DE10134020A1

DE10134020A1 - Filtrationspapiere mit Ionenaustauschereigenschaften

Info

Publication number: DE10134020A1
Application number: DE2001134020
Authority: DE
Inventors: Horst Dannhauser; Hartmut Salow; Reiner Buettner; Frank Clausen
Original assignee: Schoeller und Hoesch GmbH
Current assignee: Schoeller und Hoesch GmbH
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Ein Filtermaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Filtermaterials, das auf einer ersten Lage eine zweite Lage bzw. Deckschicht aufweist, die Ionenaustauscherfasern umfasst. Dieses Filtermaterial ist in der Lage, die unterschiedliche Qualität des Aufgusswassers auszugleichen und einen stabilen Geschmack des extrahierten Getränks zu liefern, wobei gleichzeitig die erforderlichen mechanischen Eigenschaften wie Porosität und Festigkeit erhalten bleiben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtermaterial, das auf einer ersten Lage eine zweite Lage bzw. Deckschicht aufweist, die Ionenaustauscherfasern umfaßt, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Wie auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt ist, lassen sich aus natürlichen oder synthetischen Fasern oder aus einer Mischung dieser Fasern Filtrationspapiere und dann daraus Filtrationsbeutel, die später mit Tee, Kaffee oder anderen Extraktionsmaterialien gefüllt werden können, herstellen.
Zum Gebrauch werden dann diese gefüllten Tee-, Kaffeebeutel oder ähnliche mit kochendem Leitungswasser übergossen, um dann nach einer festzulegenden Zeitspanne das gewünschte Getränk zu liefern.
Die Qualität des Aufgußwassers, speziell die Härte des Wassers, hat einen bedeutenden Einfluß auf den Geschmack, sowie auf das Aussehen des extrahierten Getränkes. Eine temporäre Wasserhärte wirkt sich negativ auf die Qualität des zubereiteten Teegetränkes aus. Eine zu hohe (> 2 mval/l) temporäre Härte im Aufgußwasser hat zur Folge, daß es zu Ausfällungen von Teeinhaltsstoffen kommt, die eine unangenehme Trübung des Aufgusses bewirken. Weiterhin werden dadurch wichtige Teeinhaltsstoffe wie z. B. Flavonoide, phenolische Bestandteile und Antioxidantien ausgefällt und stehen damit dem Verbraucher beim Verzehr nicht mehr zur Verfügung. Weiterhin kommt es zur Bildung einer Teehaut, die sich an der Oberfläche des Aufgusses absetzt und sehr unansehnlich und damit unerwünscht ist. Wenn man dagegen sehr weiches Wasser für den Aufguß verwendet, so kann bekannterweise die Konzentration von Schwermetallionen höher sein, da die Löslichkeit der Schwermetalle zunimmt. Diese Schwermetallionen gelangen beim Genuß des Getränkes in den menschlichen Organismus.
Im allgemeinen erfolgt die Herstellung derartiger Filtermaterialien aus natürlichen oder synthetischen Fasern oder aus einer Mischung dieser Fasern in an sich auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannter Weise unter Verwendung einer Papiermaschine.
Dabei wird in einer ersten Stufe eine wäßrige Suspension von Naturfasern auf ein Papiermaschinensieb aufgebracht, worauf die Aufschlämmung über erste Entwässerungskammern geleitet wird. Dabei bildet sich auf dem bewegten Sieb eine erste Faserschicht aus den Naturfasern.
Im Falle der Produktion eines heißsiegelfähigen Papiers aus sowohl Naturfasern als auch synthetischen Fasern werden dann in einer zweiten Stufe die heißsiegelfähigen, synthetischen Fasern in Form einer zweiten Suspension bei der Weiterbewegung des Papiermaschinensiebes über zweite Entwässerungskammern zugeführt, wobei über den zweiten Entwässerungskammern eine zweite Schicht aus synthetischen Fasern auf der ersten Schicht abgelagert wird.
