DE3886199T2

DE3886199T2 - Filterelement mit eingestelltem Zug und Wirkungskraft für Tabakrauchartikel.

Info

Publication number: DE3886199T2
Application number: DE88103071T
Authority: DE
Inventors: Edward P Bullwinkel; William F Cartwright; Leon E Chambers; Donald F Durocher; Robert G Geer; Loyd G Kasbo; Fred R Radwanski
Original assignee: Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc
Priority date: 1988-03-01
Filing date: 1988-03-01
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2008-03-02
Also published as: ES2047501T3; EP0330709A1; AU613897B2; DE3886199D1; EP0330709B1; ATE98307T1; AU1254088A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nicht- gewebte Bahn der im Oberbegriff des Anspruchs 1 erläuterten Art, sowie auf einen Filterpfropfen und einen Rauchartikel mit einem Filterpfropfen, der aus dieser Bahn gefertigt wurde.
Eine nicht-gewebte Bahn dieser Art ist in der US-A-4 357 379 beschrieben. Entsprechend dieser Entgegenhaltung werden schmelzgeblasene Fasern zu Stangen geformt, die eine dichte, äußere Haut aufweisen. Die Verwendung einer trichterförmigen Sammeleinneit ist beschrieben und führt zu einem relativ dichten Aufbau der Fasermasse in der Stange wobei die Masse in Richtung des Radius abnimmt. Das bekannte Fasermaterial kann als Zigarettenfilter verwendet werden.
Filterzigaretten sind allgemein bekannt und die häufigste Form eines Rauchtartikels. Sie umfassen eine Tabaksäule und, an einem Ende, einen Filterpfropfen, wobei die Kombination in ein dünnes Papier eingeschlagen ist. Konventionelle Filterpfropfen werden entweder aus gepreßten Streifen aus Papier oder aus Zelluloseacetat geformt. Es ist seit längerem bekannt, daß gewisse thermoplastische Polymere Merkmale besitzen, die ihre Verwendung als Materialien für Filterpfropfen für Zigaretten nahelegen. Z.B. ist die US-A-3 595 245 auf ein schmelzgeblasenes Vorgespinnst aus Polypropylenfasern gerichtet, das als Spinnkabel ausgebildet und zu Filterpfropfen für Zigaretten verarbeitet ist. Eine weitere Diskussion dieser Zigarettenfilter aus Polypropylenfaser ist in der US-A-4 546 040 sowie in den bezuggenommenen Druckschriften zu finden, die dort in Sp. 1, Z. 44 bis 47 zitiert sind. Trotz dieser Lehre haben Filterpfropfen aus thermoplastischen Polymerfasern, wenn überhaupt, dann wenig wirtschaftlichen Erfolg. Die gewöhnlichen Nachteile früherer Versuche, Filterpfropfen aus thermoplastischen Fasern herzustellen, lagen unter anderem in einer ungeeigneten Festigkeit, so daß das Filterende der Zigarette eine uncharakteristische und unerwünschte Weichheit und einen Druckabfall zeigte, der größer als gewünscht war, so daß der Raucher einen spürbaren Anstieg des Zugwiderstands bemerkte.
Es ist deshalb wünschenswert, ein nicht-gewebtes Material und Filterpfropfen für Rauchartikel zu schaffen, die die Vorteile hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von thermoplastischen Fasergebilden ausnutzen und trotzdem verbesserte Eigenschaften aufweisen, die diese Nachteile überwinden, sowie andere Vorteile besitzen.
Ein nicht gewebtes Material, das dieses Bedürfnis erfüllt, enthält die Merkmale des Anspruchs 1.
Diese Erfindung ist auf Verbesserungen in Filterelementen für Rauchartikel gerichtet. Obwohl die Erfindung im Hinblick auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise ein Zigarettenfilter, beschrieben wird, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß das Anwendungsgebiet breiter ist und andere Anwendungsfälle, wie beispielsweise Filter für kleine Zigarren, umfaßt. Weiterhin haben neuere Entwicklungen die Verwendung von Rauchartikeln auf Bereiche wie beispielsweise die Einnahme von Medikamenten, ausgedehnt. Beispiele dieser Anwendungen enthalten die US-A-4 598 720 und die EP-A-0 174 645. Das Filterelement der Erfindung ist demnach in breitem Sinne anwendbar auf Rauchartikel breit variierender Arten und Konstruktionen, die im Lichte der nachfolgenden Beschreibung deutlicher werden.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Filterpfropfen für Rauchartikel, der aus thermoplastischen Fasern hergestellt ist und einen kontrollierten Druckabfall und Filtereffektivität aufweist, während ein wünschenswerter Grad von Filterfestigkeit erreicht wird. Diese Ergebnisse werden erzielt, obwohl die Wirtschaftlichkeit der thermoplastischen Fasergebilde aufrechterhalten wird und ohne merkliche negative Einflüsse auf den Geschmack oder andere wünschenswerte Raucheigenschaften. Gemäß der Erfindung wird der Filterpfropfen aus einer vorgeformten thermoplastischen Faserbahn statt aus einem Spinnkabel oder einem Vorgespinnst, wie im Stand der Technik bezüglich von Zigarettenfiltern aus thermoplastischen Fasern überwiegend vorgeschlagen, hergestellt. Das Anfangsmaterial aus der thermoplastischen Faserbahn hat definierte Eigenschaften, wie beispielsweise die Faserrichtung in Maschinenrichtung und quer zur Maschinenrichtung, das Grundgewicht, die Porösität, die Verteilung der Faserbreite, die prozentuale offene Fläche, die Reißfestigkeit und den Biegemodul. Diese Filterbahn kann unter Verwendung konventioneller Ausrüstungen zum Herstellen von Filterpfropfen in die Filterpfropfen geformt werden, wobei die Zufuhr des konventionellen Spinnkabels aus Zelluloseacetat durch eine ausgewählte Breite der Bahn ersetzt wird. Gemäß bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung ist das thermoplastische Polymer Polypropylen und die Bahn wird durch Schmelzblasen gebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine bevorzugte Methode zum Herstellen von für für die vorliegende Erfindung anwendbare Bahnen darstellt.
