EP3039186B1 - Effizient herstellbares zigarettenpapier für selbstverlöschende zigaretten - Google Patents
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- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
- D21H21/50—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by form
- D21H21/52—Additives of definite length or shape
Definitions
- the present invention relates to a cigarette paper which gives self-extinguishing properties to a cigarette made therefrom, wherein the required paper properties can be adjusted with little effort. More particularly, it relates to a cigarette paper which is partially treated with a composition which reduces the diffusion capacity of the cigarette paper and contains a filler having a specific crystal structure, particle shape or particle size, and a process for producing this paper and a cigarette made from this paper.
- a smoldering cigarette on a defined substrate for example, 10 layers of the filter paper Whatman no. 2, and observe whether the cigarette extinguished by itself, before the entire visible tobacco rod is burned out.
- the legal provisions require that of 40 tested cigarettes at least 30 have to extinguish by themselves.
- One way to achieve self-extinguishment of a cigarette in this test is to apply a composition in portions to the cigarette paper that reduces the diffusion capacity of the cigarette paper.
- the functioning of these sub-areas is based primarily on the fact that they hinder the access of oxygen to the cone of smoke of the cigarette and thus lead to the self-extinction of the cigarette. Since the access of oxygen during glaring is primarily determined by the concentration difference between the interior of the cigarette and the environment, that is, by the diffusion, it is important to choose the diffusion capacity of these subregions sufficiently low.
- the measurement of the diffusion capacity of such subregions can be carried out with a corresponding measuring instrument from Borgwaldt KC (Borgwaldt A50) according to the CORESTA Recommended Method no. 77 done.
- the necessary for the self-extinction of the cigarette diffusion capacity of the applied to the cigarette paper sections depends not only on the properties of the cigarette paper but also to a considerable extent on the tobacco blend in the cigarette and the geometry of the cigarette. It is known, for example, that a high content of coarse tobacco particles, the so-called stems , in the tobacco mixture makes self- extinguishment less likely, while a high proportion of fine-cut or expanded tobacco promotes self- extinguishment .
- cigarettes with a smaller diameter are generally easier to extinguish by themselves and a greater length of the tobacco rod is also beneficial for self-extinguishing, if only because, given the design of the portions, more of the portions of the tobacco rod treated with the composition will usually be more Cigarette are as with a short tobacco rod.
- compositions are known in the art, which can be applied in some areas on the paper. Often these are water-based compositions comprising at least one film-forming material. This film-forming material forms a superficial film upon drying of the paper after application, thus closing the pores of the paper and thus reducing the diffusion capacity. Other materials which instead penetrate into the pores of the paper are also known.
- the composition also contains pigments. These pigments can impart a color to the subregions, but in many cases are white to match the opacity and whiteness of the treated subregions to those of the untreated paper, making them very less visible.
- the application of the composition to the paper can be carried out according to the state of the art by all possible application methods, printing or spraying methods having proven themselves.
- the job can be done after the production of the untreated paper or during papermaking in the paper machine.
- the manufacturer of cigarette papers for self-extinguishing cigarettes is therefore required to provide a paper in which the diffusion capacity in the sub-areas is tailored to the entire cigarette construction that the legal requirements are being met, but the diffusion capacity is not unnecessarily low. Therefore, the cigarette paper manufacturer must be able to adjust the diffusion capacity of these sub-areas with the most efficient means in the largest possible range, so that even smaller quantities of such papers can be produced cost-effectively. Because while without the requirement of self-extinguishing a cigarette paper type can be used in principle on many different cigarette designs and thus can be produced in large batches, increased by this requirement, the number of different paper types and correspondingly decreases the size of a production batch.
- the prior art allows several ways to adjust the diffusion capacity of the treated portions of the cigarette paper.
- Another possibility is to vary the amount of composition per unit area of treated sections applied to the cigarette paper. Again, this can be done with a printing process, such as gravure, with the help of the printing cylinder.
- the impression cylinder has a plurality of small engraved or etched depressions corresponding to the print pattern into which the composition is taken from a reservoir and transferred from these depressions to the paper. The volume or other properties of these wells can affect the amount applied.
- the disadvantages with respect to the pressure cylinder change and the storage of the printing cylinder are the same as in the adaptation of the geometry of the partial surfaces.
- the WO 2009/006570 A2 discloses a cigarette paper having at least one treated portion in which is applied a composition containing filler particles or a mixture of filler particles.
- the self-extinguishing properties can be improved by selecting the material of the filler.
- preferred filler materials for these purposes are magnesium oxide, kaolin and mica.
- Non-preferred materials are lime, clay minerals, calcium carbonate or titanium oxide.
- WO 2013/178492 A2 discloses a cigarette paper containing pulp fibers and at least partially flaky calcium carbonate as a filler.
- the present invention is therefore based on the object of providing a cigarette paper which has a defined diffusion capacity in treated subregions and can be produced inexpensively.
- p is 50 / (d 90 -d 10) and the distribution width d 90 a dimensionless parameter, which is defined as d - represents related d 10 mean particle size d 50th
- the average size d 50 of the filler particles in the applied composition is at least 0.1 ⁇ m and at most 10 ⁇ m.
- the amount of material applied in the treated sub-areas, expressed as mass / application area, in the dried state is at least 0.5 g / m 2 and at most 12 g / m 2 .
- All information on particle sizes refers to the particle size distribution determined according to ISO 13320: 2009 by means of laser diffraction and a model according to Mie.
- the thus determined particle size distribution can be seen, which volume fraction of the particles is smaller than a predetermined size.
- Such proportions are given in the present disclosure in the form "d x " where x is a number between 0 and 100 and d is a measure of particle size.
- d 10 0.5 ⁇ m means that 10 % by volume of the particles are smaller than 0.5 ⁇ m.
- the particle size "d” corresponds to the diameter of a spherical particle. In the case of particles without a spherical shape, it corresponds to the diameter possessed by a spherical particle which, measured according to ISO 13320: 2009, gives the same result as the particle without a spherical shape.
- the object is accordingly achieved by applying to the cigarette paper in subregions a composition containing filler particles or a mixture of filler particles, wherein a desired diffusion capacity of the subregions can be adjusted by the crystal structure, shape and size distribution of these filler particles.
- the present invention is based on the recognition that the diffusion capacity in the treated areas - with otherwise the same composition and weight fraction - depending on the properties shape, crystal structure and particle size distribution of the filler can change, to an extent that allows it to adjust the diffusion capacity for a variety of base papers and cigarette configurations, respectively, to give the appropriate diffusion capacity.
- the "suitable diffusion capacity” is, for example, a diffusion capacity that leads to a reliable self-extinction in an ISO 12863: 2010 or ASTM E2187 test, but at the same time avoids that the cigarette extinguishes by itself in the normal smoking process.
- the adjustment of the diffusion capacity via the selection of the filler according to one or more of the above three criteria is therefore of particular industrial importance, because the other properties of the composition which have an influence on the processing process do not change or at least do not change significantly. This would be different if, for example, the diffusion capacity were adjusted via the weight proportion of the filler, since this would change the macroscopic physical properties of the composition, in particular the viscosity, so that the entire processing process would be influenced.
- filler types (a) - (c) lead to an increase in the diffusion capacity
- filler types (d) and (e) lead to a reduction of the diffusion capacity compared to a composition with conventional geologically degraded lime and are therefore well suited to the Adjust the diffusion capacity of the treated areas to the desired value.
- the inventors have found that the diffusion capacity of the portions of the cigarette paper can be increased under otherwise unchanged conditions when at least a part of the filler particles in the composition has a platy shape (see feature (a)).
- the inventors have also found that the diffusion capacity of the portions of the cigarette paper can be reduced under otherwise unchanged conditions when at least a portion of the filler particles in the composition have a cubic shape (feature (d)).
- the inventors have found that the diffusion capacity of the portions of the cigarette paper is otherwise in a middle range under otherwise unchanged conditions when at least a portion of the filler particles in the composition have a scalenohedral or rhombohedral crystal structure.
- the inventors have found that the diffusion capacity can be adjusted depending on a simple particle size distribution parameter of this filler.
- fillers of rhombohedral and scalenohedral crystal structure also have the potential to increase the diffusion capacity over that resulting from an otherwise similar composition with geologically degraded lime filler (features (b) and (c)) and, in the case of a scalenohedral crystal structure - to reduce (feature (e)).
- the parameter p is chosen to be at least 0.4, preferably at least 0.45 and at most 0.6, preferably at most 0.55.
- the parameter p either low, thus at least 0 and at most 0.3, preferably at most 0.25 and particularly preferably at most 0.2, or high, namely at least 0.7, preferably at least 0.8 and more preferably at least 0.85 and in particular at least 0.9.
- the parameter p is selected to be at least 0.1, preferably at least 0.2 and at most 0.5, preferably at most 0.4.
- the parameter p high ie at least 0.5, preferably at least 0.6 and particularly preferably at least 0.7.
- a particularly low parameter p as in the case of scalenohedral fillers, also leads to an increase in the diffusion capacity, can not be assessed from the available data, but the person skilled in the art will easily be able to determine this if suitable fillers are available.
- the proportion of these filler particles in the total amount of filler particles in the composition should be at least 20% by weight, preferably at least 50% by weight and more preferably at least 70 wt .-% amount. The higher the content of the filler particles, the more manifest the effect on the diffusion capacity associated with their shape.
- the particles should have an average size d 50 of at least 0.1 ⁇ m, preferably at least 0.3 ⁇ m and particularly preferably at least 0.5 ⁇ m.
- the mean size d 50 should be at most 10 ⁇ m, preferably at most 7 ⁇ m and particularly preferably at most 5 ⁇ m.
- a median size d 50 of at least 0.5 ⁇ m, preferably at least 1.0 ⁇ m, and of at most 5 ⁇ m, and preferably of at most 3 ⁇ m, has proven suitable.
- a range for the distribution parameter p d 50 / (d 90 -d 10 ) of at least 0.5, preferably at least 0.6 to at most 1.0, preferably at most 0.9 is well suited.
- a range for the distribution parameter p d 50 / (d 90 -d 10 ) of at least 0.2, preferably at least 0.3 to at most 0.7, preferably at most 0.6 is well suited.
- the platelet-shaped calcium carbonate particles have a length 1, a width b and a thickness d which correspond to the respective maximum dimensions in three mutually orthogonal spatial directions, both the length 1 and the width b being at least twice as large, preferably at least four times are as big as the thickness d.
- the length 1 and the width b will usually be different from each other, but should differ by a factor of less than 5, preferably less than 3 and more preferably less than 2.
- the length 1, the width b and the thickness d could correspond, for example, to the edge lengths of the cuboid, i. H. it is by no means necessary for the length 1 to correspond to the longest dimension of the particle, which in the case of an idealized cuboid would correspond to the spatial diagonal. In general, however, the length 1 will be greater than or equal to the width b and in turn differ by a factor of 2.5 or less from the longest spatial direction of the particle.
- FIG. 3 illustrates a plate-shaped calcium carbonate particle in which the length 1, width b and thickness d are drawn.
- the filler particles are preferably white so that the treated portions of the cigarette paper visually differ as little as possible from untreated areas of the same cigarette paper.
- Iron oxides can be used, but are not preferred because they are generally not white but often red, brown, yellow or black. However, they can be chosen favorably for colored cigarette papers.
- a preferred filler is calcium carbonate and particularly precipitated calcium carbonate, because it is purer than geologically degraded, and thus the purity requirements of cigarette paper are easier to meet.
- mineral forms of the calcium carbonate of the invention such as calcite, aragonite and vaterite, with which the invention can be realized in principle, calcite is preferred because of its ready availability.
- the proportion of the filler of the invention in the composition may vary.
- the filler should contain at least 1% by weight, preferably at least 3% by weight and at most 20% by weight, preferably at most 10% by weight.
- the content of the filler in the composition is determined primarily by how much the other constituents of the composition are capable of reducing the diffusion capacity. It is possible, but not according to the invention, to change the diffusion capacity by changing the amount of filler in the composition. However, this also affects the viscosity of the composition, which may require additional adjustments in the application process, for example, at speeds or drying temperatures.
- the content of the filler in the composition should remain constant and the diffusion capacity should be adjusted only by changing the shape, crystal structure and size of the filler particles.
- the composition itself first comprises a solvent, but the term "solvent” is not intended to mean that it is a solution in the narrower chemical sense. In most cases, the filler particles will be suspended in the solvent but not dissolved.
- Water is a particularly preferred solvent because it is toxicologically safe and does not interfere with the smell and taste of the paper. For reasons of taste and to avoid contamination, water in drinking water quality is particularly preferred.
- Other solvents such as ethanol or ethyl acetate, although not preferred, have at least the advantages over water of allowing them to evaporate on drying with lower temperatures and less energy and not causing wrinkles by swelling the fibers in the paper. Mixtures of solvents can also be used.
- film-forming materials selected from a group consisting of starch, starch derivatives, cellulose, cellulose derivatives, dextrins, guar or gum arabic and alginates, or mixtures thereof. Most preferred are oxidized starches and sodium alginate.
- the proportion of the diffusion capacity reducing material in the composition can vary within a wide range and is determined primarily by how much the material is capable of reducing the diffusion capacity and which viscosity is the composition for the order procedure.
- the diffusion capacity reducing material will be included in the composition in an amount of at least 0.1% by weight, preferably at least 1% by weight and more preferably at least 3% by weight.
- the material should be at most 40% by weight, preferably at most 30% by weight and more preferably at most 25% by weight of the composition.
- compositions may also be included to control certain properties of the composition or paper. These include materials for adjusting the viscosity, for adjusting the color or substances, such as citrates, acetates and phosphates or other Brandsalze that control the smoldering speed of the cigarette paper. The person skilled in the art is able to determine the proportion of these materials in the composition in accordance with the technical requirements for the paper or the application method.
- the amount of material applied in the partial regions of the cigarette paper is preferably at least 1 g / m 2 and / or at most 8 g / m 2 . With such order quantities, the desired diffusion capacity can be achieved in an advantageous manner.
- the cigarette paper can also be heated before the measurement.
- the cigarette paper is stored in a preheated to 230 ° C oven for 30 minutes under air atmosphere, then removed from the oven and conditioned according to ISO 187: 1990.
- the measurement of the diffusion capacity is carried out according to CORESTA Recommended Method No. 77 with a Borgwaldt A50 meter from Borgwaldt KC.
- the diffusion capacity of the treated portions is at least 0.05 cm / s, preferably at least 0.1 cm / s and at most 2 cm / s, preferably at most 1 cm / s.
