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WO2020141027A1 - Biologisch abbaubares segment eines rauchartikels - Google Patents

Biologisch abbaubares segment eines rauchartikels Download PDF

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Publication number
WO2020141027A1
WO2020141027A1 PCT/EP2019/077231 EP2019077231W WO2020141027A1 WO 2020141027 A1 WO2020141027 A1 WO 2020141027A1 EP 2019077231 W EP2019077231 W EP 2019077231W WO 2020141027 A1 WO2020141027 A1 WO 2020141027A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
segment
web material
web
segment according
density
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/077231
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Volgger
Stefan Bachmann
Original Assignee
Delfortgroup Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delfortgroup Ag filed Critical Delfortgroup Ag
Priority to BR112020005387-2A priority Critical patent/BR112020005387A2/pt
Priority to US16/651,208 priority patent/US20210195939A1/en
Priority to EP19787177.5A priority patent/EP3700366B1/de
Priority to EP21198049.5A priority patent/EP3970521B1/de
Priority to KR1020207008610A priority patent/KR102369738B1/ko
Priority to JP2020517290A priority patent/JP7035173B2/ja
Priority to ES19787177T priority patent/ES2923499T3/es
Priority to PL19787177.5T priority patent/PL3700366T3/pl
Priority to CN201980004529.1A priority patent/CN111655052B/zh
Priority to PH12020500534A priority patent/PH12020500534A1/en
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    • D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
    • D21H13/02—Synthetic cellulose fibres
    • D21H13/08—Synthetic cellulose fibres from regenerated cellulose
    • D—TEXTILES; PAPER
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    • 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
    • D21H21/14—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 function or properties in or on the paper
    • D21H21/22—Agents rendering paper porous, absorbent or bulky

Definitions

  • the invention relates to a segment of a smoking article, in particular a segment for cooling or filtering the aerosol flowing in the smoking article, which is better biodegradable than segments known from the prior art and which has a favorable combination of properties with regard to tensile resistance and filtration efficiency.
  • Smoking articles are typically rod-shaped articles which consist of at least two rod-shaped segments arranged one after the other.
  • a segment contains a material that is able to form an aerosol when heated, and at least one further segment serves to influence properties of the aerosol.
  • the smoking article can be a filter cigarette in which a first segment contains the aerosol-forming material, in particular tobacco, and a further segment is designed as a filter and serves to filter the aerosol.
  • the aerosol is generated by burning the aerosol-forming material, and the filter serves primarily to filter the aerosol and to provide the filter cigarette with a defined draw resistance.
  • the smoking article can also be a so-called heated tobacco product, in which the aerosol-forming material is only heated but not burned. This reduces the number and quantity of harmful substances in the aerosol.
  • Such a smoking article also consists of at least two, but more often more, especially four, segments.
  • One segment contains the aerosol-forming material, which typically comprises tobacco, reconstituted tobacco or tobacco prepared by other methods. Additional, partially optional segments in the smoking article are used to pass on the aerosol, to cool the aerosol or to filter the aerosol.
  • the segments are usually encased in a wrapping material. Paper is very often used as wrapping material.
  • segment the one that does not contain the aerosol-forming material, but is used, for example, to pass on, cool or filter the aerosol.
  • a first requirement is to filter the aerosol. This filtration is often selective, which means that it removes certain substances from the aerosol and thus influences the taste of the aerosol. With regard to filtration, one would like to have both segments that have a particularly high filtration efficiency, for example if they are primarily used for filtration, and segments that have a particularly low filtration efficiency, for example if they are primarily intended to pass on or cool the aerosol .
  • Another requirement is to generate a certain train resistance.
  • the consumer expects a certain resistance when smoking, that is, a certain pressure difference to suck aerosol out of the smoking article.
  • the segments for smoking articles are therefore often designed so that they have a certain draw resistance.
  • the aerosol has a temperature of several 100 ° C. and, as it flows through the smoking article, it has to be cooled to a temperature which is compatible with the consumer. In the prior art, this is typically done by removing heat from the aerosol.
  • the smoking article with sufficient mechanical stability.
  • the consumer should not be able to accidentally squeeze the smoking article during normal consumption of the smoking article.
  • the segments have a certain hardness. This is partly achieved by choosing a suitable wrapping material.
  • the invention has for its object to provide a segment for a smoking article len, which is more biodegradable than conventional segments in smoking articles and which is in any case no worse than conventional segments in terms of filtration properties, cooling effect and tensile resistance.
  • fiber-based web materials are suitable for segments in smoking articles to at least meet the biodegradability requirement. All web-shaped materials made of staple fibers that can be formed into segments for smoking articles are referred to here as fiber-based web materials. Suitable fiber-based web materials are in particular paper or nonwovens. In the following, "web material” is understood to mean, without exception, a fiber-based web material for use in smoking articles.
  • the inventors have further found that a certain combination of properties of the web material and the segment produced therefrom makes it possible to meet the various additional requirements in a particularly favorable manner.
  • the segment according to the invention comprises a wrapping material and a web material that is wrapped by the wrapping material.
  • the web material comprises at least 40% cellulose fibers and less than 10% non-natural polymers, the percentages being based on the mass of the web material.
  • the web material has a basis weight of at least 10 g / m 2 and at most 70 g / m 2 , a thickness of at least 25 pm and at most 400 pm.
  • said web material has an area of at least 20 cm 2 and at most 90 cm 2 per cm 3 volume of the segment.
  • the segment made from the web material has a density of at least 50 kg / m 3 and at most 300 kg / m 3 without the wrapping material.
  • the draw resistance, the filtration efficiency and the cooling effect of the segment are determined by the structure and amount of the sheet material in the segment.
  • a porous structure of the web material increases the heat transfer and the filtration efficiency.
  • the amount of web material in the segment also plays a role. It is specified on the one hand by the area of the web material in the segment per volume of the segment, whereby a higher area per volume increases tensile resistance, filtration efficiency and heat transfer, and on the other hand by the density of the segment without wrapping material, a higher density primarily increasing the tensile resistance.
  • the density of the web material and the segment also play a role, because they influence the heat transfer.
  • the inventors have now found that within the limits given above for the basis weight of the web material, the thickness of the web material, the density of the web material, the area of the web material per volume in the segment and the density of the segment without wrapping material, a particularly favorable combination then results of properties if the inequality given above is met for the parameter formed from the density of the web material, the density of the segment without wrapping material and the area of the web material per volume of the segment.
  • the web material in the segment of the smoking article comprises cellulose fibers, with at least 40% of the mass of the web material being formed by cellulose fibers.
  • Cellulose fibers are made of natural polymers and are readily biodegradable, which gives a first advantage of the invention. Another advantage of the invention arises from the fact that cellulose fibers are hygroscopic.
  • the aerosol in the smoking article contains water and the cellulose fibers can partially absorb this water and thus help to cool the aerosol. In contrast to segments made from other materials, heat is no longer dissipated, but part of the water in the aerosol is retained with the thermal energy stored in the water. An aerosol thus reaches the consumer of the smoking article, the temperature of which is not necessarily significant is reduced, but contains significantly less thermal energy and is therefore more tolerable for consumers.
  • the proportion of cellulose fibers in the web material is therefore preferably higher and is preferably at least 60%, particularly preferably at least 90% and very particularly preferably at least 99%, in each case based on the mass of the web material.
  • the cellulose fibers can be wood cellulose fibers from hardwoods or softwoods, but also from other plants such as hemp, flax, sisal, jute, abaca or esparto grass and are produced by the processes known from the prior art. Mixtures of cellulose fibers from different origins can be used.
  • the web material should contain less than 10% of its mass of non-natural polymers.
  • Natural polymers are polymers that were obtained directly from natural raw materials without chemical change or without changing the composition or are chemically identical to those polymers obtained from nature.
  • cellulose fibers are made from natural polymers, and fibers from regenerated cellulose are also natural polymers.
  • chemical changes have taken place in the case of cellulose acetate or polylactides, so that they belong to the non-natural polymers, and although the raw materials occur naturally, these raw materials have at least been modified in such a way that rapid biodegradability is no longer guaranteed.
  • all polymers derived from mineral oils such as polyethylene, polypropylene, polyester or polystyrene, are not natural polymers.
  • the web material preferably contains less than 5% of the mass of the web material of non-natural polymers and particularly preferably less than 1% of the mass of the web material. Optimal biodegradability results when the web material does not contain any non-natural polymers, which is why this is a very particularly preferred embodiment.
  • the web material can contain fibers made from regenerated cellulose, such as viscose fibers, modal fibers, Lyocell® or Tencel®, the proportion of which is preferably less than 60% of the mass of the web material and particularly preferably less than 40% of the mass of the web material.
  • the amount of fibers made from regenerated cellulose can be selected to further optimize the filtration efficiency.
