Brevet FR2462111A1 — publié le 19810213

L'invention concerne un procédé pour la réalisation d'une structure filtrante isotrope à partir d'une masse de matériaux fibreux constituée d'un mélange homogène de fibres de différents types, les fibres d'un des types étant nécessairement des fibres synthétiques thermofusibles, c'està-dire obtenues au moyen de techniques connues à partir de polymères thermoplastiques, par exemple le polyéthylène, dont une particularité est d'avoir un point de fusion relativement bas, les fibres des autres types étant des fibres stables à la température de fusion des-fibres thermofusibles. La masse fibreuse peut être conformée, soit en plaques dans le but de filtrer les particules solides ou li- quides des aérosols des fumées ou encore des poussières en suspension dans de l'air pollué, soit en boudin cylindrique pour constituer des filtres à cigarettes. On connait déjà un procédé pour la réa- lisation de tampons filtres pouvant être utilisés, par exemple, en tant que filtres-à cigarettes, obtenus à partir de masses fibreuses, telles que des fibres de cellulose de bois de pâte chimique blanchie ou de linters de coton, liées entre elles par un liant d'imprégnation liquide ou un liant solide de thermoscellage en poudre ou en fibre qui est ajouté aux fibres de cellulose avant ou pendant la conforma- tion en boudin cylindrique. Dans le cas o le liant est un solide de thermnoscellage et notamment constitué de fibres, on chauffe la masse filtrante conformée en boudin cylindrique à une température correspondant à la zone de ramollissement du liant, mais en deçà de sa température de fusion complète afin de profiter de ses propriétés adhésives pour créer des zones de liaisons multiples à l'entrecroi- sement des fibres de cellulose. Ces liaisons fibre à fibre, réalisies à chaud dans la masse fibreuse, consolident la structure filtrante après refroidissement, ce qui permet d'obtenir un filtre à cigarette de bonne compacité. - 2- On connaît un procédé pour la réalisa- tion d'un filtre à cigarette confectionné à partir de fibres synthé- tiques de très faible diamètre, dispersées avec des fibres d'un dia- mètre sensiblement plus gros en proportion prédominante. L'un au moins des types de fibres est thermosensible de manière qu'un chauf- fage subséquent soit nécessaire pour activer le liant constitué par ces fibres et provoquer le collage de l'ensemble des fibres à leur entrecroisement. Si ces différents procédés permettent d'obtenir des filtres de bonne compacité, par collage mutuel des fibres des différents types mis en oeuvre, après le refroidissement de la masse fibreuse! qui suit son chauffage, il n'est pas possible pour autant de conférer à la structure obtenue le niveau suffisant de per- méabilité à l'air et à la fumée du fait de l'absence de création d'un réseau poreux. Ces procédés permettent en effet d'ob- tenir un embout compact mais trop peu perméable à l'air et à la fumée, ce qui, pour le fumeur, rend le tirage des bouffées malaisé. Au sur- plus, l'efficacité filtrante vis-à-vis des produits nocifs de la fumée du tabac est insuffisante du fait que de nombreuses fibres sont col- lées les unes aux autres ce qui diminue leur surface de contact avec la fumée. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients et concerne un procédé pour l'obtention d'une struc- ture filtrante notammert pour filtres à cigarettes, à la fois compacte, perméable et absorbante à partir d'un mélange homogène de matériaux fibreux d'au moins deux types différents, l'un appartenant nécessaire- ment à la famille des fibres synthétiques thermofusibles. L'invention concerne donc plus particuliè- rement un procédé pour la réalisation d'une structure filtrante, notam- ment pour filtres à cigarettes à partir d'une masse fibreuse constituée d'un mélange homogène de fibres de différents types, les unes étant nécessairement synthétiques thermofusibles, c'est-à-dire à bas point de fusion et douées de propriétés d'adhésivité à l'état fondu, les au- tres étant absorbantes vis-à-vis des produits nocifs de la fumée du tabac et stables à la température de fusion des fibres thermofusibles, ce mélange fibreux étant conformé en boudin cylindrique dans un état non encore cohérent mais homogène et comportant des réseaux fibreux étroitementimbriqués les uns dans les autres, procédé caractérisé en ce que l'on utilise une