JP4709337B2

JP4709337B2 - セルロースエステル微小繊維及びそれを用いたたばこ煙用フィルター素材

Info

Publication number: JP4709337B2
Application number: JP16370098A
Authority: JP
Inventors: 周島本
Original assignee: Daicel Chemical Industries Ltd
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: JPH11350242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抄造性に優れ、比表面積の大きなセルロースエステル微小繊維、それを用いたたばこ煙用フィルター素材、並びにたばこ煙用フィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在のたばこ煙用フィルターの多くは、繊維状に成形した酢酸セルロースなどのセルロースエステルのトウが用いられている。喫煙時の口腔内への有害成分の流入量をさらに低減させるため、フィブリル化したセルロースエステル微小繊維を用いたトウが提案されている。
【０００３】
例えば、特公昭５０−３８７２０号公報には、直径０．１〜１０μｍのフィブリル状セルロースアセテートのミクロファイバーで構成され、ミクロファイバーの少なくとも一部が絡み合い、比表面積３ｍ²/ ｇ以上の繊維状物で構成されたたばこ煙用フィルターが開示されている。この文献には、エジェクター式の紡糸装置を用い、比表面積３〜１８ｍ² /ｇのフィブリル化セルロースアセテート繊維を得たことが記載されている。また、特開昭５３−４５４６８号公報には、直径０．５〜５０μｍ、比表面積５．０ｍ² /ｇ以上 (例えば、１２〜２５ｍ² /ｇ）のセルロースエステル繊維状物をたばこ煙用フィルター素材として用いることが開示されている。この文献には、ベンチュリ管ののど部に、オリフィスからドープ液を押し出し、前記ベンチュリ管に凝固液を高速で供給して前記セルロースエステル繊維状物を得ることが記載されている。
【０００４】
このようなセルロースエステル微小繊維をたばこフィルターに成形する方法としては、微小繊維を湿式あるいは乾式でシート状に抄造した後、該シートをクレープ加工して円筒状に巻き上げる方法や、乾式で微小繊維を円筒中に詰め込む方法が考えられる。
【０００５】
しかし、これらの文献に記載の過度な微小素材を用いる場合には、湿式抄造においては水はけ (濾水) 性が悪く連続抄造が不可能であり、乾式抄造においては微小繊維の塊を解繊することが著しく困難であり、均質なたばこ煙用フィルターを連続的に製造することが不可能である。また、微小繊維の調製に際して、濾水性が低いため、調製に使用した溶媒を洗浄することが極めて困難であるか、又は洗浄に多量の洗浄用水及び長時間を要する。
【０００６】
一方、特開平８−１２０５１７号公報には、繊維径１５〜２５０μｍ、比表面積０．５〜４．５ｍ² /ｇのフィブリル化繊維状セルロースエステルで構成されたたばこ煙用フィルターが開示されている。この文献には、セルロースエステル溶液をノズルから貧溶媒中に押し出し、吐出した繊維状セルロースエステル溶液に、インペラ状のカッターによりせん断力を作用させ、フィブリル化セルロースエステルを調製することも記載されている。しかし、一般に、たばこ煙中の有害成分の除去率とフィルター素材の比表面積の間には相関関係が認められ、前記フィブリル化繊維状セルロースエステルの比表面積では、たばこ煙中の有害成分を効率的に除去するためには十分ではない。
【０００７】
さらに、たばこ煙の通気抵抗を小さくすると、通常、フィルターの硬度や濾過効率が低下し、煙濾過性と硬度を両立できない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、比表面積が大きくても濾水性の大きなセルロースエステル微小繊維、フィルター素材及びたばこ煙用フィルターを提供することにある。
