БЫСТРОРАЗРУШАЮЩАЯСЯ В ВОДЕ БУМАГА ДЛЯ ФИЛЬТРА
FILTER PAPER BREAKING DOWN IN WATER QUICKLY

Настоящее изобретение относится к бумаге для изготовления сигаретного фильтра или для использования в качестве оберточной бумаги для фильтра. Далее изобретение относится к соответствующей сигарете и соответствующему способу изготовления. Бумага обладает свойством быстрого расщепления в воде и вследствие этого улучшает способность к биологическому разложению изготовленного из нее сигаретного фильтра.
Традиционным образом изготовленная сигарета с фильтром состоит, в общем, из цилиндрического столбика из табака, который обернут сигаретной бумагой, и фильтра, который состоит из фильтрующего материала и обернут оберточной бумагой для фильтра. Обычным фильтрующим материалом является ацетат целлюлозы. Обычно столбик табака и фильтр соединены друг с другом мундштучной бумагой.
Остающийся после потребления сигареты с фильтром остаток состоит большей частью из фильтра. Данный остаток во многих случаях не утилизируется надлежащим образом, а просто выбрасывается, вследствие чего он остается в окружающей среде до тех пор, пока он не разрушится под влиянием окружающей среды. В процессе разрушения сначала от фильтрующего материала отделяются мундштучная бумага и оберточная бумага для фильтра. Данный процесс протекает относительно быстро, тогда как волокнам из ацетата целлюлозы в зависимости от условий окружающей среды требуется для разложения от одного месяца до трех лет. Поэтому в промышленности существует интерес к поиску материалов для сигаретного фильтра, которые разлагаются в окружающей среде существенно быстрее, чем волокна ацетата целлюлозы.
Как альтернатива волокнам ацетата целлюлозы в качестве фильтрующего материала для сигарет также известна бумага. В то время как бумага разлагается, в общем, быстрее, чем ацетат целлюлозы, все же в случае известных бумажных фильтров разложение также происходит медленнее, чем того желают.
Скорость разрушения бумаг в воде может быть измерена аппаратурой, которая описана в методике TAPPI T 261 “Fines fraction by weight of paper stock by wet screening” (“Определение мелкой фракции по массе в бумажной массе мокрым просеиванием”). Данная аппаратура состоит из цилиндрической емкости, заполненной нагретой до 23ºC дистиллированной водой, с внутренним диаметром 10 см, которая на нижнем конце снабжена сеткой и закрыта посредством спускного вентиля под сеткой. В емкости находится мешалка, скорость которой может быть задана равной от 10 до 3000 оборотов в минуту. Сетка имеет 32 отверстия на 25 мм и ширину отверстия 0,57 мм. Характеристики, относящиеся к мешалке и ее положению в емкости, а также дополнительные подробности, касающиеся аппаратуры, можно почерпнуть из TAPPI T 261. В емкость при работающей мешалке вносят образец бумаги и перемешивают воду с образцом бумаги в течение определенного времени при определенном числе оборотов. Затем путем открытия спускного вентиля спускают воду, так что на сетке остаются волокна. Сетку с волокнами высушивают и долю разрушенной бумаги определяют анализом изображения.
Конкретнее, измерение проводится следующим образом. Подлежащую измерению бумагу выдерживают в течение по меньшей мере двух часов в условиях, задаваемых ISO 187. Вырезают небольшой лист размером 20±0,5×20×0,5 мм. В начале измерения емкость заполняют 800 мл воды. Затем включают мешалку и задают число оборотов, равное 800 оборотам в минуту. Образец бумаги вносят в емкость, где он может разрушаться под воздействием вызываемых мешалкой срезающих сил. Мешалку останавливают через 30 секунд после внесения пробы и немедленно после этого, открывая спускной вентиль, спускают воду. В результате на сетке остаются отдельные волокна, а не разрушенные частицы бумаги.
После спуска воды сетку вместе с волокнами высушивают в течение 5 минут в сушильной печи при 105°C. Оставшуюся на сетке массу волокон определяют анализом изображения. При этом сетку с остатками образца бумаги помещают на черную подложку и цифровой камерой получают изображение в ступенях серого с достаточным местным разрешением. Данное изображение анализируют с помощью подходящего программного обеспечения, например с помощью программы “Image J.”.