Bei der Weiterbewegung des Papiermaschinensiebes mit den beiden aufeinanderliegenden Faserschichten wird dann eine Trocknung vorgenommen, wodurch die synthetischen Fasern an die erste Faserschicht angeschmolzen werden können, so daß sie sich mit den Naturfasern der ersten Schicht verbinden können. In diesem Fall kann es zu einer teilweisen Durchdringung der beiden Schichten kommen.
Es ist auch bekannt, daß es möglich ist, durch den Einsatz von Ionenaustauscherfasern flächenartige und andere cellulosische Formkörper herzustellen, die in der Lage sind, vorhandene Schwermetallionen und die sogenannte temporäre Härte (HCO₃ ^-, CO₃ ^2-) aus dem Wasser zu binden bzw. zu eliminieren.
Für eine Tee-/Kaffeefiltration oder ähnliches ist es wichtig, daß es zu einer schnellen Auslaugung des Extraktes kommt, was durch eine gute Porosität des Filterpapiers erreicht wird. Des weiteren müssen kleine Teepartikel vom Filtermaterial zurückgehalten werden, damit diese nicht in den Teeaufguß gelangen. Zu diesem Zwecke sind Papiere auf dem Markt mit geringen Flächengewichten zwischen 8 und 40 g/m². Zusätzlich müssen diese Papiere eine gute mechanische Trockenreißfestigkeit aufweisen, damit sie auf den bekannten Abfüllautomaten zu Beuteln geformt und gefüllt werden können. Außerdem muß dieses Filterpapier naßfest ausgerüstet sein, damit es den Aufguß ohne Beschädigung übersteht und die Teeblätter sicher zurückgehalten werden.
Wenn man jedoch diesem Filtermaterial zwecks Erreichung der Ionenaustauscheigenschaften die oben beschriebenen Ionenaustauscherfasern zumischt, erreicht man bei vorgegebenem Flächengewicht nicht mehr die für weitere Verarbeitung erforderliche Trocken- und Naßfestigkeit. Da durch die Zumischung der Ionenaustauscherfasern der Anteil der Festigkeit liefernden Fasern entsprechend reduziert wird, muß die Abnahme der Festigkeit wieder durch eine hohe Ausmahlung der Festigkeit liefernden Fasern kompensiert werden. Diese hohe Ausmahlung bewirkt jedoch ein dichtes Filterpapierblatt mit stark reduzierter Porosität und dadurch verschlechterten Infusionseigenschaften.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Filtermaterial bereitzustellen, das in der Lage ist, die unterschiedliche Qualität des Aufgußwassers auszugleichen und einen stabilen Geschmack des extrahierten Getränks zu liefern, bei dem gleichzeitig die erforderlichen mechanischen Eigenschaften wie Porosität und Festigkeit erhalten bleiben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Filtermaterial, das auf einer ersten Lage eine zweite Lage bzw. Deckschicht aufweist, die Ionenaustauscherfasern umfaßt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Filtermaterials sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 dargestellt.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Filtermaterials, das dadurch gekennzeichnet ist, daß im Rahmen eines Naßlegeverfahrens auf einer ersten Lage aus Natur- und/oder Synthesefasern eine zweite Lage, die Ionenaustauscherfasern umfaßt, ausgebildet wird.
Die erste Lage des erfindungsgemäßen Filtermaterials weist üblicherweise ein Flächengewicht zwischen 8 und 14 g/m² und vorzugsweise ein Flächengewicht zwischen 10 und 12 g/m² auf.
Die erste Lage des erfindungsgemäßen Filtermaterials kann wie oben ausgeführt, aus Naturfasern und/oder synthetischen Fasern bestehen. Bei den Naturfasern kann es sich beispielsweise um cellulosische Fasern, beispielsweise aus Nadelholzzellstoff, Laubholzzellstoff und/oder Abacazellstoff, handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die erste Lage hauptsächlich (üblicherweise 60 bis 90%) aus Naturfasern.
Die zweite Lage des erfindungsgemäßen Filtermaterials weist üblicherweise ein Flächengewicht von 10 bis 20 g/m², zweckmäßigerweise 12 bis 18 g/m² und vorzugsweise 14 bis 17 g/m² auf.
