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Poröses Filterpapier, sowie Zwischenprodukt und Verfahren
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zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft ein poröses Filterpapier,
ein Zwischenprodukt, aus dem das Filterpapier vorzugsweise herstellbar ist, sowie
Verfahren zur Herstellung des Zwischenproduktes und des Filterpapiers selbst.
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Poröse Filterpapiere werden zum Beispiel bei der Herstellung von Filtermundstücken
für solche Zigaretten verwendet, bei denen dem Rauch zusätzliche Luft zugemischt
werden soll, um ein gesünderes Rauchen zu ermöglichen. Hierzu werden bisher von
Haus aus dichte Umhüllungspapiere entweder mechanisch oder elektrostatisch mit rasterförmigen
Lochanordnungen versehen.
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Vgl. hierzu z.B. die DT-OS 2251903, die US-PS 2988088 und die US-PS
3046994. Man erhält so poröse Filterpapiere mit Flächengewichten von größenordnungsmäßig
30 g/m2 und einer Luftdurchlässigkeit von 30 m#(Min. ~m2) bei einem Druckabfall
am Filterpapier von 980 Pa.
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Zur Befestigung der Filterpapiere am eigentlichen Filtermaterial wird
ein Leim oder in jüngster Zeit zunehmend ein Schmelzkleber verwendet. Beim Anbringen
des Filterpapieres am eigentlichen Filtermaterial dringt der Leim oder Schmelzkleber,
wenn er gesondert aufgebracht wird, durch die Löcher des Filterpapieres nach außen,
was sich bei der Weiterverarbeitung sehr nachteilig auswirkt. Dieser Nachteil kann
zwar bei Verwendung von Schmelzklebern ausgeräumt werden, wenn das Filterpapier
zuerst mit dem Schmelzkleber beschichtet und erst dann
perforiert
wird. Schon bei nicht beschichteten Filterpapieren können nur Löcher erzeugt werden,
die erheblich größer sind als die Poren eines homogenen Filterpapieres; erst recht
ist die Erzeugung von kleinen Löchern bei mit Schmelzkleber beschichteten Filterpapieren
mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Darüberhinaus können derartige perforierte
Filterpapiere nur aus Ausgangspapieren mit einem Flächengewicht von mindestens 60
g/m' verwendet werden, wozu dann noch das Flächengewicht des Klebers mit 10% des
Papiergewichtes hinzukommt.
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Ein allen perforierten porösen Filterpapieren gemeinsamer Nachteil
ist der, daß im fertigen Filtermundstück, in dem über dem perforierten Filterpapier
noch ein perforiertes Mundstückbelagpapier liegt, eine stark schwankende Luftdurchlässigkeit
erhalten wird, je nachdem wie gut die Löcher von Filterpapier und Mundstückbelagpapier
fluchten.
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Nur unter optimalen Bedingungen können auf diese Weise Filtermundstücke
mit einem Frischluftzusatz von bis zu 25% erhalten werden.
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Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Filterpapier geschaffen
werden, das hohe Porösität, Homogenität und gute mechanische Festigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Filterpapier gemäß
Anspruch 1.
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Dieses Filterpapier besteht aus einem Grundgerüst von in verhältnismäßig
großem Abstand voneinander befindlichen pflanzlichen Fasern. Bei den Überkreuzungsstellen
der Fasern befinden sich Versteifungen aus Kunststoffmaterial.
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Diese liegen an den Stellen, an denen die mikroskopische Durchlässigkeit
des Grundgerüstes sowieso klein ist; durch das Vorsehen dieser Versteifungen wird
also die
Porosität nur unwesentlich vermindert. Die Versteifungen
erhöhen aber beträchtlich die mechanische Festigkeit des Filterpapieres, da sie
ein Verrutschen der Fasern bei den Uberkreuzungspunkten verhindern. Diese im wesentlichen
tropfenförmigen Versteifungen werden bevorzugt dadurch hergestellt, daß im Grundgerüst
oder in der Nachbarschaft des GrundgerUstes angeordnetes, fein verteiltes Kunststoffmaterial
über den Schmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt erhitzt wird, so daß es infolge der
zwischen dem geschmolzenen Material und den Fasern wirkenden Adhäsions- und Kapillarkräften
zu den Überkreuzungspunkten der Fasern wandert. Infolge der Kapillarkräfte und der
Oberflächenspannung des geschmolzenen Kunststoffmaterials verbleiben an den bei
den Uberkreuzungspunkten gebildeten Tropfen nach außen verlaufende, sich in Richtung
der Fasern erstreckende, sich verjüngende Vorsprünge, welche nach der Erstarrung
des Tropfens zusammen mit dessen Volumen auch ein Verbiegen der eingeschlossenen
Faserabschnitte verhindern.
