NO773391L - Filtermateriale. - Google Patents

Abstract

Filtermateriale av ikke-vevet cellulose-ester, særlig som tobakkrøyk-filter

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et filtermateriale med ark-lignende struktur, særlig egnet for filtrering av tobakks-røyk. Filteret vil effektivt fjerne de skadelige bestanddeler i tobakkrøyk, særlig tjære og nikotin, uten å fremtvinge sterk-ere drag eller sug på sigaretten. Oppfinnelsen omhandler også fremgangsmåter for fremstilling av nevnte ark-strukturer som filtere.

Det viktigste bruksområde for oppfinnelsens materiale er som filter for fjerning av innsugbare partikler av alle typer og som væskefilter. Brukt som filter for fjerning av innsugbare partikler kan filteret i henhold til oppfinnelsen brukes sammen med en sigarett eller en annen røkegjenstand som pipe, sigar eller sigarett- eller sigar-holder. Det vil imidlertid være klart av den følgende beskrivelse at filtermaterialet i henhold til oppfinnelsen også med fordel kan brukes i opera-sjonsmasker, for luftfiltrering og i ansiktsmasker for beskyt-telse mot røyk, støv eller "smog".

Det har vært foreslått mange typer filtermaterialer, spesielt for å redusere mengden av skadelige bestanddeler i tobakk-røyk som når inn til brukerens luftveissystem. I tillegg til å kunne fjerne en relativt høy andel av de skadelige bestanddeler i røyken må et tilfredsstillende filter imidlertid også virke uten i vesentlig grad å hindre luftstrømmen eller røyk-strømmen gjennom filteret slik at det fremtvinges for sterkt sug eller drag. For filtrering av tobakksrøyk må filtermaterialet ikke forandre tobakkrøyksmaken ved å innføre en egen smak. En annen faktor ved fremstilling av et tilfredsstillende to-bakkfilter er at det må kunne fremstilles billig slik at det ikke gjør den endelige røykeartikkelen for kostbar.

Selv om et stort antall fibermaterialer har vært brukt som filtermateriale i denne forbindelse har bare fibere av tremasse og celluloseacetat vunnet vesentlig markedsmessig utbred-else .

Tre- eller papir-massefibre brukes vanligvis i form av et papir som er korrugert og/eler sammenpresset til stavform for forbindelse med en sigarett, mens celluloseacetat vanligvis brukes i form av et tau av vesentlig .kontinuerlige langsgående filamenter som fortrinnsvis er krympet slik at korte avsnitt av de enkelte trådene løper tilfeldig og ikke-parallelt mot og fra hverandre i forhold til tauets lengderetning.

Vanlige papirfiltre karakteriseres oftest av høyere fil-treringsevne målt på grunnlag av røykfjerningseffekten men vil også i uheldig grad påvirke lukt og smak av den filtrerte røyk-strømmen. Videre vil papirfiltrenes fenol-selektivitet være vesentlig lavere enn når man bruker vanlige celluloseacetat-taufiltre. Papirfiltre vil videre ha tendens til å falle sammen under røykingen hovedsakelig fordi de absorberer fuktighet fra tobakksrøyken og røkerens munn. Sammentrykkbarheten for papirfiltre ved et gitt trykkfall er også vanligvis større enn for vanlige taufiltre med lignende vekt.

Sammenlignet med paiprfiltre oppfyller vanlige celluloseacetat-taufiltere i beundringsverdig grad de krav som er stilt til god drag-gjennomgang og billig fremstilling samtidig som man unngår alle de nevnte ulemper ved papirfiltre. Derfor er mesteparten av de filtersigaretter som nå er på markedet for-synt med denne typen filtermateriale til trods for at celluloseacetat-taufiltre ved en gitt gjennomsuging (suge-styrke, drag-styrke) har relativt mindre røykfjerningseffekt enn papirfilter.

Mange filtertyper er foreslått for. å unngå denne ulempen mens man beholder fordelene ved celluloseacetatet og derved kommer frem til et filter som har fordelene ved begge filtertyper i ett filter ved høy røykfjerningseffekt og brukbar suge-gjennomgang. En vanlig fremgangsmåte for å oppnå dette er å kombinere celluloseacetat-taufiltre og papirfiltre i ett enkelt filter. Dette er foretatt ved å legge inntil hverandre en kort stav av papirfilter og en kort stav av taufilter i et såkalt "dobbeltfilter". Et slikt filter vil være relativt kostbart sammenlignet med en vanlig "filtertip" siden det er nødvendig å fremstille to separate staver og føye dem sammen til et enkelt filter. Det har derfor alternativt vært foreslått, som i U.S. patent 3.396.061, å sammenføye en bane av celluloseacetat-tau og papirhane umiddelbart forut for filterformingen. Kombinerte papir/acetat-filtere kan fremstilles etter denne fremgangsmåten bare noe dyrere enn vanlige filtre. Disse filtre ansees imidlertid ikke fullstendig tilfredsstillende siden det er tendenser til å være ujevn fordeling av de to filtermaterialer over filterets tverrsnitt, hvilket er et ugunstig system siden to-bakksrøyk suget gjennom en del av filteret bare vil komme i kontakt med ett filtermateriale mens røyk som suges gjennom en annen del av filteret bare kommer i kontakt med det andre filtermaterialet. Derved vil ingen del av røyken filtreres gjennom begge stoffene. Den tydelig uønskede smaken som avgis av et papirfilter er dessuten fremdeles tilstede i en grad som svarer til den mengde filtrerpapir som brukes i filteret.