proportion notable de fibres thermofusibles par rapport aux fibres absorbantes, on porte le mélange fibreux à une température laissant intactes les fibres absorbantes, mais suffisam- ment élevée pour fondre et fluidifier toute la matière thermofusible qui, initialement présente sous forme de fibres, est transformée en fines gouttelettes dispersées dans le-réseau de fibres absorbantes, on crée ainsi, par cette transformation, d'une part des liaisons mul- tiples à l'entrecroisement des fibres absorbantes restées stables et d'autre part un réseau de pores communiquant entre eux dans toutes les directions et formé dans les espaces laissés vides par la fusion des fibres thermofusibles. Le mélange fibreux commence par être distribué régulièrement dans un canal de conformation cylindrique. Après sa conformation et dans un état non encore cohérent, il est soumis à un traitement thermique énergique qui permet de fondre très rapidement les fibres thermofusibles, les transformant ainsi dans leur totalité en fines gouttelettes adhésives qui soudent entre elles les fibres absorbantes demeurées intactes créant en outre un réseau de pores interconnectés. L'originalité du procédé, objet de l'invention, réside essentiellement dans la destruction complète par fusion de la forme fibreuse du réseau de fibres synthétiques. En ex- ploitant les propriétés de thermofusibilité et d'adhésivité de ces fibres, on constitue la structure filtrante recherchée, remarquable par sa cohésion, sa compacité et sa perméabilité. Après refroidissement, la structure est, en effet, cohérente et compacte par la présence de multiples zones de liaisons formées par les gouttelettes de matière fusible solidifiée et situées aux entrecroisement des fibres absorbantes maintenues intactes. -4- 24 62 1 11 La structure est, en outre, perméable par l'établissement d'un réseau de pores reliés entre eux. Ces pores sont formés dans les espaces laissés vides par la disparition de la forme fibreuse des fibres thermofusibles et ils sont distribués régulièrement dans cette nouvelle structure. Cette structure est donc réalisée aux dépens de la surface de la matière thermofusible ce qui permet d'augmenter la surface spécifique utile desfibres absorbantes et d'atteindre une haute efficacité de filtration. Les fibres thermofusibles peuvent être choisies avantageusement parmi les fibres de polyoléfine, notamment en polyéthylène dont le point de fusion relativement bas est compris entre 115 et 1350 C. Parmi les fibres de cette famille, les fibres fibrillées en polyéthylène haute densité pour usage papetier sont particulièrement avantageuses. Ce sont des fibres de dimensions voisines de celles de la cellulose..Elles sont formées de faisceaux fibreux très fibrillés et très foisonnants présentant une surface très irrégulière et très chevelue avec une surface spécifique élevée. Leur longueur est comprise entre 1 et 2 mm et leur diamètre entre 2 et 25 microns. Cette morphologie particulière permet un excellent enchevêtrement avec les fibres de cellulose; elle permet en outre, après la fusion complète du polyéthy- lène,d'obtenir un état poreux finement divisé, c'est-à-dire constitué d'un grand nombre de micropores résultant de l'encombrement initial important des fibres fibrillées. En raison de leur procédé d'obtention ces fibres ne présentent pas, lors de leur fusion, de tension interne importante, ce qui est particulièrement avantageux car les dimensions du boudin filtrant obtenu, notamment le diamètre, sont sensiblement les mêmes avant et après le chauffage de la masse fibreuse. On peut également employer comme fibres thermofusibles des filaments fins, par exemple en polyéthylène, obte- nus par filage classique et coupés en courts segments. Toutefois les caractéristiques de la structure filtrante obtenue ne sont pas aussi satisfaisantes que celles acquises avec les fibres fibrillées. Parmi les familles de fibres absorbantes stables à la chaleur à la température de fusion des fibres thermo- - 24 62 1 1 1 fusibles de polyéthylène, on peut utiliser des fibres de cellulose de bois, soit des fibres de conifères, sapin, pin épicéa, soit des fibres de bois feuillu, bouleau, chêne, eucalyptus, etc... En rai- son de leur morphologie, ces fibres naturelles, bien que non fibril- lées, ont un pouvoir absorbant élevé vis-à-vis des goudrons de la fumée du tabac. Elles sont en outre