AT400793B - Filter mit teilchenförmigem sorptionsmittel und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Description

AT 400 793 B
Die Erfindung bezieht sich auf eine Filterstruktur, die Substratelemente und teilchenförmige Sorbtions-mittel aufweist, z.B. Aktivkohle, Silicagel, Sepiolit, Aluminiumoxid, Ionenaustauscher.
Die verschiedenen bekannten Verfahren zum Herstellen solcher Filter lassen wegen Produktionsproblemen, Probleme hinsichtlich der Steuerung der Qualtität und Gleichförmigkeit des Produkts und Problemen wegen des Verschleisses der Produktionseinrichtung zu wünschen übrig.
Durch die DE-OS 15 17 314 wurde ein Filter aus synthetischen Fasern, vorzugsweise aus Zelluloseaze-tat, vorgeschlagen, in dem Kohlepartikel dispergiert sind, wobei der Kohlegehalt ca. 50 Gew.% bis ca. 65 Gew.% beträgt.
Weiters wurde durch die DE-OS 15 17 274 ein Filter vorgeschlagen, bei dem das Tabakrauchfilter aus 6 000 bis 10 000 gekräuselten Fäden besteht. Diese werden mit einer Mischung aus Partikel eines Sorptionsmittels, meist Kohle, und einem Bindemittel beladen, wobei die Mischung 15 bis 30 Gew.% des Bindemittels enthält. Dadurch ergibt sich aber, daß bei diesem bekannten Filter das Sorptionsmittel zum Gesamtgewicht und zur Gesamtmasse des Filters nur einen entsprechend geringen Teil beitragen.
Bei dieser bekannten Struktur stellen die zusammengefaßten Fasern, Fäden oder Papier ein sehr wesentliches Strukturelement dar, wodurch die Filterstrukturen entsprechend groß dimensioniert werden müssen, um einen bestimmten Filtereffekt erreichen zu können.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Filterstruktur der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch ein hohes Maß an Wirksamkeit auszeichnet und mit der ein kompaktes Filter erzielbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Filterstruktur der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Das teilchenförmige Sorptionsmittel wird zweckmäßigerweise mit dem Faden oder den Fäden und/oder dem oder den Streifen durch einen Heißkleber, hochschmelzendes Polyethylenglykol oder einen Emulsionskleber wie PVA verbunden. Als Heißkleber eignen sich für die Zwecke der Erfindung insbesondere verschiedene Polyester-Kleber. Das jeweils verwendete Sorptionsmittel kann eine einheitliche Substanz oder eine Mischung sein und diesen kann ein anderes Material zugemischt sein.
Der erfindungsgemäße Stab aus sorptionsmitteltragenden Fäden und/oder Streifen kann rohrförmig sein und in diesem Falle einen Kern enthalten. Dieser Kern kann aus einem konventionellen Rauchfiltermaterial (z.B. einem Faserkabel, Stapelfasern oder Kreppapier), einer offenendigen Röhre oder einem nichtpermeablen oder wenig permeablen Teil bestehen, der zum Gesamtdruckabfall des Filters beiträgt, jedoch wenig oder keine Filtetwirkung aufweist.
Die umhüllende Manschette der vorliegenden Filter kann aus einem rauchdurchlässigen oder rauchundurchlässigen Material bestehen und kann in beiden Fällen perforiert sein. Wenn die teilchenförmigen Überzüge auf den Fäden oder Streifen selbst mit Kleber (z.B. einem hitzeaktivierbaren Kleber) versehen sind, kann die Verbindung beim Zusammenfassen der überzogenen Fäden oder Streifen bewirkt oder eingeleitet werden, wobei ein verbundener oder verklebter Stab erhalten wird, der auch ohne eine umgebende Manschette formstabil ist; die Kleberschicht muß dann diskontinuierlich sein (z.B. eine Pulverbeschichtung), damit sie die Sorptionseigenschaften des teilchenförmigen Sorptionsmittels nicht ungebührlich beeinträchtigt. Es wird jedoch im allgemeinen vorgezogen, eine den Stab zusammenhaltende oder umhüllende Manschette vorzusehen, auch wenn die vorbeschichteten Fäden oder Streifen miteinander verbunden sind.
