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DE19730485C2 - Celluloseacetatfilamente mit trilobalem Querschnitt - Google Patents

Celluloseacetatfilamente mit trilobalem Querschnitt

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DE19730485C2 DE19730485A DE19730485A DE19730485C2 DE 19730485 C2 DE19730485 C2 DE 19730485C2 DE 19730485 A DE19730485 A DE 19730485A DE 19730485 A DE19730485 A DE 19730485A DE 19730485 C2 DE19730485 C2 DE 19730485C2
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Description

Die Erfindung betrifft Celluloseacetatfilamente mit trilobaler Querschnittsform und einem Substitutionsgrad von etwa 2,1 bis 3,0.
Celluloseacetatfilamente, die für die Herstellung von Filter-Tow verwendet werden, sollten eine möglichst große spezifische Oberfläche, d. h. eine möglichst große Oberfläche pro Masseneinheit an Filter-Tow aufweisen, um eine große aktive Oberfläche für die im Zigarettenrauch befindlichen Schadstoffe zu bieten. Hierdurch wird ein hohes Filtrations­ vermögen bei gleichzeitigem sparsamen Rohstoffeinsatz ermöglicht. Wichtige Parameter für die Bestimmung der spezifischen Oberfläche sind der Filamenttiter, der die Masse des Filaments pro Länge angibt, sowie die Formfaktoren PE bzw. KH, die jeweils ein Maß für das Verhältnis der Querschnittsfläche zum Quadrat des Umfangs bzw. zur Fläche der konvexen Hülle darstellen. Zur Ausbildung einer großen spezifischen Oberfläche müssen diese Parameter möglichst gering gehalten werden.
Eine zur Erlangung niedriger Formfaktoren und damit einer hohen spezifischen Oberflä­ che günstige Querschnittsform stellen die trilobalen Querschnitte dar. Filamente trilobaler Querschnittsform sind nach dem Stand der Technik bekannt und werden aus Düsen ge­ sponnen, die eine dreieckige Querschnittsfläche aufweisen. Die trilobale, d. h. dreiarmig­ sternförmige Ausbildung der Celluloseacetatfilamente entsteht beim Verfahren nach dem Stand der Technik durch Verdampfen des Lösungsmittels, im allgemeinen Aceton, nach dem Ausspinnen. Die mit diesen Düsen gemäß dem Stand der Technik erzielbaren Werte für die Formfaktoren betragen etwa 0,360 bis 0,400 für den Formfaktor PE bzw. 0,580 bis 0,620 für den Formfaktor KH. Diesem Stand der Technik ist der Gegenstand der DE 43 02 055 C1 zuzuordnen.
Alternativ dazu ist es möglich, die gewünschte große Oberfläche durch ein Bündel ex­ trem feiner Filamente kreisförmigen Querschnitts zu erhalten. Diese dünnen Filamente werden aus kleinen Rundlochdüsen ausgesponnen. Ein entsprechendes Verfahren geht aus der US-5 269 996 hervor. Allerdings gestaltet sich der Prozess des Ausspinnens aus diesen sehr feinen Rundlochdüsen, die einen Durchmesser von weniger als 36 µm auf­ weisen, als äußerst schwierig. Bei der technischen Realisierung dieses Verfahrens treten somit erhebliche Probleme auf.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Celulloseacetatfasern für die Zigarettenin­ dustrie ist aus der US-A-5 512 230 bekannt. In dem darin beschriebenen Verfahren wird es durch Zufügen von 5 bis 40% Wasser zur Spinnlösung ermöglicht, Celluloseacetatfa­ sern mit einem Substitutionsgrad von 1,0 bis 2,2 auszuspinnen.
Die aus der EP 0 711 512 A2 bekannten Celluloseesterfasern mit hoher spezifischer Oberfläche stellen fibrillierte (d. h. gespleißte) Fasern dar. Diese werden nach dem Extrudieren aus einer Düse in ein Ausfällungsmedium ("precipitating agent") für den Celluloseester getaucht, wobei Scherkräfte auf das Extrudat wirken. Auf diese Weise beginnt die Celluloseesterlösung, aus der die Faser ausgesponnen ist, aus ihrer Um­ fangsoberfläche auszufällen. Nur die auf diese Weise fibrillierten Fasern sollen eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Es lässt sich folgern, dass bei der aus der EP 0 711 512 A2 bekannten Faser die hohe spezifische Oberfläche zum größten Teil durch die Fibrillierung zustande kommt und dass der geometrische Faserquerschnitt für das Zustandekommen dieser spezifischen Oberfläche nur marginale Bedeutung hat. Daher kann aus diesem Grunde der Querschnitt der aus dieser Druckschrift bekannten Faser beliebig sein. Um dies zu erreichen, ist beim Herstellungsprozess neben dem Ausfäl­ lungsmittel auch ein Mittel zum Erzeugen einer Scherkraft auf die Fasern notwendig. Im Gegensatz hierzu wird gemäß der nachfolgenden beschriebenen Erfindung eine Verbes­ serung der spezifischen Oberfläche durch eine Optimierung des Faserquerschnitts er­ reicht. Hier wird also ein völlig anderes Prinzip angewandt, als es in der EP 0 711 512 A2 offenbart wird.
Es hat sich nun gezeigt, dass die vorstehend dargestellten Filamenttiter im Hinblick auf die wünschenswerten Eigenschaften in Filtermaterialien, insbesondere in Filtern von Zigaretten, insbesondere in Bezug auf die Filtration von Rauchinhaltsstoffen, verbesse­ rungsbedürftig sind. Vorschläge, die diese Verbesserungen auf chemischem Weg zu erreichen, sind bekannt. Wesentliche Hinweise, den vorstehend geschilderten Stand der Technik besonders vorteilhaft weiterzubilden, indem physikalische Modifikationen vor­ genommen werden, finden sich in der Literatur nicht.