En annen fremgangsmåte for utnyttelse av celluloseacetat-stapelfibre i filtre av bare celluloseacetat har bestått i å orientere fiberretningen i fiberstrukturen loddrett på røyk-strømmen. Enten de er i form av ikke-vevede baner, filtede matter eller sylindriske staver mangler imidlertid disse fiber-strukturer dimensjonsstabilitet og krever bindemiddel for å holde trådene i ønsket orden. Disse oppbygninger har heller ikke den effekt som vanlig papirfilter fordi stapelfibrenes overflateareal er mindre enn papirfibrenes. Bruk av bindemiddel byr på andre problemer siden de reduserer det tilgjengelige filtrerings-overflateareal, tilføyer uønsket smak til den filtrerte røyken og utgjør en begrensende faktor ved fremstilling av filtre på grunn av herde- eller bindingstiden.

Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en arklignende struktur med stapelfiber-orienter-ing, med høyt overflateareal og med anvendelse som filtermateriale. En annen hensikt med oppfinnelsen er å fremlegge en fremgangsmåte for fremstilling av materialer egnet for bearbeiding til en arklignende struktur med høyt overflateareal og uten bindemiddel. En annen side ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en filterstav med høyt overflateareal, som kan oppdeles i si-

garettfiltre.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen vil fremgå klarere av den følgende detaljerte beskrivelse.

Ifølge oppfinnelsen tilveiebringes en arklignende struktur med høyt overflateareal bestående av sammenholdte ikke-vevede cellulose-ester-fibre som holder fiberorienteringen uten bindemiddel og som oppviser høy filtreringsvirkning ved aksep-tabelt sug. Filtermaterialet består av en bane av cellulose-ester-stapelfibre og fra ca. 5 til 35 % basert på stapelfibrenes vekt fibrilært cellulose-ester-materiale som gir opphav til store hulrom, har høyt overflateareal og betegnes "fibrets".

Betegnelsen "fibrets" i foreliggende betydning angir et fibrilært cellulose-ester-materiale med høyt overflateareal på over 5,0 m 2 pr. g, lengder på under 1000 og diameter på

ca. 0,0 til 50^u.

Betegnelsen "bindemiddel" i foreliggende betydning angir oppløsningsmiddelfrie stoffer som har evnen til å sammenlime fibermaterialet ved å danne en kontaktmasse av fremmed opprin-nelse på fibrene. Fra denne definisjon av "bindemiddel" ute-lukkes spesielt stoffer som er delvise oppløsningsmidler for fibrene og som mer korrekt betegnes plastiseringsmidler, som f.eks. triacetin, triethylenglycoldiacetat og blandinger som inneholder slike og andre plastiserende tilsetninger som f.eks. blandinger av polyethylenglycol og triacetin.

Uttrykket "høyt overflateareal" brukes her for materialer med overflateareal på over 1 m 2/g. Sammenligninger mellom over-flatearealer kan settes i riktig perspektiv ved å bemerke at papir egnet for filtreringsformål har overflateareal på 1,2 til 3,2 m 2/g mens celluloseacetat-stapelfibre med 6 mm lengde og med en filament-denier på 1,8, 3,0 og 8,0 har et overflateareal på 0,35, 0,26 og 0,20 m 2/g respektivt.

De stapelfibre som brukes for fremstilling av banen er fortrinnsvis cellulose-ester-stapelfibre av vanlig type med fiberlengde på ca. 3 til 15 mm og en denier pr. filament på

ca. 1,0 til 8,0. Fortrinnsvis har stapelfibrene en lengde på

6 til 9 mm og en filamentdenier på ca. 1,0 til 3,0. Det ark- lignende materiale våtlegges fra en vandig oppslemming av cel-lulosé-ester-stapelfiber og cellulose-ester-fibretter (fibrets) ved hjelp av vanlig våtleggingsutstyr for ikke-vevet materiale. Det arklignende materiale har fortrinnsvis en flatevekt på 20 til 40 g/m 2 , et overflateareal på over 1 m 2/g og en slitstyrke på 200 til 1000 g pr. 5 cm. Arkmaterialet blir fortrinnsvis korrugert før det formes til sigarett-stavmateriale. Når staven oppskjæres i lengder egnet som tobakk-røykfilter har en -suge-motstand målt som lufttrykkfallet over filterlengden i området 30 til 200 mm vannsøyle ved en strømning på 17,5 ml/sek. for

20 mm filterlengde.

Oppfinnelsen vil lettere forståes i forbindelse med de vedlagte figurer hvor: fig. 1 viser en skjematisk tegning av et system for fremstilling av fibretter egnet for bruk i henhold til oppfinnelsen,

fig. 2 er et blokkdiagram over en fremgangsmåte for fremstilling av arkmateriale i henhold til oppfinnelsen,

fig. 3 er et vertikalriss av et arrangement for krymping av arkmateriale i henhold til oppfinnelsen og forming av det krympede materiale til en sylindrisk filterstav,

fig. 4 er et mikrofotografi av en celluloseacetat-fibret i henhold til oppfinnelsen,

fig. 5 er et mikrofotografi av et arkmateriale ifølge oppfinnelsen .

Det vises til fig. 1 hvor en skjematisk tegning illustrerer fremstilling av en høyfibrilert acetatfiber. Som vist på tegningen pumpes et forråd av celluloseacetat oppløst i aceton, eller.eventuelt i eddiksyre, gjennom en kapillarnål. Enden av nålen befinner seg i innsnevringspartiet i et venturirør som fører en koaguleringsvæske, vanligvis varmt eller kaldt vann. Den høye hastighet på vannstrømmen i venturi-strupepartiet tjener til å fortynne acetatoppløsnings-strømmen og ekstraherer oppløsningsmiddelet under dannelsen av en fibret. Ved å forandre oppløsningens konsentrasjon, vannstrømmen, vannets temperatur, eller ved å tilsette andre oppløsningsmidler til vann-strømmen kan størrelse, fibrileringsgrad og lengde på den fremstilte fibretten reguleres. Spesiell apparatur og beting-elser for fremstilling av fibretter ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 2. Apparaturen på fig. 2 er også av venturitypen, imidlertid ekstruderes acetatoppløsningen ovenfor innsnevringen i venturirøret. Eksempler på fibretter som er fremstilt i henhold til eksempel 2 er illustrert på fig. 4 som viser et mikrofotografi i 600 gangers forstørrelse. Fibretter fremstilt ved denne fremgangsmåten eller på tidligere kjente måter kan deretter omdannes til arkmateriale som vist på fig. 2.