- the diffusion capacity may vary from sub-area to sub-area, also a change in the diffusion capacity within a sub-range is possible, for example, to favorably influence the carbon monoxide in the smoke, as long as the legally required self-extinguishing according to ISO 12863: 2010 is not endangered.
- composition can be carried out by all known from the prior art method, in particular by printing or spraying.
- gravure or flexographic printing are particularly well suited.
- the job is usually done on the screen side of the cigarette paper, as it faces the tobacco, and the sub-areas are less visible to the smoker with normal use of the cigarette. Applying to the top is also possible because this side of the paper is better suited for printing.
- the application can be done in one or more layers with or without drying of the paper between the application procedures, whereby due to the necessary registration, i. Positioning, the individual layers to each other an order in as few layers, especially in only one layer is preferred. In the case where multiple layers are applied, it is not necessary that all layers be identical in shape and amount applied, and even in composition.
- the diffusion capacity which is already known in part from the prior art, but usually accessible to the skilled worker by simple experimentation. The principle of the subject invention remains applicable.
- compositions may be associated with the formation of wrinkles on the paper which may be remedied by further treatment such as post-wetting of the paper followed by drying under mechanical tension.
- substances for reducing wrinkling such as propylene glycol or glycerin, may be included in the composition.
- the invention is easily combinable with many further treatment steps of the cigarette paper, as the person skilled in the art can easily determine experimentally.
- These steps may be performed on the paper before or after the application of the composition, as required.
- the cigarette paper preferably has a basis weight of 9 g / m 2 up to 70 g / m 2 , preferably between 20 g / m 2 and 50 g / m 2 and preferably consists of pulp fibers, for example wood pulp fibers or pulp fibers from annual plants such as hemp, flax or esparto.
- the cigarette paper also preferably contains fillers, typically in a range of from 0% to 50%, preferably from 10% to 45%, by weight of the pulp, such as lime, kaolin, titanium dioxide, aluminum hydroxide, Magnesium oxide, magnesium hydroxide or, more rarely, iron oxides. Precipitated lime is preferred.
- the cigarette paper may also contain salts, for example, to control glow rate or other paper properties, including, for example, citrates, acetates or phosphates, malates, tartrates, nitrates, succinates, fumarates, gluconates, glycolates, lactates, oxylates, salicylates, ⁇ -hydroxycaprylates , Bicarbonates, carbonates such as tri-sodium citrate, tri-potassium citrate or monoammonium phosphate. They are preferably contained in the range from 0% to 7% by weight of the pulp and are typically applied to the paper from an aqueous solution in the size press or film press of the paper machine or a separate device. Other substances, such as dyes, may be added to the cigarette paper as long as they are legally permitted and toxicologically safe.
- salts for example, to control glow rate or other paper properties, including, for example, citrates, acetates or phosphates, malates, tartrates, nitrates,
- the composition does not become in a process as a whole, i. H. including the filler, formed.
- a preliminary composition which contains a solvent and a material capable of reducing the diffusion capacity of the cigarette paper but not yet the filler, at least not yet in the final amount.
- From this preliminary composition is then branched off a portion to which a filler or a mixture of fillers is added to form a first composition, while initially retaining a (possibly large) portion of the preliminary composition.
- a comparatively small amount of base cigarette paper can then be treated, and it can be checked whether the diffusion capacity in the treated areas is reduced to the desired extent.
- the preliminary composition in larger quantities and thus can be produced economically, while initially only a part of it is added to a first composition. If the first composition turns out to give the desired reduction in diffusion capacity in the treated areas, another part or all of the rest of the preliminary composition may also be supplemented with the same choice of filler or fillers.
- the addition of the fillers to the respective branched portion of the preliminary composition in the applicator or in a supply line to the applicator for applying the first and second composition is made.
- the admixture of the filler can thus be varied "on-line" during the application process, so that a suitable filler or a suitable filler mixture can be determined in a simple manner and with a comparatively low rejection.
- the continuous supply of a preliminary composition for transfer with fillers is understood as a "diversion" of a portion of the preliminary composition, because only a portion of the preliminary composition is always filled with fillers and the possibility exists that different proportions of the preliminary composition be mixed with different fillers.
- the steps B-E are preferably repeated until the deviation between the measured diffusion capacity and the setpoint value falls below a limit value. If this procedure is carried out automatically, it can be realized by a control process. However, the method can also be performed "manually” or semi-automatically, for example in step E, on the basis of the deviation between the measured diffusion capacity and the desired value, a person decides which filler is to be used as "second filler" in order to replace at least part of the "first filler".
- the at least approximately measurement of the diffusion capacity preferably takes place by measuring transmission, absorption and / or reflection of electromagnetic radiation.
- the diffusion capacity can not be determined as accurately as by the method described above, but this has the advantage that the diffusion capacity "on-line", d. H. can be determined during the treatment process.
- the second filler is formed at least partially by one or more of the above-mentioned filler particle types (a) - (c). Should the diffusion capacity measured in step D be above the setpoint, the second filler may be formed, at least in part, by one or both of the above filler particle types (d) and (e).
- the method is not limited to this. Instead, it can also use other types of filler particles that have the desired effect on the diffusion capacity.
- the composition contains two types of filler, which differ with respect to one of the characteristics of shape, crystal structure and particle size distribution and of which one filler - with the same proportion by weight and otherwise identical composition - leads to a higher diffusion capacity in the treated area than the other.
- step E the proportionate ratio of the two fillers in the composition to the composition of step B is changed to reduce the deviation of the diffusion capacity from the target value.
- the composition applied to the paper is an aqueous composition consisting of 13% by weight of oxidized starch, 0.5% by weight of cationic starch and 6% by weight of lime as filler.
- the composition was prepared according to the instructions of the oxidized starch manufacturer. A total of 13 different fillers were added according to Fig. 4 chosen and suspended in each case one of the fillers in the composition.
- the flow time of the composition as a measure of the viscosity was determined with a 4 mm opening cup according to ⁇ NORM EN ISO 2431: 2011 at a temperature of 60 ° C and is in Fig. 4 specified.
- the composition was applied to two different cigarette papers A and B.
- the cigarette paper A weight had a basis weight of 25 g / m 2, an air permeability according to ISO 2965 of 70 cm.min -1 -1 .kPa, a filler content of 33 wt .-%, and a content of 1 before application of the composition.
- -% tripotassium citrate as fire salt while cigarette paper B has a basis weight of 24 g / m 2 , an air permeability according to ISO 2965 of 75 cm.min -1 .kPa -1 , a filler content of 29 wt .-%, and a content of 2 wt .-% tripotassium citrate as Brandsalz had.
- the cigarette paper was stored in a preheated to 230 ° C oven for 30 minutes under air atmosphere, then removed from the oven and conditioned according to ISO 187: 1990.
- the measurement of the diffusion capacity was then carried out according to CORESTA Recommended Method no. 77 with a Borgwaldt A50 meter from Borgwaldt KC.
- Both cigarette papers had without order of the composition after the above heating process calculated from 10 individual values average diffusion capacity of 2.17 cm / s.
- the order of the composition was carried out by means of a gravure printing unit according to the prior art in a layer on the screen side of the original, so not heated, cigarette paper, in the form of 6 mm wide oriented in the transverse direction of the paper bands with a distance of tape center to center of 27 mm , After the job, the paper was dried.
- the now provided with the composition paper was stored in a preheated to 230 ° C oven for 30 minutes under air atmosphere, then removed from the oven and according to ISO 187: 1990 conditioned.
- the measurement of the diffusion capacity was then carried out according to CORESTA Recommended Method no. 77 with a Borgwaldt A50 measuring instrument from Borgwaldt KC in 10 different places.
- the mean values of the diffusion capacities are shown in Tables 1 and 2 of 4 and 5 specified.
- geologically degraded and ground lime from Examples 8 and 23 serves as a reference point.
- FIG. 1 are the values of the distribution parameter p and the diffusion capacities for papers to which a composition having a scalenohedral filler has been applied, represented graphically, so for the examples 3, 4, 6, 9-11, 16-18, 21, 22 and 24 as a round point, as well as for Examples 12 and 26, in which the filler in addition to calcite also contains aragonite, as a small Square. It can be clearly seen that both at low values for p, for example p ⁇ 0.3, and at high values of p, for example P> 0.7, a high diffusion capacity can be achieved. In these ranges for the parameter p, the diffusion capacity is reduced by a factor of 3 to 6 compared to the untreated cigarette paper.
- Examples 12 and 26 show a mixture of calcite and aragonite, with a primary scalenohedral crystal structure.
- the data is as a small square in FIG. 1 and fits well into the image for scalenohedral fillers.
- FIG. 2 For example, the values of the distribution parameter p and the diffusion capacities for papers to which a composition containing a rhombohedral filler has been plotted are shown graphically, that is for Examples 2, 5, 7, 14, 19, and 20. It is clearly seen that at low value for p, for example P ⁇ 0.5, a low diffusion capacity can be achieved and thus a decrease in the diffusion capacity over the untreated cigarette paper by a factor of more than about 5, while for values of P> 0.5, high diffusion capacities result, ie one Decrease by a factor of less than about 5.
- the line in FIG. 2 shows the curve 3p ⁇ (p-0.6) + 0.7 in cm / s and illustrates the good correlation of this size with the diffusion capacity. The correlation coefficient is more than 0.98. Whether for particularly low values of the distribution parameter p an increase of the diffusion capacity results for rhombohedral fillers can not be reliably determined from the data. However, one skilled in the art will be able to determine this by simple experimentation.
- Tables 1 and 2 of 4 and 5 are sorted in descending order according to the measured diffusion capacity. It can be seen by comparing the first and second column of Fig. 5 also that the order of the lime varieties remains approximately the same. As the examples of Tables 1 and 2 of 4 and 5 differ only in terms of the cigarette paper, it turns out that the invention can be used largely independently of the cigarette paper.
- a particular advantage of the invention is that the diffusion capacity can be influenced without changing the process parameters or the chemical constituents of the composition to be applied, simply by selecting a suitable crystal structure, shape or size of the filler particles.
- the invention can therefore be implemented particularly advantageously in the following method.
- a cigarette paper is provided to which the composition is to be applied in some areas.
- a preliminary composition comprising at least the solvent and a material for reducing the diffusion capacity, but at most insignificant amounts of the fillers of the invention. This can preferably be done in a storage container.
- this step may comprise suspending the starch or starch derivative in water, heating the suspension, lingering at an elevated temperature, and cooling. All of these steps can be done with concomitant stirring of this preliminary composition.
- the next step is to select the type of filler particles based on the diffusion capacity of the treated portions on the cigarette paper.
- the starting point for the following considerations is the diffusion capacity of the subregions of a cigarette paper which is treated in these subregions with a composition containing as filler a geologically degraded lime having an average particle size of about 2.38 ⁇ m.
- Terms such as “high”, “higher”, “lower”, “lower” or “average” in terms of diffusion capacity are to be understood relative to this reference point.
- the distribution parameter p d 50 / (d 90 -d 10 ) should be at least 0.5, preferably at least 0.6 and at most 1.0, preferably at most 0.9.
- the distribution parameter p d 50 / (d 90 -d 10 ) should preferably be at least 0.2, preferably at least 0.3 and at most 0.7, preferably at most 0.6.
- p should be ⁇ 1.2, preferably ⁇ 1.0.
- the distribution parameter p of the scalenohedral filler ⁇ 0.3, preferably ⁇ 0.4 and ⁇ 0.7, preferably ⁇ 0.6.
- the range of 0.45 ⁇ p ⁇ 0.55 is particularly suitable for reducing the diffusion capacity.
- a filler having a value of p ⁇ 0.5, preferably ⁇ 0.6 and more preferably p ⁇ 0.7, and preferably less than 1.0, preferably less than 0.8, will be selected.
- the orientation is advantageously based on the information given above. Preference is given to precipitated calcium carbonate and particularly preferably calcite.
- the next step is to disperse the filler in the preliminary composition. It is essential to the invention that the filler is not added as usual to the entire provisional composition prepared in the first step but only part of it. The amount of filler added to this portion of the preliminary composition will be consistent with the desired concentration of filler in the final composition. This allows the production of smaller quantities of the finished composition so that smaller batches of the paper can be made. In addition, it allows the rapid and easy change of the diffusion capacity by changing the filler without having to recreate the preliminary composition.
- the dispersion of the filler in a portion of the preliminary composition can be accomplished in a variety of ways.
- the filler first in a solvent, for example by stirring, preferably using the same solvent as for the preliminary composition, and then adding the filler suspension to the preliminary composition while transferring the latter to the applicator.
- a solvent for example by stirring, preferably using the same solvent as for the preliminary composition
- the preliminary composition may for example be pumped from the storage tank in a pipe to the applicator and the filler suspension is, preferably by pumping, introduced into the same pipeline in the required amount.
- Very particularly preferred is a method in which the flow in the pipeline is turbulent and thus the mixing of the filler suspension takes place as quickly as possible with the preliminary composition.
- the method can be used particularly advantageously if the dead volume of the lines, containers and devices is as small as possible until the composition is applied to the paper. This will be the case, for example, when applied by spraying. In this way, a change in the type of filler in a very short time on the diffusion capacity of the treated portions on the cigarette paper impact, for example, without stopping the applicator.
- the finished composition of the applicator is then fed and applied to the paper in partial areas.
- the usual methods such as printing methods, in particular gravure printing and flexographic printing, or spraying methods are available. After that, the paper is dried.
- the diffusion capacity of the portions of the cigarette paper is measured. This can be done by sampling, off-line, on a separate meter, such as a Borgwaldt KC (Borgwaldt A50) instrument according to CORESTA Recommended Method no. 77 happen, or in the current order device, so on-line. Since direct measurement of the diffusion capacity on-line is difficult, it can be estimated from other quantities such as transmission, absorption or reflection of electromagnetic radiation. Such an estimate may be made by image-analytical means, for example, the transparency of the electromagnetic-wave paper having a wavelength of at least 100 nm and at most 500 nm.
- This comparison of the intensities must be synchronized with the presence of treated portions in the range of the sensor.
- the obtained measured value is then compared with the desired value and the difference is transferred to an adjusting device which changes the proportions of the fillers fed to the preliminary composition. For example, if one measures too low a diffusion capacity and wishes to increase the diffusion capacity, one will reduce the amount of cubic calcite and increase that of platy calcite. If the diffusion capacity is too high, the procedure is reversed accordingly. This can be done, for example, by adjusting the flow rates by means of a flow regulator. Preferably, the adjustment of the proportions is done so that the total amount of filler in the composition does not change.
