DE69430010T2

DE69430010T2 - Zweikomponent-fasern und daraus hergestellte tabakrauchfilter

Info

Publication number: DE69430010T2
Application number: DE69430010T
Authority: DE
Inventors: Richard M. Berger
Original assignee: Filtrona Richmond Inc
Current assignee: Filtrona Richmond Inc
Priority date: 1993-12-14
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2014-11-24
Also published as: CA2178732A1; EP0737038A1; CN1137225A; BG100626A; WO1995016369A1; ES2170135T3; BG62634B1; AU1212395A; PT737038E; AU680977B2; RU2127986C1; US5509430A; PL315057A1; EP0737038B1; PL178206B1; DE69430010D1; BR9408309A; DK0737038T3; KR100359754B1; EP0737038A4

Description

Die Erfindung betrifft einzigartige Bikomponenten-Polymerfasern und die Herstellung von preisgünstigen Tabakrauchfiltern aus Bikomponentenfasern mit einem Kern aus preisgünstigem, hochfestem thermoplastischem Polymer, vorzugsweise Polypropylen, und einem bindungsfähigen Mantel aus einem Material, das vorzugsweise unter weichmacherhaltigem Celluloseacetat, Ethylen-Vinylacetat- Copolymer, Polyvinylalkohol oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer ausgewählt ist.
Bikomponentenfasern mit einem Mantel aus jedem dieser Polymermaterialien weisen einzigartige Eigenschaften und Vorteile auf, besonders wenn sie in Tabakrauchfiltern eingesetzt werden, haben aber auch mehrere Eigenschaften gemeinsam, die für die kommerzielle Anwendung des vorliegenden Erfindungsgedankens wichtig sind. Für Raucherkreise wohl am wichtigsten ist, daß für jedes dieser Mantelinaterialien bei Verwendung zum Filtern von Tabakrauch ein akzeptierbarer Einfluß auf den Geschmack festgestellt wurde. Außerdem können solche Bikomponentenfasern aus der Schmelze geblasen werden, um sehr feine Fasern mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 10 um oder weniger zu erzeugen, um eine verbesserte Filtration zu erzielen. Ein weiteres kommerziell wichtiges Merkmal dieser Bikomponentenfasern ist, daß sie kontinuierlich erzeugt und gleichzeitig in einem Einschrittverfahren zu Tabakrauchfiltern weiterverarbeitet werden können. Daher können Tabakrauchfilter, die aus Bikomponentenfasern gemäß der vorliegenden Erfindung geformt werden, einen besseren Filterwirkungsgrad und eine akzeptierbare Geschmackswirkung bei wesentlich niedrigeren Kosten bieten, wenn sie bei Zigaretten und anderen Raucherwaren eingesetzt werden.

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In Tabakrauchfilterelementen sind die verschiedensten Faserstoffe eingesetzt worden. Die Auswahl von Materialien zur Verwendung bei der Herstellung solcher Filter ist jedoch wegen der Notwendigkeit, verschiedene kommerzielle Anforderungen aufeinander abzustimmen, eingeschränkt worden. Eine sehr wichtige Eigenschaft eines Tabakrauchfilters ist offensichtlich sein Filterwirkungsgrad, d. h. seine Fähigkeit, ausgewählte Bestandteile aus dem Tabakrauch zu entfernen. Beim Bereich des Filterwirkungsgrades mußte jedoch ein Kompromiß eingegangen werden, um andere kommerziell wichtige Faktoren einzuhalten, wie z. B. Saugwiderstand, Härte, Geschmackseinfluß und Herstellungskosten.
Celluloseacetat ist lange als das bevorzugte Material bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern angesehen worden, hauptsächlich wegen seiner Fähigkeit, einen akzeptierbaren Filterwirkungsgrad in der Größenordnung von etwa 50% bereitzustellen, ohne den Tabakgeschmack wesentlich zu beeinträchtigen, wegen des niedrigen Saugwiderstands und der von der Mehrzahl der Raucher gewünschten Filterhärte. Eine wesentliche Komponente des kommerziell wünschenswerten "Geschmacks" wird durch die bei der Produktion von Filterelementen aus Celluloseacetatfasern eingesetzten Standardweichmacher bereitgestellt, gewöhnlich Triethylenglycolacetat oder Glycerintriacetat ("Triacetin"). Bei der herkömmlichen Zigarettenfilterfertigung wird der Weichmacher gewöhnlich durch Sprühen oder Dochtwirkung unter Anwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren auf die Celluloseacetatfaser aufgebracht. Die Tendenz des Weichmachers, zur Mitte der herkömmlichen Celluloseacetatfasern zu wandern, vermindert den Weichmachergehalt an der Faseroberfläche, wodurch sein Geschmacksverstärkungsvermögen minimiert und die Lagerfähigkeit von weichmacherhaltigen Kabelfasern vor der Verarbeitung zu Filterstäben eingeschränkt wird. Der Weichmacher wird daher gewöhnlich dem Kabel während der Herstellung der Filterstäbe zugesetzt.
Celluloseacetatfasern, die auf diese Weise weichgemacht und mit Papier zu stabähnlichen Formen umwickelt werden, werden an den Faserkontaktpunkten bindungsfähig, wodurch die Ausbildung von relativ selbsterhaltenden, langgestreckten Filterstäben in zwei bis vier Stunden ermöglicht wird. Dieser Prozeß kann durch Anwendung von Gasen bei erhöhten Temperaturen gleichzeitig mit der Ausbildung des Filterstabs beschleunigt werden. Auf diese Weise produzierte Filterstäbe bieten einen gewundenen Weg für den Durchgang von Tabakrauch, wenn getrennte Abschnitte dieses Materials als Tabakrauchfilterelemente verwendet werden.
Der Filterwirkungsgrad kann durch Verwendung von kleinen Fasern, die bei gleichem Fasergewicht einen vergrößerten Faseroberflächeninhalt bereitstellen, wesentlich erhöht werden. Aus Lösung gesponnene Celluloseacetatfaser ist im Handel nur in Faserstärken bis hinab zu 13 um Durchmesser erhältlich. Um feinere Celluloseacetatfaser von beispielsweise 10 um oder weniger zu erhalten, wäre das Schmelzspinnen von weichmacherhaltigem Celluloseacetatharz erforderlich; der zum direkten Spinnen so feiner Celluloseacetatfasern notwendige Weichmachergehalt würde jedoch die entstehenden Fasern sehr schwach und kommerziell unbrauchbar machen. Schmelzgesponnene Celluloseacetatfaser von größerem Durchmesser, die weniger Weichmacher erfordern würde, müßte gestreckt und gekräuselt werden, um solche feinen Fasern zur Verwendung in Tabakrauchfiltern herzustellen. Leider können schmelzgesponnene Celluloseacetatfasern großtechnisch nur mit relativ niedrigen Streckverhältnissen gestreckt werden, bevor die Fasern bei der Verarbeitung reißen. Die Unfähigkeit zur Ausbildung und Verarbeitung sehr feiner Celluloseacetatfasern erlegt den Filterleistungsfähigkeiten dieses Materials bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern praktische Beschränkungen auf.
Kommerziell von großer Bedeutung ist ferner, daß im Vergleich zu anderen Polymerwerkstoffen, wie z. B. Polyolefinen, Celluloseacetat relativ teuer ist und beispielsweise ungefähr dreimal so viel kostet wie Polypropylen, das in Harzform im Handel erhältlich ist. Es ist zwar versucht worden, bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern andere, weniger teure und leichter verarbeitbare Polymerwerkstoffe wie etwa Polypropylen anstelle von Celluloseacetat einzusetzen, aber derartige Bemühungen sind auf kommerzieller Ebene nahezu vollständig aufgeben worden, hauptsächlich wegen des unerwünschten Einflusses solcher Materialien auf die Geschmackseigenschaften von Tabakrauch. Außerdem ist diese Verwendung allgemein dadurch beschränkt, daß sich die Fasern nicht leicht binden lassen, um die gewünschte Filterhärte bei dem erforderlichen Saugwiderstand zu erzielen.
Ein weiteres Problem bei handelsüblichen Tabakrauchfiltern, besonders bei Zigarettenfiltern, die gegenwärtig auf dem Markt angeboten werden, ist die Schwierigkeit der Entsorgung solcher Materialien nach dem Gebrauch. Durch Verbinden stark gekräuselter Celluloseacetatfasern an ihren Kontaktpunkten sind herkömmliche Zigarettenfilter so konstruiert, daß sie ein beträchtliches Zwischenraumvolumen für den Durchgang von Tabakrauch bereitstellen. Die verbundenen Kontaktpunkte solcher Filterelemente zersetzen sich unter normalen Umweltbedingungen sehr langsam, was zu sehr langlebigem, ökologisch unerwünschtem Abfall von großem Volumen führt.
EP-A-0 093 021 offenbart eine synthetische Bikomponentenfaser, die sich als Ersatz für Cellulosefasern eignet und die einen Kern aus Olefinpolymer und einen Mantel aus hydrophilem Polymer aufweist, die durch Extrudieren einer stabilen Emulsion hergestellt werden, die aus einem Gemisch einer Lösung der beiden Polymere in umnischbaren Lösungsmitteln bei einer Temperatur gebildet wird, die den Siedepunkt des Olefinpolymer-Lösungsmittels übersteigt und mindestens gleich der Auflösungstemperatur des Polymers in einem solchen Lösungsmittel in einem Medium bei niedrigerem Druck ist.