Man ser på fig. 2 et blokkdiagram som illustrerer en typisk fremgangsmåte som benytter våtleggingsmaskineri for fremstilling av ikke-vevet arkmateriale i henhold til oppfinnelsen. Som man ser av strømningsdiagrammet blir en oppslemming av fibretter matet fra en forholdsbeholder gjennom en rører eller mølle til en lagringstank hvor en oppslemming av stapelfibre innføres fra et stapelfiberforråd. I blandetanken blir massen omrørt til en jevn dispersjon og væskemengden justeres. Bland-eren tilfører oppslemming til innløpskassen.over en fourdriniermaskin hvor våtbanen nedlegges, løper gjennom tørkeren og til slutt opprulles på valsen. På fig. 5 ser man et eksempel på

et arklignende produkt i henhold til fremgangsmåten, i form av et mikrofotografi forstørret 100 ganger. Man ser på fig. 5 at fibrene er filtret inn i hverandre og i stapelfibrene under dannelse av en fysisk binding. Denne bindingsvirkningen illustreres av at ikke-vevede ark laget av stapelfibre og fremstilt på samme måten praktisk talt ikke har rivestyrke.

Arkmateriale fra sluttvalsen behandles deretter som vist på fig. 3. En arklignende bane 2 oppskåret til egnet bredde føres fra tilføringsvalsen 1 inn i nypet mellom et par korru-geringsvalser 3 med drift, hvor disse korrugeringsvalsene 3 danner folder og delvise brudd i lengderetningen til banens bevegelsesretning. Eliminatorer 4 for statisk elektrisitet er anbragt nedenfor korrugeringsvalsene 3 for å hindre oppsug-ing av banen 2 på korrugeringsvalsene 3. Det korrugerte arkmaterialet 2 føres over en kronevalse 5 og til innløpstrakten

6 på en stavmaskin sammen med en omhyllingsstrimmel 7 som til-føres av valsen 8. Det arklignende materialet som er innhøstet i tverrgående retning og foldet i lengderetning samt omhyllet sylindrisk går ut fra trakten 6 og enden 9 tilføres klebe-stoff gjennom påføreren 10, den limte staven føres gjennom et oppvarmet formingsredskap 11 slik at den ferdige filterstaven 12 dannes. Hele apparatet drives med fordel av et transport-bånd 13 fra drivvalser 14. Stavmaterialet 12 kan så oppdeles i passende lengder som deretter kan kuttes opp i sigarettfilter-plugger. Som tidligere nevnt består arkmaterialet i henhold til oppfinnelsen av en sammenhengende ikke-vevet bane av cellulose-ester-stapelfibre og fra ca. 5 til 35 % cellulose-esterfibretter basert på vekten av det ferdige arket. Det foretrekkes at filtermaterialet inneholder fra 10 til 20 % cellulose-esterfibretter. Det er videre en fordel om både stapelfiberen og fibrettene er celluloseacetat. Filtermaterialet i henhold til oppfinnelsen karakteriseres videre av et overflateareal på mellom 1 og 5 m 2/g, en porøsitet AP gjennom et sirkulært arkparti med 25 mm diameter på ca. 1 til 70 mm ved en strømningsmengde på 200 ml/min. Fortrinnsvis har imidlertid filtermaterialet et overflateareal mellom 2 og 5 m<2>/g.

Som nevnte kan de fibretter som brukes i filtermateriale ifølge oppfinnelsen fremstilles på enhver av de kjente fremgangsmåter som f.eks. beskrevet i U.S. patent 3.342.991 eller 3.441.473, som består i å luftsprøyte en fortynnet oppløsning av cellulose-esteren ut i luften og derpå i et kjølebad av vann eller som beskrevet i U.S. patent 2.988.469 hvor en cel-luloseacetatoppløsning ekstruderes ut i en hurtiggående gass-strøm for fremstilling av fibre uten hagl-dannelse. Fremstilling av fibretter for bruk som filtermateriale ifølge oppfinnelsen skjer fortrinnsvis som beskrevet på fig. 1 på tegningene eller i henhold til beskrivelsen i U.S. patentsøknad serienr. 638.242 (1975) som benytter en roterende spinneprosess som følger: 1) det dannes en cellulose-ester-oppløsning som fortrinnsvis inneholder fra 5 til 15 vektprosent cellulose-ester i et oppløsningsmiddel som inneholder fra 2 til 20 vektprosent non-solvent som er blandbart med oppløsningsmiddelet for cellulose-esteren og fra 80-98 vektprosent oppløsningsmiddel for cellulose-esteren som er blandbart med nevnte non-solvent

2) cellulose-ester-oppløsningen føres på egnet måte f.eks.

ved pumping gjennom en rotasjonsflens til ekstruderingsdysen

3) en vesentlig sylindrisk skive som dreier seg om sin akse anbringes i et oppvarmet fellingsbad som inneholder non-solvent for cellulose-esteren og opp til 10 vektprosent av et organisk oppløsningsmiddel som kan blandes med nevnte non-solvent 4) fellingsbadet holdes på en temperatur fra ca. 60° C og opp til under kokepunktet for den valgte non-solvent, fortrinnsvis ca. 95° C 5) innpumping av mere væske som har samme sammenset-ning som fellingsbadets væske inn i fellingsbadet og forbi omkretsen av den roterende skive i en strømningsmengde på minst 0,5 liter/min pr. ekstruderingsåpning, fortrinnsvis minst 1,0 l/min pr. ekstruderingsåpning, 6) ekstrudering av acetatopp-løsningen gjennom en eller flere åpninger eller kapillarnåler som er plassert langs omkretsen av den roterende skiven eller eventuelt anbringe en vegg eller plate omkring den roterende skivens omkrets og eventuelt ekstrudere oppløsningen gjennom dyser i veggen eller langs skivens omkrets inn i fellingsbadet, hvilke ekstruderingsdyser eller -åpninger har en diameter på

