DE2156375A1 - Filterelemente - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

8 MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR. 49

Pr. Berg Dipl.-Inq. Stapf, I MOnriien 80, Mouarkircherrtrofl· 43 ·

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Anwaltsakten-Nr. 21

Monsanto Chemicals Limited London, S.W.l. / England

"Filterelemente"

Diese Erfindung betrifft Zigarettenfilter.

Der steigende Gebrauch von Filtern in Zigaretten, nicht nur lediglich für Zwecke der Entfernung von Teer und anderen unerwünschten Substanzen aus dem Tabakrauch,

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sondern auch um die Kosten für den Tabak, der sonst in Form des Stummel-Endes weggeworfen wird, zu ersparen, hat zu Untersuchungen und zur Entwicklung von vielen Filterarten geführt.

So wurden beispielsweise Zigarettenfilter aus gekrepptem Papier oder Celluloseacetat-Werg mit kommerziellem Erfolg

ψ hergestellt, obwohl diese die Verwendung einer relativ komplexen Betriebsanlage zur Bearbeitung des losen Ausgangsmaterials mit sich bringen, das in Papier gerollt oder auf andere Weise zur gewünschten Filterform verbunden werden muß, bevor es mit der Zigarette vereinigt wird. Diese besonderen Filter-Typen können außerdem verhältnismäßig schwer sein. Es wurden viele andere Filter-Typen untersucht, darunter auch gewisse Arten von Filtern aus geschäumten Kunststoffen, Hier besteht ein Problem darin, daß sie dazu neigen, dem Tabakrauch durch das Filter einen freien Durchfluß zu gestatten, wobei jedoch eine unzulängliche Absorption der Substanz, welche man zu entfernen wünscht, auftritt.

Die besten Arten von Zigarettenfiltern sollten auf den Lippen ein angenehmes Gefühl geben, und einer Beschädigung auf einer Zigarettenherstellungs-Betriebsanlage von hoher Geschwindigkeit widerstehen, sie sollten dem Durch-

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gang des Rauches beim Rauchvorgang nur unterhalb eines gwjeissen Ausmaßes ein Hindernis bieten und sie sollten dennoch die unerwünschten Substanzen in ausreichendem Umfang entfernen.

Derartige Qualitäten sind nicht leicht zu erhalten. Es ist beispielsweise möglich, durch Verschäumen von Harzen wie Polypropylen geschäumte Produkte zu erzielen, die manchmal eine Wirkung als Zigarettenfilter aufweisen. Nichtsdestoweniger sind nicht alle diese Schäume geeignet; manche sind völlig unbrauchbar und andere sind überhaupt unwirksam. Beispielsweise ist es einleuchtend, daß in jedem Fall eine offenzellige Struktur erforderlich ist, weil sonst kein wirksamer Durchgang des Tabakrauches durch das Filter insgesamt stattfindet. In manchen Fällen eines offenzelligen Schaumes geht der Tabakrauch jedoch durch das Filter beinahe ungehindert hindurch, wobei eine geringe oder überhaupt keine Beseitigung der in dem Rauch vorhandenen, unerwünschten Substanzen stattfindet. So wurden Filter aus geschäumtem Polyäthylen und geschäumtem Polypropylen von verschiedenem Typ vorgeschlagen, jedoch wurde bisher noch nicht nahegelegt, daß es durch Ausbilden einer Makrostruktur, wie sie in dieser Beschreibung später beschrieben wird, möglich ist, ein Filter zu erhalten, welches die weiter unten beschriebenen Eigen-

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schäften aufweist, noch wurde bisher irgendein Verfahren zur Herstellung von Zigarettenfiltern beschrieben, welches die Lehre erteilt, wie man eine derartige MikroStruktur erhalten kann.

Es wurde nun gefunden, daß das Verhalten eines derartigen Filters sehr stark von der MikroStruktur des Schaumes abhängt und daß man ein sehr wirksames Filter erhalten kann, wenn der richtige Struktur-Typ vorliegt. Insbesondere ist es durch Regeln der Bedingungen bei der Extrusion unter Bildung eines Schaumes von thermoplastischem, hoch-dichtem Polyäthylen-Harz oder von thermoplastischem Polypropylen-Harz, welche ein Treibmittel enthalten, möglich, ein Produkt dieser gewünschten MikroStruktur herzustellen. Der genaue Zustand dieser MikroStruktur ist ziemlieh kompliziert und wird ausführlich weiter unten in dieser Beschreibung dargelegt, obwohl er leicht aus der Arbeitsweise des Filters erkannt werden kann. Die Bildung der MikroStruktur erfordert speziell geregelte Extrusionsbedingungen. Es wurde nun gefunden, daß es durch sorgfältige Regelung dieser Bedingungen möglich ist, einen Stab eines geschäumten, hoch-dichten Polyäthylen-Harzes oder Polypropylen-Harzes zu extrudieren, der, wenn er zerschnitten und als Zigarettenfilter verwendet wird, einen beträchtlichen Fortschritt über viele frühere

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Filter darstellt.

Es ist tatsächlich möglich, daß man durch Aufgreifen von Extrusionsbedingungen der Art, wie sie später in dieser Beschreibung erläutert werden, Zigarettenfilter mit einer Mikrostruktur der Art erhält, daß das Filter ausreichend hart ist, um einer Verarbeitung bei hoher Geschwindigkeit zu widerstehen, daß es den Durchgang des Rauches nicht unzulässig behindert und dennoch fähig ist, zumindest einen Minimalanteil der teerigen Substanzen zu,entfernen, welche in dem Rauch zugegen sind. Darüberhinaus hat in der Praxis das Filter normalerweise eine glatte, nicht-poröse Haut, welche dazu beiträgt, das Eindringen von Luft in das Filter beim Gebrauch zu verhindern. Die Härte kann als Prozentzahl unter Verwendung der unten gegebenen Definition gemessen werden, der Durchgang des Rauches kann vermittels des Druckabfalles unter bestimmten Bedingungen entlang eines 10-mm-Längenstückes des Filters (AP^q, wie nachstehend definiert) und die Absorption aus dem Rauch kann vermittels der TST-CTeerstoffteilchenJ-Filtrationswirksamkeit gemessen werden, die ebenfalls nachstehend definiert wird.

Das neue Zigarettenfilter gemäß Erfindung ist tatsächlich ein solches, welches ein extrudiertes Element eines im

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wesentlichen offenzelligen, geschäumten, thermoplastischen, hoch-dichten Polyäthylen-Harzes oder eines thermoplastischen Polypropylen-Harzes enthält, und das einen Querschnitt entsprechend dem der dazu gehörigen Zigarette und eine MikroStruktur der Art aufweist, daß das Filter eine Härte von höher als 50$, ein AP^₀ von weniger als 15 cm Wassersäule und eine TST-Piltrationswirksamkeit von größer als 20$ besitzt.

Es wurde darüberhinaus gefunden, daß ein besonders vorteilhaftes Zigarettenfilter gemäß der Erfindung ein solches ist, welches eine Härte von höher als 80$, ein AP^₀ von weniger als 10 cm Wassersäule und eine TST-Piltrationswirksamkeit von größer als 30$ besitzt. Vorzugsweise ist das in einem solchen Filter verwendete Harz ein Polyäthylen-Harz hoher Dichte.

Unter der Härte eines Zigarettenfilters wird die Härte verstanden, wie sie mittels eines Filtrona-Testgerätes (hergestellt von der Cigarette Components Limited) gemessen wird, mittels eines Testes, bei welchem ein Stab (beispielsweise von einer Länge von etwa 120 mm) des geschäumten Harzes mit einem mittleren Durchmesser (D), von beispielsweise etwa 7j8 mm, zwischen zwei, in dem Prüfgerät vorgesehenen Platten zusammengedrückt wird. Der Stab wird 15 Sekunden

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lang einer Kompression durch eine Belastung von 300 g, welche auf die gegenüberliegenden Seiten der zylindrischen Oberfläche des Stabes aufgelegt wird, unterworfen und die durchschnittliche Depression (A),d.h. die Abnahme des Stabdurchmessers gemessen. Die Härte ist der Durchmesser der Probe, gemessen bei einer Belastung von 300 g und als Prozentsatz des ursprünglichen Durchmessers angegeben, d.h. sie ist durch die folgende Formel gegeben: Härte = C(D - A)/D] χ 100$.

Unter AP₁₀ vrird der Druckabfall eines Filters verstanden und dieser wird durch das nachfolgende Verfahren gemessen. Durch ein 10-mm-Längenstück des Filters wird Luft bei einer stetigen Geschwindigkeit von IO5O cnr/Min. gemäß Anzeige an einem Rotadurchflußmesser gepumpt und die erhaltene Druckdifferenz quer über den Filter mittels eines Wassermanometers gemessen. Das Ergebnis wird in cm Wassersäule ausgedrückt.

Die TST-Filtrationswirksamkeit ist ein Maß der Wirksamkeit, mit welcher das Filter Teerstoffteilchen absorbiert und sie wird nach dem folgenden Verfahren gemessen. Es werden Filtermundstücke mit einer Länge von 15 mm an Zigaretten befestigt. Diese werden unter Verwendung einer Vieldüsen-Rauchmaschine geraucht, welche über einen Zeitraum von

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zwei Sekunden in jeder Minute bei jeder Zigarette einen Ansaugzug von 35 cm^ Luft bewerkstelligt, wobei die Zigaretten ausgelöscht werden, wenn ein Tabakstab von 8 ram zurückbleibt. Der Rauch wird mit einem Glasfaserbausch, der in einem Halter gehalten wird, gesammelt, wobei die vollständige Einheit von Bausch und Halter allgemein als Cambridge-Filter bekannt ist und wobei der Glasfaserbausch

w alle Teerstoffteilchen aus dem Rauch, der durch ihn hindurch geht, zurückhält.An jedem Cambridge-Pilter wird der Rauch von 5 Zigaretten gesammelt und es wird eine Gesamtmenge von 10 Zigaretten geraucht, wobei die Cambridge-Pilter vor und nach der Rauchsammlung gewogen werden, um ein Maß des Gewichtes der* gesammelten Teerstoffteilchen zu liefern. Die Teerstoffteilchen werden in ähnlicher Weise aus der gleichen Zigarettenanzahl von solchen Zigaretten bestimmt, welche mit den obigen Zigaretten identisch sind mit der Ausnahme, daß sie nicht mit Filtermundstücken versehen sind. Die TST-Piltrationswirksamkeit wird aus der nachstehenden Formel berechnet:

[(S₁ - S₂)ZS₁] χ 100$

in welcher S₁ die Abgabe von Teerstoffteilchen (mg/Zigarette) für die einfachen Zigaretten und Sp die Abgabe von Teerstoff teilchen für die Zigaretten mit Filtern darstellt.

In dem Falle, wo AP₁₀ und TST wie oben definiert sind,

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werden die Werte selbstverständlich im Verhältnis und angemessen verschieden sein, wenn ein Filter-Längenstück von kleinerer oder größerer Länge als 10 mm angewandt wird.

Wie oben klargestellt wurde, können sehr wirksame Zigarettenfilter, welche ein extrudiertes Element eines im wesentlichen offenzelligen, geschäumten Harzes enthalten, durch Anwendung von sorgfältig geregelten Extrusionsbedingungen erhalten werden und es ist bei Verwendung eines thermoplastischen, hoch-dichten Polyäthylen-Harzes das Verfahren ein solches, wobei das Harz mit einem Gehalt an einem flüchtigen Treibmittel in einer Menge von weniger als 0,2 Mol pro 100 g, bezogen auf das endgültig extrudierte Produkt, bei einer Schmelztemperatur zwischen 130 und 150⁰C extrudiert wird, wobei die Temperatur des Werkzeuges (d.h. die Metalltemperatur, gemessen innerhalb von 5 mm der Metall/Harz-Grenzfläche) zwischen 120 und 136°C liegt. Wenn das Harz ein thermoplastisches Polypropylen-Harz ist, sind die Bedingungen ähnlich mit der Ausnahme, daß die Schmelztemperatur zwischen l60 und l80°C und die Werkzeugtemperatur zwischen 155 und 165°C liegt. Zigarettenfilter, welche nach diesen Verfahren hergestellt werden, haben ausgezeichnete Eigenschaften, und es können die oben beschriebenen Werte für Härte, AP^₀ und T3T erreicht werden.

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Die Schmelztemperatur ist die Temperatur der Mischung von Harz und Treibmittel unmittelbar vor dem Eintritt in das Extrusionswerkzeug, wie sie durch ein völlig eingetauchtes feines Thermoelement, das im wesentlichen durch Wärmeströme zu oder von seiner unmittelbaren Umgebung unbeeinflußt bleibt, gemessen wird. Ein Beispiel für ein derartiges Thermoelement wird in dieser Beschreibung später gegeben werden.

Von der Erfindung umfaßt wird ein extrudierter, geschäumter Stab, aus welchem die Filter hergestellt werden und eine Zigarette, welche ein Filter gemäß Erfindung aufweist. Unter "Stab" wird ein extrudierter Schaum in einer Länge verstanden, welche bequem gehandhabt und in einem weiteren Arbeitsvorgang in kürzere Filter-Längeneinheiten geschnitten werden kann. Normalerweise hat ein Stab eine Länge, die ein einfaches Vielfaches zwischen dem 2 - 10-fachen der Länge eines Einzelfilters beträgt und sie kann daher beispielsweise im Bereich von 90 bis 120 oder 150 mm liegen.

