Zigarettenfilter

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft cellulosische Filamente, wie z.B. Rayon, für Tabakrauchfilter, insbesondere Zigarettenfilter, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher cellulosischer Filamente für Tabakrauchfilter.

[0002] Üblicherweise geht man bei der Herstellung des Grundstoffes von Zigarettenfiltern von Cellulose aus. Die technische Acetat-Herstellung erfolgt im Wesentlichen durch Umsetzung von Zellstoff mit Essigsäureanhydrid in Essigsäure unter Schwefelsäure-Katalyse. Dabei werden die drei Teilschritte, Voraktivierung des Zellstoffes, vollständige Acetylierung zum Cellulosetriacetat und partielle Hydrolyse (Verseifung) zum gewünschten Cellulose-2,5-acetat, durchlaufen. Nach dem Verseifungsschritt wird das Cellulose-2,5-acetat in Aceton gelöst und im Trockenspinnverfahren zu langen Multifilamentgarnen versponnen. Der Durchmesser der Filamente liegt bei 30-50 µm. Sehr viele Fäden (3000 bis 35000) werden zu einem Endlos-Band zusammengeführt und dieses Band dann in Stauchkammern gekräuselt. Das Produkt wird getrocknet und ist daraufhin bereit, im nächsten Prozessschritt als Filter-Tow vorgelegt zu werden. Zur Herstellung der Zigarettenfilter wird das Filter-Tow in Filterstabmaschinen gegeben, wobei das Filter-Tow zunächst verstreckt und sodann mit einem eine Verklebung auslösenden Zusatzstoff beaufschlagt wird. Nach Bildung einer dreidimensionalen Lunte wird das Filter-Tow mit Hilfe eines Einlauftrichters in ein Formatteil eingeführt, dort quer-axial verdichtet, mit Papier umhüllt und auf die Länge der Filterstäbe geschnitten.

[0003] Dieses übliche Herstellungsverfahren beinhaltet einige Probleme und Nachteile, wie z.B. eine oft nicht ausreichende Voraktivierung. Dies kann aufgrund der unterschiedlichen Acetonlöslichkeit des partiell hydrolysierten Cellulose-2,5-acetats zur Ausbildung von Gelpartikeln führen. Ein weiterer Nachteil liegt in der Verwendung von Schwefelsäure als Katalysator. Im Falle einer zu langsam ablaufenden Reaktion als Folge von nicht ausreichender Aktivierung oder Verwendung von zu niedermolekularem Zellstoff kann der Cellulosekettenabbau kritisch werden. Zusätzlich verursachen auch Schwefelsäureester-Gruppierungen in der Cellulose Gelpartikel bei der Lösung von Cellulose-2,5-acetat sowie die thermische Unbeständigkeit des Endproduktes.

[0004] Es hat nicht an Versuchen gefehlt, das oben beschriebene Verfahren mit cellulosischen Fasern bzw. cellulosischen Regeneratfasern (anstelle von Celluloseacetat (im Folgenden auch nur Acetat genannt) durchzuführen. Weltweit ist Cellulose das häufigste und bedeutendste natürlich vorkommende Polymer. Cellulosische Fasern, Filamente und Multifilamente können bekanntlich auf vielfältigen Wegen und in unterschiedlichen Formen erhalten werden, die gleichfalls der Fachwelt bekannt und geläufig sind. Bekanntermaßen kann man eine Einteilung nach dem Herstellungsverfahren durchführen, bei der man zwischen dem Direktlöseverfahren und dem Regeneratverfahren unterscheidet. Die aus diesen Verfahren resultierenden Fasern bzw. Filamente - wobei die Bezeichnungen "Fasern" bzw. "Filamente" im Rahmen dieser Erfindung synonym gebraucht werden - werden im Folgenden und unabhängig vom Herstellungsverfahren als underivatisierte oder auch als nicht-acetylierte Cellulose bezeichnet - im Gegensatz z.B. zu ihren Acetaten.

[0005] Als Direktlöseverfahren sind u.a. Prozesse bekannt, bei denen die Gewinnung cellulosischer Fasern aus Lösungen in tertiären Aminoxiden, wie N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO), ionischen Flüssigkeiten (ionic liquids) oder auch Phosphorsäure und anschließendem Ausfällen in geeignete Koagulationsmedien erfolgt.