また本発明の他の目的は、抄造性に優れるセルロースエステル微小繊維、それを用いたたばこ煙用フィルター素材、並びにたばこ煙用フィルターを提供することにある。
さらに本発明の他の目的は、たばこ煙用フィルターとして好適な硬さと煙濾過性とを両立できるセルロースエステル微小繊維、それを用いたたばこ煙用フィルター素材、並びにたばこ煙用フィルターを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記目的を達成するため鋭意検討の結果、特定のセルロースエステル繊維が、比表面積が大きいにもかかわらず高い濾水性を有することを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明のセルロースエステル微小繊維は、カナダ標準濾水度が１２０〜５００ｍｌであり、下記（１）の特性を有する。
【００１１】
（１）ＢＥＴ測定法による比表面積が１０〜５０ｍ^２／ｇ
本発明のたばこ煙用フィルター素材は、上記セルロースエステル微小繊維で構成されており、たばこ煙用フィルター用として有用である。
【００１２】
なお、本明細書において、「シート」とは、二次的拡がりを有する紙状物を意味し、巻き取り可能であればよい。また、「平均直径」とは、湿潤時又は乾燥時に測定した繊維直径の平均値を意味する。繊維の直径は、適当量の繊維を採取し、顕微鏡写真を撮影して、その写真中の各繊維直径を測定することにより求めることができる。なお、繊維が高次（又は高度）に分岐している場合は、最も太い部分の直径をその繊維の直径とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の微小繊維はセルロースエステルで構成されている。
セルロースエステルとしては、例えば、セルロースアセテート、セルロースブチレート、セルロースプロピオネートなどの有機酸エステル；硝酸セルロース、硫酸セルロース、リン酸セルロースなどの無機酸エステル；セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートフタレート、硝酸酢酸セルロースなどの混合エステル；及びポリカプロラクトングラフト化セルロースアセテートなどのセルロースエステル誘導体などが例示される。これらのセルロースエステルは、単独で又は二種以上混合して使用できる。
【００１４】
これらセルロースエステルのうち、セルロースアセテート（例えば、セルロースジアセテートなど）が好ましい。
これらセルロースエステルの種類、置換度や重合度は特に制限されないが、セルロースエステルの平均重合度は、例えば、１０〜１０００、好ましくは５０〜９００、より好ましくは２００〜８００程度であり、通常１５０〜５５０程度である。セルロースエステルの平均置換度は、例えば１．０〜３．０程度、特に１．５〜２. ７ (例えば、２．０〜２．７）程度である。
【００１５】
セルロースエステルを得るための原料は特に制限されず、例えば、天然セルロース（木材パルプ、リンターパルプなど）又は再生セルロースなどが使用できる。セルロース原料としては、通常、木材パルプを用いる場合が多い。
【００１６】
前記セルロースエステルは、種々の添加剤、例えば、カオリン、タルク、ケイソウ土、石英、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムなどの無機微粉末；カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属の塩などの熱安定剤；着色剤、油剤、歩留まり向上剤などを含んでいてもよい。
【００１７】
また、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸などの環境分解促進剤（生分解促進剤）、アナターゼ型酸化チタンなどの光分解促進剤などを含有させることにより、繊維の分解性を高めることができる。
【００１８】
また、前記セルロースエステルは、白色度改善剤、例えば、酸化チタン、好ましくはアナターゼ型酸化チタンを含む場合が多い。酸化チタンの平均粒子径は、例えば、０．０１〜１０μｍ、好ましくは０．０２〜５μｍ程度である場合が多い。酸化チタンの含有量は、前記セルロースエステル全体に対して、０．０５〜２．０重量％、好ましくは０．１〜１．０重量％、さらに好ましくは０．２〜０．８重量％であり、０．４〜０．６重量％である場合が多い。