AUFGABEN DER ERFINDUNG

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, polymere Bikomponentenfaserstoffe bereitzustellen, welche die Vorteile von Celluloseacetat bieten, besonders wenn sie bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern eingesetzt werden, und dabei viele der obenerwähnten, im kommerziellen Bereich erkannten Nachteile dieses Materials überwinden.
Eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Tabakrauchfilters, der die Vorteile herkömmlicher Filter aus Celluloseacetatfaser bei wesentlich niedrigeren Kosten bietet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Mantel-Kern- Bikomponentenfaserstoffs besonders für den Gebrauch bei der Herstellung von Tabakrauchfilterelementen, das die kommerziell wünschenswerten Geschmacks-, Härte- und Saugwiderstandseigenschaften von Filtern aus Celluloseacetatfaser mit einem preisgünstigen, hochfesten Polymerwerkstoff wie z. B. Polypropylen vereinigt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindungskonzeptionen ist die Bereitstellung eines Tabakrauchfilters, der aus Mantel-Kern-Bikomponentenfasern besteht, wobei sich der Mantel unter Einwirkung von Umweltbedingungen schnell zersetzt und nur unverbundene feine Fasern zurückläßt, die im Vergleich zu dem Filterelement, von dem sie herrühren, ein sehr geringes Volumen aufweisen und praktisch nicht wahrnehmbar sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Bikomponentenfaser, die mit Hilfe von Schmelzblasfaserverfahren verfeinert worden ist, die sehr feine Fasern mit mittleren Durchmessern in der Größenordnung von etwa 10 um oder weniger ergeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von sehr feinen Bikomponentenfasern, die zur Ausbildung eines Tabakrauchfilterstabes mit hohem Filterwirkungsgrad eingesetzt werden können und dabei die strukturelle Integrität des Filterstabes aufrechterhalten, wodurch die Kosten weiter gesenkt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Filterstäben, Filterelementen und Filterzigaretten und dergleichen, die Filterelemente enthalten, die aus derartigen schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern bestehen und kommerziell wünschenswerte Geschmackseigenschaften, Filterwirkungsgrad-, Saugwiderstands- und Härteeigenschaften aufweisen, sowie von Verfahren zur Herstellung solcher Materialien auf hocheffiziente und kommerziell akzeptierbare Weise.
Bei weiterem Durchlesen der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche werden für den Fachmann weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Filtervorrichtung für Tabakrauch bereitgestellt, die ein weitgehend selbsterhaltendes, im wesentlichen zylinderförmiges Element aus Faserstoff mit durchgehenden Fasern aufweist, die an voneinander beabstandeten Kontaktpunkten miteinander verbunden sind, um einen gewundenen interstitiellen Weg für den Durchgang von Rauch zu bilden, wobei zumindest ein größerer Teil der Fasern Bikomponentenfasern sind, die einen Kern aus einem thermoplastischen Material aufweisen, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel aus einem Polymer umgeben ist, wobei das Polymer weichmacherhaltiges Celluloseacetat, Polyvinylalkohol, Ethylen-Vinylacetat- Copolymer oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer ist, und wobei der Faserstoff ein verwirrtes Vlies oder Vorgespinst aus den Bikomponentenfasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 10 um oder weniger aufweist.
Gleichfalls nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Filtervorrichtung für Tabakrauch bereitgestellt, das aufweist: Bereitstellen getrennter Quellen für ein geschmolzenes thermoplastisches Kernbildungsmaterial und ein geschmolzenes Mantelbildungsmaterial, wobei das geschmolzene Mantelbildungsmaterial Polyvinylalkohol, weichmacherhaltiges Celluloseacetat, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer ist; kontinuierliches Schmelzspinnen der geschmolzenen Kernbildungs- und Mantelbildungsmaterialien durch mehrere Öffnungen in einer gepaarten Mantel-Kern-Düse zu einem stark verwirrten Vlies aus Bikomponentenfasern, wobei jede Faser einen durchgehenden Kern aus Kernbildungsmaterial aufweist, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel aus Mantelbildungsmaterial umgeben ist; ausreichendes Inkontaktbringen der Bikomponentenfasern mit einem unter Druck stehenden Gas bei ihrem Austritt aus der Mantel-Kern-Düse, um die Bikomponentenfasern zu verdünnen, während sie sich noch im geschmolzenen Zustand befinden, um ein Vlies oder Vorgespinst aus zufällig verteilten, verwirrten Bikomponentenfasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 10 um oder weniger herzustellen; Raffen des Vlieses aus Bikomponentenfasern zu einer endlosen stabartigen Form; kontinuierliches Erhitzen des gerafften Vlieses, um es an den Kontaktpunkten der Fasern bindungsfähig zu machen; Abkühlen des entstehenden Elements, um einen endlosen Stab zu formrn, der einen gewundenen Weg für den Durchgang von Rauch bildet; und Zerschneiden des Stabes in getrennte Abschnitte.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Filtervorrichtung für Tabakrauch bereitgestellt, die ein weitgehend selbsterhaltendes, im wesentlichen zylinderförmiges Element aus Faserstoff mit durchgehenden Fasern aufweist, die an voneinander beabstandeten Kontaktpunkten miteinander verbunden sind, um einen gewundenen interstitiellen Weg für den Durchgang von Rauch zu bilden, wobei zumindest ein größerer Teil der Fasern Bikomponentenfasern sind, die einen Kern aus einem thermoplastischen Material aufweisen, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel aus einem Polymer umgeben ist, wobei das Polymer weichmacherhaltiges Celluloseacetat oder Polyvinylalkohol ist.
Gleichfalls nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Filtervorrichtung für Tabakrauch bereitgestellt, das aufweist: Bereitstellen getrennter Quellen für ein geschmolzenes thennoplastisches Kernbildungsmaterial und ein geschmolzenes Mantelbildungsmaterial, wobei das geschmolzene Mantelbildungsmaterial Polyvinylalkohol oder weichmacherhaltiges Celluloseacetat ist; kontinuierliches Schmelzspinnen des geschmolzenen Kernbildungs- und Mantelbildungsmaterials durch mehrere Öffnungen in einer gepaarten Mantel-Kern-Düse zu einem stark verwirrten Vlies aus Bikomponentenfasern, wobei jede Faser einen durchgehenden Kern aus Kernbildungsmaterial aufweist, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel aus Mantelbildungsmaterial umgeben ist; Raffen des Vlieses aus Bikomponentenfasern zu einer endlosen stabartigen Form; Erhitzen des gerafften Vlieses, um es an den Kontaktpunkten der Fasern bindungsfähig zu machen; Abkühlen des entstehenden Elements, um einen endlosen Stab zu bilden, der einen gewundenen Weg für den Durchgang von Rauch bildet; und Zerschneiden des Stabs in getrennte Abschnitte.