Das thermoplastische Harz ist ein thermoplastisches, hochdichtes Polyäthylen-Harz oder ein thermoplastisches Polypropylen-Harz, wobei das erstere im allgemeinen bevorzugt wird. Diese beiden Harze werden normalerweise durch ein Niederdruck-Polymerisationsverfahren, beispielsweise unter Verwendung eines Ziegler-oder eines Phillips-Katalysators

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hergestellt und sie sind durch eine lineare Molekularstruktur gekennzeichnet, welche relativ frei von verzweigten Polymerketten ist. Zur Herstellung eines Polypropylen-Harzes kann ein Natta-Katalysator verwendet werden. Diese Harze haben einen hohen Kristallinitätsgrad und sie sind dort, wo eine Möglichkeit einer Stereospezifizxtat besteht, vorzugsweise isotaktisch, obwohl syndiotaktische Harze ebenfalls brauchbar sind. Es kann ein kleiner Anteil, beispielsweise bis zu etwa 5 Gew.-% eines Comonomeren in dem Harz zugegen sein; beispielsweise kann im Falle von Polypropylen das Comonomere Äthylen oder η-Buten und im Falle von Polyäthylen beispielsweise Propylen oder η-Buten sein. Das thermoplastische Harz kann ebenso aus einer Mischung von zwei oder mehreren Polymeren oder Copolymeren bestehen.

Hoch-dichtes Polyäthylen hat eine höhere Dichte als 0,9^0, vorzugsweise zwischen O, 950 und 0,970 g/cm⁵. Vorzugsweise beträgt sein Schmelzindex, wie er nach ASTM-Test No. D-1238 gemessen wird, von 1 bis 12 g pro 10 Minuten, beispielsweise von 2 bis 8 und insbesondere von 2 bis 5 g pro 10 Minuten, bei 23O°C, unter einer Belastung von 2,16 kg.

Dort vio das Filter Polypropylen ist, hat dieses vorzugsweise einen Schrnelzindex von 1 bis 12 g pro 10 Minuten, beispielsweise von 2 bis 10 und insbesondere von 2 bis 8 g pro 10

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Minuten, wie er bei einer Temperatur von I90 G und unter einer Belastung von 2,16 kg nach ASTM-Test Ho. D-I238 gemessen wird.

Die Härte eines erfindungsgemäßen Sigarettenfliters, gemessen in der oben beschriebenen Weise, ist höher als 50^₃ und sie beträgt oftmals mehr als 75%· Vorzugsweise ist die Härte höher als 80 oder 85,^, und für viele Anwendungen und insbesondere dort, wo das gesamte Filter aus einem erfindungsgemäßen Element besteht, schließt ein Härtebereich von etwa 90 oder 922 bis 99/^ die Hauptmenge der hauptsächlich gewünschten Filter ein. Sogar ein Wert von lOO/i konnte unter günstigen Bedingungen annähernd erreicht werden.

Der Druckabfall quer über das Zigarettenfilter (ΔΡ-₀) beträgt weniger als 15 cm und ist in der Praxis gewöhnlich niedriger als 10 cm Wassersäule. Ein besonders geeigneter Druckabfall ist ein solcher unterhalb von 7 cm und manchmal beträchtlich darunter, wie z.B. herunter bis zu 0,5 cm; der Druckabfall kann beispielsweise im Bereich von 1 bis 6 cm und insbesondere zwischen 2 und 5 cm Wassersäule liegen.

Im allgemeinen ist die TST-Filtrationswirksamkeit eines Vigarettenfliters gemäß Erfindung größer als 2Oi, jedoch ist sie vorzugsxieise größer als 30£, und sie kann beispielsweise

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in Bereich von 35 bis 60% oder darüber liegen.

Für ein einzelnes Filter, das aus einem geschäumten Element gemäß Erfindung besteht, ist eine TST in der Nachbarschaft von 30 oder 35>' oft sehr geeignet, jedoch kann dort, v/o ein zusammengesetztes Zigarettenfilter verwendet werden soll, von dem lediglich ein Teil aus einem geschäumten erfindungsgemäßen Element besteht, dieses in vielen brauchbaren Fällen ein TST von mehr als 35$ und vielleicht bis zu 60 oder J0% oder sogar höher aufweisen.

Das Zigarettenfilter ist gewöhnlich von zylindrischer Form und besitzt den gleichen Durchmesser wie die Zigarette. Es kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,6 bis 0,9 cm aufweisen und beispielsweise von 0,8 bis 2 cm, insbesondere von 1,0 bis 1,5 cm lang sein, obwohl gegebenenfalls andere Formen und Größen verwendet werden können. Beispielsweise können längere Filter, wie solche von 2,5 cm Länge, gegebenenfalls verwendet werden und es ist kein wesentlicher Grund vorhanden, weshalb das Filter nicht beispielsweise von ovalem, als von kreisförmigem Querschnitt sein sollte.

Die Dichte des Zigarettenfilters gemäß Erfindung ist vorzugsweise relativ niedrig, gewöhnlich nicht größer als 0,15 g/ cnr und vorzugsweise im Bereich von 0,015 bis 0,1 g/cm , wie

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beispielsweise von 0,03 bis 0,08 g/cm . Eine sehr geeignete Dichte liegt oftmals im Bereich zwischen 0,04 und 0,07 g/cm''.

Es ist sehr oft wünschenswert, daß die Oberfläche des ge-

schäumten Harzes groß, z.B. 8 bis 130 m /g sein sollte, wie dies durch übliche Methoden gemessen wird, welche die Adsorption einer monomolekularen Stickstoff-Schicht einschließen. Häufig ist die Oberfläche im Bereich von 10 bis 80 m /g. Das bevorzugte geschäumte Harz hat eine rlikrostruktur derart, daß seine Oberfläche im Bereich zwischen 12 und 65 m²/g, wie 15 bis 30 m²/g beträgt.

Es wurde bereits oben erwähnt, daß das offenzellige, geschäumte Harz-Element gemäß Erfindung die richtige Mikrostruktur aufweisen muß, wenn es die für ein gutes Zigarettenfilter notwendigen Bedingungen erfüllen soll. Diese Mikrostruktur ist normalerweise von faserartiger'Natur und sie

entsteht infolge der Existenz von Faserelementen, welche die öffnungen in den Zellwänden überbrücken, wobei die Öffnungen selbstverständlich wegen des offenzelligen Charakters des geschäumten Harzes vorhanden sind. Die Hauptmenge der Zellen des Schaumes, d.h. mehr als die Hälfte derselben, haben Wände, welche öffnungen enthalten, die durch ein oder mehrere (und in der Praxis hauptsächlich von mehreren) Paserelementen überbrückt werden. Gewöhnlich

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beträft das Verhältnis derartiger Zellen von 70 oder 85% nach obenj wobei die Materialien innerhalb der höheren Bereiche in vielen Fällen besonders wünschenswert sind; unter gewissen Umständen kann der Prozentsatz 100$ annähernd erreichen. Die Anzahl der Zellwandungen, welche Öffnungen enthalten, kann in irgendeiner beliebigen, einzelnen Zelle variieren; es können gelegentlich Zellen vorhanden sein, v;elche eine einzelne oder überhaupt keine perforierte Zellwand enthalten, jedoch sind derartige Zellen nur in der Minderheit, da sie für einen Durchgang des Rauches keinen Beitrag leisten. In der Praxis enthält eine offene Zelle des geschäumten Harzes 2,j3 oder mehr perforierte Zellwände, einschließlich des bevorzugten Falles, wo der Hauptanteil (oder tatsächlich nahezu alle) der Zellwandungen in der besonders beschriebenen Weise perforiert sind; daraus ergibt sich,daß der Hauptanteil der Zellwandungen des geschäumten Harzes dann Perforationen enthalten wird. Ein besonders bevorzugtes, offenzelliges, geschäumtes Harz ist ein solches, in welchem der Hauptanteil der Zellwandungen von mehr als 85% der Zellen Perforationen enthält, welche durch Faserelemente überbrückt sind. Wegen der relativ großen Anzahl von Perforationen in den Zellwandungen ähnelt die Struktur des geschäumten Harzes in gewisser Hinsicht derjenigen eines netzartig verworrenen Faserstruktur-Schaumes (d.h. eines Schaumes, der ein "Gerüst" oder drei-

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dimensionales Netzwerk von verstärkenden Elementen besitzt), wobei die netzartig verworrene Struktur durch das Harz gebildet wird, das in den Grenzen 'zwischen den perforierten Zellwänden enthalten ist, wobei diese Grenzen durch das ursprünglich in den Zellwänden vorhandene Harz ausgedehnt wurden, obwohl sich die netzartig verworrene Paserstruktur der geschäumten Harzelemente gemäß Erfindung selbstver- ψ ständlich von anderen netzartig verworrenen Schäumen durch die Anwesenheit der überbrückenden Faserelemente, welche die beschriebenen speziellen Eigenschaften liefern, unterscheidet,

Es wird auf Paserelemente und nicht auf Pasern Bezug genommen, weil die Elemente vorzugsweise untereinander mit jedem anderen oder mit dem Teil der Zellwand, welche die Grenze der Perforation bildet, verbunden sind. Dementsprechend ist die Anzahl der losen "Enden" infolge der Anwesenheit von "Pasern" als solche gering und in vielen Fällen sind überhaupt keine losen Enden vorhanden.

Eine einzelne perforierte Zellwand kann ein oder zwei oder mehr Perforationen enthalten, jedoch ist im allgemeinen die Anzahl relativ klein, beispielsweise weniger als 5 Perforationen, und im allgemeinen ist bevorzugterweise nur eine Perforation vorhanden. In den meisten Fällen nehmen die Perforationen den größten Teil der zugehörigen Zellwand ein

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und gewöhnlich gehört mehr als 60%, beispielsweise von 70 bis 95$s oder darüber, des gesamten Oberflächenbereiches zu den Perforationen. In den bevorzugten Strukturen enthält eine Zellwandung eine einzelne Perforation, welche den größten Teil wie z.B. von 70 oder 80 bis 95$ der gesamten Wandfläche einnimmt, und hier ähnelt die Struktur am ehesten der vorher erwähnten, netzartig verworrenen Faserstruktur, obwohl sie sich von anderen netzartig verworrenen Schäumen durch die Anwesenheit der überbrückenden Faserelemente unterscheidet. Dementsprechend sind in diesen bevorzugten Strukturen sowohl die feinen, überbrückenden Faserelemente und auch eine netzartig verworrene Faserstruktur von verstärkenden Elementen vorhanden, beispielsweise oftmals teilweise stabförmig, obwohl viele verschiedenartige Querschnitte möglich sind. Die verstärkenden Elemente sind oftmals 10- bis 100-mal dicker als die durchschnittlichen Faserelemente, jedoch sind Variationen in der Dicke bei beiden in einem weiten Bereich möglich. Es wird angenommen, daß die Anwesenheit von diesen beiden Typen von Elementen für die besonders brauchbare Kombination der Eigenschaften, welche die Zigarettenfilter besitzen, verantwortlich sind, wobei die netzwerkartige Struktur beispielsweise ihren Beitrag zu der Härte leistet und die Faserelemente die Filtrationseigenschaften liefern.

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Jede Perforation kann durch eines oder mehrere Paserelemente überbrückt werden und in einzelnen Fällen kann die Anzahl der Paserelemente pro Perforation bis zu 100 oder mehr, wie von 1 bis 100 betragen. In manchen Fällen liegt die Anzahl der Faserelemente, welche eine Perforation überbrücken, innerhalb des Bereiches von 1 bis 20 oder 50, in anderen Fällen bei 200 oder 300 oder mehr. Im Durchschnitt liegt

ψ mehr als ein Faserelement pro Perforation vor. Die Faserelemente können einen im wesentlichen kreisförmigen oder irgendeinen anderen Querschnitt aufweisen. Ein Faserelement hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 10 Mikron, wobei seine Dicke gewöhnlich in der Größenordnung von 0,1 bis 2 Mikron liegt, und beispielsweise etwa 1 Mikron beträgt. Die Faserelemente sind oftmals (jedoch nicht immer) verzweigt oder untereinander unter Ausbildung einer zweidimensionalen Anordnung und untereinander verbundenen Faserelementen in Form eines feinen Gewebes verbunden, welches sich quer über einen Teil, oftmals des größeren Teils, des Perforationsbereiches erstreckt. Wenn das Gewebe komplex ist, kann dies mit einem höheren AP₁₀ verbunden sein, jedoch kann dieser Effekt kompensiert sein, wenn eine relativ grobe netzartige Zellstruktur vorliegt. Bei einem Typ der bevorzugten Struktur enthält der Hauptanteil der Zellwandungen des geschäumten Harzelementes jeweils eine einzelne Perforation , welche den Hauptteil der Zellwandung

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einnimmt, wobei die Perforation durch ein Gewebe von miteinander verbundenen Faserelementen überbrückt wird.

Die Perforationen können von.annähernd kreisförmiger oder elliptischer Form sein, jedoch können sie ebenso ziemlich häufig eine völlig irreguläre Form besitzen und die Form wird in den meisten bevorzugten Strukturen, wo die Zellwand eine Perforation enthält, die sich im wesentlichen über die gesamte Zellwand erstreckt, polygonal sein und ihre Dimensionen werden dementsprechend hauptsächlich von dem Oberflächenbereich der ursprünglichen Zellwand abhängen.

Vorzugsweise werden die meisten Zellen einen Durchmesser innerhalb eines Bereiches von 0,004 bis 0,1 cm, beispielsweise von 0,01 bis 0,05 cm besitzen, und die Zellwände können einen durchschnittlichen Oberflächenbereich von

3 χ 10 ^J bis 2 χ 10 , insbesondere von 2 χ 10 bis

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5 χ 10 cm aufweisen.