- this process can of course also be carried out with a mixture of two or more fillers of a different shape or crystal structure, for example cubic and scalenohedral, or platelet-shaped and rhombohedral, or cubic, scalenohedral and platelet-shaped or cubic, rhombohedral and platelet-shaped.
- a filler having a distribution parameter p d 50 / (d 90 -d 10 ) of at least 0.2, preferably at least 0.3 to at most 0.7, preferably at most 0.6.
- the principle is always, regardless of shape, crystal structure and particle size distribution, to combine two or more fillers which give substantially different diffusion capacities in the partial areas on the cigarette paper.
- inventive and preferred distribution parameter intervals generally apply to the use of filler particles having the particular shape or crystal structure, regardless of whether the filler is used alone or in a mixture of two or more fillers.
- cigarettes can be produced manually, manually or partially manually according to the methods of the prior art.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Paper (AREA)
- Cigarettes, Filters, And Manufacturing Of Filters (AREA)
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zigarettenpapier, das einer daraus gefertigten Zigarette selbstverlöschende Eigenschaften verleiht, wobei die erforderlichen Papiereigenschaften mit geringem Aufwand eingestellt werden können. Insbesondere betrifft sie ein Zigarettenpapier, das in Teilbereichen mit einer Zusammensetzung behandelt ist, die die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers reduziert und einen Füllstoff mit spezieller Kristallstruktur, Partikelform oder Partikelgröße enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Papiers und eine aus diesem Papier gefertigte Zigarette.
- Es ist ein Ziel der Tabakindustrie, Zigaretten zu produzieren, die eine geringere Tendenz besitzen, Brände auszulösen. Derartige Zigaretten sind bereits Bestandteil gesetzlicher Regelungen in verschiedenen Ländern und Regionen, wie zum Beispiel den USA, Kanada, der Europäischen Union oder Australien. Zur Feststellung, ob eine Zigarette eine geringere Neigung hat Brände auszulösen, bedient man sich eines in ISO 12863:2010 oder ASTM E2187 beschriebenen Tests.
- Dabei wird eine glimmende Zigarette auf einem definierten Substrat, beispielsweise 10 Lagen des Filterpapiers Whatman No. 2, platziert und man beobachtet, ob die Zigarette von selbst verlöscht, bevor der gesamte sichtbare Tabakstrang verglimmt ist. Vielfach verlangen die gesetzlichen Bestimmungen, dass von 40 getesteten Zigaretten mindestens 30 von selbst verlöschen müssen.
- Ein Weg, um die Selbstverlöschung einer Zigarette in diesem Test zu erreichen, besteht darin, in Teilbereichen auf das Zigarettenpapier eine Zusammensetzung aufzutragen, die die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers reduziert. Die Funktionsweise dieser Teilbereiche beruht vorwiegend darauf, dass sie den Zutritt von Sauerstoff zum Glutkegel der Zigarette behindern und damit zur Selbstverlöschung der Zigarette führen. Da der Zutritt von Sauerstoff während des Glimmens primär durch die Konzentrationsdifferenz zwischen dem Inneren der Zigarette und der Umgebung bestimmt wird, also durch die Diffusion, kommt es darauf an, die Diffusionskapazität dieser Teilbereiche ausreichend gering zu wählen.
- Die Messung der Diffusionskapazität solcher Teilbereiche kann mit einem entsprechenden Messgerät der Firma Borgwaldt KC (Borgwaldt A50) gemäß der CORESTA Recommended Method No. 77 erfolgen. Die Diffusionskapazität beschreibt dabei einen durch Konzentrationsunterschied getriebenen Gastransport durch das Zigarettenpapier. Sie bezeichnet daher das durch das Papier pro Zeiteinheit, pro Flächeneinheit und pro Konzentrationsdifferenz tretende Gasvolumen und hat somit die Einheit cm3/(cm2 s) = cm/s.
- Die für die Selbstverlöschung der Zigarette notwendige Diffusionskapazität der auf das Zigarettenpapier aufgebrachten Teilbereiche hängt nicht nur von den Eigenschaften des Zigarettenpapiers sondern zu einem erheblichen Teil auch von der Tabakmischung in der Zigarette und der Geometrie der Zigarette ab. Es ist beispielsweise bekannt, dass ein hoher Gehalt an groben Tabakpartikeln, den sogenannten stems, in der Tabakmischung die Selbstverlöschung unwahrscheinlicher macht, während ein hoher Anteil an Feinschnitt oder expandiertem Tabak der Selbstverlöschung förderlich ist. Ebenso ist bekannt, dass Zigaretten mit kleinerem Durchmesser im Allgemeinen leichter von selbst verlöschen und eine größere Länge des Tabakstrangs ebenfalls der Selbstverlöschung zuträglich ist, schon alleine deshalb, weil bei gegebenem Design der Teilbereiche sich üblicherweise mehr der mit der Zusammensetzung behandelten Teilbereiche auf dem Tabakstrang der Zigarette befinden als bei einem kurzen Tabakstrang.
- Man könnte nun einfach die behandelten Teilbereiche des Zigarettenpapiers mit einer sehr niedrigen Diffusionskapazität ausstatten und so die Selbstverlöschung weitgehend unabhängig von der Tabakmischung oder der gesamten Zigarettenkonstruktion bewirken. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass durch die Teilbereiche nicht nur die Diffusion von Sauerstoff in die Zigarette sondern auch die Diffusion des während des Glimmens und der Zugphase im Tabakstrang entstehenden Kohlenmonoxids aus der Zigarette heraus behindert wird. Daher kommt es durch die Teilbereiche zu einer Erhöhung des Kohlenmonoxidgehalts im Rauch, die wegen der üblichen gesetzlichen Vorgaben an den maximalen Kohlenmonoxidgehalt im Rauch unerwünscht ist. Zudem führt eine zu niedrige Diffusionskapazität zu einer häufigen Selbstverlöschung der Zigarette beim normalen Rauchvorgang, was die Akzeptanz solcher Zigaretten beim Raucher beeinträchtigt.
- Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Teilbereiche als Bänder in Querrichtung des Zigarettenpapiers auszuführen, sodass sie auf einer aus diesem Papier gefertigten Zigarette in Umfangsrichtung zu liegen kommen. Es ist ebenso bekannt, dass eine Mindestbreite der Bänder von 4 mm in vielen Fällen erforderlich ist, um Selbstverlöschung überhaupt zu erreichen. In der Praxis stellt sich jedoch zumeist heraus, dass zur Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen typischerweise 6 mm breite, vollflächig bedruckte Bänder auf dem Zigarettenpapier notwendig sind. Der Abstand zwischen den Bändern hingegen ergibt sich üblicherweise aus der Länge des Tabakstrangs der Zigarette, da oft gesetzlich gefordert wird, dass sich zumindest zwei Bänder auf dem Tabakstrang befinden müssen. Andere Formen der Teilbereiche, wie beispielsweise durch einen 1 mm breiten Schlitz unterbrochene, 6 oder 7 mm breite Bänder, sind ebenfalls bekannt. Prinzipiell können die Teilbereiche aber jede beliebige Form annehmen, solange es mit dem Auftragsverfahren für die Zusammensetzung vereinbar ist und eine ausreichende Selbstverlöschung sichergestellt werden kann.
- Aus dem Stand der Technik sind viele Zusammensetzungen bekannt, die in Teilbereichen auf das Papier aufgetragen werden können. Häufig handelt es sich dabei um wasserbasierte Zusammensetzungen, die zumindest ein filmbildendes Material umfassen. Dieses filmbildende Material bildet beim Trocknen des Papiers nach dem Auftrag einen oberflächlichen Film und verschließt damit die Poren des Papiers und reduziert so die Diffusionskapazität. Andere Materialien, die stattdessen in die Poren des Papiers eindringen sind ebenfalls bekannt. In manchen Fällen enthält die Zusammensetzung auch Pigmente. Diese Pigmente können den Teilbereichen eine Farbe verleihen, sind in vielen Fällen aber weiß, um die Opazität und Weiße der behandelten Teilbereiche an jene des unbehandelten Papiers anzugleichen und sie damit sehr wenig sichtbar zu machen.
- Der Auftrag der Zusammensetzung auf das Papier kann gemäß dem Stand der Technik durch alle möglichen Auftragsverfahren erfolgen, wobei sich Druckverfahren oder Sprühverfahren bewährt haben. Der Auftrag kann nach der Herstellung des unbehandelten Papiers oder während der Papierherstellung in der Papiermaschine erfolgen.
- Der Hersteller von Zigarettenpapieren für selbstverlöschende Zigaretten ist also aufgefordert, ein Papier bereitzustellen, bei dem die Diffusionskapazität in den Teilbereichen so auf die gesamte Zigarettenkonstruktion abgestimmt ist, dass die gesetzlichen Bestimmungen gerade erfüllt werden, aber die Diffusionskapazität nicht unnötig niedrig ist. Daher muss der Zigarettenpapierhersteller in der Lage sein, die Diffusionskapazität dieser Teilbereiche mit möglichst effizienten Mitteln in einem möglichst großen Bereich einstellen zu können, sodass auch kleinere Mengen solcher Papiere kosteneffizient hergestellt werden können. Denn während ohne die Anforderung der Selbstverlöschung eine Zigarettenpapiersorte prinzipiell auf vielen verschiedenen Zigarettenkonstruktionen eingesetzt werden und damit in großen Chargen produziert werden kann, erhöht sich durch diese Anforderung die Zahl der unterschiedlichen Papiersorten und entsprechend sinkt die Größe einer Produktionscharge.
- Der Stand der Technik erlaubt mehrere Möglichkeiten, die Diffusionskapazität der behandelten Teilbereiche des Zigarettenpapiers einzustellen.
- Eine Möglichkeit besteht darin, die Geometrie der behandelten Teilbereiche anzupassen. Je geringer die behandelte Fläche ist, umso unwahrscheinlicher kann die Selbstverlöschung werden. Die Änderung der Geometrie der behandelten Flächen ist allerdings nicht besonders effizient, weil sie beispielsweise bei Druckverfahren wie dem Tiefdruck, den Wechsel des Druckzylinders erfordert, was einige Zeit in Anspruch nimmt und die Produktivität reduziert. Außerdem müssen für jede in Frage kommende Geometrie ein Druckzylinder und eventuell auch ein Reservezylinder angeschafft und gelagert werden. Das Verfahren ist für kleine Produktionschargen also relativ teuer.
- Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die auf das Zigarettenpapier aufgetragene Menge der Zusammensetzung pro Flächeneinheit der behandelten Teilbereiche zu variieren. Auch dies kann bei einem Druckverfahren, beispielsweise beim Tiefdruck, mit Hilfe des Druckzylinders geschehen. Der Druckzylinder besitzt entsprechend dem Druckmuster eine Vielzahl kleiner gravierter oder geätzter Vertiefungen, in die die Zusammensetzung aus einem Vorratsbehälter aufgenommen und von diesen Vertiefungen auf das Papier übertragen wird. Durch das Volumen oder andere Eigenschaften dieser Vertiefungen kann die aufgetragene Menge beeinflusst werden. Die Nachteile bezüglich des Druckzylinderwechsels und der Lagerhaltung der Druckzylinder sind allerdings dieselben wie bei der Anpassung der Geometrie der Teilflächen.
- Schließlich besteht noch eine weitere Möglichkeit darin, den Anteil des filmbildenden Materials in der Zusammensetzung zu verändern. Je weniger filmbildendes Material in der Zusammensetzung ist, umso weniger filmbildendes Material wird bei gleicher Auftragsmenge der Zusammensetzung auf das Papier übertragen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass sich durch Veränderung des Anteils des filmbildenden Materials in der Zusammensetzung auch die Viskosität dieser Zusammensetzung ändert. Die meisten Auftragsverfahren erlauben keine große Variation der Viskosität der aufzutragenden Zusammensetzung oder erfordern entsprechende Anpassungen der Prozessparameter wie Geschwindigkeiten oder Trocknungstemperaturen, weshalb dieses Verfahren nur in engen Grenzen angewendet werden kann. Die Viskosität kann zwar auch durch Wahl des filmbildenden Materials beeinflusst werden, dem sind aber durch gesetzliche Vorgaben hinsichtlich der Bestandteile des Zigarettenpapiers sowie durch den Einfluss auf den Geschmack einer aus einem solchen Papier gefertigten Zigarette sehr enge Grenzen gesetzt.
- Gesucht ist also eine Möglichkeit, die Diffusionskapazität der behandelten Teilbereiche des Zigarettenpapiers einfach und kostengünstig einzustellen, sodass vergleichsweise kleine Chargen von Zigarettenpapier mit jeweils unterschiedlicher Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen des Papiers effizient hergestellt werden können.
- Die
WO 2009/006570 A2 offenbart ein Zigarettenpapier, das mindestens einen behandelten Teilbereich aufweist, in dem eine Zusammensetzung aufgetragen ist, die Füllstoffpartikel oder ein Gemisch aus Füllstoffpartikeln enthält. Gemäß dieser Schrift lassen sich die Selbstverlöschungseigenschaften durch Wahl des Materials des Füllstoffs verbessern. Bevorzugte Füllstoffmaterialien für diese Zwecke sind demnach Magnesiumoixd, Kaolin und Glimmer. Nicht bevorzugte Materialien sind Kalk, Tonmineralien, Calciumcarbonat oder Titanoxid. - Die nachveröffentlichte Anmeldung
WO 2013/178492 A2 offenbart ein Zigarettenpapier, das Zellstofffasern und zumindest anteilig plättchenförmiges Calciumcarbonat als Füllstoff enthält. - Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Zigarettenpapier bereit zu stellen, das in behandelten Teilbereichen eine definierte Diffusionskapazität besitzt und kostengünstig hergestellt werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch ein Zigarettenpapier nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Ansprüchen 8 und 13 gelöst. Ein derartiges Zigarettenpapier kann Anwendung in einer Zigarette nach Anspruch 15 finden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Das erfindungsgemäße Zigarettenpapier weist behandelte Teilbereiche auf, in denen eine Zusammensetzung aufgetragen ist, die ein filmbildendes Material und Füllstoffpartikel oder ein Gemisch aus Füllstoffpartikeln enthält, wobei die Diffusionskapazität in den behandelten Teilbereichen geringer ist als in einem unbehandelten Bereich des Zigarettenpapiers. Dabei sind mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch eine oder mehrere der folgenden Füllstoffpartikelarten gebildet:
- (a) Calciumcarbonat mit plättchenförmiger Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt: p ≥ 0,5, vorzugweise p ≥ 0,6 und p ≤ 1,0, vorzugsweise p ≤ 0,9,
- (b) Calciumcarbonat mit einer skalenoedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt:
- p ≥ 0,7, vorzugsweise p ≥ 0,8, besonders vorzugsweise p ≥ 0,85 und insbesondere p ≥ 0,9, oder
- p ≤ 0,3, vorzugsweise p ≤ 0,25, und besonders vorzugsweise p ≤ 0,2,
- (c) Calciumcarbonat mit einer rhomboedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung für die gilt:
≥ p ≥ 0,5, vorzugsweise p ≥ 0,6, und besonders vorzugsweise p ≥ 0,7, - (d) Calciumcarbonat mit einer kubischen Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt: p ≥ 0,2, vorzugweise p ≥ 0,3 und p ≤ 0,7, vorzugsweise p ≤ 0,6, oder
- (e) Calciumcarbonat mit einer skalenoedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt:
- p ≥ 0,40, vorzugsweise p ≥ 0,45 und
- p ≤ 0,60, vorzugsweise p ≤ 0,55.