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Filterstab bereitgestellt, der mehrere Filterelemente der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung aufweist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Zigarette bereitgestellt, die einen Tabakabschnitt und einen Filterabschnitt aufweist, wobei der Filterabschnitt eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung aufweist oder nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Der Begriff "Bikomponenten-", wie er hier gebraucht wird, bezieht sich auf die Verwendung zweier Polymere von unterschiedlicher chemischer Natur, die in getrennten Teilen einer Faserstruktur eingesetzt werden. Es sind zwar auch andere Formen von Bikomponentenfasern möglich, aber die gebräuchlicheren Verfahren führen entweder zu "nebeneinanderliegenden" oder zu "Mantel-Kern"- Beziehungen zwischen den beiden Polymeren. Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich die Herstellung von "Mantel-Kern"-Bikomponentenfasern, wobei ein bindungsfähiges Mantelpolymer so gesponnen wird, daß es einen Kern aus relativ preisgünstigem, hochfestem Polymerwerkstoff, wie z. B. Polypropylen, vollständig bedeckt und umgibt, vorzugsweise unter Anwendung eines "Schmelzblas"- Faserprozesses zum Verdünnen bzw. Verfeinern der Faser. Bei dieser Konstruktion kann das Kernmaterial mindestens etwa 50 Gew.-% und so viel wie etwa 90 Gew.-% der Gesamtfaser ausmachen und der Faser zu wesentlich niedrigeren Materialkosten als bei einer ganz aus Celluloseacetat bestehenden Faser eine hohe Festigkeit verleihen. Bei dichteren Mantelmaterialien können höhere Gewichtsanteile des Mantelmaterials wünschenswert sein, z. B. 40/60 Mantel/Kern, um eine angemessene Umhüllung für einen erfolgreichen Einfluß auf Bindung und Geschmack sicherzustellen und dabei einen überwiegenden Anteil an Kernmaterial aufrechtzuerhalten. Noch geringere Kernmaterialanteile im Konjugat senken die Kosten der Faser und daraus hergestellter Tabakrauchfilter auf kommerziell signifikante Weise.
Bei Verwendung in der Herstellung eines Tabakrauchfilters können die Mäntel von nebeneinanderliegenden Fasern in einem Kabel, das aus CA, EVA, VAL oder EVAL besteht, an ihren Kontaktpunkten verbunden werden, um nach den hierin beschriebenen Verfahren selbsterhaltende Filterstäbe zu formen und einen Filterwirkungsgrad, eine Härte und einen Saugwiderstand bereitzustellen, die denen von herkömmlichen Celluloseacetatflltern ähnlich sind. Da außerdem nur der Mantel an der Oberfläche mit dem Rauch in Kontakt kommt, werden die sehr wünschenswerten Geschmackseigenschaften des Mantelpolymers realisiert, und der unerwünschte Einfluß des Kernmaterials auf die Geschmackseigenschaften wird vermieden.
Während Bikomponentanfasern bekannt sind, hält man bestimmte erfindungsgemäße Mantel- Kern-Konjugate bzw. -Paare für einzigartig, die unerwartete Attribute aufweisen. Wegen der Schwierigkeit beim Schmelzspinnen vom Celluloseacetat (CA) und beim Erreichen von Kompatibilität und Verfeinerung eines Verbundstoffs, der mit einem Thermoplast ausgebildet wird, wie z. B. Polypropylen, werden Bikomponentenfasern aus solchen Materialien, die durch Schmelzblasen des erfindungsgemäßen Konjugats geformt werden, als neuartig angesehen. Ebenso sind zwar bei der Produktion von Tabakrauchfiltern, die sich hauptsächlich aus Celluloseacetat-Stapelfasern zusammensetzen, nebeneinanderliegende Bikomponentenfasern aus Ethylen-Vinylacetat (EVA) und einem Polyolefin vorgeschlagen worden, hauptsächlich zur Verwendung als Bindemittel, aber die Vorteile der Verwendung endloser EVA-Mantel- Kern-Fasern zur Bildung der Hauptkomponente solcher Filterprodukte oder der gesamten Filter sind nicht erkannt worden. Darüberhinaus hat eine Bikomponentenfaser von hoher Festigkeit und niedrigen Kosten, mit einem Kern beispielsweise aus Polypropylen und einem Mantel aus Polyvinylalkohol (VAL) oder Ethylen-Polyvinylalkohol (EVAL) die unerwartete Fähigkeit, relativ stabile und selbsterhaltende, luftdurchlässige verbundene Stäbe zu bilden, die wirksam als Rauchfilter funktionieren und sich dennoch unter Einwirkung von Umweltbedingungen leicht zersetzen.
Bikomponentenfasern dieser Art, hergestellt nach herkömmlichen Spinnverfahren für "schmelzgeblasene" Fasern, können während der Extrusion verfeinert werden, um ultrafeine Fasern herzustellen. Obwohl Celluloseacetatfasern mit Stärken in der Größenordnung von etwa 11 um bekannt sind, wie oben angegeben, haben die feinsten gegenwärtig im Handel erhältlichen Celluloseacetatfasern allgemein einen Durchmesser von etwa 13 um oder mehr. Gemäß den vorliegenden Erfindungsgedanken können Bikomponentenfasern von 10 um und weniger bis hinab zu 5 und sogar zu etwa 1 um hergestellt und in einen Tabakrauchfilterstab eingebracht werden.
Der Mantel aus CA-, EVA-, VAL- oder EVAL-Polymer liefert als Ergebnis nicht nur einen Tabakrauchfilter mit den kommerziell wünschenswerten, von den Rauchern geforderten Geschmackseigenschaften, sondern ein Kabel oder Vlies mit derartigen Fasern weist die hervorragenden Bindungseigenschaften auf, die von solchen Materialien erwartet werden, und derartige Fasern lassen sich auf geeignet angepaßten großtechnischen Hochgeschwindigkeits-Filterherstellungsanlagen verarbeiten, die gewöhnlich in der Industrie eingesetzt werden. Bei Anwendung der hitzebeschleunigten Verbindung behält außerdem der aus Polypropylen bestehende Kern in solchen Bikomponentenfasern seine Festigkeit während der Hitzebehandlung des Kabels bei, wodurch das Flachwerden minimiert wird und ein großes Garnvolumen entsteht. Ferner wird bei einem Polypropylenkem die Neigung von ganz aus Celluloseacetat bestehenden Fasern zum Zusammenfallen bei Einwirkung von heißem, feuchtem Tabakrauch ("Hitzekollaps") vermieden, die zum Vorbeiströmen von Rauch führt.
Bikomponentenfasern gemäß der vorliegenden Erfindung können mit zylinderförmigem Kern und umgebendem Mantel geformt werden, aber solche Materialien können auch durch eine Düse für schmelzgeblasene Fasern extrudiert werden, die einen nichtrunden Querschnitt erzeugt. Zum Beispiel können bekannte Verfahren und Ausrüstungen zur Herstellung von dreilappigen oder "Y"-förmigen Fasern eingesetzt werden. Ebenso können Fasern mit "X"-Querschnitt oder einem anderen mehrschenklig ausgedehnten Faserquerschnittsprofil hergestellt werden. In allen derartigen Fasern sollte das Mantelpolymer immer noch den Polypropylenkern vollständig umhüllen, um die weiter oben erwähnten Vorteile bereitzustellen. Der nichtrunde Querschnitt ist jedoch im Endprodukt besonders vorteilhaft zur Bereitstellung eines vergrößerten Oberflächeninhalts für Filtrationszwecke.
