EP0861036B1 - Verfahren zur herstellung von biologisch abbaubarem filtermaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung von biologisch abbaubarem filtermaterial Download PDF

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EP0861036B1
EP0861036B1 EP96933415A EP96933415A EP0861036B1 EP 0861036 B1 EP0861036 B1 EP 0861036B1 EP 96933415 A EP96933415 A EP 96933415A EP 96933415 A EP96933415 A EP 96933415A EP 0861036 B1 EP0861036 B1 EP 0861036B1
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EP
European Patent Office
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filter
starch
die
melt
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EP96933415A
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Jürgen Lörcks
Harald Schmidt
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BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
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BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
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    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
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    • A24D3/00—Tobacco smoke filters, e.g. filter-tips, filtering inserts; Filters specially adapted for simulated smoking devices; Mouthpieces for cigars or cigarettes
    • A24D3/06—Use of materials for tobacco smoke filters
    • A24D3/067—Use of materials for tobacco smoke filters characterised by functional properties
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
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    • A24D3/06—Use of materials for tobacco smoke filters
    • A24D3/08—Use of materials for tobacco smoke filters of organic materials as carrier or major constituent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S264/00—Plastic and nonmetallic article shaping or treating: processes
    • Y10S264/48—Processes of making filters

Definitions

  • the invention relates to a method for producing Biodegradable filter material made from renewable raw materials for use as a tobacco smoke filter element of cigarettes, Cigars or pipes.
  • Cigarettes are cylindrical Form in which the smokable tobacco material is shredded Form is surrounded by a paper envelope. Usually own these cigarettes at one end a filter that with the cigarette is connected by a sleeve. Filter elements and cigarette filters are extensive in the literature described as a filter tow. For the manufacture of cigarette filters usually becomes a fiber material from the materials Cellulose-2.5-acetate or polypropylene is used. The use of paper or cotton is also known. According to known method is in cellulose acetate fiber material essentially manufactured by the nozzle spinning process.
  • the crimped or crimped the filter tows are first manufactured as filter rods, by stretching the curled ribbon, in volume enlarged and in a formatting device to the desired one Dimension brought and wrapped with paper.
  • the cellulose-2,5-acetate raw materials are usually included Glycerin acetate compounded as a plasticizer, which is not is easily contained in tobacco smoke.
  • Glycerin acetate compounded as a plasticizer which is not is easily contained in tobacco smoke.
  • DE-A-43 25 352 proposes a Cellulose acetate modified with ⁇ -caprolactone for the production of filaments to use.
  • EP-A-0 632 969 shows a degradable cellulose acetate with a low degree of substitution (Cellulose acetate with a degree of substitution of > 2 is considered to be difficult to degrade).
  • EP-A-0 597 478 discloses a cellulose acetate with a degree of substitution ⁇ 2.15 and degradation-accelerating additives such as polycaprolactone.
  • EP-A-0 634 113 describes a tobacco filter and method its production based on cellulose ester monofilaments using up to 30% water-soluble polymers, e.g. Strengths to reduce the degradability of the filter tow improve.
  • EP-A-0 641 525 proposes to improve the Degradability of cigarette filters based on cellulose acetate (fibers) the use of wood pulp.
  • US-A-5 396 909 describes a cigarette filter with a Filter tow made of cellulose acetate.
  • WO 93/07771 describes a method of making a cigarette filter Cellulose-2,5-acetate, for which by shared use the rate of degradation can be accelerated by starch should.
  • E-A-0 597 478 relates to a biodegradable Cellulose acetate with a degree of substitution of 1.0 to 2.15 for use as a raw material for the production of Cigarette filters.
  • EP-A-0 539 191 shows a lightweight Cigarette filter, in which the filter material partially consists of a closed-cell foam. This will achieved a reduction in weight of the filter.
  • An improved one Biodegradability is disclosed in DE-A-40 13 293 and DE-A-40 13 304 by using the biopolymer polyhydroxybutyric acid and / or the copolymer polyhydroxybutyric acid / polyhydroxyvaleric acid (PHB / PHV) as a fiber raw material for the production of a filter tow.
  • EP-A-0 614 620 describes a biodegradable filter element in the form of a foam or a foil based on Strength.
  • the filter material is made by extrusion.
  • the extruder system has several temperature zones.
  • GB-A-2 205 102 describes a process for the production of Cigarette filters made of extruded polysaccharide material such as e.g. Starch, in the form of foil, foam or strand.
  • Biological degradable starch fibers and their use in cigarette filters are known from EP-A-0 541 050.
  • the object of the invention is a filter tow or a filter material from renewable raw materials for the production of To provide cigarette filters or filters for smokers' goods, which has good filter properties, no interference of smoking pleasure or loss of aroma and its biodegradability is improved.
  • the invention proceeds from Basic idea, a filter tow or filter material made of fibers and filaments made of biopolymers based on thermoplastic To produce starch and its polymer mixtures.
  • Biopolymer materials made from renewable agricultural raw materials have become the focus of public interest in recent years for several reasons. The reasons for this are, for example, the innovation in the development of materials made from biopolymers, the conservation of fossil raw materials, the reduction of waste through rapid, complete biodegradability in the natural cycle, climate protection by reducing CO 2 release, and possible uses for agriculture.
  • Cigarette filters provided with the method according to the invention made of biopolymers are rapidly biodegraded after use by natural decomposition processes and represent a problem solution, for example with regard to the prevention of blockages and malfunctions in sewage treatment plants, which are caused by smoked cigarette residues, mainly via the public sewer network be washed in.
  • biopolymers used consisting essentially of starch materials with thermoplastic properties, disintegrate into the starting products carbon dioxide and water in a short time if they are exposed to the weather with the further action of microorganisms or get into the wastewater. It is also particularly advantageous that such a tobacco smoke filter reduces the tar and condensate contents in tobacco smoke without affecting the taste of smoking.
  • the for the production of filter elements from the invention Process produced filter tow or filter material used starch materials have thermoplastic properties that a Processing after adaptation of the operating conditions similar of the synthetic polymers and / or cellulose acetates in Enable "melt blown” process or spunbond process.
  • the "melt blown” process for the production of biopolymers An extrusion line uses fibers from a melt spinning mass, preferably with a melt pump and special "melt blown" nozzles, which are arranged in rows on a Nozzle bar with approx. 1000 nozzles are arranged.
  • the extruded Fibers based on the starch polymer materials BIOPLAST® GF 102 and / or GF 105 are made up of endless threads swirled by air with a fiber diameter of 1 to 35 ⁇ m, cooled and finished if necessary. Under in Axial direction blowing air streams that initially range from 40 to Are heated to 120 ° C and by variation with cold air Affecting fiber shape, the fibers are in the following Process steps combined to form a fiber bundle or fiber strand, placed on a circulating belt and in one Calenders with partly heatable, partly coolable rollers an endless filter or filter tow rod pressed and calibrated. These fibers are not particularly stretched and therefore have a soft fluffy structure with a for a large filter surface necessary filtertow.
  • starch thermoplastics are made based on the starch polymer materials BIOPLAST® GF 102 and / or GF 105 with MFI (melt index according to DIN 53 735) 18-200 in the extruder with spinning pump and spinneret with die plate and more than 1000 nozzle openings to fine fibers and processed a spunbond.
  • the individual becomes Filaments made a thread curtain in which the cooling air supplied laterally to the nozzle is accelerated so that the filaments are drawn.
  • the extruded threads fall 3 - 10 m deep into a chute the depth of fall at low melt viscosity and through the axial air flow is a stretch (1: 5 to 1: 100) of the fibers reached, which thereby increased considerably Strength and a thread diameter of 1 to 30 microns obtained.
  • At the bottom of the shaft are air and threads evenly swirled so that the filaments formed the starch material combined into an unconsolidated band are crimped in a stuffer box crimping machine and processed to filter rods on a filter rod machine become.
  • a starch polymer granulate 2 which serves as a starting material, with the addition of selected additives in an extruder system 3 processed into a melt and in the form of a film of individual fibers 4 through a nozzle plate with a corresponding one Number of openings extruded.
  • the fibers 4 pass through a rotating spinning plate 5, become a fiber bundle summarized, then by a Guide 6, for example compression rollers, pulled and closed an endless filter 7 formed.
  • a configuration system 8 is the final shaping, the endless filter 7 if necessary again a stuffer box crimping machine fed and in a filter rod machine individual filter elements 1 is processed.
  • Figures 1a and 1b each show a cross section and a longitudinal section of a filter element 1 made of fibers 4 of a starch polymer.
  • 1c shows a longitudinal section of a cigarette 10 with the filter element 12 produced according to the invention, a section containing tobacco 11 and a section containing the filter element 1 being wrapped and connected with cigarette paper 12, and the filter element 1 and the transition area to the tobacco 11 containing section are wrapped with a further band 13 for reinforcement.