  • the web material can also contain fillers, the fillers preferably being formed by calcium carbonate, magnesium oxide, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, titanium dioxide and silicates or mixtures thereof. A particularly preferred filler is precipitated calcium carbonate.
  • the proportion of fillers based on the mass of the web material is preferably at least 0%, particularly preferably at least 5% and very particularly preferably at least 10% and preferably at most 40%, particularly preferably at most 35% and very particularly preferably at most 30%. Since fillers absorb much less water than pulp fibers, an increase in the proportion of fillers with the same basis weight of the web material can contribute to a reduction in the filtration efficiency for water. This can also influence the cooling effect of the segment.
  • the web material can also be coated.
  • the web material is coated with polyvinyl alcohol or a polysaccharide, which reduces the filtration efficiency for water and thus the aerosol is dried less.
  • the polysaccharide is selected from the group consisting of starch, carboxymethyl cellulose, guar, dextrin, pectin or mixtures thereof. It should be noted that polyvinyl alcohol is not a natural polymer and the amount of non-natural polymers does not exceed 10% of the mass of the web material.
  • the web material can also be impregnated.
  • the applied composition not only remains on the surface during impregnation but also penetrates significantly into the structure of the web material.
  • the web material is impregnated with glycerol or propylene glycol. These substances can increase the filtration efficiency for glycerol, which often serves as a humectant in the aerosol-forming material of the smoking article and promotes the formation of the aerosol.
  • the web material can also contain flavoring agents to influence the taste of the aerosol.
  • the flavoring substances can be contained in the web material in chemically bound form or in physically bound form, for example encapsulated.
  • the flavorings are preferably selected from the group consisting of menthol, ethylvanillin glucoside, vanillin and ethylvanillin.
  • the person skilled in the art can choose other components of the web material, such as sizing agents, for example AKD, ASA or resins or other additives and process aids, but it should be noted that the amount of non-natural polymers is less than 10% of the mass of the web material got to.
  • the basis weight of the web material is between 10 g / m 2 and 70 g / m 2 and preferably between 20 g / m 2 and 60 g / m 2 and particularly preferably between 25 g / m 2 and 50 g / m 2 .
  • the weight per unit area can be determined in accordance with ISO 536: 2012.
  • the choice of the basis weight influences the processability of the web material, in particular the process of crimping or folding, and the material expenditure for the segment.
  • the preferred intervals particularly well combine the cost of materials with the segment properties achieved.
  • the thickness of the web material is between 25 pm and 400 pm and preferably between 35 pm and 150 pm and particularly preferably between 40 pm and 100 pm. As with the basis weight, the thickness of the web material is important for the processability, and the preferred intervals result in a thickness which is particularly suitable for crimping or folding if the segment has desired properties.
  • the thickness can be determined according to ISO 534: 2011.
  • the basis weight and the thickness influence the properties of the segment made from the sheet material together via the density.
  • the density of the web material is preferably between 100 kg / m 3 and 1200 kg / m 3 , particularly preferably between 200 kg / m 3 and 700 kg / m 3 and very particularly preferably between 300 kg / m 3 and 600 kg / m 3 .
  • the density describes the pore structure of the web material and thus an essential parameter for filtration efficiency, heat transfer and tensile resistance.
  • the preferred intervals allow a favorable combination of tensile resistance and filtration efficiency.
  • the density can be determined according to ISO 534: 2011.
  • the segment contains between 20 cm 2 and 90 cm 2 web material per cm 3 volume of the segment, preferably between 30 cm 2 / cm 3 and 80 cm 2 / cm 3 and particularly preferably between 35 cm 2 / cm 3 and 70 cm 2 / cm 3 , each based on the volume of the segment.
  • the area of the web material per volume of the segment describes how tightly the web material is packed in the segment. It therefore has an impact on tensile resistance, but also on the filtration properties, heat transfer and hardness of the segment.
  • the area of the sheet material can be determined, for example, by weighing the sheet material and calculating from the nominal or measured basis weight of the sheet material.
  • the density of the segment itself, without the wrapping material is between 50 kg / m 3 and 300 kg / m 3 , preferably between 60 kg / m 3 and 250 kg / m 3 and particularly preferably between 70 kg / m 3 and 200 kg / m 3 .
  • This parameter also has a significant impact on the tensile resistance, the filtration efficiency and the hardness of the segment.
  • the density of the segment is given without the wrapping material, since the wrapping material has little influence on the tensile resistance, the filtration efficiency or the heat transfer.
  • the density of the segment can be calculated.
  • the volume of the segment is first determined, which can be calculated from the diameter and length of a cylindrical segment, for example. The influence of the wrapping material on the diameter can be neglected.
  • the mass of the segment can be determined by weighing, the segment being covered with the wrapping material.
  • the mass of the wrapping material can be determined from the area of the wrapping material and the nominal or measured weight per unit area of the wrapping material. For example, in a typical cylindrical segment, the area of the wrapping material results from the circumference of the segment and the overlap of the wrapping material as with itself and the length of the segment.
  • the mass of the wrapping material is subtracted from the mass of the segment with wrapping material and its density is calculated by dividing by the volume of the segment.
  • a numerical example is detailed below.
  • Aw eb are the area of the web material per volume of the segment in cm 2 / cm 3 .
  • This parameter Z should be at least 1300 and at most 2800, preferably at least 1350 and at most 2600 and particularly preferably at least 1400 and at most 2400. This is the only way to obtain a segment with favorable properties and in the preferred intervals a particularly favorable compromise of tensile resistance and filtration egg properties.
  • the wrapping material of the segment is preferably a paper and particularly preferably a paper with a basis weight of at least 20 g / m 2 and at most 150 g / m 2 and very particularly preferably a paper with a basis weight of at least 50 g / m 2 and at most 120 g / m 2 . In order to achieve favorable properties of the segment, the density of the segment and thus the hardness are comparatively low.
  • wrapping materials with a basis weight of 50 g / m 2 to 150 g / m 2 can further improve the hardness of the segment.
  • the weight per unit area must not be too high, because otherwise the restoring forces of the wrapping material make the manufacture of a segment, in particular the bonding of the wrapping material to itself, more difficult.
  • the bending stiffness of the wrapping material can be just as important as the basis weight in order to set a favorable hardness of the segment.
  • the bending stiffness should therefore preferably be at least 0.05 Nmm and at most 0.90 Nmm, particularly preferably at least 0.10 Nmm and at most 0.80 Nmm.
  • the bending stiffness can be measured according to ISO 5628: 2012, especially according to the two-point method described in this standard.
  • the bending stiffness can depend on the direction in which the sample was taken from the web material. The features indicated by the above preferred and particularly preferred interval are met if the bending stiffness in at least one direction lies in the indicated preferred or particularly preferred interval.
  • the segment according to the invention is preferably cylindrical and preferably has a diameter of at least 5 mm and at most 9 mm, particularly preferably of at least 7 mm and at most 8.5 mm.
  • the segment according to the invention is preferably at least 4 mm and at most 40 mm long, particularly preferably at least 6 mm and at most 35 mm and very particularly preferably at least 10 mm and at most 28 mm.
  • the segment according to the invention can be part of a smoking article, so that a smoking article according to the invention comprises an aerosol-forming material and the segment according to the invention.
  • the smoking article is a filter cigarette comprising at least one segment according to the invention and a further segment which contains tobacco.
  • the segment according to the invention is a segment of the filter of a filter cigarette.
  • the smoking article is a smoking article that contains an aerosol-forming material that is only heated but not burned when the smoking article is used as intended, and that contains at least one segment according to the invention and a filter segment, the at least one segment according to the invention between the aerosol-forming material and the filter segment is arranged. In this arrangement, the at least one segment according to the invention is used primarily for cooling the aerosol.
  • the segment according to the invention can be produced from web material by methods known from the prior art. Such methods typically include crimping or folding the web material, making an endless strand from the web material, wrapping the endless strand with a wrapping material, and cutting the wrapped strand into segments of the desired size.
  • Smoking articles using the segment according to the invention can be produced by methods known from the prior art.
  • Fig. 1 shows a table (Table 1), in which the compositions of 25 web materials are summarized.
  • Fig. 2 shows a table (Table 2), in the characteristic sizes of the web materials (width, basis weight, thickness, density) of the 25 web materials from Table 1 are summarized.
  • Fig. 3 shows a table (Table 3), in the characteristic sizes of 25 segments (mass, density, area, parameter Z) are summarized, which are formed from the sheet materials of Tables 1 and 2.
  • Fig. 4 shows a table (Table 4), in which the functional properties of the segments of Table 3 (tensile resistance, filtration efficiency with regard to nicotine, water and glycerol) are summarized.
  • composition of the sheet materials is given in Table 1. All web materials were made from wood pulp, Lyocell® fibers were also used for the two web materials Nos. 22 and 23, with the stated percentage of 40% relating to the mass of Lyocell® fibers in the total fiber mass in the web material.