Es war demzufolge Aufgabe der Erfindung, Celluloseacetatfilamente mit trilobalem Querschnitt vorzuschlagen, die den oben geschilderten Stand der Technik im Hinblick auf die Effizienz bei der Absorption von Rauchinhaltsstoffen in Filtern von Zigaretten verbessern. Die Herstellung dieser Fasern soll einfach und mit konventionellen Techni­ ken erfolgen können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Celluloseacetatfilamente mit trilobalem Querschnitt und einem Substitutionsgrad von etwa 2,1 bis 3,0 dadurch gelöst, dass sie einen Filamenttiter von weniger als 3,3 dtex, einen Formfaktor PE von weniger als 0,320 sowie einen Formfaktor KH von weniger als 0,560 aufweisen, wobei die Form­ faktoren durch folgende Verhältnisse definiert sind:
PE = A.4π/P2 und KH = A/Ak,
worin bedeuten: A = Querschnittsfläche des Filaments, P = Umfang des Filament­ querschnitts und Ak = Fläche der konvexen Hülle des Filamentquerschnitts, wobei die Filamente aus Düsen mit trilobaler Querschnittsform ausgesponnen sind.
Ersichtlich ist, dass ein Unterschreiten dieses Wertes von 3,3 dtex zusammen mit den günstigen Faktoren zu besonderen Vorteilen führt, nämlich zu einem verbesserten Absorptions- und Adsorptionsverhalten bei Einsatz in den Filtern von Zigaretten. Mit ande­ ren Worten bedeutet das, dass bei gleichbleibender Masse an Filamenten eine vergrößerte Oberfläche erreicht wird. Ein unterer Grenzwert für den Titer läßt sich nicht präzise angeben, wobei man jedoch unter praktischen Gesichtspunkten im Hinblick auf die Herstellung davon ausgehen kann, daß das Unterschreiten von etwa 0,7 dtex auf fer­ tigungstechnische Schwierigkeiten stößt. Hierbei ist auf den Unterschied abzustellen, daß mit Düsen mit Rundlöchern auch niedrigste Filamenttiter erreichbar sind, was nicht glei­ chermaßen für die Filamente mit trilobalem Querschnitt, im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefordert, gilt. Ein Bereich von etwa 0,7 bis 2,7 dtex, insbesondere etwa 1,0 bis 2,5 dtex, ist als besonders bevorzugt anzusehen.
Der Formfaktor PE beträgt im Rahmen der Erfindung weniger als 0,320. Hier könnte für den unteren Wert, ebenfalls im Hinblick auf praktische Erwägungen bei der Herstellung, von einem Mindestwert von etwa 0,18 ausgegangen werden, wobei der Bereich von et­ wa 0,2 bis 0,3 bevorzugt ist.
Ähnliche Erwägungen wie beim Formfaktor PE gelten auch für den Formfaktor KH im Hinblick auf die bevorzugten Rahmenbedingungen. Dabei kann man als bevorzugten unteren Wert etwa 0,35 angeben, wobei der Bereich von etwa 0,4 bis 0,52 als besonders bevorzugt angesehen werden kann.
Die beschriebenen Filamente werden durch Ausspinnen aus Düsen mit trilobaler Quer­ schnittsform erhalten. Die Querschnittsfläche der erfindungsgemäßen Düsen beträgt etwa 0,002 mm2 bei einem Formfaktor PE des Kapillarquerschnitts der Düse von etwa 0,37. Die trilobale Querschnittsform der Celluloseacetatfilamente wird somit bereits durch den Querschnitt der Düsen vorgegeben. Dadurch sind Filamente mit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich günstigeren Formfaktoren erreichbar.
Durch die erfindungsgemäße Verringerung des Formfaktors kann das Verhältnis der Oberfläche zur Masse der Filamente erheblich verbessert werden. So weisen Filamente mit einem Titer von 3 dtex und einem Formfaktor PE von 0,380 eine spezifische Ober­ fläche von 0,290 m2/g auf. Bei einer Verringerung des Formfaktors PE auf 0,300 erhält man für Filamente desselben Feinheitsgrades eine spezifische Oberfläche von 0,327 m2/g. Dies entspricht einer Vergrößerung der Oberfläche von 13% bei gleicher Masse der Fi­ lamente. Somit können die erfindungsgemäßen Filamente bei sparsamem Einsatz von Rohstoffen und damit auch mit verringertem Kostenaufwand realisiert werden.
Der Vorgang des Ausspinnens kann auf herkömmliche Art erfolgen. Da der Substitu­ tionsgrad DS des Celluloseacetats etwa 2,1 bis 3,0, insbesondere etwa 2,3 bis 2,9 und besonders bevorzugt 2,3 bis 2,7, beträgt, kann mit einer üblichen Spinnlösung mit etwa 3% Wassergehalt gearbeitet werden. Ein DS von etwa 2,5 gilt als ganz besonders bevor­ zugt.
Die Erfindung soll nun anhand von Beispielen erläutert werden. Bei den beschriebenen Beispielen wurde jeweils mit einer Celluloseacetat-Spinnlösung in Aceton gearbeitet.
Beispiel 1 Spinnlösung
Substitutionsgrad des Celluloseacetats (DS): 2,48
Konzentration des Celluloseacetats: 27,8%
Wasserkonzentration: 3,5%
Viskosität der Spinnlösung: 68 Pa.s
Spinnbedingungen
Temperatur des Spinnkopfes: 56°C
Temperatur in der Spinnzelle: 65°C
Trilobale Düse mit 125 Bohrungen
Spinngeschwindigkeit: 300 m/min.
Verstreckungsfaktor: 1,6
Durch das mit den angegebenen Parametern ausgeführte Spinnverfahren werden Filamen­ te mit einem Titer von 3,0 dtex pro Filament, einem Formfaktor PE von 0,290 sowie einem Formfaktor KH von 0,505 und damit vorteilhaft großer spezifischer Oberfläche erhalten. Damit zeigen sie verbesserte Filtrationseigenschaften für Rauchinhaltsstoffe von Zigaretten.
Beispiel 2 Spinnlösung
Substitutionsgrad des Celluloseacetats: 2,45
Konzentration des Celluloseacetats: 28,5%
Wasser-Konzentration: 2,7%
Viskosität der Spinnlösung: 71 Pa.s
Spinnbedingungen
Spinntemperatur: 56°C
Temperatur in der Spinnzelle: 65°C
Trilobale Düse
Düsenquerschnittsfläche: 0,00118 mm2
Spinngeschwindigkeit: 400 m/min.
Verstreckungsfaktor: 2,1
Mit den angegebenen Parametern werden Celluloseacetatfilamente mit einem Feinheits­ grad von 2,1 dtex, einem Formfaktor PE von 0,303 sowie einem Formfaktor KH von 0,517 erreicht. Hier gelten dieselben Vorteile wie im ersten Beispiel.