Die Herstellung von Fasern mit nichtrundem Querschnitt und daher mit vergrößertem Oberflächeninhalt verbessert außerdem die Wirksamkeit der Luft, die zum Verfeinern der Fasern im Schmelzblasverfahren benutzt wird, und erzeugt ein größeres Volumen im entstehenden Vlies. Dies ist insofern ein wichtiger Faktor, als bei einem schmelzgeblasenen Produkt keine Kräuselung erzeugt wird. Unrunde Querschnitte führen im allgemeinen zu einer Verminderung der bei der Verarbeitung der Bikomponentenfasern benötigten Luftmenge, wodurch die Herstellungskosten weiter gesenkt werden, nicht nur durch Verminderung der Bereitstellungskosten der Druckluft, sondern auch durch Minimieren der Kosten zur Ableitung der Luft, wenn diese ihren Zweck erfüllt hat.
Bei Verwendung von erfindungsgemäßen Bikomponentenfasern, besonders von Fasern mit einem CA-, EVA-, VAL- oder EVAL-Polymer im Mantel und von Polypropylen-Polymer im Kern, können Tabakrauchfilter unter Verwendung herkömmlicher, handelsüblicher Ausrüstungen unter erheblichen Materialkosteneinsparungen von bis zu 70% hergestellt werden. Wenn sehr feine schmelzgeblasene Fasern produziert werden, können außerdem Filter mit sehr hohen Filterwirkungsgraden bis zu 80-95% oder mehr bei kommerziell akzeptierbaren Druckdifferenzen und zu wesentlich niedrigeren Kosten entstehen als Filter mit hohem Filterwirkungsgrad nach dem Stand der Technik. Tatsächlich ist der Filterwirkungsgrad von Tabakrauchfiltern, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, mit Filtern nach dem Stand der Technik zumindest vergleichbar, bei erheblicher Kostensenkung, die durch den Austausch eines größeren Teils der Fasern durch ein preisgünstigeres Material entsteht. Beispiele von Filtern, die mit verschiedenen Faserzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, und entsprechende Filterleistungs- und Kostenwerte sind in den weiter unten diskutierten Tabellen 1, 2 und 3 zusammengefaßt.
Die Verwendung von Bikomponentenfasern bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern gemäß der vorliegenden Erfindung, in denen der Mantel VAL oder EVAL aufweist, hat den weiteren Vorteil einer verbesserten biologischen Abbaubarkeit. Mit Ausnahme des herkömmlichen Filterelements zersetzen sich die Restbestandteile einer Filterzigarette unter normalen Umweltbedingungen relativ schnell und lassen wenig Rückstände zurück, welche die Umwelt beeinträchtigen oder auf Mülldeponien wertvollen Raum einnehmen. Die stark gekräuselten, gebundenen Celluloseacetat-Filterelemente, die gewöhnlich in handelsüblichen Filterzigaretten verwendet werden, sind jedoch schwer zerstörbar und führen zu unansehnlichem, lange Zeit Unannehmlichkeiten verursachendem, ökologisch unerwünschtem Abfall. VAL- und EVAL Copolymere werden in Gegenwart von Wasser ohne weiteres weich oder lösen sich auf Daher werden die Klebekontaktstellen bildenden Tabakrauchfilter gemäß der vorliegenden Erfindung, in denen das relativ selbsterhaltende, rauchdurchlässige Filterelement durch Verbinden bzw. Verkleben von Mantel-Kern-Bikomponentenfasern mit einem Mantel aus VAL oder EVAL gebildet wird, unter normalen Umweltbedingungen abgebaut und lassen nicht mehr als eine Vielzahl von nahezu nicht wahrnehmbaren, sehr feinen Fasern zurück. Während aus solchen Materialien gebildete Filterelemente den relativ kleinen Feuchtigkeitsmengen widerstehen können, denen sie beim Rauchen kurzzeitig ausgesetzt sind, zersetzen daher sich nach dem Gebrauch die verbundenen Kontaktpunkte schnell zusammen mit den übrigen Teilen der Filterzigarette und erzeugen wenig ökologisch unerwünschte Rückstände. Sogar die Verwendung eines größeren Anteils solcher Bikomponentenfasern bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern in Kombination mit anderen Faserstoffen ergibt ein leichter biologisch abbaubares Produkt.
Tabakrauchfilter, die ganz aus Bikomponentenfasern wie den hier beschriebenen bestehen, sind zwar einzigartig und kommerziell wünschenswert, aber solche Bikomponentenfasern können auch für spezielle Anwendungen mit kleineren Anteilen anderer Polymerfasern, einschließlich Celluloseacetat- Homopolymerfasern, integriert werden. Die aus der vorliegenden Erfindung resultierenden maximalen Kostenvorteile werden jedoch bei der Herstellung von Tabakrauchfiltern realisiert, die ganz aus den hier offenbarten schmelzgeblasenen Bikomponentenfasern bestehen.
Verschiedene Eigenschaften derartiger Filter können durch Zugabe von körnigen festen oder von flüssigen Zusätzen verbessert werden. Zum Beispiel können feine Aktivkohleteilchen einem Vlies oder Vorgespinst aus solchen Bikomponentenfasern zugesetzt werden, bevor dieses zu einem Filterstab gerafft wird, um auf dem Fachmann bekannte Weise Gasphasenfiltereigenschaften in dem entstehenden Filterelement bereitzustellen. Da herkömmliche Celluloseacetat-Weichmacher dazu neigen, Aktivkohle zu "verstopfen" oder zu deaktivieren, liefern die vorliegenden Bikomponentenfasern wegen der Abwesenheit oder geringeren Menge der erforderlichen Weichmacher einen höheren Gasphasen-Filterwirkungsgrad. Daher kann bei gleichem zugegebenem Aktivkohleanteil ein wirksamerer Filter bereitgestellt werden, oder bei gleichem Wirkungsgrad entsteht ein billigerer Filter.
Ebenso können flüssige Aromamodifikatoren oder Aromastoffe auf die Faser gesprüht werden, um das Aroma von Rauch zu modifizieren oder zu verbessern, der das aus solchen Materialien hergestellte Filterelement durchströmt. Zum Beispiel wird Tabak und/oder Filtermaterialien gewöhnlich Menthol zur Herstellung von Mentholzigaretten zugesetzt. Solche Materialien werden jedoch gewöhnlich durch Celluloseacetat absorbiert, wodurch ihre Wirksamkeit vermindert wird. Da bei den vorliegenden Bikomponentenfasern der Polypropylenkern nicht absorbiert und die Mantelpolymere eine geringe oder gar keine Absorption aufweisen, ist eine Verringerung der notwendigen Aromazusatzmenge möglich, um einen gewünschten Geschmackseffekt zu erzielen.
Die vorliegenden Erfindungsgedanken sind zwar bei der Herstellung von Bikomponentenfasern anwendbar, die einen Mantel aus CA-, EVA-, VAL- oder EVAL-Polymer und einen Kern aus thermoplastischem Polymer aufweisen, die bei jeder Anwendung von Nutzen sind, wo bisher ganz aus Celluloseacetat bestehende Fasern eingesetzt wurden, aber die gegenwärtig ins Auge gefaßte Hauptanwendung für solche Fasern liegt in der Produktion von Tabakrauchfiltern. Ebenso können zwar die erfindungsgemäßen Tabakrauchfilter in Verbindung mit Zigaretten, Zigarren und Pfeifen eingesetzt werden, aber die kommerzielle Hauptanwendung derartiger Filter bezieht sich auf die Verwendung von Filtern für Zigaretten. Daher werden diese Produkte hierin ausführlich als Beispiele der allgemeineren Anwendungen für die vorliegende Erfindung beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zu einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weiterer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gelangt man durch Betrachtung der hier gegebenen ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Form einer "Mantel-Kern"- Bikomponentenfaser gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Stirnseitenansicht einer dreilappigen oder "Y"-förmigen Bikomponentenfaser gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht einer "X"- oder kreuzförmigen Ausführungsform der Bikomponentenfaser gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Form einer Verarbeitungslinie zur Herstellung von Tabakrauchfilterstäben aus den erfindungsgemäßen Bikomponentenfasern;
Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung des Mantel-Kern-Schmelzblasdüsenabschnitts der Verarbeitungslinie von Fig. 4;
Fig. 6 einer vergrößerte perspektivische Ansicht eines Tabakrauchfilterstabs, hergestellt aus Bikomponentenfasern gemäß den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Zigarette mit einem Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 ein Diagramm, das die Wirkung von Weichmacher auf die Fließeigenschaften von Celluloseacetatharzen darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung werden in einer schmelzgeblasenen Mantel- Kern-Bikomponentenfaser, wobei der Kern aus einem preisgünstigen, hochfesten thermoplastischen Polymer besteht, vorzugsweise aus Polypropylen, und der Mantel vorzugsweise aus Celluloseacetat, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Polyvinylalkohol oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer besteht, sowie in daraus hergestellten Tabakrauchfiltern realisiert.
Das bevorzugte Celluloseacetat ist Celluloseacetatharz in Form von Spänen, das mit einem üblichen Weichmacher, wie z. B. Triacetin, vermischt worden ist. Um immer kleinere schmelzgeblasene Bikomponentenfasern zu erhalten, muß das Celluloseacetatharz stärker plastifiziert bzw. weichgemacht werden, um seine Viskosität zu verringern, wie in Fig. 8 dargestellt. Der Polypropylenkern bietet jedoch innere Festigkeit für die feinen Fasern, um deren Verarbeitbarkeit zu Tabakrauchfiltern sicherzustellen. Außerdem ist bei Verwendung eines richtig mit Weichmacher vermischten Celluloseacetatharzes keine weitere Zugabe von Weichmacher während der Herstellung der Bikomponentenfaser oder in dem Herstellungverfahren für Tabakrauchfilter notwendig, wenn Heißbindeverfahren angewandt werden. Vorzugsweise weist das Celluloseacetatharz etwa den gleichen Acetylierungsgrad auf wie das lösungsgesponnene Celluloseacetat, das gegenwärtig für die großtechnische Produktion von Tabakrauchfiltern verwendet wird, obwohl eine erhebliche Abweichung ohne größere Auswirkung auf das Endprodukt möglich ist.
Bei Verwendung von Celluloseacetat für das Mantelmaterial ist der bevorzugte Weichmacher ein Essigsäureester, wie z. B. Glycerintriacetat ("Triacetin") oder Triethylenglycoldiacetat; jedoch kann jeder beliebige Weichmacher von Celluloseacetat eingesetzt werden. Da der Polypropylenkern den Weichmacher nicht absorbiert, werden an der Oberfläche der Polymer-Bikomponentenfasern große Weichmachermengen zurückgehalten, wodurch die Fasern allein durch Wärmezufuhr während der Verarbeitung zum Formen der Stäbe miteinander verbunden bzw. verklebt werden können. Der an der Oberfläche vorhandene Weichmacher trägt außerdem zu der günstigen Geschmackswirkung der Fasern auf den Tabakrauch bei. Die fehlende Absorption von Weichmacher durch den Polypropylenkern ermöglicht auch eine Lagerung der Fasern in Form eines Faserkabels, Vlieses oder Vorgespinstes über einen langen Zeitraum und ihre anschließende Verarbeitung zu einem Filterstab unter Anwendung von Heißbindeverfahren.
Alternative Mantelmaterialien anstelle von Celluloseacetat, bei denen festgestellt wurde, daß sie gute Verarbeitbarkeits- und Bindungseigenschaften bei akzeptierbarem Einfluß auf den Geschmack des Tabakrauchs bieten, sind unter anderem diejenigen Polymere, die Essigsäureester und/oder einen Überfluß an Hydroxylgruppen enthalten. Zu den Polymeren in dieser Kategorie gehören alle Polymere, die durch Copolymerisation von Vinylacetat und einem oder mehreren Monomeren, z. B. Ethylen oder Propylen, entstehen, vorzugsweise Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA) sowie die vollständig oder teilweise hydrolysierten Produkte der obigen, vorzugsweise Polyvinylalkohol (VAL), der gewöhnlich Acetatrestgruppen enthält, und Ethylen-Vinylallcohol-Copolymer (EVAL).
Zur Herstellung von Bikomponentenfasern mit kleinem Durchmesser sind Harze mit niedrigem Molekulargewicht erforderlich, und in einigen Fällen können Weichmacher zugesetzt werden, um in einem ähnlichen Zusammenhang, wie in Fig. 8 für weichmacherhaltiges Celluloseacetat dargestellt, die Viskosität zu verringern. Die folgenden Beispiele A und B veranschaulichen die Auswirkung des Molekulargewichts auf die möglichen Fasergrößen einer schmelzgeblasenen EVA/Polypropylen-Bikomponentenfaser und der Beziehung zwischen dem Molekulargewicht des EVA-Polymers und seiner Schmelzviskosität auf die entstehende Fasergröße.
Die Schmelzviskosität kann durch Verändern von Molekulargewichten durch den Polymerisationsprozeß modifiziert werden. Außerdem können die Copolymergemische reguliert werden. Beispielsweise wurde zwar für das in den Beispielen erwähnte EVA ein Gemisch von 20/80 Gew.-% Vinylacetat/Ethylen eingesetzt, aber dieses Verhältnis kann unabhängig variiert werden. Ferner wird, wie erwähnt, die Schmelzviskosität auch durch die Verwendung eines für das Mantelpolymer spezifischen Weichmachers in verschiedenen Konzentrationen modifiziert. Der Fachmann kann leicht die geeigneten Parameter auswählen, um eine Faser der gewünschten Größe und mit Eigenschaften innerhalb des Umfangs der Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung herzustellen.
Das Verfahren zur Herstellung der speziellen Polymere, die bei der Produktion von Bikomponentenfasern eingesetzt werden, ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Verfahren zur Herstellung dieser Polymere sind dem Fachmann bekannt, und es können die meisten im Handel erhältlichen CA-, EVA-, VAL- oder EVAL-Materialien eingesetzt werden. Es ist zwar nicht notwendig, Mantel- und Kernmaterialien mit der gleichen Schmelzviskosität einzusetzen, da in dem Verfahren für schmelzgeblasene Bikomponentenfasern jedes Polymer getrennt hergestellt wird, aber es kann wünschenswert sein, ein Kernmaterial, z. B. Polypropylen, mit einem ähnlichen Schmelzindex wie dem des Mantelpolymers auszuwählen oder nötigenfalls die Viskosität des Mantelpolymers so zu modifizieren, daß sie derjenigen des Kernmaterials ähnlich ist, um Verträglichkeit beim Schmelzextrusionsverfahren durch die Bikomponentendüse sicherzustellen. Die Bereitstellung von Mantel-Kern-Komponenten mit verträglichen Schmelzindizes ist mit den im Handel erhältlichen thermoplastischen Polymeren und Zusätzen für den Fachmann kein wesentliches Problem.
