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, hat die Industrie ein Interesse, die Segmente des Rauchartikels aus anderen Materialien zu fertigen, die besser biologisch abbaubar sind. Zudem sind beispielsweise in der Europäi schen Union Regelungen in Diskussion, die die Verwendung von nicht natürlichen Polymeren in Rauchartikeln erheblich reduzieren oder verbieten, sodass auch aus diesem Grund ein Inte resse besteht, alternative Segmente für Rauchartikel zur Verfügung zu haben. Es ist im Stand der Technik bekannt, Segmente für Rauchartikel, insbesondere Filtersegmente, aus Papier herzustellen. Derartige Segmente sind zwar generell gut biologisch abbaubar, wei sen aber auch Nachteile auf. Beispielsweise haben Filtersegmente aus Papier generell eine hohe Filtrationseffizienz und führen daher zu einem trockenen Aerosol, was den Geschmack des Aerosols verglichen mit Zigaretten mit den üblichen Filtersegmenten aus Celluloseacetat beeinträchtigt. Des Weiteren haben sie aber oft eine niedrigere Filtrationseffizienz für Phenole als Celluloseacetat.

Ein wesentlicher Grund dafür, dass Filtersegmente aus Papier noch keine weite Verbreitung gefunden haben liegt aber auch in ihrer optischen Erscheinung. Am Mundende des Rauchar- tikels ist oft die Schnittfläche des am Mundende gelegenen Segments sichtbar, und der Kon sument ist von den üblichen Segmenten aus Celluloseacetat eine weiße homogene Fläche ge wohnt, bei der die einzelnen geschnittenen Fasern kaum erkennbar sind. Segmente aus Papier hingegen haben eine grobe Struktur, was dem Konsumenten offenbar den Eindruck geringerer Qualität vermittelt. Daher werden Segmente aus Papier oft nur als ein Teilsegment in einem aus mehreren Segmenten bestehenden Filter eingesetzt, sodass der Konsument die Schnittflä che nicht sehen kann. Das am Mundende gelegene Segment besteht dann weiterhin oft aus Celluloseacetat. Wegen dieser optischen Mängel können die Vorteile der biologischen Abbau barkeit eines Segments aus Papier nicht in vollem Umfang genutzt werden.

Es ist auch im Stand der Technik bekannt, Segmente für Rauchartikel aus Vliesstoffen herzu- stellen. In EP 2 515 689 ist beispielsweise ein Filtermaterial aus Vliesstoff beschrieben, das allerdings überwiegend Fasern aus Polyvinylalkohol, Polylactiden oder aus anderen nicht na türlichen Polymeren enthält und daher Anforderungen an die biologische Abbaubarkeit nicht gut erfüllen kann. Zudem sind die dort beschriebenen Vliesstoffe zu dünn, um ein optisch an sprechendes Erscheinungsbild an der Schnittfläche des daraus gefertigten Segments zu erge- ben.

Ebenso ist im Stand der Technik bekannt, Filtermaterial für Rauchartikel aus Papier aus bio logisch gut abbaubaren Fasern herzustellen. In US 2015/0374030 ist ein solches Filtermaterial beschrieben, das allerdings zu einem erheblichen Anteil aus Zellstofffasern aus Hanf, Flachs, Abaca, Sisal oder Baumwolle besteht. Diese Fasern sind teuer und weisen wegen ihrer, im Ver gleich zu Zellstoffasern aus Holz, kurzen Wachstumsperiode starke Qualitätsschwankungen auf. Gemäß der Lehre in US 2015/0374030 sind sie aber notwendig, um gleichzeitig eine aus reichend poröse Struktur und ausreichend hohe Festigkeit zu erreichen. Von der Verwendung von Holzzellstoff wird abgeraten, weil er eine dichte und kompakte Papierstruktur erzeugt. Tatsächlich soll der Anteil an Holzzellstoff immer kleiner als 50 Gew.-% sein und in den in dustriell umgesetzten Ausführungsbeispielen beträgt er weniger als 5 Gew.-%. Durch den dafür verwendeten Herstellungsprozess ist auch das optische Erscheinungsbild solcher Filter für den Konsumenten nicht ausreichend ansprechend. Entgegen der Lehre aus dem Stand der Technik haben die Erfinder der vorliegenden Anmel dung gefunden, dass ein Filtermaterial mit einem hohen Anteil an Holzzellstofffasern in Form eines wasserstrahlverfestigten Vliesstoffs hergestellt werden kann, ohne dass die Struktur des Vliesstoffs dabei zu dicht oder zu kompakt wird. Ein entsprechendes Filtermaterial, welches als Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung gesehen werden kann, ist in der nicht vor- veröffentlichten internationalen Anmeldung PCT/EP2019/085125 beschrieben. In dieser nicht vorveröffentlichten Anmeldung ist auch beschrieben, das Filtermaterial zu falten oder zu crimpen, um daraus einen endlosen Strang aus gefaltetem oder gecrimptem Filtermaterial zu bilden, der nachfolgend mit Umhüllungspapier umhüllt und in einzelne Stäbe definierter Länge geschnitten wird um die genannten Segmente zu bilden.

