GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial geeignet zur Herstellung eines Segments in einem Rauchartikel, das ein günstiges plastisches Dehnungsverhalten in Querrichtung aufweist, so- dass daraus in effizienter Weise Segmente für Rauchartikel hergestellt werden können. Die Erfindung betrifft auch ein Segment für einen Rauchartikel, hergestellt aus diesem Filterma terial.

HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Rauchartikel sind typischerweise stabförmige Artikel, die aus mindestens zwei nacheinander angeordneten stabförmigen Segmenten bestehen. Ein Segment enthält ein Material, das in der Lage ist, beim Aufheizen ein Aerosol zu bilden und mindestens ein weiteres Segment dient dazu, die Eigenschaften des Aerosols zu beeinflussen.

Bei dem Rauchartikel kann es sich um eine Filterzigarette handeln, bei der ein erstes Segment das aerosolbildende Material, insbesondere Tabak, enthält und bei der ein weiteres Segment als Filter ausgeführt ist und der Filtration des Aerosols dient. Das Aerosol wird dabei durch Verbrennen des aerosolbildenden Materials erzeugt, und der Filter dient primär dazu, das Ae rosol zu filtern und die Filterzigarette mit einem definierten Zugwiderstand auszustatten.

Bei dem Rauchartikel kann es sich aber auch um einen sogenannten Tabakerhitzer handeln, bei dem das aerosolbildende Material nur aufgeheizt aber nicht verbrannt wird. Dadurch wird die Zahl und Menge der gesundheitsschädlichen Substanzen im Aerosol vermindert. Ein der artiger Rauchartikel besteht ebenfalls aus mindestens zwei, häufiger aber aus mehr, insbeson dere aus vier Segmenten. Ein Segment enthält das aerosolbildende Material, das typischer weise Tabak, rekonstituierten Tabak oder nach anderen Verfahren aufbereiteten Tabak um fasst. Weitere, teilweise optionale Segmente im Rauchartikel dienen dazu, das Aerosol weiter zuleiten, das Aerosol abzukühlen oder das Aerosol zu filtern.

Die Segmente sind meistens von einem Umhüllungsmaterial umhüllt. Sehr oft wird Papier als Umhüllungsmaterial verwendet. Im Folgenden wird, soweit nicht explizit darauf hingewiesen wird oder sich direkt aus dem Zusammenhang anderes ergibt, unter „Segment“ das Segment eines Rauchartikels verstanden, das nicht das aerosolbildende Material enthält, sondern beispielsweise dazu dient, das Aerosol weiterzuleiten, abzukühlen oder zu filtern.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, derartige Segmente aus Polymeren wie Celluloseacetat oder Polylactiden zu bilden. Nach dem Konsum des Rauchartikels muss der Rauchartikel ge eignet entsorgt werden. In vielen Fällen wirft der Konsument aber den konsumierten Rauch- artikel einfach in der Umwelt weg und Versuche, dieses Verhalten durch Information oder Strafen einzuschränken, waren wenig erfolgreich.

Da Celluloseacetat und Polylactide in der Umwelt nur sehr langsam biologisch abgebaut wer den, haben Papier und cellulosebasierte Vliese an Bedeutung gewonnen.

Beispielsweise ist es bei der Herstellung eines Segments möglich, eine Bahn aus Papier oder einem cellulosebasierten Vlies zunächst in Längsrichtung zu crimpen, bevor es zu einem end losen Strang geformt und mit einem Umhüllungsmaterial umhüllt wird. Abschließend kann der endlose Strang in für die weitere Verarbeitung geeignete Stücke geschnitten werden.

Beim Crimpen der Bahn kann die Bahn durch zwei mit einem Muster versehene Rollen durch geführt werden, die dieses Muster auf die Bahn einprägen. Beispielsweise kann dieses Muster ein in Maschinenrichtung der Bahn orientiertes Linienmuster sein. Derartige eingeprägte Li nien dehnen und verformen die Bahn in der zur Maschinenrichtung orthogonalen Richtung, der Querrichtung, sodass danach ein endloser Strang durch Zusammenschieben der Bahn in Querrichtung einfacher gebildet werden kann.

Bei der beschriebenen Art des Crimpens kann es allerdings Vorkommen, dass die Bahn in Qu errichtung reißt. Es besteht daher ein Bedarf an einem Filtermaterial, das diesen Nachteil nicht oder nur in einem geringeren Ausmaß aufweist, aber ansonsten den bevorzugten Filtermateri alien soweit wie möglich identisch ist.

In der nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT/EP2019/ 085125 der selben Erfinder ist ein wasserstrahlverfestigtes Filtermaterial beschrieben, das als Ausgangs- punkt für das erfindungsgemäße Filtermaterial dienen kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bahnförmiges Filtermaterial für einen Rauch artikel zur Verfügung zu stellen, das sich mit hoher Produktivität zu einem Segment eines Rauchartikels verarbeiten lässt und ansonsten hinsichtlich seiner Eigenschaften bevorzugten Filtermateriahen möglichst ähnlich ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Filtermaterial nach Anspruch l, ein Segment für einen Rauchar tikel nach Anspruch 17, und einen Rauchartikel nach Anspruch 24 gelöst, sowie durch ein Ver fahren zur Herstellung eines Segments nach Anspruch 23 und ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermaterials nach Ansprüchen 28, 31 und 32. Vorteilhafte Weiter bildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfinder haben gefunden, dass diese Aufgabe durch ein Filtermaterial zur Herstellung ei nes Segments für einen Rauchartikel gelöst werden kann, wobei das Filtermaterial bahnförmig ist und mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält und wobei das Filtermaterial ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m ² und höchstens 60 g/m ² aufweist.

Die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, beträgt mindestens 25 pm und höchstens 1000 pm .Die Dicke beeinflusst die Menge an Filtermaterial, die in das Seg ment des Rauchartikels gepackt werden kann und damit Zugwiderstand und Filtrationseffizi enz des Segments, aber auch die Verarbeitbarkeit des Filtermaterials, insbesondere wenn es zur Herstellung eines Segments für einen Rauchartikel gecrimpt oder gefaltet wird. Für solche Prozessschritte ist eine zu hohe Dicke ungünstig und Dicken in dem genannten Intervall erlau- ben eine besonders gute Verarbeitbarkeit des erfindungsgemäßen Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels.

Ferner weist das Filtermaterial eine Maschinenrichtung und eine dazu in der Ebene der Bahn des Filtermaterials orthogonal hegende Querrichtung auf. Ferner weist das Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung auf, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsener gie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt. Diese charakteristische plastische Verformbarkeit ist stärker ausgeprägt, als dies bei herkömmlichen Filtermateriahen der Fall ist. Bei der Herstellung und Weiterverarbeitung des Filtermaterials läuft das Filtermaterial in ei ner Richtung, der sogenannten Maschinenrichtung durch die Maschine und das Filtermaterial besitzt eine zur Maschinenrichtung orthogonale, in der Bahnebene des Filtermaterials lie gende Richtung, die Querrichtung.

