DE2527569A1

DE2527569A1 - Filtermaterial fuer tabakrauch

Info

Publication number: DE2527569A1
Application number: DE19752527569
Authority: DE
Inventors: Robin Arthur Crellin; James William Percy Phelpstead; Christopher Robert Jenk Tresco
Original assignee: British American Tobacco Co Ltd
Current assignee: British American Tobacco Investments Ltd
Priority date: 1974-06-24
Filing date: 1975-06-20
Publication date: 1976-01-15
Also published as: CA1035660A; FI59710B; CH609218A5; GB1507456A; DK283275A; BE830354A; BR7503922A; AU8207275A; MX142927A; NL7507449A; JPS5832587B2; US4062368A; JPS5119200A; AU502214B2; DE2527569C2; FI59710C; FI751836A; ZA753759B

Description

I>R. INO. E. HOFFMANN · DIPL·. IN(S. W. KITTLE · DIt. IiER. NAT. K, HOFFMANN

D-8000 MIiNCHFN 81 · ARARFLLASTRASSF. 4 · TELEFON (0011) 911087-89 ■ TELEX 05-29619 fPATHE)

26918 Dr.Kd/di

British-American Tobacco Company Limited London / Großbritannien

Filtermaterial für Tabakrauch

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Filtermaterialien für Tabakrauch.

Es sind Filter aus faden- und/oder faserförmigem Material bekannt, die die teilchenförmigen Bestandteile des Tabakrauches auf mechanische Weise entfernen. Tabak enthält jedoch ferner gewisse Bestandteile im dampfförmigen Zustand, die durch mechanische Filtration nicht entfernt werden können, sondern nur durch Absorption und/oder Adsorption oder durch chemische Reaktion.

Es wurde gefunden, daß Körner aus aktiviertem Kohlenstoff geeignete Absorptions- und/oder Adsorptionsmittel darstellen. Kohlenstoff wirkt sich jedoch nachteilig auf den Geschmack aus und es wurde daher vorgeschlagen, natürliche oder synthetische Aromatisierungsmittel oder Tabakextrakte zuzusetzen, um diese nachteilige Eigenschaft zu überdekken.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Filtermaterialien für Tabakrauch, bei denen Kohlenstoff zur Verringerung der Bestandteile aus der Dampfphase des Rauches verwendet wird, wobei jedoch eine nachteilige Wirkung bezüglich des Geschmackes vermieden wird.

Um die Filtrationseigenschaften von Kohlenstoff zu erhöhen und selektiver zu gestalten, ist es bekannt, den Kohlenstoff mit anorganischen Salzen, Oxiden, nich+- flüchtigen Aminoverbindungen, Chelatbildnern oder wasserlöslichen Ionenaustauschmaterialien zu imprägnieren. Zur Bindung der Kohlenstoffteilchen untereinander bei der Herstellung von Filterstangen wurden polymere thermoplastische Materialien, wie Polyäthylen oder Polyvinylpyrrolidon, als Bindemittel verwendet. In diesen Fällen werden die Kohlenstoffteilchen mit dem Imprägniermittel entweder gesättigt, um die Oberflächeneigenschaften zu modifizieren, oder unter Bildung einer festen Masse miteinander verbunden. Es ist ferner bekannt, nicht überzogenen Kohlenstoff mit synthetischen Polymerisaten, wie geschäumtem Polyhydroxyathylmethacrylat, beide in teilchenförmiger Form, als Filtermaterial zu verwenden.

Gemäß der Erfindung wird ein Filtermaterial für Tabakrauch zur Verringerung der Bestandteile in der Dampfphase ohne nachteilige Wirkung auf den Geschmack des Rauches geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kohlenstoffteilchen im wesentlichen eine Größe im Bereich von 300 - 1700 Mikron aufweisen und auf der

äußeren und inneren Oberfläche einen überzug einer

-4
Dicke zwischen 5 χ 10 und 0,5 Mikron tragen, der die Teilchen einzeln umgibt, ohne sie aneinander zu binden, der überzug eine Porosität im Bereich von 7000 - 200

3 2

cm /min/10 cm per 10 cm Wasser überdruck (gauge) auf-

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weist und für organische Dämpfe, einschließlich Aldehyden, die im Tabakrauch enthalten sind, permeabel ist,

-4 so daß Moleküle mit einer Größe im Bereich von 5 χ 10 bis 2 Mikron durchtreten können, und der Überzug im wesentlichen aus einem anorganischen, keinen Stickstoff enthaltenden polymeren Material, das nicht flüchtig, im wesentlichen nicht wasserlöslich und nicht toxisch ist, besteht.