- Dabei ist p ein dimensionsloser Parameter, der definiert ist als d50/(d90-d10) und eine auf die Verteilungsbreite d90 - d10 bezogene mittlere Partikelgröße d50 repräsentiert. Ferner beträgt die mittlere Größe d50 der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung mindestens 0,1 µm und höchstens 10 µm. Die in den behandelten Teilbereichen aufgetragene Materialmenge, angegeben als Masse/Auftragsfläche, beträgt im getrockneten Zustand mindestens 0,5 g/m2 und höchstens 12 g/m2.
- Alle Angaben zu Partikelgrößen beziehen sich dabei auf die nach ISO 13320:2009 mittels Laserbeugung und einem Modell nach Mie ermittelte Partikelgrößenverteilung. Der solcherart ermittelten Partikelgrößenverteilung kann man entnehmen, welcher Volumenanteil der Partikel kleiner als eine vorgegebene Größe ist. Solche Anteile werden in der vorliegenden Offenbarung in der Form "dx" angegeben, wobei x für eine Zahl zwischen O und 100 steht und d ein Maß der Partikelgröße ist. Beispielsweise bedeutet d10 = 0,5 µm, dass 10 Vol.-% der Partikel kleiner als 0,5 µm sind. Die Partikelgröße "d" entspricht dabei dem Durchmesser eines kugelförmigen Partikels. Bei Partikeln ohne Kugelform, entspricht sie jenem Durchmesser, den ein kugelförmiges Partikel besitzt, das, gemessen nach ISO 13320:2009, zu demselben Ergebnis führt, wie das Partikel ohne Kugelform.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe demnach dadurch gelöst, dass auf das Zigarettenpapier in Teilbereichen eine Zusammensetzung aufgetragen ist, die Füllstoffpartikel oder ein Gemisch aus Füllstoffpartikeln enthält, wobei durch die Kristallstruktur, Form und Größenverteilung dieser Füllstoffpartikel eine gewünschte Diffusionskapazität der Teilbereiche eingestellt werden kann.
- Als Ausgangspunkt für die folgenden Betrachtungen und Erläuterungen dient die Diffusionskapazität der Teilbereiche eines Zigarettenpapiers, das in diesen Teilbereichen mit einer Zusammensetzung behandelt ist, die als Füllstoff einen geologisch abgebauten Kalk mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 2,38 µm enthält. Derartiger geologisch abgebauter Kalk ist eine naheliegende Wahl und wird in der folgenden Beschreibung der Erfindung als "normaler Füllstoff" betrachtet. Begriffe wie "hoch", "höhere", "niedrig", "niedrigere" oder "mittlere" in Bezug auf die Diffusionskapazität sind relativ zu diesem Bezugspunkt zu verstehen.
- Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen - bei sonst gleicher Zusammensetzung und gleichem gewichtsmäßigen Füllstoffanteil - in Abhängigkeit von den Eigenschaften Gestalt, Kristallstruktur und Partikelgrößenverteilung des Füllstoffes ändern kann, und zwar in einem Ausmaß, das es gestattet, die Diffusionskapazität für eine Vielzahl von Basispapieren und Zigarettenkonfigurationen jeweils so einzustellen, dass sich die geeignete Diffusionskapazität ergibt. Die "geeignete Diffusionskapazität" ist dabei beispielsweise eine Diffusionskapazität, die zu einer zuverlässigen Selbstverlöschung in einem Test nach ISO 12863:2010 oder ASTM E2187 führt, gleichzeitig aber vermeidet, dass die Zigarette beim normalen Rauchvorgang von selbst verlischt.
- Die Einstellung der Diffusionskapazität über die Auswahl des Füllstoffes nach einem oder mehreren der drei obigen Kriterien ist deshalb von besonderer technischer Bedeutung, weil sich die weiteren Eigenschaften der Zusammensetzung, die Einfluss auf den Verarbeitungsprozess haben, nicht oder zumindest nicht wesentlich ändern. Dies wäre anders, wenn die Diffusionskapazität beispielsweise über den gewichtsmäßigen Anteil des Füllstoffs eingestellt würde, weil sich dadurch die makroskopischen physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung, insbesondere die Viskosität ändern würde, sodass der gesamte Verarbeitungsprozess beeinflusst würde.
- Um die Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen gezielt einstellen zu können, ist es wichtig, solche Füllstoffarten zu identifizieren, die die Diffusionskapazität gegenüber einer Zusammensetzung mit einem "normalen Füllstoff", beispielsweise geologisch abgebautem Kalk, erhöhen oder verringern können.
- Die eingangs genannten Füllstoffarten (a) - (c) führen zu einer Erhöhung der Diffusionskapazität, während die Füllstoffarten (d) und (e) zu einer Verringerung der Diffusionskapazität gegenüber einer Zusammensetzung mit herkömmlichem geologisch abgebautem Kalk führen und sind daher gut geeignet, um die Diffusionskapazität der behandelten Bereiche auf den gewünschten Wert einzustellen.
- Genauer haben die Erfinder gefunden, dass sich die Diffusionskapazität der Teilbereiche des Zigarettenpapiers unter ansonsten unveränderten Bedingungen erhöhen lässt, wenn zumindest ein Teil der Füllstoffpartikel in der Zusammensetzung eine plättchenförmige Gestalt hat (vgl. Merkmal (a)).
- Die Erfinder haben auch gefunden, dass sich die Diffusionskapazität der Teilbereiche des Zigarettenpapiers unter ansonsten unveränderten Bedingungen reduzieren lässt, wenn zumindest ein Teil der Füllstoffpartikel in der Zusammensetzung eine kubische Gestalt hat (Merkmal (d)).
- Schließlich haben die Erfinder gefunden, dass die Diffusionskapazität der Teilbereiche des Zigarettenpapiers unter ansonsten unveränderten Bedingungen an sich in einem mittleren Bereich liegt, wenn zumindest ein Teil der Füllstoffpartikel in der Zusammensetzung eine skalenoedrische oder rhomboedrische Kristallstruktur hat. In Bezug auf skalenoedrische und rhomboedrische Kristallstrukturen haben die Erfinder jedoch festgestellt, dass sich die Diffusionskapazität in Abhängigkeit eines einfachen Parameters der Partikelgrößenverteilung dieses Füllstoffs einstellen lässt. Insofern haben auch Füllstoffe mit rhomboedrischer und skalenoedrischer Kristallstruktur das Potenzial, die Diffusionskapazität gegenüber derjenigen, die sich aus einer ansonsten gleichen Zusammensetzung mit geologisch abgebautem Kalk als Füllstoff ergibt, zu erhöhen (Merkmale (b) und (c)) und - im Falle skalenoedrischer Kristallstruktur - zu verringern (Merkmal (e)).
- Bei Füllstoffen mit skalenoedrischer Kristallstruktur lässt sich demnach anhand eines aus der Partikelgrößenverteilung abgeleiteten dimensionslosen Parameters p die Diffusionskapazität einstellen. Es zeigt sich, dass die auf die Verteilungsbreite d90-d10 bezogene mittlere Partikelgröße d50, also der Parameter p=d50/(d90-d10), dafür besonders gut geeignet ist. Man findet eine sehr gute lineare Korrelation der Diffusionskapazität mit der Größe p×(p-1) mit einem Korrelationskoeffizienten von über 0,94. Dies bedeutet, dass man bei skalenoedrischen Füllstoffen für eine niedrige Diffusionskapazität den Parameter p mindestens 0,4, bevorzugt mindestens 0,45 und höchstens 0,6, bevorzugt höchstens 0,55 wählt. Um eine hohe Diffusionskapazität zu erhalten, wird man den Parameter p entweder niedrig wählen, also mindestens 0 und höchstens 0,3, bevorzugt höchstens 0,25 und besonders bevorzugt höchstens 0,2, oder hoch wählen, nämlich mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,8 und besonders bevorzugt mindestens 0,85 und insbesondere mindestens 0,9.
- Auch bei Füllstoffen mit rhomboedrischer Kristallstruktur lässt sich anhand desselben aus der Partikelgrößenverteilung abgeleiteten dimensionslosen Parameters p=d50/(d90-d10) die Diffusionskapazität einstellen. Man findet eine sehr gute lineare Korrelation der Diffusionskapazität mit der Größe p×(p-0,6) mit einem Korrelationskoeffizienten von über 0,98. Dies bedeutet, dass man bei rhomboedrischen Füllstoffen für eine vergleichsweise niedrige Diffusionskapazität den Parameter p mindestens 0,1, bevorzugt mindestens 0,2 und höchstens 0,5, bevorzugt höchstens 0,4 wählt. Um eine hohe Diffusionskapazität zu erhalten, wird man den Parameter p hoch wählen, also mindestens 0,5, bevorzugt mindestens 0,6 und besonders bevorzugt mindestens 0,7. Ob ein besonders niedrig gewählter Parameter p wie bei skalenoedrischen Füllstoffen auch zu einer Erhöhung der Diffusionskapazität führt, kann aus den vorhandenen Daten nicht beurteilt werden, der Fachmann wird es aber bei Verfügbarkeit geeigneter Füllstoffe leicht feststellen können.
- Unabhängig davon, ob die Gestalt der Füllstoffpartikel plättchenförmig, kubisch oder die Kristallstruktur skalenoedrisch oder rhomboedrisch ist, soll der Anteil dieser Füllstoffpartikel an der Gesamtmenge der Füllstoffpartikel in der Zusammensetzung mindestens 20 Gew.-%, bevorzugt mindestens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-% betragen. Je höher der Anteil der Füllstoffpartikel, umso stärker manifestiert sich der mit deren Gestalt verbundene Effekt auf die Diffusionskapazität.
- Erfindungsgemäß sollen die Partikel unabhängig von ihrer Gestalt eine mittlere Größe d50 von mindestens 0,1 µm, bevorzugt mindestens 0,3 µm und besonders bevorzugt mindestens 0,5 µm besitzen. Die mittlere Größe d50 soll höchstens 10 µm, bevorzugt höchstens 7 µm und besonders bevorzugt höchstens 5 µm betragen.
- Insbesondere für plättchenförmige oder kubische Füllstoffpartikel hat sich eine mittlere Größe d50 von mindestens 0,5 µm, bevorzugt mindestens 1,0 µm, und von höchstens 5 µm und bevorzugt von höchstens 3 µm bewährt.
- Bei plättchenförmigen Calciumcarbonatpartikeln ist ein Bereich für den Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) von mindestens 0,5, bevorzugt mindestens 0,6 bis höchstens 1,0, bevorzugt höchstens 0,9 gut geeignet.
- Bei kubischen Füllstoffpartikeln ist ein Bereich für den Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) von mindestens 0,2, bevorzugt mindestens 0,3 bis höchstens 0,7, bevorzugt höchstens 0,6 gut geeignet.
- In einer bevorzugten Ausführungsform haben die plättchenförmigen Calciumcarbonatpartikel eine Länge 1, eine Breite b und eine Dicke d, die den jeweils maximalen Abmessungen in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen entsprechen, wobei sowohl die Länge 1 als auch die Breite b mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens viermal so groß sind, wie die Dicke d.
- Die Länge 1 und die Breite b werden dabei üblicherweise verschieden voneinander sein, sollten sich aber um einen Faktor von weniger als 5, vorzugsweise weniger als 3 und besonders vorzugsweise weniger als 2 unterscheiden.
- Bei der idealisierten Vorstellung einer nahezu quaderförmigen Geometrie könnten die Länge 1, die Breite b und die Dicke d beispielsweise den Kantenlängen des Quaders entsprechen, d. h. es ist keinesfalls nötig, dass die Länge 1 der längsten Abmessung des Partikels entspricht, welche bei einem idealisierten Quader der Raumdiagonale entsprechen würde. In der Regel wird die Länge 1 jedoch größer oder gleich der Breite b sein und sich ihrerseits um einen Faktor von 2,5 oder weniger von der längsten Raumrichtung des Partikels unterscheiden.
- Zur Illustration wird auf die beigefügte
Fig. 3 verwiesen, die ein plättchenförmiges Calciumcarbonatteilchen illustriert, in dem die Länge 1, Breite b und Dicke d eingezeichnet sind. - Zwar bestehen abgesehen von der Kristallstruktur, Gestalt, Größe und Größenverteilung der Füllstoffpartikel keine besonderen Einschränkungen, doch sind sie bevorzugt weiß, damit die behandelten Teilbereiche des Zigarettenpapiers sich optisch so wenig wie möglich von unbehandelten Bereichen desselben Zigarettenpapiers unterscheiden.
- Eisenoxide können eingesetzt werden, sind aber nicht bevorzugt, weil sie im Allgemeinen nicht weiß sondern oft rot, braun, gelb oder schwarz sind. Für färbige Zigarettenpapiere können sie aber vorteilhaft gewählt werden.
- Ein bevorzugter Füllstoff ist Calciumcarbonat und dabei besonders gefälltes Calciumcarbonat, weil es reiner als geologisch abgebautes ist, und damit die Reinheitsanforderungen an Zigarettenpapier leichter zu erfüllen sind. Unter den erfindungsgemäß in Frage kommenden mineralischen Formen des Calciumcarbonats, wie Calcit, Aragonit und Vaterit, mit denen die Erfindung im Prinzip realisiert werden kann, ist Calcit wegen seiner leichten Verfügbarkeit bevorzugt.