  • the railway materials 4-6, 12 and 13 also contained 29.5% of their mass precipitated calcium carbonate (CaC0 3 ).
  • Web materials 16-21, 24 and 25 were coated with an oxidized starch and web materials 14, 15, 18 and 19 were soaked in glycerol. Web materials 20 and 21 were impregnated with propylene glycol.
  • the basis weight of the web materials was determined according to ISO 536: 2012 and the thickness and density according to ISO 534: 2011. The results are shown in Table 2, the sheet material numbers corresponding to those of Table 1.
  • the strands made from the sheet materials were cut into rods with a length of 108 mm each and their mass determined by weighing.
  • the data of the bars made from sheet materials 1-25 are given in Table 3, the sheet material numbers again corresponding to those of Table 1.
  • the mass in Table 3 is the mass of a 108 mm long rod with a coating material with a weight per unit area of 78 g / m 2 .
  • the density was calculated as follows from the mass of the rod and the known geometry.
  • the mass of the wrapping material which is 27 mm wide and 108 mm long, is
  • the thickness of the wrapping material was neglected.
  • the mass of the wrapping material was subtracted from the mass of the rod with wrapping material and the result was divided by the volume.
  • the density of the rod made from Bruma 1 results
  • Table 3 also shows the parameter Z, which consists of
  • Aw eb is the area of the web material per volume of the segment in cm 2 / cm 3 .
  • the parameter Z is independent of the geometry, in particular the diameter and the length of the rod or segment, and only characterizes the internal structure of the segment.
  • the tensile resistance of the 108 mm long bars was measured in accordance with ISO 6565. Segments with a length of 18 mm were cut from the rods and smoking articles were produced therefrom.
  • the smoking article was a so-called heated tobacco product, in which the tobacco contained in the smoking article was only heated.
  • the smoking article consisted of a segment with the tobacco in the flow direction followed by a transfer segment in which the aerosol can condense, and further followed by the segment according to the invention, which primarily serves to cool the aerosol, and finally a filter segment.
  • the smoking articles were heated in a commercially available heating device and smoked according to the method specified in ISO 3308.
  • the filtration efficiency for nicotine, water and glycerol was measured for the segments made from the web materials 8-25.
  • the filtration efficiency for a substance is the difference between the amount of substance that flows into the segment and the amount of substance that flows out of the segment, based on the amount of substance flowing into the segment. Filtration efficiency is expressed as a percentage and was determined for nicotine, water and glycerol in this way for an 18 mm segment.
  • Table 4 shows the tensile resistance of a 108 mm long rod and the filtration efficiency of an 18 mm long segment for nicotine, water and glycerol.
  • the numbers of the web materials correspond to those in Table 1.
  • the segments made from the web materials 1-25 are segments according to the invention which have a parameter Z of approximately 1300 to approximately 2250.
  • the tensile resistance of the 108 mm long rod is between 17.9 mmWG and 63.9 mmWG and thus allows the design of segments that either pass on the aerosol and only offer a low tensile resistance or that filter the aerosol and additionally allow the tensile resistance to increase the smoking article.
  • a comparison of the web materials 2 and 11 which are identical in composition shows the influence of the density of the segment on the tensile resistance.
  • a segment made of web material 2 with a density of the segment of 73.3 kg / m 3 gives a tensile resistance (108 mm) of 23.8 mmWG, while a segment made of web material 11 with a density of 170.5 kg / m 3 gives a tensile strength of 54.5 mm shared flat (108 mm). This shows the importance of the density of the segment, which is why it is an essential component of the parameter Z.
  • the tensile resistance is not determined solely by the density of the segment.
  • the web materials 6 and 7 have a similar basis weight, but the web material 6 contains 29.5% calcium carbonate and therefore has a significantly higher density.
  • the segments made of it have a similar density and the area of the web material per volume of the segment is similar. Nevertheless, they differ significantly in the tensile resistance, which is 63.9 mmWG for the rod (108 mm) made of sheet material 6 and only 30.5 mmWG for the rod (108 mm) made of sheet material 7. This shows that the density of the web material itself has an independent meaning for the properties of the segment made from it and is therefore also an essential property in parameter Z.
  • the area of the web material per volume of the segment depends on the density of the web material and the density of the segment without the wrapping material and is therefore also an essential property for the tensile resistance and is therefore also included in the parameter Z.
  • the segments of the starch coated web materials 16-21 all show a lower filtration efficiency for water than the segments from the comparable web materials 8, 9 and 11, whereas they hardly differ in the filtration efficiencies for nicotine and glycerol. divorce. This shows that a coating with oxidized starch can be used to adjust the filtration efficiency for water.
  • the impregnation with glycerol or propylene glycol of the sheet materials 18-21 in the segments made therefrom results in a significantly higher filtration efficiency for nicotine and glycerol compared to the segments from the sheet materials 16 and 17 which have no such impregnation.
  • the impregnation means that the filtration efficiency for nicotine and glycerol can be adjusted.
  • all segments made from the web materials 1-25 are useful as a segment in a smoking article and can be used primarily for cooling the aerosol as well as for filtering the aerosol.
  • the biodegradability of all segments made from the sheet materials 1-25 resulted directly from the components used and was not tested further. It was found that the segments according to the invention have favorable properties for use in smoking articles and, in addition, excellent biodegradability is achieved.
  • the 108 mm long rod made of this sheet material only has a tensile resistance of 12.3 mmWG, which is too low for use in smoking articles.
  • the hardness of the segment despite the coating material at 78 g / m 2, is not sufficient for further processing into a smoking article. It should be noted that this segment fulfills all requirements according to the invention with the exception of those for parameter Z.
  • this segment also fulfills all of the requirements of the invention with the exception of those for parameter Z.
  • the two comparative examples not according to the invention thus show that the parameter Z is essential in order to obtain a segment with satisfactory properties.

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Abstract

Gezeigt wird ein Segment eines Rauchartikels, umfassend ein faserbasiertes Bahnmaterial und ein Umhüllungsmaterial, das das faserbasierte Bahnmaterial umhüllt, wobei das faserbasierte Bahnmaterial mindestens 40% Zellstofffasern und weniger als 10% nicht natürliche Polymere umfasst, jeweils bezogen auf die Masse des Bahnmaterials, ein Flächengewicht von mindestens 10 g/m2 und höchstens 70 g/m2 hat, und eine Dicke von mindestens 25 μm und höchstens 400 μm hat, wobei das genannte Bahnmaterial im Segment eine Fläche von mindestens 20 cm2 und höchstens 90 cm2 pro cm3 Volumen des Segments aufweist, wobei das Segment ohne das Umhüllungsmaterial eine Dichte von mindestens 50 kg/m3 und höchstens 300 kg/m3 aufweist, und wobei ein Parameter Z, der definiert ist als Z = ρWeb + 5 · ρSeg + 12 · AWeb, die Ungleichung 1300 ≤ Z ≤ 2800 erfüllt, wobei ρWeb die Dichte des Bahnmaterials in kg/ m3, ρSeg die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial in kg/ m3, und AWeb die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments in cm2/cm3 sind.

Description

BIOLOGISCH ABBAUBARES SEGMENT EINES RAUCHARTIKELS
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Segment eines Rauchartikels, insbesondere ein Segment zur Küh lung oder Filtration des im Rauchartikel strömenden Aerosols, das besser biologisch abbau bar ist als aus dem Stand der Technik bekannte Segmente und das eine günstige Kombinati on an Eigenschaften hinsichtlich Zugwiderstand und Filtrationseffizienz aufweist.
HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
Rauchartikel sind typischerweise stabförmige Artikel, die aus mindestens zwei nacheinander angeordneten stabförmigen Segmenten bestehen. Ein Segment enthält ein Material, das in der Lage ist, beim Aufheizen ein Aerosol zu bilden, und mindestens ein weiteres Segment dient dazu, Eigenschaften des Aerosols zu beeinflussen.
Bei dem Rauchartikel kann es sich um eine Filterzigarette handeln, bei der ein erstes Seg ment das aerosolbildende Material, insbesondere Tabak, enthält und ein weiteres Segment als Filter ausgeführt ist und der Filtration des Aerosols dient. Das Aerosol wird dabei durch Verbrennen des aerosolbildenden Materials erzeugt, und der Filter dient primär dazu, das Aerosol zu filtern und die Filterzigarette mit einem definierten Zugwiderstand auszustatten. Bei dem Rauchartikel kann es sich aber auch um ein sogenanntes heated tobacco product handeln, bei dem das aerosolbildende Material nur aufgeheizt aber nicht verbrannt wird. Dadurch wird die Zahl und Menge der gesundheitsschädlichen Substanzen im Aerosol ver mindert. Ein derartiger Rauchartikel besteht ebenfalls aus mindestens zwei, häufiger aber aus mehr, insbesondere aus vier Segmenten. Ein Segment enthält das aerosolbildende Mate rial, das typischerweise Tabak, rekonstituierten Tabak oder nach anderen Verfahren aufbe reiteten Tabak umfasst. Weitere, teilweise optionale Segmente im Rauchartikel dienen dazu, das Aerosol weiterzuleiten, das Aerosol abzukühlen oder das Aerosol zu filtern.
