die Probezigarette wurde in einer Standard-Rauchmaschine abgeraucht, die 2 Sekunden je Minute 35 ml ansaugte . 5 ml der flüchtigen Phase wurden nach der halben Rauchzeit entnommen und chromatografisch analysiert. Dabei ergab sich, daß die gesamte flüchtige organische Phase nur 4,3% einer ähnlichen Analyse von getrocknetem Tabak ausmachte. Eine Analyse des Seitenstromrauchs erbraiite nur 1% des Wertes eines Seitenstromes einer Zigarette aus getrocknetem Tabak.

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Beispiel 2

Es wurden Zigaretten in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit 5 mg Acetophenon versehen. Außerdem wurden 5 mg reinen Nikotins in 120 ^L Glyzerin im Inneren des Tabakersatzes mit einer Spritze und einer perforierten Nadel verteilt.

Beim Abrauchen ergab das Glyzerin einen Ärosolrauch mit einer optischen Rauchdichte, die mit derjenigen von natürlichem Zigarettenrauch vergleichbar war. Die drei Additive gingen in einen Rauchhauptstrom mit weniger als Λ% Zersetzung über.

Beispiel 5

Es wurden Zigaretten in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit 5 mg Anethol, 15,4 mg Nikotin-Hydrogen-Tartrat (entsprechend 5 mg Nikotin) und 120yul Propan-1,2-Diol versehen.

Beim Abrauchen ergab das Propan-1,2-Diol einen Ärosolrauch mit einer optischen Rauchdichte, die derjenigen natürlicher Zigaretten vergleichbar war. Die drei Additive, nämlich ein Geschmacksstoff, ein Raucherzeuger und Nikotin, gingen in den Rauchhauptstrom mit weniger als 1% Zersetzung über. Der Säureanteil des Salzes wurde decarboxyliert, und der Rest vollständig verbrannt.

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Claims

Gallaher Limited, 138 York Street, Belfast, Nord-Irland

Patentansprüche;

»1y Glimmstoff zum Herstellen von Tabakersatz, gekennzeichnet durch ein faseriges, mindestens teilweise kohlenstoffhaltiges, flexibles und zusammenhängendes Material, dessen Fasern einen Durchmesser von 5 und 100 m aufweisen.

2, Glimmstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern gekräuselt sind.

3. Glimmstoff nach Anspruch 1 oder-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zur Büscheln zusammengeballt sind.

Glimmstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Büschel aus Seil- oder Garnstücken, Werg, gesponnener Faser, Faserfilzmatte oder einer zerstückelten Faser- oder Gewebebahn besteht»

5. Glimmstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser eine Länge von 1 mm bis 5 cm sowie jedes Büschel einen Durchmesser von 0,1 bis 5 mm und eine Länge von 5 mm bis 5 cm besitzen.

6. Glimmstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er das Produkt einer gesteuerten Pyrolyse eines polymeren organischen Materials mit mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90% Kohlenstoff enthält.

7. Glimmstoff nach Anspruch 6, dadurch gekenn-ζ e i
liegt«

zeichnet, daß die Zündtemperatur unter 800⁰C

8. Glimmstoff nach Anspruch 6 oder 7» gekennzeichnet durch ein organisches Material auf ZellulosebasiSo

9ο Glimmstoff nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein organisches Material aus Polyäthylen, Polypropylen oder einem anderen polymeren Kohlenwasserstoff.

10_o Tabakersatz aus einem Glimmstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Glimmstoff mit ein oder mehreren flüchtigen festen oder flüssigen Bestandteilen imprägniert ist, die weitgehend ohne chemische Änderung zu Rauch verschwelen oder sublimieren.

11. Tabakersatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die flüchtigen Bestandteile eines pharmakologisch oder physiologisch aktiven und/oder Rauch erzeugenden Zusatz und/οder einen Geschmackzusatz enthaltene

12. Tabakersatz nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen das Verglimmen modifizierenden Zusatz.

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