Die zweite Lage des erfindungsgemäßen Filtermaterials umfaßt, wie oben ausgeführt, Ionenaustauscherfasern.
Unter den erfindungsgemäß verwendeten Ionenaustauscherfasern sind Fasern zu verstehen, die in dem Aufgußwasser vorhandene unerwünschte Ionen, wie die temporäre Härte des Wassers bedingende Ionen, wie HCO₃ ^--Ionen und CO₃ ^2--Ionen, und/oder Schwermetallionen, wie Pb- und Hg-Ionen, zu absorbieren vermögen und somit eine Geschmacksbeeinträchtigung des extrahierten Getränks verhindern.
Die erfindungsgemäß verwendeten Ionenaustauscherfasern sind somit Fasern mit einem hohem Adsorptionsvermögen gegenüber polaren bzw. geladenen Molekülen und Ionen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können erfindungsgemäß verwendbare Ionenaustauscherfasern hergestellt werden, indem in eine cellulosische Fasermatrix Ionenaustauscher beispielsweise nach dem Lyocellverfahren eingearbeitet werden und das Gemisch ausgesponnen wird. Bei der cellulosischen Fasermatrix kann es sich beispielsweise um cellulosische Fasern, beispielsweise aus Nadelholzzellstoff, Laubholzzellstoff und/oder Abacazellstoff, handeln. Bei den verwendbaren Ionenaustauschern kann es sich um solche natürlichen Ursprungs, wie Zeolith, Montmorillonit, Attpulgit, Bentonit oder andere Aluminiumsilicate, oder organische Ionenaustauscher handeln. Zu den bevorzugten organischen Ionenaustauschern gehören erfindungsgemäß Ionenaustauscher auf der Basis eines Polystyrol- und/oder Polyacrylatharzes. In einer bevorzugten Ausführungsform können die verwendeten Ionenaustauscherharze sauer oder basisch derivatisierte Styrol-Divinylbenzol-Copolymere oder Acrylsäure-Divinylbenzol-Copolymere sein. Der Anteil der Ionenaustauscher in der cellulosischen Fasermatrix beträgt im allgemeinen 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Flächengewicht der cellulosischen Fasern.
Erfindungsgemäß einsetzbare Ionenaustauscherfasern sind beispielsweise die im Handel erhältlichen ALCERU®-Fasern, die vom Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoffforschung e.V., Rudolstadt (TITK) basierend auf dem Lyocellverfahren entwickelt wurden.
Der Anteil der Ionenaustauscherfasern in der zweiten Lage bzw. Deckschicht beträgt üblicherweise 10 bis 100 Gew.-%, zweckmäßigerweise 30 bis 100 Gew.-% uns vorzugsweise 60 bis 90 Gew.-% der Fasern der zweiten Lage bzw. Deckschicht. Wenn ein heißsiegelfähiges Filtermaterial hergestellt werden soll, kann erfindungsgemäß eine üblicherweise zu 10 bis 40 Gew.-% aus heißsiegelfähigen Polymerfasern bestehende zweite Lage bzw. Deckschicht auf die erste Lage aufgebracht werden.
Die Faserbindung erfolgt üblicherweise über natürliche Wasserstoffbrückenbindungen. Es ist allerdings auch möglich, die Fasern durch eine Latexbindung, durch eine mechanische Verfilzung (Nadelverfilzung), durch eine hydrodynamische Verfestigung (Wasserstrahlen) oder durch eine thermische Bindung mit geeigneten synthetischen Bindefasern in das . Filtermaterial zu integrieren.
Das erfindungsgemäße Filtermaterial läßt sich in bevorzugter Weise zur Herstellung von gegebenenfalls heißsiegelfähigen Filtrationsbeuteln für die Heiß- und/oder Kaltfiltration, sowie zur Herstellung von Teebeuteln, Kaffeebeuteln und/oder Gewürzbeuteln verwenden.
Im folgenden wird das einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellende Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermaterials beschrieben. Zur Veranschaulichung wird dabei das erfindungsgemäße Verfahren anhand von beigefügten Figuren näher erläutert.