intéressantes par leur prix de revient peu élevé. On peut également utiliser des fibres de linters de coton. On peut également utiliser comme fibres absorbantes, les fibres obtenues en coupant des fils artifi- ciels ou synthétiques, par exemple des fils d'acétate de cellulose. Leur longueur et leur diamètre doivent être du même ordre de gran- deur que ceux des fibres de cellulose et leur température de fusion doit être sensiblement plus élevée que celle des fibres thermofusibles. On peut également utiliser, tout au moins partiellement, comme fibres absorbantes des fibres de carbone activé dont la longueur et le diamètre sont voisins de ceux des fibres de cellulose; on met ainsi à profit le pouvoir bien connu du carbone ac- tivé pour adsorber les composants de la phase gaz et vapeur de la fumée du tabac. La proportion en poids des fibres de chaque type varie selon le degré d'aération recherché pour la struc- ture filtrante, c'est-à-dire sa perméabilité au courant de la fumée. - Il est indispensable que les fibres thermofusibles soient en propor- tion notable (au moins 25% de la masse fibreuse) par rapport aux fibres absorbantes pour que le réseau de pores créé par la fusion des fibres thermofusibles aère suffisamment la structure filtrante. La proportion de fibres thermofusibles permet également de faire va- rier le niveau de compacité du filtre. La proportion et la nature des fibres absorbantes contribuent à déterminer le niveau d'efficacité de la structure filtrante. L'emploi de fibres de bois feuillu à la place de fibres de conifères donnera, toutes choses égales par ailleurs, une perméabilité plus faible, une compacité moindre et une effica- cité plus grande. f -6- Ainsi, à titre d'exemple, l'on Démontre que pour un filtre de densité donnée, en faisant croître la proportion de fibres synthétiques therwofusibles, la résistance au tirage et l'efficacité de filtration décroissent alors que la compacité augmente. Inversement, en faisant croître la proportion de fibres absorbantes, la résistance au tirage et l'efficacité de filtration augmentent alors que la compacité diminue. Au surplus, pour un mélange fibreux de composition donnée, il apparaît qu'en faisant croître la densité de remplis- sage du boudin cylindrique, les caractéristiques de résistance au tirage, d'efficacité de filtration et de compacité augmentent. Dans un exemple de réalisation préférentiel, pour un mélange comprenant 50 c% de fibres thermofusibles et 50 % de fibres de cellulose, la plage de variation de la densité du filtre est de 0,105 - 0,150. Ce qui correspond corrélativement à une plage de résistance au tirage de 490 Pascal - 1.470 Pascal pour un bout-filtre de format 8 mm x 20 mm. Un autre exemple de réalisation est le suivant: un mélange contenant 1/3 de fibres de cellulose, 1/3 de fibres de carbone activé et 1/3 de fibres thermofusibles donnera un filtre perméable suffisamment compact et très efficace pour retenir à la fois les goudrons et la phase gaz et vapeur de la fumée du tabac. La mass'e fibreuse, après sa conformation en boudin cv- lindrique, est chauffée par tout moyen connu approprié tel que circulation d'air chaud, rayonnement infra-rouge, chauffage par haute fréquence ou par micro-ondes. En tout état de cause, le mode de chauffage retenu doit être tel que toutes les fibres thermo- fusibles du boudin cylindrique atteignent en même temps leur point de fusion. La présente invention offre, au niveau des filtres à cigarettes obtenus, les avantages suivants: - Excellent rendement de la matière filtrante: pour une même ef- ficacité de filtration des produits nocifs de la fumée du tabac, densité sensiblement inférieure à celle des filtres habituelle- ment utilisés, filtres en acétate de cellulose ou filtres en papier. 