【００１９】
本発明のセルロースエステル微小繊維は、濾水度が大きくても比表面積が大きいという特色を有する。そのため、抄造性に優れ、連続抄造が可能である。また、たばこ煙の濾過効率も高い。
【００２０】
本発明のセルロースエステル微小繊維は、５ｍ²/ ｇ以上 (例えば、１０〜５０ｍ²/ ｇ程度）、好ましくは１０〜４０ｍ²/ ｇ、さらに好ましくは１５〜４０ｍ²/ ｇ（特に２０ｍ²/ ｇ以上）のＢＥＴ比表面積を有している。ＢＥＴ比表面積が５ｍ²/ ｇ未満では、たばこ煙中の有害成分の除去効率が低下する。
【００２１】
本発明のセルロースエステル微小繊維は、ＪＩＳＰ−８１２１に規定されているカナダ標準濾水度が１００〜７００ｍｌ、好ましくは１２０〜６００ｍｌ、さらに好ましくは１５０〜５００ｍｌであり、通常２００〜６００ｍｌ程度である。カナダ標準濾水度が１００ｍｌ未満では、繊維が過度に微小であるか、繊維のフィブリル化 (分岐）が過度に進行しているため、繊維の絡み合いが多すぎたり水はけ性が低下し、乾式あるいは湿式でシート状に連続的に抄造することが実質上不可能となる。また、湿式抄造で得られるシートが硬く緻密となり、このようなシートから調製したたばこ煙用フィルターは、好適な通気特性（通気抵抗）を達成する場合には物理特性（硬さ）が不足となる。また、カナダ標準濾水度が７００ｍｌを超える場合は、乾式抄造における解繊性、湿式抄造における水はけ性は高いものの、セルロースエステル微小繊維の繊維間結合が弱すぎるため成形することが不可能となり、成形するためには多量の木材パルプなどを混合する必要がある。
【００２２】
セルロースエステル微小繊維の濾水性には、微小繊維のａ）直径、ｂ）長さ、ｃ）フィブリル化（分岐）の程度が関係し、小さい直径、短い長さ、高いフィブリル化度は濾水性を低下させる。実質上はセルロースエステル微小繊維の濾水性は上記ａ）〜ｃ）のバランスとａ）〜ｃ）各形状の分布などが関係するため、セルロースエステル微小繊維の形態により定量的に濾水性を予測することは困難である。本発明のセルロースエステル微小繊維は、一般に平均直径２０〜２５０μｍ、好ましくは５０〜２５０μｍ、さらに好ましくは５０〜２００μｍの微小繊維が全体の繊維数の１０〜７０％、好ましくは２０〜６５％、さらに好ましくは３０〜６０％を占める。平均直径が２０μｍ未満では、たばこ煙用フィルター巻上げ時の歩留まりが低下し、平均直径が２５０μｍを超えると、フィルターの均一性が低下しやすく、比表面積が低下する。
【００２３】
セルロースエステル微小繊維の製造には、繊維状紡糸液にせん断力を作用させながらフィブリル化できる種々の装置が使用できる。このような装置は、凝固液が供給される流路と、この流路内にセルロースエステル溶液を吐出するためのノズル手段と、ノズル手段から押し出し又は吐出された繊維状紡糸液をフィブリル化とともにカッティングするための切断手段（せん断手段）とを備えている場合が多い。
【００２４】
本発明のセルロースエステル微小繊維を得る方法は特に限定されないが、例えば、図１に示す装置を用いて、セルロースエステル溶液を該セルロースエステルの凝固液中に攪拌せん断下に押し出し凝固させる方法が挙げられる。
【００２５】
図１はセルロースエステルをフィブリル化してセルロースエステル微小繊維を製造するための装置の一例を示す概略構成図であり、図２は図１の切断手段を示す概略底面図である。
【００２６】
図１及び図２に示す装置は、上部が閉塞した円筒状ケーシング３と、このケーシング３の底部から上方へセルロースエステル溶液を吐出するためのノズル手段１と、ケーシング３の下部に凝固液を供給し、吐出されたセルロースエステル溶液と合流接触して、セルロースエステル溶液を凝固沈殿させるための凝固液供給口４と、前記ケーシング３の上部側面に接続され、かつ生成したフィブリル状セルロースエステルを凝固液とともに送出するための送出口５とを備えている。
【００２７】