  • Biopolymers based on renewable raw materials described are for the production of fibers, filaments, fiber filters and cotton wool are essentially based on Starch and include in particular thermoplastic starch and the group of polymer blends from thermoplastic Starch and other degradable polymer components, such as polylactic acid, Polyvinyl alcohol, polycaprolactone, aliphatic and aromatic polyesters and their copolymers. More used Additives are plasticizers, such as glycerin and their derivatives, hexavalent sugar alcohols, such as sorbitol and their derivatives.
  • thermoplastic Starch occurs in a first stage of the process with the help a swelling or plasticizing agent without Adding water and using dry or dried starch and / or starch by degassing the processing is dried.
  • Starches usually contain 14% water as native starches, Potato starch even as 18% natural moisture Initial moisture. If a starch with more than 5% moisture plasticized or gelatinized under pressure and / or temperature becomes a destructured strength, whose Manufacturing process is endothermic. The manufacturing process In contrast, the thermoplastic starch is a exothermic process. In addition, the crystalline proportions are less than 5% in the thermoplastic starch and remain unchanged.
  • destructurized starch In the case of destructurized starch, they are crystalline Proportions also immediately low after production, however, these take on destructured storage Strength again. The is also subject to change Glass transition point, which with thermoplastic starch remains at -40 ° C, while comparatively at destructured Starch rises again to above 0 ° C (see also EP-A-0 397 819). For these reasons, they are being restructured Starch and materials based on destructurized starch Storage gradually becomes relatively brittle. When producing the Polymer mixtures become phase mediators for homogenization the hydrophilic and polar starch polymer phase and the hydrophobic and non-polar polymer phase used either added or preferably during manufacture the polymer mixture arise in situ.
  • phase mediator block copolymers which include in the WO 91/16375, EP-A-0 539 544, US-A-5 280 055 and EP-A-0 596 437 are described.
  • the intermolecular compounding of these different polymers takes place under differentiated Processable temperature and shear conditions Granules.
  • These thermoplastic blends are made by coupling the phase interfaces between the less tolerable Polymers technologically manufactured so that the distribution structure the disperse phase during processing through the optimal processing window (temperature and Shear conditions) is reached.
  • cellulose acetate fiber filters and other low molecular weight filters Biopolymers such as polyhydroxybutyric acid (PHB) and polylactic acid (PLA) and filtering with the Distinguish filter material made from starch polymer fibers due to the different chemical structure of the Polymer surfaces from each other.
  • PHB polyhydroxybutyric acid
  • PLA polylactic acid
  • the strengths used as Macromolecules have a molecular weight of> 1 million the dominant amylopectin fraction with more than 75%. This leads together with the hydrophilic polymer surface improved adhesion properties of the filter Pollutant particles in tobacco smoke.
  • the Comparison of condensate concentration in inhalable tobacco smoke reduced to cellulose acetate filter. This effect is determined by the share of starch polymer fine fibers and the hydrophilicity affects the fiber.
  • Suitable polymer blends based on thermoplastic starch and methods of making them are from DE-A-43 17 696, WO 90/05161, DE-A-41 16 404, EP-A-0 542 155, DE-A-42 37 535 and DE-A-195 13 235 are known and have also been described in PCT / EP 94/01946, DE-A-196 24 641, DE-A-195 13 237, DE-A-195 15 013, CH 1996-1965 / 96 and DE-A-44 46 054 proposed.
  • Figure 2a shows an enlarged cross section and Figure 2b shows an enlarged longitudinal section of a filter element 1 from a crimped biopolymer film 16.
  • FIG. 2 c shows a longitudinal section of a cigarette 10 produced according to a method shown in Figure 2 Filterlement 1.
  • a section containing tobacco 11 and a section of the cigarette containing the filter element 1 10 are wrapped with cigarette paper 12.
  • the filter element 1 up to the transition area to the tobacco 11 containing section with a reinforcing band 13 envelops.
  • Fig. 3 shows a process scheme for the production of a filter tow or filter material according to the invention for use as cigarette filters and filters for tobacco products an extruded foam from renewable raw materials such as Strength.
  • starch foam by extrusion is fundamental e.g. known from DE-A-32 06 751 and DE-A-43 17 697. So-called cooking extrusion has been around since around 1930 known of strength. It is preferably in one Twin-screw extruder gelatinized the starch under pressure and temperature, destructured and extruded as a foam strand. This process technology is used primarily in the production of foamed snack products. Also extruded starch foams are known as packaging chips.
  • EP-A-0 447 792 discloses a method of manufacturing of paper foam made of paper fibers, starch and fully saponified Extruded polyvinyl alcohol for use as an insulating material.
  • starch foam 20 is compressed in an extrusion system 3 from a starting mixture 21 of starch, preferably native potato starch, and plasticizing and film-forming additives by thermal and mechanical introduction of energy, modified if necessary, plasticized and expanded by a drop in temperature and pressure, produced as a foamed round profile with a diameter of 10 mm and rolled in the formatting process to a diameter of 7.8 mm and processed into filter rods with a length of 12.6 mm.
  • the specific density of the foam filter elements is 12 kg / m 3 .
  • the extruded starch foam 29 is essentially open-pore, so that the foamed filter material made of destructured starch with a crystalline fraction of less than 5% is able to contain the liquids and liquid pollutants contained in tobacco smoke, such as condensate and tar products to adsorb, the starch foam itself not emitting inhalable, volatile products in the tobacco smoke.
  • Figure 3a shows an enlarged cross section and Figure 3b shows an enlarged longitudinal section of a filter element 1 from a starch foam 20.
  • FIG. 3c shows a longitudinal section of a cigarette 10 with a filter element 1 as shown in FIG Process is made.
  • the tobacco 11 and the filter element Portions of cigarette 10 containing 1 are common wrapped with cigarette paper 12. Furthermore, the filter element 1 to the transition area to tobacco 11 containing section with an outer, reinforcing band 13 wrapped.
  • the starch foam 20 is produced by extrusion using a Continua 37® twin-screw extruder and compressed in a compression step, wherein it is processed in a calender system 22 to form an endless filter 7.
  • the final shaping and separation into filter elements 1 takes place in a configuration system 8.
  • the process conditions and recipes for the one-step process design for the production of the filter tow or filter material from starch foam are shown in Tables I and IA using 4 examples each.
  • An essentially elastic and compressible filter tow with an open-pore foam structure represents a satisfactory process result (Examples 1 to 3 and 5 to 8).
  • Tables I and Ia Tables I and Ia
  • a twin-screw extruder of the type Continua C 37 from Werner & Pfleiderer is used to extrude the starch foam material. It has a nozzle plate, which can be equipped with 1 to 4 nozzle openings, each with a diameter of 1.5 to 4 mm.
  • the temperature setting of the extruder system is carried out by external cooling and heating devices.
  • the extruder system has six temperature zones, the first four zones being kept at temperatures from 25 to 140 ° C. Temperature zones 5 and 6 can be operated with temperature settings from 140 to 165 ° C.
  • the preferred temperature settings can be found in Tables I and Ia:
  • the speeds of the twin-screw extruder preferably move between 200 and 300 rpm.
  • the speed determines together with the dosing amount of the starting materials also that Torque of the extruder system essential.
  • a speed of 350 rpm was selected.
  • An optimal expansion of the starch foam 20 is the melt temperature Melt from 160 to 195 ° C achieved. These melt temperatures were realized during the tests.
  • the nozzle configuration were variations in diameter, the number of nozzles and the arrangement of the nozzle openings in the nozzle plate examined. The nozzle openings were with 1.5 to 3 mm in diameter tested, the number of nozzles was varied from 1 to 3 nozzles.
  • the arrangement of the nozzle opening was from the center of the nozzle plate over a medium diameter to largest diameter tested. From the tests carried out on the one-step process were each a nozzle with an opening diameter of 2.5 mm (Example 1) or 4 mm (Examples 2 to 4), which are central was placed, tested.
  • the starch-additive mixture serves a single-shaft, volumetric dosing device, whereby the dosing quantities from the operating parameters of the extruder system are directly dependent.
  • the device works with a Hollow shaft and has an application range of 1.5 kg / hour. to 35 kg / h
  • the preferred dosing amounts are from FIG. 4 evident.
  • a membrane metering device of the type is used for liquid metering Gamma / 5 from ProMint. In Examples 1-8 the amount of liquid from 0 to 5 liters / hour varies.
  • Table I lists the dosed volume of the liquid Stroke volume setting (in 0.1 ml / stroke) per stroke frequency setting of the dosing pump (in strokes per minute). At setting the dosing device from 5: 55 to 0.5 ml metered in at 55 strokes per minute. This gives one Dosage amount of 27.5 ml per minute.
