TWI592268B - 電漿打孔 - Google Patents

Description

電漿打孔

本發明係關於一種用於濾嘴紙的電漿打孔之方法及裝置。

常見的濾嘴捲菸(filter cigarette)的五個主要部分是菸絲條(tobacco rod)、包圍其的捲菸紙(cigarette paper)、濾嘴(filter)、濾嘴捲紙(filter wrapping paper)和濾嘴紙(tipping paper)(即覆蓋菸嘴的紙)。

覆蓋菸嘴的紙(經常還被簡稱為「濾嘴紙(tipping paper)」或「tipping」)包圍濾嘴和濾嘴捲紙。它是當濾嘴捲菸被抽吸時，濾嘴捲菸與被吸菸的人之嘴唇接觸的部分。在濾嘴捲菸的縱向方向上，濾嘴紙通常還輕微伸出到沿菸絲條的長度的區域內，在那裡它包圍了捲菸紙，並且藉由黏性結合連接到捲菸紙。藉由建立這種黏性結合，濾嘴部分和菸絲條部分在捲菸製造機中被機械地連接。濾嘴紙實際上通常是紙，它可以例如是薄膜或箔紙。在其中濾嘴紙作為薄膜或箔紙形成的情況下，它可以例如由水化纖維素組成。

濾嘴紙通常具有視覺上有吸引力的印刷。這種印刷常常類似於軟木(cork)。

在靠近菸絲條的那端，濾嘴紙通常處於部分穿孔的形式，當抽吸捲菸時，來自周圍環境的空氣進入濾嘴，並且與來自菸絲條的煙氣流在那裡混合，藉以有利地改變了煙氣值。

濾嘴紙通常在印刷之後進行打孔，以防止穿孔由於印刷而再次閉合。

根據先前技術，存在三種方法用於紙、紙幅或其他材料的打孔。

- 機械打孔

- 雷射打孔

- 電打孔

在機械打孔的情況下，使用尖銳的針或針插刺穿濾嘴紙。用於濾嘴捲紙的穿孔之此類方法描述於EP 0222973 A1中。在這種方法的情況下，通過空氣的開口之平均直徑(孔尺寸)是在約0.05mm與約0.4mm之間。不利的是該等針經受機械磨損，因此孔尺寸經受波動，或者為了實現恒定的孔尺寸，該等針將必須經常更換。

在雷射打孔的情況下，將紙藉由會聚的光束進行打孔。此種方法描述於例如DE 2751522 A1和DE 102004001327 A1中。該孔尺寸大致對應於機械打孔的孔尺寸；因此，可以產生具有0.05mm直徑的孔。與機械打孔相比，有利的是不發生裝置的磨損，並且孔直徑和孔位置可以非常精確地進行設置。不利的是不能產生具有0.05mm以下的直徑的孔。

在電打孔(還被稱為靜電打孔)的情況下，將紙藉由燃燒進行打孔，其中電火花放電穿過該紙。這關於使用被安排在紙幅的一側之針狀電極。在另一側，存在一扁平形式的對電極，或再次存在多個針狀電極。該等針狀電極和該等對電極由紙幅和窄的一氣隙隔開。施加高電壓到該等電極上，會導致通過氣隙和紙幅的放電。火花放電的高熱能具有的效果是紙幅在小區域內燃燒並且形成一孔。有利的是可以產生具有0.01mm直徑之非常小的孔。不利的是燃燒導致在該等孔的邊緣出現可見的痕跡(燃燒過的邊緣)、難以控制的放電導致該等孔的尺寸上的廣泛變化，以及蠕緩放電導致分散的火花，這額外地在所希望的穿孔周圍產生了細小的孔。電打孔的實例在DE3016622(A1)、US4094324(A)中並且在DE2934045(A1)中示出。

