JP2013507949A - 生分解性たばこフィルタートウおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、セルロースおよびセルロースアセテートの複合フィラメントを含む生分解性たばこフィルタートウ、ならびにイオン性液体中またはＮ−メチルモルフォリン−Ｎ−オキシド（ＮＭＭＯ）中のセルロースおよびセルロースアセテートのブレンドを含む溶液ドープを用意するステップと、このブレンドをプロトン性溶媒中に紡糸流延して繊維またはフィルムを生成するステップと、繊維またはフィルムをたばこフィルタートウに転換するステップとを含む、そのようなフィルタートウの作製方法に関する。本発明はさらに、そのようなフィルタートウから作製したたばこフィルターおよびたばこに関する。

Description

本発明は、特にたばこフィルタートウにおいて使用するための生分解性複合材料に関する。

最初のたばこフィルターは１９２０年代に開発され、クレープ紙から、場合によってはセルロース詰綿と共に構成されていた。その後、喫煙と健康との間の有害な関連に関する懸念が生じたため、タールレベルを低下させるフィルターに対する需要が急増した。活性炭などの他の機能性成分の添加が可能となる、紙シース内にセルロースアセテート繊維を含むデュアルフィルターが開発された。

健康に関するさらなる懸念、タール、ニコチンおよび一酸化炭素レベルの低下に関する法律および市場圧力の増加により、フィルター技術における開発の継続が必要となっている。今日では、たばこの世界市場は、１年につき５．８兆本超であり、その９７％は現在フィルターを含有している。フィルター付きたばこの８０．４％は標準的セルロースアセテート繊維から作製されており（４．５兆本）、１６．６％は「特殊な」フィルターに分類され、３％はポリプロピレンから作製されている。

一般に、たばこフィルターは、チップペーパーで包まれた“フィルタートウ”（一般にセルロースアセテートのけん縮繊維）を含む。本発明はフィルタートウ成分に関する。

たばこおよびたばこフィルターの製造業者にとって最も急を要する問題の１つは、フィルターの生分解速度である。セルロースアセテートフィルターは、生分解するのに環境条件に応じて１カ月から３年の間かかり、これは、ごみの問題を回避するのに十分な速さではない。ほとんど全ての海岸清掃調査で、廃棄されたたばこフィルターが上位を占めている。ごみの問題は単に視覚的な問題ではなく、使用済みのたばこフィルターに吸着された毒素が環境に浸出し、潜在的バイオハザードを引き起こすことが分かっている。

生分解性フィルタートウを調製するための様々なアプローチが提案されており、そのアプローチは、セルロースアセテートと他の生分解性ポリマーとの複合材、セルロースアセテートの分解速度を高めるための添加剤、生分解性を高めるための低置換度（ＤＳ）のセルロースアセテート、ならびにＰＨＢ／ＰＶＢおよびデンプンなどの生分解性ポリマーをフィルタートウ原材料として使用するものである。

しかし、今日まで、ごみの問題を克服するために十分に急速に分解する消費者の期待に応えるフィルターを生成するための満足のいく市販の溶液は発見されていない。上記アプローチに対して１つの大きな制約を課すことにより、達成することができる生分解性速度とフィルター材料が示す吸収プロフィール／味覚特性との間の許容される妥協点が見出されている。

本発明は、これらの問題に取り組もうとするものである。

本発明によれば、セルロースおよびセルロースアセテートの複合フィラメントを含む生分解性たばこフィルタートウが提供される。

セルロースおよびセルロースアセテートは、一般に、繊維またはフィルムの形態に流延（cast）される。いずれの形態の流延法も本発明の生分解性たばこフィルタートウを調製するのに適している。流延してフィルムの形態にする場合、次いで、得られたフィルムを細断してたばこフィルタートウに適した材料を生成することが必要である。本発明において好ましいフィルタートウは、セルロースおよびセルロースアセテートの凝固液から紡糸した繊維を含む。

本明細書におけるセルロース／セルロースアセテートの複合フィラメントへの言及は、セルロースおよびセルロースアセテートを含むドープから紡糸した繊維、または同様に構成されたドープから流延した細断フィルムを意味するものと理解すべきものである。

本発明者らは、セルロース／セルロースアセテートの複合フィラメントが、セルロースまたはセルロースアセテートのみを含む同等のフィラメントより著しく優れた生分解性を有することを見出した。いかなるそのような理論にも拘束されることを望むものではないが、本発明者らは、複合材中のアセテートの存在がセルロースの結晶化度を乱し、それにより複合材がセルロースのみより急速に生分解し得ると考えている。

