DE2830049C2

DE2830049C2 - Rauchfiltermaterial

Info

Publication number: DE2830049C2
Application number: DE2830049A
Authority: DE
Inventors: Toichiro Matsudo Chiba Izawa; Akisato Toyonaka Osaka Katanosaka; Motoharu Kotani; Koji Sakai Osaka Sato; Hideo Minamikawachi Osaka Sawada; Ken-ichiro Tokyo Sugimori
Original assignee: Daicel Chemical Industries Ltd
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 1977-07-19
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE2830049A1; GB1599692A; JPS569111B2; JPS5421679A; US4246009A

Description

Die brfindung betrifft ein Rauchfiltermaterial, sie betrifft insbesondere ein Rauchfiltermaterial, das Speziell für Tabakprodukte geeignet ist.

Rjujch, wie er beispielsweise beim Rauchen von Zigaretten, Zigarren und Pfeifentabaken entsteht besteht im allgemeinen aus gasförmigen Komponenten lind darin suspendierten winzigen Flüssigkeitströpfchen und Feststoffteilchen. Es wird angenommen, daß in einem solchen Tabakrauch einige Komponenten enthalten sind, die für die Gesundheit des Rauchers gefährlich iind. Deshalb wurden bereits verschiedene Arten von Rauchfiltern vorgeschlagen und in der Praxis verwendet Eur Entfernung dieser Komponenten, von denen man annimmt, daß sie schädlich sind.

Bei den üblicherweise verwendeten Materialien zum Filtrieren von Rauch handelt es sich um Faseraggregate (nachfolgend als Fasermatrizen bezeichnet) und in Kombination damit werden verschiedene Adsorbentien verwendet. Die üblichen Fiitermaterialien sind jedoch in bezug auf ihre Filtrierwirksamkeit (Filterwirkungsgrad) und andere Eigenschaften nicht völlig zufriedenstellend.

So wurden bisher beispielsweise in Rauchfiltermaterialien Fasermatrizen, wie Celluloseacetat- oder Pulpenfaset matrizen, verwendet, während als Adsorbentien Aktivkohle, Zeolit Silicagel, Ionenaustauscherharze und dgl. in körniger Form verwendet wurden. Viele dieser konventionellen Adsorbeniien haben eine große aktive spezifische Oberfläche und stellen Gasadsorbentien dar. Aktivkohle hat beispielsweise den Nachteil, daß sie beim Rauchen einen charakteristischen Aktivkohle-Geruch ergibt, Darüber hinaus ist ihr Adsorptionsvermögen in bezug auf Nikotin, Teer Und dgl. geringi

Ziel der vofliegerideh Erfindung ist es daher, ein Rauchfillermaterial anzugeben, das die Fähigkeit hat, schädliche gasförmige, flüssige und feste Komponenten aus Rauch zu entfernen. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Rauchfiltermaterial anzugeben, das insbesondere wirksam ist bei Tabakrauch und das eine hohe Entfernungsrate für die schädlichen Komponenten ergibt die in Tabakrauch enthalten sind, insbesondere für Nikotin und Teer, winzige Feststoffteilchen und Acetaldehyd in der Gasphase, ohne das Aroma und den Geschmack des Tabaks nachteilig zu beeinflussen.
Die obengenannten Ziele werden erfindungsgemäß erreicht mit einem Rauchfiltermaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es enthält oder besteht aus einer Fasermatrix zum Filtrieren von Rauch und synthetischem Na-Tetrakieselsäure-Glimmer, Na-Täniolit, Li-Täniolit Na-Hectorit, Li-Hectorit, ein von einer dieser Verbindungen durch Substitution der Zwischenschicht-Ionen abgeleitetes Produkt oder eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Verbindungen, wobei es diese Verbindungen in einer Menge enthält, die 10 bis 200 Gew.-% der Fasermatrix entspricht