На полученном цифровом изображении сетка и индивидуальные волокна проявляются темными, тогда как еще не разрушенные связки волокон и более крупные остатки бумаги проявляются светлыми. В качестве порогового значения определяют оттенок серого, который позволяет ясно отличить сетку и индивидуальные волокна от связок волокон и более крупных остатков бумаги. При 256 различных оттенках серого с монотонно возрастающих от 0 (черное) до 255 (белое) подходящим во многих случаях является значение, равное 140, причем результат при разумном выборе порогового значения лишь мало зависит от точного числового значения.
Затем подсчитывают число точек изображения, которые имеют более высокую ступень серого, чем пороговое значение, то есть относятся к вязкам волокон или более крупным остаткам бумаги. Определяют отношение числа данных точек изображения к общему числу точек изображения, которое соответствует неразрушенному образцу бумаги 20×20 мм. Данное отношение вычитают из 1, и результат выражают в виде процентного числа. Чем больше данное процентное число, тем больше бумаги разрушилось.
В редких случаях может случаться, что в незначительной степени разрушенные образцы бумаги размещаются на сетке не плоско, а в сложенном виде. Данные образцы ложно демонстрировали бы завышенное разрушение бумаги из-за меньшей видимой поверхности бумаги. В таком случае образец подлежит отбросу, и измерение следует повторить с новым образцом.
Результат в испытании на разрушение, равный по меньшей мере 60%, соответствует бумаге, которая в емкости с водой при незначительном движении полностью разрушается в течение нескольких минут, в то время как обычные виды бумаги, для которых испытание на разрушение дает меньшие результаты, в данных условиях зачастую все еще не показывают признаков разрушения по прошествии часов.
Сигаретные фильтры, изготовленные из подобного рода обычных бумаг, обладают недостатком, заключающимся в том, что они разлагаются в окружающей среде медленнее, чем того желают. В общем можно констатировать, что обычные виды бумаги, которые в сухом состоянии обладают достаточной стабильностью, например, чтобы допускать машинную переработку, расщепляются в воде, как правило, медленнее, чем того желают в целях настоящего изобретения.
Из уровня техники известны дополнительные попытки разработки бумажных материалов, которые сравнительно быстро расщепляются в воде. Одним примером этого является применение неотбеленной целлюлозы, из которой может быть изготовлен фильтр, несколько быстрее разрушающийся, которая, однако, придает фильтру, как правило, нежелательную светло-коричневую окраску.
В основе настоящего изобретения лежит задача, заключающаяся в получении фильтрующего материала, который может быть изготовлен просто и с малыми затратами и одновременно сравнительно быстро разрушается в воде. Данная задача решается быстроразрушающейся в воде бумагой по пункту 1 формулы изобретения и способом ее изготовления по пункту 13 формулы изобретения. Дополнительным объектом изобретения является сигарета с фильтром, в которой используется данный материал. Обеспечивающие преимущества усовершенствования представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению для использования в качестве фильтрующего материала предлагается быстроразрушающаяся в воде бумага, которая обладает следующими свойствами:
- по меньшей мере 80 масс. %, предпочтительно по меньшей мере 90 масс. % и особенно предпочтительно по меньшей мере 95 масс. % бумаги образованы волокнами целлюлозы,
- по меньшей мере 80 масс. % из указанных волокон целлюлозы, предпочтительно по меньшей мере 90 масс. % и особенно предпочтительно по меньшей мере 95 масс. % состоят из смеси длинноволокнистой целлюлозы и мерсеризованной целлюлозы,
причем от 0 до 90 масс. % названной смеси состоят из мерсеризованной целлюлозы, а остаток состоит из длинноволокнистой целлюлозы, и
причем волокна целлюлозы названной смеси имеют степень помола, определенную согласно ISO 5267, составляющую не более 30 градусов по Шоппер-Ригелю (далее °SR), предпочтительно не более 25°SR и особенно предпочтительно не более 20°SR,
- при испытании на разрушение при использовании аппаратуры, описанной в TAPPI T 261, по прошествии 30 секунд бумага показывает разрушение, составляющее по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70% и особенно предпочтительно по меньшей мере 80%.