0,1 til 1,0 mm 7) utfelling av cellulose-ester-oppløsningen i fellingsbadet og fjerning av fellingen fra badet, 8) koking av fibret-fellingen fortrinnsvis i vann i minst 5 min, fortrinnsvis 10 til 30 min, for å fjerne rester av organisk oppløsnings-middel og for å ekspandere og herde den porøse fibril-struktur, 9)

homogenisere fibrettene og redusere cellulose-ester-fibrettenes partikkelstørrelse og 10) cellulose-ester-fibrettene kan eventuelt gjennomgå en tørkeoperasjon for hel eller delvis tøring av fibrettene forut for fremstilling av filtermaterialet i henhold til oppfinnelsen.

Det benyttes en cellulose-ester som celluloseacetat, cellulosetriacetat, celluloseacetatbutyrat, benzyl cellulose eller blandinger av disse. Foretrukne fibretter dannes av celluloseacetat oppløst i et oppløsningsmiddel som inneholder to bland-bare bestanddeler: et organisk oppløsningsmiddel som aceton, methylethylketon, acetaldehyd eller ethylacetat og et flytende non-solvent for cellulose-esteren, som vann, methanol eller ethanol. Den flytende non-solvent utgjør fra ca. 2 til 20 vektprosent av blandingen. Det foretrukne organiske oppløsnings-middel er aceton som er blandbart med det foretrukne non-solvent som er vann. Konsentrasjonen av cellulose-ester i opp-løsningsmiddelblandingen bør være fra 5 til 15 vektprosent og fortrinnsvis 5 til 8 prosent. Under 5 prosent cellulose-ester-innhold vil prosessen være økonomisk urentabel. Fordi det organiske oppløsningsmiddel avdampes under, prosessen og kan gi opphav til forskjellige problemer ved gjenvinning og nærvær av antennelige flyktige oppløsningsmidler er det gunstig å holde innholdet av organisk oppløsningsmiddel så lavt som mulig. Ved imidlertid å holde innholdet av cellulose-ester relativt lavt får blandingen en relativt lav viscositet og kan lettere hånd-teres og ekstruderes uten vesentlig gjentetting av ekstruderingsåpningene. Mineralske tilsetninger som TiC^/BaSO^og A^O^ kan tilsettes til oppløsningen om ønsket. Slike kan tilsettes i mengder opp til 50 vektprosent av acetatet som en del av faststoff innholdet i blandingen, og blir oppmalt i kulemølle til fin partikkelstørrelse.

Cellulose-estere i henhold til oppfinnelsen fremstilles fortrinnsvis fra acetylert tremasse med over 90 vektprosent hemicellulose. Imidlertid kan tremasse av dårligere kvalitet også brukes, det vil si tremasse med hemicelluloseinnhold på

fra 5 til 10 vektprosent. Det foretrekkes følgelig å benytte rene cellulose-estere. Renheten henger sammen med filtrerings-evnen som betegner antall kilo oppløst ester som kan filtreres gjennom et typisk første filtreringsmedium i et fabrikkanlegg før mediet tettes i uønsket grad. Verdier på fra 146 til 293 kg/m 2 filterflate er typisk for markedsførte tekstilkvaliteter av estere. Cellulose-estere med tettingsverdier på under 146 kg/m 2 kaniimidlertid også være egnet for fremstilling av fibretter til foreliggende formål. Dette vil si at fibretter i henhold til oppfinnelsen kan fremstilles av cellulose-estere med mindre renhetsgrad enn det som ansees egnet for filamentformål.

Når fibretter for bruk i filtermateriale ifølge oppfinnelsen fremstilles ved sprøytespinning som beskrevet i forbindelse med fig. 1 på tegningene, brukes fortrinnsvis høy-trykksvann som sprøytemedium. Ved å benytte vann oppnåes en jevn sprøyteprosess uten tettingsproblemer og det utfelte produktets dimensjoner synes å være finere enn hos produktet fremstilt ifølge U.S. patentsøknad 638.242 (1975). Ved å forandre vannstrøm og temperatur kan man forandre lengden på fibrettene. Kaldt vann og/eller store strømningshastigheter vil redusere fibrettenes lengde. Oppløsningen inneholder fortrinnsvis 10 % faststoff oppløst i 90 % aceton, 10 % vann. Det kan brukes faststoffkonsentrasjoner på mellom 5 og 12 % hvor de høyeste konsentrasjoner gir et grovere og strengaktig materiale og lave konsentrasjoner er økonomisk ugunstig. Blandingen av oppløs-ningsmidler kan variere mellom 100 % aceton til 60 % aceton 40 % vann, med liten virkning på produktets egenskaper. Man vil imidlertid forstå at alle cellulose-ester-oppløsninger som tidligere er beskrevet egnet i forbindelse med prosessen i U.S. patentsøknad serienr. 638.242 (1975) også vil være egnet for bruk til sprøytespinning som beskrevet i forbindelse med fig. 1 på foreliggende tegninger. Mineraltilsetninger som Ti02/BaSO^og A^O^ kan også tilsettes om ønsket.