Bei der Verarbeitung eines Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels wird das Fil termaterial vorzugsweise gecrimpt. Dazu wird das Filtermaterial beispielsweise durch zwei mit einem Muster versehenen Rollen durchgeführt, die dieses Muster auf die Bahn einprägen. Vor zugsweise ist dieses Muster ein in Maschinenrichtung der Bahn orientiertes Linienmuster. Die eingeprägten Linien dehnen und verformen das Filtermaterial in der zur Maschinenrichtung orthogonalen Richtung, der Querrichtung. Ein auf diese Weise verformtes Filtermaterial kann einfacher in Querrichtung zusammengeschoben und so ein endloser Strang zur Herstellung der Segmente erzeugt werden. Ein Problem bei diesem Verfahren besteht allerdings darin, dass durch die beiden Rollen eine hohe Dehnung in Querrichtung auf die Bahn ausgeübt werden muss, um eine erwünschte Ver formung des Filtermaterials zu bewirken, und dass deshalb die Gefahr besteht, dass das Filter material in Querrichtung reißt. Der Fachmann könnte nun versucht sein, die Bruchdehnung des Filtermaterials in Querrichtung zu erhöhen, sodass das Filtermaterial größere Verformun- gen toleriert ohne zu reißen. Die Erfinder haben aber erkannt, dass dies das Problem nicht löst, denn um eine bleibende Verformung in Querrichtung zu erreichen, muss dann die Dehnung noch weiter erhöht werden, sodass die Gefahr noch weiter steigt, die Bruchlast in Querrichtung zu überschreiten. Nach den Erkenntnissen der Erfinder kommt es vielmehr darauf an, dass bei der Dehnung in Querrichtung, der das Filtermaterial beim Crimpen ausgesetzt ist, eine bleibende, plastische und keine elastische Verformung bewirkt wird. Wenn eine solche plastische Verformung be reits mit höherem Abstand der Rollen beim Crimpen erreicht werden kann, reduziert sich die Gefahr, dass das Filtermaterial bei der Verarbeitung in Querrichtung reißt. Generell sollte es dabei ausreichen, das Filtermaterial in Querrichtung bis etwa zur Hälfte seiner Bruchdehnung zu dehnen.

Die Erfinder haben nun gefunden, dass durch geeignete Verfahren das Filtermaterial mit einer Struktur ausgestattet werden kann, die eine gute plastische Verformbarkeit in Querrichtung erlaubt und so das Crimpen vereinfacht. Dazu geeignete Verfahren sind weiter unten erläutert. Diese plastische Verformbarkeit in Querrichtung kann dabei durch einen Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 charakterisiert werden. In diesem Zugversuch wird ein Streifen mit 15 mm Breite in Querrichtung aus der Probe entnommen und mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/ min bis zum Bruch gedehnt. Dabei werden die Dehnung e und die aufgewendete Kraft F erfasst, sodass sich eine Kraft-Dehnungs-Kurve F( ) ergibt. Ebenso werden die Bruchdehnung 8 _b und die Zugfestigkeit F( _b ) erfasst. Die bis zur halben Bruchdehnung 8 _b / 2 vom Filtermaterial aufgenommene Verformungsenergie E ergibt sich dann aus wobei in der Praxis das Integral numerisch berechnet wird.

Diese Verformungsenergie besteht aus einem elastischen und einem plastischen Anteil. Die elastische Verformung geht nach Entlastung zurück, sodass sie nichts zum Ergebnis des Crim pens beiträgt. Die plastische Verformung hingegen ist irreversibel, sodass schon bei geringer Dehnung durch die beiden Rollen ein gutes Ergebnis beim Crimpen erwartet werden kann, wenn der Anteil der plastischen Verformungsenergie an der gesamten Verformungsenergie höher ist als bei vergleichbaren Filtermaterialien aus dem Stand der Technik.

Eine elastische Verformung ist generell mit einer Proportionalität zwischen Dehnung und Kraft assoziiert. Unter der fiktiven Annahme, dass sich das Filtermaterial bis zur halben Bruch dehnung ideal linear elastisch verhält, kann die Verformungsenergie Ei _m bis zur halben Bruch dehnung durch berechnet werden.

Der über diese Verformungsenergie hinausgehende nichtlineare Anteil E _ni der in das Filterma terial bis zur halben Bruchdehnung eingebrachten Verformungsenergie ist dann

Nach den Erkenntnissen der Erfinder lassen sich sehr gute Ergebnisse beim Crimpen erzielen, wenn der bis zur halben Bruchdehnung in Querrichtung aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% der gesamten bis zur halben Bruchdehnung in Qu- errichtung aufgenommenen Verformungsenergie beträgt, also gilt. Diese Überlegungen zur Quantifizierung des plastischen Verhaltens können durch das in Fig. l dargestellte Diagramm illustriert werden, wie es beispielsweise bei der Durchführung eines Zugversuchs gemäß ISO 1924-2:2008 entstehen kann. Auf der x-Achse 10 ist die Dehnung e aufgetragen, während auf der y- Achse 11 die zur Erzeugung dieser Dehnung nötige Kraft F( ) aufgetragen ist. Ausgehend von einem unbelasteten Zustand 12 wird die Dehnung e mit einer Rate von 20 mm/min erhöht und gleichzeitig die Kraft F(c) gemessen, wobei die Kraft-Deh- nungs-Kurve 13 entsteht. Die Dehnung wird dabei so weit gesteigert, bis die Probe im Zustand 14 reißt, und daraus werden die Bruchdehnung C _b und die Zugfestigkeit F(c _b ) bestimmt. Bei der Herstellung eines Segments aus dem Filtermaterial kann das Filtermaterial stellen weise beispielsweise in etwa bis zur halben Bruchdehnung C _b / 2, Punkt 15, mit der zugehörigen Kraft F(c /2) belastet werden, sodass man den Zustand 16 erreicht.

Die Linie 17, die die Punkte 12 und 16 verbindet, würde ein fiktives linear elastisches Verhalten repräsentieren und die lineare Verformungsenergie Ei _m entspricht der Fläche des von den Punkten 12, 16 und 15 gebildeten Dreiecks. Die gesamte Verformungsenergie E hingegen ent spricht der durch die Linien von Punkt 12 bis Punkt 15, von Punkt 15 bis Punkt 16 und der Linie 13 von Punkt 16 bis Punkt 12 eingeschlossenen Fläche. Der nichtlineare Anteil E _ni der Verfor mungsenergie, der im Rahmen der Erfindung zur Charakterisierung des erfindungsgemäßen Filtermaterials herangezogen wird, entspricht jener Fläche, die von den Linien 17 und 13, je weils zwischen den Punkten 12 und 16 begrenzt wird. Je stärker sich also die Kraft-Dehnungs- Kurve nach oben durchbiegt und je mehr sie von einem fiktiven linear elastischen Verhalten abweicht, umso größer ist das Potenzial für plastische und damit irreversible Verformung. Bei der Herstellung von Segmenten aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial kann die Deh nung in Querrichtung beim Crimpen natürlich von der halben Bruchdehnung abweichen, der nichtlineare Anteil der Verformungsenergie bis zur halben Bruchdehnung hat sich aber unab hängig von der tatsächlich aufgewendeten Dehnung und dem tatsächlichen elastisch-plasti schen Verhalten als geeigneter Parameter herausgestellt, um die Struktur des erfindungsge- mäßen Filtermaterials zu charakterisieren und das Verhalten des Filtermaterials beim Crim pen vorherzusagen.