Polypropylen ist zwar das bevorzugte Kernmaterial, aber es können auch andere thermoplastische Polymermaterialien eingesetzt werden, einschließlich Polyamide, wie z. B. Nylon 6 und Nylon 66, und Polyester, wie z. B. Polyethylenterephthalat. Die Polyolefine, einschließlich Polyethylen niedriger und hoher Dichte, werden jedoch aus Kostengründen bevorzugt, und Polypropylen hat sich bei der Bereitstellung der Festigkeit, die für die Produktion sehr feiner Fasern unter Anwendung von Schmelzblasverfahren benötigt wird, als besonders brauchbar erwiesen.
Innerhalb der allgemeinsten Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin und in den beigefügten Patentansprüchen definiert werden, können zwar andere Mantel- oder Kernmaterialien verwendet werden, aber der bevorzugte Mantel wird aus einem weichmacherhaltigen CA, EVA, VAL oder EVAL geformt, und der bevorzugte Kern wird aus Polypropylen geformt. Daher wird nachstehend hauptsächlich auf diese Materialien Bezug genommen.
Eine Bikomponentenfaser nach den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung ist schematisch bei 10 in Fig. 1 dargestellt. Natürlich sind die Größe bzw. Stärke der Faser und das relative Verhältnis ihrer Mantel-Kern-Teile der deutlichen Darstellung wegen stark übertrieben dargestellt. Die Faser 10 besteht vorzugsweise aus einem CA-, EVA-, VAL- oder EVAL-Mantel 12 und einem Polypropylen-Kern 14. Das Kernmaterial umfaßt mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise etwa 80 Gew.-% oder mehr des Gesamtfasergehalts.
Die in Fig. 1 dargestellte Bikomponentenfaser ist von rundem Querschnitt. Durch Auswahl einer geeigneten Form der Öffnungen in der Mantel-Kern-Extruderdüse kann die Faser jedoch mit einem nichtrunden Querschnitt versehen werden, um ihren Oberflächeninhalt zu vergrößern und dadurch eine verbesserte Filterwirkung des als Endprodukt erzeugten Tabakrauchfilters zu erreichen und um bei Anwendung von Schmelzblasverfahren zum Verfeinern der Faser die Luftausnutzung zu verbessern. In Fig. 2 ist eine dreilappige oder "Y"-förmige Faser 10a mit einem Mantel 12a und einem Kern 14a dargestellt. Entsprechend veranschaulicht eine kreuz- oder "X"-förmige Bikomponentenfaser, wie bei 10b in Fig. 3 dargestellt, mit einem Mantel 12b und einem Kern 14b viele mögliche mehrschenklige Faserkernabschnitte. Man wird erkennen, daß in jedem Fall der Mantel das Kernmaterial vollständig umhüllt. Wenn irgendein größerer Teil des Kernmaterials nicht eingeschlossen wird, werden die hierin diskutierten Vorteile der vorliegenden Erfindung auf ein Minimum reduziert oder verhindert.
Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch bevorzugte Ausrüstungen, die bei der Herstellung einer Bikomponentenfaser gemäß den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung und ihrer Verarbeitung zu Filterstäben eingesetzt werden, die anschließend unterteilt werden können, um Filterelemente zu bilden, die bei der Produktion von Filterzigaretten oder dergleichen verwendet werden. Die Gesamtverarbeitungslinie wird allgemein durch das Bezugszeichen 20 in Fig. 4 bezeichnet. In der dargestellten Ausführungsform werden die Bikomponentenfasern unmittelbar mit der Ausrüstung hergestellt, die zur Verarbeitung der Fasern zu Tabakrauchfilterstäben benutzt wird. Wegen der kleinen Aufstandsfläche der für dieses Verfahren verwendeten Ausrüstung ist eine solche Anordnung bei den Schmelzblasverfahren der vorliegenden Erfindung zweckmäßig. Die unmittelbare bzw. Reihenverarbeitung ist zwar einzigartig und hat offensichtliche kommerzielle Vorteile, aber es versteht sich, daß im allgemeinsten Sinne die Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Weise beschränkt sind, und daß Bikomponentenfasern gemäß der vorliegenden Erfindung getrennt hergestellt und längere Zeit gelagert werden können.
Ob unmittelbare oder getrennte Verarbeitung, die Bikomponentenfasern selbst können unter Anwendung von standardisierten Faserspinnverfahren zum Formen von Bikomponenten-Endlosfäden hergestellt werden, wie z. B. in den Patentschriften Nr. 3 176 345 oder Nr. 3 192 562 von Powell oder in der Patentschrift Nr. 4 406 850 von Hills ersichtlich. Der Gegenstand jeder der vorstehenden Patentschriften wird hier insgesamt als Informationsbeispiel bezüglich üblicher Verfahren zur Herstellung von Bikomponentenfasern einschließlich Mantel-Kern-Fasern durch Verweis einbezogen. Ebenso sind Verfahren und Vorrichtungen für das Schmelzblasen von Faserstoffen bekannt, gleichgültig ob es sich um Bikomponentenfasern handelt oder nicht. Zum Beispiel wird auf die Patentschriften Nr. 3 615 995 und 3 595 245 von Buntin, die Patentschriften Nr. 4 380 570 und 4 731 215 von Schwarz und auf die Patentschrift Nr. 3 825 379 von Lohkamp et al. verwiesen, wobei der gesamte Gegenstand jeder dieser Patentschriften als weiterer Hintergrund der vorliegenden Technologie hier durch Verweis einbezogen wird. Die vorstehenden Literaturangaben sind als Erläuterung von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Formen von Bikomponentenfasern und zum Schmelzblasen zur Verfeinerung anzusehen, die gemäß den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung angewandt werden können, und sind nicht als Einschränkung der Erfindung aufzufassen.
Jedenfalls ist eine Form einer Mantel-Kern-Schmelzblasdüse bei 25 in Fig. 5 vergrößert dargestellt. Geschmolzenes Mantebildungspolymer 26 und geschmolzenes Kernbildungspolymer 28 werden der Düse 25 zugeführt und von dort durch einen Satz Polymerverteilerplatten extrudiert, die schematisch bei 30 dargestellt sind und von dem Typ sein können, der in der obenerwähnten Patentschrift Nr. 4 406 850 von Hills dargestellt ist.
Wie weiter oben diskutiert, brauchen Bikomponentenfasern gemäß dem allgemeinsten Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung nicht schmelzgeblasen zu werden. Alternativ könnten die Fasern unter Anwendung von Verfahren, die gewöhnlich als Spinnvlies- oder Spunlace-Vliesverfahren (nicht dargestellt) bezeichnet werden, in Vliesform gesammelt werden. Durch die Anwendung von Schmelzblasverfahren, bei denen die geschmolzenen Fasern in einen streuenden Hochgeschwindigkeitsluftstrom extrudiert werden, der durch eine schematisch bei 32 dargestellte Belüftungsplatte erzeugt wird, werden jedoch die Fasern verfeinert und verfestigt, wodurch die Herstellung von ultrafeinen Bikomponentenfasern in der Größenordnung von 10 um oder weniger ermöglicht wird. Durch eine solche Behandlung wird ein gewirbeltes, verwirrtes Vlies oder Vorgespinst 34 (siehe Fig. 4) aus den Bikomponentenfasern erzeugt, das eine Form darstellt, die sich zur unmittelbaren Verarbeitung ohne anschließende Verfeinerung oder kräuselungsauslösende Verarbeitung eignet.