  • the calender system 22 consists of four consecutive milled pulleys.
  • the diameter of the pulleys and the groove depth / groove width were in the experiments carried out varied. It continued to be the Tested the use of tension springs with different tensile strengths, which generate a pressure of the pulleys from 5 to 100 N. can.
  • the preferred contact pressures of the calender system are shown in Table I.
  • the endless filter 7 The starch foam 20 was reduced to different extents and finally to a standardized final diameter brought.
  • the starch foam 20 optionally adjusted to a certain residual moisture.
  • starch granules are first produced using a known process (for example DE-A-43 17 696 or WO 90/05161). The starch granules are then processed by renewed extrusion in a single-screw extruder to form a strand of starch foam and the manufacture of the filter tow or filter element 1 under conditions similar to those of the one-step process. A detailed description of the process is therefore omitted.
  • Tables II and IIa show process conditions and recipes for the production of thermoplastic starch-polymer granules (1st process stage) using four examples each:
  • Tables III and IIIa show the process conditions for the production of filter tows or filter material from thermoplastic starch-polymer granules processed into starch foam (2nd process stage): example number 1 No. 2 No. 3 No. 4 Single shaft extruder Extruder data Screw diameter 50 mm 50 mm 50 mm 50 mm Screw length 135 cm 135 cm 135 cm 135 cm Dwell time 45 s 45 s 45 s 45 s Temp. Zome 1 40 ° C 40 ° C 40 ° C 40 ° C Temp. Zone 2 70 ° C 70 ° C 70 ° C 70 ° C Temp. Zone 3 190 ° C 190 ° C 190 ° C 190 ° C Temp.
  • Zone 4 190 ° C 190 ° C 190 ° C 190 ° C Temp.
  • Zone 5 190 ° C 190 ° C 190 ° C 190 ° C Temp.
  • Zone 6 195 ° C 190 ° C 185 ° C 190 ° C Rpm 350 350 350 350 350 Power consumption 25 amps 26 amps 27 amps 26 amps Temp.
  • Zone 6 195 ° C 190 ° C 185 ° C 190 ° C Rpm 350 350 350 350 Power consumption 25 amps 26 amps 27 amps 26 amps Temp.
  • Pressure melt 280 bar 280 bar 260 bar 260 bar
  • FIG. 4 shows the results of biodegradability tests for the filter material according to the invention, where line a) starch foam, line b) fibers and films (starch material BIOFLEX® BF 102), line c) cellulose powder and line d) cellulose-2.5-acetate .
  • the essential property of the filter material according to the invention is the rapid biodegradation. This property was tested on the starch polymer material BIOLFELEX® BF 102 using the following method (at the OWS Institute in Ghent, Belgium): CEN Draft "Evaluation of the Ultimate Aerobic Biodegradability and Disintegration of Packing Materials under Controlled Composting Conditions - Method by Analysis of Released Carbon Dioxide "correspondingly modified ASTM D 5338-92.
  • the starch material BIOFLEX® BF 102 from which the fibers and foils for producing the filter tow or filter material according to the invention are made, was mineralized to 96.6% under the test conditions after 45 days.
  • the filter material made of starch foam (line d)) is even more rapidly degradable due to its porous surface and polymer composition.
  • the very good biodegradability was determined by the COD (chemical oxygen demand in mg / l) and the BOD 5 (biological oxygen demand in mg / l), whereby a COD of 1050 mg / l and a BOD 5 of 700 mg / l were measured .
  • the quotient of BOD 5 / COD x 100 results in the very high biodegradability of 66%, with values of more than 50% being very easily degradable.
  • the filter material made of starch foam was more than 90% biodegraded under aerobic compost conditions. All filter materials produced by the process according to the invention meet the quality requirements of LAGA leaflet M 10: quality criteria and recommendations for use for compost as well as DIN 54 900: "testing the compostability of polymeric materials" and the "ok Compost” certificate.

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Abstract

Es wird ein biologisch abbaubares Filtertow bzw. Filtermaterial (1) aus nachwachsenden Rohstoffen zur Verwendung als Tabakrauchfilterelement von Zigaretten, Zigarren oder Pfeifen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitgestellt, wobei in einem Extrusionsverfahren hergestellte Fasern, Folien oder Schäume aus Biopolymeren auf Basis von thermoplastischer Stärke und deren Polymermischungen zum erfindungsgemäßen Filtertow bzw. Filtermaterial verarbeitet werden. Die Vorteile der Erfindung liegen in der Verwendung überwiegend nachwachsender Rohstoffe, einer schnellen und vollständigen biologischen Abbaubarkeit des natürlichen Biopolymer-Filtermateriales, einem schadstoffreduzierenden aromafördernden Filtereffekt und in einem ökonomisch günstigen Herstellungsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von biologisch abbaubarem Filtermaterial aus nachwachsenden Rohstoffen zur Verwendung als Tabakrauchfilterelement von Zigaretten, Zigarren oder Pfeifen.
Raucherartikel wie z.B. Zigaretten haben eine zylindrische Form, in der das rauchbare Tabakmaterial in geschredderter Form von einer Hülle aus Papier umgeben ist. Überwiegend besitzen diese Zigaretten an einem Ende ein Filter, das mit der Zigarette durch eine Banderole verbunden ist. Filterelemente und Zigarettenfilter sind in der Literatur umfangreich als Filtertow beschrieben. Für die Herstellung von Zigarettenfilter wird üblicherweise ein Fasermaterial aus den Werkstoffen Cellulose-2,5-acetat oder Polypropylen verwendet. Bekannt ist ferner die Verwendung von Papier oder Watte. Gemäß bekannten Verfahren wird Celluoseacetatfasermaterial im wesentlichen nach dem Düsenspinnverfahren hergestellt. Aus den Celluloseacetatfilamenten und/oder aus Celluloseacetatspinnfasern, die gekräuselt bzw. stauchkammergekräuselt sind, werden die Filtertows zunächst als Filterstäbe hergestellt, indem das gekräuselte Band gestreckt, im Volumen vergrößert und in einer Formatiereinrichtung auf die gewünschte Dimension gebracht und mit Papier umwickelt wird. Die Cellulose-2,5-acetatrohstoffe werden üblicherweise mit Glycerinacetat als Weichmacher compoundiert, welches nicht unproblemantisch im Tabakrauch enthalten ist. Zur Definition und Beschreibung eines Filtertows und Tabakrauchfilterelementes wird auf die DE-A-41 09 603 und die DE-A-1 079 521 verwiesen. Verfahren zur Herstellung von Filtertows und Filterzigaretten werden u.a. in den Druckschriften US-A-5 402 802, DE-A-41 09 603, JP-A-5-377 812, EP-A-0 285 811, WO 93/02070, JP-A-5-392 586, WO 92/15209, und EP-A-0 641 525 beschrieben. Ebenso wurden zahlreiche Vorschläge zur Herstellung und Verwendung von biologisch abbaubaren Zigarettenfiltern veröffentlicht, die auf Basis von Celluloseester und/oder Polyhydroxybuttersäure (PHB) bzw. einem Copolymer aus Polyhydroxybuttersäure/Polyhydroxyvaleriansäure (PHB/PHV) hergestellt werden, z.B. DE-A-43 22 965, DE-A-43 22 966, DE-A-43 22 967. Um eine beschleunigte biologische Abbaubarkeit von Cellulosediacetaten zu erreichen, die unter normalen Klimabedingungen erst in ein bis zwei Jahren biologisch abgebaut sind (M. Korn, Nachwachsende und bioabbaubare Materialien im Verpackungsbereich, 1. Auflage, 1993 Verlag Roman Kovar, München, Seite 122), sind vielschichtige Problemlösungen bekannt. In der EP-A-0 632 968 wird die Verwendung von cellulosekettenspaltenden Enzymen und in der DE-A-43 22 966 die Verwendung der abbaufördernden Zusatzstoffe Harnstoff und Harnstoffderivate vorgeschlagen. Auch der EP-A-0 632 970 liegt das Problem der Beschleunigung der Abbaugeschwindigkeit von Celluloseacetatfiltern zugrunde, das durch eine Additivierung mit Stickstoffverbindungen gelöst werden soll. In der DE-A-43 25 352 wird vorgeschlagen ein mit ε-Caprolacton modifiziertes Celluloseacetat zur Herstellung von Filamenten zu verwenden. Die EP-A-0 632 969 zeigt ein abbaubares Celluloseacetat mit niedrigem Substitutionsgrad (Celluloseacetat mit einem Substitutionsgrad von > 2 gilt als schwer abbaubar). Die EP-A-0 597 478 offenbart ein Celluloseacetat mit einem Substitutionsgrad < 2,15 und abbaubeschleunigenden Additiven wie Polycaprolacton. Die EP-A-0 634 113 beschreibt ein Tabakfilter und ein Verfahren zu seiner Herstellung auf Basis von Celluloseestermonofilamenten unter Verwendung von bis zu 30 % wasserlöslichen Polymeren, z.B. Stärken, um die Abbaubarkeit des Filtertows zu verbessern. Die EP-A-0 641 525 schlägt zur Verbesserung der Abbaubarkeit von Zigarettenfiltern auf Basis von Celluloseacetat(-fasern) die Mitverwendung von wood pulp vor. Auch die US-A-5 396 909 beschreibt ein Zigarettenfilter mit einem Filtertow aus Celluloseacetat. Die WO 93/07771 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Zigarettenfilters aus Cellulose-2,5-acetat, für welches durch die Mitverwendung von Stärke die Abbaugeschwindigkeit beschleunigt werden soll. Die E-A-0 597 478 betrifft ein biologisch abbaubares Celluloseacetat mit einem Substitutionsgrad von 1,0 bis 2,15 zur Verwendung als Rohstoff für die Herstellung von u.a. Zigarettenfiltern. Die EP-A-0 539 191 zeigt ein leichtgewichtiges Zigarettenfilter, in dem das Filtermaterial teilweise aus einem geschlossenporigen Schaum besteht. Dadurch wird eine Gewichtsreduktion des Filters erreicht. Eine verbesserte biologische Abbaubarkeit offenbaren die DE-A-40 13 293 und die DE-A-40 13 304 durch Verwendung des Biopolymers Polyhydroxybuttersäure und/oder des Copolymers Polyhydroxybuttersäure/Polyhydroxyvaleriansäure (PHB/PHV) als Faserrohstoff zur Herstellung eines Filtertows.
