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Die vorliegende Erfindung betrifft Papierfilter
für Zigaretten.
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Faserhaltige Filter für Zigaretten sind
wohlbekannt. Bei einer bekannten Bauweise besteht der
Filterstoff aus einem Strang von Endlosfasern, üblicherweise
Fasern aus Celluloseacetat (Acetat), die parallel der
Längsachse der Zigarette angeordnet sind. Bei einer
anderen bekannten Bauweise besteht der Filterstoff aus
gefälteltem oder geripptem Papier, das zu einem Zylinder
gepreßt ist. Das Papier wird einem Riffelvorgang
unterzogen, damit es dann so gefältelt oder gerippt
werden kann. Solche Bauf ormen enthalten ein einziges
Filterelement und können als "Monofilter" bezeichnet
werden. Eine weitere bekannte Bauweise ist das sogenannte
"Doppelfilter", das zwei Filterelemente enthält, zum
Beispiel ein Papierfilter nach innen und ein Strangfilter
zur Außenseite der Zigarette hin. Eine weitere bekannte
Bauweise ist das sogenannte "Dreifachfilter", das drei
Filterelemente enthält, zum Beispiel ein Papierfilter und
ein Strangfilter wie in der "Doppelbauweise", die durch
einen Luftspalt oder ein Aktivkohlefilter getrennt sind.
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Papierfilter sind bekannterweise allgemein
wirksamer zur Entfernung von Teer aus Tabakrauch als
Strangfilter. Hohe Teerentfernungswirksamkeit ist im
Hinblick auf die Tendenz zu teerarmen Zigaretten
besonders wünschenswert. Eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Zigarettenfiltermundstück mit hoher
Teerentfernungswirksamkeit zur Verfügung zu stellen. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verschiedene
Ausführungen einer Zigarette mit niedriger Teerabgabe
bereitzustellen.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein
Zigarettenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterstoff
aus Papier besteht, welches Lyozell-Fasern enthält oder
im wesentlichen daraus besteht. Ein weiterer Gegenstand
der Erfindung ist eine Zigarette mit einem solchen
eingebauten Filter.
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Lyozellfasern sind bekannte Materialien, und ihre
Herstellung ist zum Beispiel in US-A-4 246 221
beschrieben. Sie sind von Courtaulds plc unter dem
Warenzeichen "Tencel" im Handel erhältlich. Sie werden
dadurch hergestellt, daß man Cellulose in einem
Lösungsmittel auflöst und die so gebildete Lösung durch
eine Spinnduse in ein Koagulationsbad extrudiert, wodurch
die Cellulose ausgefällt und das Lösungsmittel aus der
Faser ausgewaschen wird. Dieses Verfahren kann als
Lösungsspinnen bezeichnet werden, und Lyozellfasern kann
man auch als lösungsgesponnene Cellulosefasern
beschreiben. Die Cellulose ist üblicherweise
Holzzellstoff. Das Lösungsmittel kann ein tertiäres Amin-
N-oxid sein, vorzugsweise ein wäßriges tertiäres
Amin-Noxid, insbesondere N-Methylmorpholin-N-oxid. Wenn das
Lösungsmittel ein tertiäres Amin-N-oxid ist, so ist das
Koagulationsbad vorzugsweise ein wäßriges Bad. Das
Lösungsspinnverfahren ist zu unterscheiden von anderen
bekannten Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern,
die auf der Bildung und Zersetzung eines chemischen
Derivats der Cellulose beruhen, beispielsweise das
Viskoseverfahren. Lyozell-Fasern sind leicht biologisch
abbaubar. Die Lyozell-Faser kann ein Mattpigment wie
Titandioxid enthalten und kann gebleicht sein.
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Das erfindungsgemäße Zigarettenfilter besitzt
eine im Vergleich mit bekannten Papierfiltern hohe
Filtrierwirksamkeit.