Fig. 2 schematisch ein Verfahren zum Formen einer Bahn in einen Filterstab darstellt.
Fig. 3 bis 10 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen bestimmter Querschnitte durch einen Filterpfropfen und Draufsichten auf unterschiedliche Bahnen sind.
Fig. 11 eine Grafik ist, die den Zusammenfall eines Filterpfropfens während des Rauchens der Zigarette zeigt.
Fig. 12 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung einer gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßigen Bahn ist.
Fig. 13 eine perspektivische Teildarstellung eines Rauchartikels gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wurden die unten berichteten Testergebnisse nach den nachfolgend beschriebenen Testverfahren erreicht.
Die Grab-Zugfestigkeit wurde im wesentlichen gemäß der Methode 5100-Federal Test Methods Standard No. 191A unter Verwendung eines Instron Model 1122-Testinstruments der Instron Corp. durchgeführt. Diese Zugfestigkeiten hängen von der Faserorientierung der Bahn in Maschinenrichtung (MD) zu quer zur Maschinenrichtung (CD), dem Grad der Verschmelzung von Faser zu Faser und der Verteilung der Faserbreiten ab. Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Bahnen haben Grab-Zugfestigkeiten innerhalb eines Bereichs von etwa 0,045 kg (0,1 Pfund) bis 1,361 kg (3,0 Pfund) quer zur Maschinenrichtung und mindestens etwa 0,045 kg (0,1 Pfund) in Maschinenrichtung. Bevorzugte Bereiche liegen von 0,317 kg bis 1,09 kg (0,7 bis 2,4 Pfund) in Maschinenrichtung und von etwa 0,227 bis 1,044 kg (0,5 bis 2,3 Pfund) quer zur Maschinenrichtung. Gemäß der vorliegenden Erfindung haben verwendbare Bahnen Grab-Zugfestigkeiten, die ein Verhältnis von MD zu CD-Festigkeiten im Bereich von etwa 1:1 bis 4:1l, und bevorzugt im Bereich von 1:1 bis 2:1, liefern.
Ergebnisse der Trapezreißkraftprüfung wurden im wesentlichen gemäß ASTM D 1117-14 erzielt, mit der Ausnahme, daß die Reißkraft als Mittelwert des ersten und des höchsten festgestellten Werts anstelle des niedrigsten und höchsten, berechnet wurde. Im allgemeinen wird eine Probe unter Verwendung einer trapezförmigen Schablone mit einer Höhe von 76,2mm (3 Inch) und 25,4 bis 101,6mm (1,0 und 4,0 Inch) langen Basisseiten ausgeschnitten. Danach wurde die Probe mit einer Tiefe von 15,875mm (5/8 Inch) senkrecht zu und am Mittelpunkt der kürzeren Basisfläche geschlitzt (im Ergebnis breitet sich der Riß über die verbliebene Breite der Probe - 60,325mm oder 2 3/8 Inch aus). Danach wurde die Probe in den Zugfestigkeitstester eingesetzt, so daß die Seiten des Trapezes parallel zu den Klammern verliefen. Gemäß der Erfindung haben die Bahnen mittlere Reißkräfte (wie oben definiert) im Bereich von etwa 0,045 bis 1,361 kg (0,1 Pfund bis 3,0 Pfund) quer zur Maschinenrichtung und mindestens 0,045 kg (0,1 Pfund) in Maschinenrichtung. Bevorzugt liegen die Ergebnisse im Bereich von etwa 0,136 bis 0,636 kg (0,3 Pfund bis 1,4 Pfund) in Maschinenrichtung und 0,136 bis 0,59 kg (0,3 Pfund bis 1,3 Pfund) quer zur Maschinenrichtung.
Die Porösitätsversuche nach Frazier wurden unter Verwendung eines Luftdurchlässigkeitstesters nach Frazier erhalten, der von der Frazier Precision Instrument Company zu beziehen ist. Diese Porösitätsmessungen spiegeln die Luftdurchlässigkeit der Bahn wieder. Das Verfahren entspricht der Methode 5450 des Federal Test Methods Standard No. 191A, mit der Ausnahme, daß die Probengröße bei 20,32 x 20,32cm (8 Inch x 8 Inch) lag, und eine fünflagige Probe mit einer 20mm-Düse gemessen wurde. Die Fraziereinheiten wurden in m³/m²/min (Kubikfuß Luft pro Quadratfuß der Probe pro Minute) ausgedrückt. Gemäß der Erfindung habend die Bahnen eine Porösität nach Frazier im Bereich der im allgemeinen zwischen 30,48 bis 304,8 m³/m²/min (100 cu.ft./sq.ft./min.) bis 1000 cu.ft./sq.ft./min.) und bevorzugt im Bereich von 45,72 m³/m²/min (150 cu.ft./sq.ft./min.) bis etwa 304,8 m³/m²/min (1000 cu.ft./sq.ft./min.) liegt (für eine fünflage Probe).
Die Handle-O-Meter-Steifigkeitsprüfung wurde unter Verwendung eines Handle-O-Meters, Modell 211-5 von Thwing Albert Instrument Company durchgeführt. Diese Versuchsergebnisse sind ein Hinweis auf den Biegemodul einer schmelzgeblasenen Bahn, der hilft, die Bearbeitbarkeit einer Bahn in einen Filterpfropfen und die Festigkeit des fertigen Pfropfens zu bestimmen. Im allgemeinen wurde eine Bahnprobe von 10,16 x 10,16 cm (4 x 4 Inch) über einen 6,35mm (1/4 Inch) breiten Schlitz angeordnet. Dann wurde die Kraft in Gramm, die notwendig war, die Probe durch den Schlitz zu drücken, gemessen. Es wurden sowohl die Maschinenrichtung als auch die Richtung quer zur Maschinenrichtung untersucht. Die für die vorliegende Erfindung verwendbaren Bahnen haben bevorzugt Handle-O-Meter-Ergebnisse, die 40 g nicht übersteigen, gemessen sowohl quer zur Maschinenrichtung als auch in Maschinenrichtung.