従来、セルロースはビスコースから流延または紡糸されており、そのような条件下ではセルロースアセテートが加水分解する見込みがあるため、セルロースアセテートを同じブレンドから流延または紡糸することは困難または不可能である。逆に、セルロースアセテートは従来アセトンから流延または紡糸されており、アセトン中のセルロースの溶解度は限られているため、同じブレンドからセルロースを流延または紡糸することは困難または不可能である。

しかし、本発明者らは、イオン性液体（ＩＬ）からまたはＮ−メチルモルフォリン−Ｎ−オキシド（ＮＭＭＯ）からセルロースおよびセルロースアセテートを流延または紡糸することにより、これらの材料の複合ブレンドを含む紡糸繊維および流延フィルムを形成することが可能であることを見出した。そのような複合材の高められた生分解性およびたばこフィルタートウの製造における使用に対するそれらの適合性は、今まで認識されていなかった。

したがって、本発明のたばこフィルタートウは、イオン性液体（ＩＬ）からまたはＮ−メチルモルフォリン−Ｎ−オキシド（ＮＭＭＯ）からブレンドとして紡糸または流延されたセルロースおよびセルロースアセテートの繊維またはフィルムから形成することが好ましい。

セルロースおよび他のポリマーを溶解するためのＩＬおよびＮＭＭＯの使用は、例えばアラバマ大学のＵＳ２００５０２８８４８４およびＵＳ２００７０００６７７４、ノースカロライナ州立大学のＵＳ２００８０１８８６３６およびＨｏｌｂｒｅｙらのＷＯ２００５０９８５４６において十分に報告されている。前述の刊行物において開示されているものを含めた広範囲のイオン性液体が、セルロースおよびセルロースアセテートを溶解するため、ならびにそこからブレンドとして繊維またはフィルムを流延するために適している。好適なＩＬの一般的タイプとしては、ハロゲン、ホスフェート、カルボキシレートまたは金属塩化物アニオンと組み合わせたイミダゾール、ピロール、チアゾールまたはピラゾールカチオンをベースにしたものが挙げられる。特に好ましいＩＬとしては、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロリド（ＢＭＩＭ−Ｃｌ）１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート（ＢＭＩＭ−Ａｃ）および１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート（ＥＭＩＭ−Ａｃ）が挙げられる。

そこから繊維を紡糸またはフィルムを流延するセルロースおよびセルロースアセテートの溶液は、本明細書においてドープと呼ぶ。ドープは、セルロースおよび／またはセルロースアセテートの溶解を促進するためのＤＭＳＯ、ＤＭＦ、ＴＨＦまたはジオキサンなどの非プロトン性溶媒も含み得る。１つの特に好ましい非プロトン性溶媒はＤＭＳＯである。

ドープ中のセルロースアセテートおよびセルロースのブレンドは、本発明のたばこフィルタートウに遮水機能などのさらなる機能を付加することができる１種または複数のさらなる熱可塑性材料、例えば、ポリヒドロキシアルカノエート（例えばＰＨＢおよび／またはＰＨＶＢなど）なども含み得る。他の機能性添加剤としては、機能的目的、例えば、吸収および／または味覚プロフィールの変更、（例えば、水溶性材料による）分解増強、ならびに例えば湿潤強度に関連した加工性改善などのためのトリアセチン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ−２−ヒドロキシエチルメチルアクリレート（ＰＨＥＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアニリンおよびポリエチレングリコールを挙げることができる。（トリアセチンは、可塑剤として作用するだけではなく味覚プロフィールを改善することができる。）

ドープ中、したがって本発明のたばこフィルタートウ中のセルロースとセルロースアセテートの重量比は１０：９０〜９０：１０、例えば２０：８０〜８０：２０、または３０：７０〜７０：３０である。

一般に、ドープは、最大で約５０％ｗ／ｗ、好ましくは最大で約４０％ｗ／ｗ、より好ましくは最大で約３０％ｗ／ｗ、最も好ましくは最大で約２０％ｗ／ｗの固形分を含む。

本発明のフィルタートウは、複合フィラメントのけん縮を促進することができる１種または複数の可塑剤、例えばトリアセチンなどをさらに含み得る。本発明のたばこフィルタートウにおいて、セルロース／セルロースアセテートの複合フィラメントは、遮煙接点を設けるようにけん縮していることが好ましい。可塑剤は、ドープ中に含まれていてもよく、あるいは紡糸または流延の後に、例えばけん縮の前または間のフィルタートウの表面への噴霧により添加してもよい。

本発明のフィルタートウは、フィルタートウの酸化分解反応を促進する触媒をさらに含み得る。好適な触媒としては、酸化および塩化鉄ならびに酸化および塩化銅が挙げられ、それらは、複合フィラメントを水溶性の鉄または銅塩、例えば、硫酸塩または塩化物などの水溶液に浸漬し、水酸化ナトリウムまたは他の好適な沈殿剤を用いた処理により酸化物（好ましくはナノ形態）をフィラメントの表面または内部に沈殿させることにより該トウに導入することができる。