Bei dem in Wasser quellbaren synthetischen bzw. künstlichen Glimmer, der in dem erfindunp^emäßen Rauchfiltermaterial verwendet wird, handelt ts sich um eine kristalline Substanz mit einer Schichten- oder Mehrschichtenstruktur der allgemeinen Formel

worin W ein Na- oder Li-Kation und X und Y 6fach koordinierte Ionen, wie z. B. Mg- und Li-Ionen, bedeuten. Bei der Einheitsschicht für diese Schichten-Struktur handelt es sich um ein Dreischichten-Gitter aus einem Silicat-Tetraeder-Octaeder mit dem 6fach koordinierten Ion im zentralen Silicat-Tetraeder, wobei die Einheitsschichten in Richtung der c-Achse des Kristalls übereinanderliegend angeordnet sind. Zwischen den Einheitsschichten befinden sich Koordinations-Kationen (Na⁺ oder Li⁺) als Zwischenschichtionen, weiche die nicht abgesättigte Ladung in dem DreischichtenGitter neutralisieren.

Diese obengenannten synthetischen bzw. künstlichen Glimmer (nachfolgend stets als syhthetische Glimmer bezeichnet) werden auf die folgende Weise hergestellt: die Ausgangsmaterialien, nämlich Siliciumdioxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO), ein Fluorid (z. B. NaF, LiF, MgF₂, Na₂SiFe, Li₂SiFs) und dgl., werden in einem Molverhältnis miteinander gemischt, welches der chemischen Zusammensetzung des gewünschten synthetischen Glimmers entspricht, die dabei erhaltene Mischung wird durch Erhitzen auf 1300 bis 1500° C unter Anwendung einer elektrischen Innenwiderstands-Schmelzmethode zum Schmelzen gebracht und die geschmolzene Masse wird dann abgekühlt, wobei man eine kristalline Masse aus dem gewürzten syntheti-

sehen Glimmer erhält.

Beispiele für geeignete synthetische Glimmer sind die folgenden, wobei die Zwischenschichtionen dieser synthetischen Glimmer substituiert sein können:

Na-Tetrakieselsäureglimmer

Na-Täniolit NaMg₂Li(Si₄Oi₀)F₂

Li-Täniolit LiMg₂Li(Si₄Om)F₂

Nä4Iectorit Na ι Mg₂ILi 1(Si₄Oi₀)F₂

3 ³ 3

Li-Hectörit

Die obengenannten synthetischen Glimmer werden aliein oder in Form einer Mischung aus zwei oder mehreren davon verwendet

Bekanntlich sind die Bindungen zwischen den Schichten der Glimmerkristalle schwach, so daß sie leicht in flocken- bzw. schuppenförmige Pulver aufgespalten werden können. Auch die synthetischen Glimmer haben eine ähnliche Eigenschaft. Während in natürlichen Glimmern, wie z. B.

Z Fähigkeit zur Bildung von Komplexen
mit Metallhydroxiden

Synthetische Glimmer können Kationen in
Hydroxy-Form von Metallhydroxiden

Phlogopit
Muscovit
Fluorphlogopit

KMg₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂

KAl₂(AlSi₃Oi₀)(OH)₂

KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂

die Tetraeder-Positionen AlSi₃ bilden, bilden diejenigen von synthetischen Glimmern die Form Su. Diese Glimmer vom AlSi₃-TyP sind nicht in Wasser quellbar. Andererseits saugen die synthetischen Glimmer vom Su-Typ, wenn sie in Wasser eingetaucht werden, eine große Anzahl von Wassermolekülen zwischen die Schichten ein. sie ν ^rden hydratisiert und quellen und schließlich werden die Bindungen zwischen den Schichten aufgespalten unter Bildung von flockenförmigen bzw. schuppenförrnigen Elementen mit einer Dicke von nicht mehr als 50 A und einem Durchmesser von 1 bis 5 μπι. Dies ist zurückzuführen auf die viel schwächeren Bindungen zwischen den Schichten, die kleinen Ionenradien der Zwischenschiciitionen Na⁺ und Li⁺ und die hohe Hydratationsenergie im Falle der synthetischen Glimmer vom SU-Typ. Diese flockenförmigen bzw. schuppenförmigen Elemente bilden in Wasser ein hydratisiertes Kolloid.