Die vorgefertigten, mit Sorptionsmittelteilchen beschichteten Fäden werden zweckmäßigerweise unter Verwendung einer konventionellen Vorrichtung zu einem Stab zusammengefaßt und umhüllt. Die Zuführung der ein teilchenförmiges Sorptionsmittel tragenden Fäden und/oder Streifen, ihr Zusammenfassen sowie ihre Verarbeitung zu einem massiven oder rohrförmigen Stab (gewöhnlich mit Anbringen einer umhüllenden Manschette) und das Schneiden des resultierenden länglichen Produkts in Stücke kann kontinuierlich und fortlaufend unter Verwendung konventioneller Filterherstellungsmaschinen erfolgen. Wenn der Stab rohrförmig sein soll, können die Fäden und/oder Streifen um einen zentralen Dorn zusammengefaßt werden; wenn der rohrförmige Stab einen Kern haben soll, kann der Kern kontinuierlich zugeführt werden (z.B. durch einen hohlen Dorn), während die ein teilchenförmiges Sorptionsmittel tragenden Fäden und/oder Streifen um ihn herum zusammengefaßt und umhüllt werden; kontinuierliche, In-Line-Verfahren und Einrichtungen hierfür sind in der Zigarettenfiltertechnik bekannt.
Der Faden oder die Fäden und/oder der oder die Streifen können mit Kleber überzogen werden (beispielsweise indem man sie gleichzeitig durch ein Bad oder einen anderen Vorrat eines aktiven Klebers oder Bindemittels zieht) und dann mit teilchenförmigen Sorptionsmittel (beispielsweise indem man sie gleichzeitig durch eine Behälter, ein Fließbett, einen umgewälzten Strom oder einen anderen Vorrat des Sorptions-mittels zieht, während der Kleber aktiv ist); die klebebeschichteten Fäden und/oder Streifen können auch getrennt hergestellt oder von einem Lieferanten außer Haus bezogen werden wobei dann die 2
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Aktivierung (z.B. Erweichung durch Wärmeeinwirkung) des Klebers und das Aufbringen des teilchenförmigen Sorptionsmittels im Zuge der Filterherstellung und kontinuierlich mit dieser durchgeführt werden kann. Ein gleichförmiges Aufbringen des Klebers (beispielsweise aus einem Bad flüssigen Polyvinylalkohols, PVA) kann durch Aufrakeln bewirkt werden, beispielsweise durch eine Öffnung oder an oder zwischen einer Rakel oder Rakeln. Die Beladung der kleberbeschichteten Fäden oder Streifen mit teilchenförmigen Sorptionsmittel wird gewöhnlich so groß wie möglich sein und von Faktoren wie Teilchengröße, Faden- oder Streifenumfang usw. abhängen.
Additivbeschichtete Fäden werden Streifen für die Zwecke der Erfindung vorgezogen; man kann soviel additivbeschichtete Fäden verwenden wie man will, z.B. 20 oder mehr pro Stab; für die meisten Zwecke werden bis zu 15 Fäden, z.B. 5 bis 10 oder 12, im Filterkörper genügen. Die Additiv- oder Sorptionsmittelbeladung pro Faden kann in weiten Grenzen schwanken (z.B.. von 0,25 bis 2,0 mg/mm), dasselbe gilt für die Gesamtbeladung pro Element (z.B. von 25 bis 200 mg für eine Spitze oder ein Filterelement von 20mm Länge) je nach den Anforderungen an das Produkt.
Die Filterbeladung kann selbstverständlich durch Wahl der Anzahl der Fäden und/oder ihrer Beladung kontrolliert werden. Eine hohe Beladung der Fäden und/oder Streifen ergibt Elemente, die fast ganz aus teilchenförmigen Sorptionsmittel bestehen, ohne daß sie die Nachteile der bekannten Typen teilchenförmiger Filterkomponenten und ihrer Herstellungsverfahren aufweisen, Filterelemente gemäß der Erfindung können eine kleine Menge anderen Materials enthalten (z.B. andere Fasern oder Filamente oder Teilchen oder Additive), sie bestehen jedoch vorzugsweise im wesentlichen ganz aus an den Fäden und/oder Streifen haftendem Sorptionsmittel (außer selbstverständlich einer äußeren Umhüllung und eines Kernes, falls diese vorhanden sind).