Eine Schicht aus teilchenförmigem Zusatzstoff, wie z. B. körniger Aktivkohle, kann auf das Spinnkabel 34 aufgebracht werden, wie schematisch bei 36 dargestellt. Alternativ kann ein flüssiger Zusatzstoff, wie z. B. ein Aromastoff oder dergleichen, auf das Spinnkabel 34 (nicht dargestellt) aufgesprüht werden. Eine mit einem Sieb bedeckte Vakuumauffangtrommel, wie schematisch bei 38 dargestellt, oder eine ähnliche Vorrichtung dient zum Trennen des Faservlieses oder Spinnkabels 34 von mitgeführter Luft, um die Weiterverarbeitung zu erleichtern.
Der Rest der in Fig. 4 erkennbaren Verarbeitungslinie ist herkömmlich, wie in Patenten, die an den Erfinder der vorliegenden Erfindung, Richard M. Berger, erteilt wurden, ausführlicher dargestellt und beschrieben, wobei allerdings Modifikationen einzelner Elemente erforderlich sein können, um die Hitzebindung der Fasern zu erleichtern. Als Beispiele anzuführende Patentschriften von Berger sind unter anderem die Nrn. 4 869 275, 4 355 995 und 3 637 447, wobei der Gegenstand jeder dieser Patentschriften insgesamt hier durch Verweis einbezogen wird. Solche Heißbindeverfahren sind in Fig. 4 dargestellt, wo ein Vlies oder Vorgespinst 34 aus Bikomponentenfasern mit Hilfe von Schmelzblasverfahren hergestellt und kontinuierlich durch eine bei 40 dargestellte herkömmliche Luftdüse geschickt wird, vorgeöffnet wird, wie bei 42 erkennbar, und in einer erhitzten Luft- oder Dampfdüse 44 in Stabform gerafft wird, wobei der Mantel aus weichmacherhaltigem Celluloseacetat oder einem anderen geeigneten Mantelpolymer aktiviert wird, um ihn klebefähig zu machen. Bei ausgewählten Mantelmaterialien können auch andere Erhitzungsverfahren, wie z. B. die dielektrische Erwärmung, brauchbar oder wünschenswert sein. In jedem Fall wird das resultierende Material durch Luft oder dergleichen in der Düse 46 abgekühlt, um eine relativ stabile und selbsterhaltende stabähnliche Faserstruktur 48 herzustellen. Der Faserstab 48 kann auf herkömmliche Weise mit Papier 50 oder dergleichen umhüllt werden (Stopfhülse), um einen kontinuierlichen umhüllten Faserstab 52 herzustellen. Der kontinuierlich hergestellte, umhüllte oder nicht umhüllte Faserstab 52 kann einen Standardtrennkopf 54 durchlaufen, wo er in Tabakfilterstabstücke von vorgewählter Länge geschnitten und in eine automatische Verpackungsmaschine eingebracht wird.
Durch Unterteilen der entstandenen Filterstäbe auf irgendeine bekannte Weise werden mehrere getrennte Tabakfilterelemente oder -stopfen gemäß der vorliegenden Erfindung geformt, von denen eines (einer) bei 60 in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Jedes Filterelement 60 weist einen langgestreckten luftdurchlässigen Körper aus Tabakrauchfiltennaterial 62 auf, der in einer Stopthülse 64 eingeschlossen ist. Das Filtermaterial 62 gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Vielzahl von Bikomponentenfasern, wie z. B. bei 10 in Fig. 1 dargestellt, die an ihren Kontaktpunkten miteinander verbunden sind, um im Gebrauch einen gewundenen interstitiellen Weg für den Durchgang von Tabakrauch zu definieren.
Es versteht sich, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Filterstäbe nicht durchweg von einheitlichem Aufbau zu sein brauchen, wie hierin dargestellt, sondern innere Hohlräume, äußere Rillen, gekräuselte Abschnitte oder andere Modifikationen, wie in den obenerwähnten älteren Patenten von Berger oder anderen dargestellt, aufweisen könnten, ohne von den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Teile einer herkömmlichen Filterzigarette sind schematisch bei 65 in Fig. 7 dargestellt und weisen einen Tabakstab 66 auf, der mit einem herkömmlichen Zigarettenpapier 68 umhüllt und an einer Filtereinrichtung befestigt ist, die ein getrenntes Filterelement 70 aufweist, wie es beispielsweise durch weitere Unterteilung eines Filterstabs auf einer herkömmlichen Zigarettenherstellungsanlage (nicht dargestellt) entstehen würde. Das Filterelement 70 weist einen Körper aus Filtermaterial 72 auf, der mit einer Stopfhülse 74 umhüllt und auf herkömmliche Weise, wie z. B. durch eine normale Filterhülse 76, an dem Tabakstab angebracht ist. Die in den Tabellen 1, 2 und 3 angegebenen Beispiele liefern weitere Informationen über die vorliegenden Erfindungsgedanken. Es versteht sich jedoch, daß diese Beispiele zur Erläuterung dienen und die verschiedenen Materialien und Verarbeitungsparameter im Rahmen des Standes der Technik variiert werden können, ohne von den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. TABELLE 1
* herkömmliche Celluloseacetatfaser (CA-Faser)
** 27 mm-Filter
EVA: Ethylen-Vinylacetat-Copolymer
VAL: Polyvinylalkohol
PP: Polypropylen TABELLE 2
* herkömmliche Celluloseacetatfaser
** 20 mm-Filter
EVA: Ethylen-Vinylacetat-Copolymer
VAL: Polyvinylalkohol
PP: Polypropylen TABELLE 3 SELEKTIVER VERGLEICH DER ROHMATERIALKOSTEN
Durch Vergleich der Kontrollen in Tabelle 1 mit erfindungsgemäß geformten Filterelementen wird man erkennen, daß bei kommerziell akzeptierbaren Druckabfällen und geringerem Filtergewicht eine verbesserte Filtration möglich ist. Was noch wichtiger ist: wie aus Tabelle 3 erkennbar, verringern sich die Rohmaterialkosten drastisch, d. h. um bis zu 70%. Entsprechend verbessern sich in Tabelle 2 bei Zusatz von Aktivkohle sowohl die Feststoff als auch die Dampfphasenfiltration, ungeachtet der in Tabelle 3 nachgewiesenen, wesentlich niedrigeren Rohmaterialkosten. Kosten- und Funktionsvorteile, die mit denen bei VAL dargestellten vergleichbar sind, werden bei einem Mantel aus EVAL erwartet.
Es sind zwar bevorzugte Ausführungsformen und Verarbeitungsparameter beschrieben worden, aber es versteht sich, daß diese Beispiele zur Erläuterung angeführt werden und im Rahmen des Standes der Technik variiert werden können, ohne von den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Filtervorrichtung für Tabakrauch, die ein weitgehend selbsterhaltendes, im wesentlichen zylinderförmiges Element (60) aus Fasermaterial mit durchgehenden Fasern aufweist, die an voneinander beabstandeten Kontaktpunkten miteinander verbunden sind, um einen gewundenen interstitiellen Weg für den Durchgang von Rauch zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein größerer Teil der Fasern Bikomponentenfasern (10, 10a oder 10b) sind, die einen Kern (14, 14a oder 14b) aus einem thermoplastischen Material aufweisen, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel (12, 12a oder 12b) aus einem Polymer umgeben ist, wobei das Polymer weichgemachtes Celluloseacetat, Polyvinylalkohol, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer oder Ethylen-Vinylallcohol-Copolymer ist, und daß das Fasermaterial ein verwirrtes Vlies oder Vorgespinst aus den Bikomponentenfasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 10 um oder weniger aufweist.