De foretrukne fibretter i henhold til oppfinnelsen har ekstremt stort overflateareal pr. vektenhet. Mens vanlige celluloseacetatfilamenter har et overflateareal på ca. 0,25

m 2/g har cellulose-ester-fibretter som anvendes for fremstilling av filtermateriale ifølge oppfinnelsen et overflateareal på mellom 12 og 25 m 2/g i de fleste tilfelle, men har alltid overflateareal på over 5,0 m 2/g. Som tidligere nevnt vil de anvendte cellulose-ester-stapelfibre helst være av den vanlige typen med fiberlengde på ca. 3 til 15 mm og en denier pr. filament på ca. 1,0 til 8,0. Det er en fordel om stapelfiberen har en lengde på 6,4 til 9,5 mm og en filamentdenier på 1.4 til 3,0. Fibertverrsnittet kan være en vanlig sirkulær form ved ekstrudering gjennom en rund dyse eller andre tverrsnittsformer som dannes ved ekstrudering gjennom ikke-sirkulære dyseåpninger, Y-form, X-form eller kjøttbeintverrsnitt og lignende. Cellulose-ester-stapelf iberen kan velges blandt celluloseacetat, cellulosepropionat, cellulosebutyrat, cellulosebenzoat, cellu-loseacetatf ormiat , celluloseacetatpropionat, celluloseacetatbutyrat og lignende. Esterne kan være modnet og acetonoppløse-lige som vanlig celluloseacetat eller kan være vesentlig fullt forestret, det vil si inneholde færre enn 0,29 frie hydroksyl-grupper pr. anhydroglycoseenhet, slik som cellulosetriacetat. Den foretrukne cellulose-ester-stapelfiber er celluloseacetat.

Som nevnt i forbindelse med fig. 2 kan arkmateriale ifølge oppfinnelsen fremstilles av en oppslemming av cellulose-ester- stapelfibere og cellulose-ester-fibretter i vann. Mellom 5 og 35 % og fortrinnsvis 10 og 20 % fibretter bør inneholdes i blandingen basert på vekten av fibermaterialet. Faststoffet bør utgjøre mellom 0,005 og 0,1 % og fortrinnsvis mellom 0,01 og 0,03 % av oppslemmingens vekt.

Stapelfibrene og fibrettene bør blandes grundig og for-deles jevnt i oppslemmingen. Dette kan oppnåes ved å røre eller blande enten manuelt eller med vanlig blandeutstyr. Stapelfibrene og fibrettene kan tilsettes separat til vannet og blandes. Når imidlertid fibrettene er fremstilt med vann som koknings-medium for ekspandering og herding av fibrilærstrukturen kan fibrett/vann-kaken med tilsetning av ekstra vann om nødvendig, brukes som grunnlag for oppslemmingen av stapelfiber/fibrett/ vann, som i dette tilfelle vil fremstilles ved å tilsette den egnede mengde stabelfibre til blandingen av fibrett/vann.

Som tidligere nevnt blir oppslemmingen avsatt på en four-drinier-wire i vanlig papirfremstillingsutstyr for dannelse av et arkmateriale som har anvendelse som filtermateriale f.eks.

i arkform for bruk i ansiktsmasker og respiratorer eller i korrugert og sammenpresset form for bruk som sigarettfilter. Siga-rettfilterstaver som er produsert av korrugert filtermateriale i henhold til oppfinnelsen gir like god eller høyere filtrerings-effekt ved gitt trykkfall enn filterstaver av lignende korrugert papirbane, med vesentlig forbedret smak.

Oppfinnelsen illustreres videre ved de følgende eksempler hvor alle prosentangivelser og mengdeangivelser er på vektbasis og alle temperaturer i °C hvor intet annet er angitt.

Eksempel 1. For fremstilling av rotasjonsspunnet fibretter til arkformet filtermateriale ifølge oppfinnelsen ble det fremstilt en 7,5 % oppløsning inneholdende celluloseacetat av fiberkvalitet med acetyltall på ca. 55, etter følgende oppskrift:

ved først å blande aceton og vann og derpå tilsette acetat-flakene. Blandinaen tumles forsiktia til celluloseacetaten er

fullstendig oppløst. 20 vektprosent TiC^-spormateriale tilsettes på basis av oppløsningens tørrvekt (faststoffvekt). Ved hjelp av apparatur som beskrevet i parallell U.S. søknad serienr. 608.416 anbringes oppløsningen i en lagringstank og pumpes gjennom en ledning med en tannhjulspumpe til en hul aksel gjennom en rotas jonykuplincj inn i del indre av en 113 cm hul skive med omdreiningshastighet 2.900 omdr./min (periferihastighet = 1390 m/min). Skiven er nedsenket i et fellingsbad for oppløs-ningen, inneholdende vesentlig vann oppvarmet til 75 til 85° C. Den hule roterende skiven har tre åpninger med diameter 0,36 mm langs omkretsen av skiven. Skiven roterer med en ringformet vegg eller ring i avstand 4,8 mm fra omkretsen. Vann som holder en temperatur mellom 75 og 85° C pumpes inn i fellingstanken og føres gjennom det ringformede rommet mellom skivens omkrets og veggen i en strømningsmengde på 6,7 l/min pr. åpning. Korte, voluminøse fibre med høy fiberileringsgrad skapes ved den hurt-ige utfelling av celluloseacetatet og skjær- og strekkreftene i oppløsningsstrømmen fra ekstruderingsåpningene.