Im allgemeinen haben Bahnen der vorliegenden Erfindung, die besonders geeignet zur Anwendung für Filterpfropfen sind, ein Grundgewicht im Bereich von etwa 16,96 bis 33,91 g/m² (0,5 oz/yd² bis 1,0 oz/yd²).
Der Prozentsatz offener Fläche ist ein Maß für die Offenheit der Bahn und wurde unter Verwendung eines Bildanalysators Quantimet Model 970, erhältlich bei Cambridge Instruments, gemessen. Diese Eigenschaft ist wichtig beim Bestimmen der Filtercharakteristik der gemäß der vorliegenden Erfindung aus Bannen gefertigten Filterpfropfen. Im allgemeinen liegt der Prozentsatz der offenen Fläche der Bann gemäß der Erfindung zwischen etwa 10% bis 60%, wobei der bevorzugte Bereich im wesentlichen zwischen 14% bis 52% reicht.
Die Querschnittsdimensionen der Faser und der Faseragglomerate wurden unter Verwendung von SEM-Fotografien geschnittener Bahnen gemessen. Um eine große Anzahl von Faserquerschnitten pro Fotografie zu erhalten, wurden die Bahnen zunächst zu Filterpfropfen geformt und dann quer mit einer scharfen Rasierklinge geschnitten. Um das Verschmieren der geschnittenen Faserenden zu vermeiden, wurde das Trennen der Pfropfen durchgeführt, während sie in einem flüssigen Stickstoffbad untergetaucht waren.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden Agglomerate als verschmolzene oder teilweise verschmolzene Faserbündel oder Filamente definiert, wobei die gemäß der Erfindung anwendbaren Bahnen Agglomerate in einer 33% übersteigenden Anzahl oder in einer vorherrschenden Menge enthalten, d.h., daß mehr als die Hälfte der Fasern oder Filamente als Agglomerate vorliegen. Es wurden weiterhin SEM-Fotografien senkrecht zur Bahn angefertigt, um die nicht unterstützte Länge der Faseragglomerate zu bestimmen (d.h. den mittleren Abstand zwischen den Punkten, in denen diese Agglomerate in der Ebene der Bahn miteinander verschmolzen oder verschweißt sind). Um diese Längen zu bestimmen, wurde ein lichtmikroskopisches Verfahren angewandt, das eine erste Messung des Abstandes zwischen den Kreuzungspunkten und danach die Prüfung auf Anwesenheit von Verschweißungen im Kreuzungspunkt umfaßte, bei der die relevanten Agglomerate mit einer feinen Seziernadel per Hand zerfasert wurden. Bei den Bahnen der vorliegenden Erfindung wurde im allgemeinen gefunden, daß die Mehrzahl der Kreuzungspunkte der Faseragglomerate Schweißpunkte sind. Für konventionelle schmelzgeblasene Bahnen wurde dies nicht gefunden.
Zusätzliche Versuche wurden an Filterpfropfen durchgeführt, die unter Verwendung herkömmlicher Pfropfenherstellungsmaschinen hergestellt wurden. Diese Versuche umfassen das Filtergewicht, die Festigkeit und das Zusammenfallen, den Druckabfall und die Filterwirksamkeit. Jeder Versuch ist weiter unten beschrieben.
Das Filtergewicht ist die in einem einzelnen Filterpfropfen eingeschlossene Masse der Bann und wird in Milligramm der Bahn pro 1cm der Filterpfropfenlänge ausgedrückt. Obwohl es für die Erfindung nicht kritisch ist, liegen die Filtergewichte im allgemeinen im Bereich zwischen 55 bis 95 mg pro cm der Filterpfropfenlänge.
Die Ergebnisse für die Filterfestigkeit wurden dadurch erzielt, daß ein Filterpfropfen unter eine Platte von 19mm Durchmesser gelegt wird. Die Platte wurde in Kontakt mit dem Filter gebracht und eine Ablesung des anfänglichen, unzusammengedrückten Durchmessers getätigt. In diesem Zustand wurde auf den Filter eine tatsächliche Kraft von etwa 27g ausgeübt. Die Platte wurde dann mit einem zusätzlichen Gewicht von 100g belastet. Nach etwa 10 Sekunden unter dieser Belastung wurde eine zweite Ablesung durchgeführt. Die Festigkeit wurde in Prozent ausgedrückt und wurde berechnet durch Multiplikation des Verhältnisses der zweiten Ablesung zur ersten Ablesung mit 100. Im allgemeinen liegt der Bereich der Filterfestigkeit von etwa 94% zu etwa 99%, wobei ein bevorzugter Bereich von etwa 96% bis etwa 98% reicht. Dieser Versuch wurde auch an Filterpfropfen durchgeführt, die mit einer Tabaksäule verbunden waren (d.h. einer normalen Filterzigarette). Diese Zigaretten wurden mit einem kontinuierlichen Zug an der angezündeten Zigarette von 185 cc pro min. geraucht, um das Zusammenfallen des Filters zu besimmten, wie in Fig. 11 dargestellt.
Im allgemeinen ist der Druckabfall des Filters der Druckabfall in mbar (cm Wassersäule), wenn 1050 cm³/min Luft durch den Filterpfropfen hindurchtritt. Diese Druckabfälle können in Längeneinheiten des Filterpfropfens für Vergleichszwecke umgerechnet werden, indem sie durch die tatsächliche Filterlänge dividiert werden. Erfindungsgemäß liegt der Druckabfall im allgemeinen im Bereich von etwa 0,1 bis 6,0 mbar (cm Wassersäule)/21mm Filterlänge, wobei der bevorzugte Druckabfall im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 4,5 mbar (cm Wassersäule)/21mm Filterlänge liegt.