Die obengenannten flockenförmigen bzw. schuppenförmigen Elemente oder Teikhen ha ,en die nachfolgend angegebenen Eigenschaften, die sie als Rauchfiltermaterial geeignet machen:

i. lonenaustauschvermögen

Synthetische Glimmer haben in Wasser lonenaustauscheigenschaften. So besitzen sie beispielsweise im Falle eines W_1/3-Typs ein Kationenaustauschvermögen (C.E.C.) von 100 bis 110 Milliäquivalenten/lOOg Glimmer, und im Falle des W,-Typs besitzen sie ein Kationenaustauschvermögen von 230 bis 250 Milliäquivalenten/lOOg Glimmer. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Zwischenschicht-Bindung zwischen den Zwischenschichtionen (Na*. Li ⁺ ) und den Sauerstoffatomen des Silicat-Tetraeders in Form einer O₆. · · W... ... O612fach-Koordination vorliegt und die elektrostatischen Bindungen schwach sind. Die synthetischen Glimmer können in wäßrigen Lösungen von Elektrolyten, wie Salzen, aus denen Kationen abdissoziieren, Ionen, wie (H,O)⁺. K⁺. NH₄*, Ca^{2 +} , Mg²⁺, Sr²*. Ba²⁺, Pb²*, Cu²*. Fe'*, Bi³*, Ti⁴⁺ und Zr⁴* austauschen entsprechend der Reihenfolge der Hofmeister-Reihe.

Synthetische Glimmer werden weiter aktiviert durch kationische Reste bei einem solchen Ionenaustausch. Insbesondere können sich die synthetischen Glimmer, in denen die Zwischenschichtionen (H₁O)* und Al'* sind, wie feste Säuren verhalten unter Bildung von Salzen mit organischen und anorganischen anionischen Verbindungen, und diejenigen, in denen* die Zwischenschichtionen NH₄ ⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ und dgl. sind, weisen eine Aktivität als Adsorptionskatalysatoren für verschiedene Verbin^ düngen auf. Diese Eigenschaften sind erfindüngsgemäß besonders vorteilhaft.

durch ihre Zwischenschichtionen (Na⁺, Li⁺) substituieren, wodurch man diese Kationen sich in dem Zwischenschicht-Bereich koordinieren läßt. So liefern beispielsweise Na-Tetrakiese|säure-GIimmer und Aluminiumhydroxid Tetrakieselsäureglimmer vom Hydroxyaluminium-Typ

[AI₂(OH)₅(H₂O)]MgZ₅Si₄O₁₀F₂.

Dieser Glimmer kann aufgrund der Wirkung seiner Aluminol-Gruppe (AI—OH) organische Verbindungen innerhalb seines Gitters fixieren.

3. Fähigkeit zur Bildung von Komplexen
mit organischen Verbindungen

Synthetische Glimmer können polare organische Verbindungen zwischen die Kristallschichten einsaugen unter Bildung von Koordinations-Zwischenschichtkomplexen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die polaren organischen Verbindungen unter der Einwirkung von Coulombschen Kräften zwischen die Schichten eingesaugt werden, hauptsächlich als Folge der negativen Ladung der Sauerstoffatome, die an den Zwischenschicht-Oberflächen freiliegen.

Wenn synthetische Glimmer im trockenen Zustand vorliegen, werden polwe organische Substanzen im Rauch oder in der Gasphase zwischen den Schichten der synthetischen Glimmer adsorbiert als Folge der obengenannten Reaktion.

Bei der Fasermatrix, die in dem erfindungsgemäßen Filtermaterial verwendet werden kann, kann es sich um einen Strang, eine Bahn oder irgendeine andere Gestalt oder Form aus Celluloseacetatfasern, regenerierten Cellulosefasern (Rayon-Fasern), Pulpenfasern oder anderen Fasern handeln.