Beispielsweise ist es bei der Herstellung eines Segments möglich, eine Bahn aus einem cellu losebasierten Vlies zunächst in Längsrichtung zu crimpen, bevor es zu einem endlosen 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, insbesondere denjenigen, die in der oben genannten nicht vorveröffentlichten Anmel- düng PCT/EP2019/085125 beschrieben sind, soweit wie möglich identisch ist.

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 wasserstrahlverfestigtes Vlies nach Anspruch 1, ein Segment für einen Rauchartikel nach Anspruch 16, und einen Rauchartikel nach Anspruch 23 gelöst, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Segments nach Anspruch 22 und ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlieses nach Anspruch 27. Vor teilhafte Weiterbildungen 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 ein bahn förmiges wasserstrahlverfestigtes Vlies ist. Obwohl der Begriff „wasserstrahlverfestigt“ zu nächst auf das zugrundeliegende Herstellungsverfahren hinweist, ist zu berücksichtigen, dass ein wasserstrahlverfestigtes Vlies charakteristische strukturelle Eigenschaften hat, die es von anderen Vliesen unterscheidet, und die nach Wissen der Erfinder nicht auf identische Weise durch ein anderes Herstellungsverfahren erreicht werden können. Anders als beispielsweise bei Papier, bei dem die Festigkeit vornehmlich durch Wasserstoffbrücken bewirkt wird und die Fasern vor allem in der Ebene des Papiers angeordnet sind, wird bei dem wasserstrahlver festigten Vlies die Festigkeit durch die Verwirbelung der Fasern erreicht. Ein wasserstrahlver festigtes Vlies weist eine besonders poröse Struktur auf, die es als Filtermaterial für Segmente von Rauchartikeln besonders gut geeignet macht.

Erfindungsgemäß enthält das wasserstrahlverfestigte Vlies mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des wasserstrahlverfestigten Vlieses, wo bei das wasserstrahlverfestigte Vlies ein Flächengewicht von mindestens 15 g/ m ² und höchs- tens 60 g/m ² aufweist. Dabei weist das wasserstrahlverfestigte Vlies eine Maschinenrichtung und eine dazu in der Ebene der Bahn des wasserstrahlverfestigten Vlieses orthogonal hegende Querrichtung auf. Ferner weist das wasserstrahlverfestigte Vlies eine charakteristische plasti sche Verformbarkeit in Querrichtung auf, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zug versuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom was- serstrahlverfestigten Vlies aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie min destens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom wasserstrahlverfestig ten Vlies 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 wasserstrahlverfestigten Vlieses läuft das wasserstrahlverfestigte Vlies in einer Richtung, der sogenannten Maschinenrichtung durch die Maschine und das wasserstrahlverfestigte Vlies besitzt eine zur Maschinenrichtung orthogo nale, in der Bahnebene des wasserstrahlverfestigten Vlieses hegende Richtung, die Querrich- tung.

Bei der Verarbeitung eines Filtermaterials zu einem Segment eines Rauchartikels wird das wasserstrahlverfestigte Vlies vorzugsweise gecrimpt. Dazu wird das wasserstrahlverfestigte Vlies beispielsweise durch zwei mit einem Muster versehenen Rollen durchgeführt, die dieses Muster auf die Bahn einprägen. Vorzugsweise ist dieses Muster ein in Maschinenrichtung der Bahn orientiertes Linienmuster. Die eingeprägten Linien dehnen und verformen das wasser strahlverfestigte Vlies in der zur Maschinenrichtung orthogonalen Richtung, der Querrich tung. Ein auf diese Weise verformtes Filtermaterial kann einfacher in Querrichtung zusam mengeschoben 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 wasserstrahlverfestigten Vlieses zu bewirken, und dass deshalb die Gefahr be steht, dass das wasserstrahlverfestigte Vlies in Querrichtung reißt. Der Fachmann könnte nun versucht sein, die Bruchdehnung des wasserstrahlverfestigten Vlieses in Querrichtung zu er höhen, sodass das wasserstrahlverfestigte Vlies größere Verformungen toleriert ohne zu rei ßen. Die Erfinder haben aber erkannt, dass dies das Problem nicht löst, denn um eine blei bende 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 wasserstrahlverfestigte Vlies beim Crimpen ausgesetzt ist, eine blei bende, plastische und keine elastische Verformung bewirkt wird. Wenn eine solche plastische Verformung bereits mit höherem Abstand der Rollen beim Crimpen erreicht werden kann, re- duziert sich die Gefahr, dass das wasserstrahlverfestigte Vlies bei der Verarbeitung in Quer richtung reißt. Generell sollte es dabei ausreichen, das wasserstrahlverfestigte Vlies in Quer richtung bis etwa zur Hälfte seiner Bruchdehnung zu dehnen.