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Papier zur Verwendung im erfindungsgemäßen
Zigarettenfilter kann unter Anwendung herkömmlicher
Papierherstellungstechnik und -ausrüstung hergestellt
werden. Das Flächengewicht des im erfindungsgemäßen
Filter verwendeten Papiers kann im allgemeinen ähnlich
dem in bekannten Papierfiltern verwendeten herkömmlichen
Papier sein und allgemein im Bereich von 15 bis 150,
vorzugsweise 20 bis 80, Gramm pro Quadratmeter liegen.
Das Papier kann weitgehend aus Lyozell-Fasern bestehen
oder neben den Lyozell-Fasern weitere Fasertypen wie
beispielsweise Pflanzenfasern wie Holzzellstoff und/oder
Acetatfasern enthalten. Es hat sich überraschenderweise
gezeigt, daß das Papier bis etwa 50 Gew.-% Holzzellstoff
einschließen kann, ohne die Teerentfernungswirksamkeit
erheblich zu verringern, obwohl bei noch höheren Anteilen
die Wirksamkeit sich natürlich mehr und mehr derjenigen
herkömmlichen Holzzellstoffpapiers nähert. Mindestens
25 Gew.-% Lyozell-Fasern enthaltendes Papier,
insbesondere als Abmischung mit Holzzellstoffasern, kann
bevorzugt sein. Etwa 50 Gew.-% Lyozell-Fasern und
Holzzellstoffasern enthaltendes Papier ist noch mehr vorzuziehen.
Es hat sich ferner gezeigt, daß die Einbeziehung eines
Holzzellstoffanteils in der Abmischung den
Papierbildungsvorgang fördern kann, was zu verbesserter
Papierqualität führt.
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Die Reißfestigkeit des im erfindungsgemäßen
Filter verwendeten Papiers in der Querrichtung (QR) ist
so zu wählen, daß man das korrekte Ausmaß Riffelung
erhalten und so das Papier fälteln oder rippen kann. Eine
geringe QR-Reißfestigkeit kann bedeuten, daß übermäßige
Riffelung entsteht, mit der Folge, daß der Druckverlust
durch das Filter zu hoch wird, während eine hohe
QR-Reißfestigkeit dazu führen kann, daß die Riffelung ungenügend
ist und das Aussehen des fertigen Filters unansehnlich
ist.
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Die Lyozell-Faser im erfindungsgemäßen Filter ist
vorzugsweise fibrilliert. Lyozell-Fasern kann man
fibrillieren, indem man sie im nassen Zustand mechanischer
Reibung aussetzt, wie beispielsweise während eines
Papierherstellungsverfahrens. Die Fibrillierung führt zu
y einer teilweisen Ablösung dünner Fasern ("Fibrillen") aus
dem Faserstoff, so daß die einzelnen Fasern ein
"haariges" Aussehen bekommen. Fibrillierte Lyozell-Fasern
besitzen eine im Vergleich mit unfibrillierten Fasern
größere Oberfläche, und es wird angenommen, daß dies für
wirksame Filtration vorteilhaft ist.
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Das Papier kann aus einer Abmischung von
hochfibrillierten Lyozell-Fasern mit anderen Fasertypen, zum
Beispiel Pflanzenfasern wie Holzzellstoff und/oder
Acetatfasern, bestehen. Hochfibrillierte Lyozell-Fasern
sind durch scharfe Veredelungsbedingungen herstellbar.