- Der Anteil des erfindungsgemäßen Füllstoffs in der Zusammensetzung kann variieren. In erfindungsgemäßen die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers reduzierenden Zusammensetzungen sollte der Füllstoff zu mindestens 1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 3 Gew.-% und höchstens zu 20 Gew.-%, bevorzugt höchstens 10 Gew.-% enthalten sein. Da die Füllstoffpartikel in der Zusammensetzung unabhängig von ihrer Gestalt mit steigendem Anteil jedenfalls die Diffusionskapazität erhöhen, wird der Gehalt des Füllstoffs in der Zusammensetzung primär dadurch bestimmt, wie stark die anderen Bestandteile der Zusammensetzung in der Lage sind, die Diffusionskapazität zu reduzieren. Es ist möglich, aber nicht erfindungsgemäß durch Veränderung der Füllstoffmenge in der Zusammensetzung die Diffusionskapazität zu verändern. Dies beeinflusst jedoch auch die Viskosität der Zusammensetzung, was zusätzliche Anpassungen im Auftragsverfahren erforderlich machen kann, beispielsweise bei Geschwindigkeiten oder Trocknungstemperaturen. Gemäß der Erfindung hingegen soll der Gehalt des Füllstoffs in der Zusammensetzung konstant bleiben und nur durch Veränderung der Gestalt, Kristallstruktur und Größe der Füllstoffpartikel die Diffusionskapazität angepasst werden.
- Die Zusammensetzung selbst umfasst zunächst ein Lösungsmittel, wobei der Begriff "Lösungsmittel" nicht bedeuten soll, dass es sich um eine Lösung im engeren chemischen Sinn handelt. In den meisten Fällen werden die Füllstoffpartikel im Lösungsmittel suspendiert aber nicht gelöst sein. Wasser ist ein besonders bevorzugtes Lösungsmittel, weil es toxikologisch unbedenklich ist und den Geruch und Geschmack des Papieres nicht beeinträchtigt. Aus geschmacklichen Gründen und zur Vermeidung von Verunreinigungen ist Wasser in Trinkwasserqualität besonders bevorzugt. Der Einsatz destillierten oder de-ionisierten Wassers ist möglich, bringt aber keine zusätzlichen Vorteile. Andere Lösungsmittel, wie Ethanol oder Ethylacetat, obwohl nicht bevorzugt, haben gegenüber Wasser zumindest die Vorteile, dass sie sich beim Trocknen mit geringeren Temperaturen und geringerem Energieaufwand verdampfen lassen und keine Falten durch Quellung der Fasern im Papier verursachen. Gemische aus Lösungsmitteln können ebenfalls verwendet werden.
- Besonders bevorzugt sind filmbildende Materialien, die aus einer Gruppe bestehend aus Stärke, Stärkederivaten, Zellulose, Zellulosederivaten, Dextrine, Guar oder Gummi Arabicum und Alginaten, oder Mischungen daraus ausgewählt sind. Ganz besonders bevorzugt sind oxidierte Stärken und Natriumalginat.
- Der Anteil des die Diffusionskapazität reduzierenden Materials an der Zusammensetzung kann in einem weiten Bereich variieren und wird vor allem dadurch bestimmt, wie stark das Material in der Lage ist, die Diffusionskapazität zu reduzieren, und welche Viskosität die Zusammensetzung für das Auftragsverfahren besitzen soll. Im Allgemeinen wird das die Diffusionskapazität reduzierende Material in der Zusammensetzung in einem Anteil von mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 3 Gew.-% enthalten sein. Das Material sollte höchstens 40 Gew.-%, bevorzugt höchstens 30 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 25 Gew.-% der Zusammensetzung ausmachen. Auch hier ist es nicht im Sinne der Erfindung, die Diffusionskapazität über die Änderung des Gehalts oder der Art des die Diffusionskapazität reduzierenden Materials in der Zusammensetzung zu steuern, sondern der Gehalt und das Material sollen unverändert bleiben und nur die Art des Füllstoffs variiert werden, sodass die Viskosität und andere Prozessparameter sich möglichst nicht ändern.
- Weitere Materialien in der Zusammensetzung können zur Steuerung bestimmter Eigenschaften der Zusammensetzung oder des Papiers ebenfalls enthalten sein. Dazu gehören Materialien zur Einstellung der Viskosität, zur Einstellung der Farbe oder auch Substanzen, wie beispielsweise Citrate, Acetate und Phosphate oder andere Brandsalze, die die Glimmgeschwindigkeit des Zigarettenpapiers steuern. Der Fachmann ist in der Lage, den Anteil dieser Materialien in der Zusammensetzung entsprechend den technischen Anforderungen an das Papier oder an das Auftragsverfahren festzulegen.
- Für den Auftrag in einem Druckverfahren, insbesondere im Tiefdruck oder Flexodruck, hat sich eine Zusammensetzung mit einer Auslaufzeit von mindestens 10 s, bevorzugt von mindestens 12 s und von höchstens 35 s, bevorzugt von höchstens 25 s, gemessen mit einem Auslaufbecher mit 4 mm Öffnung nach ÖNORM EN ISO 2431:2011 bei einer Temperatur der Zusammensetzung von 60°C, bewährt.
- Vorzugsweise beträgt die in den Teilbereichen des Zigarettenpapiers aufgetragene Materialmenge, angegeben als Masse pro Auftragsfläche im getrockneten Zustand mindestens 1 g/m2 und/oder höchstens 8 g/m2. Mit derartigen Auftragsmengen lässt sich die gewünschte Diffusionskapazität in vorteilhafter Weise erzielen.
- Zur Abschätzung der Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers auf der Zigarette während des Rauchens kann das Zigarettenpapier vor der Messung auch aufgeheizt werden. Dabei wird das Zigarettenpapier in einem auf 230°C vorgeheizten Wärmeschrank für 30 Minuten unter Luftatmosphäre gelagert, danach aus dem Wärmeschrank entnommen und gemäß ISO 187:1990 konditioniert. Die Messung der Diffusionskapazität erfolgt nach CORESTA Recommended Method No. 77 mit einem Messgerät Borgwaldt A50 der Firma Borgwaldt KC.
- Durch den thermischen Zerfall des Zigarettenpapiers erhöht sich die Diffusionskapazität unter anderem in Abhängigkeit von den Papiereigenschaften und der Art des die Diffusionskapazität reduzierenden Materials in der Zusammensetzung. Nach dieser thermischen Behandlung beträgt die Diffusionskapazität der behandelten Teilbereiche mindestens 0,05 cm/s, bevorzugt mindestens 0,1 cm/s und höchstens 2 cm/s bevorzugt höchstens 1 cm/s. Die Diffusionskapazität kann von Teilbereich zu Teilbereich variieren, auch eine Veränderung der Diffusionskapazität innerhalb eines Teilbereichs ist möglich, um beispielsweise den Kohlenmonoxidgehalt im Rauch günstig zu beeinflussen, solange die gesetzlich verlangte Selbstverlöschung nach ISO 12863:2010 nicht gefährdet wird.
- Der Auftrag der Zusammensetzung kann nach allen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen, insbesondere durch Druck- oder Sprühverfahren. Beispielsweise sind Tiefdruck oder Flexodruck besonders gut geeignet.
- Der Auftrag erfolgt zumeist auf die Siebseite des Zigarettenpapiers, da sie dem Tabak zugewandt ist, und die Teilbereiche damit für den Raucher bei normaler Nutzung der Zigarette weniger gut sichtbar sind. Ein Auftrag auf die Oberseite ist ebenfalls möglich, da diese Seite des Papiers für den Druck an sich besser geeignet ist.
- Der Auftrag kann in einer oder mehreren Schichten mit oder ohne Trocknung des Papiers zwischen den Auftragsvorgängen erfolgen, wobei wegen der notwendigen Registrierung, d.h. Positionierung, der einzelnen Schichten zueinander ein Auftrag in möglichst wenigen Schichten, insbesondere in nur einer Schicht, bevorzugt ist. Im Fall, dass mehrere Schichten aufgetragen werden, ist es nicht erforderlich, dass alle Schichten hinsichtlich ihrer Form und der aufgetragenen Menge und selbst bezüglich der Zusammensetzung identisch sind. Hier bietet sich ein weites Feld zur feinen Einstellung der Papiereigenschaften, insbesondere der Diffusionskapazität, das bereits zum Teil aus dem Stand der Technik bekannt ist, zumeist aber durch einfaches Experimentieren dem Fachmann zugänglich ist. Das Prinzip der gegenständlichen Erfindung bleibt aber anwendbar.
- Der Auftrag wasserbasierter Zusammensetzungen kann mit der Bildung von Falten am Papier verbunden sein, die durch eine weitere Behandlung, wie beispielsweise Nachbefeuchtung des Papiers mit anschließender Trocknung unter mechanischer Spannung behoben werden können. Auch Substanzen zur Reduktion der Faltenbildung, wie Propylenglykol oder Glycerin können in der Zusammensetzung enthalten sein.
- Die Erfindung ist, wie der Fachmann einfach experimentell feststellen kann, mit vielen weiteren Behandlungsschritten des Zigarettenpapiers problemlos kombinierbar. Dazu gehören beispielsweise das Prägen, der Aufdruck von Mustern zur Verbesserung der Optik oder das Beschichten mit Substanzen zur Beeinflussung der Zusammensetzung des Rauchs einer aus diesem Papier gefertigten Zigarette, insbesondere der als "Hoffmann-Analyten" bekannten Substanzen im Rauch. Diese Schritte können je nach Anforderung vor oder nach dem Auftrag der Zusammensetzung auf das Papier durchgeführt werden.
- Die Verarbeitbarkeit des erfindungsgemäßen Zigarettenpapiers auf den kommerziell erhältlichen Zigarettenmaschinen ist unverändert.
- An das Zigarettenpapier bestehen keine speziellen Anforderungen. Grundsätzlich können alle aus dem Stand der Technik bekannten Zigarettenpapiere erfindungsgemäß eingesetzt werden. Dies umfasst sowohl Zigarettenpapiere für maschinengefertigte als auch für manuell oder teilweise manuell gefertigte Zigaretten.
- Das Zigarettenpapier hat vorzugsweise ein Flächengewicht von 9 g/m2 bis zu 70 g/m2, bevorzugt zwischen 20 g/m2 und 50 g/m2 und besteht vorzugsweise aus Zellstofffasern, beispielsweise Holzzellstofffasern oder Zellstofffasern aus Einjahrespflanzen wie Hanf, Flachs oder Espartogras. Das Zigarettenpapier enthält vorzugsweise auch Füllstoffe, typischerweise in einem Bereich von 0 Gew.-% bis 50 Gew.-% , bevorzugt 10 Gew.-% bis 45 Gew.-%, der Papiermasse, wie beispielsweise Kalk, Kaolin, Titandioxid, Aluminiumhydroxid, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid oder seltener auch Eisenoxide. Gefällter Kalk ist bevorzugt. Zusätzlich kann das Zigarettenpapier auch Salze enthalten, beispielsweise um die Glimmgeschwindigkeit oder andere Papiereigenschaften zu steuern, dazu gehören beispielsweise Citrate, Acetate oder Phosphate, Malate, Tartrate, Nitrate, Succinate, Fumarate, Gluconate, Glycolate, Lactate, Oxylate, Salicylate, α-Hydroxycaprylate, Hydrogencarbonate, Carbonate, wie tri-Natriumcitrat, tri-Kaliumcitrat oder Monoammoniumphosphat. Sie sind vorzugsweise im Bereich von 0 Gew.-% bis 7 Gew.-% der Papiermasse enthalten und werden typischerweise aus einer wässrigen Lösung in der Leim- oder Filmpresse der Papiermaschine oder einer separaten Vorrichtung auf das Papier aufgetragen. Andere Substanzen, wie beispielsweise Farbstoffe, können dem Zigarettenpapier hinzugefügt werden, solange sie gesetzlich erlaubt und toxikologisch unbedenklich sind.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung des Zigarettenpapiers die folgenden Schritte:
- Herstellen einer ersten Menge einer vorläufigen Zusammensetzung, die ein Lösungsmittel und ein Material enthält, das in der Lage ist, die Diffusionskapaziät des Zigarettenpapiers zu reduzieren,
- Abzweigen eines ersten Anteils der vorläufigen Zusammensetzung,
- Zusetzen von Füllstoff, enthaltend mindestens eine oder mehrere der oben genannten Füllstoffarten (a) - (e) zu dem abgezweigten ersten Anteil der vorläufigen Zusammensetzung, um eine erste Zusammensetzung zu bilden, und
- Behandeln von Teilbereichen des Basiszigarettenpapiers mit der ersten Zusammensetzung.
- Nach dieser Ausführungsform wird also die Zusammensetzung nicht in einem Prozess als Ganzes, d. h. inklusive des Füllstoffs, gebildet. Stattdessen wird zunächst nur eine vorläufige Zusammensetzung hergestellt, die zwar ein Lösungsmittel und ein Material enthält, das in der Lage ist, die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers zu reduzieren, aber noch nicht den Füllstoff, zumindest noch nicht in der endgültigen Menge. Von dieser vorläufigen Zusammensetzung wird dann ein Anteil abgezweigt, dem ein Füllstoff oder ein Gemisch von Füllstoffen zugesetzt wird, um eine erste Zusammensetzung zu bilden, während ein (gegebenenfalls großer) Teil der vorläufigen Zusammensetzung zunächst zurückbehalten wird. Mit dieser ersten Zusammensetzung kann dann eine vergleichsweise kleine Menge von Basiszigarettenpapier behandelt werden, und es kann überprüft werden, ob die Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen in dem gewünschten Maß verringert wird. Auf diese Weise kann die vorläufige Zusammensetzung in größerer Menge und damit wirtschaftlich hergestellt werden, während zunächst nur ein Teil davon zu einer ersten Zusammensetzung ergänzt wird. Wenn sich herausstellt, dass die erste Zusammensetzung die gewünschte Reduktion der Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen ergibt, kann ein weiterer Teil oder der gesamte Rest der vorläufigen Zusammensetzung ebenfalls mit derselben Auswahl von Füllstoff oder Füllstoffen ergänzt werden.
- Falls die Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen jedoch noch nicht zu der erwünschten Diffusionskapazität führt, kann das Verfahren wie folgt fortgeführt werden:
- Abzweigen eines zweiten Anteils der vorläufigen Zusammensetzung,
- Zusetzung von Füllstoffen, enthaltend mindestens eine der obengenannten Füllstoffarten (a) - (e) zu dem abgezweigten zweiten Anteil der vorläufigen Zusammensetzung, um eine zweite Zusammensetzung zu bilden, wobei sich die Auswahl der zugesetzten Füllstoffpartikel in Art oder Anteil von derjenigen der ersten Zusammensetzung unterscheidet, und
- Behandeln von Teilbereichen eines Basiszigarettenpapiers mit der zweiten Zusammensetzung.