Die Erfinder haben nun gefunden, dass das wasserstrahlverfestigte Vlies durch geeignete Ver- fahren 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 Wasserstrahl - verfestigten Vlies 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 Wasserstrahl verfestigte Vlies bis zur halben Bruchdehnung ideal linear elastisch verhält, kann die Verformungsenergie Ei _m bis zur halben Bruchdehnung durch berechnet werden.

Der über diese Verformungsenergie hinausgehende nichtlineare Anteil E _ni der in das wasser strahlverfestigte Vlies 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 wasserstrahlverfestigten Vlies kann das wasser strahlverfestigte Vlies stellenweise beispielsweise in etwa bis zur halben Bruchdehnung C _b / 2, Punkt 15, mit der zugehörigen Kraft F( _b /2) belastet werden, sodass man den Zustand 16 er reicht.

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 wasserstrahlverfestigten Vlieses herangezogen wird, entspricht jener Fläche, die von den Li nien 17 und 13, jeweils 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 elasti schen Verhalten abweicht, umso größer ist das Potenzial für plastische und damit irreversible Verformung.

Bei der Herstellung von Segmenten aus dem erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlies kann die Dehnung in Querrichtung beim Crimpen natürlich von der halben Bruchdeh nung abweichen, der nichtlineare Anteil der Verformungsenergie bis zur halben Bruchdeh nung hat sich aber unabhängig von der tatsächlich aufgewendeten Dehnung und dem tatsäch- liehen elastisch-plastischen Verhalten als geeigneter Parameter herausgestellt, um die Struk tur des erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlieses zu charakterisieren und das Ver halten des wasserstrahlverfestigten Vlieses beim Crimpen 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( ) 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(c) 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 C _b und die Zugfestigkeit F(c _b ) bestimmt.

Bei der Herstellung eines Segments aus dem wasserstrahlverfestigten Vlies kann das wasser strahlverfestigte Vlies beispielsweise in etwa bis zur halben Bruchdehnung C _b / 2, Punkt 25, mit der zugehörigen Kraft F(c _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 wasserstrahlverfestigte Vlies wird daher auf die Verformung vor allem elastisch reagieren und nach Entlastung im Wesentlichen die ge samte Verformung zurückbilden. Um eine ähnliche plastische Verformungsenergie wie bei dem in Fig. 1 dargestellten wasserstrahlverfestigten Vlies einzubringen, angedeutet durch die Linie 28, müsste das wasserstrahlverfestigte Vlies 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 wasserstrahlverfestigten Vlieses kann das wasserstrahlverfestigte Vlies daher in Querrichtung reißen. Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies aus Fig. 1 hingegen hat eine Struktur, die bereits bei geringer Dehnung eine bleibende Verformung in Querrich tung erlaubt, weshalb sich daraus Segmente für Rauchartikel zuverlässiger herstellen lassen.

Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies enthält Cellulosefasern. Nach den Er kenntnissen der Erfinder sind die Cellulosefasern erforderlich, um das wasserstrahlverfestigte Vlies mit einer ausreichenden Festigkeit auszustatten, sodass es zu einem Segment verarbeitet werden kann. Der Anteil an Cellulosefasern im wasserstrahlverfestigten Vlies beträgt erfin dungsgemäß mindestens 50% und höchstens 100% der Masse des wasserstrahlverfestigten Vlieses, bevorzugt aber mindestens 60% und höchstens 100% und besonders bevorzugt min destens 70% und höchstens 95%, jeweils bezogen auf die Masse des Wasserstrahl verfestigten Vlieses.

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 Vlieses eingesetzt werden. Besonders be vorzugt sind die Zellstofffasern aus Nadelhölzern gewonnen, weil solche Fasern schon in einem geringeren Anteil dem wasserstrahlverfestigten Vlies eine gute Festigkeit verleihen. Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies kann Fasern aus regenerierter Cellulose enthalten. Bevorzugt beträgt der Anteil an Fasern aus regenerierter Cellulose mindestens 5% und höchstens 50%, besonders bevorzugt mindestens 10% und höchstens 45% und ganz be sonders bevorzugt mindestens 15% und höchstens 40%, jeweils bezogen auf die Masse des wasserstrahlverfestigten Vlieses.

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 wasserstrahlverfestigten Vlieses zu optimieren und die Filtrationseffizienz des daraus gefertigten Segments für den Rauchartikel anzupassen. Aufgrund ihres Herstellungsverfahrens sind sie weniger variabel als die aus natürlichen Quel len gewonnenen Zellstofffasern und tragen dazu bei, dass die Eigenschaften eines aus dem wasserstrahlverfestigten Vlies gefertigten Segments weniger variieren, als wenn ausschließlich Zellstofffasern verwendet werden. Ihre Herstellung ist aber aufwändiger und sie sind üblicher- weise auch teurer als Zellstofffasern.