Der Gesamtanteil feinteiliger Stoffe (TPM) der beim Rauchen einer Zigarette mit einem Filter (21mm lang) produziert wird, wurde unter Verwendung der FTC (Federal Trade Commission)-Methode bestimmt. Eine Tabaksäule (70mm x 8,0mm Durchmesser) wurde am Filterpfropfen angeordneten und in eine Abrauchmaschine (RM 4/CS Model), erhältlich bei Heinr. Borgwaldt, eingesetzt. Das Abrauchen wurde durch 35 cc-Züge von 2 Sekunden Dauer, einmal pro Minute, durchgeführt. Der Gesamtgehalt feinteiliger Stoffe (TPM) wurde durch Wiegen der Cambridge-Filtereinlage vor und nach dem Rauchen bestimmt.
Die Filterwirksamkeit wurde durch Messen des Gesamtgehalts feinteiliger Stoffe (TPM), wie oben beschrieben, bestimmt. Um die Wirksamkeit zu errechnen, wurden die Ergebnisse des Abrauchens einer Zigarettensäule mit einem installierten Filterpfropfen durch die Ergebnisse beim Abrauchen einer filterlosen Kontroll-Tabaksäule und durch Multiplizieren durch 100 errechnet, um die Wirksamkeit als Prozentsatz auszudrücken.
Die Feuchtigkeitsabgabe bei TPM wurde ebenfalls bestimmt, indem die Cambridge-Filtereinlage mit Isopropylalkohol (Methanol als internationaler Vergleichsstoff) extrahiert wurde, gefolgt durch eine Gaschromatografie (GC). Die Nikotinabgabe wurde bestimmt durch Extraktion der Cambridge-Filtereinlage mit Methanol-Chlorhydratsäure, gefolgt durch eine UV-Spektrofotometrie.
Die Abgabeergebnisse (TPM, Nikotin, Feuchtigkeit) sind in Tabelle VI sowohl auf einer Basis pro Zigarette als auch auf einer Basis pro Zug angegeben. Aus Tabelle VI ist ersichtlich, daß die Leistungsfähigkeit des Filters aus den Bahnen gemaß der Erfindung sehr ähnlich der konventioneller Filter aus Zelluloseacetat (CA) ist, die Nikotinabgaben im Bereich von 5% und Feuchtigkeitsabgaben von 15 bis 20%, auf der Grundlage von TPM erreichen.
Obwohl die meisten thermoplastischen Polymere erfindungsgemäß verwendet werden, sind jene der Polyolefingruppe bevorzugt, wie beispielsweise isotaktisches Propylen, und Polyester, wie beispielsweise Poly (Butylenterephthalat). Wegen der Natur des Schmelzblas-Thermoform-Prozesses, können Zusätze (z.B. Kalziumcarbonat) auf einfache Weise in das Innere der Polymerschmelze eingebracht oder auf die geschmolzene Polymeroberfläche aufgeblasen werden, wenn diese extrudiert wird, um die Struktur der schmelzgeblasenen Bahn und dadurch ihre Leistungsfähigkeit in einem Filterelement zu verändern. Auch können schmelgeblasene Bahnen nach ihrer Ausbildung auf einfache Weise bekannten Nachbehandlungsverfahren mit Hilfsmitteln in trockener oder flüssiger Form unterworfen werden, um gewisse organoleptische und/oder medizinische Merkmale vorzusehen.
Die bevorzugte Form zum Herstellen der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Bahn ist durch Schmelzblasen, wie es beispielsweise im US-Patent 3 849 241 (Buntin u.a.) vom 19.11.1974 beschrieben wurde, die hiermit durch Bezugnahme in die Anmeldung aufgenommen wird.
Das konventionelle Schmelzblasen wird jedoch unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben. Ein Extruder 1, der durch einen Motor 2 angetrieben ist, erhält Pellets 4 aus einem Trichter 3. Der Extruder wird erhitzt, so weit es notwendig ist, um das Polymer auf die gewünschte Viskosität zum Eintritt in die Gießform 5 zu bringen. Wenn das extrudierte Polymer die Gießform 5 verläßt, wird es von gegenüberliegenden Seiten von heißer Luft aus den Leitungen 6 berührt. Nach Bedarf kann die Gußform 5 elektrisch oder durch andere Einrichtungen unter Verwendung der Rohre 7 beheizt werden. Die Fasern werden durch den Luftstrom auf eine Sammelfläche 9 einer Formmatte 10 getragen. Die Sammelfläche 9 kann eine rotierende Trommel 11 enthalten, die wie gezeigt um die Achse 12 angetrieben ist, oder kann ein Band, ein Sieb oder eine andere Sammelvorrichtung sein, wie sie dem Fachmann bekannt ist.
Fig. 2 zeigt die bevorzugte Einrichtung zum Formen der Bahnen in einen Filterpfropfen. Diese Einrichtung differiert gewöhnlich etwas von gewöhnlichen Pfropfenherstellungseinrichtungen, wie sie für Zelluloseacetat- Spinnkabel verwendet werden.
Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, wird eine Rolle 13 der thermoplastischen Faserbahn 10 abgewickelt und in eine Vorform-Vorrichtung 14 eingezogen, die die flache Bahn 10 in eine zum Eintritt in die Filterherstellungsmaschine geeignete, zylindrische Form 15 fältelt oder faltet. Dieser Formzylinder 15 erhält eine Umhüllung aus einer Papierbahn 16 (sogenannte Pfropfenumhüllung), und die Kombination wird durch das Messer 18 in die gewünschten Längen 17 geschnitten. Die geschnittenen Pfropfen werden normalerweise über eine endloses Formband (nicht gezeigt) in eine Zusatzeinrichtung getragen. Bevor sie in die Zusatzeinrichtung gelangen, wird eine kontinuierliche Tropfenreihe eines Klebstoffs durch einen Applikator auf eine Kante der Filterumhüllung aufgetragen. Wenn diese Komponenten durch die Zusatzeinrichtung hindurchtreten, wird die geformte Bahn zu einer Stange mit zylindrischem Querschnitt gepreßt, während sie gleichzeitig mit der Filterumhüllung 16 umschlossen wird. Wenn die Klebstoff-Tropfenreihe den überlappten Bereich der umhüllten Stange berührt, wird sie mit Hilfe einer Dichtstange abgedichtet befestigt. Diese endlose Filterstange wird dann durch eine Schneideinrichtung 18 in Längen 17 geschnitten.