- Auf diese Weise kann die Ermittlung des Füllstoffes bzw. eines geeigneten Gemisches von Füllstoffarten, die zu der gewünschten Diffusionskapazität in den behandelten Bereichen führt, auf einfache und wirtschaftliche Weise durchgeführt werden. Dies wird unten anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Zusatz der Füllstoffe zu dem jeweiligen abgezweigten Anteil der vorläufigen Zusammensetzung in der Auftragsvorrichtung oder in einer Zufuhrleitung zu der Auftragsvorrichtung für das Auftragen der ersten bzw. zweiten Zusammensetzung vorgenommen. In diesem Fall kann die Beimischung des Füllstoffes somit "on-line" während des Auftragsprozesses variiert werden, sodass auf einfache Weise und mit vergleichsweise geringem Ausschuss ein geeigneter Füllstoff bzw. ein geeignetes Füllstoffgemisch ermittelt werden kann. Man beachte, dass auch das kontinuierliche Zuleiten einer vorläufigen Zusammensetzung zur Versetzung mit Füllstoffen als "Abzweigung" eines Teils der vorläufigen Zusammensetzung verstanden wird, weil stets nur ein Teil der vorläufigen Zusammensetzung mit Füllstoffen versetzt wird und die Möglichkeit besteht, dass unterschiedliche Anteile der vorläufigen Zusammensetzung mit unterschiedlichen Füllstoffen versetzt werden.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren zu Herstellung eines Zigarettenpapiers die folgenden Schritte:
- A Bereitstellen eines Basispapiers,
- B Behandeln von ausgewählten Bereichen des Basispapiers mit einer Zusammensetzung, um die Diffusionskapazität des Basispapiers in den behandelten Bereichen zu verringern, wobei die Zusammensetzung mindestens einen ersten Füllstoff enthält,
- C zumindest näherungsweises Messen der Diffusionskapazität in einem behandelten Bereich,
- D Feststellen, ob die gemessene Diffusionskapazität von einem Soll-Wert abweicht,
- E für den Fall, dass eine Abweichung zwischen der gemessenen Diffusionskapazität und dem Sollwert einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, Bereitstellen einer modifizierten Zusammensetzung, die sich von der Zusammensetzung von Schritt B zumindest darin unterscheidet, dass zumindest ein Teil des ersten Füllstoffs durch einen zweiten Füllstoff ersetzt ist, der sich durch eines der Merkmale Gestalt, Kristallstruktur und Partikelgrößenverteilung von dem ersten Füllstoff unterscheidet, um die Abweichung der Diffusionskapazität von dem Sollwert zu verringern.
- Vorzugsweise werden die Schritte B - E wiederholt, bis die Abweichung zwischen der gemessenen Diffusionskapazität und dem Sollwert einen Grenzwert unterschreitet. Wenn dieses Verfahren automatisch ausgeführt wird, kann es durch einen Regelprozess realisiert werden. Das Verfahren kann jedoch auch "manuell" oder halbautomatisch durchgeführt werden, beispielsweise indem im Schritt E eine Person anhand der Abweichung zwischen der gemessenen Diffusionskapazität und dem Sollwert entscheidet, welcher Füllstoff als "zweiter Füllstoff" herangezogen werden soll, um zumindest einen Teil des "ersten Füllstoffs" zu ersetzen.
- Vorzugsweise findet die zumindest näherungsweise Messung der Diffusionskapazität durch Messung von Transmission, Absorption und/oder Reflexion elektromagnetischer Strahlen statt. Auf diese Weise lässt sich die Diffusionskapazität zwar nicht so genau ermitteln, wie durch die eingangs beschriebenen Verfahren, jedoch hat dies den Vorteil, dass die Diffusionskapazität "on-line", d. h. während des Behandlungsprozesses ermittelt werden kann.
- Für den Fall, dass die in Schritt D gemessene Diffusionskapazität unter dem Sollwert liegt, bietet sich an, dass der zweite Füllstoff zumindest teilweise durch eine oder mehrere der obengenannten Füllstoffpartikelarten (a) - (c) gebildet wird. Sollte die in Schritt D gemessene Diffusionskapazität über dem Sollwert liegen, kann der zweite Füllstoff zumindest teilweise durch einen oder beide der obengenannten Füllstoffpartikelarten (d) und (e) gebildet werden. Das Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Stattdessen kann es sich auch anderer Füllstoffpartikelarten bedienen, die den gewünschten Einfluss auf die Diffusionskapazität haben.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält die Zusammensetzung zwei Füllstoffarten, die sich bezüglich eines der Merkmale Gestalt, Kristallstruktur und Partikelgrößenverteilung unterscheiden und von denen der eine Füllstoff - bei gleichem Gewichtsanteil und ansonsten gleicher Zusammensetzung - zu einer höheren Diffusionskapazität im behandelten Bereich führt als der andere. In diesem Fall wird in Schritt E das anteilige Verhältnis der beiden Füllstoffe in der Zusammensetzung gegenüber der Zusammensetzung von Schritt B verändert, um die Abweichung der Diffusionskapazität vom Sollwert zu verringern. Ein derartiges Verfahren ist vergleichsweise einfach, gestattet aber bei geeigneter Wahl der beiden Füllstoffarten gleichwohl eine verhältnismäßig große Variation der erreichbaren Diffusionskapazität.
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- Fig. 1
- zeigt für skalenoedrische Füllstoffe den Zusammenhang zwischen dem dimensionslosen Verteilungsparameter p der Partikelgrößenverteilung und der Diffusionskapazität.
- Fig. 2
- zeigt für rhomboedrische Füllstoffe den Zusammenhang zwischen dem dimensionslosen Verteilungsparameter p der Partikelgrößenverteilung und der Diffusionskapazität.
- Fig. 3
- ist eine schematische Darstellung eines plättchenförmigen Calciumcarbonatpartikels, bei dem die Länge 1, die Breite b und die Dicke d eingezeichnet sind.
- Fig. 4
- zeigt eine Tabelle mit Diffusionskapazitäten und Viskositätswerten für unterschiedliche Füllstoffarten bei Verwendung eines ersten Basispapiers A.
- Fig. 5
- zeigt eine Tabelle mit Diffusionskapazitäten für unterschiedliche Füllstoffarten bei Verwendung eines zweiten Basispapiers B.
- Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird sie im Folgenden durch einige Beispiele illustriert.
- Die auf das Papier aufgetragene Zusammensetzung ist eine wässrige Zusammensetzung bestehend aus 13 Gew.-% oxidierter Stärke, 0,5 Gew.-% kationischer Stärke und 6 Gew.-% Kalk als Füllstoff. Die Zusammensetzung wurde nach den Vorgaben des Herstellers der oxidierten Stärke hergestellt. Insgesamt 13 verschiedene Füllstoffe wurden gemäß
Fig. 4 gewählt und jeweils einer der Füllstoffe in der Zusammensetzung suspendiert. - Die Auslaufzeit der Zusammensetzung als Maß für die Viskosität wurde mit einem Auslaufbecher mit einer Öffnung von 4 mm gemäß ÖNORM EN ISO 2431:2011 bei einer Temperatur der Zusammensetzung von 60°C bestimmt und ist in
Fig. 4 angegeben. - Die Zusammensetzung wurde auf zwei verschiedene Zigarettenpapiere A und B aufgetragen. Das Zigarettenpapier A hatte vor Auftrag der Zusammensetzung ein Flächengewicht von 25 g/m2, eine Luftdurchlässigkeit nach ISO 2965 von 70 cm.min-1.kPa-1, einen Füllstoffgehalt von 33 Gew.-%, und einen Gehalt von 1 Gew.-% Trikaliumzitrat als Brandsalz, während Zigarettenpapier B ein Flächengewicht von 24 g/m2, eine Luftdurchlässigkeit nach ISO 2965 von 75 cm.min-1.kPa-1, einen Füllstoffgehalt von 29 Gew.-%, und einen Gehalt von 2 Gew.-% Trikaliumzitrat als Brandsalz hatte. Um den thermischen Zerfall des Zigarettenpapiers beim Rauchen zu simulieren, wurde das Zigarettenpapier in einem auf 230°C vorgeheizten Wärmeschrank für 30 Minuten unter Luftatmosphäre gelagert, danach aus dem Wärmeschrank entnommen und gemäß ISO 187:1990 konditioniert. Die Messung der Diffusionskapazität erfolgte anschließend nach CORESTA Recommended Method No. 77 mit einem Messgerät Borgwaldt A50 der Firma Borgwaldt KC.
- Beide Zigarettenpapiere hatten ohne Auftrag der Zusammensetzung nach dem obigen Aufheizprozess eine aus 10 Einzelwerten berechnete mittlere Diffusionskapazität von 2,17 cm/s.
- Der Auftrag der Zusammensetzung erfolgte mittels eines Tiefdruckwerks gemäß dem Stand der Technik in einer Schicht auf die Siebseite des ursprünglichen, also nicht aufgeheizten, Zigarettenpapiers, in Form von 6 mm breiten in Querrichtung des Papiers orientierten Bändern mit einem Abstand von Bandmitte zu Bandmitte von 27 mm. Nach dem Auftrag wurde das Papier getrocknet.
- Ebenso wie zuvor für die Messung der Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers ohne Auftrag der Zusammensetzung beschrieben, wurde das nun mit der Zusammensetzung versehene Papier in einem auf 230°C vorgeheizten Wärmeschrank für 30 Minuten unter Luftatmosphäre gelagert, danach aus dem Wärmeschrank entnommen und gemäß ISO 187:1990 konditioniert. Die Messung der Diffusionskapazität erfolgte anschließend nach CORESTA Recommended Method No. 77 mit einem Messgerät Borgwaldt A50 der Firma Borgwaldt KC jeweils an 10 verschiedenen Stellen. Die Mittelwerte der Diffusionskapazitäten sind in den Tabellen 1 und 2 von
Fig. 4 und 5 angegeben. - Das Verhältnis der Mittelwerte der Diffusionskapazitäten des unbehandelten Zigarettenpapiers und der behandelten Bereiche ist für Papier A in der Tabelle 1 von
Fig. 4 und für Papier B in der Tabelle 2 vonFig. 5 jeweils in der Spalte "Verhältnis" angegeben. - Der geologisch abgebaute und gemahlene Kalk aus den Beispielen 8 und 23 dient als Referenzpunkt.
- Man erkennt zunächst an den Beispielen 1 und 15, dass sich mit plättchenförmigem Calcit eine außergewöhnlich hohe Diffusionskapazität erzielen lässt. Der Einsatz solcher Füllstoffsorten bewirkt eine Abnahme der Diffusionskapazität gegenüber jener des unbehandelten Zigarettenpapiers um einen Faktor zwischen 2 und 4. Umgekehrt erzielt man mit kubischem Calcit, Beispiele 13 und 25, eine sehr niedrige Diffusionskapazität und entsprechend eine Abnahme der Diffusionskapazität gegenüber jener des unbehandelten Zigarettenpapiers um einen Faktor 5 bis 8
Die skalenoedrischen und rhomboedrischen Calcite der übrigen Beispiele liefern zumeist Diffusionskapazitäten im mittleren Bereich. - In
Figur 1 sind die Werte des Verteilungsparameters p und die Diffusionskapazitäten für Papiere, auf die eine Zusammensetzung mit einem skalenoedrischen Füllstoff aufgetragen wurde, grafisch dargestellt, also für die Beispiele 3, 4, 6, 9-11, 16-18, 21, 22 und 24 als runder Punkt, sowie für die Beispiele 12 und 26, bei denen der Füllstoff neben Calcit auch Aragonit enthält, als kleines Quadrat. Man erkennt deutlich, dass sowohl bei niedrigen Werten für p, beispielsweise p<0,3 als auch bei hohen Werten von p, beispielsweise P>0,7 eine hohe Diffusionskapazität erzielt werden kann. In diesen Bereichen für den Parameter p wird die Diffusionskapazität gegenüber dem unbehandelten Zigarettenpapier um einen Faktor 3 bis 6 reduziert. Für Werte von p zwischen 0,3 und 0,7 ergeben sich niedrige Diffusionskapazitäten und entsprechend eine Abnahme der Diffusionskapazität um einen Faktor größer als 6. Die Linie inFigur 1 zeigt die Kurve p×(p-1)+0,6 in cm/s und illustriert die gute Korrelation dieser Größe mit der Diffusionskapazität. Der Korrelationskoeffizient beträgt mehr als 0,94. - Die Beispiele 12 und 26 zeigen ein Gemisch aus Calcit und Aragonit, mit primär skalenoedrischer Kristallstruktur. Die Daten sind als kleines Quadrat in
Figur 1 dargestellt und fügen sich gut in das Bild für skalenoedrische Füllstoffe ein. - In
Figur 2 sind die Werte des Verteilungsparameters p und die Diffusionskapazitäten für Papiere, auf die eine Zusammensetzung mit einem rhomboedrischen Füllstoff aufgetragen wurde, grafisch dargestellt, also für die Beispiele 2, 5, 7, 14, 19 und 20. Man erkennt deutlich, dass bei niedrigen Wert für p, beispielsweise P<0,5 eine niedrige Diffusionskapazität erzielt werden kann und damit eine Abnahme der Diffusionskapazität gegenüber dem unbehandeleten Zigarettenpapier um einen Faktor von mehr als etwa 5, während für Werte von P>0,5 sich hohe Diffusionskapazitäten ergeben, also eine Abnahme um einen Faktor von weniger als etwa 5. Die Linie inFigur 2 zeigt die Kurve 3p×(p-0,6)+0,7 in cm/s und illustriert die gute Korrelation dieser Größe mit der Diffusionskapazität. Der Korrelationskoeffizient beträgt mehr als 0,98. Ob sich für besonders niedrige Werte des Verteilungsparameters p auch für rhomboedrische Füllstoffe wieder eine Steigerung der Diffusionskapazität ergibt, kann anhand der Daten nicht zuverlässig festgestellt werden. Der Fachmann ist aber in der Lage, das durch einfaches Experimentieren festzustellen. - Die Zeilen in den Tabellen 1 und 2 von
Fig. 4 und 5 sind nach der gemessenen Diffusionskapazität absteigend sortiert. Man erkennt durch Vergleich der ersten und zweiten Spalte vonFig. 5 auch, dass die Reihenfolge der Kalksorten annähernd gleich bleibt. Da sich die Beispiele der Tabellen 1 und 2 vonFig. 4 und 5 nur hinsichtlich des Zigarettenpapiers unterscheiden, zeigt sich, dass die Erfindung weitgehend unabhängig vom Zigarettenpapier eingesetzt werden kann. - Zu beachten ist auch die Auslaufzeit der Zusammensetzung, wie in der Tabelle 1 von
Fig. 4 angegeben. Die Auslaufzeit ist ein Maß für die Viskosität und bewegt sich in allen Beispielen in dem relativ engen Intervall von 14,3 s bis 16,5 s, sodass ohne weitere Änderungen der Prozessparameter alle Zusammensetzungen gleichartig verarbeitet werden können. Somit lässt sich der Vorteil einer raschen Einstellung der Diffusionskapazität für kleine Produktionschargen und, je nach Verfahren, ohne wesentliche Zeitverzögerung bei der Umstellung der Diffusionskapazität realisieren. - Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht wie eingangs erläutert darin, dass ohne Änderung der Prozessparameter oder der chemischen Inhaltsstoffe der aufzutragenden Zusammensetzung, einfach durch Wahl einer geeigneten Kristallstruktur, Gestalt oder Größe der Füllstoffpartikel die Diffusionskapazität beeinflusst werden kann.