Das offenzellige geschäumte Harz kann ebenso irgendwelche Zellwände enthalten, welche nicht zu der vorbeschriebenen Art gehören, jedoch beispielsweise in Form einer Vielzahl von einfachen Löchern perforiert sind, welche im Verhältnis zum gesamten Oberflächenbereich der Zellwand klein sind. Diese Strukturen sind, falls vorhanden, nur bei einer ge-

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ringen Anzahl von Zellwänden zu beobachten und üblicherweise liegen solche Schäume vor, welche im wesentlichen aus Zellwänden mit Perforationen bestehen, die durch Faserelemente überbrückt sind.

Beispiele von offenzelligen, geschäumten Harz-Zigarettenfilter-Elementen gemäß Erfindung werden in den Figuren 1 bis 5 der anliegenden Fotografien erläutert, die mit einem Abtast-Elektronenmikroskop erhalten wurden. Fig.6 erläutert ein weiteres Beispiel eines offenzelligen, geschäumten Harz-Zigarettenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 7 und Fig.8 sind Fotografien von verschiedenartigen, offenzelligen, geschäumten Harzen, die zu Vergleichs zwecken beigefügt sind. Die fotografierten Abschnitte wurden aus einem geeigneten extrudierten Element geschnitten und dementsprechend sind in manchen Fällen lose "Enden" und Bruchstücke zu sehen, die durch den Schneidvorgang entstanden sind.

Fig.l erläutert die MikroStruktur eines bevorzugten Filterelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Es werden eine Anzahl von Zellen gezeigt und die meisten der Zellwände enthalten jeweils eine einzelne große Perforation, welche durch Faserelemente überbrückt ist. In diesem Fall sind die Perforationen so groß, daß sie beinahe die gesamten ZeIl-

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wände einnehmen und die MikroStruktur zeigt als Ganzes ein komplexes Aussehen; es liegt eine netzartige Struktur vor, welche mit feinen Paserelementen überbrückt ist, von denen viele miteinander verbunden sind.

Fig.2 erläutert die Mikrostruktur eines anderen Zigarettenfilters der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt einen Abschnitt durch eine einzelne Zelle des Schaumes und Teile der benachbarten Zellen, und wiederum ist in diesem Beispiel eine einzelne Zellwand beinahe völlig von einer einzigen Perforation eingenommen, welche durch eine Anzahl von miteinander verbundenen Faserelementen, die ein Gewebe bilden, überbrückt wird. Dies ist sehr deutlich an der durch einen Pfeil bezeichneten Zellwand zu sehen.

Fig.3 erläutert die Mikrostruktur eines weiteren Zigarettenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt einen Schnitt durch eine einzelne Zelle und Teile der benachbarten Zellen, einige von ihnen fragmentarisch. Einige der Faserelemente, welche die Perforationen überbrücken, sind eines vom anderen abgetrennt, wobei sie relativ frei von einer Verbindung untereinander sind j andere bilden ein Gewebe ähnlich demjenigen in Fig.2. Fig.3 zeigt ebenso, daß Zellwände, welche verschiedenartige Strukturen aufweisen, in der offenaellijjen jeccfiäumten Harz vorhanden sein können.

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Beispielsweise zeigt der obere Pfeil eine intakte Zellwandung, frei von Perforationen.

Fig.4 erläutert die MikroStruktur eines Teils eines weiteren Zigarettenfilters gemäß Erfindung. Sie zeigt einen Schnitt durch eine einzelne Zelle des Schaumes und Teile der benachbarten Zellen. Der größte Anteil der Zellwände, bei- ψ spielsweise die durch einen Pfeil bezeichnete, haben Perforationen, die durch Faserelemente überbrückt sind. In manchen Fällen sind die Faserelemente miteinander verbunden und bilden ein Gewebe quer über einen Teil der Perforation.

Fig. 5 zeigt die äußere Haut eines Beispiels eines Zigarettenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung; diese Haut ist nicht porös und glatt gegenüber Tastsinn und Auge.

Fig.6 erläutert die Ilikrostruktur eines sehr wirksamen, hoch-dichten Polyäthylen-Elementes für einen Zigarettenfilter; es liegt hier eine dreidimensionale, netzartige Struktur vor,zusammengesetzt aus stabartigen Elementen nit Geweben aus feinen Faserelementen, welche die ursprünglichen Zellwände überbrücken.

Fig.7 erläutert die Mikrostruktur eines Teiles eines offen-209823/0678 " ²³ "

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zelligen Polyurethanschaumes. Die Fotografie zeigt eine Einzelzelle und Teile der benachbarten Zellen, welche eindeutig eine einfache ,netzartige Struktur mit einer dreidimensionalen Anordnung von Rippen besitzen. Die totale Abwesenheit von überbrückenden Fasern in dieser netzartigen Struktur ist eine der Eigenschaften, welche diese von den offenzelligen, geschäumten Harz-Zigarettenfiltern der vorliegenden Erfindung unterscheidet, wie sie in den Fig.l bis Fig.4 und Fig.6 beispielhaft gezeigt werden.

Fig.8 zeigt die MikroStruktur eines Teiles eines offenzelligen Harnstoff-Formaldehyd-Schaumes. Diese Fotografie zeigt eine Anzahl von durch Löcher perforierten Zellwänden, die nicht mit der charakteristischen, faserartigen MikroStruktur der Zigarettenfilter gemäß Erfindung verbunden sind.

Wenn Zigarettenrauch durch ein Filter strömt, das die bevorzugte MikroStruktur besitzt, werden die Teerteilchen von den Faserelementen aufgefangen, wobei ein guter Zahlenwert für die TST-Filtrationswirksamkeit erhalten wird. Andererseits ist ein geringer Widerstand hinsichtlich des Durchströmens von Gas- oder Dampf-Bestandteilen im Rauch vorhanden und der Druckabfall quer durch das Filter ist gering. Ebenso ergibt die relativ feste, offenzellige Schaumstruktur die Härte des Filters. Das geschäumte Harz hat den zu-

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sätelichen Vorteil, daß es unter geeigneten Bedingungen, wie sie in dieser Beschreibung näher erläutert werden, kontinuierlich und direkt durch Extrudieren hergestellt werden kann. Wenn es durch Extrusion durch ein Ringdüsenwerkzeug erhalten wird, kann der resultierende, zylindrische Strang in geeignete Teile zerschnitten werden und somit erlaubt dieses Verfahren die Eigenschaften und die Dimen-P sionen des extrudierten Materials, und damit auch der daraus geschnittenen Zigarettenfilter genau zu regeln. Die Form und Größe der Ringdüse ist ein bestimmender Faktor und diese werden derart gewählt, daß sie das gewünschte Produkt liefern.

Dementsprechend wird ein sehr wirksames Zigarettenfilter durch Extrudieren eines Stranges dee geschäumten Harzes mit der erforderlichen MikroStruktur und einem Querschnitt her- | gestellt, der im wesentlichen dem gewünschten Querschnitt in dem endgültigen Filterelement entspricht. Der Strang wird in Stücke von der Länge eines einzelnen Filterelementes geschnitten oder (für eine leichte Handhabung) in Zwischenstücke (d.h. in Stäbe), die ein einfaches Vielfaches dieser Länge sind, vorzugsweise vom 2- zum 10-fachen der Länge eines einzelnen Filterelements; die Produktion von Stäben ist das Standardverfahren. Das Extrusionsverfahren ist einfaoh und wirksam und vermeidet viele Schwierigkeiten bei

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der Herstellung von Filterelementen^.B. ist es hierbei nicht notwendig, Klebstoff oder ein Umhüllungspapier zur Ausformung des Filterelementes in eine geeignete Gestalt oder ein Material in Form eines dicht gerollten Zylinders zu verwenden. Darüberhinaus kann ein Filter mit Eigenschaften hergestellt werden, welche es besonders für Zigaretten geeignet machen. In der Praxis hat gewöhnlich ein extrudierter Strang des geschäumten Harzes eine glatte, nicht-poröse Haut, welche das Eindringen von Luft in daraus hergestellte Filter beim Gebrauch verhindert und welche einen gewissen Beitrag zur Härte des Filters liefern kann. Die Haut macht ebenso das Einhüllen des Filters in Papier vor dem Anbringen, an einer Zigarette überflüssig.

Wenn es auqh bevorzugt wird, daß das, Zigarettenfilter vollständig aua dem extrudierten, gesohäumten Harzelement besteht, kann selbstverständlich ein Teil irgendeiner anderen Substanz, wie z.B. eine Papierfüllung oder Celluloseacetat-Werg mit dem verhältnismäßig kleiner geschäumten Harzelement zur Herstellung eines zusammengesetzten Filters kombiniert werden. Geschäumte Elemente, welche eine relativ hohe TST-FiItrationswirksamkeit (beispielsweise 60%) besitzen, sind für derartige zusammengesetzte Filter besonders brauchbar. In einem derartigen zusammengesetzten Filter kann das Element aus extrudiertem Schaum gemäß Er-

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findung auch etwas weniger hart sein als es sonst angewendet werden würde. In einem zusammengesetzten Filter kann das extrudierte geschäumte Element in irgendeiner Lage sein, beispielsweise kann es sich vor oder nach einer verschiedenartigen Komponente befinden.

Das Extrusionswerkzeug ist vorzugsweise eine einfache Düse mit kreisförmigem Querschnitt, und es kann beispielsweise einen Durchmesser von 1 bis 3 mm, vorzugsweise von 1,5 bis 2 mm besitzen. Ein "Führungskanal der Düse", das ist die Länge der Düse, gemessen entlang der Extrusionsrichtung, vom 1- bis zum 10-fachen des Düsendurchmessers ist oftmals geeignet, obwohl diese Dimension, falls gewünscht, oftmals größer sein kann, beispielsweise um den Rückdruck hinter dem Werkzeug zu erhöhen, falls ein Hara von niederer Viskosität extrudiert wird. Andererseits wurde ein Werkzeug mit P einem sehr kurzen Führungskanal von beispielsweise lediglich 0,1 bis 1 mm erfolgreich angewandt und es wurde gefunden,

'^: daß dieses ein Produkt mit feinen Zellen lieferte. Sehr oft jedoch wurde ein Führungskanal mit einer Abmessung vom 1,5-bis zum 3-fachen des Durchmessers des Düsenaustrittes als geeignet befunden. Der Eingang zu dem DÜaenaustritt kann je nach Wunsch aufgeweitet oder abgestuft sein. Vorzugsweise

! ist der Werkzeugausgang eben, obwohl dieser, falls gewünscht, leicht aufgeweitet sein kann.

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ORiGiNAL !MSPECTED

In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Filterelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird der extrudierte, offenzellige Schaum mittels eines Direkteinspritz- Extrusionsverfahrens hergestellt, bei welchem ein Treibmittel in das durch Wärme weichgemachte Harz eingespritzt wird, während es entlang des Zylinders eines Schneckenextruders geführt wird.

Der Extruder iet vorzugsweise ein Schneckenextruder und umfaßt vorzugsweise Plastifizier-, Injektions-, Misch- und Kühlzonen. Um die gewünschte MikroStruktur in dem extrudierten Schaum zu erhalten, müssen eine Reihe von Paktoren sorgfältig geregelt werden. Beispielsweise sind die Schmelz- und Werkzeug-Temperaturen wichtige Faktoren für die Herstellung von geschäumten Harzen, die für eine Verwendung in Zigarettenfiltern gemäß Erfindung geeignet sind.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Schmelz-Temperatur (d.h. die Temperatur der Mischung von Harz und Treibmittel hinter dem Werkzeug-Eingang) mit einem vollständig untergetauchten, feinen Thermoelement gemessen werden muß,das durch Wärmeströme zu oder von seiner unmittelbaren Umgebung nicht beeinflußt wird. Dies bedeutet, daß die Verbindung des Thermoelements physikalisch klein sein muß und daß es soweit wie möglich thermisch von Trägern oder anderen Gegenständen,

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welche bei einer wesentlich verschiedenartigen Temperatur sein können, isoliert sein muß. Eine Konstruktion, welche als brauchbar befunden wurde, umfaßt ein rostfreies Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 1,5 nun, welches feine Eisen- und Konstantan-Drähte enthält, die mit pulverisierter Magnesia isoliert und an dem geschlossenen Ende des Rohres zusammengelötet oder -geschweißt sind. Das Rohr kann in den ψ Extruder quer zur Richtung des Schmelzflusses eingeführt werden, jedoch ist das Rohr vorzugsweise in einem rechten Winkel derart gebogen, daß sich etwa die letzten 3 cm des Rohres entlang der Schmelzfluß-Richtung erstrecken und die Bindung selbst etwa einen halben cm oder weniger hinter dem Werkzeug-Eingang angebracht ist. Die angewandte Schmelz-Temperatur hängt hauptsächlich von der Natur des Harzes und insbesondere davon ab, ob es ein hoch-dichtes Polyäthylen oder ein Polypropylen ist. Dementsprechend liegt für ein hoch-dichtes Polyäthylen die Schmelz-Temperatur zwischen 130 und 150⁰C, und vorzugsweise zwischen 13^ und 146°C. Sie kann beispielsweise zwischen I36 oder 137°und 14O°C oder l42°C zur Erzielung guter Ergebnisse liegen. Da wo ein Polypropylen-Harz verwendet wird, ist die Temperatur höher im Bereich von I60 bis 18O°C und vorzugsweise zwischen 162 oder 165°C und 175°C; eine Temperatur zwischen 1β7 und 170⁰C ist oft besonders brauchbar. In vielen Fällen liegt die Schmelz-Temperatur im Bereich einer

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Temperatur, welche zwischen 5°C weniger und 15°C höher als der kristalline Schmelzpunkt des Harzes ist; beispielsweise liegt für hoch-dichtes Polyäthylen dieser Punkt bei etwa 135°C