Handelsübliche Arten von aktiviertem Kohlenstoff können als Ausgangsmaterial verwendet werden. Wie oben angegeben, sollte die Teilchengröße im wesentlichen im Bereich von 300 - 1700 Mikron liegen. Im allgemeinen liegen diese im Bereich von 500 - 1700 Mikron, es kann jedoch auch ein kleiner Teil, beispielsweise etwa 2%, sehr feiner Teilchen, d.h. einer Größe von weniger als 500 Mikron, zugegen sein. Vorzugsweise liegt der Kohlenstoff in Form von unkomprimierten Körnern vor, es können jedoch auch komprimierte oder pelletierte Körner verwendet werden. Die Körner sollten jedoch nicht untereinander gebunden sein.

Die Dicke der durch den überzug gebildeten dünnen Sperrschicht hängt vom verwendeten Überzugsmaterial und der erforderlichen Filterwirkung ab. Obwohl die Dicke des Überzugs auf der Kohlenstoffoberfläche variieren kann,

-4 weist sie im Durchschnitt eine Dicke zwischen 5 χ 10 und 0,5 Mikron auf. Für übliche praktische Zwecke ist es unbequem, solche geringen Dicken direkt zu bestimmen. In diesem Fall ist es besser und einfacher,die Dikke des Überzugs in Form eines Wertes anzugeben, der hier als "Beschichtungsmenge" bezeichnet wird, und der dem Gewicht des überzogenen Kohlenstoffs,vermindert um das Gewicht des unüberzogenen Kohlenstoffs, dividiert

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durch das Gewicht des unüberzogenen Kohlenstoffs, ausgedrückt als Prozentsatz, entspricht. Die Beschichtungsmenge liegt im allgemeinen im Bereich von 0,1 - 8%. Durch einfache Versuche läßt sich feststellen, bei welchen Besenichtungsmengen die gewünschten Eigenschaften sicher erzielt werden können. Das Beschichtungsmaterial kann auf die Oberfläche der Kohlenstoffkörner in bekannter Weise, beispielsweise durch Eintauchen oder Beschichtungsverfahren aufgebracht werden, bei denen das Material mit der Oberfläche der Poren der Körner in innigen Kontakt tritt.

Bevorzugte überzugsmaterialien sind synthetische Vinylpolymerisate, wie Polyhydroxyäthylmethacryal, Polymethylmethacrylat, Polymethacrylsäure, Polyvinylacetat oder Polyvinylalkohol. Es können auch synthetische Kondensationspolymerisate, wie Polyester, oder Zellulosederivate, wie Zelluloseacetat oder Carboxymethylzellulose, oder Silikone sowie natürliche Polymere, wie beispielsweise Stärke, Pektin oder Alginate verwendet werden. Mischungen aus zwei oder mehreren der vorgenannten Substanzen können gleichfalls eingesetzt werden. Selbstverständlich werden Substanzen, die toxisch sind oder selbst zu unerwünschtem Aroma oder Geschmack Anlaß geben, nicht als geeignet angesehen.

Die überzogenen Kohlenstoffkörner können in einem Filter als Bett aus Körnern zwischen zwei Teilen aus faden- oder faserförmigem Papier- oder Schaumfiltermaterial, wie Zelluloseacetatwerg, Papier oder offenzellige, geschäumte Thermoplaste, verwendet werden. Das Bett aus Körnern kann zwischen zwei porösen oder perforierten Scheiben oder in einem porösen Rohr gehalten werden. Alternativ können die überzogenen Kohlenstoffkörner in Filtermaterialien der genannten Art dispergiert sein.