- Besonders vorteilhaft lässt sich daher die Erfindung in dem folgenden Verfahren umsetzen.
- Zunächst wird ein Zigarettenpapier bereitgestellt, auf das die Zusammensetzung in Teilbereichen aufgetragen werden soll.
- In einem nächsten Schritt wird eine vorläufige Zusammensetzung hergestellt, umfassend zumindest das Lösungsmittel und ein Material zur Reduktion der Diffusionskapazität, aber höchstens unwesentliche Mengen der erfindungsgemäßen Füllstoffe. Dies kann bevorzugt in einem Vorlagebehälter geschehen.
- Im Falle einer Stärke oder eines Stärkederivats kann dieser Schritt das Suspendieren der Stärke oder des Stärkederivats in Wasser, das Erhitzen der Suspension, das Verweilen auf einer erhöhten Temperatur und das Abkühlen umfassen. Alle diese Schritte können unter begleitendem Rühren dieser vorläufigen Zusammensetzung erfolgen.
- Im Allgemeinen kann man zur Herstellung der vorläufigen Zusammensetzung nach den Richtlinien des Herstellers des die Diffusionskapazität reduzierenden Materials verfahren.
- Der nächste Schritt besteht in der Auswahl der Art der Füllstoffpartikel anhand der zu erzielenden Diffusionskapazität der behandelten Teilbereiche auf dem Zigarettenpapier.
- Auch hier dient als Ausgangspunkt für die folgenden Betrachtungen die Diffusionskapazität der Teilbereiche eines Zigarettenpapiers, das in diesen Teilbereichen mit einer Zusammensetzung behandelt ist, die als Füllstoff einen geologisch abgebauten Kalk mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 2,38 µm enthält. Begriffe wie "hoch", "höhere", "niedrig", "niedrigere" oder "mittlere" in Bezug auf die Diffusionskapazität sind relativ zu diesem Bezugspunkt zu verstehen.
- Um eine hohe Diffusionskapazität zu erzielen, wählt man beispielsweise ein plättchenförmiges Calciumcarbonat. Bevorzugt soll dabei der Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) mindestens 0,5, bevorzugt mindestens 0,6 und höchstens 1,0, bevorzugt höchstens 0,9 betragen.
- Um eine niedrige Diffusionskapazität zu erzielen, wählt man vorzugsweise einen kubischen Füllstoff. Bevorzugt soll dabei der Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) mindestens 0,2, bevorzugt mindestens 0,3 und höchstens 0,7, bevorzugt höchstens 0,6 betragen.
- Um die Diffusionskapazität in einem mittleren Bereich genauer einzustellen, kann man bevorzugt einen Füllstoff mit skalenoedrischer Kristallstruktur verwenden, der hinsichtlich seines Verteilungsparameters p=d50/(d90-d10) zur gewünschten Diffusionskapazität führt. Für im mittleren Bereich hohe Diffusionskapazitäten wird man einen Füllstoff mit einem Wert von p größer als 0 und kleiner oder gleich 0,3 bevorzugt kleiner oder gleich 0,25 und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 wählen oder alternativ einen Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,7, bevorzugt ≥ 0,8, besonders bevorzugt ≥ 0,85 und insbesondere ≥ 0,9 wählen. Hierbei sollte p jedoch ≤ 1,2, bevorzugt ≤ 1,0 sein. Für im mittleren Bereich niedrige Diffusionskapazitäten wird man den Verteilungsparameter p des skalenoedrischen Füllstoffs ≥ 0,3, bevorzugt ≥ 0,4 und ≤ 0,7, bevorzugt ≤ 0,6 wählen. Zur Absenkung der Diffusionskapazität bietet sich dabei vor allem der Bereich 0,45 ≤ p ≤ 0,55 an.
- Alternativ kann, um die Diffusionskapazität im mittleren Bereich genauer einzustellen, auch ein Füllstoff mit rhomboedrischer Kristallstruktur verwendet werden, der hinsichtlich seines Verteilungsparameters p=d50/(d90-d10) zur gewünschten Diffusionskapazität führt. Für im mittleren Bereich hohe Diffusionskapazitäten wird man einen Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,5, bevorzugt ≥ 0,6 und besonders bevorzugt p ≥ 0,7 und bevorzugt kleiner als 1,0 bevorzugt kleiner als 0,8 wählen. Für im mittleren Bereich niedrige Diffusionskapazitäten wird man den Verteilungsparameter p des rhomboedrischen Füllstoffs ≥ 0,1, bevorzugt ≥ 0,2 und ≤ 0,5, bevorzugt ≤ 0,4 wählen.
- Bezüglich der Art der Füllstoffe orientiert man sich in vorteilhafter Weise an den zuvor gemachten Angaben. Bevorzugt ist gefälltes Calciumcarbonat und besonders bevorzugt Calcit.
- Der nächste Schritt besteht darin, den Füllstoff in der vorläufigen Zusammensetzung zu dispergieren. Dabei ist es für die Erfindung wesentlich, dass der Füllstoff nicht wie gemeinhin üblich zur gesamten im ersten Schritt hergestellten vorläufigen Zusammensetzung hinzugefügt wird, sondern nur zu einem Teil davon. Die zu diesem Teil der vorläufigen Zusammensetzung hinzugefügte Menge an Füllstoff ergibt sich entsprechend der gewünschten Konzentration des Füllstoffs in der fertigen Zusammensetzung. Dies erlaubt die Herstellung kleinerer Mengen der fertigen Zusammensetzung, sodass kleinere Chargen des Papiers hergestellt werden können. Zudem erlaubt es die rasche und problemlose Änderung der Diffusionskapazität durch Änderung des Füllstoffs, ohne die vorläufige Zusammensetzung neu herstellen zu müssen.
- Die Dispergierung des Füllstoffs in einem Teil der vorläufigen Zusammensetzung kann in vielfältiger Weise erfolgen.
- Beispielsweise ist es denkbar, zunächst einen Teil der vorläufigen Zusammensetzung, beispielsweise durch Pumpen, in einen weiteren Behälter zu transferieren und dort die entsprechende Menge des Füllstoffs hinzuzufügen und, beispielsweise durch Rühren, zu dispergieren.
- Alternativ und bevorzugt ist es auch möglich, den Füllstoff zunächst in einem Lösungsmittel zu dispergieren, beispielsweise durch Rühren, wobei bevorzugt dasselbe Lösungsmittel wie für die vorläufige Zusammensetzung verwendet wird, und danach die Füllstoffsuspension zur vorläufigen Zusammensetzung hinzuzuzufügen, während letztere zur Auftragsvorrichtung transferiert wird. Dies ist bevorzugt, weil Füllstoffe oft schon als wässrige Suspension ("Slurry") und nicht als trockenes Pulver hergestellt werden oder kommerziell erhältlich sind.
Die vorläufige Zusammensetzung kann beispielsweise aus dem Vorlagebehälter in einer Rohrleitung zur Auftragsvorrichtung gepumpt werden und die Füllstoffsuspension wird, bevorzugt durch Pumpen, in dieselbe Rohrleitung in der benötigten Menge eingebracht. Ganz besonders bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem die Strömung in der Rohrleitung turbulent ist und somit die Vermischung der Füllstoffsuspension mit der vorläufigen Zusammensetzung möglichst rasch erfolgt. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren dann einsetzen, wenn das Totvolumen der Leitungen, Behälter und Vorrichtungen bis zum Auftrag der Zusammensetzung auf das Papier möglichst klein ist. Dies wird beispielsweise beim Auftrag in Sprühverfahren der Fall sein. Auf diese Weise kann sich eine Änderung der Art des Füllstoffs in sehr kurzer Zeit auf die Diffusionskapazität der behandelten Teilbereiche am Zigarettenpapier auswirken, beispielsweise ohne die Auftragsvorrichtung anzuhalten. - Im folgenden Schritt wird dann die fertige Zusammensetzung der Auftragsvorrichtung zugeführt und auf das Papier in Teilbereichen aufgetragen. Dafür stehen die üblichen Verfahren, wie Druckverfahren, insbesondere Tiefdruck und Flexodruck, oder Sprühverfahren zur Verfügung. Danach wird das Papier getrocknet.
- Zur Behebung von Falten, wie sie beim Auftrag wässriger Zusammensetzungen auftreten, kann auf oben beschriebene Verfahren zurückgegriffen werden.
- In einer Weiterbildung des erfinderischen Verfahrens bietet sich zusätzlich eine Regelung der Diffusionskapazität der behandelten Teilbereiche durch automatische Anpassung des Mischungsverhältnisses zweier oder mehrerer, verschiedenartiger Füllstoffe an.
- Zunächst wird die Diffusionskapazität der Teilbereiche des Zigarettenpapiers gemessen. Dies kann durch Probenahme, off-line, auf einem separaten Messgerät, wie beispielsweise einem Gerät von Borgwaldt KC (Borgwaldt A50) gemäß CORESTA Recommended Method No. 77 geschehen, oder in der laufenden Auftragsvorrichtung, also on-line. Da eine direkte Messung der Diffusionskapazität on-line schwierig ist, kann sie aus anderen Größen, wie beispielsweise Transmission, Absorption oder Reflexion elektromagnetischer Strahlung, abgeschätzt werden. Eine solche Abschätzung kann mit bildanalytischen Mitteln, beispielsweise anhand der Transparenz des Papiers für elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von mindestens 100 nm und höchstens 500 nm durchgeführt werden. Dies kann geschehen, indem man die Intensität eines Referenzstrahls dieser elektromagnetischen Wellen, der nicht durch das Papier tritt, mit der Intensität eines Strahls vergleicht, der das Papier durchläuft. Je höher die Diffusionskapazität und damit das Porenvolumen im Papier umso geringer wird die Abschwächung des Strahls im Vergleich zum Referenzstrahl sein. Dieser Vergleich der Intensitäten muss dabei mit der Anwesenheit behandelter Teilbereiche im Wirkungsbereich des Sensors synchronisiert sein.
- Der erhaltene Messwert wird dann mit dem Sollwert verglichen und die Differenz an eine Stelleinrichtung transferiert, die die zur vorläufigen Zusammensetzung zugeführten Mengenanteile der Füllstoffe verändert. Beispielsweise wird man, wenn man eine zu niedrige Diffusionskapazität misst und die Diffusionskapazität erhöhen möchte, den Mengenanteil von kubischem Calcit reduzieren und jenen von plättchenförmigem Calcit erhöhen. Bei zu hoher Diffusionskapazität wird man entsprechend umgekehrt verfahren. Dies kann beispielsweise durch Einstellung der Durchflussraten mittels eines Durchflussreglers geschehen. Vorzugsweise geschieht die Anpassung der Mengenanteile so, dass die gesamte Menge an Füllstoff in der Zusammensetzung sich nicht verändert.
- Ganz analog lässt sich dieses Verfahren natürlich auch mit einem Gemisch aus zwei oder mehr Füllstoffen anderer Gestalt oder Kristallstruktur, beispielsweise kubisch und skalenoedrisch, oder plättchenförmig und rhomboedrisch, oder kubisch, skalenoedrisch und plättchenförmig oder kubisch, rhomboedrisch und plättchenförmig durchführen.
- Schließlich kann man in einer Ausführung der Erfindung auch zwei skalenoedrische Füllstoffe verwenden, die sich hinsichtlich des Werte p×(p-1) mit dem Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) ausreichend unterscheiden. Bevorzugt wird man einen Füllstoff mit einem Wert von p größer als 0 und ≤ 0,3 bevorzugt ≤ 0,2 wählen und mit einem Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,3, bevorzugt ≥ 0,4 und ≤ 0,7, bevorzugt ≤ 0,6, kombinieren. Alternativ kann man auch einen Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,7, bevorzugt ≥ 0,8 und ≤ 1,2 bevorzugt ≤ 1,0 wählen und mit einem Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,3, bevorzugt ≥ 0,4 und ≤ 0,7, bevorzugt ≤ 0,6, kombinieren.
- Ebenso kann man in einer Ausführung der Erfindung auch zwei rhomboedrische Füllstoffe verwenden, die sich hinsichtlich des Werte p×(p-0,6) mit dem Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) ausreichend unterscheiden. Bevorzugt wird man einen Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,1, bevorzugt ≥ 0,2 und ≤ 0,5 bevorzugt ≤ 0,4 wählen und mit einem Füllstoff mit einem Wert von p ≥ 0,5, bevorzugt ≥ 0,6 und ≤ 1,0, bevorzugt ≤ 0,8, kombinieren.
- Bei plättchenförmigen Calciumcarbonatpartikeln kann man bevorzugt einen Füllstoff mit einem Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) von mindestens 0,5, bevorzugt mindestens 0,6 bis höchstens 1,0, bevorzugt höchstens 0,9 wählen.
- Bei kubischen Füllstoffpartikeln kann man bevorzugt einen Füllstoff mit einem Verteilungsparameter p=d50/(d90-d10) von mindestens 0,2, bevorzugt mindestens 0,3 bis höchstens 0,7, bevorzugt höchstens 0,6 wählen.