Die Segmente sind meistens von einem Umhüllungsmaterial umhüllt. Sehr oft wird Papier als Umhüllungsmaterial verwendet.
Im Folgenden wird, soweit nicht explizit darauf hingewiesen wird oder sich direkt aus dem Zusammenhang anderes ergibt, unter„Segment“ das Segment eines Rauchartikels verstan- den, das nicht das aerosolbildende Material enthält, sondern beispielsweise dazu dient, das Aerosol weiterzuleiten, abzukühlen oder zu filtern.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, derartige Segmente aus nicht natürlichen Polymeren wie Celluloseacetat oder Polylactiden zu bilden. Nach dem Konsum des Rauchartikels muss der Rauchartikel geeignet entsorgt werden. In vielen Fällen wirft der Konsument aber den konsumierten Rauchartikel einfach in der Umwelt weg, und Versuche, dieses Verhalten durch Information oder Strafen einzuschränken, waren wenig erfolgreich.
Da Celluloseacetat und Polylactide in der Umwelt nur sehr langsam biologisch abgebaut wer den, hat die Industrie ein Interesse, die Segmente des Rauchartikels aus anderen Materialien zu fertigen, die besser biologisch abbaubar sind. Zudem sind beispielsweise in der Europäi schen Union Regelungen geplant, die die Verwendung von nicht natürlichen Polymeren in Rauchartikeln erheblich reduzieren oder verbieten, sodass auch aus diesem Grund ein Inte resse besteht, alternative Segmente für Rauchartikel zur Verfügung zu haben.
An die Segmente in einem Rauchartikel werden verschiedene Anforderungen gestellt. Eine erste Anforderung besteht darin, das Aerosol zu filtern. Oft ist diese Filtration selektiv, das heißt, sie entfernt bestimmte Substanzen aus dem Aerosol und beeinflusst damit den Ge schmack des Aerosols. Hinsichtlich der Filtration möchte man sowohl Segmente haben, die eine besonders hohe Filtrationseffizienz besitzen, beispielsweise, wenn sie primär der Filtra tion dienen, als auch solche, die eine besonders niedrige Filtrationseffizienz besitzen, bei spielsweise, wenn sie vor allem das Aerosol weiterleiten oder kühlen sollen.
Eine weitere Anforderung besteht darin, einen bestimmten Zugwiderstand zu erzeugen. Der Konsument erwartet beim Rauchen einen bestimmten Widerstand, das heißt, eine bestimmte Druckdifferenz, um Aerosol aus dem Rauchartikel anzusaugen. Die Segmente für Raucharti kel sind daher oft so gestaltet, dass sie einen bestimmten Zugwiderstand aufweisen.
Eine weitere Anforderung besteht darin, das Aerosol zu kühlen. Das Aerosol hat unmittelbar nach seiner Bildung eine Temperatur von mehreren ioo°C und muss, während es durch den Rauchartikel strömt, auf eine für den Konsumenten verträgliche Temperatur gekühlt werden. Im Stand der Technik geschieht dies typischerweise durch die Ableitung von Wärme aus dem Aerosol.
Schließlich besteht eine weitere Anforderung darin, den Rauchartikel mit einer ausreichen den mechanischen Stabilität auszustatten. Der Konsument soll beim normalen Konsum des Rauchartikels den Rauchartikel nicht versehentlich zusammendrücken können, daher müs- sen die Segmente eine bestimmte Härte aufweisen. Dies wird zum Teil auch durch die Wahl eines geeigneten Umhüllungsmaterials erreicht.
Versuche alle diese Anforderungen mit einer guten biologischen Abbaubarkeit zu vereinen, waren bisher nicht ausreichend erfolgreich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Segment für einen Rauchartikel bereitzustel len, das besser biologisch abbaubar ist als konventionelle Segmente in Rauchartikeln und das hinsichtlich Filtrationseigenschaften, Kühlungseffekt und Zugwiderstand jedenfalls nicht schlechter ist als konventionelle Segmente.
Diese Aufgabe wird durch ein Segment nach Anspruch l und einen Rauchartikel nach An spruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angege ben.
Die Erfinder haben gefunden, dass bestimmte faserbasierte Bahnmaterialien für Segmente in Rauchartikeln geeignet sind, um zumindest die Anforderung an die biologische Abbaubarkeit zu erfüllen. Als faserbasierte Bahnmaterialien werden hier alle bahnförmigen Materialien aus Stapelfasern bezeichnet, die sich zu Segmenten für Rauchartikeln formen lassen. Geeignete faserbasierte Bahnmaterialien sind insbesondere Papier oder Vliese. Im Folgenden wird un ter„Bahnmaterial“ ausnahmslos ein faserbasiertes Bahnmaterial für die Verwendung in Rauchartikeln verstanden.
Die Erfinder haben weiter gefunden, dass eine bestimmte Kombination aus Eigenschaften des Bahnmaterials und des daraus erzeugten Segments es erlaubt, die verschiedenen zusätz lichen Anforderungen in einer besonders günstigen Weise zu erfüllen.
Konkret umfasst das erfindungsgemäße Segment ein Umhüllungsmaterial und ein Bahnma terial, das von dem Umhüllungsmaterial umhüllt wird. Das Bahnmaterial umfasst mindes tens 40% Zellstofffasern und weniger als 10% nicht natürliche Polymere, wobei die Prozent angaben auf die Masse des Bahnmaterials bezogen sind. Des Weiteren besitzt das Bahnmate rial ein Flächengewicht von mindestens 10 g/m2 und höchstens 70 g/m2, eine Dicke von mindestens 25 pm und höchstens 400 pm. Im Segment weist das besagte Bahnmaterial eine Fläche von mindestens 20 cm2 und höchstens 90 cm2 pro cm3 Volumen des Segments auf. Das aus dem Bahnmaterial gefertigte Segment besitzt ohne das Umhüllungsmaterial eine Dichte von mindestens 50 kg/m3 und höchstens 300 kg/m3. Schließlich muss für die Dichte des Bahnmaterials (pweb) in kg/m3, die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial (pseg) in kg/m3 und die Fläche des Bahnmaterials im Segment pro cm3 Volumen des Segments (A- web) in cm2/cm3 die folgende Ungleichung erfüllt sein
1300 < Pweb + 5 pSeg + 12 AWeb < 2800.
Gemäß den Erkenntnissen der Erfinder werden der Zugwiderstand, die Filtrationseffizienz und die Kühlwirkung des Segments von der Struktur und Menge des Bahnmaterials im Seg ment bestimmt. Dabei erhöht eine poröse Struktur des Bahnmaterials den Wärmeübergang und die Filtrationseffizienz. Neben der Struktur des Bahnmaterials spielt auch die Menge des Bahnmaterials im Segment eine Rolle. Sie wird einerseits durch die Fläche des Bahnmaterials im Segment pro Volumen des Segments spezifiziert, wobei eine höhere Fläche pro Volumen Zugwiderstand, Filtrationseffizienz und Wärmeübergang erhöht, und andererseits durch die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial, wobei eine höhere Dichte vor allem den Zugwiderstand erhöht. Insbesondere für den Kühleffekt des Segments spielen neben der für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Fläche auch die Dichte des Bahnmaterials und des Segments eine Rolle, weil sie die Weiterleitung der Wärme beeinflussen.
Die Erfinder haben nun gefunden, dass innerhalb der oben angegebenen Grenzen für das Flächengewicht des Bahnmaterials, die Dicke des Bahnmaterials, die Dichte des Bahnmateri als, die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen im Segment und die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial sich dann eine besonders günstige Kombination an Eigenschaften ergibt, wenn für den aus der Dichte des Bahnmaterials, der Dichte des Segments ohne Um hüllungsmaterial und der Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments gebildeten Parameter die oben angegebene Ungleichung erfüllt ist.