そして、前記ノズル手段１と送出口５との間のうち、セルロースエステル溶液と凝固液との接触領域には、ノズル手段１から押し出された繊維状のセルロースエステル溶液を攪拌するとともに、せん断力を作用させて繊維状セルロースエステル溶液をフィブリル化するためのカッティング手段（またはせん断手段）６が配設されている。
【００２８】
このカッティング手段６は、ノズル手段１に近接して対向し、かつ回転可能に配設されたカッター８と、このカッターの下流側において、前記カッター８と近接してケーシング３に取り付けられた多孔プレート１０とを備えている。すなわち、カッティング手段６は、前記ケーシング３内で軸方向に延びるシャフト７と、このシャフトの端部に取り付けられ、かつモーターなどの回転駆動源により回転可能な複数枚の羽根を有するカッター８と、このカッターよりも下流側に位置してケーシング３に取り付けられ、かつ周方向に複数の孔９を有するプレート１０とを備えている。この例では、プレート１０はカッター８と平行に配設されている。また、カッティング手段６のカッター８は、プレート１０と近接しているとともに、前記ノズル手段１の吐出口に近接している。
【００２９】
このような装置を用いると、セルロースエステル溶液供給口２より供給され、かつノズル手段１からケーシング３内に加圧状態で押し出されたセルロースエステル溶液は、凝固液供給口４から供給される凝固液と接触して、シャフト７で回転させられるカッター８により攪拌される。その際、ノズル１と多孔プレート１０との間に、ノズル１に対向してカッター８が介在しているので、ノズル手段１からプレート１０の孔９を通過する間に、カッター８の回転力及び攪拌力によりセルロースエステル溶液にせん断力が作用し、セルロースエステル溶液をフィブリル化しながら凝固できる。フィブリル化したセルロースエステルはプレート１０の孔９を通過して、フィブリル化セルロースエステル送出口５から送出される。
【００３０】
本発明のセルロースエステル微小繊維のフィブリル化の程度や繊維長及び濾水度は、セルロースエステルの溶媒、セルロースエステル溶液の濃度、温度、供給速度、セルロースエステルの凝固液、セルロースエステル凝固液の温度、供給速度、吐出口とカッティング手段との距離、カッティング手段とプレートとの距離、カッティング手段によるせん断力（カッターの回転速度や形状など）、さらにはノズル孔径などにより調製できる。せん断力は、セルロースエステルが完全に凝固する前に作用させればよく、部分的に凝固したセルロースエステルに作用させてもよい。カッターを使用する場合のカッターの回転数は、前記ノズル１とカッター８の距離などに応じて適当に選択でき、例えば、３０００〜１５０００ｒｐｍ程度の範囲から選択できる。
【００３１】
前記ノズルの先端とカッターとの距離は、セルロースエステル溶液の供給速度やカッターの回転数により適宜選択できるが、通常、１〜５ｍｍ、好ましくは１〜３ｍｍ程度（例えば２ｍｍ程度）である。上記距離が短すぎると、塊状物が生成しやすく、長すぎると、繊維長及び繊維直径が大きくなりやすい。
【００３２】
せん断力は、前記カッターの回転せん断力に限らず、ジェット流、パルス波による衝撃などを利用してセルロースエステル溶液に作用させてもよい。
断面円形のノズルを用いる場合、ノズル口径は、所望の繊維径などに応じて選択でき、通常、５０μｍ〜５ｍｍ、好ましくは１００μｍ〜４ｍｍ、さらに好ましくは５００μｍ〜３ｍｍ程度である。ノズルとしては、断面円形ノズルに限られず、円形ノズルと同程度の断面積を有していればよい。また、セルロース溶液を吐出するノズルは単一ノズルに限らず、多数のノズル孔径に対応する孔を形成した口金で構成してもよい。
【００３３】
セルロースエステルの良溶媒としては、アセトン、エチルメチルケトンなどのケトン類；酢酸などのカルボン酸；ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類；塩化メチレン、塩化エチレンなどのハロゲン化アルキル類やハロゲン化炭化水素類；メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール類；酢酸メチル、酢酸エチルなどのエステル類；Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなどのアミド類；ジメチルスルフォキシドなどのスルホキシド類などの有機溶媒；これらの有機溶媒の混合溶媒；およびこれらの有機溶媒と水との混合溶媒（例えば、酢酸水溶液など）が挙げられ、セルロースエステルの種類や置換度に応じて適当に選択できる。