Det utfelte materiale feies til overflaten av fellingsbadet og ved overløp vil en samleduk hvor en del av vannet og acetonet skilles fra fibermaterialet. Det oppsamlede materiale kokes i ca. 20 min ved trykk på 1,5 kg/cm 2 for å fjerne gjen-værende oppløsningsmiddel og herde hybrilstrukturen. Fibermaterialet dispergeres derpå på nytt i vann og innføres i en homogenisator av typen Gaulin 15M (Gaulin Corporation, Everett, Massachusetts, U.S.A.) hvor fiberlengden reduseres ved et trykk på 210 kg/cm 2til ca. 500^u eller mindre. Fibermaterialet suge-filtreres og danner en kake som inneholder ca. 12 vektprosent celluloseacetatfiber og 88 % vann. Fibrettene har når de tas opp av fellingsbadet en relativt bløt struktur og relativt kort fiberlengde. Etter homogenisering og varmebehandling er fibrene ikke lenger bløte og utflytende men herdet og har en noe ekspan-dert og voluminøs struktur. Fibrettene har generelt ujevn form og varierer i lengde fra ca. 1 til 500 yU og i diameter 1 til

50 . Fibrettene og 6 mm stapelfibre med denier pr. filament

= 1,8, 3,0 og 8,0 (Y-tverrsnitt) ble formet til ark i en laboratorie-arkformer. Fibrettene ble så dispergert til 0,5 % konsentrasjon i en Waring blandemaskin og oppslemmingen dispergert

videre i 1000 liter vann inneholdende 227 g stapelfibre. Oppslemmingen ble pumpet ut på en messingsikt med 60 x 40 mesh fin-hetsgrad som beveget seg med en hastighet på 1,65 m/min. Det ble påsatt vakuum under sikten (20 til 25 cm Hg) for å fjerne vannet, og den dannede banen ble overført til en filtbane og endelig til to tørketromler som inneholdt damp med trykk 1,4 og 2,1 atmosfære. De produserte 30 cm brede banene var 0,094 til 0,096 mm tykke og hadde egenskaper som det fremgår av følgende tabell 1:

Det ble skåret strimler av disse ark eller baner i bredder som det fremgår nedenfor og disse ble ført gjennom oppvarmede kor-rugeringsvalser som inneholdt 10 tenner/cm, med en overflate-temperatur på ca. 120° C. De korrugerte strimler ble skrapet sammen og omviklet med papir til filterstaver med 90 mm lengde og 25 mm omkrets. Stavene ble skåret opp i 20 mm filtertipper som ble påsatt på 65 mm tobakksøyler for å måle filtrerings-virkningen (% fjernet av filteret) av total partikkelmengde (Solid Remover Efficiency = SRE), nikotin-alkaloider (Nicotine Removal Efficiency = NRE) og "tjære" som definert av U.S. Federal Trade Commission (Tar Removal Efficiency = TRE). Resultatene fremgår av følgende tabell II:

De ark eller baner som inneholdt fibre med et lavt tall denier pr. filament synes å være bedre på flere måter. Retensjonen av fibretter i arkmaskinen bedres og man får et svakere og lettere korrugerbart ark. De dannede tip-vekter og trykkfall reduseres og for 1,8 deniér/filament får man en vesentlig øket røyk-fjerningsvirkning.

Eksempel 2. For fremstilling av sprøytebindings-fibretter til filtermaterialet ifølge oppfinnelsen benyttes igjen oppløsning i henhold til eksempel 1. Man benytter dyse og sprayapparatur fra "Spraying Systems Company" nr. 22B, U.S.A., oppløsningen fylles på lagringstanken og pumpes gjennom en sentralt plassert 0.10 mm ekstruderingsdyse en mengde på 420 g/min. Fellings-

og fortynningsvann med temperatur 60 til 65° C pumpes gjennom de tre åpninger som omgir ekstruderingsdysen i en mengde på 9 til 10 l/min ved et trykk på 12,6 kg/cm 2. Oppløsning-vann-blandingen går ut gjennom en dyse med diameter 2,8 mm anbragt 3,56 mm fra oppløsningsdysen inn i et rør fylt med vann hvor fibrettene utfelles. Fibrettene blir oppsamlet og renset og formet til papir som beskrevet i eksempel 1, bortsett fra at materialet blir kokt ved atmosfæretrykk og homogenisering ute-latt.

Eksempel 3. Man gjentok eksempel 2 bortsett fra at det sprøyte-spunnene fibrettmateriale ble utsatt for atmosfærisk koking og ført gjennom en Gaulin homogenisator.

Eksempel 4. Man gjentok eksempel 2 bortsett fra at sprøyte-spinningsmateriale ble kokt under et trykk på 120°C og homogeni-sert gjennom en Gaulin homogenisator. Prøvene fra eksempel 2,

3 og 4 ble formet til arklignende baner og gjennomgikk prøver hvis resultater framgår av følgende tabell:

* interpolert eller ekstra-polert fra data ved høyere og lavere trykkfall *-\den høye slitstyrke skylles tørking ved høyere temperatur med dampbeholdertrykk på 2,4 5 og 3,15 kg/cm 2.

Som man vil se av tallene i tabell III vil koking under trykk og homogenisering gi et finere mindre dimensjonert materiale som gir svakere og letter korrugerbart ark som igjen for-bedrer røykfjerningseffekten ved gitt trykkfall.

For å finne virkningen av fibrettinnholdet i banemateri-alet fremstilt i henhold til oppfinnelsen ble prøver av rota-sjonsbunnene fibretter ifølge eksempel 1 og sprøytespunnene fibretter fra eksempel 4 kombinert med stapelfibre og tremasse-fibre til baner som inneholdt mellom 5 og 100 % fibretter. De viktigste data fremgår av tabell IV ndenfor:

Som man ser av tabell IV angir tallene at fibrettinnholdet har sammenheng med arkstyrken men ikke har større virkning på røykfjerningseffekten ved innhold lavere enn 30 %. Når fibrettene er tilsatt i mengder på over 30 % blir arkstyrken så høy at korrugeringsprosessen ikke åpner opp strukturen tilstrekkelig til å lage et godt filter. Følgelig finner det sted en økende reduksjon av røykfjerningseffekten etter hvert som fibrettinnholdet øker over 30 %. Man finner også at tipvekten øker ved økende . fibrettinnhold hvilket ville gjøre store innhold av fibretter uønsket fra økonomisk synspunkt. Ved lavt fibrettinnhold på 5% er røykfjerningseffekten høy, delvis på grunn av den stapelfiber som er brukt med lav denier pr. filament og delvis på grunn av åpenheten hos det korrugerte ark. Arkstyrken er relativt lav og materialet er vanskelig å hånd-tére i ark- og stavform av samme grunn.