Das Bahnmaterial im Segment des Rauchartikels umfasst Zellstofffasern, wobei mindestens 40% der Masse des Bahnmaterials durch Zellstofffasern gebildet werden. Zellstofffasern be stehen aus natürlichen Polymeren und sind biologisch gut abbaubar, woraus sich ein erster Vorteil der Erfindung ergibt. Ein weiterer für die Erfindung wesentlicher Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass Zellstofffasern hygroskopisch sind. Das Aerosol im Rauchartikel ent hält Wasser und die Zellstofffasern können dieses Wasser zum Teil aufnehmen und tragen damit zu einer Kühlung des Aerosols bei. Dabei wird im Gegensatz zu Segmenten aus ande ren Materialien aber nicht mehr Wärme abgeleitet, sondern ein Teil des Wassers im Aerosol mit der im Wasser gespeicherten Wärmeenergie zurückgehalten. Damit gelangt ein Aerosol zum Konsumenten des Rauchartikels, dessen Temperatur nicht notwendigerweise erheblich reduziert ist, das aber wesentlich weniger Wärmeenergie enthält und damit für den Konsu menten verträglicher ist.
Bevorzugt ist der Anteil an Zellstofffasern im Bahnmaterial daher höher und beträgt bevor zugt mindestens 6o%, besonders bevorzugt mindestens 90% und ganz besonders bevorzugt mindestens 99%, jeweils bezogen auf die Masse des Bahnmaterials.
Die Zellstofffasern können Holzzellstofffasern aus Laubhölzern oder Nadelhölzern sein, aber auch aus anderen Pflanzen wie Hanf, Flachs, Sisal, Jute, Abacä oder Espartogras und werden nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergesteht. Mischungen von Zell- stofffasern verschiedener Herkunft können eingesetzt werden.
Damit die gute biologische Abbaubarkeit des Segments gewährleistet ist, soll das Bahnmate rial weniger als 10% seiner Masse an nicht natürlichen Polymeren enthalten. Natürliche Po lymere sind dabei Polymere, die ohne chemische Veränderung oder ohne Veränderung der Zusammensetzung direkt aus natürlichen Rohstoffen gewonnen wurden oder zu solchen aus der Natur gewonnen Polymeren chemisch identisch sind. Konkret bestehen Zellstofffasern aus natürlichen Polymeren, und Fasern aus regenerierter Cellulose gehören ebenfalls zu den natürlichen Polymeren. Bei Celluloseacetat oder Polylactiden hingegen haben chemische Veränderungen stattgefunden, sodass sie zu den nicht natürlichen Polymeren gehören, und obwohl die Ausgangsstoffe in der Natur Vorkommen, wurden diese Ausgangsstoffe zumindest derart verändert, dass eine schnelle biologische Abbaubarkeit nicht mehr gewährleistet ist. Ebenfalls sind alle Polymere, die aus Mineralölen gewonnen wurden, wie Polyethylen, Polyp ropylen, Polyester oder Polystyrol nicht natürliche Polymere.
Bevorzugt enthält das Bahnmaterial weniger als 5% der Masse des Bahnmaterials nicht na türliche Polymere und besonders bevorzugt weniger als 1% der Masse Bahnmaterials. Eine optimale biologische Abbaubarkeit ergibt sich dann, wenn das Bahnmaterial keine nicht na türlichen Polymere enthält, weshalb dies eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Das Bahnmaterial kann Fasern aus regenerierter Cellulose, wie Viscosefasern, Modalfasern, Lyocell® oder Tencel® enthalten, wobei deren Anteil bevorzugt weniger als 60% der Masse des Bahnmaterials und besonders bevorzugt weniger als 40% der Masse das Bahnmaterials beträgt. Die Menge an Fasern aus regenerierter Cellulose kann gewählt werden, um die Filt rationseffizienz noch weiter zu optimieren. Das Bahnmaterial kann auch Füllstoffe enthalten, wobei die Füllstoffe bevorzugt durch Cal ciumcarbonat, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Titandioxid und Silikate oder Mischungen daraus gebildet werden. Ein besonders bevorzugter Füllstoff ist gefälltes Calciumcarbonat. Der Anteil an Füllstoffen bezogen auf die Masse des Bahnmateri als beträgt bevorzugt mindestens 0%, besonders bevorzugt mindestens 5% und ganz beson ders bevorzugt mindestens 10% und bevorzugt höchstens 40%, besonders bevorzugt höchs tens 35% und ganz besonders bevorzugt höchstens 30%. Da Füllstoffe wesentlich weniger Wasser aufnehmen als Zellstofffasern kann eine Erhöhung des Anteils an Füllstoffen bei glei chem Flächengewicht des Bahnmaterials zu einer Reduktion der Filtrationseffizienz für Was ser beitragen. Damit kann auch die Kühlwirkung des Segments beeinflusst werden.
Das Bahnmaterial kann auch beschichtet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bahnmaterial mit Polyvinylalkohol oder einem Polysaccharid beschichtet, wodurch sich die Filtrationseffizienz für Wasser reduziert und somit das Aerosol weniger getrocknet wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Polysaccharid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stärke, Carboxymethylcellulose, Guar, Dextrin, Pektin oder Mischun gen daraus. Zu beachten ist, dass Polyvinylalkohol kein natürliches Polymer ist, und die Menge an nicht natürlichen Polymeren 10% der Masse des Bahnmaterials nicht überschrei tet.
Das Bahnmaterial kann auch imprägniert sein. Im Unterschied zur Beschichtung verbleibt bei einer Imprägnierung die aufgetragene Zusammensetzung nicht nur an der Oberfläche sondern dringt wesentlich in die Struktur des Bahnmaterials ein. In einer bevorzugten Aus führungsform ist das Bahnmaterial mit Glycerol oder Propylenglykol imprägniert. Diese Sub stanzen können die Filtrationseffizienz für Glycerol erhöhen, das im aerosolbildenden Mate rial des Rauchartikels oft als Feuchthaltemittel dient und die Bildung des Aerosols fördert.
Das Bahnmaterial kann auch Aromastoffe enthalten, um den Geschmack des Aerosol zu be einflussen. Die Aromastoffe können in chemisch gebundener Form oder physikalisch gebun dener Form, beispielsweise verkapselt, im Bahnmaterial enthalten sein. Bevorzugt sind die Aromastoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Menthol, Ethylvanillinglucosid, Va nillin und Ethylvanillin.
Weitere Komponenten des Bahnmaterials, wie Leimungsmittel, beispielsweise AKD, ASA oder Harze oder weitere Additive und Prozesshilfsmittel kann der Fachmann nach seiner Erfahrung wählen, wobei allerdings zu beachten ist, dass die Menge an nicht natürlichen Po lymeren weniger als 10% der Masse des Bahnmaterials betragen muss. Das Flächengewicht des Bahnmaterials beträgt zwischen io g/m2 und 70 g/m2 und bevor zugt zwischen 20 g/m2 und 60 g/m2 und besonders bevorzugt zwischen 25 g/m2 und 50 g/m2. Das Flächengewicht kann gemäß ISO 536:2012 bestimmt werden. Die Wahl des Flä chengewichts beeinflusst die Verarbeitbarkeit des Bahnmaterials, insbesondere den Vorgang des Crimpens oder Faltens, und den Materialaufwand für das Segment. Die bevorzugten In tervalle vereinbaren den Materialaufwand mit den erzielten Segmenteigenschaften besonders gut.
Die Dicke des Bahnmaterials beträgt zwischen 25 pm und 400 pm und bevorzugt zwischen 35 pm und 150 pm und besonders bevorzugt zwischen 40 pm und 100 pm. Wie beim Flä chengewicht ist die Dicke des Bahnmaterials für die Verarbeitbarkeit von Bedeutung und die bevorzugten Intervalle ergeben bei gewünschten Eigenschaften des Segments eine Dicke, die besonders gut zum Crimpen oder Falten geeignet ist. Die Dicke kann nach ISO 534:2011 be stimmt werden.
Das Flächengewicht und die Dicke beeinflussen gemeinsam über die Dichte die Eigenschaf ten des aus dem Bahnmaterial gefertigten Segments. Die Dichte des Bahnmaterials beträgt vorzugsweise zwischen 100 kg/m3 und 1200 kg/m3, besonders bevorzugt zwischen 200 kg/m3 und 700 kg/m3 und ganz besonders bevorzugt zwischen 300 kg/m3 und 600 kg/m3. Die Dichte beschreibt die Porenstruktur des Bahnmaterials und damit eine für die Filtrati onseffizienz, den Wärmeübergang und den Zugwiderstand wesentliche Größe. Die bevorzug ten Intervalle erlauben eine günstige Kombination aus Zugwiderstand und Filtrationseffizi enz. Die Dichte kann nach ISO 534:2011 bestimmt werden.
Das Segment enthält zwischen 20 cm2 und 90 cm2 Bahnmaterial pro cm3 Volumen des Seg ments, bevorzugt zwischen 30 cm2/cm3 und 80 cm2/cm3 und besonders bevorzugt zwischen 35 cm2/cm3 und 70 cm2/cm3, jeweils bezogen auf das Volumen des Segments. Die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments beschreibt, wie dicht das Bahnmaterial im Segment gepackt ist. Sie hat daher Auswirkungen auf den Zugwiderstand, aber auch auf die Filtrationseigenschaften, den Wärmeübergang und die Härte des Segments. Die Fläche des Bahnmaterials kann beispielsweise durch Wägung des Bahnmaterials und Berechnung aus dem nominalen oder gemessenen Flächengewicht des Bahnmaterials ermittelt werden.