In Fig. 13 ist ein Rauchartikel 50 in der Form einer Zigarette teilweise gezeigt, der eine durch eine Zigarettenumhüllung 60 umschlossene Tabakstange aufweist, die mit Hilfe eines Spitzenpapierstreifens 62 mit einem Filterpfropfen 54 vereinigt ist, der eine Bahn 56 und eine Pfropfenumhüllung 58 enthält.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Bahnen eignen sich für eine Vorbehandlung vor ihrer Verformung in eine Filterstange, obwohl dies nicht notwendig ist, um akzeptable Filterpfropfen herzustellen. Zwei dieser Vorbehandlungen, die in Fig. 2 dargestellt sind, enthalten ein Paar genuteter Walzen 19, die zum Kräuseln verwendet werden, und einen Flüssigkeitsapplikator 20, der für eine Oberflächenbehandlung verwendet wird.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen SEM-Fotografien von Querschnitten von aus zwei zur Anwendung in unserer Erfindung zu verwendenden Bahnen (Fig. 3 und 4) hergestellten Filterpfropfen, wobei eine konventionelle schmelzgeblasene Bahn (Fig. 5) und eine spinngebundene Bahn (Fig. 6) ebenfalls gezeigt sind. Die Fig. 7 bis 10 sind Draufsichten auf die gleichen Bahnen in der gleichen Reihenfolge. Die verwendete Vergrößerung war in allen mikroskopischen Fotografien gleich und kann durch das Abmessen der langen, gestrichelten Linie in der unteren rechten Ecke jedes Fotos bestimmt werden, die ein Äquivalent von 100 um ist. Selbst bei beiläufiger Prüfung dieser Fig. fällt das Vorherrschen großer Faseragglomerate, die durch das teilweise Verschmelzen der geschmolzenen Fasern während der Ausbildung der Bahn gebildet werden, besonders bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Bahnen der Erfindung mit einem entsprechenden Grundgewicht von 27,128 g/m² (0,8 oz/yd²) und 20,346 g/m² (0,6 oz/yd²) ins Auge. Fig. 12 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung eine ähnlich Ansicht der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbaren Bahnen, die die Bahn 30, die Agglomerate 32 und die verbundenen Überkreuzungspunkte 34 zeigt.
Die quantitative Verteilung der Agglomerate erhält man, indem man die geschnittenen Enden vieler Fotografien ähnlich den Fig. 3 bis 6 zählt, wie nachfolgend in Tabelle 1 dargestellt. Dabei unterscheidet eine große Anzahl Gesamtagglomerate der Bahnen der Fig. 3 und 4 diese Bahnen klar von konventionellen, schmelzgeblasenen Bahnen und spinngebundenem Material. Zusätzlich wurden die als Beispiel 0 gezeichneten Ergebnisse mit einer 20,346 g/m² (0,6 oz/yd²)-Bann erzielt, die wie in Fig. 1 hergestellt wurde, mit der Ausnahme, daß die Anzahl der Agglomerate reduziert war. TABELLE I VERTEILUNG DER FASERAGGLOMERATE Probe Faser Fasern Gesamtagglomerate Fig.gebräuchl. schmelzgeblas.Bahn Spinngeb. Bahn Beispiel 0
Nach unserem Verständnis ist die Anwesenheit dieser verschmolzenen Agglomerate dafür verantwortlich, daß diesen Bahnen die hohen Biegemoduli verliehen werden, die wiederum die verbesserte Festigkeit der aus diesen Bahnen hergestellten Filterpfropfen bewirken. Ohne diese Agglomerate liefern aus Polyolefin-Spinnkabeln oder -bahnen hergestellte Filterpfropfen keine praktisch anwendbaren Filterpfropfen von ausreichender Festigkeit. Die Anwesenheit dieser Agglomerate unterscheidet darüber hinaus die erfindunsgemäß hergestellten Bahnen klar von im Handel erhältlichen, schmelzgeblasenen Bahnen. Es ist in der Tat so, daß bei den gegenwärtigen, handelsüblichen, schmelzgeblasenen Bahnen die Anwesenheit von Agglomeraten als funktionell und ästhetisch unerwünscht angesehen wird.
Obwohl die erfindungsgemäßen Bahnen, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, durch Verwendung einer konventionellen Schmelzblasmaschine der in Fig.1 gezeichneten Art hergestellt werden können, werden Betriebsparameter eingestellt, um die gewünschten Agglomerate zu produzieren. Gewöhnlich werden derartige Agglomerate als unerwünscht angesehen und die Betriebsbedingungen werden eingestellt, um ihre Ausbildung zu minimieren. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Parameter, wie beispielsweise die Lufttemperatur und die -rate, sowie der Formabstand entsprechend des extrudierten Polymers variiert, um das gewünschte Niveau von Faseragglomeraten zu erzeugen. Z.B. tendiert sowohl die Verringerung der Luftströmung als auch die Verringerung des Formabstandes dazu, die Agglomerisation zu erhöhen.
Obwohl es nicht erwünscht ist, die Erfindung auf irgendeine bestimmte Theorie zu beschränken, kann eine mögliche Erklärung für die resultierende, gewünschte Festigkeit des Pfropfens und dem Druckabfall darin liegen, daß man sich vor Augen hält, daß die Agglomerate sich als Säulen verhalten, die einem Ausknicken während der Pfropfenbildung aus der schmelzgeblasenen Bahn fest wiederstehen. Bezüglich des Gebiets der Säulen und ihres mechanischen Verhaltens wird auf das Kapitel "Materialmechanik" von J.P. Vidosic, S. 5-40 bis 5-42 in "Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers", 8. Auflage, McGraw-Hill, New York, New York (1958) verwiesen:

"Säulen

Direktem Druck unterworfene Teile können in drei Klassen eingeteilt werden. Druckblöcke sind so kurz (Schlankheitsverhältnis unter 30), daß eine Biegung des Teils nicht zu erwarten ist. Andererseits sind Säulen, die so schlank sind, daß Biegung hauptsächlich auftritt, die langen Säulen, die durch die Euler'sche Theorie definiert sind. Die dazwischenliegenden Säulen, die in der Praxis weit verbreitet sind, werden kurze Säulen genannt.
Lange Säulen und die schlankeren kurzen Säulen fallen gewöhnlich durch Ausknickung aus, wenn die kritische Belastung erreicht ist. Dies ist ein Fall von Instabilität, d.h., die Säule kann fortfahren zu federn und sich verbiegen, selbst wenn die Last nicht über den kritischen Wert erhöht ist. Lange Säulen werden durch die Euler'sche Säulengleichung behandelt:
Pcr = nπ² EI/L² = nπ² EA/(L/R)²
In diesen Formeln ist:
Pcr = die kritische Belastung zur Erzeugung einer Ausknickung der Säule
n = ein Koeffizient, der die Zustände an den Säulenenden beschreibt; wenn beide Enden fixiert sind, gilt n = 4
E = Elastizitätsmodul in Längsrichtung
I = Trägheitsmoment
A = Querschnittsfläche der Säule
L = Länge der Säule
R = der geringste Radius der Rotation. Für kreisförmige Querschnitte ist R gleich dem Durchmesser geteilt durch 4; für rechteckige Querschnitte ist R = der Länge der kürzesten Seite geteilt durch die Quadratwurzel von 12. (Für andere Zwecke präsentiert R die kürzeste Querschnittsdimenison geteilt durch 4).
Das dimensionslose Verhältnis (L/R), das in der obengenannten Formel erscheint, ist als Schlankheitsverhältnis bekannt. Um sicherzustellen, daß die Säule allein durch Ausknicken versagt, sollte dieses Verhältnis 120 übersteigen, bevorzugt über 150 liegen, was für die Mehrzahl der hier betrachteten Säulen zutrifft. Es ist wichtig, daß in der Euler'schen Formel berücksichtigt wird, daß die kritische Ausknickbelastung in umgekehrtem Verhältnis zum Quadrat des Schlankheitsverhältnisses steht, was dazu führt, daß die Größe dieser Last seHr empfindlich für leichte Veränderungen in den Säulenabmessungen ist.
In der Fasermechanik wird der E-Modul gewöhnlich in den Einheiten von g/dtex (Gramm/den) ausgedrückt. Deshalb sollte die Fläche A in der Euler'schen Formel in dtex (den)-Einheiten ausgedrückt werden, so daß das Produkt EA die Dimension Gramm der Kraft hat. Z.B. ist für das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Polypropylen E 9 g/dtex (10g/den). (Dieser niedrige Wert des Moduls kann in Vergleich gesetzt werden mit demjenigen für Spinnkabel aus Zellulosacetat, die in konventionellen Zigarettenfiltern verwendet werden, wobei E 40,54 g/dtex (45 g/den) ist. Dieser Rangunterschied der Moduli mag die Ursache sein für das Fehlen der Festigkeit bei Filtern aus Polypropylen-Spinnkabeln, die nur wenig Erfolg als Zigarettenfilterpfropfen hatten).
In untenstehender Tabelle II sind die Daten für die Bahnen der Fig. 3 bis 10 und der Tabelle I dargestellt, die Lösungen nach der Euler'schen Formel für die Komponenten Fasern und Faseragglomerate erlauben. Die großen Unterschiede in der linearen Dichte und dem Schlankheitsverhältnis für die erfindungsgemäßen Bahnen (die Beispiele der Fig. 3 und 4), verglichen mit einer konventionellen, schmelzgeblasenen Bahn sind auffällig. Diese Unterschiede in den Schlankheitsverhältnissen ergeben die in der letzten Spalte dieser Tabelle gezeigten großen Laststeigerungen.
Die gemäß der Erfindung verwendbaren Bahnen enthalten mindestens ein Drittel Agglomerate und haben ein Schlankheitsverhältnis nicht größer als 1000 für Einzelfasern und nicht größer als 500 für Agglomerate. TABELLE II EULER'SCHE SÄULENBERECHNUNG FÜR FASERN lineare Dichte x 1,11 dtex (Denier) Schlankh.verhältnis L/R Lasterhöhung für Ausknickung relativ zu vergl.,schmelzgeblasenen Strukturen Probe Einzelfaser Fasern Beispiel 0 herkömmliche schmelzgeblasene Bahn Spinngebundene Bahn
Diese Erhöhungen legen nahe, daß Bahnen der Fig. 3 und 4 zu Filterpfropfen ausreichender Festigkeit verarbeitet werden können, die ohne zusammenzufallen, das Strukturmerkmal des hohen Druckabfalls von aus herkömmlichen, schmelzgeblasenen Bahnen hergestellten Pfropfen verursachen. In gleicher Weise legt das unendliche Schlankheitsverhältnis der spinngebundenen Bahn (Null Ausknickkraft) nahe, daß sie sich ähnlich eines Polypropylen- Spinnkabels verhält, wenn sie zu Filterpfropfen verarbeitet wird, d.h. einen unakzeptabel hohen Druckabfall bei angemessener Filterfestigkeit zeigt. All diese Faktoren werden durch die Daten der Tabelle III belegt. TABELLE III Probe Filtergewicht mg/cm Druckabfall mbar/cm Länge (cmH&sub2;O/cm Länge) Festigkeit % Probe mg/cm. Beispiel 0 herkömmliche schmelzgeb.Bahn Spinngebundene Bahn
Gemäß der vorliegenden Erfindung haben die Agglomerate bevorzugt ununterstützte Längen im Bereich von 1 bis 2mm, dtex (den) von größer oder gleich als 2,2 (2), und äquivalente Durchmesser bevorzugt im Bereich von 20 bis 100 um (2,775 bis 72,15 dtex oder 2,5 den bis 65 den für Polypropylen). Darüber hinaus übersteigt die Anzahl dieser Agglomerate bevorzugt 40%. Zur Herstellung von Filterpfropfen mit einem erwünscht hohen Druckabfall, liegen die dtex-Werte (den) der Agglomerate bevorzugt an der niedrigen Seite, während zum Herstellen von Filterpfropfen mit einem niedrigen Druckabfall größere Durchmesser bevorzugt sind.
Das Beispiel O mit reduzierten Agglomeraten und einem Druckabfall von etwa 2,9 mbar/cm (2,9 cmH&sub2;O/cm) Länge repräsentiert etwa den für einen Filterpfropfen maximalen Druckabfall.