Zum Vergleich zeigt Fig. 2 das Verhalten eines typischen herkömmlichen und nicht erfin dungsgemäßen Filtermaterials. Auch hier wird ein Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 an ei- ner Probe in Querrichtung durchgeführt. Auf der x-Achse 20 ist die Dehnung e aufgetragen, während auf der y-Achse 21 die zur Erzeugung dieser Dehnung nötige Kraft F(c) aufgetragen ist. Ausgehend von einem unbelasteten Zustand 22 wird die Dehnung e mit einer Rate von 20 mm/ min erhöht und gleichzeitig die Kraft F( ) gemessen, wobei die Kraft-Dehnungs-Kurve 23 entsteht. Die Dehnung wird dabei so weit gesteigert, bis die Probe im Zustand 24 reißt und daraus werden die Bruchdehnung 8 _b und die Zugfestigkeit F( _b ) bestimmt. Bei der Herstellung eines Segments aus dem Filtermaterial kann das Filtermaterial beispiels weise in etwa bis zur halben Bruchdehnung _b /2, Punkt 25, mit der zugehörigen Kraft F( _b /2) belastet werden, sodass man den Zustand 26 erreicht.

Die Linie 27, die die Punkte 22 und 26 verbindet würde ein linear elastisches Verhalten reprä- sentieren und die zugehörige Verformungsenergie Ei _m entspricht der Fläche des von den Punk ten 22, 26 und 25 gebildeten Dreiecks. Die gesamte Verformungsenergie E hingegen entspricht der durch die Linien von Punkt 22 bis Punkt 25, von Punkt 25 bis Punkt 26 und der Linie 23 von Punkt 26 bis Punkt 22 eingeschlossenen Fläche. Der nichtlineare Anteil E _ni der Verfor mungsenergie entspricht jener Fläche, die von den Linien 27 und 23, jeweils zwischen den Punkten 22 und 26 begrenzt wird. Man erkennt, dass bei sehr ähnlicher Bruchdehnung und sehr ähnlichem linearen Anteil der Verformungsenergie der Anteil der nichtlinearen Verfor mungsenergie wesentlich geringer ist. Ein solches Filtermaterial wird daher auf die Verfor mung vor allem elastisch reagieren und nach Entlastung im Wesentlichen die gesamte Verfor mung zurückbilden. Um eine ähnliche plastische Verformungsenergie wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Filtermaterial einzubringen, angedeutet durch die Linie 28, müsste das Filter material bis zum Punkt 29 gedehnt werden. Die dazu nötige Dehnung ist deutlich höher und vor allem kommt die erforderliche Kraft nahe an die Bruchlast in Querrichtung. Bei kleinen Störungen der Maschine oder Schwankungen in der Qualität des Filtermaterials kann das Fil termaterial daher in Querrichtung reißen. Das erfindungsgemäße Filtermaterial aus Fig. 1 hin- gegen hat eine Struktur, die bereits bei geringer Dehnung eine bleibende Verformung in Quer richtung erlaubt, weshalb sich daraus Segmente für Rauchartikel zuverlässiger herstellen las sen.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial ist bahnförmig, damit es für das Crimpen gut geeignet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist das Filtermaterial ein wasser strahlverfestigtes Vlies oder ein Papier. In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist das Filtermaterial ein wasser strahlverfestigtes Vlies. In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist das Filtermaterial ein Papier.

Obwohl der Begriff „wasserstrahlverfestigt“ zunächst auf das zugrundeliegende Herstellungs verfahren hinweist, ist zu berücksichtigen, dass ein wasserstrahlverfestigtes Vlies charakteris tische strukturelle Eigenschaften hat, die es von anderen Vliesen unterscheidet, und die nach Wissen der Erfinder nicht auf identische Weise durch ein anderes Herstellungsverfahren er reicht werden können. Anders als beispielsweise bei Papier, bei dem die Festigkeit vornehm lich durch Wasserstoffbrücken bewirkt wird und die Fasern vor allem in der Ebene des Papiers angeordnet sind, wird bei dem wasserstrahlverfestigten Vlies die Festigkeit durch die Verwir belung der Fasern erreicht. Ein wasserstrahlverfestigtes Vlies weist eine besonders poröse Struktur auf, die es als Filtermaterial für Segmente von Rauchartikeln besonders gut geeignet macht.

Im Fall, dass das Filtermaterial ein Papier ist, lässt sich eine ähnliche poröse Struktur bevor zugt mittels einer Schrägsiebpapiermaschine erzeugen. Die im folgenden beschriebenen Ei genschaften des erfindungsgemäßen Filtermaterials, der aus dem Filtermaterial gefertigten er findungsgemäßen Segmente und der aus dem Segment gefertigten erfindungsgemäßen Rauch artikel gelten daher unabhängig davon, ob es sich bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial um ein wasserstrahlverfestigtes Vlies oder ein Papier handelt.

Insbesondere umfasst das weiter unten erläuterte dritte eründungsgemäße Verfahren zur Her stellung des erfindungsgemäßen Filtermaterials eine Kombination aus Papierherstellung und Wasserstrahlverfestigung, sodass das so erhaltene Filtermaterial nicht eindeutig als Papier o- der wasserstrahlverfestigtes Vlies bezeichnet werden kann.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial enthält Cellulosefasern. Nach den Erkenntnissen der Er finder sind die Cellulosefasern erforderlich, um das Filtermaterial mit einer ausreichenden Festigkeit auszustatten, sodass es zu einem Segment verarbeitet werden kann. Der Anteil an Cellulosefasern im Filtermaterial beträgt erfindungsgemäß mindestens 50% und höchstens 100% der Masse des Filtermaterials, bevorzugt aber mindestens 60% und höchstens 100% und besonders bevorzugt mindestens 70% und höchstens 95%, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials.

Die Cellulosefasern können Zellstofffasern oder Fasern regenerierter Cellulose oder Mischun gen daraus sein. Die Zellstofffasern sind bevorzugt aus Nadelhölzern, Laubhölzern oder anderen Pflanzen wie Hanf, Flachs, Jute, Ramie, Kenaf, Kapok, Kokosnuss, Abaca, Sisal, Bambus, Baumwolle oder aus Espartogras gewonnen. Auch Mischungen aus Zellstofffasern verschiedener Herkunft kön nen für die Herstellung des wasserstrahlverfestigten Filtermaterials eingesetzt werden. Beson- ders bevorzugt sind die Zellstofffasern aus Nadelhölzern gewonnen, weil solche Fasern schon in einem geringeren Anteil dem Filtermaterial eine gute Festigkeit verleihen.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann Fasern aus regenerierter Cellulose enthalten. Be vorzugt beträgt der Anteil an Fasern aus regenerierter Cellulose mindestens 5% und höchstens 50%, besonders bevorzugt mindestens 10% und höchstens 45% und ganz besonders bevorzugt mindestens 15% und höchstens 40%, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials.

Die Fasern aus regenerierter Cellulose sind bevorzugt zumindest teilweise, insbesondere zu mehr als 70 % durch Viskosefasern, Modalfasern, Lyocell® Fasern, Tencel® Fasern oder Mi- schungen daraus gebildet. Diese Fasern besitzen eine gute biologische Abbaubarkeit und kön nen dazu eingesetzt werden, die Festigkeit des Filtermaterials zu optimieren und die Filtrati onseffizienz des daraus gefertigten Segments für den Rauchartikel anzupassen. Aufgrund ihres Herstellungsverfahrens sind sie weniger variabel als die aus natürlichen Quellen gewonnenen Zellstofffasern und tragen dazu bei, dass die Eigenschaften eines aus dem Filtermaterial gefer- tigten Segments weniger variieren, als wenn ausschließlich Zellstofffasern verwendet werden. Ihre Herstellung ist aber aufwändiger und sie sind üblicherweise auch teurer als Zellstofffa sern.