Die Dichte des Segments selbst, ohne das Umhüllungsmaterial, beträgt zwischen 50 kg/m3 und 300 kg/m3, bevorzugt zwischen 60 kg/m3 und 250 kg/m3 und besonders bevorzugt zwi schen 70 kg/m3 und 200 kg/m3. Auch dieser Parameter hat wesentliche Auswirkungen auf den Zugwiderstand, die Filtrationseffizienz und die Härte des Segments. Die Dichte des Seg ments ist ohne das Umhüllungsmaterial angegeben, da das Umhüllungsmaterial wenig Ein fluss auf den Zugwiderstand, die Filtrationseffizienz oder den Wärmeübergang hat. Die Er mittlung der Dichte des Segments kann rechnerisch erfolgen. Dabei wird zunächst das Volu men des Segments bestimmt, das beispielsweise bei einem zylindrischen Segment aus dem Durchmesser und der Länge berechnet werden kann. Der Einfluss des Umhüllungsmaterials auf den Durchmesser kann vernachlässigt werden. Die Masse des Segments kann durch Wä gung bestimmt werden, wobei das Segment mit dem Umhüllungsmaterial umhüllt ist. Die Masse des Umhüllungsmaterials kann aus der Fläche des Umhüllungsmaterials und dem nominalen oder gemessenen Flächengewicht des Umhüllungsmaterials ermittelt werden. Beispielsweise bei einem typischen, zylindrischen Segment ergibt sich die Fläche des Umhül lungsmaterials aus dem Umfang des Segments und der Überlappung des Umhüllungsmateri als mit sich selbst sowie der Länge des Segments.
Von der Masse des Segments mit Umhüllungsmaterial wird die Masse des Umhüllungsmate rials abgezogen und durch Division durch das Volumen des Segments dessen Dichte berech net. Ein numerisches Beispiel ist weiter unten detailliert ausgeführt.
Da die Dichte des Bahnmaterials, die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial und die Fläche des Bahnmaterials im Segment pro Volumen des Segments alle Einfluss auf den Zug widerstand, die Filtrationseffizienz und den Wärmeübergang des Segments besitzen und da bei in einer komplexen Wechselbeziehung stehen, haben die Erfinder festgestellt, dass nur mit einer bestimmte Kombination dieser Eigenschaften die Anforderungen an das Segment gut erfüllt werden können. Es hat sich gezeigt, dass dafür ein aus diesen Eigenschaften be rechneter Parameter Z maßgeblich ist, der durch
^— Pweb 1 Pseg + 12 AWefi
berechnet wird, wobei
pweb die Dichte des Bahnmaterials in kg/m3,
pseg die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial in kg/m3, und
Aweb die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments in cm2/cm3 sind.
Dieser Parameter Z soll mindestens 1300 und höchstens 2800, bevorzugt mindestens 1350 und höchstens 2600 und besonders bevorzugt mindestens 1400 und höchstens 2400 betra gen. Erst dadurch erhält man ein Segment mit günstigen Eigenschaften und in den bevorzug ten Intervallen einen besonders günstigen Kompromiss aus Zugwiderstand und Filtrationsei genschaften. Das Umhüllungsmaterial des Segments ist bevorzugt ein Papier und besonders bevorzugt ein Papier mit einem Flächengewicht von mindestens 20 g/m2 und höchstens 150 g/m2 und ganz besonders bevorzugt ein Papier mit einem Flächengewicht von mindestens 50 g/m2 und höchstens 120 g/m2 . Zur Erzielung günstiger Eigenschaften des Segments, sind die Dichte des Segments und damit die Härte vergleichsweise gering. Deshalb können Umhüllungsma terialien mit einem Flächengewicht von 50 g/m2 bis 150 g/m2 die Härte des Segments noch weiter verbessern. Das Flächengewicht darf aber nicht zu hoch sein, weil sonst die Rückstell kräfte des Umhüllungsmaterials die Herstellung eines Segments, insbesondere die Verkle bung des Umhüllungsmaterials mit sich selbst, erschweren.
Ebenso wichtig wie das Flächengewicht kann auch die Biegesteifigkeit des Umhüllungsmate rials sein, um eine günstige Härte des Segments einzustellen. Die Biegesteifigkeit soll daher bevorzugt mindestens 0,05 Nmm und höchstens 0,90 Nmm, besonders bevorzugt mindes tens 0,10 Nmm und höchstens 0,80 Nmm betragen. Die Biegesteifigkeit kann nach ISO 5628:2012 gemessen werden, besonders nach der in dieser Norm beschriebenen Zwei-Punkt- Methode. Die Biegesteifigkeit kann von der Richtung abhängen, in der die Probe aus dem Bahnmaterial entnommen wurde. Die durch das obige bevorzugte und besonders bevorzugte Intervall angegebenen Merkmale, sind erfüllt, wenn die Biegesteifigkeit in mindestens einer Richtung in dem angegebenen bevorzugten oder besonders bevorzugten Intervall liegt.
Das erfindungsgemäße Segment ist bevorzugt zylindrisch und hat bevorzugt einen Durch messer von mindestens 5 mm und höchstens 9 mm, besonders bevorzugt von mindestens 7 mm und höchstens 8,5 mm.
Das erfindungsgemäße Segment ist bevorzugt mindestens 4 mm und höchstens 40 mm lang, besonders bevorzugt mindestens 6 mm und höchstens 35 mm und ganz besonders bevorzugt mindestens 10 mm und höchstens 28 mm.
Das erfindungsgemäße Segment kann Bestandteil eines Rauchartikels sein, sodass ein erfin dungsgemäßer Rauchartikel ein aerosolbildendes Material und das erfindungsgemäße Seg ment umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauchartikel eine Filterzigarette umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Segment und ein weiteres Segment, das Tabak enthält. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Segment ein Seg ment des Filters einer Filterzigarette. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Rauchartikel ein Rauchartikel, der ein aerosolbildendes Material enthält, das beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Raucharti kels nur aufgeheizt aber nicht verbrannt wird, und der mindestens ein erfindungsgemäßes Segment und ein Filtersegment enthält, wobei das mindestens eine erfindungsgemäße Seg ment zwischen dem aerosolbildenden Material und dem Filtersegment angeordnet ist. In dieser Anordnung dient das mindestens eine erfindungsgemäße Segment vor allem zur Küh lung des Aerosols.
Das erfindungsgemäße Segment kann aus Bahnmaterial nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. Solche Verfahren umfassen typischerweise das Crimpen oder Falten des Bahnmaterials, die Herstellung eines endlosen Strangs aus dem Bahnmaterial, das Umhüllen des endlosen Strangs mit einem Umhüllungsmaterial und das Schneiden des umhüllten Strangs in Segmente der gewünschten Größe.
Rauchartikel unter Verwendung des erfindungsgemäßen Segments können nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. l zeigt eine Tabelle (Tabelle l), in der die Zusammensetzungen von 25 Bahnmaterialien zusammengefasst sind.
Fig. 2 zeigt eine Tabelle (Tabelle 2), in der charakteristische Größen der Bahnmaterialien (Breite, Flächengewicht, Dicke, Dichte) der 25 Bahnmaterialien von Tabelle 1 zusam mengefasst sind.
Fig. 3 zeigt eine Tabelle (Tabelle 3), in der charakteristische Größen von 25 Segmenten (Masse, Dichte, Fläche, Parameter Z) zusammengefasst sind, die aus den Bahnmate rialien von Tabellen 1 und 2 gebildet sind.
Fig. 4 zeigt eine Tabelle (Tabelle 4), in der funktionelle Eigenschaften der Segmente von Tabelle 3 (Zugwiderstand, Filtrationseffizienz im Hinblick auf Nikotin, Wasser und Glycerol) zusammengefasst sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN Die Erfindung soll nun an einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen genauer be schrieben und mit nicht erfindungsgemäßen Beispielen verglichen werden.
Verschiedene faserbasierte Bahnmaterialien wurden nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Papierherstellung hergestellt und daraus Rollen mit einer Breite von 175 mm bis 315 mm geschnitten. Die Rollen der Bahnmaterialien wurden gecrimpt und jeweils ein endloser Strang gefertigt und mit einem Umhüllungsmaterial mit einem Flächen gewicht von 78 g/m2 umhüllt. Der Strang mit dem Umhüllungsmaterial hatte einen Durch messer von 7,85 mm, wobei das Umhüllungsmaterial eine Breite von 27 mm hatte und daher zur Verklebung mit sich selbst etwa 2, 3 mm überlappte.