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Auf diese Weise erhält man bei dem erfindungsgemäßen Filterpapier
eine sehr hohe Porosität bei guter mechanischer Festigkeit.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich zum Beispiel für die
Herstellung von Filtermundstücken für Zigaretten geeignete Filterpapiere herstellen,
die ein Gesamtflächengewicht von nur 35 g/m' aufweisen und deren Porosität darüber
hinaus an allen Stellen des Filterpapieres gleich groß ~ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen
angegeben.
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Bei Gewichtsanteilen des Kunststoffmaterials, wie sie im Unteranspruch
2 angegeben sind, wird einerseits die gewünschte mechanische Festigkeit bei hoher
Porösität erhalten, zugleich ist sichergestellt, daß das Strömungsmittel bei Hindurchtreten
durch das Filterpapier im Wesentlichen nur in Berührung zu den pflanzlichen Fasern
tritt.
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Die in den Unteransprüchen 3 und 4 angegebenen Kunststoffmaterialien
eignen sich besonders gut für die kontinuierliche Herstellung von Filterpapierbahnen.
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Das Zwischenprodukt nach Anspruch 7 stellt selbst ein Filterpapier
dar. Das Kunststoffmaterial ist einerseits so fein verteilt, wie es im Hinblick
auf die Bildung feiner tröpfchenförmiger Versteifungen in einem erfindungsgemäßen
Filterpapier erwünscht ist. Das Kunststoffmaterial ist andererseits so fest in das
Grundgerüst der pflanzlichen Fasern eingebettet, daß das Zwischenprodukt gut handhabbar
ist, z.B. geschnitten, gebogen und gewickelt werden kann. In Pulverform eingebrachtes
Kunststoffmaterial würde sich bei derartiger Handhabung und Bearbeitung teilweise
abscheiden oder unregelmäßig verteilen. Bei der Verwendung von Kunststoffasern besteht
darüber hinaus eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß schon die Kunststoffaser
in der Nähe eines Uberkreuzungspunktes von pflanzlichen Fasern vorbeiläuft, so daß
dieser Teil der Kunststoffaser den Kern des sich beim Schmelzen derselben bildenden
Tropfens bilden kann, auf den sich der Rest der Kunststoffaser beim Aufschmelzsn
dann zusammenziehen kann. Es reicht dann zur Erzeugung der tropfenförmigen Versteifungen
ein kurzzeitiges AufschmeSzen gese Kunststoffmaterials aus. Bei Verwendung von pulverförmigem
Kunststoffmaterial müßte man dagegen das Material nach dem Aufschmelzen noch längere
Zeit in geschmolzenem
Zustand halten, um ihm unter dem Einfluß
der Adhäsions-und Kapillarkräfte das Wandern zu den Uberkreuzungspunkten zu ermöglichen.
Ein nur kurzzeitiges Aufschmelzen bzw.
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ist sowhoeRl im Hinblick auf die Energieersparnis als auch auf eine
möglichst geringe Beeinflussung des Grundgerüstes von Vorteil.
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Das Zwischenprodukt nach Anspruch 7 ist aber auch deshalb von besonderem
Vorteil, da das zur Versteifung der Fasern des Grundgerüste8 vorgesehene Kunststoffmaterial
zugleich als Kleber verwendet werden kann. Bei der Wärmebehandlung zur Bildung des
Filterpapieres kann zugleich eine Klebverbindung zu einem anderen Material erfolgen,
z.B. zum eigentlichen Filtermaterial eines Filtermundstückes (vgl. Anspruch 16),
oder es kann zugleich ein Zusammenschweißen mehrerer MaterialstUcke zur Bildung
einer porösen Tasche aus Filterpapier erfolgen (vgl.