Grundsätzlich ist es für das erfindungsgemäße Verfahren unerheblich, welches der zur Verfügung stehenden Naßlegeverfahren zur Anwendung kommt. Dabei kann es sich um ein Verfahren unter Verwendung einer Papiermaschine mit Lang-, Rund- oder Schrägsieb handeln. Die Papiermaschine kann mit einer Durchström-, Kontakt- und/oder kontaktlosen Trocknungsvorrichtung ausgestattet sein. Bei der kontaktlosen Trocknung kann es sich um eine UV- oder IR-Trocknung handeln.
Fig. 1 zeigt die verschiedenen Stadien bei der Bildung des erfindungsgemäßen Filtermaterials am Beispiel eines aus Naturfasern, Ionenaustauscherfasern und synthetischen Fasern unter Verwendung einer Papiermaschine hergestellten Filtermaterials in einer allgemeinen, grob schematischen Darstellung.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung die Bildung des erfindungsgemäßen Filtermaterials gezeigt. Dabei ist in Fig. 1a) die Bildung einer ersten Faserschicht aus Naturfasern 1 und die Bildung einer zweiten Faserschicht aus einem Gemisch aus Ionenaustauscherfasern und synthetischen, heißsiegelbaren Fasern 2 dargestellt. Die Bildung der zweiten Schicht mit den Fasern 2 erfolgt also durch Ablagerung über der ersten Schicht, welche durch die Naturfasern 1 gebildet ist. In der Zeichnung sind zur Unterscheidung die Naturfasern 1 waagerecht schraffiert, während die synthetischen Fasern 2 annähernd senkrecht schraffiert wurden.
Fig. 1b) zeigt, wie durch die beschriebene Entwässerung der beiden Schichten, insbesondere der zweiten Schicht mit den Fasern 2, eine teilweise Durchdringung der beiden Schichten erzielt wird, so daß die Fasern 2 zwischen die Naturfasern 1 gelangen.
In einem weiteren Herstellungsschritt werden die einander teilweise durchdringenden Schichten 1 und 2 getrocknet und dabei derart erhitzt, daß die synthetischen Fasern 2 schmelzen und sich bei der Wiederverfestigung so um die Fasern 1 legen, daß diese zumindest teilweise umhüllt werden. Das Filtermaterial ist somit heißsiegelfähig geworden (Fig. 1c).
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Papiermaschine eine Schrägsiebpapiermaschine, wie sie dem Stand der Technik entspricht und in der beigefügten Fig. 2 abgebildet ist, verwendet. In Fig. 2 zeigen A Fasergemisch und Wasser für die Grundschicht
B Fasergemisch und Wasser für die Deckschicht
3 Bütte für die Grundschicht
4 Bütte für die Deckschicht
5 umlaufendes Sieb
6, 7, 8 Entwässerungskammern
9 Papierbahn
10 Trockenzylinder
11 Tambouraufrollung
Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Schrägsiebpapiermaschine, wie sie zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtermaterials verwendet werden kann.
Zunächst wird aus den gemahlenen Naturfasern, gegebenenfalls einem Anteil anderer Fasern und Wasser eine Suspension A hergestellt.
Ferner wird eine Ionenaustauscherfasern umfassende Suspension B hergestellt, die gegebenenfalls einen Anteil Naturfasern und/oder heißsiegelfähige Polymerfasern sowie Wasser umfaßt.
Diese beiden Suspensionen A und B werden aus den jeweiligen Behältern (3 und 4) über den sogenannten Stoffauflauf (head box) der Papiermaschine zugeführt. Diese besitzt im wesentlichen ein umlaufendes Sieb (5), welches über eine Anzahl von Entwässerungskammern (6, 7 und 8) hinweggeführt wird.
Über geeignete Rohrleitungen und Pumpvorrichtungen, die nicht näher dargestellt sind, wird die Suspension A auf das Sieb 5, über den ersten beiden Entwässerungskammern 6, geleitet, wobei durch die Kammern 6 und die Entwässerungsleitung das Wasser abgesaugt wird. Dabei bildet sich auf dem bewegten Sieb 5 eine erste Faserschicht aus den Naturfasern 1. Bei der . Weiterbewegung des Siebes 5 über die Entwässerungskammern 7 wird die zweite Suspension B zugeführt, wobei über den Entwässerungskammern 7 die zweite Schicht aus synthetischen Fasern auf der ersten Schicht abgelagert wird. Die Entwässerung erfolgt dabei über die Entwässerungsleitung. Bei der Weiterbewegung des Siebes 5 mit den beiden aufeinanderliegenden Faserschichten wird über die Entwässerungskammern 8 eine Entwässerung vorgenommen, wodurch die beiden Schichten einander teilweise durchdringen. Durch entsprechende Einstellung der Entwässerung kann die Durchdringung mehr oder weniger stark sein.