Die Zusammensetzung der Bahnmaterialien ist in Tabelle 1 angegeben. Alle Bahnmaterialien waren aus Holzzellstoff gefertigt, bei den zwei Bahnmaterialien Nr. 22 und 23 wurden auch Lyocell® Fasern eingesetzt, wobei sich der angegebene Prozentsatz von 40% auf die Masse an Lyocell® Fasern in der gesamten Fasermasse im Bahnmaterial bezieht. Die Bahnmateria lien 4-6, 12 und 13 enthielten außerdem zu 29,5% ihrer Masse gefälltes Calciumcarbonat (CaC03).
Bahnmaterialien 16-21, 24 und 25 waren mit einer oxidierten Stärke beschichtet und die Bahnmaterialien 14, 15, 18 und 19 waren mit Gylcerol getränkt. Die Bahnmaterialien 20 und 21 waren mit Propylenglykol getränkt.
Von den Bahnmaterialien wurden das Flächengewicht nach ISO 536:2012 und die Dicke und Dichte nach ISO 534:2011 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben, wobei die Nummern der Bahnmaterialien jenen der Tabelle 1 entsprechen.
Die aus den Bahnmaterialien gefertigten Stränge wurden in Stäbe mit einer Länge von je 108 mm geschnitten und deren Masse durch Wägung bestimmt.
Die Daten der aus den Bahnmaterialien 1-25 gefertigten Stäbe sind in Tabelle 3 angegeben, wobei wiederum die Nummern der Bahnmaterialien jenen von Tabelle 1 entsprechen. Die Masse in Tabelle 3 ist dabei die Masse eines 108 mm langen Stabes mit einem Umhüllungs material mit einem Flächengewicht von 78 g/m2. Aus der Masse des Stabes und der bekann ten Geometrie wurde die Dichte folgendermaßen berechnet.
Die Masse des Umhüllungsmaterials, das 27 mm breit und 108 mm lang ist, beträgt
78 g/m2 x 0,027 m x 0,108 m = 0,227 g.
Das Volumen des Stabes wurde aus der bekannten Geometrie des Stabes berechnet, also p/4 x (7,85 mm)2 x 108 mm = 5227 mm3.
Dabei wurde die Dicke des Umhüllungsmaterials vernachlässigt. Von der Masse des Stabes mit Umhüllungsmaterial wurde die Masse des Umhüllungsmaterials abgezogen und das Er gebnis durch das Volumen dividiert. Beispielsweise ergibt sich so die Dichte des aus Bahnma terial 1 gefertigten Stabes zu
(0,71 g - 0,227 g) / 5227 mm3 = 92,4 kg/m3.
Ebenso ist in Tabelle 3 der Parameter Z angegeben, der aus
^— Pweb h Pseg + 12 AWefi
berechnet wird, wobei
pweb die Dichte des Bahnmaterials in kg/m3,
pseg die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial in kg/m3, und
Aweb die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments in cm2/cm3 ist.
Der Parameter Z ist unabhängig von der Geometrie, insbesondere dem Durchmesser und der Länge des Stabes oder des Segments, und charakterisiert ausschließlich die innere Struktur des Segments.
Der Zugwiderstand der 108 mm langen Stäbe wurde gemäß ISO 6565 gemessen. Aus den Stäben wurden Segmente mit einer Länge von 18 mm geschnitten und daraus Rauchartikel hergestellt.
Der Rauchartikel war ein sogenanntes heated tobacco product, bei dem der im Rauchartikel enthaltene Tabak nur aufgeheizt wurde. Der Rauchartikel bestand aus einem Segment mit dem Tabak in Strömungsrichtung gefolgt von einem Transfersegment, in dem das Aerosol kondensieren kann, und weiter gefolgt von dem erfindungsgemäßen Segment, das hier pri mär zur Abkühlung des Aerosols dient, und abschließend einem Filtersegment.
Die Rauchartikel wurden in einem kommerziell erhältlichen Heizgerät aufgeheizt und nach dem in ISO 3308 angegebenen Verfahren abgeraucht. Die Filtrationseffizienz für Nikotin, Wasser und Glycerol wurde für die aus den Bahnmaterialien 8-25 gefertigten Segmente ge messen. Die Filtrationseffizienz für eine Substanz ist dabei die Differenz zwischen der Menge an Substanz, die in das Segment einströmt, und der Menge an Substanz, die aus dem Seg ment wieder ausströmt, bezogen auf die in das Segment einströmende Menge der Substanz. Die Filtrationseffizienz wird als Prozentsatz ausgedrückt und wurde für Nikotin, Wasser und Glycerol in dieser Weise für ein 18 mm langes Segment bestimmt. In Tabelle 4 sind der Zugwiderstand eines 108 mm langen Stabs und die Filtrationseffizien zen eines 18 mm langen Segments für Nikotin, Wasser und Glycerol angegeben. Auch hier entsprechen die Nummern der Bahnmaterialien jenen von Tabelle 1.
Bei den aus den Bahnmaterialien 1-25 gefertigten Segmenten handelt es sich um erfindungs gemäße Segmente, die einen Parameter Z von etwa 1300 bis etwa 2250 aufweisen. Der Zug widerstand des 108 mm langen Stabes liegt zwischen 17,9 mmWG und 63,9 mmWG und er laubt damit die Gestaltung von Segmenten, die entweder das Aerosol weiterleiten und nur einen niedrigen Zugwiderstand bieten oder die das Aerosol filtern und zusätzlich erlauben, den Zugwiderstand des Rauchartikels zu erhöhen. Speziell ein Vergleich der von der Zusam mensetzung her identischen Bahnmaterialien 2 und 11 zeigt den Einfluss der Dichte des Segments auf den Zugwiderstand. Ein Segment aus Bahnmaterial 2 mit einer Dichte des Segments von 73,3 kg/m3 ergibt einen Zugwiderstand (108 mm) von 23,8 mmWG während ein aus Bahnmaterial 11 gefertigtes Segment mit einer Dichte von 170,5 kg/m3 einen Zugwi derstand (108 mm) von 54,5 mm WG besitzt. Dies zeigt die Bedeutung der Dichte des Seg ments, weshalb sie eine wesentliche Komponente des Parameters Z ist. Der Zugwiderstand wird allerdings nicht alleine von der Dichte des Segments bestimmt.
Die Bahnmaterialien 6 und 7 haben ähnliches Flächengewicht, wobei das Bahnmaterial 6 aber 29,5% Calciumcarbonat enthält und daher eine deutlich höhere Dichte besitzt. Die dar aus gefertigten Segmente haben ähnliche Dichte und auch die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments ist ähnlich. Trotzdem unterscheiden sie sich deutlich im Zugwider stand, der bei dem aus Bahnmaterial 6 gefertigten Stab (108 mm) 63,9 mmWG beträgt und bei dem aus Bahnmaterial 7 gefertigten Stab (108 mm) nur 30,5 mmWG. Dies zeigt, dass die Dichte des Bahnmaterials selbst eine eigenständige Bedeutung für die Eigenschaften des dar aus gefertigten Segments besitzt und daher auch als wesentliche Eigenschaft in den Parame ter Z eingeht.
Die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments ist von der Dichte des Bahnmateri als und der Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial abhängig und damit auch eine für den Zugwiderstand wesentliche Eigenschaft und geht daher ebenfalls in den Parameter Z ein.
Die Segmente der mit Stärke beschichteten Bahnmaterialien 16-21 zeigen alle eine niedrigere Filtrationseffizienz für Wasser als die Segmente aus den vergleichbaren Bahnmaterialien 8, 9 und 11, während sie sich in den Filtrationseffizienzen für Nikotin und Glycerol kaum unter- scheiden. Damit zeigt sich, dass eine Beschichtung mit oxidierter Stärke dazu verwendet werden kann, die Filtrationseffizienz für Wasser einzustellen.
Die Tränkung mit Glycerol oder Propylenglykol der Bahnmaterialien 18-21 bewirkt bei den daraus gefertigten Segmenten eine deutlich höhere Filtrationseffizienz für Nikotin und Glyce rol verglichen mit den Segmenten aus den Bahnmaterialien 16 und 17, die keine solche Trän kung aufweisen. Durch die Tränkung kann also die Filtrationseffizienz für Nikotin und Glyce rol angepasst werden.
In Summe sind alle aus den Bahnmaterialien 1-25 gefertigten Segmente als Segment in einem Rauchartikel nützlich und können sowohl vor allem zur Kühlung des Aerosol als auch zur Filtration des Aerosols dienen. Die biologische Abbaubarkeit aller aus den Bahnmaterialien 1-25 gefertigten Segmente ergab sich unmittelbar aus den verwendeten Komponenten und wurde nicht weiter getestet. Es zeigte sich, dass mit den erfindungsgemäßen Segmenten für die Anwendung in Rauchartikeln günstige Eigenschaften erhalten werden und zusätzlich eine ausgezeichnete biologische Abbaubarkeit erreicht wird.