In dem erfindungsgemäßen Filtermaterial können die Mischungsverhältnisse von synthetischem Glimmer zur Fasermatrix willkürlich in Abhängigkeit von den vorgesehenen Verwendungszwecken ausgewählt werden. Im allgemeinen wird der synthetische Glimmer jedoch vorzugsweise in einer Menge verwendet, die 10 bis 200 Gew.-%, bezogen auf die Fasermatrix, entspricht Die Größe und Form der synthetischen Glimmerteilchen kann ebenfalls willkürlich in Abhängigkeit von der Verwendung des Filtermaterials gewählt werden. Im allgemeinen sind jedoch Teilchengrößen von 4,7 bis 0,15 mm, vorzugsweise von 0,60 bis OJO nim und Teilchen mit einer körnigen Gestalt bevorzugt.

In dem erfindungsgemäßen Filtermaterial kann der synthetische Glimmer gleichmäßig innerhalb der Fasermatrix verteilt sein oder es kann eine willkürliche Dichteverteilung gewählt werden oder mindestens eine Schicht oder mindestens ein Bett des synthetischen Glimmers und mindestens eine Schicht oder mindestens ein Bett der Fasermatrix können in einer beliebigen Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann hergestellt Werden Unter Anwendung eines konventionellen FilterhersteJlungsverfahrenS. Ein erfindungsgemäßes Raüchfiltermaterial kann beispielsweise auf die folgen* de Weise hergestellt werden:

Körnchen aus einem synthetischen Glimmer werden in einer Fasermatrix verteilt und daraus werden Filtermundstücke hergestellt. Diese Filtermundstücke werden jeweils mit einem konventionellen Filtermundstück aus Celluloseacetatfasem verbunden unter Bildung von Doppelfiltermundstücken. In diesem Falle werden unter Verwendung einer konventionellen Filterherstellungsvorrichtung Filterstengel hergestellt, wobei ein Weichmacher zugegeben und ein synthetisches Glimmerpulver zugesetzt wird unter Verwendung einer vibrierenden Beschickungseinrichtung oder dgl.

Bei einer anderen Ausführungsform wird ein synthetischer Glimmer in Form eines Pulvers in einen Papierzylinder einer Höhe von ί bis 5 mm eingefüllt, der Zylinder wird dann mit einem Zigarettenkörper verbunden und an dem freien Ende des Zylinders wird ein konventionelles Filtermundstück aus Celluloseacetatfasem, das einen Ziehmundstückabschnitt bildet, befestigt unter Bildung eines Doppelfilters.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Dreifachfilter hergestellt werden, indem man eine Schicht oder ein Bett aus synthetischem Glimmer zwischen zwei Filtermundstücken aus Cel'uloseacetatfasern anordnet. Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann entweder direkt mit einem Zigarettenkörper oder dgl., wie oben angegeben, verbunden werden oder es kann in einen Zigaretten- oder Zigarrenhalter oder in einen PfeiFenkörper eingebracht werden. Wenn das erfindungsgemä!3e Rauchfiltermaterial für Tabak verwendet wird, werden vorzugsweise 3 bis 150 mg synthetischer Glimmer pro Zigarette verwendet. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Rauchfiltermaterials lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Mittels des synthetischen Glimmers können giftige Gase in dem Rauch, wie z. B. Acetaldehyd, selektiv entfernt werden und die Filtrierwirksamkeit in bezug auf Nikotin, Teer und den Gesamtgehalt an teilchenförmigem Material (TPM) kann verbessert werden;

2. synthetische Glimmer, in denen die Zwischenschichtionen H⁺ und (HjO)⁺ sind, beeinflussen die Rauchqualität oder das Tabakaroma nicht in nachteiligerWeise;

3, synthetische Glimmer sind für das Auge angenehm und ihre akute orale Toxizität ist fast vernachläsaigbar gering, das daraus resultierende Filtermaterial ist daher hygienisch und sieht attraktiv aus;
4. der Verschleiß und der Abrieb einer Schneideklinge zum Zuschneiden des Filtermaterials auf die gewünschte Größe sind geringer als bei Verwendung von Aktivkohle;

5. es kann eine höhere Filterwirkung (Filtrierwirkungsgrad) erzielt werden, ohne daß der Druckabfall ansteigt

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die in den Beispielen angewendeten Meßverfahren waren folgende:

Druckabfall:

Dieser ist ausgedrückt durch den auf der Skala eines U-Rohr-Wassersäulenmanometers abgelesenen Wert, wenn Luft durch einen mit dem Manometer verbundenen Γ.-.er parallel mittels einer Vakuumpumpe gesaugt wurde und die Strömungsgeschwindigkeit der den Filter passierenden Luft einen Wert von 17,5 ml pro Sekunde erreichte.