Авторы изобретения установили, что посредством сочетания особой целлюлозы, сравнительно высокой доли целлюлозы и сравнительно малой степени помола волокон целлюлозы может быть изготовлена бумага, которая, несмотря на достаточную стабильность в сухом состоянии, быстро разрушается в воде и подходит для использования в качестве фильтрующего материала для сигаретного фильтра. Такая бумага может быть, однако, также с преимуществом использована в качестве оберточной бумаги для фильтра, которая по тем же причинам, что и фильтрующий материал, должна была бы сама быстро разрушаться в воде.
По причине сравнительно малоинтенсивного помола избегается чрезмерная фибриллизация связок волокон и вследствие этого ограничивается возможность образования водородных связей в волоконной сетке, которые препятствуют разложению бумаги в воде.
Одновременно, однако, эти же водородные связи ответственны в случае обычной бумаги за то, что в сухом состоянии бумаге придается достаточная механическая прочность. Подходящий компромисс между противоположными друг другу свойствами предрасположенности к разрушению в воде и механической прочности в сухом состоянии достигается в рамках изобретения посредством использования смеси длинноволокнистой целлюлозы и мерсеризованной целлюлозы, причем смесь должна состоять максимум на 90 масс. % из мерсеризованной целлюлозы и, в остальном, из длинноволокнистой целлюлозы. Другими словами, данная “смесь” предполагает также возможность того, что в совокупности целлюлоза представляет собой длинноволокнистую целлюлозу. Примерами мерсеризованных целлюлоз являются целлюлозы, которые были обработаны натриевой щелочью, чтобы придать бумаге особенно большой объем при малой плотности.
Кроме того, достаточной прочности в сухом состоянии содействует то, что содержание целлюлозы сравнительно высоко, то есть используются малые количества наполнителей или они не используются вовсе. Как показано ниже на трех примерах осуществления посредством осуществляемого по изобретению выбора целлюлозы, выбора высокой доли целлюлозы в общей массе и посредством низкой степени помола можно получить бумагу для фильтра или оберточную бумагу для фильтра, которая объединяет в себе достаточную прочность в сухом состоянии с быстрым разрушением в воде.
Средняя длина волокна длинноволокнистой целлюлозы составляет более 1 мм, предпочтительно более 2 мм и менее 5 мм, предпочтительно менее 4 мм. Длинноволокнистая целлюлоза может быть получена из хвойной древесины, в частности из ели или сосны.
Из уровня техники известно нанесение на поверхность бумаги в клеильном или пленочном прессе бумагоделательной машины крахмала, производных крахмала или производных целлюлозы для повышения прочности бумаги и улучшения определенных других свойств бумаги. Нанесение в клеильном или пленочном прессе предлагается в частности тогда, когда речь идет о водорастворимых веществах, которые на более ранней стадии получения бумаги, например, в пульпере или в напорном ящике были бы растворены в воде, и большей частью снова терялись бы в сетке, в прессе и при сушке.
Авторы изобретения, однако, установили, что желаемые свойства, а именно хорошая механическая прочность в сухом состоянии и быстрое разрушение в воде, могут быть особенно успешно достигнуты, когда суспензию волокон целлюлозы во влажном состоянии, при необходимости, перед возможной переработкой в клеильном или пленочном прессе бумагоделательной машины обрабатывают водорастворимым производным целлюлозы, в частности карбоксиметилцеллюлозой (CMC). Это дает неожиданный результат, так как оказывается, что действительно наибольшая часть водорастворимого производного крахмала оказывается вовсе не в готовой бумаге, а, обычно, в растворенном состоянии остается в подсеточной воде. Когда доля производного целлюлозы составляет, например, 20 масс. % массы волокон в пульпере, в готовой бумаге обнаруживают долю производного целлюлозы, которая составляет явно менее 3 масс. % готовой бумаги, которая, обычно, составляет даже явно менее 1 масс. % готовой бумаги. Несмотря на сравнительно малую долю остающегося в бумаге производного целлюлозы, оказывается, однако, что благодаря ей повышается как механическая прочность в сухом состоянии, так и предрасположенность к разрушению в воде, что в свете настоящего изобретения представляет собой оптимальный эффект.