Ein besonders empfindlicher Temperatur-Paktor ist die Temperatur des Werkzeugs. Diese muß innerhalb von 5 mm des Düsenaustritts selbst gemessen werden, d.h. innerhalb der Grenzfläche zwischen dem extrudierenden Harz und dem Metall des Werkzeugs; sonst kann das erhaltene Ergebnis wegen irgendeines Temperaturgradienten, welcher außerhalb vom Düsenaustritt zu dem Körper des Werkzeuges vorliegt, irreführen. Wenn das Werkzeug aus einem relativ schlechten Wärmeleiter wie z.B. aus Stahl konstruiert ist, sollte die Messung so nahe wie möglich an dem Düsenaustritt durchgeführt werden; bei einem besseren Leiter wie z.B. bei Messing ist eine Entfernung von 5 mm normalerweise nahe/genug. Die Werkzeug-Temperatur kann beispielsweise mittels einer Bohrung von 5 mm innerhalb des Düsenaustrittes und Einschieben der Spitze des feinen, oben beschriebenen Thermoelementes in Verbindung mit der Messung der Schmelz-Temperatur gemessen werden. Ilormäerweise ist die Werkzeug-Temperatur nicht wesentlich höher als die Schmelz-Temperatür, und sie ist üblicherweise gleich oder niedriger als die Schmelz-Temperatur. Bei der Anwendung von kleinen Mengen flüchtiger Treibmittel, wie

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sie beim Extrudieren der erfindungsgemäßen Filterelemente verwendet werden, wurde überraschenderweise gefunden, daß eine sorgfältige Regelung der Werkzeug-Temperatur innerhalb einiger weniger Grade zur Bildung der gewünschten Mikrostruktur führt. Eine zu hohe Werkzeug-Temperatur führt zu einem Zusammenbrechen des Schaumes während der Extrusion zu einem dünnen Strang, der für ein Zigarettenfilter unbrauchbar ist. Andererseits führt eine Werkzeug-Temperatur von lediglich drei oder vier Graden tiefer zu einer unstabilen Extrusion mit nicht mehr regelbaren Variationen in Dicke und Dichte des extrudierten Produktes. Zwischen diesen beiden Extremen wird ein Produkt mit der gewünschten MikroStruktur erhalten und es muß wiederum betont werden, daß der Temperaturbereich des Werkzeugs sehr eng ist und daß dieser Einfluß nicht beobachtet wird, wo zuviel an Treibmittel verwendet wird. Die in einem besonderen Fall anzuwendende, genaue Werkzeug-Temperatur hängt hauptsächlich von der Treibmittelmenge und den Theologischen Eigenschaften des Harzes und zu einem geringeren Ausmaß von der Anwesenheit oder Abwesenheit eines kernbildenden Mittels oder Füllstoffes und von der Geometrie des Extruders und ded Werkzeuges ab, jedoch kann sie experimentell unter Verwendung der oben angegebenen Kriterien ermittelt werden. Beispielsweise wurde für hoch-dichtes Polyäthylen gefunden, daß die richtige Werkzeug-Temperatur zwischen 120 und 136⁰C, und gewöhnlich zwischen

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125 und 135°C und oftmals zwischen 126 oder 127°C und oder 13^°C liegt. Im Falle von Polypropylen liegt die Werkzeug-Temperatur zwischen 155 und 165°C, und oftmals ist eine Temperatur zwischen 157 und I63 C, wie beispielsweise zwischen 159 und 162°C erforderlich.

Der Anteil an Treibmittel wird in dieser Beschreibung in Form der Anzahl der Mole pro 100 g extrudiertem Endprodukt angegeben, wobei unter dem letzteren das Gewicht des extrudierten Produktes verstanden wird, nachdem das Treibmittel und irgendwelche andere flüchtige Bestandteile des Extrudates sich verflüchtigt haben. Eine derartige Verflüchtigung, findet extrem rasch statt und ist normalerweise innerhalb weniger Sekunden beendigt. Der Anteil an Treibmittel ist ein sehr wichtiger Faktor,um die Bildung der gewünschten MikroStruktur sicherzustellen. Ein zu geringer Anteil an Treibmittel, beispielsweise 0,01 Mol pro 100 g extrudiertem Endprodukt kann zu einem groben offenzelligen Schaum ohne irgendeine faserartige MikroStruktur führen. Dieser ist als Zigarettenfilter nicht geeignet, weil er Teer nicht in ausreichendem Maße zurückhält. Ebenso neigt eine Treibmittelmenge von mehr als 0,2 Mol pro 100 g extrudiertem Endprodukt, beispielsweise 0,22 Mol, dazu, die Natur des Schaumes zu verändern und oftmals wird ein hoher Viert für ΔΡ oder sogar eine Struktur mit im wesentlichen

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geschlossenen Zellen erhalten. Noch größere Mengen, wie z.B.. 0,27 Hol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt können einen Schaum liefern, der einige offene Zellen besitzt, jedoch ermangelt dein Produkt eine ausreichende Härte, es leistet dein Durchfließen von Luft einen zu großen Widerstand und es hat eine niedrige Filtrationswirksamkeit, wenn es in zur Erzielung eines annehmbaren Druckabfalles ausreichend

kurzen Längen eingesetzt wird. Im allgemeinen wird gemäß der vorliegenden Erfindung viel weniger an Treibmittel, als normalerweise beim Extrudieren eines geschäumten Harzes ähnlicher Dichte eingesetzt wird, angewandt und der Anteil an Treibmittel beträgt in jedem Fall nicht mehr als 0,2 Mol pro 100 g an extrudiertem Produkt; vorzugsweise liegt er im Bereich von 0,02 oder 0,05 bis 0,17> wie beispielsweise von 0,05 bis 0,13 Mol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt, überraschenderweise scheinen die optimalen Extrusionstemperaturen nicht allzu sehr durch den Anteil an Treibmittel beeinflußt zu werden, vorausgesetzt, daß das letztere in einer Menge unterhalb der kritischen Menge vorliegt. Bequemerweise wird daher beim Einstellen der genauen Extrusionsbedingungen zunächst die Schmelz-Temperatur innerhalb des festgesetzten Bereiches unter Verwendung von etvra 0,17 oder 0,18 Mol Treibmittel pro 100 g an extrudiertem Endprodukt und eine Uerkzeug-Temperatur im oberen Bereich der festgesetzten Grenzen einjustiert, anschließend wird

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die Werkzeug-Temperatur zur Erzielung einer stabilen Extrusion eines nicht zusammengebrochenen, geschäumten Produktes erniedrigt und schließlich wird die Menge an Treibmittel allmählich erniedrigt (wobei gleichzeitig, falls notwendig, die Schmelz-Temperatur leicht erhöht wird, um eine stabile Extrusion aufrechtzuerhalten), bis an Produktproben durchgeführte, wie oben beschriebene Untersuctmngen zeigen, daß das korrekte Gleichgewicht der Eigenschaften und die richtige MikroStruktur erreicht worden ist. Die endgültige Einstellung des gewünschten Filterelementes wird durch geringe Justierungen nach oben oder nach unten in der Schmelzoder Werkzeug-Temperatur bewirkt, bis alle Eigenschaften des Schaumes wie gewünscht erreicht sind. In dieser Hinsicht kann ein Anstieg in der Schmelz-Temperatur zu einer Abnahme von AP₁₀ des Produktes führen, es kann die Werkzeug-Mundstück-Temperatur die Filtergestalt beeinflussen, und eine weitere geringe Abnahme an Treibmittel kann ebenso eine Erniedrigung von AP^₀ bewirken.

Es wurde sehr oft festgestellt, daß bei hoch-dichtem Polyäthylen die Extrusionsbedingungen innerhalb des Bereiches von 1 bis 10 Gew.-/*' an Treibmittel, bezogen auf das Gewicht an Polyäthylen liegen, (was für das bevorzugte Treibmittel Isobutylen einen Bereich von 0,018 bis 0,13 Mol pro 100 g an extrudiertem Produkt entspricht), mit einer Schmelz-

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Temperatur von 135 bis 145 C und einer Werkzeug-Temperatur von 128 bis 135°C.

In vielen Fällen ist das flüchtige Treibmittel unter normalen atmosphärischen Bedingungen (wie 20⁰C und 1 Atmosphäre Druck) ein Gas oder ein Dampf, während es vor der Extrusion unter Druck in dem durch ^TJärme weichgemachten, thermor plastischen Harz in Lösung zugegen ist. Das Treibmittel kann ebenso ein solches sein, das unter Hormalbedingungen flüssig ist, wie z. B. Pentan oder eine Pentan-Fraktion. Beispiele von flüchtigen Treibmitteln , welche verwendet werden können, umfassen niedere aliphatische Kohlenwasserstoffe (d.h. solche, Vielehe bis zu 5 Kohlenstoff atome enthalten ), wie Methan, Äthan, Äthylen, Propan, Propylen, Butan, ein Butylen(insbesondere Isobutylen) oder ein Pentan; ein Fluorkohlenstoff wie z.B. Dichlordifluormethan; ein niedrig siedender Ester wie beispielsweise Methyl- oder Äthylacetat; Aceton; und anorganische Gase wie I'ohlendioxyd. oder Stickstoff. Ebenso kann das Treibmittel eine polare Verbindung wie z.B. Hasser, oder ein niedrig siedender Alkohol wie z. B. Methanol, Äthanol oder Propanol sein. Falls gewünscht, können Mischungen von zwei oder mehreren flüchtigen Treibmitteln angewandt werden.

Der Druck, unter welchem das Treibnittel in das Kxtrusions-

~ 35 ~ 209823/0678 BADORlGiNAl

system injiziert wird, kann ziemlich niedrig sein und obwohl , falls gewünscht, höhere Drucke angewandt werden können, bringt dies normalerweise keinen Vorteil, und der Injektionsdruck pflegt hauptsächlich von der Extruderschnecken-^onstruktion abzuhängen. Beispielsweise kann das Druckprofil entlang der Extruderlänge bis zu einem Waximum ii,i Plastifizierabschnitt ansteigen und am Injektionspunkt aus im we se nt liehen atmosphärischen Druck vor einem Wiederanstieg in den Misch- und Kühlzonen abfallen, und schließlich wiederum endgültig am Werkzeug-Ausgans auf atmosphärischen Druck zurückgehen.

Das Treibmittel wird in vielen Fällen vorzugsweise in Verbindung mit einem kernbildenden Mittel angewandt, welches die Bildung einer großen Anzahl relativ feiner Zellen unterstützt. Es kann ein breiter Bereich von kernbildenden Mitteln angewandt werden, einschließend fein verteilte inerte Feststoffe, insbesondere beispielsweise Calciumcarbonat, welches beispielsweise in Form von Calcit, Kreide oder gemahlenem Kalkstein vorliegen kann. Wenn Calciumcarbonat verwendet wird, kann dieses gegebenenfalls in Verbindung mit einem kleinen Anteil von natriumcarbonat eingesetzt werden. Andere geeignete , feinverteilte kernbildende Mittel umfassen Talk, Kieselerde, Tonerde und Titandioxyd. Ein Salz einer aliphatischen Carbonsäure mit

bis zu 16 Kohlenstoffatomen, wie es in der britischen Patentschrift 1 148 119 beschrieben wird, beispielsweise Calciumpropionat oder -acetat, oder ein Salz einer aromatischen Carbonsäure, wie es in der britischen Patentschrift 1 203 498 beschrieben wird, beispielsweise Calciumbenzoat, liefert gute Ergebnisse. Gewöhnlich ist ein kleiner Anteil an kernbildendem Mittel, beispielsweise bis zu 5 Gew.-$ des Harzes, wirksam. Oftmals liegt die Menge an angewandtem kernbildenden Mittel im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-^, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 2 Gew.-%. Wenn das kernbildende Mittel ein fein verteilter inerter Feststoff wie Calciumcarbonat ist, können, falls gewünscht, größere Anteile wie beispielsweise 10 bis 30$ zugegen sein, und in derartigen Fällen wirkt der fein verteilte Feststoff zusätzlich als Füllstoff. Durch Auswahl eines geeigneten Werkzeuges, besonders eines solchen mit einem sehr kurzen Führungskanal oder eines Werkzeuges, das so konstruiert ist, daß es ein hohes Scherverhältnis auf das zu extrudierende, verschäumbare Harz ausübt, ist es jedoch oftmals möglich, gänzlich auf ein kernbildendes Mittel zu verzichten.

Die gleichmäßige Verteilung eines kernbildenden Mittels kann durch die zusätzliche Anwesenheit eines adhäsiven Materials unterstützt werden. Das adhäsive Material kann als Träger für das kernbildende Mittel wirken und es kann ganz

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allgemein aus einer großen Vielzahl von Substanzen ausgewählt werden unter der Voraussetzung, daß es unter Extru-· sionsbedingungen thermisch stabil ist und auf das kernbildende Mittel oder das Harz nicht nachteilig einwirkt. Als besonders geeignete Materialien sind Polyisobutylen, Methylcellulose, ein flüssiger Kohlenwasserstoff mit höherem Molekulargewicht und ein Polyalkylenglykol eingeschlossen. Vorzugsweise ist das adhäsive Material in dem Verfahren bis zu einer Menge von 3 bis 15 Gew.-/?, bezogen auf das kernbildende Mittel, zugegen. Ein bevorzugtes adhäsives Material ist ein Polyalkylenglykol, welches am besten in Mengen im Bereich von 5 bis 10 Gew.-!?, bezogen auf das kernbildende Mittel,- angewandt wird. Das Polyalkylenglykol ist selbstverständlich ein solches, welches mit dem Polymerisat und dem kernbildenden Mittel nicht reagiert und unter den Extrusionsbedingungen thermisch stabil ist und es kann beispielsweise Polymethylenglykol, Polyäthylenglykol, PoIybutylenglykol oder Polyisobutylenglykol sein. Polyäthylenglykol ist das besonders bevorzugte Glykol und es wurden bei Verwendung von etwa 10 Gew.-f, bezogen auf das kernbildende Mittel, ausgezeichnete Ergebnisse erhalten. Ganz allgemein hat das verwendete Polyäthylenglykol ein Molekulargewicht von 200 bis 600, insbesondere von 300 bis 500, beispielsweise von etwa 400.