Filtrierwirkungsgrad für Teer, Nikotin und TPM:

Zigaretten wurden mechanisch abgeraucht unter Verwendung einer automatischen Abrauchvorrichtung, die jede Minute einen Zug mit einem Volumen von 35 ml und einer Dauer von 2 Sekunden machte, wobei die Strömungsgeschwindigkeit bei 17,5 ml pro Sekunde gehalten wurde, bis die Länge des abgebrannten Zigarettenabschnittes 50 mm erreichte. Die Teer- und Nikotinfraktionen in dem Rauch, welche das Filtermundstück passiert hatten, wurden mittels eines Glasfaserfilters (Cambridge-Filter) gesammelt. TPM und Teer wurden gravimetrisch bestimmt, während Nikotin ultravioiett-spektrophotometrisch bestimmt wurde. Der Filtrierwirkungsgrad wurde nach der folgenden Formel errechnet:

FiltrierwirkungsgraC (%) =

durch Tabakfilter gesammelte Menge

durch Cambridge-Filter gesammelte Menge durch Tabakfilter
gesammelte Menge

x 100.

Beispiel 1

Ein Strang (insgesamt 43 000 Denier) von Celluloseacetatfäden (4 Denier) mit Y-förmigem Querschnitt wurde ausgewalzt und es wurden 70 bis 80 Gew.-Teile eines synthetischen Glimmers, in dem die Zwiscnenschichtionen H⁴- oder (H3O)*-Ionen waren (Protonen oder Hydroniumionen bilden nämlich Tetrakieselsäureglimmer mit einer Teilchengröße von 0,40 bis 0,25 mm) auf 100 Gew.-Teile des Stranges zugegeben. Das Ganze wurde zu 90 mm langen Filterstengeln mit einem Umfang von 24,7 mrri geformt. Diese Stengel wurden zu 10 mm Filtermundstücken zerschnitten. Jedes Filter* mundstück, enthielt 40 bis 50 mg des synthetischen Glimmers.

Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wurden ohne Verwendung des oben angegebenen synthetischen G'immers Filtermundstücke hergestellt, die nur aus Celluloseacetatfasern bestanden.

Jeweils eine der ob^n angegebenen beiden Arten von Fiue-.mundstücken wurde mit der anderen verbunden. Der dabei erhaltene 20-mm-Doppelfilter wurde an dem Körper einer handelsüblichen Zigarette befestigt, von der der ursprüngliche Filterabschnitt entfernt worden war, so daß das den synthetischen Glimmer enthaltende Mundstück mit dem Zigarettenkörper in Kontakt stand.

Die dabei erhaltene Zigarette mit dem synthetischen Glimmer enthaltenden Filter wurde auf einer automatischen Rauchvorrichtung abgeraücht, bis dje ürennlange mm erreichte, und es Wurden die FÜtrierWirkungs^ grade für Teer, Nikotin und TPM bestimmt. Die dabei erhaltenen Ergehnisse sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Im Vergleich zu Filtern, in denen Aktivkohle ansieile

von synthetischem Glimmer verwendet wurde, waren die synthetischen Glimmer enthaltenden Filter in bezug auf die Filtrierv'irkungsgrade überlegen trotz ihres niedrigen Druckabfalles.