Das Flächengewicht des Filtermaterials beträgt erfindungsgemäß mindestens 15 g/m ² und höchstens 60 g/m ² , bevorzugt mindestens 18 g/m ² und höchstens 55 g/m ² und besonders bevorzugt mindestens 20 g/m ² und höchstens 50 g/m ² . Das Flächengewicht beeinflusst die Zugfestigkeit des Filtermaterials, wobei ein höheres Flächengewicht generell zu höherer Fes tigkeit führt. Das Flächengewicht soll aber nicht zu hoch sein, weil dann das Filtermaterial nicht mehr mit hoher Geschwindigkeit zu Segmenten für Rauchartikel verarbeitet werden kann. Die Angaben beziehen sich auf ein Flächengewicht, das nach ISO 536:2019 gemessen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial beträgt in einem Zugversuch in Querrichtung ge mäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie. Bevorzugt beträgt der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nicht lineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 15% und höchstens 40% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie und be sonders bevorzugt beträgt der nichtlineare Anteil mindestens 15% und höchstens 35%, und insbesondere mindestens 18% und höchstens 32%. In den bevorzugten und besonders bevor zugten Intervallen lässt sich bei moderater Dehnung ein sehr gutes Ergebnis beim Crimpen erzielen und das Risiko, dass das Filtermaterial in Querrichtung reißt ist besonders gering.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann Zusatzstoffe, wie Alkylketendimere (AKD), Säure- anhydride, wie Alkenylbernsteinsäureanhydride (ASA), Polyvinylalkohol, Wachse, Fettsäuren,

Stärke, Stärkederivate, Carboxymethylcellulose, Alginate, Chitosan, Nassfestmittel oder Sub stanzen zur Einstellung des pH-Werts, wie beispielsweise organische oder anorganische Säu ren oder Laugen zur Einstellung spezifischer Eigenschaften enthalten. Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann alternativ oder zusätzlich auch einen oder mehrere Zusatzstoffe enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, wie Trinatriumzitrat oder Trikali- umzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, wie Natriumacetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Suc- cinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lactaten, Oxyalaten, Salicylaten, a-Hydro- xycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, und Mi schungen daraus. Der Fachmann ist in der Lage Art und Menge solcher Zusatzstoffe aus seiner Erfahrung zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann auch noch andere Substanzen umfassen, die die Filtrationseffizienz des Filtermaterials besser an jene von Celluloseacetat anpassen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtermaterials umfasst das Filterma terial eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Triacetin, Propylenglykol, Sor- bitol, Glycerol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polyvinylalkohol und Tri-Ethlyzitrat 0- der Mischungen daraus. In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermaterials ist mindestens ein Teil der Cellulo sefasern mit einem Füllstoff beladen, wobei der Füllstoff besonders bevorzugt durch minerali sche Partikel und insbesondere Calciumcarbonatpartikel gebildet ist. Da die Struktur des Fil termaterials sehr porös ist, ist sie nicht dafür geeignet, Füllstoffe festzuhalten, sodass es güns tig ist, die Cellulosefasern mit den Füllstoffen zu beladen und sie so in der Struktur des Filter- materials zu fixieren. Füllstoffe können dazu dienen, dem Filtermaterial spezielle Eigenschaf ten zu verleihen. Die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, beträgt mindestens 25 mih und höchstens 1000 mih, bevorzugt mindestens 30 mih und höchstens 800 mih und beson ders bevorzugt mindestens 35 mih und höchstens 600 mih.. Die mechanischen Eigenschaften des Filtermaterials sind für die Verarbeitung des erfindungs gemäßen Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels von Bedeutung. Die breiten bezogene Zugfestigkeit des Filtermaterials in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, beträgt bevorzugt mindestens 0,05 kN/m und höchstens 5 kN/m, besonders bevorzugt min destens 0,07 kN/m und höchstens 4 kN/m.

Die Bruchdehnung des Filtermaterials in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, be trägt daher bevorzugt mindestens 0,5% und höchstens 50% und besonders bevorzugt mindes tens 0,8% und höchstens 40%. Die Bruchdehnung wird vor allem durch die Länge der Fasern bestimmt, wobei längere Fasern zu höherer Bruchdehnung führen, und sie kann so in einem weiten Bereich an die spezifischen Anforderungen des Filtermaterials angepasst werden.

Aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial können nach aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren erfindungsgemäße Segmente für Rauchartikel hergestellt werden. Diese Verfahren umfassen beispielsweise das Crimpen des Filtermaterials, das Formen eines endlo- sen Strangs aus dem gecrimpten Filtermaterial, das Umhüllen des endlosen Strangs durch ein Umhüllungsmaterial und das Schneiden des umhüllten Strangs in einzelne Stäbe definierter Länge. In vielen Fällen beträgt die Länge eines solchen Stabs ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des Segments, das dann im erfindungsgemäßen Rauchartikel verwendet werden soll, und deshalb werden die Stäbe vor oder während der Herstellung des Rauchartikels in Seg- mente der gewünschten Länge geschnitten.

Das erfindungsgemäße Segment für Rauchartikel umfasst das erfindungsgemäße Filtermate rial und ein Umhüllungsmaterial. Konkret umfasst das Segment ein in Querrichtung zusammengeschobenes Filtermaterial und ein Umhüllungsmaterial, wobei das Filtermaterial mindestens 50% und höchstens 100% Cel lulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält. Dabei weist das Filter material ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m ² und höchstens 60 g/m ² auf, und die Di cke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, beträgt mindestens 25 pm und höchstens 1000 pm. Zur Bestimmung des Flächengewichts wird die Fläche des Filterma terials zugrunde gelegt, wenn dieses ausgebreitet (also nicht mehr zusammengeschoben) ist, und auch die Dicke einer solchen Lage bezieht sich selbstverständlich auf das ausgebreitete Filtermaterial.Das Filtermaterial weist eine Querrichtung auf, in der das Filtermaterial zu sammengeschoben ist. Um das Zusammenschieben des Filtermaterials zu erleichtern, kann dieses durch Crimpen oder Falten vorgeformt werden. Der Begriff „Zusammenschieben“ ist hierbei weit zu verstehen, und das darin enthaltene Verb „schieben“ soll keine bestimmte me chanische Art suggerieren, auf die der „zusammengeschobene“ Zustand hergestellt wird. Auch ein „geraffter“ Zustand ist beispielsweise ein „zusammengeschobener“ Zustand im Sinne der vorliegenden Offenbarung, unabhängig davon, auf welche mechanische Weise die Raffung o- der Verkürzung in Querrichtung erzeugt wird. Ferner weist das Filtermaterial im nicht zusam mengeschobenen Zustand eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung auf, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommene nichtline are Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Segments ist das Segment zy lindrisch mit einem Durchmesser von mindestens 3 mm und höchstens 10 mm, besonders be vorzugt von mindestens 4 mm und höchstens 9 mm und ganz besonders bevorzugt von min destens 5 mm und höchstens 8 mm. Diese Durchmesser sind für die Verwendung der erfin dungsgemäßen Segmente in Rauchartikeln günstig.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Segments hat das Segment eine Länge von mindestens 4 mm und höchstens 40 mm, besonders bevorzugt von mindestens 6 mm und höchstens 35 mm und ganz besonders bevorzugt von mindestens 10 mm und höchs tens 28 mm.