Eksempel 5. Stapelfibre 3 denier/filament 6 mm lengde av celluloseacetat ble brukt sammen med celluloseacetat-fibretter ifølge eksempel 4 for fremstilling av arkmateriale. Det ble anvendt en 30 cm bred laboratorie-fourdriniermaskin med en 90 x 100 mesh wireduk og tørkeforholdene var slik at man fikk upressede ark (0,7 kg/cm 2 damptrykk på tørkevalsene). Det dannede arkmateriale ble derpå omdannet til sigarettfiltre i henhold til fremgangsmåten på fig. 3 på tegningene. Tallene fra dette eksempel er vist i tabell V:

Eksempel 6. Celluloseacetat-stapelfibre 1,8 denier/filament, 6 mm, ble brukt sammen med celluloseacetatfibretter i henhold til eksempel 4 for fremstilling av arkmateriale. Stapelfiber-og fibrett-innholdet i utgangsoppslemmingen ble redusert til 113 og 32 g pr. 945 1 vann, respektivt. En 30 cm bred laboratorie-papirmaskin med 90 x 100 mesh wireduk ble benyttet og tørkeforholdene var slik at man fikk uglittede ark (0,7 kg/cm<2>damptrykk på tørkevalsene). Eksempelet er belyst ved følgende tabell VI:

Tallene fra tabellene V og VI angir at det finnes en optimal arkvekt for filtere produsert av disse arkmaterialer i området 26 til 36 g/m 2. Man vil naturligvis forstå at den optimale arkvekten vil variere avhengig av andre fysikalske størrelser som gjelder arket.

For å finne røykfiltereffekten for sigarettfilterstaven laget av arkmateriale ifølge oppfinnelsen sammenlignet med filterstaver som er tidligere kjent, ble det laget et arkmateriale i henhold til følgende eksempel 7: Eksempel 7. Man gjentok eksempel 6 med tilstrekkelig mengde fibretter til å danne et ark inneholdende 17,3 % fibretter og en arkvekt på 26,8 g/m 2. Arket ble korrugert i lengderetning og håndrullet til et sigarettfilter. Filteret ble bedømt i forhold til markedsførte kjente filtere. De viktigste data finnes i følgende tabell VII:

Som man vil se av tallene fra tabell VII er det klart at det korrugerte acetatarket har overlegen røykfjerningsevne i forhold til de andre typene og foretrekkes derfor. Når det imidlertid av forskjellige grunner som f.eks. hva røykere fore-trekker blir ønskelig å forandre fabrikasjonen av filtere eller redusere filtereffekten kan arkmaterialet nålstikkes eller rives heller enn korrugeres før det rulles til filter. Alternativt kan man innblande tremasse i cellulosefibret- og cellulosestapel-blandingen som brukes for fremstilling av arkmaterialet. For å demonstrere nevnte reduksjon av filtereffekten ble arkmaterialet fra eksempel 7 nålstukket før håndrulling, opprevet før håndrulling og tilsatt tremasse hvoretter de aktuelle data fremgår av tabell VIII:

Den mest foretrukne metode for justering av røykfjernings-effekten for arkmateriale ifølge oppfinnelsen er lagvis legging av korrugert arkmateriale og celluloseacetat-tau før forming av filterstaver. Fremstilling av slike lagdelte filtere er detal-jert beskrevet i U.S. patent 3.396.061. Det foretrekkes imidlertid samtidig å korrugere den lagdelte struktur. Når f.eks. det korrugerte arkmateriale fra eksempel 7 laglegges og samtidig korrugeres, med 3,3 denier pr. filament celluloseacetat-tau på vektbasis 50/50, vil et filter med vekt 0,154 g og trykkfall 78 mmf^O gi en røykfjerningseffekt på 65,9 %

For å prøve virkningen av fibrett-stapelfiberblandinger

i arkfiltere laget man prøveark i henhold til eksempel 1 bortsett fra at det ble brukt en håndformer (Nobel og Woods arkfor-mer). Acetat- og polyester-stapelfibre med varierende innhold fibretter ble brukt for fremstilling av arkene. Disse ble oppskåret i 1 3/4 diameter skiver og montert i Cambridge filter-holdere for å finne røykfjerningsvirkningen mot tobakksrøyk,

som i.dette tilfelle ble simulert av en aerosol i partikkel-området 0,1 til 1,0. Det ble laget to typer prøver, den ene besto av normale tynne ark (0,1 til 0,2 mm tykke) og den andre tykke ark (1,4 til 1,6 mm), som omtrent tilsvarte trykkfallet i vanlige ansiktsmaskefiltere. For de tynne arkene foretok man trykkfall-sammenligninger ved å stable arkene i Cambridge-hold-eren. Det kjente markedsførte materiale som ble anvendt til sammenligning besto av skiver skåret ut av ansiktsmaskemateri-aler. Det ene sammenligningsmaterialet var en støvrespirator av typen BM 2166 forhandlet av Mine Safety Appliances Co., Pittsburg, Pennsylvania, U.S.A. og den andre besto av limte

fibre benyttet som støpt ansiktsmaske av merke TC-21C-132

(nr. 8710) fremstilt av Minnesota Mining and Manufacturing Co., Minneapolis, Minnesota, U.S.A. Resultatene fremgår av tabell

IX:

Det er tydelig at ikke-vevede stapelfibre er effektive for fjerning av tobakkrøykpartikler i både tykke og flerlagt tynne systemer. Ikke-vevede puter i henhold til oppfinnelsen viser seg å ha like gode eller større røykfjerningsvirkninger enn tidligere materialer innenfor området høyt trykkfall.