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Die Menge an in einen Zigarettenfilter eingebrachten überzogenen Kohlenstoffteilchen kann zwischen 10 200 mg variieren und beträgt vorzugsweise 10 - 100 mg.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert. Die Werte der Filtrationswirksamkeit beziehen sich auf die Verringerung der gesamten flüchtigen Aldehyde im Tabakrauch.

Beispiel 1

Kornförmiger Kohlenstoff der Qualität MF3 (von Chemviron Ltd) einer mittleren Teilchengröße von 1100 Mikron wurde in Äthanol gewaschen und vor dem Überziehen ge- ' trocknet.

Direkt vor der Verwendung wurden drei Überzugslösungen aus 2-Hydroxyäthylmethacrylatmonomer in Äthanol, die tert.-Butylperoctoat als Initiator enthielten, hergestellt. Die prozentualen Verhältnisse von Hydroxyä thylmethacrylat zu Äthanol zu Initiator waren in Volumeneinheiten ausgedrückt 1 : 100 : 0,4, 2 : 100 : 0,4 bzw. 3 : 100 : 0,4. Es wurden Beschichtungsmengen von 0,85, 1,5 bzw. 2,2% angewandt.

Etwa 20 g Kohlenstoffteilchen wurden in einen vorgetrockneten, vorher gewogenen Sack aus Netzmaterial eingebracht und in diesem bis zu konstantem Gewicht getrocknet, indem sie bei 80 C über Nacht unter Vakuum gehalten wurden. Der die Kohlenstoffteilchen enthaltende Sack wurde abgekühlt und 10 Minuten in eine Überzugslösung eingetaucht und anschließend gut abtropfen gelassen, indem er 10 Minuten in einem Filtriertrichter gelassen wurde. Der auf diese Weise erhaltene Monomerüberzug wurde dann

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durch zweistündiges Erhitzen im Vakuum auf 80 C polymerisiert. Schließlich wurden die Kohlenstoffteilchen dreimal mit Äthanol gewaschen, um unumgesetztes Monomer und lösliches Polymer mit niederem Molekulargewicht zu entfernen. Nach nochmaligem Trocknen im Vakuum bei 8O°C über Nacht wurden die überzogenen Kohlenstoffteilchen gewogen, um die Beschichtungsmenge zu bestimmen.

Für jede Beschichtungsmenge wurden 10 mg, wenn nicht anders angegeben, der beschichteten Kohlenstoffteilchen als Bett verwendet, das zwischen zwei Zelluloseacetatteilen eines Triplefilters angeordnet war. Diese Filter wurden an Zigarettentabakstangen befestigt und die Zigaretten durch die Filter bei Standardbedingungen von einem Zug von 3 5 ml Volumen und 2 Sekunden Dauer je Minute geraucht. Wie aus nachstehender Tabelle ersichtlich ist, wurde eine gute Filterwirkung bezüglich aller flüchtigen Aldehyde bei sämtlichen Beschichtungsmengen erreicht. Zigaretten mit solchen Filtern, die beschichtete Kohlenstoffteilchen enthielten, und mit solchen Filtern, die ein Bett aus unüberzogenen Kohlenstoffteilchen enthielten, wurden durch ein Raucherpanel untersucht. Das Panel fand, daß die Filter mit den unüberzogenen Kohlenstoffteilchen den unerwünschten Nebengeschmack von Kohlenstoffilterzigaretten aufwiesen, während dieses nachteilige Aroma bei den Filtern mit den überzogenen Kohlenstoffteilchen nicht zu bemerken war.

Beschichtungsmenge Filterwirkung

0,85 61

1 ,5 65

2,2 66

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- 7 Beispiel 2

Kohlenstofftexlchen, wie sie in Beispiel 1 im einzelnen beschrieben wurden, wurden mit derselben Verbindung gemäß nachstehender Methode überzogen.