Auch andere Parameter können entsprechend den Anforderungen an das Produkt stark schwanken, beispielsweise das Gewicht oder die Masse pro Länge, wenn Fäden dazu verwendet werden das teilchenförmige Sorptionsmittel zu tragen, die Teilchengröße des Sorptionsmittels usw. Ein geeigneter additivtragender Faden weist eine Masse von etwa 10 oder 50 g/km Faden auf, wobei die Teilchengröße für Aktivkohle 0,5 bis 1,4 mm oder 0,2 bis 0,5mm beträgt.
Die bei den vorliegenden Filtern verwendeten Fäden oder Streifen können aus irgendeinem unschädlichen Material bestehen. Die Fäden oder Streifen können aus einem Textilmaterial bestehen, z.B. einem oder mehreren Monofilamenten, einem Garn oder einem Faserband oder einem Zwirn, oder einem gewebten oder nichtgewebten Band. Ein geeignetes Fadenmaterial ist Nähfaden, insbesondere wegen seiner Gleichförmigkeit. Die Identität oder Gleichartigkeit der Fäden ist nicht kritisch und sie können aus natürlichen und/oder synthetischen Fasern bestehen. Rayon, Nylon und Polyester sind zufriedenstellende Materialien für die Fäden, ein anderes geeignetes Material ist Baumwolle, wie sie für Nähfaden guter Qualtität verwendet wird.
Zumindest ein Teil des verwendeten teilchenförmigen Sorptionsmittels kann einen Duft- oder Aromastoff tragen, oder es kann ein anderes Material, das einen Duft- oder Aromastoff trägt, inkorporiert werden.
Die Erfindung ermöglicht es, Aktivkohle und andere teilchenförmige Sorptionsmittel in Takabrauchfilter unter Verwendung konventioneller Einrichtungen zu inkorporieren, ohne daß dadurch Produktions- oder Einrichtungsprobleme auftreten; insbesondere läßt sich leicht eine gleichförmige Sorptionsmittelbeladung erreichen und diese läßt sich erforderlichenfalls einfach und genau ändern. Die erfindungsgemäßen Filter gestatten es dem teilchenförmigen Sorptionsmittel, das an dem Faden oder den Fäden und/oder dem oder den Streifen haftete, seine Filterwirkung ungehindert oder im wesentlichen ungehindert auf den Tabakrauchstrom auszuüben; die vorliegenden Filter bewirken daher eine gute Zurückhaltung von dampfförmigen Rauchanteilen.
Die erfindungsgemäßen Filter können kontinuierlich hergestellt und in Stücke bestimmter begrenzter Länge zerteilt werden. Die individuellen Stücke können dann jeweils selbst als Filter für eine Zigarette verwendet werden (z.B. für schlanke Zigaretten, die typischerweise einen Umfang von etwa 18 mm aufweisen), vorzugsweise werden sie jedoch longitudinal fluchtend mit mindestens einem anderen Filterelement als Teil eines Mehrfach- oder Kombinations- (z.B.Doppel- oder Dreifach-) Zigarettenfilters verwendet, vorzugsweise wird ein individuelles Filter gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem longitudinal fluchtenden mundseitigen Element konventionellen Aussehens verwendet, beispielsweise einem gleichförmigen Stopfen aus Zelluloseacetat-Faserkabel.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Bei den Beispielen 1 bis 4 wurden mit Kleber vorbeschichtete Polyester- oder Nylonfäden mit einer Masse von etwa 55 g/km Faden verwendet. Das im speziellen verwendete Sorptionsmittel bestand aus Aktivkohlegranulat mit einer Teilchengröße von 0,71 bis 1,4 mm. Bei jedem Beispiel wurde die angegebene Anzahl von Fäden gleichzeitig durch ein Bad von flüssigem PVA-Kleber gezogen, wobei ein gleichförmiger Auftrag durch Rakeln bewirkt wurde, und dann wurden die Fäden durch einen zirkulierenden Strom des Aktivkohlegranu- 3
AT 400 793 B lats geführt, um die erwähnte Aktivkohlbeladung zu bewirken, Die kohletragenden Fäden wurden dann in eine konventionelle Umhüllungsgarnitur geführt, in der sie zusammengefaßt und mit einer perforierten Standard-Heißkleber-Stopfenumhüllung umwickelt wurden, um kontinuierlich einen Stab zu erzeugen, der beim Austreten in Stücke bestimmter Länge zertrennt wurde. Einzelheiten der Beispiele 1 bis 4 sind in der 5 folgende Tabelle 1 aufgeführt. Die Druckabfälle sind in Pascal angegeben und wurden unter normierten Luftstrombedingungen im eingeschlossenen Zustand gemessen, d.h. daß nur die Stirnflächen des Filterelements der Luftströmung ausgesetzt waren.