[0006] Weitere gängige Verfahren zur Herstellung von cellulosischen Filamenten, die zur Garn- bzw. Kordherstellung verwendet werden, sind Regeneratverfahren, bei denen Cellulose zunächst chemisch zu löslichen Derivaten (Xanthogenate oder Carbamate) umgesetzt und gelöst wird. Die Lösung wird durch Spinndüsen gepumpt und schließlich im Fällbad zu cellulosischen Filamenten regeneriert. Solche Filamente sind u.a. unter der Bezeichnung Rayon bekannt.

[0007] Die Herstellung von Zigarettenfiltern direkt aus den cellulosischen Filamenten würde auch einen zusätzlichen Vorteil aus Umweltgesichtspunkten mit sich bringen. Cellulose, wie Rayon, weist eine deutlich bessere Abbaubarkeit auf als Acetat und bei einer jährlichen Produktion von rund 6.000 Milliarden Zigaretten, wovon der weit überwiegende Teil Filterzigaretten sind, wäre die bessere Abbaubarkeit der übrigbleibenden Filter ein ganz entscheidender ökologischer, wie wirtschaftlicher Vorteil und sicherlich auch für die Branche imagefördernd.

[0008] Es sind demzufolge auch schon seit längerem Bestrebungen im Gang, Zigarettenfilter aus cellulosischen Filamenten, wie z.B. aus der regenerierten Cellulose, und nicht aus dem Acetat herzustellen.

[0009] Die wesentlichen Nachteile gemäß Literatur, die dazu geführt haben, dass sich z.B. die Verwendung von Rayon in Zigarettenfiltern nicht durchgesetzt hat, ist zum einen die Tatsache, dass - aufgrund der glatteren Oberfläche von Rayonfilamenten - die Bestandteile des Rauches ungenügend gefiltert werden. Die GB 749,340 versucht daher dem Rayon durch Zusatz von Gas im Spinnbad eine erhöhte Porosität zu verleihen. Dieses Gas wird dabei in feinverteilter Form in die Viskose eingebracht, die gashaltige Spinnlösung durch eine Düse mit einer Vielzahl von Löchern in ein Spinnbad gepresst und anschließend die koagulierten Fäden mit einer Geschwindigkeit abgezogen, die kleiner ist als die Austrittsgeschwindigkeit der Spinnlösung aus der Düse (Düsenverzug).

[0010] Auf diese Weise wird poröses Rayon als Filter eingesetzt, das ein entsprechend erhöhtes Rückhaltevermögen für die im Tabakrauch enthaltenden Schadstoffe zeigt.

[0011] Ein weiterer - allerdings bis jetzt ungelöster - Nachteil beim Einsatz von Cellulose anstelle des Acetats, ist die geringere Härte des bei der Filterherstellung zu bearbeitenden Filterstrangs; dies führt während des kontinuierlichen Prozesses der Zigarettenherstellung an der Filterstabmaschine und an der Schneidemaschine zu Problemen, schränkt aber v.a. auch die Gebrauchseigenschaften des Filters entscheidend ein, da ein zu weicher Filter sensorisch nachteilig ist. Theoretisch ließe sich das durch ein festeres Filter-Deckpapier ausgleichen, wobei dies sensorisch immer noch gewöhnungsbedürftig wäre. Eine andere Möglichkeit läge darin, die Filterhärte durch höhere Materialverdichtung des Filtermaterials in dem gegebenen Filtervolumen zu erhöhen. Letzteres hätte jedoch wiederum unerwünschte Auswirkungen auf die Filterdichte und den Saugkraftbedarf zur Erreichung des gewünschten Rauchdurchsatzes.

[0012] Hinzu kommt, dass sich - im Gegensatz zum Acetat - die underivatisierte Cellulose aufgrund der schlechteren Härtung im Prozess nicht gut schneiden lässt. Weiterhin ist es schwierig, exakt runde Filterquerschnitte zu erhalten, welche die vorgegebenen sehr engen Toleranzgrenzen einhalten.

[0013] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, cellulosische Filamente zur Verfügung zu stellen, die für die Herstellung von Zigarettenfiltern geeignet sind und die die oben beschriebenen Nachteile nicht bzw. in geringerem Ausmaß aufweisen. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung derartiger Filamente vorgeschlagen werden.

[0014] Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass die oben erwähnten Probleme des Standes der Technik durch im Wesentlichen nicht-acetylierte cellulosische Filamente gelöst werden können, wobei diese Filamente Additive enthalten, bei denen es sich erfindungsgemäß um oligomere oder niederpolymere Saccharide handelt.