24 62 111 - Possibilité d'obtenir une efficacité des filtres par rapport à la phase gaz et vapeur de la fumée, en utilisant des fibres de car- bone activé. - Grande facilité dans l'obtention d'une large gamme d'efficacité et de compacité en jouant sur la nature et les dimensions des fibres absorbantes stables à la chaleur, sur le taux d'emploi des fibres thermofusibles et sur la densité de remplissage du boudin. - Excellente compacité et excellente élasticité avant et pendant l'opération de fumage, ces deux caractéristiques atteignant des niveaux sensiblement supérieurs à ceux d'un filtre en acétate de cellulose de même résistance au tirage. - Aspect satisfaisant de la section du filtre qui ne présente pas de pores vis-bles mais au contraire un fondu analogue à celui du filtre en acétate de celulose. - Prix de revient avantageux par rapport au filtre en acétate de cel- lulose ou en papier en raison du prix de revient relativement faible de la matière fibreuse du mélange employé. - 8 - R E V E N D I C A T I 0 N S /- Procédé pour la réalisation d'une structure filtrante, notamment pour filtres à cigarettes à partir d'une masse fibreuse constituée d'un mélange homogène de fibres de différents types, les unes étant nécessairement synthétiques thermofusibles,à bas point de fusion et douées de propriétés d'adhésivité à l'état fondu, les autres étant absorbantes vis-à-vis des produits nocifs de la fumée du tabac et stables à la température de fusion des fibres thermofusibles,ce mélange fibreux étant conformé en boudin-cylindrique dans un état non encore cohérent mais homogène et comportant des réseaux fibreux étroi- tement imbriqués les uns dans les autres, procédé caractérisé en ce que l'on utilise une proportion notable de fibres thermofusibles par rap- port aux fibres absorbantes, on porte le mélange fibreux à une tempéra- ture laissant intactes les fibres absorbantes, mais suffisamment élevée pour fondre et fluidifier toute la matière thermofusible qui, initiale- ment présente sous forme de fibres, est transformée en fines goutte- lettes dispersées dans le réseau de fibres absorbantes; on crée ainsi, par cette transformation, d'une part des liaisons multiples à l'entre- croisement des fibres absorbantes restées stables et d'autre part, un réseau de pores communiquant entre eux dans toutes les directions constitué par les espaces laissés vides lors de la fusion des fibres thermofusibles. 2 ) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise une masse fibreuse comprenant des fibres thermofusibles en proportion notable et un seul type de fibres absorbantes. ) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise une masse fibreuse comprenant des fibres thermofusibles en proportion notable et au moins deux types de fibres absorbantes de nature différente. ) - Procédé selon les renvendications 2 et 3, caractérisé en ce que les fibres thermofusibles sont des fibres de polyoléfine. 24 62 16 1 1 ) - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fibres de polyoléfine sont des fibres fibril- lées en polyéthylène haute densité pour usage papetier rassemblées dans des faisceaux fibreux très fibrillés et très foisonnants, présen- tant une surface très irrégulière et très chevelue, de surface spécifique élevée, la longueur moyenne de ces fibres variant entre 1 et 2 mm et leur diamètre entre 2 et 25 microns ) - Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on utilise comme fibres absorbantes des fibres de cellulose de bois. 7 ) - Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on utilise comme fibres absorbantes des fibres de coton, des fibres de carbone activé, de courts segements de fils d'acétate de cellulose, ces fibres et fils ayant une longueur et un diamètre du même ordre de grandeur que ceux des fibres de cellulose de bois. ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications de 2 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise comme fibres absorbantes de courts segments de fils en matière synthétique telle que le polypropylène dont le point de fusion est nettement supé- rieur à celui des fibres thermofusibles. 9 ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que l'on util!se une masse fibreuse comprenant au moins 25 % de fibres thermofusibles. 100) - Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 9, caractérisé en ce que l'on utilise une masse fibreuse comprenant 50 % de fibres fibrillées en polyéthylène haute densité pour usage papetier et 50 % de fibres de cellulose de sapin provenant de pâte chimique blanchie, les caractéristiques de forme, de finesse et d'encombrement de ces fibres conférant à la masse fibreuse, après conformation, une faible densité. 11.) - Filtres pour particules solides ou liquides des aérosols des fumées ou des poussières en suspension dans de l'air pollué obtenu selon le procédé conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 10. ) - Filtres pour cigarettes réalisés selon l'une quelconque des revendications de 1 à 10.