Das Dampfphase-Rückhaltevermögen der Filterelemente gemäß Beispiel 3 und 4, jedoch mit einer Länge von 15 mm anstelle von 60 mm wurde geprüft. Die 15 mm langen Filter wurden an kommerziellen io schlanken Zigaretten angebracht und mit einer Normrauchmaschine unter Normbedingungen abgeraucht, die Abgabe der verschiedenen Dampfphasenkomponenten wurde chromatogpraphisch gemessen; obwohl die Filterstopfenumhüllung perforiert war, wurde eine seitliche Ventilation des Filters verhindert, so daß man Werte unter "eingeschlossene" Bedingungen erhielt. Die Werte des Rückhaltevermögens sind im Vergleich mit einer Kontrolle in Tabelle 2 in Prozent bezogen auf gleiche Zigaretten ohne Filter angegeben. 75 TABELLE 1
Beisp. Faden-Typ Fadenanzahl Kohle-Beladg (trocken) pro Faden mg/mm Kohle-Beladg. (trock.) pro Element Stab-Länge mm Stab-Umfang mm Druckabfall am Stab Pa mg/mm Gesamt (9) 1 Polyester 5 1,38 6,9 0,414 60 17,89 883 2 Polyester 7 0,88 6,16 0,37 60 17,84 327 3 Polyester 0 0,68 6,12 0,37 60 17,97 302 4 Nylon 9 0,99 8,9 0,535 60 18,92 667 TABELLE 2
Dam pfphasenverhalten Verbindung Beispiel Nr. 3 4 6 METHANOL 30,3 23,4 68,6 ACETAL 28,4 52,2 68,6 ACETONITRIL 36,4 61,2 79,9 ACROLEIN 46,7 55,9 79,0 ACETON 49,0 71,8 80,2 METHYLACETAT 24,2 48,1 70,5 ISOPREN 39,4 61,5 78,7 BUTADION 54,8 72,6 81,2 BUTANON 60,8 80,1 84,6 BENZOL 47,6 78,4 76,7 TOLUOL 58,6 78,2 72,0
Beispiel 5
Stäbe mit einer Länge von 90 mm und einem Umfang von 24,13 mm wurden wie bei den Beispielen 1 bis 4 unter Verwendung von 12 Polyesterfäden (Trevira 550 dtex), flüssigem PVA-Kleber (Borden Plastiflex A401), Aktivkohlegranulat (Chemviron SC2) mit einer Partikelgröße von 0,5 bis 1,4mm und einer doppelten Umwicklung mit poröser Ecusta-Stopfenumhüllung hergestellt. Die Kohlebeladung der Stäbe betrug 13,6 mg/mm und der Druckabfall an einem 90 mm langen Stab betrug 373 Pa. 4

Claims (10)

  1. AT 400 793 B Beispiel 6 Um Dreifachfilter zu bilden, wurden die 90 mm langen Filterstäbe des Beispiels 5 in Stücke von 15 mm zerschnitten und Endean-Ende aneinanderstoßen mit 12 mm langen, nicht umhüllten Stäben aus gebundenem Zelluloseacetat-Faserkabel (Faserdenier 5, Kabeldenier 30 x 103) einer konventionellen Umhüllungsvorrichtung zugeführt, in der sie mit der genannten porösen Stopfenumhüllung unter Bildung eines kombinierten Stabes umhüllt wurden. Der kombinierte Stab wurde dann in der Mitte jedes der 12 mm langen Zelluloseacetatteile zerschnitten um Dreifachfilter zu erhalten, die jeweils ein 15 mm langes Stück des Stabes gemäß Beispiel 5 enthielten, das durch die äußere Stopfenumhüllung in Längsrichtung angrenzend zwischen 6 mm langen Zelluloseacetat-Endstopfen gehalten wurde. Diese Dreifachfilter waren 27 mm lang und hatten einen Umfang von 24,42 mm sowie eine Kohlenstoffbeladung von 204 mg pro Filter. Der Druckabfall der Dreifachfilter betrug 275 Pa, ihr Teerrückhaltevermögen 40,5% und ihr Nikotinrückhaltevermögen 25,6% bezogen auf gleich