[0015] In unerwarteter Weise zeigen die Tows aus derartig erhaltenen cellulosischen Filamenten eine völlig ausreichende Härte während der Filterherstellung, so dass auch nach dem Schneiden der Tows die Gleichmäßigkeit der zirkularen Querschnitte der Filter erhalten bleibt.

[0016] Unter dem Begriff "im Wesentlichen nicht-acetyliert" sollen solche cellulosischen Filamente verstanden werden, die praktisch keine Actetatgruppen aufweisen, noch bevorzugter, dass die Filamente überhaupt keine Acetatgruppen und insbesondere keine O-Acetylierung aufweisen und am meisten bevorzugt, dass bei den Filamenten alle OH-Gruppen innerhalb der Kette frei vorliegen.

[0017] Die Herstellung der cellulosischen Filamente ist daher an sich nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. So können die erfindungsgemäßen cellulosischen Filamente beispielsweise sowohl über ein Direktlöseverfahren, wie das NNMO-Verfahren, als auch durch Regeneratverfahren, wie z.B. das Viskose- oder Rayonverfahren erhalten werden. Das Rayonverfahren ist allerdings im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt als Ausgangsverfahren für die beanspruchten cellulosischen Filamente.

[0018] Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn der Polymerisationsgrad der eingesetzten oligomeren oder niederpolymeren Saccharide größer ist als etwa 20, bevorzugt größer als etwa 50 und noch bevorzugter größer als etwa 100.

[0019] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen unter dem Begriff "Saccharide" nicht nur die Substanzen verstanden werden, die unter die Bruttoformel C_n(H₂O)_m fallen (oft auch im engeren Sinne Kohlenhydrate, also als Hydrate des Kohlenstoffs aufgefasst), sondern auch Vertreter dieser Stoffklasse, die erheblich von dieser Bruttoformel abweichen und weitere funktionelle Gruppen und Heteroatome wie Stickstoff oder Schwefel enthalten. Oligomere bzw. niederpolymere Vertreter von Sacchariden mit Heteroatomen werden im Folgenden auch als "Heterosaccharide" bezeichnet.

[0020] Der Einsatz der oligomeren oder niederpolymeren Saccharide während des Spinnprozesses der Rayonfilamente bedingt deren Wasserlöslichkeit, bevorzugt bei Raumtemperatur bzw. bei Temperaturen zwischen 20 und 35 °C.

[0021] Ganz besonders bevorzugt im erfindungsgemäßen Produkt ist es, wenn es sich bei den einzusetzenden Sacchariden um Xylane bzw. Xylanderivate handelt. Xylane sind dem Fachmann als die wichtigsten Vertreter der Hemicellulosen bzw. Polyosen bekannt. An sich sind die Xylane zwar wasserunlöslich, jedoch kann die Wasserlöslichkeit durch entsprechende Einstellung des Polymerisationsgrades sowie durch gezielte Beeinflussung der Seitengruppen der Xylanketten eingestellt werden. Für die Wasserlöslichkeit ist darüber hinaus z.B. ein hoher Acetylierungsgrad des Xylans günstig.

[0022] In diesem Zusammenhang ist es auch bevorzugt, wenn als Saccharide Stärke bzw. Stärkederivate oder auch Cellulose bzw. Cellulosederivate zum Einsatz kommen.

[0023] Wiederum ist hierbei darauf zu achten, dass die gewünschte Wasserlöslichkeit der Saccharide durch eine geeignete Vorbehandlung eingestellt wird. Natürliche Stärke ist kaum wasserlöslich. Wässrige Stärkelösungen erhält man aber beispielsweise mit heißem Wasser, die beim Abkühlen zu einem Gel erstarren und einen Stärkekleister bilden. Auf diesem Prinzip beruht auch die Herstellung von Tapetenkleister. Im Gegensatz zur natürlichen Stärke findet die Verkleisterung bei der Methylcellulose des Tapetenkleisters schon mit kaltem Wasser statt. Maßnahmen hierzu sind dem Fachmann bekannt.

[0024] Bevorzugt wird die Konzentration der Saccharide so gewählt, dass sie in den Filamenten zwischen 5000 und 100.000 ppm, bevorzugt zwischen 10.000 und 50.000 ppm, bezogen auf die cellulosischen Filamente vorliegen. Diese Konzentration ist in der Regel völlig ausreichend, um die gewünschten Eigenschaften im erhaltenen Zigarettenfilter zu erreichen und beizubehalten. Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass die Erhöhung der Härte des Tows (beispielsweise aus Rayon), die sich günstig auf die anschließende Filterherstellung und die Dimensionsstabilität auswirkt, durch eine Verklebung der Filamente ("Verkleisterung"), hervorgerufen von den in den cellulosischen Filamenten verteilt vorliegenden Sacchariden, bewirkt wird. Der Effekt der Verklebung, bzw Verkleisterung der saccharidmodifizierten cellulosischen Filamente kann erreicht werden, indem die entsprechend ausgerüsteten cellulosischen Filamente im Prozess der Filterherstellung befeuchtet und anschließend wieder getrocknet werden.