EP-A-0 614 620 beschreibt ein biologisch abbaubares Filterelement in Form eines Schaums oder einer Folie auf Basis von Stärke. Das Filtermaterial wird durch Extrusion hergestellt. Die Extruderanlage weist mehrere Temperaturzonen auf.
GB-A-2 205 102 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Zigarettenfiltern aus extrudiertem Polysaccharidmaterial wie z.B. Stärke, in Form von Folie, Schaum oder Strang. Biologisch abbaubare Stärkefasern und ihre Verwendung in Zigarettenfiltern sind aus EP-A-0 541 050 bekannt.
Wie diese Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten zeigen, besteht aufgrund des gestiegenen Umweltbewußtseins das Bedürfnis nach einem verbesserten Filtermaterial, z.B. für Zigarettenfilter, mit insbesondere guten biologischen Abbaueigenschaften.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filtertow bzw. ein Filtermaterial aus nachwachsenden Rohstoffen zur Herstellung von Zigarettenfiltern bzw. Filtern für Raucherwaren bereitzustellen, das gute Filtereigenschaften aufweist, keine Beeinflussung des Rauchgenusses bzw. Aromaverlust verursacht und dessen biologische Abbaubarkeit verbessert wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, ein Filtertow bzw. Filtermaterial aus Fasern und Filamenten aus Biopolymeren auf Basis von thermoplastischer Stärke und deren Polymermischungen herzustellen.
Biopolymere Werkstoffe aus nachwachsenden Agrarrohstoffen sind in den letzten Jahren aus mehreren Gründen in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses gerückt. Die Gründe hierfür sind beispielsweise die Innovation in der Entwicklung von Werkstoffen aus Biopolymeren, die Schonung fossiler Rohstoffe, die Reduktion des Müllaufkommens durch schnelle, vollständige biologische Abbaubarkeit im natürlichen Kreislauf, der Klimaschutz durch Verringerung der CO2-Freisetzung, sowie Verwendungsmöglichkeiten für die Landwirtschaft. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filtertow aus Biopolymeren versehene Zigarettenfilter werden nach dem Gebrauch durch natürliche Zersetzungsprozesse schnell biologisch abgebaut und stellen eine Problemlösung dar, beispielsweise hinsichtlich der Vermeidung von Verstopfungen und Funktionsstörungen in Kläranlagen, die durch abgerauchte Zigarettenreste verursacht werden, die hauptsächlich über das öffentliche Kanalnetz eingeschwemmt werden. Die verwendeten Biopolymere, im wesentlichen bestehend aus Stärkewerkstoffen mit thermoplastischen Eigenschaften, zerfallen in kurzer Zeit in die Ausgangsprodukte Kohlendioxid und Wasser, wenn sie der Witterung unter weiterer Einwirkung von Mikroorganismen ausgesetzt werden oder ins Abwasser gelangen. Besonders vorteilhaft ist ferner, daß ein derartiges Tabakrauchfilter die Teer- und Kondensatgehalte im Tabakrauch reduziert, ohne den Rauchgenuß geschmacklich zu beeinflussen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen und dazugehörenden Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1
ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus Stärkepolymerfasern,
Fig. 1a
einen Querschnitt eines nach Fig. 1 hergestellten Filterelementes,
Fig. 1b
einen Längsschnitt eines nach Fig. 1 hergestellten Filterelementes,
Fig. 1c
einen Längsschnitt einer Zigarette mit einem nach Fig. 1 hergestellten Filter,
Fig. 2
ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus biopolymeren Folien.
Fig. 2a
einen Querschnitt eines nach Fig. 2 hergestellten Filterelementes,
Fig. 2b
einen Längsschnitt eines nach Fig. 2 hergestellten Filterelementes,
Fig. 2c
einen Längsschnitt einer Zigarette mit einem nach Fig. 2 hergestellten Filter,
Fig. 3
ein Verfahrensschema der Filterherstellung aus Stärkeschaum,
Fig. 3a
einen Querschnitt eines nach Fig. 3 hergestellten Filterelementes,
Fig. 3b
einen Längsschnitt eines nach Fig. 3 hergestellten Filterelementes,
Fig. 3c
einen Längsschnitt einer Zigarette mit einem nach Fig. 3 hergestellten Filter,
Fig. 4
eine graphische Darstellung der biologischen Abbaubarkeit verschiedener Filtermaterialien.
Die zur Herstellung von Filterelementen aus dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filtertow bzw. Filtermaterial verwendeten Stärkewerkstoffe haben thermoplastische Eigenschaften, die eine Verarbeitung nach Adaption der Betriebsbedingungen ähnlich der synthetischen Polymeren und/oder Celluloseacetaten im "Melt Blown"-Verfahren oder im Spinnvliesverfahren ermöglichen. Das "Melt Blown"-Verfahren zur Herstellung von biopolymeren Fasern aus einer Schmelzespinnmasse benutzt eine Extrusionsanlage, vorzugsweise mit einer Schmelzepumpe und speziellen "Melt Blown"-Düsen, die reihenförmig auf einer Düsenleiste mit ca. 1000 Düsen angeordnet sind. Die extrudierten Fasern auf Basis der Stärkepolymerwerkstoffe BIOPLAST® GF 102 und/oder GF 105 werden als endlose Fäden mit einem Faserdurchmesser von 1 bis 35 µm durch Luft verwirbelt, abgekühlt und bei Bedarf geschlichtet. Unter in Axialrichtung blasenden Luftströmen, die anfangs auf 40 bis 120°C erwärmt sind und durch Variation mit kalter Luft die Faserform beeinflussen, werden die Fasern in den folgenden Verfahrensschritten zum Faserbündel bzw. Faserstrang zusammengefaßt, auf ein umlaufendes Band abgelegt und in einem Kalander mit teils heizbaren, teils kühlbaren Walzen zu einem Endlosfilter bzw. Filtertowstab verpreßt und kalibriert. Diese Fasern werden nicht besonders verstreckt und haben daher eine weiche flauschige Struktur mit einer für ein Filtertow notwendigen großen Filteroberfläche.
Im Spinnvliesverfahren werden Stärkewerkstoff-Thermoplaste auf Basis der Stärkepolymerwerkstoffe BIOPLAST® GF 102 und/oder GF 105 mit MFI (Schmelzindex nach DIN 53 735) 18-200 im Extruder mit Spinnpumpe sowie Spinndüse mit Düsenplatte und mehr als 1000 Düsenöffnungen zu hochfeinen Fasern und einem Spinnvlies verarbeitet. Dabei wird aus den einzelnen Filamenten ein Fadenvorhang hergestellt, in dem die an der Düse seitlich zugeführte Kühlluft so beschleunigt wird, daß die Filamente verstreckt werden. Die extrudierten Fäden fallen 3 - 10 m tief in einen Fallschacht, dabei wird durch die Falltiefe bei der niedrigen Schmelzviskosität und durch die axiale Luftströmung eine Verstreckung (1:5 bis 1:100) der Fasern erreicht, die dadurch eine beträchtlich erhöhte Festigkeit und einen Fadendurchmesser von 1 bis 30 µm erhalten. Am unteren Ende des Schachtes werden Luft und Fäden gleichmäßig verwirbelt, so daß die gebildeten Filamente aus dem Stärkewerkstoff zu einem unverfestigten Band zusammengefaßt werden, in einer Stauchkammerkräuselmaschine gekräuselt und auf einer Filterstabmaschine zu Filterstäben verarbeitet werden.