【００３４】
セルロースエステルの凝固液としては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどやこれらの有機溶媒と水との混合溶媒、水などが例示される。前記セルロースエステル溶液の良溶媒と水との混合溶媒（例えば、酢酸水溶液など）も使うことができる。
【００３５】
比表面積と濾水度には、凝固液とセルロースエステル溶液との温度差が大きな影響を及ぼす。そのため、本発明のセルロースエステル微小繊維を得るには、凝固液の温度Ｔは、セルロースエステル溶液の温度Ｔ₀と同等か又は十分低くすることが重要であり、温度差（Ｔ₀−Ｔ）は−1０〜１００℃（例えば0 〜１００℃）程度、好ましくは１0 〜１００℃、さらに好ましくは２０〜１００℃（例えば５０〜１００℃）程度である。凝固液の温度がセルロースエステル溶液の温度を大きく超える場合は、カナダ標準濾水度が１００ｍｌ以下のセルロースエステル微小繊維しか得ることができない。この理由は明確ではないが、比較的高温ではセルロースエステルの溶媒の活動度が高いため、あるいは気化が生じるため、セルロースエステル微小繊維のフィブリル化が過度に進行するためと考えられる。
【００３６】
特開平9-324318号公報には比較的幅（直径）の大きいフィブリル状およびフィルム状のセルロースエステルが開示されている。しかし、この文献においてはセルロースエステルの溶液を高温の水蒸気と接触させることを調製上の実質的な要件としており、本発明のセルロースエステル微小繊維とは異なる。
【００３７】
本発明のたばこ煙用フィルター素材は、少なくとも前記セルロースエステル微小繊維で構成される。フィルター素材の形態は特に制限されず、繊維状、毛状、織布状、不織布状、トウ状、ウェブ状、シート状などいずれであってもよい。好ましい素材には、ウェブまたはシート状素材、特に不織布状で抄紙構造を有するシート状素材が含まれる。なお、抄紙構造とは、繊維が互いに絡みあった構造を意味する。
【００３８】
本発明のセルロースエステル微小繊維をシート状に抄造する方法としては、セルロースエステル微小繊維を０．３〜２重量％含む水性スラリーを調製し、通常の長網抄紙機や円網抄紙機で湿式で抄造する方法が例示される。また、セルロースエステル微小繊維をシート状に抄造する他の方法としては、乾燥したセルロースエステル微小繊維を通常の乾式不織布製造装置にて解繊・抄造する方法も例示される。
【００３９】
上記乾式、湿式いずれの方法においても、セルロースエステル短繊維（例えば繊度２〜７デニール程度、繊維長２〜４ｍｍ程度）や木材パルプを、セルロースエステル微小繊維の、例えば５０〜１００重量％、７０〜１００重量％、８０〜１００重量％程度の範囲から選択し、配合することができる。
【００４０】
また、シート状素材は、フィルタープラグを通じて、チャンネリングを抑制しつつ、煙を円滑かつ均一に通過させるため、クレープ加工又はエンボス加工されているのが好ましい。クレープ加工は、進行方向に沿って多数の溝が形成された一対のクレープ化ロールにシート状素材を通し、シートの進行方向に沿って皺及び若干の裂け目を形成することにより行うことができる。エンボス加工は、格子状、ランダム状などに凹凸が形成されたロール間にシート状素材を通したり、凹凸部が形成されたロールでシート状素材を押圧することにより行うことができる。クレープ加工やエンボス加工により、フィルターの通気性を調整できる。
【００４１】
本発明のたばこ煙用フィルター素材は、たばこ煙用フィルター（たばこ用フィルターロッド）を製造する上で有用である。前記たばこ煙用フィルターは、慣用の方法、例えば、フィルター素材を、そのままフィルターロッド成型用金型に充填してフィルタープラグとしたり、シート状の素材をフィルタープラグ巻上げ機に導入することにより得られる。
【００４２】