[0025] Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf ein Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen nicht-acetylierten cellulosischen Filamenten für Tabakrauchfilter, insbesondere Zigarettenfilter, gerichtet, wobei der Spinnlösung Additive in wässriger Lösung unmittelbar vor oder während des Spinnvorganges zugesetzt werden, und wobei es sich bei den Additiven um oligomere oder niederpolymere Saccharide handelt.

[0026] Besonders bevorzugt wird Rayon als Regeneratcellulose mittels dieser Additive behandelt.

[0027] Das Verfahren zur Herstellung von Rayon ist an sich bekannt. Üblicherweise wird zunächst z.B. aus Holz durch ein Aufschlussverfahren Zellstoff gewonnen, eine feinfaserige Masse, die vorwiegend aus Cellulose besteht.

[0028] Der erhaltene Zellstoff wird zunächst mit 18 bis 22%iger Natronlauge behandelt, woraufhin sich die Alkalicellulose (Na-Salz der Cellulose) bildet. Die Alkalicellulose wird sodann mit Schwefelkohlenstoff (CS₂) zum Cellulosexanthogenat umgesetzt. Durch Lösen dieses Xanthogenats in Natronlauge wird die "Spinnlösung", die sog. Viskose, erhalten, die vor dem Verspinnen noch 2 - 3 Tage "nachreifen" muss. Die gereifte Spinnlösung wird durch feine Düsen in ein "Fällbad" oder "Spinnbad" gepresst, d.h. in eine Lösung von Schwefelsäure (H₂SO₄) und Sulfaten, wie Natriumsulfat (Na₂SO₄) und Zinksulfat (ZnSO₄). Im Fällbad werden die Schwefelkohlenstoffmoleküle, die an die Cellulose gebunden sind wieder abgespalten, es entstehen die Viskosefilamente bzw. Rayonfilamente, die aus fast reiner Cellulose bestehen.

[0029] Auch im Verfahren ist es bevorzugt, wenn der Polymerisationsgrad der Saccharide größer ist als etwa 20, bevorzugt größer als etwa 50 und noch bevorzugter größer als etwa 100.

[0030] Die Zugabe der Saccharide erfolgt günstigenfalls durch Zugabe in wässrigalkalischer Lösung (pH = 10-14) entweder per Injektion direkt in die Viskoseleitung oder in das Spinnbad.

[0031] Wiederum werden bevorzugt auch Heterosaccharide eingesetzt und besonders bevorzugt Xylane bzw. Xylanderivate.

Ansprüche

1. Filamente aus im Wesentlichen nicht-acetylierten cellulosischen Filamenten für Tabakrauchfilter, insbesondere für Zigarettenfilter, wobei die Filamente Additive enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Additiven um oligomere oder niederpolymere Saccharide handelt.

2. Die Filamente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Filamenten um mittels Regeneratverfahren, besonders bevorzugt nach dem Viskoseverfahren, erhaltene cellulosische Filamente handelt.

3. Die Filamente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerisationsgrad der Saccharide größer ist als etwa 20.

4. Die Filamente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Heterosaccharide handelt.

5. Die Filamente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saccharide bei Raumtemperatur wasserlöslich sind.

6. Die Filamente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Xylane bzw. Xylanderivate handelt.

7. Die Filamente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Stärke bzw. Stärkederivate handelt.

8. Die Filamente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Cellulose bzw. Cellulosederivate handelt.

9. Die Filamente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Saccharide in einer Konzentration zwischen 500 und 10.000 ppm bezogen auf die cellulosischen Filamente vorliegen.

10. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen nicht-acetylierten cellulosischen Filamenten für Tabakrauchfilter, insbesondere Zigarettenfilter, wobei der Spinnlösung Additive in wässriger Lösung unmittelbar vor oder während des Spinnvorganges zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Additiven um oligomere oder niederpolymere Saccharide handelt.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerisationsgrad der Saccharide größer ist als etwa 20.

12. Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Heterosaccharide handelt.

13. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Heterosaccharide handelt.

14. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sacchariden um Xylane bzw. Xylanderivate handelt.