Gemäß einem in Figur 1 dargestellten bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Filterelemente 1 nach der Erfindung wird ein Stärkepolymer-Granulat 2, das als Ausgangsstoff dient, unter Beimischung ausgewählter Additive in einer Extruderanlage 3 zu einer Schmelze verarbeitet und als Folie in Form von einzelnen Fasern 4 durch eine Düsenplatte mit einer entsprechenden Anzahl von Öffnungen extrudiert. Die Fasern 4 durchlaufen eine drehende Verspinnungsplatte 5, werden zu einem Faserbündel zusammengefaßt, anschließend durch eine Führung 6, beispielsweise Kompressionswalzen, gezogen und zu einem Endlosfilter 7 ausgeformt. In einer Konfigurationsanlage 8 erfolgt die abschließende Formgebung, wobei der Endlosfilter 7 gegebenenfalls nochmals einer Stauchkammerkräuselmaschine zugeführt und in einer Filterstabmaschine zu einzelnen Filterelementen 1 verarbeitet wird.
Die Figuren 1a und 1b zeigen jeweils einen Querschnitt sowie einen Längsschitt eines Filterelementes 1 aus Fasern 4 eines Stärkepolymers.
Die Figur 1c zeigt einen Längsschnitt einer Zigarette 10 mit dem nach der Erfindung hergestellten Filterelement 12, wobei ein Tabak 11 enthaltender Abschnitt und ein das Filterelement 1 enthaltender Abschnitt mit Zigarettenpapier 12 umwickelt und verbunden sind, sowie das Filterelement 1 und der Übergangsbereich zum den Tabak 11 enthaltenden Abschnitt mit einer weiteren Banderole 13 zur Verstärkung umhüllt sind.
Nachfolgend werden die nach der Erfindung zu verwendenden Biopolymere auf Basis nachwachsender Rohstoffe beschrieben. Sie sind für die Herstellung von Fasern, Filamenten, Faserfiltern und Watten geeignet, basieren im wesentlichen auf Stärke und umfassen insbesondere thermoplastische Stärke und die Gruppe der Polymermischungen aus thermoplastischer Stärke und weiteren abbaubaren Polymerkomponenten, wie Polymilchsäure, Polyvinylalkohol, Polycaprolacton, aliphatische und aromatische Polyester und deren Copolymere. Weitere verwendete Additive sind Plastifizierungsmittel, wie Glycerin und deren Derivate, sechswertige Zuckeralkohole, wie Sorbit und deren Derivate. Die Herstellung der thermoplastischen Stärke erfolgt in einer ersten Verfahrensstufe unter Zuhilfenahme eines Quell- oder Plastifizierungsmittels ohne Zugabe von Wasser und unter Verwendung von trockener bzw. getrockneter Stärke und/oder Stärke, die durch Entgasung bei der Verarbeitung getrocknet wird. Stärken enthalten als native Stärken handelsüblich 14 % Wasser, Kartoffelstärke sogar 18 % natürliche Feuchtigkeit als Ausgangsfeuchte. Wenn eine Stärke mit mehr als 5 % Feuchtigkeit unter Druck und/oder Temperatur plastifiziert bzw. verkleistert wird, entsteht eine destrukturierte Stärke, deren Herstellungsverfahren endotherm abläuft. Das Herstellungsverfahren der thermoplastischen Stärke ist demgegenüber ein exothermer Vorgang. Zudem betragen die kristallinen Anteile bei der thermoplastischen Stärke weniger als 5 % und bleiben unverändert. Bei destrukturierter Stärke sind die kristallinen Anteile unmittelbar nach der Herstellung ebenfalls gering, jedoch nehmen diese bei Lagerung von destrukturierter Stärke wieder zu. Veränderungen unterworfen ist auch der Glasumwandlungspunkt, welcher bei thermoplastischer Stärke bei -40°C verbleibt, während er vergleichsweise bei destrukturierter Stärke wieder auf über 0°C ansteigt (vgl. auch EP-A-0 397 819). Aus diesen Gründen werden destrukturierte Stärke und Werkstoffe auf Basis destrukturierter Stärke bei Lagerung allmählich relativ spröde. Bei der Herstellung der Polymermischungen werden Phasenvermittler für die Homogenisierung der hydrophilen und polaren Stärkepolymerphase und der hydrophoben und unpolaren Polymerphase verwendet, die entweder zugefügt werden oder vorzugsweise bei der Herstellung der Polymermischung in situ entstehen. Als Phasenvermittler werden Blockcopolymere verwendet, die u.a. in der WO 91/16375, EP-A-0 539 544, US-A-5 280 055 und EP-A-0 596 437 beschrieben sind. Die intermolekulare Compoundierung dieser unterschiedlichen Polymeren erfolgt unter differenzierten Temperatur- und Scherbedingungen zu verarbeitungsfähigen Granulaten. Diese thermoplastischen Blends werden durch Ankopplung der Phasengrenzflächen zwischen den wenig verträglichen Polymeren technologisch so hergestellt, daß die Verteilungsstruktur der dispersen Phase bei der Verarbeitung durch das optimale Verarbeitgungsfenster (Temperatur- und Scherbedingungen) erreicht wird. Die Materialeigenschaften von Celluloseacetatfaser-Filter und anderen Filtern aus niedermolekularen Biopolymeren wie Polyhydroxybuttersäure (PHB) und Polymilchsäure (PLA) sowie Filtern mit dem Filtermaterial aus Stärkepolymerfasern unterscheiden sich aufgrund der unterschiedlichen chemischen Struktur der Polymeroberflächen voneinander. Die verwendeten Stärken als Makromolekül haben ein Molekulargewicht > 1 Million durch die mit mehr als 75 % dominierende Amylopektinfraktion. Dies führt zusammen mit der hydrophilen Polymeroberfläche zu verbesserten Adhäsionseigenschaften der zu filternden Schadstoffteilchen im Tabakrauch. Insbesondere wird die Kondensatkonzentration im inhalierbaren Tabakrauch im Vergleich zu Celluloseacetat-Filter reduziert. Dieser Effekt wird von dem Anteil an Stärkepolymer-Feinfasern und der Hydrophilie der Faser beeinflußt.
Geeignete Polymermischungen auf Basis thermoplastischer Stärke und Verfahren zu deren Herstellung sind beispielsweise aus der DE-A-43 17 696, WO 90/05161, DE-A-41 16 404, EP-A-0 542 155, DE-A-42 37 535 und der DE-A-195 13 235 bekannt und wurden ferner in der PCT/EP 94/01946, der DE-A-196 24 641, der DE-A-195 13 237, der DE-A-195 15 013, der CH 1996-1965/96 und der DE-A-44 46 054 vorgeschlagen.
Wie die Fig. 2 zeigt, wird nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren das Filtertow bzw. Filtermaterial für Zigaretten und Rauchwaren aus einer Folie 16 aus einem Stärkewerkstoff hergestellt, indem die Folie 16 gekräuselt, gefaltet und in Längsrichtung orientiert als Rundfilterstab hergestellt und mit einer äußeren Umhüllung aus Papier und/oder Folienmaterial versehen wird. Die nach der Erfindung zu verwendenden Ausgangsstoffe entsprechen den bereits beschriebenen Polymerwerkstoffen, die im wesentlichen auf Stärke basieren. Ein Filtertow aus gekräuselter und perforierter Folie aus Celluloseacetat wird in der US-A-5 396 909 bekannt gemacht. Gemäß dem in Figur 2 schematisch dargestellten Verfahren wird ein Stärkepolymer-Granulat 2 (Stärkewerkstoff BIOPLAST® GF 102) in einer Extruderanlage 3 und daran angeschlossener Folienblasanlage 15 zu einer Folie 16 (BIOFLEX® BF 102) verarbeitet. Die Folie 16 hat folgende Eigenschaften:
  • Sie besteht zu 100 % aus kompostierbarer Monofolie, entspricht den Qualitätsanforderungen der DIN 54 900 Prüfnormen für biologisch abbaubare Werkstoffe und besitzt die "ok Compost" Zertifizierung. Die Foliendicke beträgt 15-40 µm, die Dichte 1,2 g/cm3, die Zugfestigkeit längs 20 N/mm2, die Zugfestigkeit quer 15 N/mm2 und die Wasserdampfdurchlässigkeit 600 g/24 Std./m2 (bei 23°C, und 85 % relativer Luftfeuchte). Eine Folie mit einem "harten Griff" und einer Folienstärke von 30 µm wird in Streifen geschnitten, gereckt, in einer Kräuselanlage 17 gekräuselt, gefalten, gegebenenfalls perforiert und in einer Konfigurationsanlage 8 abschließend zu einzelnen Filterelementen 1 verarbeitet. Vorteilhaft ist hierbei, daß die Stärkefolie 16 eine viel höhere Wasseraufnahme hat als synthetische Polymerfolien wie Polyethylen-, Polypropylen- und Celluloseacetat-Folien. Dadurch wird die Kondensataufnahme steuerbar und die Flexibilität des Filters nimmt zu. Filtertows bzw. Filtermaterialien können auch aus biopolymeren Folien hergestellt werden, die wenigstens teilweise thermoplastische Stärken enthalten. Dazu wird beispielsweise auf die DE-A-43 17 696, DE-A-42 28 016, WO 90/05161, DE-A-41 16 404, EP-A-0 542 155, DE-A-42 37 535, PCT/EP 94/01946, DE-A-44 46 054, DE-A-195 13 235, sowie auf die DE-A-195 13 237, DE-A-196 24 641, CH 1996-1965/96 und die DE-A-195 15 013 verwiesen.