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Nach der Extrusion wird der geformte Strang von dem Werkzeug hinweg gefördert. Vorzugsweise wird er bei einer Geschwindigkeit abgezogen, die leicht höher ist als die Extrusionsgeschwindigkeit; dies unterstützt die Regelung des Enddurchmessers. Es ist wünschenswert, den Durchmesser des Stranges durch zusätzliche Vorrichtungen zu regeln und es wurde gefunden, daß eine sehr genaue und vereinbare Formkontrolle dadurch erreicht werden kann, daß man den gerade extrudierten Strang durch ein Kalibrierrohr führt, und danach abkühlt. Der Kühlvorgang umfaßt vorzugsweise das Führen des Stranges durch ein anderes Rohr, welches gekühlt wird. Vorzugsweise hat das Kühlrohr einen Querschnitt, welcher im wesentlichen der gleiche ist wie der des geformten Stranges, so daß ein Kontakt zwischen der Strangoberfläche und den Wänden des Rohres hergestellt und die Wärme von der Strangoberfläche abgeführt wird. Die KaIibrier- und Kühlrohre haben vorzugsweise hochpolierte Innenflächen und die Endjustierung ihres Kalibers wird bequemerweise beispielsweise durch Ziehschleifen bewirkt. Jedes Rohr sollte vorzugsweise an seinem Ausgangsende einen Durchmesser besitzen, der im wesentlichen der gleiche ist, wie er für den geschäumten Harz-Strang (und dementsprechend für das endgültige Zigarettenfilter) gewünscht wird, obwohl das Ausgangsende des Kalibrierrohres etwas enger sein kann, da nach dem Austreten des Stranges aus diesem Rohr eine ge-

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ringe Expansion stattfindet. Das Eingangsende eines jeden Rohres kann etwas größer als der Strang sein. Vorzugsweise ist jedes Rohr so konstruiert, daß es leicht longitudinal geteilt und wieder zusammengebaut werden kann, um das Durchziehen des geschäumten Stranges zu Beginn zu erleichtern.

Die Kalibrier- und Kühlrohre können jedes beispielsweise von 1 bis 10 cm lang sein. Oftmals ist eine geeignete Länge etwa 5 cm.

Das Kalibrierrohr wird vorzugsvreise in einer Entfernung von zwischen 15 und 200 cm, beispielsweise von 20 bis 100 cm vom Ausgang des Extrusionswerkzeuges angeordnet. An dieser Stelle ist der geschäumte Harz-Strang im wesentlichen voll expandiert, jedoch zur Verfestigung seines Inneren noch nicht ausreichend gekühlt. Die Extrusionswärme führt zu einer Erwärmung des Kalibrierrohres, beispielsweise auf etwa 100 C, und obwohl eine Außenheizung oder -kühlung, falls dies für wünschenswert befunden wird, angexiandt werden kann, ist es gewöhnlich bequem, sich auf die natürliche Luftkühlung zu verlassen.

nachdem der geschäumte Strang das Kalibrierrohr verlassen hat, durchläuft er vorzugsweise einige wenige Centimeter, beispielsweise 5 bis 20 cm freie Luftstrecke, bevor er in

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das Kühlrohr eintritt. Vorzugsweise ist das Kühlröhr "in die Begrenzungswand eines länglichen Troges voll Kühlwasser/, (oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit) eingesetzt, in welchen der Strang eingeführt wird, sowie er aus dem Kühlrohr austritt. Auf diese Weise kühlt das in dem Trog befindliche Wasser das Rohr durch Ableitung der Wärme und ferner wird der Strang in dem Ilaße abgekühlt, wie er durch den ψ Trog geführt wird. Die Wassertemperatur kann beispielsweise 1 bis 40°C, vorzugsweise 10 bis 30⁰C. Der Trog kann beispielsweise 1 bis 3 m Länge aufweisen, obwohl er, falls gewünscht, auch kürzer oder länger sein kann. Vorzugsweise verläßt der Strang den Trog durch ein abdichtendes Rohr, welches bequemerweise ähnlich wie das Kühlrohr gestaltet sein kann. Falls gewünscht, kann mehr als ein abdichtendes Rohr angewandt werden und es kann ferner auch ein Luftstrahl zur Entfernung von Überschüssigem Wasser auf dem Strang vorge-

^ sehen werden.

Der geschäumte Strang muß durch die Rohre gezogen werden und es wurde gefunden, daß diese ''Abzugsgeschwindiijkeit" als Peinkontrolle für den Durchmesser dienen kann. Beispielsweise wurde gefunden, daß eine Veränderung der Abzugsgeschwindigkeit um 3^ eine Veränderung im Strangdurchmesser von etwa 1% hervorruft. Vorzugspreise unifaßt das Abzugssystem Walzen oder ein endloses Fürderband und es ist

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mit einem weichen Material wie beispielsweise Polyurethanschaum so beschichtet, daß ein Zusammendrücken der Schaumstruktur vermieden wird, ilach dem Abzugssystem kann der geschäumte Strang vor der Verwendung gelagert werden, jedoch ist es bequemer, ihn, wie bereits oben erwähnt, in Stäbe zu zerschneiden. Die Stäbe werden dann normalerweise in Vielfach-Stücke von zwei Filtern geschnitten, an j-eder Seite des "Doppel"-Pilters Tabak in Form einer Zigarette gedreht und anschließend wird das Ganze in der Mitte durchgeschnitten, wobei man zwei Zigaretten erhält.

Das geschäumte Harz gemäß Erfindung ist nicht nur zur Herstellung von Zigaretten brauchbar, sondern es ist auch für allgemeine Filtrationszwecke, beispielsweise für Luft-Klimatisierung, Zentralheizung, Bergbau, öl- oder Wasser-Filtration usw. anwendbar. Es ist besonders für die Filtration von mitgerissenen Staub- oder Rauchteilchen aus
Luft- oder sonstigen Gasströmen brauchbar.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel %
Dieses Beispiel beschreibt erfindungsgemäße Zigaretten-

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filter aus hoch-dichtem Polyäthylen und deren Herstellung nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.

Hoch-dichtes Polyäthylen mit einer Dichte von 0,965 g/cm , einem kristallinen Schmelzpunkt von 135°C und einem Schmelzindex von 4,5 g pro 10 Minuten (bei 190⁰C unter einer Belastung von 2,16 kg) wurde mit 5 Gew.-i£, bezogen auf da3

™ Polyäthylen, Calciumpropionat, welches als kernbildendes Mittel wirkt und 0,5 Gev.-% Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht 400, welches als adhäsives Material wirkt, gemischt. Die Mischung wurde einem Schneckenextruder mit einem Durchmesser von 3,81 cm zugeführt, der mit einer atweistufigen Schnecke, einer Düse zum Einspritzen von Flüssigkeiten in den Extruderzylinder, und einer ringförmigen Düse mit einem Durchmesser von 1,58 mm und einem Führungskanal von 3,18 mm versehen ist. Die Sehneckengeschwindigkeit betrug 21 Um-

^ drehungen pro Minute, der Durchsatz kj g pro Minute und es wurde Isobutylen als Treibmittel mit einer Geschwindigkeit, entsprechend 0,128 Mol pro 100 g extrudiertem Endprodukt eingespritzt.

Die Temperatur in der Plastifikationszone des Extruders, d.h. der Teil stromaufwärts des Injektionspunktes, betrug 180 bis 200⁰C, jedoch wurde stromabwärts von der Injektionszone gekühlt und so eine Schmelz-Temperatur unmittelbar hinter

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dem Werkzeug von 138⁰C erhalten, gemessen unter Verwendung eines feinen Thermoelementes wie vorstehend beschrieben. Die Temperatur des Werkzeuges welche wie oben beschrieben gemessen wurde, betrug 130⁰G. Diese Bedingungen ergaben eine stabile Extrusion für einen offenzelligen geschäumten Polyäthylenstab, welcher eine glatte Außenhaut besaß. Nachdem dieser auf einer Strecke von 20 cm durch Luft geführt worden war, wurde er in ein zylindrisches Messingrohr mit einem Innendurchmesser von 0,815 cm und einer Länge von 5 cm, und von dft in ein zweites zylindrisches Messingrohr mit einem Innendurchmesser von 0,875 cm und einer Länge von 5 cm eingezogen. Das zweite Rohr war in die Begrenzungswand eines Wassertroges mit einer Länge von 3 m derart eingesetzt, daß es hierdurch gekühlt wurde, wobei das Wasser eine Temperatur von 20°c hatte. Der Stab durchlief den Trog und am Ende durch zwei weitere ejrlindrieche Röhren von 5 cm Länge und einem Innendurchmesser von 0,875 cm, wodurch eine Wasserabdichtung erreicht wurde. Dann wurde er über Abzugrollen,

/gef welche mit weichem Polyurethans chauni beschichtet waren, und

in Stücke zu 90 mm geschnitten.

Es wurde gefunden, daß alle Stücke einen kreisförmigen Querschnitt und einen Umfang von 2*1,8 mm mit einer Standard-Abweichung von lediglich 0,07 mm besaßen. Jedes dieser Stücke konnte in sechs 15 mm lange Filtermundstücke zerschnitten

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werden, welche eine Dichte von O₃05 g / cm , eine Härte von 88$, ein AP^₀ von 5 cm Wassersäule und eine TST-Filtrationswirksamkeit von 3öfi besaßen. Dei der mikroskopischen aberprüfung mit einem tief-fokussierten Mikroskop wiesen sie eine komplexe offene Struktur ähnlich derjenigen auf, wie sie in Pig.l gezeigt wird, mit vielen Paserelementen, welche große Einzelöffnungen überbrücken, die fast den gesamten Bereich der Zellwand des Schaumes einnehmen.

Bei einem Vergleichsversuch wurde die Werkzeug-Temperatur über einen Bereich von 128 bis 133 C variiert. Bei der unteren Temperatur wurde die Extrusion unstabil mit größeren Abweichungen hinsichtlich eines reduzierten Produktdurchmessers und eines Anstiegs in der Dichte, wohingegen bei der höheren Temperatur der Produktdurchmesser drastisch erniedrigt und AP.. _Q stark erhöht wurde.

Bei einem anderen Vergleichsversuch wurde der Anteil an injiziertem Isobutylen zwischen den Grenzen von 0,05*1 und 0,22 Mol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt variiert, während die anderen Extrusionsbedingungen konstant gehalten wurden. Die Härte des Produktes nahm mit dem Anstieg der Isobutylen-Konzentrationen zu, und obwohl AP., über den Bereich von 0,054 bis 0,19 Mol Isobutylen pro 100 g extrudiertem Kn d-

/einen Tert von weniger als 1 ^lj cm Wassersäule produkt beibehielt, trat ein plötzlicher und steiler Anstieg

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_bM) eiern*»-

von ΔΡ._Ο oberhalb einer Isobutylen-Konzentration von 0,1b flol pro 100 g auf und bei 0,22 Hol pro 100 g hatte ΔΡ_1ο einen Uert von höher als 25 cm Wassersäule.

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung einer Reihe von erfindungsgemäßen Zigarettenfiltern und demonstriert die Variation in den Eigenschaften, wie sie durch Regelung des Extrusionsverfahrens erhalten werden.

Hochdichtes Polyäthylen mit einer Dichte von 0,965 g/cm , einem kristallinen Schmelzpunkt von 135 C und einem Schmelzindex von 4,5 g pro 10 Minuten (bei 23O°C unter einer Belastung von 2,16 kg) wurde mit 1 Gew.-% Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht 400 und mit 20$ Talk als kernbildendem Mittel und Füllstoff gemischt. Die Mischung wurde einem Extruder zugeführt und das Werkzeug gemäß Beispiel 1 verwendet. Die Schneckengeschwindigkeit betrug 21 Umdrehungen pro Minute, der Durchsatz war 50 g pro Minute und es wurde Isobutylen als Treibmittel mit Geschwindigkeiten eingespritzt, wie sie in der nachstehenden Tabelle gezeigt werden. Die Temperatur in der Plastifikationszone des Extruders, d.h. der Teil stromaufwärts der Injektionsstelle, war 180 C, jedoch wurde stromabwärts der Injektionszone gekühlt und so

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unmittelbar hinter dem V/erkzeug eine Schmelz-Temperatur von 142°C erhalten, die unter Verwendung eines feinen Thermoelementes, wie oben beschrieben, gemessen wurde.

Tabelle 1

Isobutylen	Dichte	ΔΡ10	TS1P	. Härte	Struktur
(Mol/100g)	(g/cm3)	cm H2O		00
Endprodukt	0,104	1,8	26	97	netzartig; über brückende Pasern
0,068	0,082	3,2	40	96	net zart ig verzweig te überbrückende Pasern
0,085	0,066	4,8	43	95 .	netzartig; mehr hoch verzweigte Fasern
0,090	0,058	9,0	60	94	netzartig; feine, überbrückende faserartige Gewebe
0,107	0,052	14,7	64	93	netzartig; verwor rene sehr feine Gewebe
0,125

Die wie oben beschrieben gemessene Werkzeug-Temperatur war 133 C. Dieee Bedingungen ergaben eine stabile Extrusion eines geschäumten Polyäthylenstabes. Der Stab wurde nach Führen durch eine Luftstrecke von 20 cm in ein Kalibrier- und Kühlsystem wie in Beispiel 1 eingezogen. Der Stab hatte einen Umfang von 24,5 mm mit einer Standardabweichung von

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0,05 mm. Beim Schneiden in 90 mm-Längenstücke und anschließend in 15 mm-Zigarettenfilter wurden die in der vorstehenden Tabelle niedergelegten Eigenschaften gemessen.