Кроме того, оказывается, что способ обработки производным целлюлозы имеет решающее значение и в известном отношении имеет большее значение, чем абсолютное содержание производного целлюлозы в готовой бумаге. Так, авторы изобретения установили, что предпочтительный эффект не возникает при обычной обработке в клеильном или пленочном прессе бумагоделательной машины, хотя в данном случае в готовой бумаге может быть достигнута намного более высокая доля производного целлюлозы, чем в случае введения добавки в пульпере, в напорном ящике или в сеточной части, где, как было сказано, более высокая доля производного целлюлозы теряется с подсеточной водой. Авторы изобретения предполагают, что данный особый технический эффект реализуется благодаря тому, что производное целлюлозы покрывает своим слоем волокна и вследствие этого сильно затрудняет образование водородных связей, ведя, однако, одновременно к склеиванию волокон, которое тем не менее обеспечивает сравнительно высокую механическую прочность или соответственно предельную разрывную нагрузку в сухом состоянии бумаги. В воде, однако, производное целлюлозы может легко растворяться, вследствие чего бумага затем быстро разрушается.
Получающаяся таким образом бумага имеет измеримую, но соизмеримо малую долю водорастворимого производного целлюлозы, которая лежит между 0,1 масс. % и 3 масс. %, предпочтительно между 0,3 масс. % и 2 масс. %. Сравнительно малая доля производного целлюлозы является следствием обработки суспензии волокон целлюлозы перед возможной переработкой в клеильном или пленочном прессе бумагоделательной машины.
В обеспечивающем преимущество усовершенствовании изобретение относится, следовательно, к бумаге для сигаретного фильтра или оберточной бумаге для фильтра согласно одному из вышеописанных вариантов осуществления изобретения, которая может быть получена обработкой суспензии волокон целлюлозы, используемой в производстве бумаги, водорастворимым производным целлюлозы перед возможной переработкой в клеильном или пленочном прессе бумагоделательной машины. При этом формулировка “перед возможной переработкой в клеильном или пленочном прессе в бумагоделательной машине” указывает на то, что клеильный или пленочный пресс необязательно должен использоваться при изготовлении, но она исключает общепринятую в уровне техники обработку в таком клеильном или пленочном прессе, которая согласно исследованиям авторов изобретения совсем не придает бумаге свойства, обеспечивающие особые преимущества для целей изобретения.
При этом обработка суспензии волокон целлюлозы включает одну или несколько из следующих стадий способа:
- добавление производного целлюлозы к массе волокон в пульпере, причем доля производного целлюлозы составляет предпочтительно более 5 масс. %, особенно предпочтительно более 10 масс. % массы волокон в пульпере,
- добавление производного целлюлозы в напорный ящик бумагоделательной машины и/или
- нанесение на движущееся в бумагоделательной машине еще влажное полотно целлюлозной суспензии перед клеильным или пленочным прессом.
Нанесение может быть осуществлено в частности распылением, например, в зоне сетки бумагоделательной машины.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления производное целлюлозы образовано, как упомянуто выше, карбоксиметилцеллюлозой (CMC), причем особенно предпочтительной оказалась натрий-CMC со степенью замещения от 0,6 до 0,95, предпочтительно от 0,65 до 0,9.
В одном предпочтительном варианте осуществления бумага для фильтра или оберточная бумага для фильтра имеет предельную разрывную нагрузку по ISO 1924 по меньшей мере 9 Н/15 мм, предпочтительно по меньшей мере 10 Н/15 мм и особенно предпочтительно по меньшей мере 12 Н/15 мм. Такие значения предельной разрывной нагрузки достаточны для того, чтобы обеспечить возможность машинной последующей переработки бумаги, причем предпочтительными являются предельные разрывные нагрузки выше 12 Н/15 мм.