Tabelle I

Druckabfall Filtrierwirkungsgrad (%) (mm H₂O) _TPM τ,,,,,. Nikotin

Probe Nr.	Zusatz	Teilchen	zugegebene
		größe	Menge (mg/
		in mm	10 mm Mund
			stück)
1	Tetrakieselsäure	0,40-0,25	46
	glimmer in der
	H⁺-Form
2	Tetrakieselsäure	0,60-0,40	47
	glimmer in der
	H₃O⁺-Form
Vergl.-	Aktivkohle	0,42-0,18	44
Prnhs
Nn I

75 57 49 42

75 59 47 41

84 54 43 38

Bezüglich der Probe Nr. 1 zeigte die gaschromatographische Analyse der gasförmigen Komponenten nach dem Passieren des Filters, daß die Menge an Acetaldehyd im Vergleich zu derjenigen von Isopren in dem Hauptrauchstrom verhältnismäßig gering war. Dies bedeutet, daß polare Moleküle, wie Acetaldehyd, durch synthetische Glimmer selektiv adsorbiert werden. Ein Tabakrauchgeschmackstest zeigte, daß die Proben Nr. 1 und Nr. 2 keinen sogenannten Aktivkohle-Geruch hatten: und eine milde Rauchqualität ergaben.

Beispiel 2

Mittels einer konventionellen Filterherstellungsvorrichtung wurden unter Verwendung des gleichen Celluloseacetatstranges wie in Beispiel 1 und unter Zugabe von 60 Gew.-Teilen verschiedener synthetischer Glimmer mit verschiedenen Zwischenschichtionen auf 100 Gew.-Teile des Acetatstranges nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 Filterstengel mit einer Länge von 90 mm und einem Umfang von 24,7 mm hergestellt. Die Stengel wurden zu 17-mm-Mundstücken zerschnitten. Jas Mundstück wurde an dem Körper einer handelsüblichen Zigarette, von der der ursprüngliche Filterteil entfernt worden war, befestigt.

Die dabei erhaltene Zigarette mit dein synthetischen Glimmer enthaltenden Filter wurde aiii' einer automatischen Abrauchvorrichtung geraucht, bis die Länge des verbrannten Teils 50 mm erreichte. Die Ergebnisse der Filtrierwirkungsgradbestimmungen in bezug auf Teer und Nikotin sind in der folgenden Tabelle 11 angegeben.

Tabelle II

Probe Nr. synthetischer Glimmer

Teilchengröße Druckabfall
in mm (mesh) (mm H₂O)

Filtrierwirkungsgrad (%)
Teer Nikotin

Hydroxyaluminium- 0,42-0,18

tetrakieselsäureglimmer (40-80)

Tetrakieselsäureglimmer 0,42-0,18

vom Alumium-Typ (40-80)

Tetrakieselsäureglimmer 0,42-0,18

in der H⁺-FOrIn (40-80)

VergL-Probe
Nr. 2

50	46	48
49	40	36
50	40	38

36

33

Alle synthetischen Glimmer enthaltenden Filter (Proben Nr. 3 bis 5) waren in bezug auf die Filtrierwirkungsgrade dem konventionellen Filter (Ver-

60 gleichsprobe Nr. 2), der nur aus Celluloseacetatfasern bestand, bei Aufrechterhaltung des gleichen Wertes für den Druckabfall überlegen.

Claims

Patentansprüche:

1. Rauchfiltermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält oder besteht aus einer Fasermatrix zum Filtrieren von Rauch und synthetischem Na-Tetrakieselsäure-Glimmer, Na-Täniolit, Li-Tänioüt Na-Hectorit, Li-Hectorit, ein von einer dieser Verbindungen durch Substation der Zwischenschicht-Ionen abgeleitetes Produkt oder eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Verbindungen, wobei es diese Verbindungen in einer Menge enthält, die 10 bis 200 Gew.-% der Fasermatrix entspricht

2. Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der synthetische Glimmer eine Korngröße von 4,7 bis 0,15 mm aufweist.

3. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der synthetische Glimmer in der Fasermatrix dispergiert ist.

4. Filtermaterial nach einem der Anspräche ! bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht oder ϊίη Bett aus dem synthetischen Glimmer und mindestens eine Schicht oder ein Bett aus der Fasermatrix aufeinander haften.