本發明所基於之目的是提供一種能夠生產從0.01mm起算的小孔尺寸，且同時避免電打孔的缺點之方法。

為了實現上述目的，提出藉由產生具有特殊特性之低溫的一電漿而產生濾嘴紙之穿孔。

本發明的挑戰是產生受控制的且可重現之低溫的電漿，因為這是實現在濾嘴紙中產生精確的孔尺寸和孔位置的效果之唯一途徑。電漿是藉由將氣體或氣體混合物電離而產生的。除了供應的能量和主要的壓力之外，尤其氣體或電離的氣體混合物的組成係決定電離程度和電漿溫度。

如果使一固體材料與低溫的電漿相接觸，在它表面處出現兩種效果，即昇華和氧化。昇華是物質從固態到氣態的直接轉化。氧化是一具有化學物質的電子發射之化學反應。化學物質用氧氣的氧化可以觀察到當燃燒時的火焰形成。氧化具有改變起始物質並且產生新化合物之效果。

如果低溫的電漿在鄰近濾嘴紙表面的氣體混合物中產生，那麼提及的兩種效果具有的結果是孔在低溫的電漿之區域中形成。昇華的效果在此比氧化的效果(燃燒)較佳，因為氧化可能導致不希望的燃燒產物(這取決於起始物質的組成)，還可能具有毒性作用。燃燒產物可以是處於燃燒殘餘物的形式而可見的，這可能有損於視覺印象並且在一些環境下改變捲菸味道。在昇華的情況下，濾嘴紙的固體物質蒸發掉，無任何殘餘物。因此，在本發明的情況下，產生低溫的一電漿並且控制它的特性，使得幾乎專門地發生昇華過程。

這技術上是藉由在濾嘴紙局部受限之表面區域處引入已定義的氣體混合物或特定氣體，並且藉由在有限時間內集中供應能量使這種氣體電離來實施的。氣體混合物和供應的能量僅在一非常有限的區域中局部地彼此接觸實現了這種效果：低溫的電漿僅在這個小區域中產生，並且因此僅與濾嘴紙的 表面非常小的區域相接觸。這產生了小孔尺寸和該孔的高位置精度。

本發明與先前技術相比是有利的，因為與雷射打孔和機械打孔相比可以實現非常小的孔直徑，並且因為與電打孔相比可以實現非常精確的孔尺寸和精確的孔位置。與電打孔相比另外有利的是避免了在該等孔的邊緣處之可見的燃燒痕跡。

1‧‧‧管

1.1‧‧‧噴嘴

1.2‧‧‧中空空間

2‧‧‧電極

3‧‧‧電漿

4‧‧‧濾嘴紙

5‧‧‧電極

6‧‧‧雷射束

7‧‧‧透鏡

本發明基於以下附圖進行說明：第1圖示出了根據本發明裝置之一實施例的截面視圖。

第2圖示出了根據本發明裝置之一第二實施例的截面視圖。

第3圖示出了根據本發明裝置之實施例，其中一雷射束作為該能量源。

在第1圖中，展示了一種根據本發明用於紙幅(尤指一濾嘴紙幅或一濾嘴紙4)的電漿打孔之裝置。具有盡可能小的區域之一能量源被安排在該濾嘴紙4的至少一個扁平形式之側面上。在這個實施例中，針狀的一電極2作為該能量源，更確切地說在兩個電極2、5之間施加電壓。該電極2被裝配在一管1中。該管1用於傳輸加壓的氣體或氣體混合物。為了更好理解，氣體流藉由箭頭在該等圖中示出。在該管1的前端，存在用於壓縮氣體流的一噴嘴1.1。該噴嘴1.1被同心地裝配在該電極2之大約尖端的後面，其中該尖端的後面係面對該濾嘴紙4。因此，加壓的氣體或氣體混合物在該電極2周圍並通過一中空空間1.2，且以朝著該濾嘴紙4的方向被環狀地引入，其中該中空空間1.2係由該管1和該噴嘴1.1所包圍。在該濾嘴紙4的另一側，存在類似形成之針狀的對電極5，或如第2圖中所述之扁平形式的對電極5。