Beispiele

Beispiele 1 bis 4:

Die Bahnen der Beispiele 1 bis 4 werden wie dargestellt unter Verwendung einer Ausrüstung ähnlich derjenigen in Fig. 1 hergestellt und haben jeweils ein Grundgewicht von 20,346 g/m² (0,6 oz/yd²) und 27,128 g/m² (0,8 oz/yd²). Das in diesen Beispielen verwendete thermoplastische Polymer war Exxon 3214 Polypropylen. Die physikalischen Daten dieser Bahnen sind in Tabelle 4 dargestellt, währen die Daten der Filterleistung und der Abgabe dieser aus diesen Bahnen hergestellter Pfropfen in den entsprechenden Tabellen V und VI eingetragen sind. Ferner ist in Tabelle V ein Zelluloseacetat-Filterpfropfen, bezeichnet mit "Kontrollprobe 1", enthalten, der von einer Zigarette der Marke Marlboro entfernt wurde. Die Tabelle VI enthält weiterhin Daten, gekennzeichnet mit "Kontrollprobe 1" und "Kontrollprobe 2", die eine Zigarette der Marke Marlboro repräsentieren, die sowohl mit als auch ohne Filter geraucht wurde.

Beispiele 5 bis 6:

Die Beispiele 5 und 6 wurden unter Verwendung der anhand der Fig. 1 beschriebenen Ausrüstung hergestellt. Das Beispiel 5 wurde aus 10 Gew.-% Kalziumcarbonat der Genstar Corporation und 90 Gew.-% Polypropylen Himont PC-973 zusammengesetzt. Das Kalziumcarbonat wurde mit dem Polypropylen vorgemischt, extrudiert und zu Pellets geformt, bevor die Mischung in eine Bahn für unsere Erfindung schmelzgeblasen wurde. Wegen der strukturellen Unterschiede zwischen den Fasern, tendieren Filterpfropfen, die aus mit Kalziumcarbonat beladenen Faserbahnen hergestellt sind, dazu, die Filtrationsmerkmale, die in aus ungefüllten Bahnen hergestellten Filterelemente zu finden sind, zu verändern.
Beispiel 6 wurde zusammengestellt aus Valox 315 Poly (Butylenterephtalat) der General Electric Corporation. Die physikalischen Daten der Bahn und die Filterleistungsmerkmale für die Beispiele 5 und 6 sind in den entsprechenden Tabellen IV und V gezeigt. TABELLE IV Beisp.Nr. Grab-Zugfestigk. Trapezreißkr. Porosiät n. Frazier 5-lagig Handle-O-Meter Offene Fläche % TABELLE V Beisp.Nr. Filtergewicht (mg/cm Filterlänge) Filterdruckabfall (cm Wassersäule/cmLänge) Festigkeit % Kontrollpr. I TABELLE VI Beisp.Nr. Filterdruckabf. (cmWassersäule/21 mm Filter) mbar/21mm Filter Teer Nikotinabgabe mg/Zigar. Nikotinabgabe mg/Zug Kontrollp.
Bei einer Durchsicht der Daten der Tabellen IV, V und VI ist ersichtlich, daß die Filterpfropfen, die mit den Bahnen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, ausgewählte Filtereigenschaften, einschließlich des Druckabfalls und der Abgabe, aufweisen, die jene mit konventionellen Zelluloseacetatfiltern erreichten umfassen. Es ist weiterhin zu sehen, daß der Druckabfall über einen großen Bereich variiert werden kann, obwohl die Festigkeit auf einem Niveau gehalten wird, das das für Zellulosacetatfilter mögliche übersteigt. Die vorliegende Erfindung schafft demzufolge einen Filter aus thermoplastischer Faser, der die gewünschte Filtrationeigenschaft mit den fühlbaren Eigenschaften der Festigkeit und des fehlenden Zusammenfallens, die denjenigen konventioneller Filter entsprechen oder sie übersteigen, aufweist.
Fig. 11 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie sich die Filterfestigkeit mit der Menge an verbrauchter Tabakstange in dieser kontinuierlichen Abrauchweise ändert. In dieser Fig. ist das verhalten von Filterpfropfen, die gemäß der vorliegenden Erfindung aus den bevorzugten Polypropylenbahnen hergestellt wurden, über dem Verhalten konventioneller Filterpfropen aus Zellulosacetat-Spinnkabel aufgetragen. Wie in dieser Fig. zu sehen, erleiden die Filterpfropfen, die aus den Bahnen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, nicht das übermäßige Zusammenfallen, das die konventionellen Filterpfropfen aus Zelluloseacetat zeigen.
Dieser Widerstand gegen das Zusammenfallen der Filterpfropfen, die aus Bahnen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, hat während des Rauchens einer Filterzigarette wichtige Folgen. Zunächst und am offensichtlichsten ist es, daß derartige Filterpfropfen frei sind von "Weichlichkeit", die als ein negatives Merkmal durch viele Raucher bemerkt wird. Zweitens und von größerer Wichtigkeit ist die Tatsache, daß ein ernsteres Zusammenfallen eines Filterpropfens während des Rauchens zur Ausbildung von Kanälen entlang der Peripherie des Filterelementes führen kann. Diese Kanäle erlauben dem Rauch, das Filtereleinent zu umgehen, wodurch die gewünschte Filtrationswirksamkeit des Zigarettenfilters aufgehoben wird.
Es ist deshalb offensichtlich, daß hiermit gemäß der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Filtermaterial für Rauchartikel bereitgestellt wurde, das den oben aufgeführten Zielen, Zwecken und Vorteilen voll entspricht.