Das Flächengewicht des wasserstrahlverfestigten Vlieses 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 beein- flusst die Zugfestigkeit des wasserstrahlverfestigten Vlieses, wobei ein höheres Flächengewicht generell zu höherer Festigkeit führt. Das Flächengewicht soll aber nicht zu hoch sein, weil dann das wasserstrahlverfestigte Vlies 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 wasserstrahlverfestigten Vlies beträgt in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom wasserstrahl verfestigten Vlies aufgenommene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom wasserstrahlverfestigten Vlies auf- genommenen gesamten Verformungsenergie. Bevorzugt beträgt der bis zur halben Bruchdeh nung vom wasserstrahlverfestigten Vlies aufgenommene nichtlineare Anteil derVerformungs- energie mindestens 15% und höchstens 40% der bis zur halben Bruchdehnung vom wasser strahlverfestigten Vlies aufgenommenen gesamten Verformungsenergie und besonders bevor zugt beträgt der nichtlineare Anteil mindestens 15% und höchstens 35%, und insbesondere mindestens 18% und höchstens 32%. In den bevorzugten und besonders bevorzugten Interval len lässt sich bei moderater Dehnung ein sehr gutes Ergebnis beim Crimpen erzielen und das Risiko, dass das wasserstrahlverfestigte Vlies in Querrichtung reißt ist besonders gering.

Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies kann Zusatzstoffe, wie Alkylketendimere (AKD), Säureanhydride, wie Alkenylbernsteinsäureanhydride (ASA), Polyvinylalkohol, Wachse, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivate, Carboxymethylcellulose, Alginate, Chitosan, Nassfestmittel oder Substanzen zur Einstellung des pH-Werts, wie beispielsweise organische oder anorganische Säuren oder Laugen zur Einstellung spezifischer Eigenschaften enthalten. Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies kann alternativ oder zusätzlich auch ei nen oder mehrere Zusatzstoffe enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, wie Trinatriumzitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, wie Natriu macetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lacta- ten, Oxyalaten, Salicylaten, a-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, und Mischungen daraus.

Der Fachmann ist in der Lage Art und Menge solcher Zusatzstoffe aus seiner Erfahrung zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies kann auch noch andere Substanzen um fassen, die die Filtrationseffizienz des wasserstrahlverfestigten Vlieses besser an jene von Cel luloseacetat anpassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Triace- tin, Propylenglykol, Sorbitol, Glycerol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polyvinylalko hol und Tri-Ethlyzitrat oder Mischungen daraus.

In einer bevorzugten Ausführungsform des wasserstrahlverfestigten Vlieses ist mindestens ein Teil der Cellulosefasern mit einem Füllstoff beladen, wobei der Füllstoff besonders bevorzugt durch mineralische Partikel und insbesondere Calciumcarbonatpartikel gebildet ist. Da die Struktur des wasserstrahlverfestigten Vlieses sehr porös ist, ist sie nicht dafür geeignet, Füll stoffe festzuhalten, sodass es günstig ist, die Cellulosefasern mit den Füllstoffen zu beladen und sie so in der Struktur des wasserstrahlverfestigten Vlieses zu fixieren. Füllstoffe können dazu dienen, dem wasserstrahlverfestigten Vlies spezielle Eigenschaften zu verleihen. Die Dicke einer Lage des wasserstrahlverfestigten Vlieses, gemessen nach ISO 534:2011, be trägt vorzugsweise mindestens 25 um und höchstens 1000 um, bevorzugt mindestens 30 um und höchstens 800 mih und besonders bevorzugt mindestens 35 mih und höchstens 600 mih. Die Dicke beeinflusst die Menge an wasserstrahlverfestigtem Vlies, die in das Segment des Rauchartikels gepackt werden kann und damit Zugwiderstand und Filtrationseffizienz des Segments, aber auch die Verarbeitbarkeit des wasserstrahlverfestigten Vlieses, 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 den bevorzugten und besonders bevorzugten Intervallen erlauben eine besonders gute Verarbeitbarkeit des er findungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlieses zu einem Segment eines Rauchartikels.

Die mechanischen Eigenschaften des wasserstrahlverfestigten Vlieses sind für die Verarbei tung des erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlieses zu einem Segment eines Rauch artikels von Bedeutung. Die breitenbezogene Zugfestigkeit des wasserstrahlverfestigten Vlie ses in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, beträgt bevorzugt mindestens 0,05 kN/m und höchstens 5 kN/m, besonders bevorzugt mindestens 0,07 kN/m und höchstens 4 kN/m.

Die Bruchdehnung des wasserstrahlverfestigten Vlieses in Querrichtung, gemessen nach ISO 1924-2:2008, beträgt daher bevorzugt mindestens 0,5% und höchstens 50% und besonders bevorzugt mindestens 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 wasserstrahlverfestig ten Vlieses angepasst werden.