Das nunmehr gebildete Material 9 aus Naturfasern und Ionenaustauscherfasern wird von dem Sieb abgenommen und einer Trocknung zugeführt. Diese Trocknung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, z. B. durch Kontakttrocknung oder Durchströmtrocknung.
Die Elemente 10 geben nur grob schematisch den Hinweis auf entsprechende Trocknungselemente.
In Fig. 2 sind 3 Trockenzylinder 10 gezeichnet, über die die geformte Papierbahn im Kontaktverfahren getrocknet wird. Es ist jedoch auch praktikabel, die gebildete Papierbahn nur über einen Zylinder zu führen und sie mit heißer Luft zu trocknen, ohne daß die Bahn auf diesem Zylinder aufliegt.
Die Erwärmung des zweischichtigen Fasermaterials bringt die gegebenenfalls vorhandenen synthetischen Fasern 2 in der Mischschicht 9 zum Schmelzen. Bei der Wiederverfestigung am Ausgang der Trockenstation umhüllen die synthetischen Fasern zumindest teilweise die Naturfasern und das heißsiegelfähige Filtermaterial wird auf eine Rolle 11 aufgerollt.
Es wurde auf einer kleinen Papiermaschine mit Schrägsieb ein zweilagiges Papier mit veränderlichen Anteilen an Ionenaustauscherfasern hergestellt. Die Grundschicht wurde mit einem Flächengewicht von 10 g/m² konstant gehalten. Die Zusammensetzung war 80% Abaca und 20% Nadelholzzellstoff.
Auf diese Grundschicht wurde mit einem zweien Stoffauflauf die Deckschicht aufgebracht, die sich aus 95% ALCERU®-Faser und 5% hochausgemahlenem Zellstoff zusammensetzt. Aus folgender Tabelle ist zu ersehen, wie sich die Anteile der Ionenaustauscherfaser in einem Beutel (94 × 150 mm) verändern.
Die Beutel wurden mit je 2,0 g eines handelsüblichen Schwarztees befüllt und mit Wasser unterschiedlicher Härten aufgebrüht. Aus nachfolgender Tabelle kann entnommen werden, wie sich die Konzentrationen der Ionen Ca²⁺ und Mg²⁺ nach dem Aufguß verschieben. Weiterhin kann gesehen werden, wie sich unterschiedliche Gehalte der Austauscherfaser auf die Gesamt- und die temporäre Härte auswirken. Durch den Einsatz der Austauscherfasern können in diesen Beispielen Reduzierungen der temporären Härte von bis zu 62,6% erreicht werden.

Claims

1. Filtermaterial, das auf einer ersten Lage eine zweite Lage bzw. Deckschicht aufweist, die Ionenaustauscherfasern umfaßt.

2. Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage ein Flächengewicht von 8-14 g/m² aufweist.

3. Filtermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der ersten Lage aus Nadelholz-, Laubholz- und/oder Abacafasern bestehen.

4. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht ein Flächengewicht von 10-20 g/m² aufweist.

5. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, die Deckschicht Ionenaustauschfasern in einer Menge von 10 bis 100 Gew.-% enthält.

6. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial heißsiegelfähig ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Filtermaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen eines Naßlegeverfahrens auf einer ersten Lage aus Natur- und/oder Synthesefasern eine zweite Lage, die Ionenaustauscherfasern umfaßt, ausgebildet wird.

8. Verwendung eines Filtermaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung eines Filters oder Filterbeutels für die Tee- und/oder Kaffee-Aufbereitung.