Beispiel 3

Dieses Beispiel beschreibt erfindungsgemäße Zigarettenfilter aus Polypropylen und deren Herstellung durch ein Verfahren gemäß Erfindung.

Polypropylen mit einem kristallinen Schmelzpunkt von etwa 170⁰C und einem Schmelzindex von 1,5 G P^ro 1° Minuten (bei 230⁰C unter einer Belastung von 2,16 kg) wurde mit 0,1 Gew.-/O Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht ¹JOO und 1 Gew.-$ Talk als kernbildendes Mittel gemischt. Die Mischung wurde einem Extruder zugeführt und das im Beispiel 1 beschriebene Werkzeug verwendet, die Schneckengeschwindigkeit betrug 22 Umdrehungen pro Minute und der Durchsatz 53 g pro Minute, und es wurde Isobutylen mit einer Geschwindigkeit entsprechend 0,142 Mol pro 100 g des extrudierten Endproduktes injiziert.

Die Temperatur in dem Plasttikationsteil des Extruders war 200 C, die Schmelz-Temperatur hinter dem Werkzeug 170°C und die Werkzeug-Temperatur 162°C

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Diese Bedingungen ergaben eine stabile Extrusion eines offenzelligen, geschäumten Polypropylenstabes mit einer glatten Außenhaut. Das Innere des Stabes bestand aus offenen Zellen, welche durch Faserelemente überbrückt waren. Der Stab wurde in geeignete Längenstücke zerschnitten, welche ausgezeichnete Zigarettenfilter ergaben.

W Beispiel 4

Diese Beispiel beschreibt zwei weitere Zigarettenfilter gemäß Erfindung.

Die Extrusion wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, daß für Calciumpropionat Calciumacetat eingesetzt wurde, 0,139 Mol Isobutylen pro 100 g- extrudiertem Endprodukt angewandt wurden, die Schmelz-Temperatur 137⁰C und die ^ Werkzeug-Temperatur 132°C war. Der extrudierte Stab hat

eine MikroStruktur und eine Oberflächenhaut ähnlich derjenigen des Produktes von Beispiel 1, einen Umfang von 21 mm, eine Dichte von 0,047 g/cm-⁵ und ein AP^₀ von 3,3 cm Wassersäule. Nach Schneiden in geeignete Längenstücke erhielt man ausgezeichnete Zigarettenfilter.

Bei einem weiteren Versuch unter Venvendung des gleichen Polyäthylens und kernbildendem Mittel unter den gleichen

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Bedingungen, wobei jedoch lediglich 0,110 Mol Isobutylen pro 100 g an extrudiertem Endprodukt eingespritzt wurden, hatte der extrudierte Stab eine leicht erhöhte offene Struktur mit einer ähnlichen Oberflächenhaut und AP^₀ war 2,2 cm Wassersäule. Der Umfang betrug 20,4 mm und die Dichte 0>057 g/cm . Dieses Produkt ergab ebenfalls ausgezeichnete Zigarettenfilter.

Beispiel 5

Dieses Beispiel beschreibt weitere Zigarettenfilter gemäß Erfindung aus hoch-dichtem Polyäthylen. In diesem Fall wurde kein kernbildendes Mittel verwendet.

Hoch-dichtes Polyäthylen einer Dichte von 0,965 g/cm , einem kristallinen Schmelzpunkt von 135°C und einem Schmelzindex von 4,5 g pro 10 Minuten (bei 190°C unter einer Belastung von 2,16 kg) wurde in einen Extruder gemäß Beispiel 1 eingeführt, der jedoch mit einer Ringdüae mit einem Durchmesser von 1,58 mm und einem Führungskanal von 0,2 mm versehen war. Die Schneckengeschwinddgkeit betrug 21 Umdrehungen pro Minute, der Durchsatz war 67 g pro Minute und es wurde Isobutylen mit einer Geschwindigkeit, entsprechend 0,1? Mol pro 100 g Polyäthylen, injiziert. Die Schmelz-Temperatur war 137°C und die Werkzeug-Temperatur 126⁰C. Das Extrudat

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bestand aus einem geschäumten Polyäthylen mit feinen, offenen Zellen, mit einer glatten Haut und einem Umfang von 22 mm. Seine Dichte betrug 0,069 g/cnr und AP._Q war 4,4 cm Wassersäule. Nach Schneiden in 15 mm Längenstücke erhielt man ausgezeichnete Zigarettenfilter. Ein Versuch unter Verwendung des gleichen Polyäthylens unter den gleichen Bedingungen, jedoch mit einem Werkzeug des gleichen Durchmessers und P einem Führungskanal von 3,18 mm lieferte eine Schaumzellstrukur, die nicht so fein wie bei Verwendung eines Werkzeugs mit kurzem Führungskanal war.

Beispiel 6

Dieses Beispiel beschreibt ein offenzelliges, geschäumtes Polyäthylen-Harz gemäß Erfindung, ein Verfahren zur,Herstellung desselben nach einer bevorzugten Methode und seine Verwendung als Filtermundstück für eine Zigarette.

Eine trockene Mischung von 100 Gew.-Teilen hoch-dichtem Polyäthylen mit einer Dichte von 0,96 g/cm^ und einem Schmelzindex von 0,9 Decigramm pro Minute und 0,1 Gew.-Teil Polyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von etwa 400 wurde zuerst in einem Banbury-Mischer hergestellt. Dann wurden 1,0 Gew,-Teile Talk als kernbildendes Mittel zugegeben und das Mischen so lange fortgesetzt, bis dasPoIy-

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äthylenglykol und der Talk innerhalb der ganzen Mischung sorgfältig verteilt waren.

Die Mischung wurde in den Einfülltrichter eines Extruders von 3,81 cni Durchmesser mit einer Zweistufen-Schnecke, aufgegeben. Es wurden 0,16 Mol Isobutylen als Treibmittel pro 100 g an extrudiertem Endprodukt in die Injektionszone des Extruders injiziert und die durch die Wärme erweichte Zubereitung durch ein Ringdüsen-Werkzeug (Durchmesser 1,58 mm) mit einem Durchsatz von 44 g pro Minute extrudiert, wobei die verschiedenen Teile des Extruders bei folgenden Temperaturen gehalten wurden (die Schmelz-Temperatur betrug etwa 138°C):

Plastifikationszone 174 bis 211°C

Injektionszone 152,5°C

Kühlzone 157,O°C

Werkzeughalter-Zone 123,5°C

Werkzeug 137,5°C

Auf diese Weise wurde ein zylindrischer Stab aus Polyäthylen-Schaum von etwa 8,4 mm Durchmesser mit einer Dichte von 0,038 g/cirr hergestellt. Es wurde durch überprüfung mittels Abtast-Elektronenmikroskopie beobachtet, daß der geschäumte Strang eine undurchlässige, weiße Außenhaut ähnlich derjenigen, wie sie in Fig.5 gezeigt wird, und eine offenzelli-Ce .Struktur besitzt, von welcher ein Teil in Fig. 4 der an-

- 52 -209823/0678 BAD ORlG₁NAL

liegenden Fotografien erläutert wird.

Es wurden Proben des Schaumes mittels der Abtast-Elektronenmikroskopie überprüft und hierbei gefunden, daß mehr als die Hälfte der Zellen eine oder mehrere Wände mit Perforationen enthielt, welche durch Faserelemente überbrückt waren. Mehr als 85$ der Zellen enthielten eine oder mehrere Zellwandungen , welche in der beschriebenen Weise perforiert waren und es wurde beobachtet, daß im allgemeinen der Hauptanteil der einzelnen Wände dieser Zellen perforiert waren. Diejenigen Zellwände, welche Perforationen aufwiesen, enthielten relativ wenig Perforationen, beispielsweise zwischen 1 und 4 Perforationen, und diese Perforationen nahmen den Hauptanteil der Gesamtoberfläche einer jeden Zellwand ein. Irgendwelche der, die Perforationen überbrückenden Faserelemente waren voneinander getrennt, wohingegen andere in einer zweidimensionalen Anordnung oder einem Netzwerk miteinander verbunden waren, und wobei der Hauptanteil der Perforationen durch ein Fasernetzwerk überbrückt war. Der durchschnittliche Durchmesser der Zellen des Schaumes betrug annähernd 0,03 cm. Irgendwelche andere Eigenschaften des geschäumten Stabes sind in der nachstehenden Tabelle II wiedergegeben.

Der Stab wurde in Stücke von etwa 1,5 cm Länge zerschnitten

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und diese Stücke wurden als Filtermundstücke für Zigaretten eingesetzt. Beim Rauchen der Zigarette wurde festgestellt, daß die Mundstücke eine angenehme Rückprallelastizität ohne irgendeine nachteilige Einwirkung auf den Geschmack oder einen spürbaren Widerstand auf den Durchfluß des Rauches aufwiesen. Das Zigarettenmundstück hatte ein ausgezeichnetes Gesamtaussehen, fühlte sich glatt an und wies eine feine Zellenstruktur auf. Beim späteren Aufschneiden der Mundstücke zeigte sich, daß sie eine beträchtliche Teermenge aus dem Rauch entfernt hatten.

Beispiel 7

Dieses Beispiel beschreibt ein offenzellig geschäumtes Polyäthylen-Harz gemäß Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Harzes durch ein bevorzugtes Verfahren und seine Anwendung als Filtermundstück für eine Zigarette.

Eine Mischung von 100 Gew.-Teilen eines hoch-dichten Polyäthylens mit einer Dichte von 0,958 g/cnr und einem Schmelzindex von 4,5 Decigramm pro Minute und 0,1 Gew.-Teil PoIyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von etwa 400, wurde zunächst in einem Banbury-Mischer hergestellt. Dann wurden 1,0 Gew.-Teile Talk als kernbildendes Mittel zugegeben und das Mischen so lange fortgesetzt, bis das Polyäthylen-

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glykol und der Talk gleichmäßig über die ganze Mischung verteilt waren.

Die Mischung wurde in den Einfülltrichter eines Extruders von 3j8l cm Durchmesser, und der mit einer Zweistufen-Schnecke versehen war, aufgegeben. Es wurden 0,141 Mol Isobutylen als Treibmittel pro 100 g an extrudiertem Endpro-

™ dukt in die Injektionszone des Extruders injiziert und die durch die Wärme erweichte Zubereitung wurde durch ein Ri ngdüsen-Werkzeug (Durchmesser 1,58 mm) bei einem Durchsatz von 42 g /Minute extrudiert, wobei die verschiedenen Teile des Extruders auf den nachfolgenden Temperaturen gehalten wurden:

Piastfikationszone I69 bis 210,5⁰C

Injektionszone I60 C

Kühlzone 137°C

Werkzeughalter-Zone 111°C

Werkzeug 122,5°C

Es wurde ein zylindrischer, geschäumter Polyäthylen-Stab mit einem Durchmesser von 7j9 nun und einer Dichte von 0,048 g/cm^ hergestellt. Bei der überprüfung des geschäumten Stranges wurde beobachtet, daß er eine undurchlässige, weiße Außenhaut ähnlich derjenigen, wie sie in Fig.5 gezeigt wird, und eine offenzellige Struktur besaß, von der

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Teile in Fig.2 und Fig.3 der anliegenden Fotografien näher erläutert werden.

Proben des Schaumes wurden mittels der Abtast-Elektronenmikroskopie untersucht und es wurde festgestellt, daß mehr als die Hälfte der Zellen eine oder mehrere Wände mit Perforationen, die durch Faserelemente überbrückt waren, besaßen. Mehr als 85$ der Zellen enthielten ein oder mehrere Zellwände, die in der vorbeschriebenen Weise perforiert waren und es wurde ferner festgestellt, daß der Hauptanteil der Uände dieser Zellen perforiert war, Diejenigen Zellwände, Vielehe Perforationen aufwiesen, enthielten relativ wenig Perforationen, beispielsweise von 1 bis 4 Perforationen, und diese Perforationen nahmen den größten Teil der Gesamtoberfläche einer jeden Zellwand ein. Irgendwelche der die Perforationen überbrückenden Faserelemente waren voneinander getrennt, wohingegen andere in einer zweidimensionalen Anordnung oder Netzwerk miteinander verbunden waren, wobei der Hauptanteil der Perforationen durch Fasernetzwerk überbrückt war. Der durchschnittliche Durchmesser der Zellen des Schaumes betrug annähernd 0,03 cm. Irgendwelche andere Eigenschaften des geschäumten Stabes sind in der nachstehenden Tabelle II wiedergegeben.

Der Stab wurde in Stücke von etwa 1,5 cm Länge geschnitten

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und diese Stücke wurden als Filtermundstücke für Zigaretten eingesetzt.Beim Rauchen der Zigarette wurde gefunden, daß die Mundstücke eine angenehme Rückprallelastizität ohne irgendwelchen nachteiligen Effekt auf Geschmack oder einen spürbaren Widerstand auf die Strömung des Rauches aufwiesen. Das Gesamtaussehen des Filtermundstückes war ausgezeichnet. Es hatte eine glatte Außenhaut und eine feine Zellstruktur. Beim späteren Aufschneiden der Mundstücke wurde gefunden, daß sie eine beträchtliche Menge von Teer aus dem Rauch entfernt hatten.