Der Zugwiderstand des Segments bestimmt unter anderem, welche Druckdifferenz der Kon sument beim Gebrauch des Rauchartikels aufbringen muss, um einen bestimmten Volumen strom durch den Rauchartikel zu erzeugen, und er beeinflusst daher wesentlich die Akzeptanz des Rauchartikels beim Konsumenten. Der Zugwiderstand des Segments kann nach ISO 6565:2015 gemessen werden und wird in mm Wassersäule (mmWG) angegeben. In sehr guter Näherung ist der Zugwiderstand des Segments proportional zur Länge des Segments, sodass die Messung des Zugwiderstands auch an Stäben erfolgen kann, die sich vom Segment nur in der Länge unterscheiden. Daraus kann der Zugwiderstand des Segments einfach berechnet werden. Der Zugwiderstand des Segments pro Länge des Segments beträgt bevorzugt mindestens 1 mmWG/mm und höchstens 12 mmWG/mm und besonders bevorzugt mindestens 2 mmWG/ mm und höchstens 10 mmWG/ mm.

Das Umhüllungsmaterial des erfindungsgemäßen Segments ist bevorzugt ein Papier oder eine Folie.

Das Umhüllungsmaterial des erfindungsgemäßen Segments hat bevorzugt ein Flächengewicht gemäß ISO 536:2019 von mindestens 20 g/m ² und höchstens 150 g/m ² , besonders bevorzugt von mindestens 30 g/m ² und höchstens 130 g/m ² . Ein Umhüllungsmaterial mit diesem be vorzugten oder besonders bevorzugten Flächengewicht verleiht dem damit umhüllten, erfin dungsgemäßen Segment eine besonders vorteilhafte Härte.

Aus dem erfindungsgemäßen Segment können nach den im Stand der Technik bekannten Ver fahren erfindungsgemäße Rauchartikel hergestellt werden.

Der erfindungsgemäße Rauchartikel umfasst ein Segment, das ein aerosolbildendes Material enthält, und ein Segment, das das erfindungsgemäße Filtermaterial und ein Umhüllungsma terial umfasst.

Da die Schnittfläche des erfindungsgemäßen Segments der eines Segments aus Celluloseacetat optisch sehr ähnlich ist, ist in einer bevorzugten Ausführungsform das dem Mundende am nächsten gelegene Segment des Rauchartikels ein erfindungsgemäßes Segment.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauchartikel eine Filterzigarette und das aero solbildende Material umfasst Tabak.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauchartikel ein Rauchartikel, in dessen be stimmungsgemäßem Gebrauch das aerosolbildende Material nur aufgeheizt, aber nicht ver brannt wird und das aerosolbildende Material umfasst vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tabak, rekonstituiertem Tabak, Nikotin, Glycerol, Propylengly kol oder Mischungen daraus. Das aerosolbildende Material kann dabei auch in flüssiger Form vorhegen und sich in einem geeigneten Behältnis im Rauchartikel befinden. Nach den Erkenntnissen der Erfinder kann der erfindungsgemäße nichtlineare Anteil der Ver formungsenergie dadurch erreicht werden, dass die Fasern im Filtermaterial stärker in Ma schinenrichtung des Filtermaterials ausgerichtet werden. Dies lässt sich durch die im folgen den beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erreichen.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann nach einem ersten, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Schritte Ai bis A3 umfasst.

Ai - Bereitstellen einer Faserbahn umfassend Cellulosefasern, die eine Maschinenrichtung und eine dazu orthogonale in der Bahnebene liegende Querrichtung aufweist,

A2 - Wasserstrahlverfestigen der Faserbahn durch auf die Faserbahn gerichtete Wasserstrah len, um eine wasserstrahlverfestigte Faserbahn herzustellen,

A3 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn, wobei in Schritt Ai die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern in der Faserbahn so gewählt ist, dass das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und wobei in Schritt A2 Anzahl, Druck oder Anordnung der Wasserstrahlen so gewählt sind, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtli neare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verfor mungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Fil termaterial aufgenommenen gesamten Verformungsenergie beträgt, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt A3 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/m ² und höchstens 60 g/m ² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt A3, mindestens 25 pm und höchstens 1000 pm be trägt..

Die in Schritt A2 auf die Faserbahn gerichteten Wasserstrahlen bewirken eine Verwirbelung der Cellulosefasern, wobei die für das günstige plastische Verhalten in Querrichtung förderli che Struktur erzeugt werden kann. Unter dem „Druck des Wasserstrahls“ versteht dabei der Fachmann jenen Druck, der zur Erzeugung des Wasserstrahls, beispielsweise in einer Druck kammer, aufgewendet wird. Nach den Erkenntnissen der Erfinder kommt es zur Erzielung ei nes günstigen plastischen Verhaltens des Filtermaterials darauf an, dass der Anteil der in Qu errichtung orientierten Fasern im Filtermaterial gering ist und die Fasern mehr in Maschinen richtung und Dickenrichtung ausgerichtet sind. Um diese erfindungsgemäße Struktur im Fil termaterial zu erzeugen sollen die Wasserstrahlen in Querrichtung nahe nebeneinander ange ordnet sein. Durch die Nähe der gleichzeitig auf die Faserbahn auftreffenden Wasserstrahlen weicht das Wasser eher in Maschinenrichtung als in Querrichtung aus und orientiert die Fa sern entsprechend dieser Richtung.

Der Druck der Wasserstrahlen kann dabei gegenüber dem üblicherweise verwendeten Druck reduziert werden. Der Abstand und der Druck der Wasserstrahlen hängt aber auch erheblich von der Größe der Öffnungen ab, aus denen die Wasserstrahlen austreten, und vor allem auch von der Geschwindigkeit der Faserbahn, sodass der Fachmann den konkreten Wert anhand der Erfahrung, in Anlehnung an die konkreten Ausführungsbeispiele und durch einfache Ex perimente wählen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vielzahl von Wasserstrahlen verwendet, um das Wasserstrahlverfestigen in Schritt A2 auszu führen, wobei die Wasserstrahlen in mindestens einer Reihe quer zur Maschinenrichtung der Faserbahn angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wasser strahlverfestigen in Schritt A2 durch mindestens zwei Reihen von auf die Faserbahn gerichte ten Wasserstrahlen bewirkt, wobei besonders bevorzugt auf jede der beiden Seiten der Faser bahn mindestens eine Reihe der Wasserstrahlen wirkt.

Das nach diesem ersten Verfahren hergestellte Filtermaterial soll zur Verwendung in Segmen ten für Rauchartikel geeignet sein. Dies bedeutet, dass es insbesondere sämtliche Merkmale einzeln oder in Kombination aufweisen kann, die oben im Zusammenhang mit dem Filterma terial beschrieben wurden und in den auf das Filtermaterial gerichteten Ansprüchen definiert sind.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann nach einem zweiten, erfindungsgemäßen Verfah ren hergestellt werden, das die Schritte Bi bis B4 umfasst.