該トウは、静電荷を低減するための１種または複数の潤滑剤も含み得る。好ましい潤滑剤としては鉱油が挙げられる。繊維の紡糸またはフィルムの流延の間に、例えば、乳化剤と共に１％ｗ／ｗの鉱油を複合フィラメントに適用することができる。

本発明のフィルタートウは、フィラメントあたり１、５または９デニール（フィラメント厚さ（フィラメントあたりのデニール）は１本の未けん縮フィラメント９０００ｍあたりの質量（グラム）と定義される）で製造されたセルロース／セルロースアセテートの複合フィラメントを含むことが好ましい。

総トウ質量（総デニール）（一般に何千本もの、例えば１１０００本の個々の繊維を含む未けん縮フィルタートウ９０００ｍの総質量と定義される）は、繊維紡糸において用いられる方法および該トウ中の個々の繊維の本数に応じて著しく変動する。１つの一般的なトウ質量は３５０００ｇであろう。

本発明のフィルタートウは、表面積を最大にするために三葉形のフィラメント断面（場合により三角形の紡糸口金孔を使用して形成される）を有する繊維を含むことが好ましい。

本発明のフィルタートウはけん縮繊維を含むことが好ましく、そのけん縮構造は、延伸（荷重２５ｋｇ）フィルタートウと未延伸（荷重０．２５ｋｇ）フィルタートウの比であるけん縮指数により定義される。けん縮指数は、製造の精密な方法に応じて著しく変動する。

本発明のたばこフィルタートウの含水率は、好ましくは少なくとも約２％ｗ／ｗ、より好ましくは少なくとも約５％ｗ／ｗ、さらにより好ましくは少なくとも約１０％ｗ／ｗである。帯電を防止するために含水率が重要であることが分かっているが、含水率が非常に高いとトウのけん縮を保持することが困難となり得るため、好ましくは、高すぎてはいけない（例えば、５０％ｗ／ｗ以下）。

本発明のフィルタートウは、絡み合ったフィラメントを含むことが好ましい。

本発明によれば、チッピングラッパーで包まれた上記のたばこフィルタートウを含むたばこフィルターも提供される。

チッピングラッパーは、それ自体が生分解性物質であることが好ましく、例えば、紙または代替の生分解性物質、例えば、セルロース、ＰＬＡ、ヒドロキシアルカノエート、デンプンベースのポリマー、または他の形態のバイオポリマーなどを含み得る。

チッピングラッパーがバイオポリマーを含む場合、チッピングラッパーは、特に伸長および管カールに関連して好適な性質を達成するために、約２５重量％以下の量の軟化剤を含むことが好ましい。

バイオポリマー系チッピングラッパー中の軟化剤は、任意の好適な材料から選択することができるが、グリセロール、プロパン−１，２−ジオール、およびドイツたばこ法（Ｇｅｒｍａｎ Ｔｏｂａｃｃｏ Ｏｒｄｎａｎｃｅ）（ＴＶＯ）の一覧から選択される任意の他の好適な軟化剤から選択することが好ましい。

本発明によれば、喫煙に適した物質および上記のたばこフィルターを含むたばこも提供される。

本発明によれば、イオン性液体中またはＮＭＭＯ中のセルロースおよびセルロースアセテートのブレンドを含む溶液を用意するステップと、このブレンドをプロトン性溶媒中に紡糸または流延して繊維またはフィルムを生成するステップと、繊維またはフィルムをたばこフィルタートウに転換するステップとを含む、たばこフィルタートウの製造方法も提供される。

該ブレンドの再生式流延に好ましいプロトン性溶媒は水である。

本発明の方法において、複合セルロース／セルロースアセテート材料は、水および／または他のプロトン性溶媒中の溶液を再生することにより、任意の比で生成することができる。水中での凝固速度はドープのセルロースアセテート含量次第であることが分かっており、セルロースアセテートのレベルの増大により凝固速度が低下する。

次に、以下の図面を参照する以下に続く実施例において本発明をより具体的に説明する。

ｉ）セルロースアセテート；ｉｉ）セルロース；ならびにｉｉｉ）本発明のセルロースおよびセルロースアセテートのブレンドの繊維を示す３枚のスライドの写真である。 嫌気条件下で２週間の生分解後の図１のスライドの写真である。 嫌気条件下で４週間の生分解後の図１のスライドの写真である。 嫌気条件下で６週間の生分解後の図１のスライドの写真である。