    • Die Figur 2a zeigt einen vergrößerten Querschnitt und die Figur 2b einen vergrößerten Längsschnitt eines Filterelementes 1 aus einer gekräuselten biopolymeren Folie 16.
    Die Figur 2c zeigt einen Längsschnitt einer Zigarette 10 mit einem gemäß in Figur 2 dargestellten Verfahren hergestellten Filterlement 1. Ein den Tabak 11 enthaltender Abschnitt und ein das Filterelement 1 enthaltender Abschnitt der Zigarette 10 sind mit Zigarettenpapier 12 umwickelt. Zusätzlich ist das Filterelement 1 bis in den Übergangsbereich zum den Tabak 11 enthaltenden Abschnitt mit einer verstärkenden Banderole 13 umhüllt.
    Fig. 3 zeigt ein Verfahrensschema für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtertows bzw. Filtermaterials zur Verwendung als Zigarettenfilter und Filter für Rauchwaren aus einem extrudierten Schaum aus nachwachsenden Rohstoffen wie Stärke.
    Die Herstellung von Stärkeschaum durch Extrusion ist prinzipiell z.B. aus der DE-A-32 06 751 und der DE-A-43 17 697 bekannt. Bereits seit etwa 1930 ist die sogenannte Kochextrusion von Stärke bekannt. Dabei wird vorzugsweise in einem Zweiwellenextruder die Stärke unter Druck und Temperatur gelatinisiert, destrukturiert und als Schaumstrang ausextrudiert. Vorrangige Anwendung findet diese Verfahrenstechnik bei der Herstellung von geschäumten Snackprodukten. Auch sind extrudierte Stärkeschäume als Verpackungschips bekannt. Die EP-A-0 447 792 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Papierschaum aus Papierfasern, Stärke und vollverseiftem Polyvinylalkohol durch Extrusion zur Verwendung als Dämmaterial.
    Nach der Erfindung (Fig. 3) wird in einer Extrusionsanlage 3 Stärkeschaum 20 aus einem Ausgangsgemisch 21 von Stärke, vorzugsweise nativer Kartoffelstärke, und plastifizierenden und filmbildenden Additiven durch thermische und mechanische Energieeinleitung verdichtet, gegebenenfalls modifiziert, plastifiziert und durch Temperatur- und Druckabfall expandiert, als aufgeschäumtes Rundprofil in einem Durchmesser von 10 mm hergestellt und im Formatierungsprozeß auf einen Durchmesser von 7,8 mm rundgewalzt und zu Filterstäben mit einer Länge von 12,6 mm verarbeitet. Das spezifische Raumgewicht der Schaumfilterelemente beträgt 12 kg/m3. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß der extrudierte Stärkeschaum 29 im wesentlichen offenporig ist, so daß das aufgeschäumte Filtermaterial aus destrukturierter Stärke mit einem kristallinen Anteil von weniger als 5 % in der Lage ist, die im Tabakrauch enthaltenen Flüssigkeiten und flüssigen Schadstoffe, wie Kondensat und Teerprodukte, zu adsorbieren, wobei der Stärkeschaumstoff selbst keine inhalierbaren, flüchtigen Produkte in den Tabakrauch emittiert.
    Die Figur 3a zeigt einen vergrößerten Querschnitt und die Figur 3b einen vergrößerten Längsschnitt eines Filterelementes 1 aus einem Stärkeschaum 20.
    Die Figur 3c zeigt einen Längsschnitt einer Zigarette 10 mit einem Filterelement 1 wie es gemäß in Figur 3 dargestelltem Verfahren hergestellt wird. Dem Tabak 11 und das Filterelement 1 enthaltende Abschnitte der Zigarette 10 sind gemeinsam mit Zigarettenpapier 12 umwickelt. Ferner ist das Filterelement 1 bis in den Übergangsbereich zum den Tabak 11 enthaltenden Abschnitt mit einer äußeren, verstärkenden Banderole 13 umwickelt.
    In einem einstufigen Verfahren, wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Stärkeschaum 20 durch Extrusion mittels eines Zweiwellenextruders Continua 37® hergestellt und in einem Kompressionsschritt verdichtet, wobei er in einer Kalanderanlage 22 zu einem Endlosfilter 7 verarbeitet wird. Die abschließende Formgebung und Vereinzelung zu Filterelementen 1 erfolgt in einer Konfigurationsanlage 8. Die Verfahrensbedingungen und Rezepturen zur einstufigen Verfahrensgestaltung der Herstellung des Filtertows bzw. Filtermaterials aus Stärkeschaum sind in Tabelle I und IA anhand von je 4 Beispielen gezeigt. Dabei stellt ein im wesentlichen elastischer und komprimierbarer Filtertow mit einer offenporigen Schaumstruktur ein befriedigendes Verfahrensergebnis dar (Beispiele 1 bis 3 und 5 bis 8). Bei den Verfahren gemäß Beispiel 1 bis 8 (Tabelle I und Ia) und Fig. 3 wird ein Zweiwellenextruder vom Typ Continua C 37 der Firma Werner & Pfleiderer zur Extrusion des Stärkeschaum-Materials verwendet. Er weist eine Düsenplatte auf, die mit 1 bis 4 Düsenöffnungen mit jeweils Durchmesser von 1,5 bis 4 mm ausgestattet sein kann. Die Temperatureinstellung der Extruderanlage erfolgt durch externe Kühl-Heizgeräte. Die Extruderanlage hat sechs Temperaturzonen, wobei die ersten vier Zonen auf Temperaturen von 25 bis 140°C gehalten werden. Die Temperaturzonen 5 und 6 können mit Temperatureinstellungen von 140 bis 165°C gefahren werden. Die bevorzugten Temperatureinstellungen sind der Tabelle I und Ia entnehmbar:
    Figure 00150001
    Figure 00160001
    Figure 00170001
    Figure 00180001
    Die Drehzahlen des Zweiwellenextruders bewegen sich vorzugsweise zwischen 200 und 300 UpM. Die Drehzahl bestimmt gemeinsam mit der Dosiermenge der Ausgangsstoffe auch das Drehmoment der Extruderanlage wesentlich. Für die Versuche wurde eine Drehzahl von 350 UpM gewählt. Eine optimale Expansion des Stärkeschaumes 20 wird bei Massetemperaturen der Schmelze von 160 bis 195°C erzielt. Diese Massetemperaturen wurden bei den Versuchen realisiert. In der Extruderanlage entstehen Betriebsdrücke von 25 bis 55 bar, wobei die besten Ergebnisse bei hohen Massendrücken erzielt werden. Bezüglich der Düsenkonfiguration wurden Variationen des Durchmessers, der Anzahl der Düsen und der Anordnung der Düsenöffnungen in der Düsenplatte untersucht. Die Düsenöffnungen wurden mit 1,5 bis 3 mm Durchmesser getestet, wobei die Anzahl der Düsen von 1 bis 3 Düsen variiert wurde. Die Anordnung der Düsenöffnung wurde vom Zentrum der Düsenplatte über einen mittleren Durchmesser bis zum größten Durchmesser getestet. Von den durchgeführten Versuchen des einstufigen Verfahrens wurde je eine Düse mit einem Öffnungsdurchmesser von 2,5 mm (Beispiel 1) bzw. 4 mm (Beispiele 2 bis 4), welche zentral plaziert wurde, getestet.