Die Beschichtungslösungen wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, die auf konstantes Gewicht getrockneten Kohlenstofftexlchen wurden jedoch überzogen, indem sie zu der Lösung in einem Becherglas zugegeben wurden und während des überZiehens gelegentlich gerührt wurde. Nach dem Abtropfenlassen der Lösung durch einen Filter wurden die Kohlenstoffteilchen zwei Stunden in Vakuum auf SO⁰Cerhitzt, um den Monomerüberzug zu polymerisieren. Nach dem Kühlen wurden die Kohlenstoffteilchen gewaschen, abtropfen gelassen, getrocknet und gewogen. Es wurden Beschichtungsmengen von 4,8 und 4,0% erhalten. Durch Filter, die diese überzogenen Kohlenstoffteilchen enthielten, wurden wie in Beispiel 1 Zigaretten geraucht. Bei einem 4,8%igen Überzug wurde eine gute Filterwirkung erzielt. Ein Raucherpanel konnte keinen dem Kohlenstoff eigenen Geschmack feststellen.

Beschichtungsmenge Filterwirkung

4,8 69

4,8 62

4,0 4 5

Beispiel 3

Kohlenstoff teilchen, v;...e sie in Beispiel 1 näher beschrieben wurden, wurden gemäß der i:a Seispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise überzogen, wobei jedoch ei:

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1?.ige Methacrylsäurelösung in Äthanol verwendet wurde, die 0,5% -Azo-bis-isobutyronitril enthielt. Die erhaltenen Kohlenstoffteilchen waren mit einer Beschichtungsmenge von 6,5% Polymethacrylsäure versehen und ergaben in einem Triplefilter eine Filterwirkung von 53%. Beim Rauchen von Zigaretten durch diesen Filter wurde festgestellt, daß der schlechte Geschmack von Kohlenstoffiltern im Vergleich zu Filtern, die unüberzogene Kohlenstoffteilchen enthielten, stark verringert war.

Beispiel 4

Die in Beispiel 1 näher beschriebenen Kohlenstoffteilchen wurden entsprechend der in Beispieliangegebenen Arbeitsweise beschichtet, es wurde jedoch eine 1%ige Lösung von Methacrylsäure in Äthanol, die 0,5% tert.-Butylperoctoat enthielt, als Überzugslösung verwendet. Die erhaltenen Kohlenstoffteilchen wiesen einen PoIymethacrylsäureüberzug entsprechend einer Beschichtungsmenge von 2,0% auf, zeigten eine Filterwirkung von 54% und keine nachteilige Wirkung auf den Geschmack des Rauches.

Beispiel 5

Kohlenstoffteilchen, die, wie in Beispiel 4 beschrieben, beschichtet wurden, wurden in Filter eingebracht, wie sie in Beispiel 1 beschrieben sind. Diese Filter, die 50 und 150 mg überzogene Kohlenstoffteilchen enthielten, ergaben eine Filterwirkung von 32 bzw. 69% und keinen nachteiligen Effekt in bezug auf den Geschmack des Rauches. Die geringe Wirkung von 32% kann bei einem Bett, das nur 5o mg überzogene Kohlenstoffteilchen enthält, nicht als unerwartet angesehen werden.

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Beispiel 6

Kohlenstoffteilchen, wie sie in Beispiel 1 ausführlich beschrieben wurden, wurden gemäß der in Beispiel 2 beschriebenen Arbeitsweise beschichtet, wobei jedoch eine 5%ige Lösung von Vinylacetat in η-Hexan, die 0,5?. tert.-Butylperoctoat enthielt, als Beschichtungslösung verwendet wurde. Die erhaltenen Kohlenstoffteilchen zeigten einen Überzug aus Polyvinylacetat einer Beschichtungsmenge von 4,5% und ergaben eine Filterwirkung von 54%. Der bei Kohlenstoff enthaltenden Filtern auftretende schlechte Geschmack war bei den Filtern, die überzogene Kohlenstoffteilchen enthielten, stark verringert .