Solche Fasern enthaltender Papierstoff entwässert sehr
langsam und ist deshalb im allgemeinen ungeeignet zur
Verwendung in der technischen Herstellung von Papier für
Zigarettenfilter. Ein solcher Stoff kann mit andere
Fasertypen enthaltendem Stoff, einschließlich Stoff mit
niedrig fibrillierten Lyozell-Fasern, abgemischt und zur
Papierherstellung verwendet werden. Die Abmischung von
hochfibrilliertem Lyozell-Faserstoff und andere
Fasertypen enthaltendem Stoff kann man so wählen, daß die
Papierherstellung, die Papier- und Filtereigenschaften
und die Kosten in geeigneter Weise ausgewogen sind. Dabei
kann es sich ergeben, daß eine Abmischung
hochfibrillierter Lyozell-Fasern und Acetatfasern gute Entwässerung bei
der Papierherstellung, gute Papierfestigkeit, bessere
Filterwirksamkeit als Acetat allein, spülbare (d.h. in
Wasser dispergierbare) Zigarettenfilter und schnellere
biologische Abbaubarkeit als aus Acetatfasern allein
hergestellte Filter liefert.
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Das erfindungsgemäße Filter kann ein Mono-,
Doppel- oder Dreifachfilter sein. Aus einem äußeren
Acetatstrangfilter und einem inneren Lyozell-Papierfilter
in der Zigarette bestehende Doppel- und Dreifachfilter
können vorzuziehen sein. Solche Filter zeigen guten
Widerstand gegen äußere Verfärbung.
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Erfindungsgemäße Filterelemente und Filter sind
in ventilierten und unventilierten Filterzigaretten mit
einem weiten Bereich von Tabakstangen verwendbar. Nur
beispielsweise kann eine solche Tabakstange eine oder
mehrere oder sämtliche der folgenden Eigenschaften
aufweisen:
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Nikotinausbeute / Teer × 10 = 0,05 - 1,0
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Tabakstangendichte = 100 - 260 kg/m³
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Zugwiderstand (eingeschlossen gemessen)
= 35 -70 mm.WS (343 - 686 Pa)
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Luftdurchlässigkeit des Zigarettenpapiers =
10-150 Coresta-Einheiten
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Ebenfalls nur beispielsweise kann eine
erfindungsgemäße Filterzigarette, gleich ob unter Verwendung
einer wie oben als Beispiel angegebenen Tabakstange oder
einer mit unterschiedlichen Eigenschaften, eine oder
mehrere oder sämtliche der folgenden Eigenschaften aufweisen:
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Nikotinausbeute / Teer × 10 = 0,05 - 1,5
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Teerausbeute = < 1 - 10 mg
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Zugwiderstand (nicht eingeschlossen gemessen) =
30-150 mm.WS (294-1470 Pa)
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Filterventilation = 0 - 80%
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Zuganzahl ≥5
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Die obigen Größen werden nach Standardmethoden
und in Standardeinheiten gemessen. WS bedeutet
Wassersäule.
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Außerdem kann die Tabakmischung erhebliche
Anteile an expandiertem Tabak und Rippen enthalten.
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Die erfindungsgemäßen Filter, zum Beispiel
solche, die Lyozell-Fasern allein oder als Abmischung mit
Holzzellstoff enthalten, ergeben stark verbesserte
Teerrückhalteeigenschaften über einen weiten Bereich von
Druckverlusten im Vergleich mit Zelluloseacetatfiltern
und Papierfiltern (100% Holzzellstoff) des Standes der
Technik. Die erfindungsgemäßen Filter sind bei der
Herstellung von Zigaretten mit einer Teerabgabe von 6 mg
oder weniger, möglicherweise so niedrig wie 1 mg oder
weniger, nützlich. Diese niedrigen Teerabgaben sind
erreichbar mit erheblich geringerer Ventilation, als bei
Filtern des Standes der Technik erforderlich ist. Hohe
Ventilationsraten sind im allgemeinen unerwünscht für die
Annehmbarkeit durch Verbraucher. Außerdem sind diese
niedrigen Teerabgaben mit annehmbarem Zugwiderstand
erreichbar, was weiter zu der Verbesserung der
Annebmbarkeit durch Verbraucher gegenüber Zigaretten des Standes
der Technik beiträgt. Es sind Filter erfindungsgemäß
hergestellt worden, die bei niedrigem Druckverlust
bessere Filterwirksamkeit aufweisen als Filter des
Standes der Technik mit demselben Ventilationsgrad.