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Anspruch 18). Dieses gleichzeitige Verkleben und Heißversiegeln könnte
zwar im Prinzip auch unter Verwendung des fertigen Filterpapieres erfolgen; in diesem
Falle erhält man jedoch nur ein punktweises Verkleben an der Oberfläche durch die
wiederaufgeschmolzenen Versteifungen bei den in der Oberfläche liegenden Vberkreuzungspunkten.
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Die gleichzeitige Verwendung des für die Versteifung vorgesehenen
Kunststoffmateriales als Kleber läßt sich besonders günstig mit einem Zwischenprodukt
nach Anspruch 9 erhalten. Dort liegt dann die Deckschicht aus Kunststoffasern zwischen
dem GrundgerUst aus pflanzlichem Fasermaterial und dem Substrat, das später das
Filtermatoriaj. tragen soll. Beim Erwärmen über den Schmelzpunkt bzw.
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Erweichungspunkt inausntzt das Kunststoffmaterial das Substrat oder
dringt in dieses sogar etwas ein, falls es ebenfalls porös ist. Zugleich werden
die Tropfen aus Kunststoffmaterial bei den Uberkreuzungspunkten der Fasern des Grundgerüstes
erhalten.
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Bei einem Zwischenprodukt gemäß Anspruch 11 ist die Handhabbarkeit
und Bearbeitbarkeißdes Zwischenproduktes weiter verbessert, da die Kunststoffasern
in der Deckschicht ein selbsttragendes Gerüst bilden, das an die aus pflanzlichen
Fasern bestehende Grundschicht angeschweißt ist. Durch das Sintern tritt zugleich
infolge einer Schrumpfung der Kunststoffasern eine Erhöhung der Porosität des Zwischenproduktes
ein. Diesen Effekt kann man auch dazu gezielt einsetzen, durch entsprechende Führung
der Sinterung ausgehend von einem vorgegebenen Zwischenprodukt Produkte unterschiedlicher
Porosität zu erzeugen, die dann direkt als Filterpapiere verwendet werden können,
wo es auf eine besonders gro-Be mechanische Festigkeit nicht ankommt.
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Das im Anspruch 12 angegebene Verfahren hat den Vorteil, daß das Zwischenprodukt
weitestgehend von Wasser befreit ist, sodaß die Bildung der tröpfchenförmigen Versteifungen
durch Wärmebehandlung des Zwischenproduktes nicht durch ein Verdampfen von Wasser
aus den pflanzlichen Fasern behindert wird, wobei die größte Dampfmenge gerade an
den Uberkreuzungspunkten erzeugt würde (gemäß der lokalen Dichte der Fasern des
Grundgerüstes), wo sich die tröpfchenförmigen Versteifungen bilden sollen.
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Mit dem Verfahren gemäß Anspruch 14 wird eine gute Homogenität der
Porosität durch gleichmäßige Temperabw. weichen turbedingungen für das Aufschmezen
er Kunststoffasern und für ihr Zusammenziehen bei den Uberkreuzungspunkten derpflanzlichen
Fasern sichergestellt.
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Mit dem Verfahren nach Anspruch 15 ist sichergestellt, daß viele kleine
tröpfchenförmige Versteifungen entstehen, sodaß auch viele Vberkreuzungspunkte eine
Versteifung
aufweisen. Bei Wahl einer niedereren Temperatur und
langer Behandlungsdauer könnte sich dagegen das Kunststoffmaterial bevorzugt an
besonders günstigen Uberkreuzungspunkten zusammenziehen, zum Beispiel solchen, durch
die mehr als zwei Fasern hindurchlaufen, so daß dort eine besonders große Kapillarwirkung
erhalten wird. ähnlich wie bei der Kristallbildung bei langsamer Führung der Kristallisation
nur wenige große und bei schneller viele kleine Kristalle erhalten werden, wird
auch bei dem Verfahren nach Anspruch 15 die Bildung vieler Tröpfchen und damit eine
besonders gute Versteifung des Grundgerüstes erhalten.