Claims (5)

1. Celluloseacetatfilamente mit trilobalem Querschnitt und einem Substitutionsgrad von etwa 2,1 bis 3,0, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Filamenttiter von weniger als 3,3 dtex, einen Formfaktor PE von weniger als 0,320 sowie einen Formfaktor KH von weni­ ger als 0,560 aufweisen, wobei die Formfaktoren durch folgende Verhältnisse definiert sind:
PE = A.4π/P2 = und KH = A/Ak,
worin bedeuten: A = Querschnittsfläche des Filaments, P = Umfang des Filamentquer­ schnitts und Ak = Fläche der konvexen Hülle des Filamentquerschnitts, wobei die Filamente aus Düsen mit trilobaler Querschnittsform aus­ gesponnen sind.
2. Celluloseacetatfilamente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Substitutionsgrad von etwa 2,2 bis 2,7 und insbesondere von etwa 2,5 aufweisen.
3. Celluloseacetatfilamente nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Filamenttiter von etwa 0,7 bis 2,7 dtex und insbesondere von etwa 1,0 bis 2,5 dtex aufweisen.
4. Celluloseacetatfilamente nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Formfaktor PE von etwa 0,2 bis 0,3 aufweisen.
5. Celluloseacetatfilamente nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Formfaktor KH von etwa 0,4 bis 0,52 aufweisen.
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