2. Filtervorrichtung für Tabakrauch, die ein weitgehend selbsterhaltendes, im wesentlichen zylinderförmiges Element (60) aus Fasermaterial mit durchgehenden Fasern aufweist, die an voneinander beabstandeten Kontaktpunkten miteinander verbunden sind, um einen gewundenen interstitiellen Weg für den Durchgang von Rauch zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein größerer Teil der Fasern Bikomponentenfasern (10, 10a oder 10b) sind, die einen Kern (14, 14a oder 14b) aus einem thermoplastischen Material aufweisen, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel (12, 12a oder 12b) aus einem Polymer umgeben ist, wobei das Polymer weichgemachtes Celluloseacetat oder Polyvinylalkohol ist.

3. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Weichmacher Triacetin ist.

4. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fasern durch Schmelzblasen eines schmelzgesponnenen Endlosfadens aus den Mantel-Kern-Materialien hergestellt werden.

5. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kernmaterial der Bikomponentenfasern Polyolefin ist.

6. Filtervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Kernmaterial der Bikomponentenfasern Polypropylen ist.

7. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kernmaterial der Bikomponentenfasern mindestens 50 Gew.-% der Gesamtfaser aufweist.

8. Filtervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Kernmaterial etwa 50 bis 90 Gew.-% der Bikomponentenfasern aufweist.

9. Filtervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Kernmaterial mindestens etwa 80 Gew.-% der Bikomponentenfasern aufweist.

10. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fasern einen nicht runden Querschnitt aufweisen.

11. Filtervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fasern einen "Y"-förmigen Querschnitt aufweisen.

12. Filtervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fasern einen "X"-förmigen Querschnitt aufweisen.

13. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ferner ein auf der Oberfläche der Fasern aufgebrachtes Zusatzmaterial aufweist.

14. Filtervorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Zusatzmaterial ein teilchenförmiges Material ist.

15. Filtervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Zusatzmaterial Aktivkohleteilchen aufweist.

16. Filtervorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Zusatzmaterial eine Flüssigkeit ist.

17. Filtervorrichtung nach Anspruch 13 oder 16, wobei das Zusatzmaterial ein Aromastoff ist.

18. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fasern im wesentlichen alle Bikomponentenfasern sind.

19. Verfahren zur Herstellung einer Filtervorrichtung für Tabakrauch, gekennzeichnet durch:

a) Bereitstellen getrennter Quellen für ein geschmolzenes thermoplastisches Kernbildungsmaterial (28) und ein geschmolzenes Mantelbildungsmaterial (26), wobei das geschmolzene Mantelbildungsmaterial Polyvinylalkohol, weichgemachtes Celluloseacetat, Ethylen-Vinylacetat- Copolymer oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer ist;

b) kontinuierliches Schmelzspinnen der geschmolzenen Kernbildungs- und Mantelbildungsmaterialien durch mehrere Öffnungen in einer gepaarten Mantel-Kern-Düse (25) zu einem stark verwirrten Vlies (34) aus Bikomponentenfasern, wobei jede Faser einen durchgehenden Kern aus Kernbildungsmaterial aufweist, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel aus Mantelbildungsmaterial umgeben ist;

c) ausreichendes Inkontaktbringen der Bikomponentenfasern mit einem Gas unter Druck bei ihrem Austritt aus der Mantel-Kern-Düse, um die Bikomponentenfasern zu verdünnen, während sie sich noch im geschmolzenen Zustand befinden, um ein Vlies oder Vorgespinst aus zufällig verteilten, verwirrten Bikomponentenfasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 10 um oder weniger herzustellen;

d) Raffen des Vlieses aus Bikomponentenfasern zu einer endlosen stabartigen Form (48);

e) kontinuierliches Erhitzen des gerafften Vlieses, um es an den Kontaktpunkten der Fasern bindungsfähig zu machen;

f) Abkühlen des entstehenden Elements, um einen endlosen Stab zu bilden, der einen gewundenen Weg für den Durchgang von Rauch bildet; und

g) Zerschneiden des Stabs in getrennte Abschnitte.

20. Verfahren zur Herstellung einer Filtervorrichtung für Tabakrauch, gekennzeichnet durch:

a) Bereitstellen getrennter Quellen für ein geschmolzenes thermoplastisches Kernbildungsmaterial (28) und ein geschmolzenes Mantelbildungsmaterial (26), wobei das geschmolzene Mantelbildungsmaterial Polyvinylalkohol oder weichgemachtes Celluloseacetat ist;

b) kontinuierliches Schmelzspinnen des geschmolzenen Kernbildungs- und Mantelbildungsmaterials durch mehrere Öffnungen in einer gepaarten Mantel-Kern-Düse (25) zu einem stark verwirrten Vlies (34) aus Bikomponentenfasern, wobei jede Faser einen durchgehenden Kern aus Kernbildungsmaterial aufweist, der im wesentlichen vollständig von einem Mantel aus Mantelbildungsmaterial umgeben ist;

c) Raffen des Vlieses aus Bikomponentenfasern zu einer endlosen stabartigen Form (48);

d) Erhitzen des gerafften Vlieses, um es an den Kontaktpunkten der Fasern bindungsfähig zu machen;

e) Abkühlen des entstehenden Elements, um einen endlosen Stab zu bilden, der einen gewundenen Weg für den Durchgang von Rauch bildet; und

f) Zerschneiden des Stabs in getrennte Abschnitte.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Kernbildungsmaterial ein Polyolefin ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Polyolefin Polypropylen ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 22, wobei die Öffnungen der Mantel-Kern-Düse, durch welche die Bikomponentenfasern extrudiert werden, nicht rund sind, wodurch Bikomponentenfasern mit nicht rundem Querschnitt erzeugt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Fasern eine "Y"-förmigen Querschnitt aufweisen.

25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Fasern eine "X"-förmigen Querschnitt aufweisen.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, das ferner das Beimengen eines Zusatzes zu dem Vlies oder Vorgespinst beim Austritt der Bikomponentenfasern aus der Mantel-Kern-Düse aufweist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Zusatz Aktivkohle ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei die Bikomponentenfasern auf kontinuierliche, prozeßgekoppelte Weise geformt und zu dem Stab verarbeitet werden.

29. Filterstab, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Filterelemente (60) der Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.

30. Zigarette, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Tabakabschnitt (66) und einen Filterabschnitt (70) aufweist, wobei der Filterabschnitt eine Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 oder eine nach einem der Ansprüche 19 bis 29 hergestellte Filtervorrichtung aufweist.