Bi - Herstellen einer wässrigen Suspension umfassend Cellulosefasern,

B2 - Aufbringen der Suspension aus Schritt Bi auf ein umlaufendes Sieb,

B3 - Entwässern der Suspension durch das umlaufende Sieb, um eine Faserbahn zu bilden, B4 - Trocknen der Faserbahn aus Schritt B3, wobei in Schritt Bi die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern so gewählt ist, dass das Fil termaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulose fasern bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und wobei in Schritt B3 durch die Laufrichtung des Siebs eine Maschinenrichtung der Faserbahn definiert wird und durch die dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung eine Querrichtung definiert wird, und wobei in Schritt B2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufge- bracht wird, die geringer ist als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, und die Differenz dieser Geschwindigkeiten so gewählt ist, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plas tische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 durchgeführten Zugversuch in Qu errichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Verfor mungsenergie beträgt, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt B4 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/ m ² und höchstens 60 g/ m ² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt B4, mindestens 25 pm und höchs tens 1000 pm beträgt.

Dabei sind die Geschwindigkeiten des umlaufenden Siebs und der Suspension jeweils in Bezug auf dasselbe Bezugssystem zu verstehen, sodass voneinander abweichende Geschwindigkeiten zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen Suspension und umlaufendem Sieb führt, die bei dieser Ausführungsform des Verfahrens ausgenutzt wird.

Das nach diesem zweiten Verfahren hergestellte Filtermaterial soll zur Verwendung in Seg menten für Rauchartikel geeignet sein. Dies bedeutet, dass es insbesondere sämtliche Merk- male einzeln oder in Kombination aufweisen kann, die oben im Zusammenhang mit dem Fil termaterial beschrieben wurden und in den auf das Filtermaterial gerichteten Ansprüchen de finiert sind.

In diesem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren erhält die Faserbahn die gewünschte Struk- tur, indem die Geschwindigkeit, mit der die Suspension in Schritt B2 auf das umlaufende Sieb strömt, und die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs in Schritt B2 aufeinander geeignet abgestimmt werden. Insbesondere soll nach den Erkenntnissen der Erfinder die Geschwindig keit, mit der die Suspension in Schritt B2 auf das umlaufende Sieb strömt, kleiner sein als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs. Durch den Geschwindigkeitsunterschied wird die Suspension vom Sieb mitgenommen und es entstehen in der Suspension Scherkräfte, die die Cellulosefasern in Maschinenrichtung ausrichten und so zu einer Struktur des Filtermaterials beitragen, die zu der erfindungsgemäßen plastischen Verformbarkeit in Querrichtung führt. Die Größe des Geschwindigkeitsunterschieds kann der Fachmann nach seiner Erfahrung und anhand der Ausführungsbeispiele oder durch einfache Experimente bestimmen. Nach Erfah rungen der Erfinder kann eine Struktur mit der gewünschten plastischen Verformbarkeit in Querrichtung in vielen Fällen erreicht werden, wenn in Schritt B2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird, die lediglich etwa 90 % der Ge schwindigkeit des umlaufenden Siebs, beispielsweise zwischen 88 % und 93 % der Geschwin digkeit des umlaufenden Siebs beträgt. Diese Angabe dient indes lediglich als Anhaltspunkt, ein geeigneter numerischer Wert der Differenzgeschwindigkeit wird zumindest teilweise von den übrigen Prozessparametern abhängen, und der Fachmann wird ihn deshalb in der Praxis experimentell ermitteln, wobei als Leitlinie und letztlich entscheidendes Kriterium die erhal tene charakteristische plastische Verformbarkeit des so hergestellten Filtermaterials in Quer richtung dient, die wie oben beschrieben unter Bezugnahme auf den Zugversuch in Querrich tung gemäß ISO 1924-2:2008 charakterisiert ist. Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann auch in einem dritten, erfindungsgemäßen Verfah ren hergestellt werden, das eine Kombination des ersten und des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens ist, und die Schritte Ci bis C6 aufweist.

Ci - Herstellen einer wässrigen Suspension umfassend Cellulosefasern,

C2 - Aufbringen der Suspension aus Schritt Ci auf ein umlaufendes Sieb, C3 - Entwässern der Suspension durch das umlaufende Sieb, um eine Faserbahn zu bilden, C4 - Überführen der Faserbahn aus Schritt C3 auf ein Stützsieb,

C5 - Wasserstrahl verfestigen der Faserbahn durch auf die Faserbahn gerichtete Wasserstrah len, um eine wasserstrahlverfestigte Faserbahn herzustellen,

C6 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn, wobei in Schritt Ci die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern so gewählt ist, dass das Fil termaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulose fasern bezogen auf die Masse des Filtermaterials, enthält, und wobei in Schritt C3 durch die Laufrichtung des Siebs eine Maschinenrichtung der Faserbahn definiert wird und durch die dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung eine Querrichtung definiert wird, wobei das Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 ein Flächengewicht von mindestens 15 g/ m ² und höchstens 60 g/ m ² aufweist, und wobei die Dicke einer Lage des Filtermaterials, gemessen nach ISO 534:2011, nach dem Trocknen in Schritt C6, mindestens 25 pm und höchs tens 1000 pm beträgt, wobei in Schritt C2 die Suspension mit einer Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufge bracht wird, die geringer ist als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, und wobei die Differenz dieser Geschwindigkeiten in Schritt C2 und Anzahl, Druck und/ oder Anordnung der Wasserstrahlen in Schritt C5 so gewählt sind, dass dem Filtermaterial eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am Filtermaterial nach dem Trocknen in Schritt C6 durchgeführten Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der nichtlineare Anteil der bis zur halben Bruchdeh nung vom Filtermaterial aufgenommenen Verformungsenergie mindestens 10% und höchs tens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom Filtermaterial aufgenommenen gesamten Ver formungsenergie beträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfah rens hat die wässrige Suspension in Schritt Bi bzw. Ci einen Feststoffgehalt von höchstens 3,0%, besonders bevorzugt höchstens 1,0%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,2% und insbesondere höchstens 0,05%. Der besonders geringe Feststoffgehalt der Suspension erlaubt es, in Schritt B3 eine Faserbahn mit geringer Dichte zu bilden, was sich günstig auf die Filtra tionseffizienz eines daraus gefertigten Segments auswirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfah rens ist das umlaufende Sieb der Schritte B2 und B3 bzw. C2 und C3 in Maschinenrichtung der Faserbahn gegen die Horizontale um einen Winkel von mindestens 3 ⁰ und höchstens 40° auf wärts geneigt, besonders bevorzugt um einen Winkel von mindestens 5 ⁰ und höchstens 30° und ganz besonders bevorzugt um einen Winkel von mindestens 15 ⁰ und höchstens 25 ⁰ .

In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfah rens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des umlaufenden Siebs erzeugt wird, um das Entwässern der Suspension in Schritt B3 bzw. C3 zu unterstützen, wobei die Druckdifferenz besonders bevorzugt durch Vakuumkästen oder geeignet geformte Flügel erzeugt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten, zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Trocknen in Schritt A3, B4 bzw. C6 zumindest teilweise durch Kontakt mit Heißluft, durch Infrarotstrahlung oder durch Mikrowellenstrahlung bewirkt. Eine Trock nung durch direkten Kontakt mit einer beheizten Oberfläche ist ebenfalls möglich, aber weni ger bevorzugt, weil dabei die Dicke des Filtermaterials abnehmen kann.