2
2
Предпочтительно бумага для фильтра или оберточная бумага для фильтра имеет массу, отнесенную к единице площади, составляющую от 10 до 50 г/м, особенно предпочтительно от 20 до 40 г/м.
Изготовление бумаги для фильтра осуществляется предпочтительно на машине с наклонной сеткой, так как на таких машинах могут быть изготовлены бумаги с особенно высокой пористостью, фильтрующая эффективность которых особенно хорошо подходит для фильтрования сигаретного дыма. Менее предпочтительными альтернативами являются длинносеточные или круглосеточные машины.
Для изготовления фильтрующего столбика из бумаги для фильтра обычно формируют и/или крепируют полотно бумаги шириной, например, около 30 см, при необходимости также при повышенной температуре или влажности. Вслед за этим из бумаги для фильтра, как в случае обычных фильтров из ацетата целлюлозы, формируют бесконечный штранг, который обворачивают оберточной бумагой для фильтра. Затем из данного бесконечного штранга вырезают фильтрующие столбики.
2
Не считая обычных вспомогательных средств процесса изготовления бумаги, никакие дополнительные компоненты не являются необходимыми для изготовления бумаги по изобретению, и поэтому бумага по изобретению действительно может быть изготовлена просто и с малыми затратами. Дополнительно, однако, в бумагу могут быть введены специальные вещества, которые повышают или улучшают ее фильтрующее действие. В одном предпочтительном варианте осуществления бумага содержит оксиды металла, которые содействуют каталитическому удалению CO с образованием CO, например оксиды железа. Равным образом также могут быть использованы другие вещества, которые селективно удаляют определенные ингредиенты сигаретного дыма, такие как карбонаты, например карбонат натрия или калия, или гидрокарбонаты, например гидрокарбонат натрия, калия или аммония, или фосфаты, например фосфат натрия или калия. Однако данные вещества должны либо быстро растворяться в воде или же, если они нерастворимы в воде, присутствовать в виде достаточно малых частиц, чтобы не оказывать отрицательного влияния на разрушение в воде бумаги по изобретению.
Далее изобретение иллюстрируется посредством трех примеров осуществления.
Пример 1
2
Бумагу для фильтра по изобретению изготавливали из 100 масс. % длинноволокнистой целлюлозы марки Södra Green 85 FZ на машине с наклонной сеткой. Данную целлюлозу получают из сосновой и еловой древесины и она имеет среднюю длину волокна от 2,35 до 2,65 мм. При этом целлюлозу подвергали помолу до степени помола 15°SR, чтобы достичь достаточной предельной разрывной нагрузки. Бумага имела массу, отнесенную к единице площади, равную 26,9 г/м, и предельную разрывную нагрузку 10,6 Н/15 мм. В испытании на разрушение обнаруживалось, что разрушение бумаги составляло от 80% до 85%.
Пример 2
2
Бумагу для фильтра по изобретению изготавливали из 70 масс. % длинноволокнистой целлюлозы марки Södra Green 85 FZ, в расчете на суммарное количество волокон бумаги, и из 30 масс. % мерсеризованной целлюлозы, также в расчете на суммарное количество волокон бумаги, марки Buckeye HPZ на машине с наклонной сеткой. Волокна подвергали помолу до степени помола 15°SR. Бумага имела массу, отнесенную к единице площади, равную 28,6 г/м, и предельную разрывную нагрузку 9,7 Н/15 мм. В испытании на разрушение обнаруживалось, что разрушение бумаги составляло от 80% до 85%.
Пример 3
2
Бумагу для фильтра по изобретению изготавливали из 100 масс. % длинноволокнистой целлюлозы марки Södra Green 85 FZ на машине с наклонной сеткой. При диспергировании целлюлозы в пульпере добавляли CMC (карбоксиметилцеллюлозу) марки Blanose 7ULC в количестве 20 масс.% от массы волокон. Обработанные таким образом с использованием CMC волокна целлюлозы подвергали помолу до степени помола 15°SR. Бумага имела массу, отнесенную к единице площади, равную 27,9 г/м, и предельную разрывную нагрузку 14,81 Н/15 мм. Доля CMC в бумаге составляла менее 1 масс. % в расчете на суммарную массу бумаги. В испытании на разрушение обнаруживалось, что разрушение бумаги составляло от 96% до 99%.