Beispiel 7

Kohlenstoffteilchen entsprechend Beispiel 1 wurden gemäß der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise überzogen, wobei jedoch eine 5%ige Lösung von Vinylacetat in Aceton verwendet wurde, die 0,5% tert.-Butylperoctoat enthielt. Die Beschichtungsmenge betrug 1,5% Polyvinylacetat. Die Filterwirkung war 57%. Es wurde eine Verringerung des schlechten Geschmacks im Vergleich zu Filtern mit unüberzogenen Kohlenstoffteilchen beobachtet.

Beispiel 8

Kohlenstoffteilchen entsprechend Beispiel 1 wurden gemäß der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise beschichtet, wobei jedoch eine 2%ige Lösung von Vinylacetat in η-Hexan, die 0,5% tert.-Butylperoctoat enthielt, verwendet wurde. Die Beschichtungsmenge an Polyvinylacetat betrug 16% und es wurde eine Filterwirkung von 36% bestimmt. Diese Beschichtungsmenge war unerwünscht hoch

und es ist zweifelhaft, ob dieser Überzug eine Sperrschicht mit der notwendigen Porosität darstellte, damit der Kohlenstoff als wirksamer Filter für flüchtige Aldehyde wirken konnte.

Beispiel 9

Die in Beispiel 1 beschriebenen Kohlenstoffteilchen wurden entsprechend der in Beispiel 2 beschriebenen Arbeitsweise beschichtet, wobei jedoch eine 2%j ge Beschichtungslösung aus Vinylacetat in η-Hexan, die 0,5% tert.-Butylperoctoat enthielt, verwendet wurde. Die Boschichtungsmenge des Polyvinylacetatüberzugs betrug 14% und es wurde eine Filterwirkung von 43?; bestimmt.

Beispiel 10

In den Polymerüberzug kann ein Vernetzungsmittel, wie Äthylenglykoldimethacrylat, eingebracht werden. Zu diesem Zweck wurden die in Beispiel 1 beschriebenen Kohlenstoffteilchen mit Polyhydroxyäthylmethacrylat überzogen, wobei eine Lösung verwendet wurde, die zusätzlich zum Hydroxyäthylmethacrylatmonomer und dem tert.-Butylperoctoat als Initiator Äthylenglykoldimethacrylat in den nachstehend angegebenen Mengen enthielt. Die überzüge wurden gemäß der Methoden der Beispiele 1 und 2 hergestellt.

Die Filterungwirkung war gut und es wurde kein Nebengeschmack von Kohlenstoffiltern beobachtet.

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in ο co oo

Verfahren	Überzugslösung	Äthanol	HÄMA *)	Vernetzungs mittel	tert.-Butyl- peroctoat	Beschichtungs- menge %	Filter wirkung %
wie Bei spiel 1	100 ml	3 ml	0,1 ml	0,5 ml	1 ,2	52
wie Bei spiel 2	100 ml	4 ml	0,1 ml	0,5 ml	0,3	58

*) Hydroxyäthylmethacrylat

cn ro -ο cn cn

- 12 Beispiel 11

Kohlenstoffteilchen der Qualität MF3 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1100 Mikron wurden mit Methylmethacrylatmonomer überzogen, das anschließend unter Verwendung eines sauren Katalysators polymerisiert wurde. Eine vorgetrocknete, genau gewogene Kohlenstoffteilchenprobe (10 g) wurde zu 200 ml Wasser in einem Rundkolben, der in einem Heißmantel stand und mit einem mechanischen Rührer, einem Kühler und einem Gaseinlaßrohr versehen war, zugegeben. In den Kolben wurde Methylmethacrylat eingebracht und die Kohlenstoffteilchen 10 Minuten gerührt, damit diese von dem Monomeren überzogen wurden. Schwefeldioxyd wurde drei Minuten durch den gerührten Inhalt des Kolbens durchperlen gelassen, und diente als saurer Polymerisationskatalysator. Der Kolben wurde dann erhitzt und 3-5 Stunden bei 60 C gehalten. Schließlich wurden die Kohlenstoffteilchen durch Dekantieren mehrmals mit Wasser gewaschen und über Nacht bei 80 cim Vakuum getrocknet. Die Beschichtungsmenge betrug 3,2%. Die überzogenen Kohlenstoffteilchen zeigten eine Filterwirkung von 49% und der Geschmack von Kohlenstoffiltern war beträchtlich verringert.