Die bevorzugten Ausführungsformen des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch auf das dritte erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, wobei Schritt A2 dem Schritt C5 und Schritt A3 dem Schritt C6 entspricht. Ebenso sind die bevorzugten Ausführungsformen des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens auch auf das dritte erfindungsgemäße Verfahren an wendbar, wobei Schritt Bi dem Schritt Ci, Schritt B2 dem Schritt C2, Schritt B3 dem Schritt C3 und Schritt B4 dem Schritt C6 entspricht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten, zweiten oder dritten erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt, in dem ein oder mehrere Zusatz stoffe auf die Faserbahn aufgetragen werden. Die Zusatzstoffe sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylketendimeren (AKD), Säureanhydriden, wie Alkenylb ernst ein- säureanhydriden (ASA), Polyvinylalkohol, Wachsen, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivaten, Car- boxymethylcellulose, Alginaten, Chitosan, Nassfestmitteln oder Substanzen zur Einstellung des pH-Werts, wie beispielsweise organischen oder anorganischen Säuren oder Laugen, und Mischungen daraus. Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere Zusatzstoffe auf getragen werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, wie Trinatrium- zitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, wie Natriumacetat oder Kaliu macetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lactaten, Oxyalaten, Sa- licylaten, a-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbo- naten, und Mischungen daraus.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufträgen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten Ä2 und A3 des erfindungsgemäßen Verfahrens oder nach dem Schritt A3, gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.

In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Aufträgen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten B3 und B4 des erfindungsgemäßen Verfahrens oder nach dem Schritt B4 gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.

In einer bevorzugten Ausführungsform des dritten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Aufträgen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten C3 und C4 oder C4 und C5 oder C5 und C6 oder nach dem Schritt C6 gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Kraft-Dehnungs-Diagramm eines erfindungsgemäßen

Filtermaterials. Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Kraft-Dehnungs-Diagramm eines nicht erfindungsge mäßen Filtermaterials.

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung, mittels der das dritte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtermaterials durchgeführt werden kann.

Figur 4 zeigt an den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen A, B und C in Querrich tung gemessene Kraft-Dehnungs-Kurven.

Figur 5 zeigt an dem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel Z in Querrichtung ge messene Kraft-Dehnungs-Kurven.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN UND EINES VERGLEICHSBEISPIELS

Im Folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen des Filtermaterials, der Verfah ren zur Herstellung des Filtermaterials, des Segments für Rauchartikel und des Rauchartikels beschrieben. Ferner wird ein nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel beschrieben.

Ausführungsbeispiele A, B und C

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele A, B und C wurde die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung verwendet. Eine Suspension 31 aus Zellstofffasern und Fasern aus regenerierter Cellulose wurde in einem Vorratsbehälter 32 bereitgestellt, Schritt Ci, und von dort auf ein umlaufendes, gegen die Ho rizontale aufwärts geneigtes Sieb 33 gepumpt, Schritt C2, und durch Vakuumkästen 39 ent wässert, Schritt C3, sodass sich auf dem Sieb eine Faserbahn 34 bildete, deren generelle Bewe gungsrichtung durch den Pfeil 310 angedeutet ist. Dabei wurde die Geschwindigkeit mit der sich das Sieb 33 bewegt um etwa 10% höher gewählt als die Geschwindigkeit der aus dem Vor ratsbehälter 32 ausströmenden Suspension 31, um die Fasern vor allem in Maschinenrichtung zu orientieren. Die Faserbahn 34 wurde vom Sieb 33 abgenommen und auf ein ebenfalls um laufendes Stützsieb 35 übergeführt, Schritt C4. Dort wurden aus Vorrichtungen 36 in mehre ren Reihen quer zur Maschinenrichtung der Faserbahn 34 angeordnete Wasserstrahlen 311 auf die Faserbahn 34 gerichtet, um die Fasern zu verwirbeln und die Faserbahn 34 zu einem Vliesstoff zu verfestigen, Schritt C5. In Fortsetzung von Schritt C5 wurden durch zusätzliche Vorrichtungen 37 auch Wasserstrahlen 312 auf die andere Seite der Faserbahn 34 gerichtet. Danach durchlief der noch feuchte Vliesstoff eine Trocknungseinrichtung 38 und wurde dort getrocknet, Schritt C6, um das Filtermaterial zu erhalten.

Zur Herstellung des Filtermaterials wurde ein Gemisch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 65% Zellstofffasern und 35% Lyocell® Fasern bestand. Das fertige Filter material hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 55 g/m ² .

In Schritt C5 des Herstellungsprozesses wurden zunächst in drei Reihen Wasserstrahlen, 311 in Fig. 3, auf die erste Seite der Faserbahn 34 gerichtet und danach wurde eine Reihe Wasser strahlen, 312 in Fig. 3, auf die zweite Seite der Faserbahn 34 gerichtet. Der Druck der Wasser strahlen wurde dabei zwischen 2 MPa und 40 MPa in drei Stufen (niedrig, mittel, hoch) vari iert, um unterschiedliche erfindungsgemäße Filtermaterialien A, B und C zu erhalten. Der Durchmesser der Öffnungen, aus denen die Wasserstrahlen austraten, war in den Reihen un- terschiedlich und wurden zwischen 80 um und 120 um gewählt, der Abstand der Öffnungen von Mittelpunkt zu Mittelpunkt betrug 0,3 mm.

Von diesen Filtermaterialien wurden Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zug versuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Das Ergeb- nis ist in Figur 4 dargestellt. Auf der x-Achse 40 ist die Dehnung in % aufgetragen, während auf der y-Achse 41 die Kraft in N aufgetragen ist. Die drei mit A, B und C beschrifteten Linien zeigen die Kraft-Dehnungs-Diagramme der drei erfindungsgemäßen Filtermaterialien A, B und C. Beispielhaft ist die Bestimmung des nichtlinearen Anteils der bis zu halben Bruchdeh nung aufgenommenen Verformungsenergie an der gesamten bis zur halben Bruchdehnung aufgenommenen Verformungsenergie für das Filtermaterial C erläutert.

Bei der halben Bruchdehnung 8b/ 2 wird die zugehörige Kraft F( b/ 2) ermittelt und daraus kann der lineare Anteil der Verformungsenergie Ei _m durch berechnet werden.

Die gesamte bis zur halben Bruchdehnung aufgenommene Verformungsenergie E entspricht der aus der von x-Achse 40 und Kurve C von =o bis =8b/2 aufgespannten Fläche und kann durch Verfahren der numerischen Integration problemlos mit ausreichender Genauigkeit be- stimmt werden. Zieht man davon den linearen Anteil der Verformungsenergie Ei _m ab, so ver bleibt die als schraffiert dargestellte Fläche, die dem nichtlinearen Anteil der Verformungs energie Eni entspricht. Die Bestimmung der Verformungsenergien bis zur halben Bruchdehnung wurde für alle drei Filtermaterialien A, B und C durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben, wobei E die gesamte Verformungsenergie, Ei _m den linearen Anteil der Verformungsenergie und E _ni den nichtlinearen Anteil der Verformungsenergie jeweils in Querrichtung bis zur hal ben Bruchdehnung bedeuten. Die Verformungsenergien wurden numerisch aus der Kraft- Dehnungs-Kurve ermittelt und besitzen formal die Einheit N-%. Um auf die übliche Einheit J/m ² zu kommen, ist noch die Probengeometrie zu berücksichtigen. Da es hier aber nur auf die Verhältnisse zueinander ankommt und die Probengeometrien identisch sind, wird darauf verzichtet. Die Bruchdehnung 8 _b und die Kraft bei halber Bruchdehnung F( _b / 2) sind ebenfalls angegeben.