Beispiel 8

Dieses Beispiel beschreibt ein offenzelliges geschäumtes Polyäthylen-Harz gemäß Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Harzes unter Verwendung eines hohen Anteils an kernbildendem Mittel, um so ein Filtermundstück für eine Zigarette mit speziellen Eigenschaften zu erhalten.

Eine trockene Mischung von 100 Gew.-Teile eines hoch-dichten Polyäthylens mit einer Dichte von O₅965 g/cm und einem Schmelzindex von 4,5 Decigramm pro Minute, und ein Gew.-Teil Polyäthylenglykol, mit einem Molekulargewicht von etwa 400, wurde zunächst in einem Banbury-Mischer hergestellt. Dann wurden 20,0 Gew.-Teile Talk als kernbildendes Mittel zuge-

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geben und das Mischen so lange fortgesetzt, bis das Polyäthylenglykol und der Talk gut über die gesamte Mischung verteilt war.

Die Mischung wurde in den Einfülltrichter eines Extruders von 3>8l cm Durchmesser, der mit einer Zweistufen-Schnecke ausgerüstet war, eingefüllt. 0,062 Mol Isobutylen pro 100 g an extrudiertem Endprodukt wurden als Treibmittel in die Injektionszone des Extruders extrudiert und die durch die Wärme weichgemachte Zubereitung durch ein Ringdüsen-Werkzeug (Durchmesser 1,98 mm) bei einem Durchsatz von 49,1 g pro Minute extrudiert, wobei die verschiedenen Teile des Extruders aui den nachfolgenden Temperaturen gehalten wurden (die Schmelz-Temperatur betrug etwa l40°C):

Plastifikationszone I85 bis 210⁰C Injektionszone 182°C

Kühlzone l42,5°C

Werkzeughalter-Zone 118°C

Werkzeug 130⁰C.

Ein geschäumter, zylindrischer Polyäthylen-Stab von 8,8 mm Durchmesser wurde mit einer Dichte von 0,0ö9 g/cm hergestellt. Bei der überprüfung des geschäumten Stranges wurde beobachtet, daß er eine sehr glatte, undurchlässige, weiße Außenhaut ähnlich derjenigen, wie sie in Pig.5 gezeigt wird,

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und eine offenzellige Struktur ähnlich derjenigen, wie sie in den Fig.2 bis Fig.4 der anliegenden Zeichnungen gezeigt wird,aufwies.

Proben des Schaumes wurden mittels der Abtast-Elektronenmikroskopie untersucht und es wurde gefunden, daß mehr als die Hälfte der Zellen eine oder mehrere Wände besaßen,wel- W ehe Perforationen aufwiesen, die durch Faserelemente überbrückt waren.

Mehr als 85$ der Zellen enthielten eine oder mehrere Zellwände, die in der beschriebenen V/eise perforiert waren und es wurde festgestellt, daß im allgemeinen der Hauptanteil der einzelnen Zellwände von diesen Zellen perforiert war. Diejenigen Zellwände, die Perforationen aufwiesen, enthielten relativ wenige Perforationen, z.B. von 1 bis 4 Perforationen und diese Perforationen nahmen den Hauptanteil der gesamten Oberfläche einer jeden Zellwand ein. Irgendwelche der die Perforationen überbrückenden Faserelemente waren voneinender getrennt, wohingegen andere in einer zweidimensionalen Anordung oder einem Metzwerk miteinander verbunden waren, wobei der Hauptanteil der Perforationen durch Fasernetzwerke überbrückt war. Der durchschnittliche Durchmesser der Zellen des Schaumes betrug annähernd 0,03 cm. Andere Eigenschaften des geschäumten Stabes sind in der nachstehenden Tabelle II wiedergegeben.

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Tabelle II

34	,8	48	,0
0	,048	0	,069
23	,2	12	,0

7	,0	4	,0
81	,2	97	,7
25	15	,6

Eigenschaften eines 15 mm

η -η--ι*. j i.·· ι · Beispiel Beispiel Beispiel langen Filtermundstucks einer r r r

Zigarette ^{6 7 8}

Gewicht (mg) 33,8

Dichte (g/cm⁵) 0,038

Teeraufnahme pro Mundstück (mg)^::23,O

Teeraufnähme als Prozentsatz
des Filtergewichtes {% vom ursprünglichen Gewicht)" 68,1 66,7 25,0

Ungefährer Druckabfall P^t-(cm Wassersäule) 17

Härte (%) 90,2

Oberfläche(m²/g) 130,4

"Die Werte für die Teeraufnahme sind nicht die gleichen wie die "TST-Filtrationswirksamkeit⁵'. Sie wurden erhalten durch Abwiegen eines Filtermundstückes vor dem Einsetzen in eine Zigarette und nach dem Aufrauchen der Zigarette und Subtrahieren des ersten Wertes von dem zweiten Wert. Der ungefähre Druckabfall ΔΡ^^ ist annähernd das ein-und-einhalbfache AP₁₀.

Der Stab wurde in Stücke von etwa 1,5 cm Länge geschnitten und diese als Filtermundstücke für Zigaretten eingesetzt. Beim Rauchen der Zigarette wurde gefunden, daß die Mundstücke eine spezielle gute Rückprallelastizität und eine

209823/0678 " ⁶° "

Härte ohne irgendwelche nachteilige Einwirkung auf den Geschmack oder einen spürbaren Widerstand auf den Rauchdurchfluß aufwiesen. Das Zigarettenraundstück hatte ein ausgezeichnetes gutes Gesamtaussehen, einen besonders glatten Griff und eine feine Zellstruktur. Beim späteren Aufschneiden dieser Mundstücke wurde festgestellt, daß sie eine beträchtliche Menge von Teer aus dem Rauch entfernt hatten.

Beispiel 9

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Zigarettenfilters gemäß Erfindung unter Verwendung von Kreide als kernbildendem Mittel.

Ein hundert Gew.-Teile eines hoch-dichten Polyäthylens mit einer Dichte von 0,965 g/cm , einem kristallinen Schmelzpunkt von 135°C und einem Schmelzindex von 4,5 g/10 Min. (bei 23O⁰C unter einer Belastung von 2,16 kg) wurden mit 3 Gew.-Teilen Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht 400 und 30 Gew.-Teilen Kreide (Britomya BSH) als kernbildendem Mittel gemischt. (Britomya BSH ist eine Handelsmarke für eine gemahlene Kreide mit einer maximalen Teilchengröße von 10 Mikron und einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2,5 Mikron, oberflächenbehandelt mit Stearinsäure, um sie gegenüber organischen Flüssigkeiten benetzbar zu machen)

209823/0678

Die Mischung wurde in den Extruder und das Werkzeug, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, eingespeist. Die Schneckenges chwindigkeit war 20 Umdrehungen/Min. ₃ der Durchsatz betrug 59g/Min. und es wurde als Treibmittel Isobutylen mit einer Geschwindigkeit entsprechend 0,097 Mol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt eingespritzt. Die Temperatur in der Plastifikationszone des Extruders, d.h. der Teil stromaufwärts des Injektionspunktes, betrug l30 C, jedoch wurde stromabwärts der Injektionszone gekühlt und als Ergebnis eine Schmelz-Temperatur unmittelbar hinter dem Werkzeug von I38 C erhalten, gemessen unter Verwendung eines feinen Thermoelementes wie oben beschrieben. Die Werkzeug-Temperatur, gemessen xvie oben beschrieben, betrug 134 C. Die Drucke innerhalb des Extruderzylinders waren 10,5 kg/cm in der Nach-

p p

Injektionszone, 14,1 kg/cm in der Kühlzone und 49>2 kg/cm unmittelbar hinter dem Werkzeug. Diese Bedingungen ergaben eine stabile Extrusion zu einem geschäumten Polyäthylen-Stab. Nach Durchleiten durch eine Luftstrecke von 20 cm wurde der j

Stab in ein Kalibrier- und Kühlsystem eingezogen, wie dies in Beispiel 1 beschrieben wurde. Der Stab hatte eine glatte Außenhaut und eine feine einheitliche Zellstrukfcur» und er hatte einen Umfang von 24,5 mm mit einer Standard-Abweichung von 0,1 mm. Beim Schneiden des Stabes in 90-mm-Längen*tttcke und anschließend in 15-mm-Zigarettenfilter wurden die folgenden Eigenschaften gemessen:

201023/0878 ORIGINAL INSPECTED

Dichte 0,065 g/cm⁵

ΔΡ₁₀ 2,8 cm Wassersäule

TST 29,1%

Härte 92?5.

Bei der Überprüfung im Abtast-Elektronenmikroskop war zu sehen, daß die Schaumstruktur sich aus einem netzartigen ψ Skelett zusammensetzte, in welchem eine Vielzahl der Zellwände jeweils eine große Perforation aufwies, die sich nahezu über die gesamte Fläche der Wand erstreckte und die durch eine Anzahl von feinen Faserelementen überbrückt wurde.

Die Zigarettenfilter konnten in Zigaretten mittels einer Hochgeachwindigkeits-Betriebsanlage eingesetzt werden und die erhaltenen Zigaretten ließen beim Rauchen keinen nachteiligen Geschmack oder eine sonstige unangenehme Begleiters oheinung,erkennen.

Beispiel 10 Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Zigaretten-

filtere gemüft Erfindung unter Verwendung von gemahlenem CaI- cit als kernbildendem Mittel*

100 Qtw0-Teile eines hoeh-dichten Polyäthylens mit einer

20tia3/t»S!8

0PK3INAL IKSPECTEt

Dichte von 0,965 g/cm , einem kristallinen Schmelzpunkt von 135°C und einem Schmelzindex von H,5 g/10 Min. (bei 23O°C unter einer Belastung von 2,16 kg) wurden mit 2 Gew.-Teilen Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht 400 und 20 Gew.-Teile gemahlenem Calcit mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 5 Mikron, das als kernbildendes Mittel wirkte, gemischt. Die Mischung wurde in den Extruder und das Werk-

I zeug eingeführt, wie sie im Beispiel 1 verwendet worden waren.

Die Schneckengeschwindigkeit betrug 16 Umdrehungen pro Minute, der Durchsatz war 57 g/Min, und es wurde Isobutylen als Treibmittel mit einer Geschwindigkeit, entsprechend 0,1 Mol pro 100 g an extrudiertem Produkt injiziert. Die Temperatur in der Plastifikationszone des Extruders, d.h. der Teil stromaufwärts des Injektionspunktes, betrug 18O°C, jedoch wurde stromabwärts der Injektionszone gekühlt und als Ergebnis unmittelbar hinter dem Werkzeug eine Temperatur von 138,5°C erhalten, die unter Verwendung eines feinen Thermo- f elementes wie oben beschrieben, gemessen wurde. Die Werkzeug-Temperatur, gemessen wie oben beschrieben, betrug 13¹J C.

ο Die Drucke innerhalb des Extruderzylinders waren 14,3 kg/cm

ρ in der Nach-Injektionszone, 17,6 kg/cm in der Kühlzone

und 70,3 kg/cm unmittelbar hinter dem Werkzeug. Diese Bedingungen ergaben eine stabile Extrusion zu einem geschäumten Polyäthylen-Stab.Nach Durchleiten durch eine Luftstrecke von 20 cm wurde der Stab in ein Kalibrier- und Kühlsystem

9ΠΟΟ11 / nt* 1 λ

wie in Beispiel 1 beschrieben, eingezogen. Der Stab hatte einen Umfang von 24,7 mm mit einer Standard-Abweichnung von O₃I mm. Beim Schneiden in 90-mm-Längeneinheiten und anschließend von 15-mm-Zigarettenfilter wurden die folgenden Eigenschaften gemessen:

Dichte 0,055 g/cm·⁵

AP.Q 0,9 cm Wassersäule

Härte 92%

Bei Überprüfung im Abtast-Elektronenmikroskop zeigte sich eine ähnliche Schaumstruktur, wie sie das geschäumte Harz des vorherigen Beispiels hatte, obwohl die Zellen kleiner und die Faserelemente feiner waren.

Die Zigarattenfilter konnten mittels einer Hochgeschwindigkeits-Betriebsanlage auf Zigaretten aufgesetzt werden und sie gaben beim Rauchen keinen nachteiligen Geschmack oder zeigten eine sonstige nachteilige Eigenschaft.

Beispiele 11 bis 19

Diese Beispiele beschreiben die Herstellung einer Reihe verschiedenartiger Zigarettenfilter gemäß der vorliegenden Frfindung; es werden eine Anzahl von kernbildenden Mitteln und verschiedenen Extrusionsbedingungen angewandt, welche Filter mit differierenden Eigenschaften liefern.