Claims (26)

1. Arkformet filtermateriale av ikke-vevede cellulose-ester-fibere karakterisert ved et innhold av fra 5 til 35 % cellulose-ester-fibretter.

2. Filtermateriale som angitt i krav 1, karakterisert ved at cellulose-ester-fibrettene er laget av et materiale i gruppen celluloseacetat, cellulosetriacetat, celluloseacetatbutyrat, cellulosebenzoat eller blandinger av disse.

3. Materiale som angitt i krav 1, karakterisert ved at fibrettene består av celluloseacetat.

4. Materiale som angitt i krav 1, karakterisert ved at det inneholder fra 10 til 25 % cellulose-ester-fibretter.

5. Materiale som angitt i krav 4, karakterisert ved at cellulose-ester-fibrettene-er valgt blandt gruppen celluloseacetat, cellulosetriacetat, celluloseacetatbutyrat, ben-zylcellulose eller blandinger av disse.

6. Materiale som angitt i krav 4, karakterisert ved at fibrettene består av celluloseacetat.

7. Tobakkrøyk-filter i form av arkformet ikke-vevet cellulose-ester-f iltermateriale som angitt i krav 1.

8. Ikke-vevet filtermateriale av fiberformet cellulose-ester inneholdende fra 65 til 95 % cellulose-ester-stapelfibere og fra 5 til 35 % cellulose-esterfibretter.

9. Arkformet filtermateriale som angitt i krav 8, karakterisert ved at fibrettene består av celluloseacetat.

10. Filtermateriale som angitt i krav 8 inneholdende fra 10 til 25 % cellulose-ester-fibretter.

11. Arkformet filtermateriale som angitt i krav 8, karakterisert ved at cellulose-ester-stapelfiberen er valgt blandt celluloseacetat, cellulosepropionat, cellulosebutyrat, cellulosebenzoat, celluloseacetatformiat, celluloseacetatpropionat, celluloseacetatbutyrat og blandinger av disse.

12. Arkformet filtermateriale som angitt i krav 8, karakterisert ved at cellulose-ester-stapelfiberen består av celluloseacetat.

13. Arkformet filtermateriale som angitt i krav 12, karakterisert ved at stapelfiberen har en denier pr. filament på 1,0 til 8,0 og en fiberlengde på ca. 3 til 16 mm.

14. Filtermateriale som angitt i krav 12, karakterisert ved at stapelfiberen har en denier pr. filament fra ca. 1 til 8 og en fiberlengde på ca. 3 til 16 mm.

15. Tobakkrøykfilter i form av ikke-vevet filtermateriale av fiberformet cellulose-ester i henhold til krav 8.

16. Fremgangsmåte for fremstilling av et sammenhengende og selvbærende arkformet filtermateriale av cellulose-ester-stapelfibre karakterisert ved et innhold av fra 5 til 35 % cellulose-ester-fibretter.

17. Fremgangsmåte for fremstilling av et selvbærende, ikke-vevet arkformet filtermateriale av cellulose-ester-fibre, karakterisert ved at man fremstiller en oppslemming av cellulose-ester-stapelfibre og cellulose-ester-fibretter i vann, blander oppslemmingen til en homogen blanding av stapelfibre og fibretter, avsetter oppslemmingen på en porøs overflate som tillater avrenning av vann fra den avsatte fibermatte, tørker fibermatten og tar opp den dannede bane eller ark fra nevnte porøse overflate.

18. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, karakterisert ved at den vandige oppslemming inneholder fibermateri-ale som består av fra 65 til 95 % cellulose-ester-stapelfibre og fra 5 til 35 % cellulose-ester-fibretter.

19. Fremgangsmåte som angitt i krav 17, karakterisert ved at cellulose-ester-stapelfiberen har en denier pr. filament på ca. 1,0 til 8,0 og en lengde på ca. 3 til 16 mm.

20. Fremgangsmåte for fremstilling av en sigarettfilter-stav karakterisert ved at man fremstiller et sammenhengende, selvbærende, arkformet filtermateriale av cellulose-ester-stapelf ibre med. 5 til 35% cellulose-ester-fibretter, korrugerer arket, bretter det korrugerte arket til stavlignende form og fastholder det brettede korrugerte arket i stavform ved hjelp av en omhyllingsstrimmel.

21. Fremgangsmåte som angitt i krav 20, karakterisert ved at det korrugerte arket legges lagvis med en bane av celluloseacetat-sigarett-tau før bretting til stavform.

22. Fremgangsmåte for fremstilling av en opak, voluminøs fi-brilær struktur karakterisert ved at man fremstiller en oppløsning av cellulose-ester i et oppløsningsmiddel bestående av en non-solvent som er blandbar med oppløsningsmid-delet for cellulose-esteren og et blandbart organisk oppløsnings-middel for cellulose-esteren, fører cellulose-ester-oppløsningen til en ekstruderingsdyse plassert i eller ovenfor innsnevringen i et venturirør som en koaguleringsvæske føres gjennom, hvilken koaguleringsvæske er en non-solvent for cellulose-esteren, hvor-ved man får en felling i form av cellulose-ester-fibretter.

23. Fremgansmåte som angitt i krav 21, karakterisert ved at cellulose-esteren er celluloseacetat.

24. Fremgangsmåte som angitt i krav 22, karakterisert ved at koaguleringsvæsken er vann.

25. Fremgangsmåte som angitt i krav 22, karakterisert ved at fellingen homogeniseres for å redusere den utfeldte cellulose-esterens partikkelstørrelse.

26. Fremgangsmåte som angitt i krav 25, karakterisert ved at den homogeniserte felling kokes i minst 5 minut-ter .