- Das Prinzip ist dabei immer, unabhängig von Gestalt, Kristallstruktur und Partikelgrößenverteilung zwei oder mehr Füllstoffe zu kombinieren, die wesentlich voneinander verschiedene Diffusionskapazitäten in den Teilbereichen am Zigarettenpapier ergeben.
- Ebenso ist es möglich, zwei oder mehr Füllstoffe gleicher Gestalt aber unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung oder sogar unterschiedlicher chemischer Verbindungen nach diesem Regelungsverfahren zu mischen. Bevorzugt ist allerdings die Mischung von zwei Füllstoffen, weil das Regelungsverfahren dann einfach gestaltet werden kann. Der Einsatz der genannten Mischungen ist selbstverständlich auch ohne diese Regelung möglich.
- Die erfindungsgemäßen und die bevorzugten Intervalle für den Verteilungsparameter gelten generell beim Einsatz von Füllstoffpartikeln mit der jeweiligen Gestalt oder Kristallstruktur unabhängig davon, ob der Füllstoff alleine oder in einer Mischung von zwei oder mehr Füllstoffen eingesetzt wird.
- Aus den erfindungsgemäßen Zigarettenpapieren können maschinell, manuell oder teilweise manuell Zigaretten nach den Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt werden.
Claims (13)
- Zigarettenpapier, das mindestens einen behandelten Teilbereich aufweist, in dem eine Zusammensetzung aufgetragen ist, die ein filmbildendes Material und Füllstoffpartikel oder ein Gemisch aus Füllstoffpartikeln enthält,
wobei die Diffusionskapazität in dem mindestens einen behandelten Teilbereich geringer ist als in einem unbehandelten Bereich des Zigarettenpapiers,
wobei mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch eine oder mehrere der folgenden Füllstoffpartikelarten gebildet werden:(a) Calciumcarbonat mit plättchenförmiger Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt: p ≥ 0,5, vorzugweise p ≥ 0,6 und p ≤ 1,0, vorzugsweise p ≤ 0,9,(b) Calciumcarbonat mit einer skalenoedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt:p ≥ 0,7, vorzugsweise p ≥ 0,8, besonders vorzugsweise p ≥ 0,85 und insbesondere p ≥ 0,9, oderp ≤ 0,3, vorzugsweise p ≤ 0,25, und besonders vorzugsweise p ≤ 0,2,(c) Calciumcarbonat mit einer rhomboedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung für die gilt:
p ≥ 0,5, vorzugsweise p ≥ 0,6, und besonders vorzugsweise p ≥ 0,7,(d) Calciumcarbonat mit einer kubischen Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt: p ≥ 0,2, vorzugweise p ≥ 0,3 und p ≤ 0,7, vorzugsweise p ≤ 0,6, oder(e) Calciumcarbonat mit einer skalenoedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt:wobei gilt: p = d50/(d90 -d10), wobei die mittlere Größe d50 der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung mindestens 0,1 µm und höchstens 10 µm beträgt, und wobei die in den behandelten Teilbereichen aufgetragene Materialmenge, angegeben als Masse/Auftragsfläche im getrockneten Zustand mindestens 0,5 g/m2 und höchstens 12g/m2 beträgt.p ≥ 0,40, vorzugsweise p ≥ 0,45 undp ≤ 0,60, vorzugsweise p ≤ 0,55, - Zigarettenpapier nach Anspruch 1, bei dem die Füllstoffpartikel einzelner oder aller genannten Füllstoffpartikelarten (a) - (e) eine mittlere Größe d50 von mindestens 0,3µm und bevorzugt von mindestens 0,5 µm besitzen, und eine mittlere Größe von höchstens 7 µm und bevorzugt von höchstens 5 µm besitzen,
bei dem das Calciumcarbonat mit plättchenförmiger Gestalt vorzugsweise und/oder der Füllstoff mit einer kubischen Gestalt eine mittlere Größe d50 von mindestens 0,5 µm, bevorzugt mindestens 1,0 µm, und von höchstens 5 µm, bevorzugt von höchstens 3 µm hat. - Zigarettenpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Calciumcarbonat mit plättchenförmiger Gestalt eine Länge 1, eine Breite b und eine Dicke d haben, die den jeweils maximalen Abmessungen in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen entsprechen, wobei sowohl die Länge 1 als auch die Breite b mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens viermal so groß sind wie die Dicke d.
- Zigarettenpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Füllstoff durch gefälltes Calciumcarbonat, insbesondere durch Calcit gebildet wird.
- Zigarettenpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das filmbildende Material ein Material aus einer Gruppe bestehend aus Stärke, Stärkederivaten, Zellulose, Zellulosederivaten, Dextrine, Guar, oder Gummi Arabicum und Alginaten, insbesondere oxidierte Stärke oder Natriumalginat ist.
- Zigarettenpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in den behandelten Teilbereichen aufgetragene Materialmenge, angegeben als Masse/Auftragsfläche im getrockneten Zustand, mindestens 1 g/m2 und/oder höchstens 8 g/m2 beträgt und/oder
bei dem die Diffusionskapazität in dem behandelten Teilbereich - nach Aufheizung auf 230°C für 30 min unter Luftatmosphäre, Abkühlen und Konditionierung des Papiers gemäß ISO 187:1990 - mindestens 0,05 cm/s, vorzugsweise mindestens 0,1 cm/s und höchstens 2 cm/s, bevorzugt höchstens 1 cm/s beträgt, und/oder
bei dem der mindestens eine behandelte Teilbereich auf der Siebseite des Zigarettenpapiers angeordnet ist. - Zigarettenpapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diffusionskapazität in dem mindestens einen behandelten Teilbereich - gemessen nach Aufheizen des Zigarettenpapiers auf 230°C für 30 min unter Luftatmosphäre, anschließendem Abkühlen und Konditionierung gemäß ISO 187:1990 - um einen Faktor von zwischen 2 und 4 geringer ist als in einem unbehandelten Bereich des Zigarettenpapiers, wobei mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch Calciumcarbonat mit plättchenförmiger Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung gebildet sind, für die gilt p ≥ 0,5, vorzugweise p ≥ 0,6 und p ≤ 1,0, vorzugsweise p ≤ 0,9, oder
bei dem die Diffusionskapazität in dem mindestens einen behandelten Teilbereich - gemessen nach Aufheizen des Zigarettenpapiers auf 230°C für 30 min unter Luftatmosphäre, anschließendem Abkühlen und Konditionierung gemäß ISO 187:1990 - um einen Faktor von zwischen 5 und 8 geringer ist als in einem unbehandelten Bereich des Zigarettenpapiers,
wobei mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch Calciumcarbonat mit kubischer Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung gebildet sind, für die gilt: p ≥ 0,2, vorzugweise p ≥ 0,3 und p ≤ 0,7, vorzugsweise p ≤ 0,6, oder
bei dem die Diffusionskapazität in dem mindestens einen behandelten Teilbereich - gemessen nach Aufheizen des Zigarettenpapiers auf 230°C für 30 min unter Luftatmosphäre, anschließendem Abkühlen und Konditionierung gemäß ISO 187:1990 - um einen Faktor von zwischen 3 und 6 geringer ist als in einem unbehandelten Bereich des Zigarettenpapiers,
wobei mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch Calciumcarbonat mit skalenoedrischer Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung gebildet ist, für die gilt:p ≥ 0,7, vorzugsweise p ≥ 0,8, besonders vorzugsweise p ≥ 0,85 und insbesondere p ≥ 0,9, oderp ≤ 0,3, vorzugsweise p ≤ 0,25, und besonders vorzugsweise p ≤ 0,2, oderbei dem die Diffusionskapazität in dem mindestens einen behandelten Teilbereich - gemessen nach Aufheizen des Zigarettenpapiers auf 230°C für 30 min unter Luftatmosphäre, anschließendem Abkühlen und Konditionierung gemäß ISO 187:1990 - um einen Faktor von weniger als 5 geringer ist als in einem unbehandelten Bereich des Zigarettenpapiers,wobei mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch Calciumcarbonat mit rhomboedrischer Kristallstruktur mit einer Partikelgrößenverteilung gebildet ist, für die gilt:
p ≥ 0,5, vorzugsweise p ≥ 0,6, und besonders vorzugsweise p ≥ 0,7. - Verfahren zum Herstellen eines Zigarettenpapiers, mit den folgenden Schritten:Herstellen eines Basispapiers, undBehandeln von mindestens einem Teilbereich des Basispapiers mit einer Zusammensetzung, die ein filmbildendes Material und Füllstoffpartikel oder ein Gemisch aus Füllstoffpartikeln enthält, um die Diffusionskapazität in dem behandelten Teilbereich gegenüber der Diffusionskapazität des Basiszigarettenpapiers zu verringern,wobei mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung durch eine oder mehrere der folgenden Füllstoffpartikelarten gebildet werden:(a) Calciumcarbonat mit plättchenförmiger Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt: p ≥ 0,5, vorzugweise p ≥ 0,6 und p ≤ 1,0, vorzugsweise p ≤ 0,9,(b) Calciumcarbonat mit einer skalenoedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt:p ≥ 0,7, vorzugsweise p ≥ 0,8, besonders vorzugsweise p ≥ 0,85 und insbesondere p ≥ 0,9, oderp ≤ 0,3, vorzugsweise p ≤ 0,25, und besonders vorzugsweise p ≤ 0,2(c) Calciumcarbonat mit einer rhomboedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung für die gilt:p ≥ 0,5, vorzugsweise p ≥ 0,6, und besonders vorzugsweise p ≥ 0,7(d) Calciumcarbonat mit einer kubischen Gestalt und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt: p ≥ 0,2, vorzugweise p ≥ 0,3 und p ≤ 0,7, vorzugsweise p ≤ 0,6 oder(e) Calciumcarbonat mit einer skalenoedrischen Kristallstruktur und mit einer Partikelgrößenverteilung, für die gilt:p ≥ 0,40, vorzugsweise p ≥ 0,45 undp ≤ 0,60, vorzugsweise p ≤ 0,55,wobei gilt: p = d50/(d90 -d10), wobei die mittlere Größe d50 der Füllstoffpartikel in der aufgetragenen Zusammensetzung mindestens 0,1 µm und höchstens 10 µm beträgt, und wobei die in den behandelten Teilbereichen aufgetragene Materialmenge, angegeben als Masse/Auftragsfläche im getrockneten Zustand mindestens 0,5 g/m2 und höchstens 12 g/m2 beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Zusammensetzung zu mindestens 1 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 3 Gew.-% und zu höchstens 20 Gew.-%, vorzugsweise zu höchstens 10 Gew.-% aus Füllstoffpartikeln gebildet wird, und/oder bei dem die Zusammensetzung ein Lösungsmittel enthält, welches mit dem Material, das in der Lage ist, beim Auftrag auf das Zigarettenpapier die Diffusionskapazität zu reduzieren, eine Lösung oder Suspension bildet.
- Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
wobei das filmbildende Material vorzugsweise das aus einer Gruppe bestehend aus Stärke, Stärkederivaten, Zellulose, Zellulosederivaten, Dextrinen, Guar oder Gummi Arabicum und Alginaten ausgewählt ist, und insbesondere oxidierte Stärke oder Natriumalginat umfasst,
bei dem vorzugsweise das die Diffusionskapazität reduzierende Material in der Zusammensetzung in einem Anteil von mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 3 Gew.-% und/oder in einem Anteil von höchstens 40 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 30 Gew.-% und besonders vorzugsweise höchstens 25 Gew.-% enthalten ist. - Verfahren nach Anspruch 10, mit den folgenden Schritten:- Herstellen einer ersten Menge einer vorläufigen Zusammensetzung, die ein Lösungsmittel und ein Material enthält, das in der Lage ist, die Diffusionskapazität des Zigarettenpapiers zu reduzieren,- Abzweigen eines ersten Anteils der vorläufigen Zusammensetzung,- Zusetzen von Füllstoff, enthaltend mindestens eine oder mehrere der in Anspruch 8 genannten Füllstoffarten (a) - (e) zu dem abgezweigten ersten Anteil der vorläufigen Zusammensetzung, um eine erste Zusammensetzung zu bilden, und- Behandeln von Teilbereichen des Basiszigarettenpapiers mit der ersten Zusammensetzung, wobei das Verfahren vorzugsweiseferner die folgenden Schritte enthält:- Abzweigen eines zweiten Anteils der vorläufigen Zusammensetzung,- Zusetzung von Füllstoffen, enthaltend mindestens eine der in Anspruch 8 genannten Füllstoffarten (a) - (e) zu dem abgezweigten zweiten Anteil der vorläufigen Zusammensetzung, um eine zweite Zusammensetzung zu bilden, wobei sich die Auswahl der zugesetzten Füllstoffpartikel in Art oder Anteil von derjenigen der ersten Zusammensetzung unterscheidet, und- Behandeln von Teilbereichen eines Basiszigarettenpapiers mit der zweiten Zusammensetzung, und/oderbei dem der Zusatz der Füllstoffe zu dem abgezweigten Anteil der vorläufigen Zusammensetzung in der Auftragsvorrichtung oder in einer Zufuhrleitung zu der Auftragsvorrichtung für das Auftragen der ersten bzw. zweiten Zusammensetzung vorgenommen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Zusammensetzung in einem Druckverfahren, insbesondere im Tiefdruck oder Flexodruck aufgetragen wird, wobei die Zusammensetzung vorzugsweise eine Auslaufzeit von mindestens 10 s, bevorzugt von mindestens 12 s und von höchstens 35 s, vorzugsweise von höchstens 25 s hat, gemessen mit einem Auslaufbecher mit 4 mm Öffnung nach ÖNORM EN ISO 2431:2001 bei einer Temperatur der Zusammensetzung von 60°C,
oder in einem Sprühverfahren aufgetragen wird, und/oder
bei dem das Papier nach dem Auftrag der Zusammensetzung nachbefeuchtet und anschließend unter mechanischer Spannung getrocknet wird, um Falten im Papier zu vermeiden, wobei in der Zusammensetzung vorzugsweise Substanzen zur Reduktion der Faltenbildung, insbesondere Propylenglykol oder Glycerin enthalten sind. - Zigarette mit einem Zigarettenpapier, das eine Tabaksäule umgibt wobei das Zigarettenpapier ein Zigarettenpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist, und
bei der der Füllstoff bzw. das Gemisch von Füllstoffarten in der Zusammensetzung so gewählt ist, dass- die Zigarette mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 75% in einem Test nach ISO 12863:2010 verlöscht, aber- beim freien Abbrennen an der Luft mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 50 % über die Länge ihres gesamten Tabakstranges verglimmt, ohne von selbst zu verlöschen.
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