Вышеприведенные три примера осуществления показывают, что с помощью бумаги для фильтра по изобретению в самом деле достаточная механическая прочность в сухом состоянии, а именно предельная разрывная нагрузка около 10 Н/15 мм или более, может быть объединена со способностью к быстрому разрушению в воде. Это тем более примечательно, поскольку бумага с обеспечивающими преимущество свойствами может быть изготовлена явно просто и, тем самым, с меньшими затратами.
Пример 3 демонстрирует, кроме того, особый технический эффект, который может быть достигнут добавлением водорастворимых производных целлюлозы, в данном конкретном случае CMC марки Blanose 7ULC. Очищенная CMC марки Blanose представляет собой натриевую CMC с минимальной степенью чистоты 98% и анионным зарядом. Степень замещения Blanose 7ULC, измеренная методом MA 304.1506A, составляет 0,65-0,90 при содержании натрия 7,0%-8,9%. Действительно, посредством добавления CMC, как показывает сравнение с примером 1, можно как существенно повысить предельную разрывную нагрузку, так и ускорить разрушение бумаги. Это является неожиданным и примечательным результатом, так как обычно скорость разрушения в воде и предельная разрывная нагрузка представляют собой по смыслу конкурирующие параметры, так как оптимизация одного обычно происходит за счет ухудшения другого.
Данные три примера осуществления сравнивают с описанными ниже двумя сравнительными примерами, которые не являются вариантами осуществления изобретения.
Сравнительный пример 1
2
Бумагу для фильтра, не являющуюся таковой по изобретению, изготавливали из 100 масс. % длинноволокнистой целлюлозы марки Södra Green 85 FZ на листоотливной машине Rapid Köthen со статическим устройством формования листа фирмы PTI Paper Testing Instruments GmbH, тип RK3-KWT, серийный номер 0311. Волокна целлюлозы подвергали помолу до степени помола 50°SR. Бумага имела массу, отнесенную к единице площади, равную 26,6 г/м, и предельную разрывную нагрузку 19,54 Н/15 мм. В испытании на разрушение обнаруживалось, что разрушение бумаги составляло 0%. Сравнительный пример 1 отличается от примера осуществления 1 по существу тем, что выбрана существенно более высокая степень помола со значением 50°SR. Оказывается, что бумага приобретает явно более высокое значение предельной разрывной нагрузки, но лишь весьма медленно разрушается в воде.
Сравнительный пример 2
2
Бумагу для фильтра, не являющуюся таковой по изобретению, изготавливали из 100 масс. % длинноволокнистой целлюлозы марки Södra Green 85 FZ на машине с наклонной сеткой. При этом целлюлозу подвергали помолу до степени помола 15°SR. В клеильном прессе бумагу полностью пропитывали 2%-ным водным раствором CMC марки Blanose 7ULC. Бумага имела массу, отнесенную к единице площади, равную 26,8 г/м, и предельную разрывную нагрузку 13,88 Н/15 мм. Доля CMC в бумаге составляла от 1 до 2 масс. %. В испытании на разрушение обнаруживалось, что разрушение бумаги составляло от 40 до 50%.
В сравнительном примере 2 CMC наносили в клеильном прессе согласно общепринятому в производстве бумаги способу, так что в готовой бумаге присутствует приблизительно то же количество CMC, что и в примере 1. Однако результат испытания на разрушение показывает, что последующее нанесение CMC на почти сухую бумагу, как это происходит в клеильном прессе, не ведет к желаемому эффекту, а введение в пульпере, как в примере 3, или по меньшей мере нанесение на еще влажную бумагу является необходимым для быстрого разрушения бумаги.
Сравнение сравнительного примера 2 с примером 1 показывает, кроме того, что нанесение CMC в клеильном прессе ведет к повышению предельной разрывной нагрузки, но при одновременном замедлении разрушения в воде, и поэтому не подходит для целей изобретения.