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Beispiele für erfindungsgemäß hergestellte
Zigaretten schließen Zigaretten mit dem folgenden Aufbau
ein: Teerabgabe (Ausbeute) der Tabakstange 25 mg,
Druckverlust 50 mm; Durchlässigkeit des Zigarettenpapiers
60 Coresta; erforderliche Teerabgabe (Ausbeute) 4 mg. Die
Rückhaltung und Ventilation, welche diese Teerausbeuten
ergeben, sind nach der Gleichung berechenbar.
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Teerendausbeute =
Tabakstangenausbeute × (100-R)/100 × (100-V)/100
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wobei R = Filterrückhaltung in % und V = Ventilation in
%. Wenn die Ventilation 0% ist, beträgt die berechnete
erforderliche Filterrückhaltung 84%. Es wird angenommen,
daß eine so hohe Rückhaltung in einer annehmbaren
herkömmlichen Filterzigarette nicht erreichbar ist. Ein
20 mm langes erfindungsgemäßes Filter enthaltende
Zigaretten wurden hergestellt, die einen solchen
Rückhaltewert bei einem annehmbaren Zigarettendruckverlust
(ca. 144 mm.WS (ca. 1,4 kPa)) aufweisen.
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Ein Zigarettentyp des Stands der Technik kann ein
Monopapierfilter mit einer Teerrückhaltung von 66% und
einem Druckverlust von 88 mm.WS (862 Pa) eingebaut
enthalten. Um die erforderliche Teerabgabe von 4 mg zu
erhalten, ist die Ventilation 53%, was einen
Zigarettendruckverlust von ungefähr 95 mm ergibt.
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Ein anderer Zigarettentyp des Standes der Technik
kann ein Monoacetatfilter (1,5 Denier-Strang) mit einer
Teerrückhaltung von 55% und einem Druckverlust von
89 mm.WS (872 Pa) eingebaut enthalten. Um die
erforderliche Teerabgabe von 4 mg zu erhalten, ist die
Ventilation 64%, was einen unerwünscht niedrigen
Zigarettendruckverlust von ungefähr 87 mm (852 Pa) ergibt.
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Eine erfindungsgemäße Zigarette kann ein Lyozell-
Papierfilter mit einer Teerrückhaltung von 77% und einem
Druckverlust von 84 mm.WS (823 Pa) eingebaut enthalten,
Um die erforderliche Teerabgabe von 4 mg zu erhalten, ist
die Ventilation erwünscht niedrig mit 30%, was einen
Zigarettendruckverlust von ungefähr 110 mm (1,1 kPa)
ergibt.
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Zigaretten mit noch niedrigeren Teerabgabewerten
sind leicht herstellbar. Andere Zigarettenkonstruktionen
als hier beispielsweise angegeben sind für einen Zigaret
tenkonstrukteur ohne weiteres naheliegend. Es ist ein
Vorteil der Erfindung, daß Zigaretten mit niedriger
Teerabgabe bei niedrigen Ventilationswerten hergestellt
werden können. Dies kann zu einer verringerten Menge
Nebenstromrauch führen.
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Andererseits läßt sich erfindungsgemäß ein Filter
konstruieren, dessen Gewicht kleiner ist als dasjenige
bekannter Filtertypen mit derselben
Filtrationswirksamkeit. Dies läßt die Konstruktion leichterer Zigaretten
zu. Außerdem kann der Zugwiderstand solcher
erfindungsgemäßer Filter kleiner sein als bei solchen Filtern des
Standes der Technik.
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Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen
Filter beim Rauchen der Zigarette Feuchtigkeit aus dem
Rauch absorbieren. Die Folge ist, daß sich das Filter
ausdehnt und der Druckverlust über das Filter zunimmt. Es
wird angenommen, daß dies einige Filtrationseigenschaften
progressiv machen kann, während die Zigarette geraucht
wird. Außerdem wird angenommen, daß diese Ausdehnung den
besonderen Vorteil erbringen kann, daß man Zigaretten
herstellen kann, die von Zug zu Zug einen verhältnismäßig
konstanten Druckverlust zeigen.