Aus dem erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlies können nach aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren erfindungsgemäße Segmente für Rauchartikel herge stellt werden. Diese Verfahren umfassen beispielsweise das Crimpen des wasserstrahlverfes tigten Vlieses, das Formen eines endlosen Strangs aus dem gecrimpten wasserstrahlverfestig ten Vlies, das Umhüllen des endlosen Strangs durch ein Umhüllungsmaterial und das Schnei den 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 Segmente der gewünschten Länge ge schnitten. Das erfindungsgemäße Segment für Rauchartikel umfasst das erfindungsgemäße wasser strahlverfestigte Vlies und ein Umhüllungsmaterial.

Konkret umfasst das Segment ein in Querrichtung zusammengeschobenes wasserstrahlver festigtes Vlies und ein Umhüllungsmaterial, wobei das Wasserstrahl verfestigte Vlies mindes tens 50% und höchstens ioo% Cellulosefasern, jeweils bezogen auf die Masse des wasser strahlverfestigten Vlieses, enthält. Dabei weist das wasserstrahlverfestigte Vlies ein Flächen gewicht von mindestens 15 g/m ² und höchstens 60 g/m ² auf. Zur Bestimmung des Flächen gewichts wird die Fläche des wasserstrahlverfestigten Vlieses zugrunde gelegt, wenn dieses ausgebreitet (also nicht mehr zusammengeschoben) ist. Das wasserstrahlverfestigte Vlies weist eine Querrichtung auf, in der das wasserstrahlverfestigte Vlies zusammengeschoben ist. Um das Zusammenschieben des wasserstrahlverfestigten Vlieses 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 mechanische Art suggerieren, auf die der „zusammengeschobene“ Zustand hergestellt wird. Auch ein „ge raffter“ Zustand ist beispielsweise ein „zusammengeschobener“ Zustand im Sinne der vorlie genden Offenbarung, unabhängig davon, auf welche mechanische Weise die Raffung oder Ver kürzung in Querrichtung erzeugt wird. Ferner weist das wasserstrahlverfestigte Vlies im nicht zusammengeschobenen Zustand eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrich tung auf, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 der bis zur halben Bruchdehnung vom wasserstrahlverfestigten Vlies aufgenom mene nichtlineare Anteil der Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdehnung vom wasserstrahlverfestigten Vlies aufgenommenen gesamten Ver formungsenergie 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 wasserstrahlverfestigte Vlies und ein Umhüllungsmaterial 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 vorliegen 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 Wasserstrahl verfestigten Vlies stärker in Maschinenrichtung des wasserstrahlverfestigten Vlieses ausgerichtet werden. Dies lässt sich durch die im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erreichen.

Das erfindungsgemäße wasserstrahlverfestigte Vlies kann nach einem 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 hegende Querrichtung aufweist,

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

A3 - Trocknen der wasserstrahlverfestigten Faserbahn, wobei in Schritt Ai der Anteil der Cellulosefasern in der Faserbahn so gewählt ist, dass das wasserstrahlverfestigte Vlies nach dem Trocknen in Schritt A3 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, bezogen auf die Masse des wasserstrahlverfestigten Vlieses, enthält, und wobei die Schritte Ai und A2 so durchgeführt werden, dass dem wasserstrahlverfestigten Vlies eine charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung verliehen wird, die dadurch charakterisiert ist, dass in einem am wasserstrahlverfestigten Vlies 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 wasserstrahlverfestigten Vlies aufgenom menen Verformungsenergie mindestens 10% und höchstens 50% der bis zur halben Bruchdeh nung vom wasserstrahlverfestigten Vlies aufgenommenen gesamten Verformungsenergie be trägt, und wobei das wasserstrahlverfestigte Vlies nach dem Trocknen in Schritt A3 ein Flä chengewicht von mindestens 15 g/m ² und höchstens 60 g/m ² aufweist.