ブレンドしたセルロース／セルロースアセテートの湿紡繊維の生分解性を、同等のセルロースの湿紡繊維および同等のセルロースアセテートの湿紡繊維と比較して評価した。

標準的湿紡装置を使用して、ｉ）セルロース（ＤＰ約８００）およびｉｉ）１：１ セルロース：セルロースアセテート（Ｅａｓｔｍａｎ、ＣＡ−３９８−３０）の１０％固形分のＥＭＩＭ−Ａｃ：ＤＭＳＯ（２０：８０）溶液から繊維を紡糸した。７０μｍのオリフィス直径を有する４０−オリフィスの紡糸口金を使用し、それを清浄な水を含有する室温の凝固浴槽に浸した。繊維を湿った状態でリールアップし、リール上で徹底的に洗浄し、次いで、５０℃で乾燥した。

図１〜４を参照すると、嫌気環境下での生分解速度が、同じ条件下でのセルロースの生分解速度を上回り、セルロースアセテートの生分解速度を大きく上回ることは、これらの複合材料の驚くべき性質である（付属書類１を参照せよ）。（この理論は決して拘束力があるものと見なすべきではないが）２種の成分が均質に混合した複合材を形成し、分解速度の向上はセルロースの結晶化度の低下に起因すると考えられる。該複合材のセルロース成分の分解がセルロースアセテート成分の分子スケールでの付着につながると考えられる。本発明者らは、本発明のたばこフィルタートウの好気条件下での生分解速度が同様に向上することも見出した。

たばこフィルタートウの製造におけるこれらの複合材料の適用により、セルロースアセテートのみを使用することにより達成される所望の吸収プロフィール／味覚特性の両方を有すると同時に生分解速度が大きく向上した製品を達成する経路がもたらされる。

乾式紡糸法を使用して本発明のフィルタートウを製造する。セルロースジアセテートおよびセルロース（１：１ブレンド）を１０％固形分でＥＭＩＭ−Ａｃ：ＤＭＳＯ（２０：８０）に溶解することによりドープを最初に調製する。ＴｉＯ₂を添加して外観を白化する。次いで、ドープを濾過し、チャンバ中に紡糸すると、フィラメントの固化が引き起こされ、薄くなる。１００００本超のフィラメントを一連の紡糸キャビネットから紡糸し、それらを合わせて１本の帯にする。スタッファーボックスを使用してフィルタートウにけん縮構造をエンボス加工し、得られたフィルタートウをチップペーパーで包んでたばこフィルターを形成する。

得られたたばこフィルターが実施例１に示す有益な生分解性性質を保持し、許容される味覚特性を有することが分かった。

Claims (14)

1. セルロースおよびセルロースアセテートの複合フィラメントを含む生分解性たばこフィルタートウ。
2. １種または複数のさらなる熱可塑性材料をさらに含む、請求項１に記載のフィルタートウ。
3. さらなる熱可塑性材料が、ＰＨＢ、ＰＨＶＢ、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ−２−ヒドロキシエチルメチルアクリレート（ＰＨＥＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアニリンおよびポリエチレングリコールの１つまたは複数から選択される、請求項２に記載のフィルタートウ。
4. セルロースとセルロースアセテートの重量比が１０：９０〜９０：１０である、請求項１から３のいずれか一項に記載のフィルタートウ。
5. セルロースとセルロースアセテートの重量比が２０：８０〜８０：２０である、請求項４に記載のフィルタートウ。
6. セルロースとセルロースアセテートの重量比が３０：７０〜７０：３０である、請求項５に記載のフィルタートウ。
7. １種または複数の可塑剤をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のフィルタートウ。
8. フィルタートウの酸化分解反応を促進する触媒をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のフィルタートウ。
9. トウ上の静電荷を低減するための１種または複数の潤滑剤をさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のフィルタートウ。
10. チッピングラッパーで包まれた請求項１から９のいずれか一項に記載のたばこフィルタートウを含むたばこフィルター。
11. 喫煙に適した物質および請求項１０に記載のたばこフィルターを含むたばこ。
12. イオン性液体中またはＮ−メチルモルフォリン−Ｎ−オキシド（ＮＭＭＯ）中のセルロースおよびセルロースアセテートのブレンドを含む溶液ドープを用意するステップと、前記ブレンドをプロトン性溶媒中に紡糸または流延して繊維またはフィルムを生成するステップと、繊維またはフィルムをたばこフィルタートウに転換するステップとを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のたばこフィルタートウの製造方法。
13. 前記ドープが、セルロースおよび／またはセルロースアセテートの溶解を促進するための非プロトン性溶媒をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 非プロトン性溶媒が、ＤＭＳＯ、ＤＭＦ、ＴＨＦまたはジオキサンの１つまたは複数を含む、請求項１３に記載の方法。