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Die Erfindung wird durch das nachfolgende
Beispiel erläutert:
Beispiel
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Papierproben wurden unter Verwendung von
1,7 Decitex 6 mm matte Lyozell-Faser, die von Courtaulds
plc unter dem Warenzeichen "Tencel" erhältlich ist,
hergestellt.
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Die Faserauflösung erfolgte in einem Pulper bei
einer Stoffdichte von ungefähr 1,5%. Der Stoff wurde dann
in einen Kasten abgelassen, wo er mit einer Schaufel
leicht gerührt und auf die gewünschte Stoffdichte
verdünnt wurde. Aus dem Kasten wurde der Stoff bei
Umgebungstemperatur mit einer Durchflußmenge von 350-400
Liter/min. durch einen konischen Refiner im Kreislauf
geführt. Der Refiner hatten einen Stababstand von 15 mm, um
die Faser eher zu fibrillieren als zu schneiden. Der
Fortschritt des Mahlens wurde durch Messung des
Stoffmahlgrads (Schopper-Riegler) von Zeit zu Zeit
verfolgt. Nach dem Mahlen wurde der Stoff durch Zugabe
von typischerweise etwa seinem halben Volumen Wasser
weiterverdünnt und zu einer Maschinenbütte gepumpt. Von
dort wurde die Faser zu einem Verdünnungskasten und dann
durch einen Strömungsverteiler gepumpt, was eine
gleichmäßige Verteilung der Faser über den Stoffauflauf
(von wo das Papier auf einem Sieb gebildet wird)
bewirkte. Wasser wurde durch zwei Sätze von Saugkästen
entfernt, und das Papier dann durch zwei Pressen (je eine
auf beiden Seiten), einen Trommeltrockner und einen
Kalander geführt und auf einer Rolle aufgefangen. Die
Tabelle 1 enthält Informationen über die
Papierherstellungsbedingungen:
Tabelle 1
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Die Proben hatten die in der Tabelle 2
angegebenen Eigenschaften:
Tabelle 2
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MR
steht für Maschinenrichtung&sub1; Der Anstieg ist
ein Maß für die Wassersaughöhe.
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Filterstangen wurden aus der auf 300 mm Breite
gespaltenen Probe A hergestellt und mit 27 g/m² (aus
Holzzellstoff hergestelltem) Papier umhüllt. Die
Nennabmessungen der Stange waren 108 mm Länge × 24,6 mm Umfang.
Zur Prüfung wurden Stangen zu 20 mm langen Mundstücken
geschnitten. Dabei erhielt man die in Tabelle 3
angegebenen Ergebnisse:
Tabelle 3
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Die Härte ist ein Maß für die Beibehaltung der
Gestalt bei Aufbringung einer seitlichen Kraft, wobei
höhere Werte einen größeren Widerstand gegen Kompression
anzeigen.
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Bei einem herkömmlichen Papierfilter dieser Größe
mit diesem Druckverlust würde man eine Teerrückhaltung
von ungefähr 74% erwarten.
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Die Papierproben wurden auf 250 mm Breite
gespalten und bei dem höchsten Prägewert Stangen hergestellt
und mit 27 g/m²-Papier umhüllt. Die Nennabmessungen der
Stangen waren 108 × 24,6 mm. Zur Prüfung wurden Stangen
zu 20 mm langen Mundstücken geschnitten. Dabei erhielt
man die in der Tabelle 4 angegebenen Ergebnisse:
Tabelle 4
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Diese Filter zeigten erheblich höhere
Teerrückhaltewerte als entweder Strangfilter aus Celluloseacetat
oder herkömmliche Halbkrepp-Seidenpapierfilter.