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Tabelle III

	Kernbilden des Mittel« % Harz	Schnek- kenge- s chwin- digkeit UpM	Durch satz g/Min.	Temp.d- Temp.d. Schmelze Werk- C zeuges	130	Isobu tylen Mol/ 100 g	TST	ΔΡ10 cm. H2O	Härte	Dichte g/cnr	ro
Beispiel Nr.	1,9/5 CaAc) 1,9JS CaPr)	21	48	138	130	0,121	49	4,6	91	0,055	156375
11	5JS CaPr	21	47	132	133	0,136	34	3,8	89	0,05
12	log BSH	20	56,5	136	133	0,143	41	4,9	92	0,07
13	2,5 CaAc) 2,5 CaPr)	21	45	141	133 128	0,102	60	5,0	68	0,047
14	5% CaAc H2O 10 J6 BSH 0,5 Wasser	21 20	45 38	142 137	134	0,118 0,125	53 45	6,3 6,2	88 88	0,064 N/A
15 16	1% BSH 1% Na2Co,	20	48	137	134	0,107	50,5	3,1	93	N/A
17	30& BSH	20	59	138	134	0,107	52,4	3,6	92	0,07
18	J>0% BSH	20	59	138		0,089	40	3,0	89,5	0,07
19		"Fußnoten:	(a) CaAc (b) CaPr (c) CaAc Cd) BSH				Calciuraacetat Ga-lciumpropionat Calciumacetat-Monohydrat Britomya BSH wie in Beispiel 9		beschrieben

Es wurden eine Reihe von Versuchen durchgeführt, wobei das in Beispiel 9 beschriebene Verfahren angewandt wurde, mit der Ausnahme, daß das kernbildende Mittel und die Extrusionsbedingungen die in der Tabelle III angegebenen waren und daß die in jedem Versuch angegebene Menge an Polyäthylenglykol 10 Gew.-J« des in dem jeweiligen Versuch angewandten kernbildenden Mittels betrug. Tabelle III zeigt ebenso die Eigen- W schäften der erhaltenen Zigarettenfilter. Die Zellstruktur des Filters gemäß Beispiel 18 wird in Fig.6 erläutert.

Beispiel 20

Dieses Beispiel beschreibt drei verschiedene Zigarettenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchen das Harz Polypropylen ist.

ρ Das verwendete Polypropylen hatte einen kristallinen Schmelzpunkt von etwa 170⁰C und einen Schmelzindex von 1,5 g pro 10 Minuten (bei 230 C unter einer Belastung von 2,16 kg). Es wurden nach dem in Beispiel 9 beschriebenen Verfahren drei Versuchsreihen durchgeführt; bei allen drei Versuchsreihen betrug die Schneckengeschwindigkeit des Extruders 20 Umdrehungen pro Minute und der Durchsatz war 18 g pro Minute. In den ersten beiden Versuchsreihen war der Schmelz-' punkt 170⁰C und die Werkzeug-Temperatur 162⁰C, und in der

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dritten Versuchsreihe war die Schmelz-Temperatur 168⁰C und

die Werkzeug-Temperatur 162°C.

In der ersten Versuchsreihe war das kernbildende Mittel Talk, das in einer Menge von 2%, bezogen auf das Gewicht des Polypropylens, zugegen war, und es xtfurden 10 Gew.-!? Polyäthylenglykol vom Molekulargewicht 400, bezogen auf das Gewicht des Talks, als Adhäsivmittel verwendet. Das Treibmittel war Isobutylen in einer Menge, entsprechend 0,15 Mol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt.

In den zweiten und dritten Versuchsreihen war das kernbildende Mittel 1 Gew.-% Talk, bezogen auf das Polypropylengewicht und das Adhäsiv-Mittel war 10 Gew.-% Polyäthylenglykol, bezogen auf das Gewicht des Talks. Das Treibmittel war Isobutylen, in Mengen, entsprechend 0,15 bzw. 0,19 Mol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt.

Jede Versuchsreihe lieferte einen feinzelligen, geschäumten Polypropylen-Stab von 1,1 cm Durchmesser, der die nachfolgenden Eigenschaften aufwies:

Versuchsreihe

Nr. 1 Nr. 2 Hr. 3

ΔΡ₁₀ (cm.K₂O) 2,5 1,8 3,5

Härte (%) R4 78 74 Dichte ( ;j/cm³) 0,039 0,036 0,025

209823/0678 - 60 -

Die Überprüfung mittels Abtast-Elektronenmikroskopie zeigte, daß die geschäumten Elemente aus einer netzartigen Struktur, welche durch Netze von Paserelementen überbrückt wird, bestehen, ähnlich denjenigen, die in Fig.6 gezeigt werden.

Wenn diese Stäbe in geeignete Längenstücke geschnitten wurden, waren sie für eine Verwendung als Zigarettenfilter geeignet, W obwohl sie etwas dicker als gewöhnlich waren. Wenn die Filter in handgefertigte Zigaretten von geeignetem Durchmesser eingearbeitet und die Zigaretten geraucht wurden, zeigte sich nichtsdestoweniger, daß ein hoher Anteil an Tabakteer aus dem Rauch entfernt wurde. Dünnere Stäbe können nach Wunsch hergestellt werden, indem man ein Werkzeug von geringerem Durchmesser verwendet; diese haben dann etwas höhere Werte für AP^₀ und etvras niedrigere Werte für die Härte.

Bei einem Vergleichsversuch, der unter ähnlichen Bedingungen wie die Versuche der zweiten und dritten Versuchsreihe durch geführt wurde, wobei jedoch 0,25 Mol Isobutylen pro 100 g an extrudiertem Endprodukt verwendet wurde, ajtor der Wert für AP^q des Produktes unannehmbar hoch für eine Verwendung als Zigarettenfilter.

Beispiel 21 Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von hoch-dichten

209823/0678 - 6a -

Polyäthylen-Zigarettenfiltern gemäß der vorliegenden Erfindung durch Extrusion unter Verwendung von Dichlordifluormethan als Treibmittel.

Das Verfahren war ähnlich demjenigen von Beispiel 9_a wobei Dichlordifluormethan als Treibmittel verwendet wurde und die Extrusionsbedingungen waren wie folgt:

Kernbildendes Mittel: 10 Gew.-% Britomya BSH, bezogen auf

das Polyäthylen.

Adhäsiv-Mittel : 5 Gew.-^ Folyäthylenglykol (MG 400)_a

bezogen auf das kernbildende Mittel.

Extruderges chwindig-

keit : 20 Umdrehungen pro Minute.

Durchsatz : 53 g pro Minute. Schmelz-Temperatur : 138⁰C.
Werkzeug-Temperatur : 134°C.

Treibmittel-Menge ; 0,091 Mol pro 100 g an extrudiertem

Endprodukt.

Die hergestellten Zigarettenfilter hatten einen AP.Q-Wert von 2_a2 cm Wassersäule und eine Härte von JQ% und sie nahmen einen guten Anteil an Teerstoffteilchen in dem Rauch beim Rauchen der Zigaretten, heraus. Die Zellstruktur war sehr fein und ähnlich derjenigen der Filter gemäß Beispiel 9.

Versuche unter Verwendung von Propylen als Treibmittel ergaben im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie die unter

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BAD ORIGINAL

Verwendung von Isobutylen.

- 71 209823/0678

Claims (1)

1. Patentansprüche

   l\ Si&arattenfiltGr, enthaltend ein extrudlertes Eleisentt au: oincTk iia wesentlichen offenselligen, geschäumten, theri~.c~ ploetiechen, hoch-dichton Polyfcthylen-Ears oder aus eir.cu then&opl&stischen Polypropylen-Harz, r-dt einen Querschnitt, eier deta einer entsprechenden Zigarette entspricht und einer »iikroatruktur derart, daft das Filter eins iiilrte von als 50ί, einen ÄP₁₀-Wört von weniger al3 15 «a und eine TST-Filtrationewirks&mlceit von höher &le 201 tcd*t: v.,

   2· Zigarettenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß hoch-<Üchtes Polyäthylen als Kars angewandt wird.

   3. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStruktur eine solche L^,_} usJL das Filter eine Harte von größer als 80S, einen ^₁Q* Wort von weniger als 10 cm Wassersäule und ein TST-FiItI¹¹C-Si.-onawirksaiakeit von größer als JOi beaitst·

   4. Zigarettonfilter nach einest dor Ansprüche 1 bis 2, daduroh ßökennseichnet, daß die ΤΰΤ-Filtrationswirksamkoit swiaohan 30 und 605 lie^t.

   5. Zi^arettenfilter nach eine» der Ansprüche i bis k> u.v-

   209823/0678

   ■- 72 -

   durch gekennzeichnet, daß die Dichte des geschäumten Harzes

   ■z

   im Bereich von 0,015 bis 0.1 g/cnr liegt.

   6. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des geschäumten

   Harzes im Bereich von 10 bis 80 m /g liegt.

   7. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das extrudierte Element aus geschäumten Harz hauptsächlich Zellwände aufweist, welche Perforationen enthalten und daß die MikroStruktur des geschäumten Harzes Paserelemente umfaßt, welche die Perforationen überbrücken.

   8. Zigarettenfilter nach Anspruch Y₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen in den Zellwänden des geschäumten Harzes eine solche Größe besitzen, daß der offenzellige Schaum eine dreidimensionale Netzstruktur besitzt.

   9. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptanteil der Zellwände des geschäumten Harzes jeweils eine Perforation enthält, welche zumindest den g;rößten Teil der Zellwand einnimmt, wodurch eine netzartige Struktur durch die Grenzen zwischen den verbleibenden Teilen der Zellwände gebildet wird.

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   10. Zigarettenfliter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß darin bis zu 100 oder mehr Faserelemente jede Perforation überbrücken.

   11. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserelemente im wesentlichen kreisförmige Querschnitte und Dicken innerhalb, des Bereiches von 0,1 bis 2 Mikron besitzen.

   12. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserelemente, welche eine Perforation überbrücken, unter Ausbildung eines zweidimensionalen Netzes, daß sich quer über die Perforation erstreckt, von miteinander verbundenen Elementen, verzweigt sind.

   13· Zigarettenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß es ein extrudiertes Element aus einem, im wesentlichen offenzelligen, geschäumten, thermoplastischen Harz mit einem Querschnitt, entsprechend demjenigen der zugehörigen Zigarette enthält, im wesentlichen wie in, irgendeinem der Beispiele 1 bis 21 oder in irgendeiner der Figuren 1 bis 6 beschrieben.

   l4. Zigarettenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß er ein extrudiertes Element aus einem, im wesentlichen offenzelligen,

   geschäumten, thermoplastischen, hoch-dichten Polyäthylen-Harz mit einem Querschnitt enthält, welcher demjenigen der zugehörigen Zigarette entspricht, worin der Hauptanteil der Zellwände Perforationen einer solchen Größe aufweist, daß der offenzellige Schaum eine dreidimensionale netzartige Struktur besitzt und daß die MikroStruktur des geschäumten Harzes von den Faserelementen herrührt, welche die Perfora- * tionen überbrücken.

   15. Zigarettenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Element aus einem, im wesentlichen offenzelligen, geschäumten, hoch-dichten Polyäthylen mit einem Querschnitt, entsprechend demjenigen der zugehörigen Zigarette besitzt und daß es durch ein Verfahren erhalten wird, bei welchem man ein thermoplastisches, hoch-dichtes Polyäthylen-Harz, enthaltend ein flüchtiges Treibmittel in einer Menge von we-

   W niger als 0,2 Mol pro 100 g an extrudiertem Endprodukt bei einer Schmelz-Temperatur wie vorstehend definiert zwischen 130 und 150⁰C extrudiert, wobei die Temperatur des Werkzeuges (d.h. die Metall-Temperatur innerhalb von 5 mm der Grenzfläche von Metall/Harz) zwischen 120 und 136°C liegt.

   16. Zigarettenfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es durch ein Verfahren erhalten wird, bei welchem die Schmelz-Temperatur zwischen 13¹J und 146°C und die Werk-

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   zeu^-Temperatur zwischen 125 und 135°C liegt.

   17· Zigarettenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Element aus einem in wesentlichen offenzelligen, geschäumten Polypropylen mit einen Querschnitt, entsprechend demjenigen einer zugehörigen Zigarette enthält und das durch Modifikation des Verfahrens gemäß Anspruch 15 erhalten wird, bei welchem ein thermoplastisches Polyprcpylen-IIarz anstelle des hoch-dichten Polyäthylen angewandt wird, wobei die Schmelz-Teuperatur zwischen ißO und I80 C und die Werkzeug-Temperatur zwischen 155 und I65 C liegt.

   18. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 15 bis I7, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren erhalten wird, bei welchem das flüchtige Treibmittel ein niederer aliphatischer Kohlenwasserstoff ist und das direkt in das Harz während des Extrusionsverfahrens eingespritzt wird.

   19. Zigarettenfilter nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren hergestellt wird, bei welchem das Harz ein kernbildendes Mittel, wie beispielsweise fein verteiltes Calciumcarbonat, enthält.

   20. Zigarettenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß es ein extrudiertes Element aus einem, im wesentliehen offenzelligen,

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   geschäumter^ thermoplastischen Harz mit einem Querschnitt, entsprechend demjenigen der zugehörigen Zigarette, umfaßt und daß es nach einem Verfahren hergestellt wird, bei welchem man ein Harz im wesentlichen wie vorstehend in einem der Beispiele 1 bis 21 beschrieben oder durch eine der Figuren 1 bis 6 erläutert, extrudiert.

   21. Verfahren zur Herstellung eines Elementes aus einem offenzelligen, geschäumten, thermoplastischen Harz durch Extrudieren eines hoch-dichten Polyäthylen- oder eines Polypropylen-Harzes unter den Bedingungen, wie sie in einem der Ansprüche 15 bis 20 definiert sind.

   22. Zusammengesetztes Filter für eine Zigarette, enthaltend einen Teil eines extrudierten Elementes aus einem im wesentlichen offenzelligen, geschäumten Harz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20.

   23. Extrudierter Stab aus einem, im wesentlichen offenzelligen, geschäumten, thermoplastischen, hoch-dichten Polyäthylen-Harz oder Polypropylen-Harz, mit einem Querschnitt und anderen Eigenschaften derart, daß er zu Filtern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 und 22 zerschnitten werden kann.

   24. Zigarette mit einem Filter gemäß einem der Ansprüche

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   ORK3INAL INSPECTED

   1 bis 20 und 22.

   25· Filter, enthaltend ein geschäumtes, offenzellxges, hochdichtes Polyäthylen-Harz oder Polypropylen-Harz im wesentlichen wie vorstehend beschrieben.

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