Tabelle 1

Die Werte aus Tabelle 1 zeigen, dass bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen A, B und C ein nichtlinearer Anteil der Verformungsenergie von etwa 20% bis etwa 30% vorliegt. Es ist auch erkennbar, dass bei steigendem Druck der Wasserstrahlen die Bruchdehnung ab nimmt. Aus diesem Grund kann es von Vorteil sein, einen geringen Druck der Wasserstrahlen zu wählen, weil neben dem guten plastischen Dehnungsverhalten dann auch noch größere blei bende Verformungen beim Crimpen möglich sind.

Ausführungsbeispiel D

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels D wurde das zweite erfindungs gemäße Verfahren umfassend die Schritte Bi bis B4 gewählt.

Zur Herstellung des Filtermaterials wurde ein Gemisch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 80% Zellstofffasern und 20% Lyocell® Fasern bestand. Das fertige Filter material hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 15 g/m ² .

In Schritt B2 des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Geschwindigkeit der ausströmen den Suspension etwa 10% geringer gewählt als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs. Von dem so erhaltenen Filtermaterial D wurden vier Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Ausführungsbeispie len A bis C. Die Ergebnisse der vier Messungen sind in Tabelle 2 angeführt.

Tabelle 2

Die Werte aus Tabelle 2 zeigen, dass bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial D ein nichtli nearer Anteil der Verformungsenergie von etwa 30% vorliegt und dass Wiederholmessungen am gleichen Probenmaterial eine geringe Streuung aufweisen. Dadurch wird belegt, dass die Verfahrensschritte Bi bis B3 in der Tat zu der gewünschten plastischen Verformbarkeit in Qu errichtung beitragen, wenn die Suspension in Schritt B2 mit verringerter Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird.

Ausführungsbeispiel E

Andererseits ist die in den Ausführungsbeispielen A bis C verwendete spezielle Durchführung des Schritts C2 (mit verringerter Auftragsgeschwindigkeit der Suspension) nicht notwendig, um die erfindungsgemäße charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung im wasserstrahlverfestigten Vlies zu erhalten. Dies ist aus dem im folgenden beschriebenen Aus führungsbeispiel E ersichtlich. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels E wurde das erste erfindungsgemäße Verfahren umfassend die Schritte Ai bis A3 gewählt.

Zur Herstellung des wasserstrahlverfestigten Filtermaterials wurde im Ausführungsbeispiel E ein Gemisch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 80% Zellstofffasern und 20% Lyocell® Fasern bestand. Der Schritt Ai wurde durchgeführt, ohne den Zellstofffasern in der Faserbahn zunächst durch verringerte Auftragsgeschwindigkeit der Suspension wie in Schritten B2 bzw. C2 des zweiten bzw. dritten Verfahrens eine Vorzugsrichtung quer zur Ma schinenrichtung zu verleihen. Das fertige Filtermaterial hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 15 g/m ² .

Der Schritt A2 des Wasserstrahlverfestigens erfolgt wie Schritt C5 des Ausführungsbeispiels B. Von dem so erhaltenen Filtermaterial E wurden zwei Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Ausführungsbeispie len A bis C. Die Ergebnisse der zwei Messungen sind in Tabelle 3 angeführt.

Tabelle 3

Die Werte aus Tabelle 3 zeigen, dass bei dem nach dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filtermaterial E ein Anteil der nichtlinearen Verformungsenergie von etwa 17% vorliegt. Der Vergleich mit Ausführungsbeispielen A bis C, die mittels der Kombination aus geeigneter Durchführung des Wasserstrahlverfestigens in Schritt C5 und Vorstrukturierung der Faserbahn durch verringerte Auftragsgeschwindigkeit in Schritt C2, d. h. einer Kombina tion aus dem ersten und zweiten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, zeigt, dass diese Kombination höhere Anteile der nichtlinearen Verformungsenergie von etwa 22% bis etwa 28% erlaubt und so zu einem besseren Verhalten beim Crimpen führen kann. Der Auf wand des kombinierten Verfahrens ist natürlich etwas höher als jener des ersten Verfahrens alleine, d. h. wenn wie in Ausführungsbeispiel E die erfindungsgemäße charakteristische plas tische Verformbarkeit in Querrichtung nur durch geeignete Durchführung der Wasserstrahl verfestigung in Schritt A2 erhalten wird. Das Ausführungsbeispiel E demonstriert, dass sich auch mit diesem einfacheren Verfahren erfindungsgemäße Filtermaterialien herstellen lassen.

Vergleichsbeispiel Z Zur Herstellung eines nicht erfindungsgemäßen Filtermaterials wurde dasselbe Gemisch aus Fasern verwendet wie in Ausführungsbeispiel D. Das Flächengewicht war weiterhin 15 g/m ² , es wurden aber nur Maschineneinstellungen verwendet, wie sie bei der Herstellung herkömm licher Filterpapiere üblich sind. Von dem Filtermaterial des Vergleichsbeispiels Z wurden drei Proben in Querrichtung ent nommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Aus führungsbeispielen A bis C. Die Ergebnisse der drei Messungen sind in Tabelle 4 angeführt.

Tabelle 4

Die Kraft-Dehnungs-Kurven von Vergleichsbeispiel Z sind in Fig. 5 dargestellt. Auch ohne quantitative Analyse ist bereits erkennbar, dass das Verhalten deutlich näher an einem linear elastischen Verhalten hegt, sodass Verformungen bei Entlastung im Wesentlichen wieder zu rückgebildet werden und viel größere Dehnungen und Kräfte nötig sind um bleibende Verfor mungen zu erreichen. Dabei kann leicht die Bruchlast oder die Bruchdehnung in Querrichtung überschritten werden.

Herstellung von Segmenten und Rauchartikeln

Aus jedem Filtermaterial der Ausführungsbeispiele Abis E und dem Vergleichsbeispiel Z wur den mit Papier umhüllte Filterstäbe mit einer Länge von 100 mm und einem Durchmesser von 7,85 mm gefertigt. Die Bahnbreite des Filtermaterials und die Maschineneinstellungen bei der Filterherstellung wurden dabei so gewählt, dass sich ein Zugwiderstand von 45OÜO mmWG ergab.

Es konnten aus den Filtermateriahen der Ausführungsbeispiele A bis E und dem Vergleichs beispiel Z Filterstäbe hergestellt werden. Es zeigt sich bei der Herstellung aber, dass bei den Filtermateriahen der Ausführungsbeispiele A bis E der Vorgang des Crimpens wesentlich we niger empfindlich auf Änderung der Maschineneinstellungen und insbesondere auf die Ein stellung des Abstands der Rollen beim Crimpen reagierte als beim Vergleichsbeispiel Z.

Aus den Segmenten der Ausführungsbeispiele A bis E und dem Vergleichsbeispiel Z wurden Filterzigaretten nach einem üblichen Verfahren aus dem Stand der Technik hergesteht. Dieser Herstellungsprozess verlief problemlos.

Es zeigt sich also, dass sich aus dem erfmdungsgemäßen Filtermaterial Segmente und Rauch artikel zuverlässiger und einfacher fertigen lassen als aus herkömmlichen wasserstrahlverfes tigten Vliesen oder Papieren und dass durch das günstige plastische Dehnungsverhalten ein besseres Ergebnis beim Crimpen erzielt werden kann.