通過該中空空間1.2引入惰性氣體或具有高惰性氣體濃度的氣體混合物是指具有不同的氣體組成之一窄區域保留在這個氣體流的中間，也就 是說直接在朝向該濾嘴紙4的電極2之尖端的前方。在這個區域中，惰性氣體的濃度稍微低於來自該噴嘴1.1的直接流。其結果是，在這個區域中，更容易有可能使氣體電離，並且因此產生局部受限的一電漿3，該電漿3最終藉由昇華而在該濾嘴紙4中產生孔。因為在該電漿3中以及尤其在電漿3周圍已經存在高濃度的惰性氣體，所以防止了在該濾嘴紙4的表面處之氧化，由此避免了在孔的邊緣處之可見的燃燒痕跡。具有更低的惰性氣體濃度之區域，以及因此該電漿3的範圍可以藉由該噴嘴1.1之更窄的或稍微更寬的配置，或藉由改變該電極2從該噴嘴1.1伸出的距離來增加或減少。該裝置之盡可能最佳的配置及理想的惰性氣體和氣體混合物可以最好地由嘗試錯誤法來確定，因為這些取決於待打孔的材料(尤其該濾嘴紙4)之性質。

第3圖示出了根據本發明之用一雷射束6作為該能量源的方法。再次，該噴嘴1.1被安排在該管1下端。在該噴嘴1.1中，其中心存在一透鏡7，該透鏡7執行兩項任務。首先，該透鏡7用於將該雷射束6聚焦到該濾嘴紙4的表面上。其次，該透鏡7用於按所希望的方式影響來自該噴嘴1.1的氣體流，確切地講，按這種方式使得氣體流在該透鏡7周圍環狀地發生。為了使惰性氣體或氣體混合物可以在該透鏡7周圍流出，該透鏡7例如藉由細線而被固定在該管1中，或位於一剛性光學波導(像該電極2)的末端，其中該剛性光學波導係在該管1中直立地延伸。在這種情況下，該電漿3被限制於該雷射束6的能量密度足夠高以電離具有足夠低的惰性氣體濃度之氣體混合物的區域中。在該透鏡7的焦點處，該雷射束6的能量密度是處於最高的，並且惰性氣體濃度也是處於最低的，並且因此可以產生局部的、小區域的電漿3。

氮氣(N₂)、氬氣(Ar)或二氧化碳(CO₂)可以用於例如作為惰性氣體。因為惰性氣體或氣體混合物在壓力下離開該噴嘴1.1，氣體或氣體混合物的密度在該電極2或該透鏡7周圍的環狀區域中高於恰在該電極2或該透 鏡7前方的區域中。氣體越緻密，就要求更多的能量使其電離。此外，離子和電子藉由氣體流被沖走。這兩種效果還有助於該電漿3被局部限制。尤其在用該雷射束6作為該能量源的應用中，壓縮空氣可能足以作為氣體混合物，因為在雷射產生的電漿3之情況下的昇華效果比氧化佔優勢。

1‧‧‧管

1.1‧‧‧噴嘴

1.2‧‧‧中空空間

2‧‧‧電極

3‧‧‧電漿

4‧‧‧濾嘴紙

5‧‧‧電極

Claims (18)