    Die Ausgangsstoffe für das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtertows bzw. Filtermateriales sind:
  • Native Kartoffelstärke der Fa. Emsland, Typ Superior Treibmittel (NaHCO3-CaCO3-Citronensäure-Mischung) Polyvinylalkohol der Fa. Hoechst vom Typ Mowiol 17-88 und Fließhilfsmittel (Tricalciumphosphat), sowie gegebenenfalls Polyesteramid (beziehbar von der Firma Bayer AG unter der Bezeichnung VP BAK 1095), wie aus EP-A-0 641 817 bekannt und Polyesterurethan (beziehbar von der Firma Bayer AG unter der Bezeichnung Degranil DLN), wie in DE-A- 196 15 151 vorgeschlagen.
    • Zur Dosierung der Stärke-Additiv-Mischung (Feststoffdosierung) dient ein einwelliges, volumetrisches Dosiergerät, wobei die Dosiermengen von den Betriebsparametern der Extruderanlage direkt abhängig sind. Das Gerät arbeitet mit einer Hohlwelle und hat einen Einsatzbereich von 1,5 kg/Std. bis 35 kg/Std. Die bevorzugten Dosiermengen sind aus der Fig. 4 ersichtlich.
    Zur Flüssigdosierung dient ein Membrandosiergerät vom Typ Gamma/5 der Firma ProMint. In den Beispielen 1 bis 8 wurde die Flüssigkeitsmenge von 0 bis 5 Liter/Std. variiert. In Tabelle I sind die dosierten Volumen der Flüssigkeit als Hubmengeneinstellung (in 0,1 ml/Hub) pro Hubfrequenzeinstellung (in Hüben pro Minute) der Dosierpumpe angegeben. Bei der Einstellung des Dosiergerätes von 5 : 55 werden 0,5 ml pro Hub mit 55 Hüben pro Minute zudosiert. Dies ergibt eine Dosiermenge von 27,5 ml pro Minute.
    Die Kalanderanlage 22 besteht aus vier hintereinanderlaufenden gefrästen Riemenscheiben. Der Durchmesser der Riemenscheiben und die Nutentiefe/Nutenbreite wurden bei den durchgeführten Versuchen variiert. Es wurde weiterhin der Einsatz von Zugfedern mit verschiedenen Zugstärken getestet, die einen Anpreßdruck der Riemenscheiben von 5 bis 100 N erzeugen können. Die bevorzugten Anpreßdrücke der Kalanderanlage sind aus Tabelle I ersichtlich. Der Endlosfilter 7 des Stärkeschaumes 20 wurde dabei unterschiedlich stark verkleinert und schließlich auf einen standardisierten Enddurchmesser gebracht.
    Bei einer anschließenden Konditionierung wird der Stärkeschaum 20 gegebenenfalls auf eine bestimmte Restfeuchte eingestellt.
    Als Konfigurationsanlage 8 wird ein Stranggranulator mit eingebauter Einzugswalze verwendet. Durch Einstellung der Messerdrehzahl und der Anzahl der Messer kann bei konstanter Einzugsgeschwindigkeit die Länge der Filterelemente 1 bzw. Zigarettenfilter eingestellt werden. Anhand der durchgeführten Beispiele wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:
  • Bei Erhöhung der Schneckendrehzahl der Extruderanlage steigen der Massedruck und die Schmelztemperatur an und die Expansion des Stärkeschaumes verbessert sich. Gleichzeitig muß die Dosiermenge erhöht werden, um diesen Effekt beibehalten zu können. Eine große zudosierte Flüssigkeitsmenge hat die Auswirkung, daß der Stärkeschaum direkt hinter der Düse stark expandiert, aber dann in sich zusammenfällt. Deshalb muß das Dosiermengenverhältnis der Feststoffe und der Flüssigkeit genau abgestimmt werden. Die einstellbaren Betriebsparameter werden durch das maximale Drehmoment der Extruderanlage 3 begrenzt, so daß die Durchsatzmenge und die Temperaturführung während dem Bearbeiten der Ausgangsstoffe im Extruder im mittleren Bereich liegen. Je nach den eingestellten Betriebsparametern der Extruder- und Dosieranlagen hat der Endlosfilter 7 aus Stärkeschaum 20 vor dem Durchlaufen der Kalanderanlage 22 eine Dichte von 6 kg/m3 bis 10 kg/m3. Nach der Kompression in der Kalanderanlage 22 steigt die Dichte des Endlosfilters 7 durch Volumenverkleinerung bei konstanter Masse an. Dieser Dichteanstieg ist wesentlich von dem Durchmesser des Endlosfilters 7 vor der Kalanderanlage 22, der Anzahl der Riemenscheiben und den Anpreßdrücken abhängig.
    • Bei einer zweistufigen Verfahrensgestaltung wird zunächst ein Stärkegranulat nach einem bekannten Verfahren (z.B. DE-A-43 17 696 oder WO 90/05161) hergestellt. Anschließend erfolgt die Verarbeitung der Stärkegranulate durch erneute Extrusion in einem Einwellenextruder zu einem Stärkeschaumstrang und die Konfektionierung zum Filtertow bzw. Filterelement 1 unter Bedingungen, ähnlich denen des einstufigen Verfahrens. Auf eine ausführliche Verfahrensbeschreibung wird daher verzichtet. Die Tabellen II und IIa zeigen anhand von je vier Beispielen Verfahrensbedingungen und Rezepturen zur Herstellung von thermoplastischem Stärke-Polymer-Granulat (1. Verfahrensstufe):
    Figure 00220001
    Figure 00230001
    Die Tabellen III und IIIa zeigen die Verfahrensbedingungen zur Herstellung von Filtertows bzw. Filtermaterial aus zu Stärkeschaum verarbeiteten thermoplastischem Stärke-Polymer-Granulat (2. Verfahrensstufe):
    Beispiel Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4
    Einwellenextruder
    Extruderdaten Schneckendurchmesser 50 mm 50 mm 50 mm 50 mm
    Schneckenlänge 135 cm 135 cm 135 cm 135 cm
    Verweilzeit 45 s 45 s 45 s 45 s
    Temp. Zome 1 40°C 40°C 40°C 40°C
    Temp. Zone 2 70°C 70°C 70°C 70°C
    Temp. Zone 3 190°C 190°C 190°C 190°C
    Temp. Zone 4 190°C 190°C 190°C 190°C
    Temp. Zone 5 190°C 190°C 190°C 190°C
    Temp. Zone 6 195°C 190°C 185°C 190°C
    Upm 350 350 350 350
    Stromaufnahme 25 Ampere 26 Ampere 27 Ampere 26 Ampere
    Temp. Schmelze 197°C 192°C 187°C 190°C
    Druck Schmelze 50 bar 50 bar 50 bar 30 bar
    Düsendurchmesser 1,5 mm 1,5 mm 1,5 mm 1,5 mm
    Düsenzahl 2 2 2 2
    Düsenplazierung parallel parallel parallel parallel
     
    Dosierung Feststoffdosierung 48,0 kg/h 48,0 kg/h 48,0 kg/h 48,0 kg/h
     
    Rezepturen s. Tabelle II Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4
    Kalander Druck Kalanderwalzenpaar 1 10 N/cm2 10 N/cm2 10 N/cm2 10 N/cm2
    Druck Kalanderwalzenpaar 2 30 N/cm2 30 N/cm2 30 N/cm2 30 N/cm2
    Druck Kalanderwalzenpaar 3 50 N/cm2 50 N/cm2 50 N/cm2 50 N/cm2
    Druck Kalanderwalzenpaar 4 70 N/cm2 70 N/cm2 70 N/cm2 70 N/cm2
     
    Eckdaten Durchmesser Endlosfilter 0,97 cm 0,85 cm 0,83 cm 0,85 cm
    Durchmesser Filter komprimiert 0,78 cm 0,78 cm 0,78 cm nicht meßbar
    Dichte Endlosfilter 10,2 kg/m3 10,1 kg/m3 9,5 kg/m3 16,0 kg/m3
    Dichte Filter komprimiert 15,7 kg/m3 13,1 kg/m3 10,7 kg/m3
     
    Bemerkungen elastisch elastisch elastisch sehr fest
    flexibel flexibel flexibel brüchig
    komprimierbar komprimierbar komprimierbar nicht komprimierbar
    offenporiger Schaum offenporiger Schaum offenporiger Schaum grobe Struktur
    Beispiel Nr. 5 Nr. 6 Nr. 7 Nr. 8
    Einwellenextruder
    Extruderdaten Schneckendurchmesser 50 mm 50 mm 50 mm 50 mm
    Schneckenlänge 135 cm 135 cm 135 cm 135 cm
    Verweilzeit 45 s 45 s 45 s 45 s
    Temp. Zone 1 40°C 40°C 40°C 40°C
    Temp. Zone 2 70°C 70°C 70°C 70°C
    Temp. Zone 3 190°C 190°C 190°C 190°C
    Temp. Zone 4 190°C 190°C 190°C 190°C
    Temp. Zone 5 190°C 190°C 190°C 190°C
    Temp. Zone 6 195°C 190°C 185°C 190°C
    Upm 350 350 350 350
    Stromaufnahme 25 Ampere 26 Ampere 27 Ampere 26 Ampere
    Temp. Schmelze 208°C 208°C 205°C 208°C
    Druck Schmelze 280 bar 280 bar 260 bar 260 bar
    Düsendurchmesser 1,5 mm 1,5 mm 1,5 mm 1,5 mm