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Mit dem Verfahren nach Anspruch 16 erhält man luftdurchlässige Filtermundsttlcke,
die eine viel gleichmäßigere Durchlässigkeit haben als dies mit mechanischer Perforation
möglich ist.
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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen: Fig. 1: eine Aufsicht auf einen Ausschnitt
eines erfindungsgemäßen Filterpapieres, gesehen durch ein Mikroskop; Fig. 2: eine
Aufsicht ähnlich wie Fig. 1, wobei jedoch das Zwischenprodukt gezeigt ist, aus dem
das Filterpapier nach Fig. 1 hergestellt ist; Fig. 3: einen Schnitt durch ein Zwischenprodukt
mit homogen verteilten Kunststoffasern; und Fig. 4: einen Schnitt durch ein Zwischenprodukt
mit einer Grundschicht aus Pflanzenfasern und einer von dieser getragenen Deckschicht
aus Kunststoffasern.
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Das in Fig. 1 gezeigte Filterpapier hat ein weitmaschiges
Grundgerüst
aus unregelmäßig angeordneten pflanzlichen Fasern 2, die sich bei Überkreuzungspunkten
4 kreuzen. Diese pflanzlichen Fasern sind langfasriger Zellstoff, dem durch Kochen
aufgeschlossene und gebleichte Fasern aus Einjahrespflanzen (zum Beispiel Manila,
Sisal) zugesetzt sein können, welche eine Faserlänge von etwa 6 mm und einen Faserdurchmesser
von etwa 25 ß haben. Außerdem können etwa 20 bis 60 Gew.% Zellulose-Regeneratfasern
mit 3 bis 10 mm Stapellänge und 5 bis 30 Dtex zugesetzt sein.
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An den Überkreuzungspunkten befinden sich tropfenförmige Versteifungen
6 aus thermoplastischem Kunststoffmaterial, zum Beispiel Polyäthylen, Polypropylen
(PP) oder einem Mischpolymer (MP) aus Vinylchlorid und Vinylacetat. In die Versteifungen
6 sind die Fasern 2 fest eingebettet. Auf diese Weise können die sich überkreuzenden
Fasern nicht gegeneinander verschoben werden, und die Form der eingebetteten Faserabschnitte
ist unveränderlich vorgegeben, so daß die Fasern nur kurze biegbare Abschnitte aufweisen.
Hierdurch erhält man eine große "Maschenweite" des Grundgerüstes bei guter mechanischer
Stabilität desselben, oder in makroskopischen Größen ausgedrückt eine hohe Porosität
des Filterpapieres bei guter Festigkeit.
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Das in Fig. 2 gezeigte Zwischenprodukt, das durch eine unten noch
genauer zu beschreibende Wärmebehandlung in ein Filterpapier nach Fig. 1 umgewandelt
werden kann, weist ebenfalls die Fasern 2 auf, die praktisch genau so liegen wie
im fertigen Filterpapier und ein Grundgerüst des Zwischenproduktes bilden. In unregelmgßiger
Anordnung liegen ferner Kunststoffasern 8 aus dem thermoplastischen Material vor.
Die Kunststoffasern haben eine Länge von etwa 2,5 mm und einen Durchmesser von etwa
40 , gleichen also insofern den Fasern der Nadelholzzellulose.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein dickeres Zwischenprodukt, in
dem die Kunststoffasern 8 homogen zwischen den pflanzlichen Fasern 2 verteilt sind.
Beim Erwärmen dieses Zwischenproduktes über die Schmelztemperatur bzw. Erweichungstemperatur
der Kunststoffasern erhält man ein dreidimensionales, verhältnismäßig steifes, hochporöses,
schwammartiges Tuch.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein dünnes Zwischenprodukt, das zur
Herstellung von Filtermundstücken für Zigaretten geeignet ist. Eine aus den pflanzlichen
Fasern 2 bestehende dünne Grundschicht 10 trägt eine ebenfalls dünne Deckschicht
12 aus Kunststoffasern 8. Die Kunststoffasern sind an ihren Überkreuzungspunkten
14 zusammengesintert, So daß ein zusammenhängendes Gerüst aus Kunststoffasern erhalten
wird.