1. 一種用於一濾嘴紙的電漿打孔之方法，其中藉由盡可能點狀的一能量源將氣體混合物短時間地電離，而在該濾嘴紙之表面處產生低溫的一電漿，其中可電離的氣體混合物被局部限制於該濾嘴紙的非常小之一表面區域，其中可電離的氣體混合物被不能藉由該能量源電離之惰性氣體或具有高惰性氣體濃度的氣體混合物包圍，該高惰性氣體濃度是指一惰性氣體濃度高於可電離的氣體混合物的惰性氣體濃度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中包含惰性氣體的加壓惰性氣體或加壓氣體混合物在該濾嘴紙的方向上並於該能量源的周圍被環狀地引入。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該能量源是藉由兩個彼此間隔開的電極形成的，其中該濾嘴紙和可電離的氣體混合物位於這兩個電極之間的間隙中，並且可電離的氣體混合物藉由在這兩個電極之間施加電壓來電離。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中至少一個所述電極中具有面對該濾嘴紙的一尖端，該電極位於面對該濾嘴紙而具有一出口開口之一管中，包含惰性氣體的加壓惰性氣體或加壓氣體混合物藉由該管的出口開口而被導入該電極之尖端的環狀周圍。
5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中各該電極中具有面對該濾嘴紙的一尖端，各該電極位於面對該濾嘴紙而具有一出口開口之一管中，包含惰性氣體的加壓惰性氣體或加壓氣體混合物藉由該管的出口開口而被導入各該電極之尖端的環狀周圍。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該能量源是一雷射束，該雷射束從一側被引導至該濾嘴紙處，並且可電離的氣體或氣體混合物位於該雷射束中，並且藉由該雷射束電離。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該雷射束藉由一透鏡被聚焦到可解 離的氣體混合物的區域上。
8. 如申請專利範圍第2項所述之方法，該能量源具有一尖端，從該尖端直接將能量束引導到該濾嘴紙上，該能量源由一管所提供，在該管面對該濾嘴紙末端處安排有一噴嘴，該噴嘴作為包含惰性氣體之加壓惰性氣體或加壓氣體混合物之出口開口，其中該能量源的尖端被同心地安排在該噴嘴中。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該能量源尖端係自該管之出口開口於該濾嘴紙方向上突出。
10. 一種用於一濾嘴紙的電漿打孔之方法，其中藉由盡可能點狀的一能量源將氣體混合物短時間地電離，而在該濾嘴紙之表面處產生低溫的一電漿，其中可電離的氣體混合物局部限制於該濾嘴紙的非常小之一表面區域，具有高惰性氣體濃度之加壓惰性氣體或加壓氣體混合物在該濾嘴紙的方向上並於該能量源的周圍被環狀地引入，其中該高惰性氣體濃度是指一惰性氣體濃度高於可電離的氣體混合物的惰性氣體濃度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該能量源是藉由兩個彼此間隔開的電極形成的，其中該濾嘴紙和可電離的氣體混合物位於這兩個電極之間的間隙中，並且可電離的氣體混合物藉由在這兩個電極之間施加電壓來電離。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中至少一個所述電極中具有面對該濾嘴紙的一尖端，該電極位於面對該濾嘴紙而具有一出口開口之一管中，包含惰性氣體的加壓惰性氣體或加壓氣體混合物藉由該管的出口開口而被導入該電極之尖端的環狀周圍。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該電極之尖端係自該管之出口開口於該濾嘴紙方向上突出。
14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該能量源是一雷射束，該雷射束從一側被引導至該濾嘴紙處，並且可電離的氣體或氣體混合物位於該雷射束中， 並且藉由該雷射束電離。
15. 一種用於一濾嘴紙的電漿打孔之方法，其中藉由盡可能點狀的一能量源將氣體混合物短時間地電離，而在該濾嘴紙之表面處產生低溫的一電漿，其中可電離的氣體混合物局部限制於該濾嘴紙的非常小之一表面區域，其中該能量源是一雷射束，該雷射束從一側被引導至該濾嘴紙處，並且可電離的氣體或氣體混合物位於該雷射束中，並且藉由該雷射束電離，其中該雷射束藉由一透鏡被聚焦到該可電離的氣體混合物的區域上。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中具有高惰性氣體濃度之加壓惰性氣體或加壓氣體混合物在該濾嘴紙的方向上並於該能量源的周圍被環狀地引入，其中該高惰性氣體濃度是指一惰性氣體濃度高於可電離的氣體混合物的惰性氣體濃度。
17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該透鏡係被提供於一管之中，並於該管面對該濾嘴紙之一端係為噴嘴，該噴嘴係作為具有一高惰性氣體濃度之加壓惰性氣體或加壓氣體混合物之出口開口，其中該噴嘴被同心地安排在該噴嘴中。
18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該透鏡係自該管之噴嘴於該濾嘴紙之方向上突出。