Dabei können die Schritte Ai und A2 so durchgeführt werden, dass die Cellulosefasern im fer tiggestellten wasserstrahlverfestigten Vlies tendenziell mehr in Maschinenrichtung ausgerich tet sind, als in Querrichtung. Die in Schritt Ä2 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 wasserstrahlverfestigten Vlieses darauf an, dass der Anteil der in Querrichtung orientierten Fasern im Wasserstrahl verfestigten Vlies gering ist und die Fasern mehr in Maschinenrichtung und Dickenrichtung ausgerichtet sind. Um diese erfin dungsgemäße Struktur im wasserstrahlverfestigten Vlies zu erzeugen sollen die Wasserstrah- len in Querrichtung nahe nebeneinander angeordnet sein. Durch die Nähe der gleichzeitig auf die Faserbahn auftreffenden Wasserstrahlen weicht das Wasser eher in Maschinenrichtung als in Querrichtung aus und orientiert die Fasern 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 erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vielzahl von Wasserstrahlen verwendet, um das Wasserstrahlverfestigen in Schritt A2 auszuführen, wobei die Wasserstrahlen in mindestens einer Reihe quer zur Maschinenrichtung der Faser bahn 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.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Trocknen in Schritt A3 zumindest teilweise durch Kontakt mit Heißluft, durch Infrarotstrahlung oder durch Mikrowellenstrahlung bewirkt. Eine Trocknung durch direkten Kontakt mit einer be heizten Oberfläche ist ebenfalls möglich, aber weniger bevorzugt, weil dabei die Dicke des was- serstrahlverfestigten Vlieses abnehmen kann. Das nach diesem Verfahren hergestellte wasserstrahlverfestigte Vlies soll zur Verwendung in Segmenten für Rauchartikel geeignet sein. Dies bedeutet, dass es insbesondere sämtliche Merkmale einzeln oder in Kombination aufweisen kann, die oben im Zusammenhang mit dem wasserstrahlverfestigten Vlies beschrieben wurden und in den auf das wasserstrahlverfestigte Vlies gerichteten Ansprüchen definiert sind.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der genannte Schritt Ai des Bereitstellens der Faserbahn die folgenden Teilschritte Bi bis B3:

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 die genannte Faserbahn zu bilden, wobei in Schritt Bi die Menge oder der Anteil der Cellulosefasern so gewählt ist, dass das was serstrahlverfestigte Vlies nach dem Trocknen in Schritt A3 mindestens 50% und höchstens 100% Cellulosefasern, bezogen auf die Masse des wasserstrahlverfestigten Vlieses, enthält, und wobei in Schritt B3 durch die Laufrichtung des Siebs die genannte Maschinenrichtung der Fa serbahn definiert wird und durch die dazu orthogonale in der Ebene der Faserbahn liegende Richtung die genannte 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. Dabei sind die Geschwindigkeiten des umlaufenden Siebs und der Suspension jeweils in Bezug auf dasselbe Bezugssystem zu verstehen, sodass voneinander abweichende Geschwindigkeiten zu einer Re lativgeschwindigkeit zwischen Suspension und umlaufendem Sieb führt, die bei dieser Aus führungsform des Verfahrens ausgenutzt wird.

In dieser Ausführungsform des Verfahrens erhält die Faserbahn die gewünschte Struktur zu mindest teilweise dadurch, dass 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 Er- finder die Geschwindigkeit, mit der die Suspension in Schritt B2 auf das umlaufende Sieb strömt, kleiner sein als die Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs. Durch den Geschwindig keitsunterschied wird die Suspension vom Sieb mitgenommen und es entstehen in der Sus pension Scherkräfte, die die Cellulosefasern in Maschinenrichtung ausrichten und so zu einer Struktur des wasserstrahlverfestigten Vlieses beitragen, die zu der erfindungsgemäßen plasti- sehen Verformbarkeit in Querrichtung führt. Die Größe des Geschwindigkeitsunterschieds kann der Fachmann nach seiner Erfahrung und anhand der Ausführungsbeispiele oder durch einfache Experimente bestimmen. Nach Erfahrungen 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 aufge bracht wird, die lediglich etwa 90 % der Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs, beispiels weise zwischen 88 % und 93 % der Geschwindigkeit des umlaufenden Siebs beträgt. Diese An- gäbe dient indes lediglich als Anhaltspunkt, ein geeigneter numerischer Wert der Differenzge schwindigkeit 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 erhaltene charakteristische plastische Verformbarkeit des so hergestellten wasserstrahlverfestigten Vlieses in Querrichtung dient, die wie oben be- schrieben unter Bezugnahme auf den Zugversuch in Querrichtung gemäß ISO 1924-2:2008 charakterisiert ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung hat die wässrige Suspension in Schritt Bi einen Feststoff gehalt 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 Filtrationseffizienz eines daraus gefertigten Segments auswirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das umlaufende Sieb der Schritte B2 und B3 in Ma- schinenrichtung der Faserbahn gegen die Horizontale um einen Winkel von mindestens 3 ⁰ und höchstens 40° aufwärts 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 höchs tens 25 ⁰ . In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des umlaufenden Siebs erzeugt wird, um das Ent wässern der Suspension in Schritt B3 zu unterstützen, wobei die Druckdifferenz besonders be vorzugt durch Vakuumkästen oder geeignet geformte Flügel erzeugt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt, in dem ein oder mehrere Zusatzstoffe auf die Faserbahn aufgetragen werden. Die Zusatzstoffe sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylketendimeren (AKD), Säureanhyd riden, wie Alkenylbernsteinsäureanhydriden (ASA), Polyvinylalkohol, Wachsen, Fettsäuren, Stärke, Stärkederivaten, Carboxymethylcellulose, 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 aufgetragen werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zitraten, wie Trinatriumzitrat oder Trikaliumzitrat, Malaten, Tartraten, Acetaten, wie Natriu macetat oder Kaliumacetat, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Glycolaten, Lacta- ten, Oxyalaten, Salicylaten, a-Hydroxycaprylaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Chloriden und Hydrogencarbonaten, und Mischungen daraus.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufträgen des einen Zusatzstoffs oder der Zusatzstoffe zwischen den Schritten A2 und A3 des erfindungsgemäßen Verfahrens oder nach dem Schritt A3, gefolgt von einem weiteren Schritt des Trocknens der Faserbahn.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Kraft-Dehnungs-Diagramm eines erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlieses.