Claims

1. Nicht-gewebtes Material (10, 30, 56), das thermoplastische Fasern oder Filamente enthält, gekennzeichnet durch eine nicht-gewebte Bahn mit einem Wert für ein Schlankheitsverhältnis von weniger als 500 für Agglomerate (32), enthaltend die Fasern oder Filamente, die als Agglomerate (32) vorliegen in einer Anzahl, die 33% übersteigt, wobei eine Mehrzahl der Faserkreuzungen der Agglomerate (32) Schweißpunkte (34) sind.

2. Nicht-gewebtes Material nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Polyolefinen und Polyester besteht.

3. Nicht-gewebtes Material nach Anspruch 2, wobei das thermoplastische Material Polypropylen ist, und die Agglomerate eine lineare Dichte im Bereich von etwa 2,775 bis 72,15 dtex (2,5 bis 65den) aufweisen.

4. Nicht-gewebtes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bahn einen oder mehrere Zusätze enthält, die über die Bahn verteilt sind.

5. Nicht-gewebtes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Grundgewicht im Bereich von etwa 16,96 bis 33,91 gm² (0,5 oz/yd² bis 1,0 oz/yd²), ein Verhältnis zwischen der Grab-Zugfestigkeit in Maschinenrichtung zur Grab-Zugfestigkeit quer zur Maschinenrichtung im Bereich von etwa 1:1 bis 4:4 und einer Handle-O-Meter- Steifheit von weniger als 40g sowohl in Maschinenrichtung als auch quer zur Maschinenrichtung.

6. Nicht-gewebtes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Porosität nach Frazier im Bereich von etwa 45,72 bis 304,8 m³/m²/min (150 bis 1000 cu.ft./sq.ft/min) (5-lagig) und einen Wert für das Schlankheitsverhältnis geringer als 1000 für Einzelfasern.

7. Nicht-gewebtes Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fasern oder Filamente schmelzgeblasen sind.

8. Filterpfropfen (54) für einen Rauchartikel (50), wobei der Pfropfen (54) einen Zylinder aufweist, der zur Anpassung an den Rauchartikel (50) ausgebildet und aus dem nicht-gewebten Material (56) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.

9. Filterpfropfen nach Anspruch 8, wobei die Fasern oder Filamente der Bahn (56) als Agglomerate (32) in einer Anzahl vorliegen, die 40% übersteigt, und die Bahn (56) ein Grundgewicht im Bereich von etwa 16,96 bis 33,91 g/m² (0,5 oz/yd² bis 1,0 oz/yd²) sowie ein Verhältnis der Grab-Zugfestigkeit in Maschinenrichtung und quer zur Maschinenrichtung im Bereich von etwa 1:1 bis 4:4 aufweist.

10. Filterpfropfen nach Anspruch 8 oder 9, mit einem Wert der Festigkeit im Bereich von etwa 94 bis 99% und einem Druckabfall im Bereich von etwa 0,1 bis 6,0 mbar pro 21mm (cm Wassersäule pro 21mm) Filterpfropfenlänge bei einer Mengendurchflußrate von 1050 cm³/min.

11. Rauchartikel (50) mit einer Rauchsäule und einem Filterpfropfen (54), der innerhalb einer Umhüllung (60) enthalten ist, wobei der Filterpfropfen (54) einen Zylinder umfaßt, der zum Anpassen an den Rauchartikel ausgebildet ist, der aus einem nicht-gewebten Material (56) aus thermoplastischen Fasern oder Filamenten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gefertigt ist.

12. Rauchartikel nach Anspruch 11, wobei die Bahn (56) ein Schlankheitsverhältnis für eine Mehrzahl von Agglomeraten aufweist, das etwa 120 übersteigt und nicht größer als etwa 500 ist.

13. Rauchartikel nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Bahn (56) ein Grundgewicht im Bereich von etwa 16,96 bis 33,91 g/m² (0,5 oz/yd² bis 1,0 oz/yd²) sowie ein Verhältnis der Grab-Zugfestigkeit in Maschinenrichtung zu quer zur Maschinenrichtung im Bereich von etwa 1:1 bis 4:1 aufweist.

14. Rauchartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Filterpfropfen (54) einen Wert für die Festigkeit im Bereich von etwa 94 bis 99% und einen Druckabfall im Bereich von etwa 0,1 bis 6,0 mbar pro 21mm (cm Wassersäule pro 21mm) Filterpfropfenlänge bei einer Mengendurchflußrate von 1050 cm³/min aufweist.