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Dieses Gerüst ist an das der Grundschicht 10 angeschweißt.
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Es versteht sich, daß dann, wenn ein dickeres Zwischenprodukt, das
im Hinblick auf eine homogene Versteifpng im Volumen homogen verteilte Kunststoffasern
aufweist, An der Oberfläche zusätzlich mit einer aus Kunststoffasern bestehenden
Deckschicht versehen werden kann, wenn auch hier ein gutes Verkleben mit einem anderen
Material gewünscht wird.
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Nachstehend wird nun die Herstollung eines Zwischenproduktes beschrieben,
das sich zur Erzeugung von Filtermundstücken für Filterzigaretten eignet.
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Auf dem Sieb einer Papiermaschine wird ein Papiervlies mit einer Gesamtstärke
von 0,085 mm (Flächengewicht nach dem Trocknen 25 g/m') erzeugt. Hierzu wird ein
Gemisch bestehend aus 40 Gew.% (bezogen auf das Flächengewicht des Zwischenproduktes)
Zellstoff (Faserlänge ca. 2,5 mm, Faserdurchmesser ca. 40 ), 40 Gew.% Manilafasern
(Faserlänge ca. 6 mm,
Faserbreite ca. 25 ) und 20 Gew.% Zellulose-Regeneratfasern
(Faserlänge zwischen 3 und 10 mm, 5 - 30 Dtex) verwendet.
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In einem zweiten Stoffauflauf wird eine wässrige Dispersion von im
Handel erhältlichen Kunststoffasern aus Polyäthylen sowie PP-Faser und MP-Faser
mit einer Faserlänge von etwa 2,5 mm und einem Faserdurchmesser von etwa 40 ti auf
die aus den pflanzlichen Fasern bestehende Grundschicht aufgetragen. Die Dicke dieser
Deckschicht entspricht einem Flächengewicht von 4 - logIm2.
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0 Bei einer Temperatur von 70 - 100 C wird das so erhaltene, aus
Grundschicht und Deckschicht bestehende Faservlies während 30 Sekunden getrocknet.
Noch in der Papiermaschine wird das Vlies dann kurzfristig (5 Sekunden) auf eine
Temperatur von 1300 C aufgewärmt. Hierdurch sintern die Kunststoffasern zusammen
und kleben an der Grundschicht an. Zugleich schrumpfen die Kunststoffasern. Das
so erhaltene Zwischenprodukt hat etwa ein Drittel der Porosität des fertigen Filterpapieres.
Die letztere beträgt 20 bis 100 m3/ (Minute m3).
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Nachstehend wird nun die Herstellung von Filtermundstücken unter Verwendung
dieses Zwischenproduktes beschrieben.
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Das Zwischenprodukt wird in Bobinen zerschnitten, deren Breite etwas
größer ist als der Durchmesser der Filterstränge. Das bahnförmige Zwischenprodukt
wird, mit der Deckschicht zum Filtermaterial weisend, um das letztere herumgewickelt,
und der so erhaltene Strang läuft mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 bis 100 m/min.
durch die Strangmaschine und durch eine beheizte Formatkammer. Die Temperatur in
der letzteren ist so eingestellt, daß der Schmelzpunkt
bzw. der
Erweichungspunkt der Kunststoffasern nur kurzzeitig überschritten wird. Zum Beispiel
kann bei einer Laufgeschwindigkeit von 80 m/min., einer Länge der Formatkammer von
0,25 m und einer Temperatur in der letzteren von 2500 C bei Verwendung von Polyäthylen
gearbeitet werden.
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Bei dieser Wärmebehandlung verkleben die Deckschicht und die Oberfläche
des eigentlichen Filtermateriales. Ein Teil des Kunststoffmaterials wandert in die
Grundschicht hinein und lagert sich in Tröpfchenform an den Uberkreuzungspunkten
der Fasern an. Die Filterstränge werden nach Abkühlung in üblicher Weise in Filterstäbe
zerschnitten.