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

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung, mittels der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Her stellung eines erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlieses durchge führt 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 AUSFÜHRUNGSFORMEN UND EINES

VERGLEICHSBEISPIELS

Im Folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen des Wasserstrahl verfestigten

Vlieses, der Verfahren zur Herstellung des wasserstrahlverfestigten Vlieses, 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 Bi, und von dort auf ein umlaufendes, gegen die Ho rizontale aufwärts geneigtes Sieb 33 gepumpt, Schritt B2, und durch Vakuumkästen 39 ent wässert, Schritt B3, sodass sich auf dem Sieb eine Faserbahn 34 bildete, deren generelle Bewe gungsrichtung durch den Pfeil 310 angedeutet ist. Man beachte, dass die Schritte Bi bis B3 konkrete Teilschritte des allgemeinen Verfahrensschritts Ai (Bereitstellen einer Faserbahn umfassend Cellulosefasern) sind. Dabei wurde die Geschwindigkeit mit der sich das Sieb 33 bewegt um etwa 10% höher gewählt als die Geschwindigkeit der aus dem Vorratsbehälter 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 umlaufendes Stütz sieb 35 übergeführt. Dort wurden aus Vorrichtungen 36 in mehreren Reihen quer zur Maschi nenrichtung 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 A2. In Fortsetzung von Schritt A2 wurden durch zusätzliche Vorrichtungen 37 auch Wasser strahlen 312 auf die andere Seite der Faserbahn 34 gerichtet. Danach durchlief der noch feuchte Vliesstoff eine Trocknungseinrichtung 38 und wurde dort getrocknet, Schritt A3, um das wasserstrahlverfestigte Vlies zu erhalten.

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

In Schritt A2 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 wasserstrahlverfestigte Vliese A, B und C zu er halten. Der Durchmesser der Öffnungen, aus denen die Wasserstrahlen austraten, war in den Reihen unterschiedlich und wurden zwischen 80 um und 120 um gewählt, der Abstand der Öffnungen von Mittelpunkt zu Mittelpunkt betrug 0,3 mm. Von diesen wasserstrahlverfestigten Vliesen wurden Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Diagramm aufgenommen. Das Ergebnis 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 wasserstrahlver festigten Vliese A, B und C. Beispielhaft ist die Bestimmung des nichtlinearen Anteils der bis zu halben Bruchdehnung aufgenommenen Verformungsenergie an der gesamten bis zur hal ben Bruchdehnung aufgenommenen Verformungsenergie für das wasserstrahlverfestigte Vlies C erläutert.

Bei der halben Bruchdehnung 8 _b / 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 =8 _b /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 E _ni entspricht.

Die Bestimmung der Verformungsenergien bis zur halben Bruchdehnung wurde für alle drei wasserstrahlverfestigten Vliese A, B und C durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben, wobei E die gesamte Verformungsenergie, Ei _m den linearen Anteil der Verfor mungsenergie und E _ni den nichtlinearen Anteil der Verformungsenergie jeweils in Querrich tung bis zur halben Bruchdehnung bedeuten. Die Verformungsenergien wurden numerisch aus der Kraft-Dehnungs-Kurve ermittelt und besitzen formal die Einheit N-%. Um auf die üb liche 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. Vergleichsbeispiel D

Vergleichsbeispiel D betrifft die Herstellung eines Filtermaterials in einem Verfahren, welches lediglich die Schritte Bi bis B3 und A3 enthält, nicht aber den Schritt des Wasserstrahlverfes- tigens der Faserbahn. Das Filtermaterial aus Vergleichsbeispiel D ist insofern nicht erfin dungsgemäß, als es kein wasserstrahlverfestigtes Vlies darstellt. Das Vergleichsbeispiel D dient im Wesentlichen dazu nachzuweisen, dass die Durchführung der Verfahrensschritte Bi bis B3 (als Teilschritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrensschritts Ai) in der Tat ge eignet sind, zu einer Struktur beizutragen, die zu einer gewünschten charakteristischen plasti schen Verformbarkeit in Querrichtung führt, wenn in Schritt B2 die Suspension mit einer ver ringerten Geschwindigkeit auf das umlaufende Sieb aufgebracht wird.