Dass der Parameter Z wesentlich zur Differenzierung zwischen erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Segmenten ist, zeigen die folgenden zwei nicht erfindungsgemäßen Bei spiele.
Aus Bahnmaterial 7 wurde ein Segment mit einer Dichte ohne Umhüllungsmaterial von 90,4 kg/m3 und einer Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments von 36,9 cm2/cm3 gefertigt. Der Parameter Z für dieses Segment ergab sich zu
350,0 + 5 · 90,4 + 12 · 36,9 = 1244,8
und liegt damit außerhalb des erfindungsgemäßen Intervalls von 1300 bis 2800.
Der 108 mm lange Stab aus diesem Bahnmaterial weist nur einen Zugwiderstand von 12,3 mmWG auf, was für die Anwendung in Rauchartikeln zu niedrig ist. Außerdem ist die Härte des Segments trotz des Umhüllungsmaterials mit 78 g/m2 nicht für die weitere Verarbeitung zu einem Rauchartikel ausreichend. Zu beachten ist, dass dieses Segment alle erfindungsge mäßen Anforderungen erfüllt mit Ausnahme jener an den Parameter Z.
Aus Bahnmaterial 12 wurde ein Segment mit einer Dichte ohne Umhüllungsmaterial von 233,9 kg/m3 und einer Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments von 89,9 cm2/cm3 gefertigt. Der Parameter Z für dieses Segment ergab sich zu
604,7 + 5 · 233,9 + 12 · 89,9 = 2853,6
und liegt damit außerhalb des erfindungsgemäßen Intervalls von 1300 bis 2800 Die Filtrationseffizienz dieses Segments für Wasser lag trotz des Gehalts an Calciumcarbonat im Bahnmaterial 12 über 65% und erzeugt damit ein zu trockenes Aerosol und führt daher zu einem für den Konsumenten nicht akzeptablen Geschmack. Zu beachten ist, dass auch dieses Segment alle erfindungsgemäßen Anforderungen erfüllt mit Ausnahme jener an den Parame- ter Z.
Die beiden nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiele zeigen somit, dass der Parameter Z wesentlich ist, um ein Segment mit zufriedenstellenden Eigenschaften zu erhalten.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Segment eines Rauchartikels, umfassend ein faserbasiertes Bahnmaterial und ein Um hüllungsmaterial, das das faserbasierte Bahnmaterial umhüllt, wobei das faserbasierte Bahnmaterial
- mindestens 40% Zellstofffasern und weniger als 10% nicht natürliche Polymere um fasst, jeweils bezogen auf die Masse des Bahnmaterials,
- ein Flächengewicht von mindestens 10 g/m2 und höchstens 70 g/m2 hat, und
- eine Dicke von mindestens 25 gm und höchstens 400 gm hat,
wobei das genannte Bahnmaterial im Segment eine Fläche von mindestens 20 cm2 und höchstens 90 cm2 pro cm3 Volumen des Segments aufweist,
wobei das Segment ohne das Umhüllungsmaterial eine Dichte von mindestens 50 kg/m3 und höchstens 300 kg/m3 aufweist, und
wobei ein Parameter Z, der definiert ist als Z = pWeb + 5 pseg + 12 · AWeb, die Unglei chung 1300 < Z < 2800 erfüllt, wobei
pweb die Dichte des Bahnmaterials in kg/ m3,
pseg die Dichte des Segments ohne Umhüllungsmaterial in kg/m3, und
Aweb die Fläche des Bahnmaterials pro Volumen des Segments in cm2/cm3 sind.
2. Segment nach Anspruch 1, bei dem der Anteil an Zellstofffasern im Bahnmaterial min destens 60%, vorzugsweise mindestens 90% und besonders bevorzugt mindestens 99% beträgt, jeweils bezogen auf die Masse des Bahnmaterials.
3. Segment nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zellstofffasern durch Holzzellstofffasern aus Laubhölzern oder Nadelhölzern gebildet sind, aus anderen Pflanzen, insbesondere Hanf, Flachs, Sisal, Jute, Abacä oder Espartogras gewonnen sind, oder durch Gemische daraus gebildet sind.
4. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bahnmaterial weni ger als 5% seiner Masse an nicht natürlichen Polymeren enthält, bevorzugt weniger als 1% seiner Masse an nicht natürlichen Polymeren enthält, und besonders vorzugsweise keine nicht natürlichen Polymere enthält.
5. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bahnmaterial Fa sern aus regenerierter Cellulose, insbesondere Viscosefasern, Modalfasern, Lyocell® oder Tencel® enthält, wobei deren Anteil bevorzugt weniger als 60% der Masse des Bahnmaterials und besonders bevorzugt weniger als 40% der Masse das Bahnmaterials beträgt.
6. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bahnmaterial Füll stoffe enthält, wobei die Füllstoffe bevorzugt durch Calciumcarbonat, insbesondere ge fälltes Calciumcarbonat, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Silikate oder Mischungen daraus gebildet werden.
7. Segment nach Anspruch 6, bei dem der Anteil an Füllstoffen bezogen auf die Masse des Bahnmaterials mindestens 0%, bevorzugt mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10% beträgt, und höchstens 40%, bevorzugt höchstens 35% und besonders bevorzugt höchstens 30% beträgt.
8. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bahnmaterial be schichtet ist, insbesondere mit Polyvinylalkohol oder einem Polysaccharid beschichtet ist, wobei das Polysaccharid vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stärke, Carboxymethylcellulose, Guar, Dextrin, Pektin oder Mischungen daraus.
9. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bahnmaterial im prägniert ist, insbesondere mit Glycerol oder Propylenglykol imprägniert ist.
10. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bahnmaterial Aro mastoffe enthält, wobei die Aromastoffe vorzugsweise in chemisch gebundener Form oder in physikalisch gebundener Form, beispielsweise verkapselt, im Bahnmaterial enthalten sind, wobei die Aromastoffe vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Menthol, Ethylvanillinglucosid, Vanillin und Ethylvanillin.
11. Segment nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem das Flächengewicht des Bahnmaterials zwischen 20 g/m2 und 60 g/m2, vorzugsweise zwischen 25 g/m2 und 50 g/m2 beträgt.
12. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke des Bahnma terials zwischen 35 pm und 150 pm, vorzugsweise zwischen 40 pm und 100 pm beträgt.
13. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dichte des Bahnma terials zwischen 100 kg/m3 und 1200 kg/m3, bevorzugt zwischen 200 kg/m3 und 700 kg/m3 und besonders bevorzugt zwischen 300 kg/m3 und 600 kg/m3 beträgt.
14. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwischen 30 cm2/cm3 und 80 cm2/cm3, vorzugsweise zwischen 35 cm2/cm3 und 70 cm2/cm3 Bahnmaterial pro cm3 Volumen des Segments enthält.
15. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Dichte, ohne das Umhül lungsmaterial, zwischen 60 kg/m3 und 250 kg/m3, vorzugsweise zwischen 70 kg/m3 und 200 kg/m3 beträgt.
16. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Parameter Z min destens 1350 und höchstens 2600, vorzugsweise mindestens 1400 und höchstens 2400 beträgt.
17. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Umhüllungsmaterial durch Papier gebildet ist, vorzugsweise mit einem Flächengewicht von mindestens 20 g/m2 und höchstens 150 g/m2 und besonders bevorzugt mit einem Flächengewicht von mindestens 50 g/m2 und höchstens 120 g/m2.
18. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Umhüllungsmaterial eine Biegesteifigkeit von mindestens 0,05 Nmm und höchstens 0,90 Nmm, vorzugs weise von mindestens 0,10 Nmm und höchstens 0,80 Nmm aufweist.
19. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Segment zylindrisch ist und vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 5 mm und höchstens 9 mm, besonders vorzugsweise von mindestens 7 mm und höchstens 8,5 mm hat.
20. Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Segment mindestens 4 mm und höchstens 40 mm lang ist, vorzugsweise mindestens 6 mm und höchstens 35 mm lang ist, und besonders bevorzugt mindestens 10 mm und höchstens 28 mm lang ist.
21. Rauchartikel, umfassend ein Segment nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein aerosolbildendes Material.
22. Rauchartikel nach Anspruch 21, bei dem das aerosolbildende Material Tabak und der Rauchartikel eine Filterzigarette ist, wobei das genannte Segment vorzugsweise den Fil ter oder einen Teil desselben bildet.
23. Rauchartikel nach Anspruch 21, bei dem das aerosolbildende Material im bestim mungsgemäßen Gebrauch nur aufgeheizt, aber nicht verbrannt wird, und der Rauchar tikel zusätzlich ein Filtersegment enthält, wobei das Segment zwischen dem aerosolbil denden Material und dem Filtersegment angeordnet ist.
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