In allen vorstehenden Beispielen wurden die Kohlenstoffteilchen am Anfang mit dem Monomer überzogen. Es ist jedoch auch möglich, die Kohlenstoffteilchen direkt mit einer Polymerlösung zu überziehen.

Beispiel 12

Kohlenstoffteilchen, wie sie in Beispiel 1 beschrieben sind, wurden 10 Minuten in einem Becherglas überzogen, in dem eine Lösung aus Zelluloseacetat (0,25 g) gelöst in einer 9 : 1 Mischung aus Chloroform und Äthanol (200 ml)

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nni halton war. Nach dem Abtropfen wurden die Kohlenstofftoilchen unter Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet. Die erhaltenen Kohlenstoffteilchen waren entsprechend einer Beschichtungsmenge von 5% mit Zelluloseacetat beschichtet und zeigten eine Filterwirkung von 63%. Der Nebengeschmack von Kohlenstoffiltern war bedeutend verringert.

Aus den vorstehenden Beispielen ist ersichtlich, daß die Auswahl des Initiators und die Art der Aufbringung des Überzugs bezüglich der Herstellung von geeigneten überzügen von untergeordneter Bedeutung ist.

Beispiel 13

Es wurde ein Triplefilter hergestellt, der als Mittelteil ein Bett aus 100 mg Kohlenstoffkörnern (Typ BPL, Pittsburgh Activated Carbon Company) einer Teilchengröße von 420 - 1200 Mikron enthielt, wobei die Teilchen gemäß der Arbeitsweise des Beispiels 1 mit 4,5 Gew.-% Polyhydroxyäthylmethacrylat überzogen waren. Dieses Bett war zwischen 2 Abschnitten aus Zelluloseacetat angeordnet. Beim Rauchen einer Zigarette durch diesen Filter unter Standardbedingungen wurden 46% der flüchtigen Aldehyde aus dem Rauch entfernt, ohne daß der nachteilige Geschmack von Kohlenstoffiltern beobachtet wurde. 36% des gesamten teilchenförmigen Materials wurde entfernt. Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Filter jedoch mit einem Bett aus unüberzogenen Kohlenstoffkörnern als Mittelteil untersucht. Beim Rauchen einer Zigarette durch diesen Filter wurden 53% der flüchtigen Aldehyde und 3 2% des gesamten teilchenförmigen Materials entfernt, es war jedoch der nachteilige Geschmack, der bei Kohlenstoffiltern beobachtet wird, zugegen,

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Claims

- 14 Patentansprüche

Filtermaterial für Tabakrauch auf der Basis von Kohlenstoffteilchen, dadurch q e k e η η ζ e i ebnet, daß die Kohlenstoffteilchen im wesentlicher eine Größe im Bereich von 300 - 1700 Mikron au[weisen und auf der äußeren und inneren Oberfläche ei-

—4 nen Überzug einer Dicke zwischen 5 χ 10 und O,^f> Mikron tragen, der die Teilchen einzeln umgibt ohne sie aneinander zu binden, der Überzug eine Porosi-

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tat im Bereich von 7 000 - 200 000 cm /min/10 cm

per 10 cm Wasser Überdruck aufweist und für organische Dämpfe, einschließlich Aldehyden, die im Tabakrauch enthalten sind, permeabel ist, so daß Moleküle mit einer Größe im Bereich von 5 χ 10 bis 2 Mikron durchtreten können, und der Überzug im wesentlichen aus einem organischen, keinen Stickstoff enthaltenden polymeren Material, das nicht flüchtig, im wesentlichen nicht wasserlöslich und nicht toxisch ist, besteht.

Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß das polymere Material ein Vinylpolymerisat ist.

Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material PoIyhydroxyäthylmethacrylat, Polymethylmethacrylat oder Polymethacrylsäure ist.

Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß das polymere Material Polyvinylacetat ist.

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