Zur Herstellung des Filtermaterials wurde ein Gemisch aus Zehstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Fasermengen so gewählt wurden, dass das fertige Filtermaterial aus 80% Zehstofffasern 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 Verfahrens wurde die Geschwindigkeit der ausströmenden 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 so hergestellten Filtermaterial D ein nichtlinearer Anteil der Verformungsenergie von etwa 30% vorliegt und dass Wiederholmessungen am glei chen Probenmaterial eine geringe Streuung aufweisen. Dadurch wird belegt, dass die Verfah rensschritte Bi bis B3 in der Tat zu der gewünschten plastischen Verformbarkeit in Querrich tung 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 Ai (mit verringerter Auftragsgeschwindigkeit der Suspension in Schritt B2) nicht notwendig, um die erfindungsgemäße charakteristische plastische Verformbarkeit in Quer richtung im wasserstrahlverfestigten Vlies zu erhalten. Dies ist aus dem im folgenden beschrie benen Ausführungsbeispiel E ersichtlich.

Zur Herstellung des wasserstrahlverfestigten Vlieses wurde im Ausführungsbeispiel E ein Ge misch aus Zellstofffasern aus Nadelhölzern und Lyocell® Fasern verwendet, wobei die Faser mengen so gewählt wurden, dass das fertige wasserstrahlverfestigte Vlies aus 80% Zellstofffa sern und 20% Lyocell® Fasern bestand. Der Schritt Ai wurde durchgeführt, ohne den Zell stofffasern in der Faserbahn zunächst durch die Durchführung des Schritts B2 eine Vorzugs richtung quer zur Maschinenrichtung zu verleihen. Das fertige wasserstrahlverfestigte Vlies hatte ein Flächengewicht, gemäß ISO 536:2019, von 15 g/m ² .

Der Schritt A2 des Wasserstrahlverfestigens erfolgt wie Schritt A2 des Ausführungsbeispiels

B.

Von dem so erhaltenen wasserstrahlverfestigten Vlies E wurden zwei Proben in Querrichtung entnommen und in einem Zugversuch gemäß ISO 1924-2:2008 das Kraft-Dehnungs-Dia- gramm aufgenommen. Die Auswertung der Kraft-Dehnungs-Diagramme erfolgte analog zu den Ausführungsbeispielen A bis C. Die Ergebnisse der zwei Messungen sind in Tabelle 3 an geführt. Tabelle 3

Die Werte aus Tabelle 3 zeigen, dass bei dem so hergestellten wasserstrahlverfestigten Vlies E ein Anteil der nichtlinearen Verformungsenergie von etwa 17% vorliegt. Der Vergleich mit Aus führungsbeispielen A bis C, die mittels der Kombination aus geeigneter Durchführung des Wasserstrahlverfestigens in Schritt A2 und Vorstrukturierung der Faserbahn durch verrin gerte Auftragsgeschwindigkeit in Schritt B2 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 Aufwand des kombinierten Verfahrens ist natürlich etwas höher als wenn, wie in Ausführungsbeispiel E, die erfindungs gemäße charakteristische plastische Verformbarkeit in Querrichtung nur durch geeignete Durchführung der Wasserstrahlverfestigung in Schritt A2 erhalten wird. Das Ausführungsbei spiel E demonstriert, dass dies in der Tat möglich ist.

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 wasserstrahlverfestigten Vlies der Ausführungsbeispiele A bis C und E und dem Filtermaterial aus Vergleichsbeispiel Z wurden mit Papier umhüllte Filterstäbe mit einer Länge von 100 mm und einem Durchmesser von 7,85 mm gefertigt. Die Bahnbreite des Wasserstrahl - verfestigten Vlieses bzw. des Filtermaterials und die Maschineneinstellungen bei der Filterher stellung wurden dabei so gewählt, dass sich ein Zugwiderstand von 45OÜO mmWG ergab.

Es konnten aus den wasserstrahlverfestigten Vliesen der Ausführungsbeispiele A bis C und E und dem Filtermaterial aus Vergleichsbeispiel Z Filterstäbe hergestellt werden. Es zeigt sich bei der Herstellung aber, dass bei den wasserstrahlverfestigten Vliesen der Ausführungsbei spiele A bis C und E der Vorgang des Crimpens wesentlich weniger empfindlich auf Änderung der Maschineneinstellungen und insbesondere auf die Einstellung des Abstands der Rollen beim Crimpen reagierte als beim Vergleichsbeispiel Z. Aus den Segmenten der Ausführungsbeispiele A bis C und E und dem Vergleichsbeispiel Z wurden Filterzigaretten nach einem üblichen Verfahren aus dem Stand der Technik herge stellt. Dieser Herstellungsprozess verlief problemlos.

Es zeigt sich also, dass sich aus dem erfindungsgemäßen wasserstrahlverfestigten Vlies Seg- mente und Rauchartikel zuverlässiger und einfacher fertigen lassen als aus herkömmlichen, wasserstrahlverfestigten Vliesen oder Papieren und dass durch das günstige plastische Deh nungsverhalten ein besseres Ergebnis beim Crimpen erzielt werden kann.