セルロースエステル微小繊維の添加方法及び添加または装着部位は、特に限定されない。セルロースエステル微小繊維を成形する場合、セルロースエステルの可塑剤（トリアセチンなど）や接着剤を添加してもよく、セルロースエステル微小繊維の熱可塑性を利用して加熱加圧成形などの成形法により成形することもできる。
【００４３】
また、シート状成型体を経由することなく、乾燥した本発明のセルロースエステル微小繊維を解繊し、所望の直径および長さの紙製円筒に充填することにより、たばこ煙用フィルターを得ることも可能である。
【００４４】
たばこ煙用フィルター（ロッド状フィルター）は、フィルターチップを構成してもよい。
前記プラグ巻上げ機では、シート状素材をロール中に巻き込んだ後、巻紙により円筒状に巻き上げ、糊付けし、適当な長さに切断することにより、フィルタープラグを作製できる。巻上げに際して、クレープ加工したシート状素材は、皺が延びる方向に横断又はほぼ直交する方向に巻上げる場合が多い。
【００４５】
【発明の効果】
本発明では、セルロースエステル微小繊維及びフィルター素材の比表面積が大きく、しかも濾水度が大きい。そのため、たばこ煙用フィルターとして用いると喫煙者の口腔内への有害物質流入量を低減し喫煙者の健康に及ぼす悪影響を低減できる。また、抄造性に優れ、抄造過程での紙切れも防止できる。さらに、たばこ煙用フィルターとして好適な硬さと煙濾過性を両立でき、通気抵抗が小さくても濾過効率を向上できる。
【００４６】
【実施例】
以下実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４７】
実施例１
平均置換度２．４５、極限粘度１．６ｇ/ ｄｌのセルロースアセテートを７０重量％酢酸水溶液に溶解し、濃度１２重量％のセルロースアセテートの溶液を得た。２５重量％酢酸水溶液を凝固液として、図１の装置を用い、セルロースエステル溶液温度４０℃、凝固液温度４０℃の条件でセルロースエステル微小繊維を得た。得られたセルロースエステル微小繊維のカナダ標準濾水度は４４０ｍｌ、ＢＥＴ比表面積は１４ｍ²/ｇであった。
【００４８】
実施例２
セルロースエステル溶液の温度を５５℃とする以外は実施例１と同様の方法でセルロースエステル微小繊維を調製した。得られたセルロースエステル微小繊維のカナダ標準濾水度は１５０ｍｌ、ＢＥＴ比表面積は２９ｍ²/ｇであった。
【００４９】
比較例１
凝固液温度を８０℃とする以外は実施例２と同様の方法でセルロースエステル微小繊維を調製した。得られたセルロースエステル微小繊維のカナダ標準濾水度は２０ｍｌ、ＢＥＴ比表面積は３２ｍ²/ｇであった。
【００５０】
実施例３、４および比較例２
実施例１、２および比較例１で得られたセルロースエステル微小繊維８重量部とＹ断面セルロースアセテート短繊維（長さ４ｍｍ、繊度３デニール、セルロースアセテートの置換度２．４５）２重量部を１０００重量部の水に懸濁して得たスラリーを通常の円網抄紙機を用いて５０ｍ/分の速度で連続湿式抄造した。秤量３５ｇ/ ｍ²のシートを調製した際の９０分間のシート切れ頻度を表１に示した。
【００５１】
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の製造方法で用いるフィブリル化装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】図２は、図１のフィブリル化装置のカッティング手段の概略底面図である。
【符号の説明】
１…ノズル手段
２…セルロースエステル溶液送入口
３…ケーシング
４…凝固液供給口
５…フィブリル状セルロースエステル送出口
６…カッティング手段
７…シャフト
８…カッター
９…孔
１０…プレート

Claims

カナダ標準濾水度が１５０〜４４０ｍｌであり、下記（１）の特性を有するセルロースアセテート微小繊維。
（１）ＢＥＴ測定法による比表面積が１４〜２９ｍ^２／ｇ
請求項１記載のセルロースアセテート微小繊維で構成されているたばこ煙用フィルター素材。
シート状である請求項２記載のたばこ煙用フィルター素材。
請求項２に記載のたばこ煙用フィルター素材で構成されたたばこ煙用フィルター。