    Düsenzahl 2 2 2 2
    Düsenplazierung parallel parallel parallel parallel
     
    Dosierung Feststoffdosierung 48,0 kg/h 48,0 kg/h 48,0 kg/h 48,0 kg/h
     
    Rezepturen s. Tabelle IIa Nr. 5 Nr. 6 Nr. 7 Nr. 8
    Kalander Druck Kalanderwalzenpaar 1 10 N/cm2 10 N/cm2 10 N/cm2 10 N/cm2
    Druck Kalanderwalzenpaar 2 30 N/cm2 30 N/cm2 30 N/cm2 30 N/cm2
    Druck Kalanderwalzenpaar 3 50 N/cm2 50 N/cm2 50 N/cm2 50 N/cm2
    Druck Kalanderwalzenpaar 4 70 N/cm2 70 N/cm2 70 N/cm2 70 N/cm2
    Eckdaten Durchmesser Endlosfilter 0,97 cm 0,90 cm 0,78 cm 0,78 cm
    Durchmesser Filter komprimiert 0,78 cm 0,78 cm 0,78 cm 0,78 cm
    Dichte Endlosfilter 9,5 kg/m3 9,5 kg/m3 9,5 kg/m3 9,0 kg/m3
    Dichte Filter komprimiert 12,0 kg/m3 11,0 kg/m3 9,5 kg/m3 9,0 kg/m3
     
    Bemerkungen elastisch elastisch sehr elastisch sehr elastisch
    flexibel flexibel sehr flexibel sehr flexibel
    komprimierbar komprimierbar nicht komprimierbar nicht komprimierbar
    offenporiger Schaum offenporiger Schaum offenporiger Schaum offenporiger Schaum
    Fig. 4 zeigt graphisch dargestellt Ergebnisse biologischer Abbaubarkeitstests für das erfindungsgemäße Filtermaterial, wobei Linie a) Stärkeschaum, Linie b) Fasern und Folien (Stärkewerkstoff BIOFLEX® BF 102), Linie c) Cellulosepulver und Linie d) Cellulose-2,5-acetat darstellt. Die wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen Filtermaterials ist der schnelle biologische Abbau. Diese Eigenschaft wurde an dem Stärkepolymerwerkstoff BIOLFELEX® BF 102 nach folgender Methode (beim Institut O.W.S. in Gent, Belgien) getestet: CEN Draft "Evaluation of the Ultimate Aerobic Biodegradability and Disintegration of Packing Materials under Controlled Composting Conditions - Method by Analysis of Released Carbon Dioxide" entsprechend modifizierter ASTM D 5338-92. Der Stärkewerkstoff BIOFLEX® BF 102, aus dem die Fasern und Folien zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtertows bzw. Filtermaterials bestehen, war nach 45 Tagen zu 96,6 % unter den Testbedingungen mineralisiert. Die Referenzsubstanz, reines Cellulosepulver (Linie c)), das als vollständig biologisch abbaubar gilt, war in der gleichen Zeit unter den gleichen Bedingungen nur zu 79,6 % abgebaut. Daher kann BIOFLEX® BF 102 laut Gutachten des Institutes O.W.S. als vollständig biologisch abbaubar gelten. Das Filtermaterial aus Stärkeschaum (Linie d)) ist aufgrund seiner porösen Oberfläche und Polymerzusammensetzung noch schneller vollständig abbaubar. Die sehr gute biochemische Abbaubarkeit wurde ermittelt durch den CSB (chemischer Sauerstoffbedarf in mg/l) und den BSB5 (Biologischer Sauerstoffbedarf in mg/l), wobei ein CSB von 1050 mg/l und ein BSB5 von 700 mg/l gemessen wurden. Der Quotient aus BSB5/CSB x 100 ergibt die sehr hohe biochemische Abbaubarkeit von 66 %, wobei Werte von mehr als 50 % als sehr gut abbaubar gelten. Bereits nach 10 Tagen war das Filtermaterial aus Stärkeschaum unter aeroben Kompostbedingungen zu mehr als 90 % biologisch abgebaut. Alle durch erfindungsgemäß Verfahren hergestellten Filtermaterialien entsprechen den Qualitätsanforderungen des LAGA-Merkblatt M 10: Qualitätskriterien und Anwendungsempfehlungen für Kompost sowie der DIN 54 900: "Prüfung der Kompostierbarkeit von polymeren Werkstoffen" und dem "ok Compost" Zertifikat.

    Claims (15)

    1. Verfahren zur Herstellung von biologisch abbaubarens Filterelamenten (1) bzw. Filterzows für Tabakrauchfilterelemente mit einem Filtermaterial aus einer Stärke und/oder einer Polymermischung auf Stärkebasis mit den folgenden Verfahrensschritten:
      a) kontinuierliches Zuführen einer dosierten Mischung aus nachwachsenden Rohstoffen und/oder einer Polymermischung auf Stärkebasis sowie weiteren Additiven in eine Extruderanlage, wobei die weiteren Additive Polyvinylalkohol, Polyesteramid und/oder Polyesterurethan, ein Fließhilfsmittel sowie gegebenenfalls ein Treibmittel sind,
      b) Erhitzen und Kneten der Mischung unter einem definierter Temperatur-Druckregime zur Ausbildung einer Schmelze,
      c) Extrudieren der Schmelze durch eine Düse,
      d) Ausbilden eines Extrudates mit luftdurchlässiger Konfiguration,
      e) Komprimieren des Extrudates und Ausbilden eines endlosen Rundfilterstabes und
      f) Umhüllen des Rundfilterstabes und Ausbilden einzelner Filterelemente.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte c) und d) kontinuierlich aufeinanderfolgen.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Verfahrensstufe mit den Schritten a) bis c) ein thermoplastisches Stärke-Polymer-Granulat hergestellt wird, das in einer zweiten Verfahrensstufe in einem Einwellenextruder nach den Schritten a) bis f) zu Filterelementen verarbeitet wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Verfahrensschritten a) bis c) eingesetzte Extruder ein Zweiwellenextruder ist.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nachwachsende Rohstoff eine native oder modifizierte Stärke, vorzugsweise eine native Kartoffelstärke ist.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat als Stinnfäden, Folie oder Schaum ausgetragen wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen mehr als 1000 Düsenöffnungen für die Extrusion von Spinnfäden, 1 bis 2 Düsenöffnungen für die Extrusion von Folien bzw. 1 bis 40 Düsenöffnungen für die Extrusion von Schaum aufweisen.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse für die Extrusion von Folien eine Breitschlitzdüse oder eine Ringdüse bzw. Doppelringdüse ist und eine Flachfolie oder eine geblasene Folie geformt wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Extruderanlagen mehrere Temperaturzonen, vorzugsweise sechs Temperaturzonen aufweisen.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt a) in einer 1. und 2. Temreraturzone und der Verfahrensschritt b) in einer 3, bis 6. Temperaturzone abläuft.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das folgende Temperaturregime gefahren wird: Zone 1: 25 - 45°C Zone 2: 70 - 110°C Zone 3: 110 - 160°C Zone 4: 150 - 220°C Zone 5: 180 - 220°C Zone 6: 180 - 220°C
      und die Schmelze als Schaum bei 180 - 220°C extrudiert wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 3 in Kombination mit einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das folgende Temperaturregime gefahren wird: Zone 1: 25 - 45°C Zone 2: 60 - 100°C Zone 3: 90 - 120°C Zone 4: 90 - 120°C Zone 5: 90 - 120°C Zone 6: 90 - 125°C
      und die Schmelze als Granulat bei 80 - 180°C extrudiert wird.
    13. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 3 in Kombination mit einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das folgende Temperaturregime gefahren wird: Zone 1: 25 - 45°C Zone 2: 60 - 120°C Zone 3: 100 - 190°C Zone 4: 140 - 190°C Zone 5: 140 - 190°C Zone 6: 140 - 200°C
      und die Schmelze als Schaum bei 150 - 200°C extrudiert wird.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vor dem Extrudieren plastifiziert wird.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial strangförmig, queraxial verdichtet und umhüllt ist.
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