Zigaretten ohne Filter, das Rückhaltevermögen für Dampfkomponenten war wie es in Tabelle 2 ausgeführt ist. Bei den Beispielen 5 und 6 sind alle verwendeten Stopfenumhüllungen porös, dies ist jedoch nicht wesentlich; bei den Stopfenumhüllungen kann es sich in gleicher Weise um poröse, undurchlässige und perforierte Typen handeln. Die Druckabfälle und die Rückhaltevermögen wurden bei den Beispielen 5 und 6 wie bei dem Beispiel 1 und 4 im eingeschlossenen Zustand gemessen. Die erfindungsgemäßen Produkte eignen sich besonders für Tabakrauchfilter und die Erfindung wurde daher im wesentlich anhand solcher Filter beschrieben, sie ist jedoch auf diese Verwendung beschränkt, da die beschriebenen Vorteile auch bei anderen Anwendungen erreicht werden. Patentansprüche 1. Filterstruktur, die Substratelemente und teilchenförmige Sorptionsmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstruktur im wesentlichen vollständig aus dem teilchenförmigen Sorptionsmittel besteht, die an den in Längsrichtung ausgerichteten, individuell mit den in ihnen haftenden teilchenförmigen Sorptionsmittel überzogenen, das Substrat bildenden Fäden und bzw. oder Streifen haften, wobei die überzogenen Substratelemente zusammengefaßt und in Form einer Stange oder Röhre gehalten sind, um die Filterstruktur zu bilden.
  2. 2. Filterstruktur nach Anspruch 1 in Form einer Röhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre einen Kern aufweist.
  3. 3. Filterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstruktur bis zu 15 Substratfäden aufweist.
  4. 4. Filterstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstruktur 5 bis 10 Substratfäden aufweist.
  5. 5. Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Sorptionsmittel Aktivkohlegranulat enthält.
  6. 6. Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratfäden mit 0,25 bis 2,0mg pro mm Faden beladen sind.
  7. 7. Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit mindestens einem weiteren Filter in Achsrichtung ausgerichtet ist.
  8. 8. Verfahren zur Herstellung einer Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich Fäden und/oder Streifen, die mit einem aktiven Kleber beschichtet sind, zugeführt und zugleich durch teilchenförmiges Sorptionsmittel geführt werden, um einen Überzug hieraus zu sammeln, daß die mit dem Sorptionsmittel überzogenen Fäden und/oder Streifen unter Bildung eines langgestreckten Elementes, wie eines Stabes oder Rohres zusammengefaßt werden und daß das resultierende langgestreckte Element in Stücke begrenzter Längen zertrennt wird. r
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden und/oder Streifen um einen Dorn herum zusammengefaßt werden, so daß sich ein rohrförmiges Produkt ergibt. 5 AT 400 793 B
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden und/oder Streifen um einen kontinuierlich zugeführten Kern herum zusammengefaßt werden. 6
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