Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Polypropylenglykolderivaten (PPG) in einem Papierfilter.

Zigarettenfilter der herkömmlichen Ausführung werden aus Zelluloseacetat hergestellt. Die nach dem Rauchen verbleibenden Filter aus Zelluloseacetat sind nicht recycelbar und stellen aufgrund ihrer relativ hohen biologischen Halbwertszeit eine signifikante Umweltbelastung dar.

Aus DE 102015119453 Al ist ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils mindestens eines Zusatzstoffes in einem tabakhaltigen Stoff bekannt geworden. Hierbei werden mit mindestens einem ersten elektromagnetischen Wechselfeld mit einer ersten Messfrequenz und mit einem zweiten elektromagnetischen Wechselfeld mit einer von der ersten Messfrequenz verschiedenen zweiten Messfrequenz Informationen aus der elektrischen Wechselwirkung mit dem tabakhaltigen Stoff gewonnen. Bei der Verarbeitung der Signale, werden mit jeder der beiden Messfrequenzen jeweils zwei unabhängige Messgrößen ausgewertet und zur Bestimmung der Stofffeuchte, des Tabakanteils und des Anteils von mindestens einem Zusatzstoff aus den vier ermittelten Messgrößen gewonnen. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass mit den insgesamt vier Messwerten neben der Bestimmung des Zusatzstoffes und der Feuchte zwingend auch eine Bestimmung des Tabakanteils erfolgt. Da das Tabakpapier ebenfalls Zusatzstoffe wie beispielsweise Glycerin enthält und eventuell weitere aerosolbildende Zusatzstoffe, Wasser, Bindemittel, Aromastoffe und Tabak erfolgte keine Informationen zu einem Wasser und Glycerinanteil. Insgesamt werden die vier Messgrößen gleichbehandelt, umso drei oder vier Größen an dem zu messenden tabakhaltigen Stoff zu bestimmen. Dies führt zu ungenauen Werten.

Als Ersatz für Filter aus Zelluloseacetat können Papierfilter verwendet werden, deren Umweltbilanz wesentlich besser ausfällt, da sie biologisch schneller abbaubar und zudem preisgünstiger in der Herstellung als Acetatfilter sind. Papierfilter besitzen jedoch Retentionseigenschaften, die den von Acetatfiitem nicht entsprechen, insbesondere ist das Filterverhalten für Stoffe wie Teer und Wasser bzw. Wasserdampf gegenüber Acetatfiltern verändert. Diese veränderten Filtereigenschaften ändern auch den Geschmack des Zigarettenrauchs in unerwünschter Weise.

Zur geschmacklichen Verbesserung werden Papierfiltern bei der Herstellung Zusatzstoffe zu gegeben. Wichtigster Zusatzstoff hier ist die Verwendung von Polypropylenderivaten (PPG), wie beispielsweise Polypropylenglykol Glyceryl Ether. PPG als Zusatzstoff in dem Papierfilter verbessert den Geschmack des Zigarettenrauchs. Allerdings ist die Dosierung von PPG bei dem Herstellungsprozess technisch schwierig. Bei einer zu hohen Konzentration von PPG im Filter penetriert der Zusatzstoff das den Tabak umhüllende Papier, wodurch die Zigarette ein ungünstiges Aussehen erhält. Im Rahmen der Produktion ist es daher von Interesse sowohl die Gesamtmasse des zugesetzten PPG sowie nach Möglichkeit auch die Verteilung von PPG im Filter zu messen, um auf diese Weise Produktionsfehler zu erkennen und zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Polypropylenglykolderivaten (PPG) in einem Papierfilter bereitzustellen, das mit möglichst einfachen Mitteln einen prozentualen Gehalt (g) an PPG in dem Papierfilter bestimmt.

Erfmdungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen und bestimmt zur Messung von Polypropylenglykolderivaten (PPG) in einem Papierfilter. Zur Messung wird mindestens ein Mikrowellenresonator verwendet, der dazu ausgebildet ist mit zwei Resonanzmoden jeweils zwei Mikrowellengrößen zu messen. Es liegen also insgesamt vier gemessene Mikrowellengrößen vor, von denen jeweils zwei zu einer Resonanzmode gehören. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für jede Resonanzmode aus den jeweiligen Mikrowellengrößen der Resonanzmode eine dichteunabhängige Kenngröße der entsprechenden Resonanzmode bestimmt wird. Diese dichteunabhängigen Kenngrößen werden dazu benutzt, um den prozentualen Gehalt g an PPG in dem Papierfilter zu ermitteln. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit die vier vorliegenden Messgrößen gemeinschaftlich auszuwerten, sowie es Stand der Technik üblich ist. Bei dem erfmdungsgemäßen Verfahren erfolgt jedoch in einem ersten Schritt die Auswertung innerhalb der jeweiligen Resonanzmode. Erst nach dieser Auswertung werden zwei Kenngrößen der Moden gemeinsam für einen prozentualen Gehalt an PPG ausgewertet. Hierdurch wird die Messgenauigkeit deutlich verbessert.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird auch die Feuchte aus der dichteunabhängigen Kenngröße bestimmt. Dabei wird auf die Resonanzmode mit der höheren Resonanzfrequenz abgestellt, da PPG eine deutlich niedrigere Relaxationsfrequenz aufweist als Wasser. Daher ist die Resonanzmode mit der höheren Resonanzfrequenz besonders geeignet, um die Feuchte aus der dichteunabhängigen Kenngröße zu bestimmen.

In einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung wird die Gesamtmasse des Papierfilters aus den beiden Mikrowellengrößen der Resonanzmode mit der höheren Resonanzfrequenz bestimmt. Die so ermittelte Gesamtmasse kann dazu benutzt werden, um die Masse an PPG pro Längeneinheit in dem Papierfilter zu bestimmen. Hierzu wird auf die Gesamtmasse und den prozentualen Gehalt (g) an PPG abgestellt.

In einer bevorzugten Außengestaltung liegt die niedrigere Frequenz bei weniger als 1,5 GHz, bevorzugten bei weniger als 1 GHz.

Bevorzugt ist für die größere Frequenz einen Wert von mehr als 2 GHz, bevorzugt von mehr als 5 GHz. Die deutlichen Abstände zwischen niedriger und höherer Resonanzfrequenz berücksichtigen, dass PPG eine deutlich niedrigere Relaxationsfrequenz als Wasser besitzt In einer bevorzugten Weiterführung ist als Mikrowellenresonator ein zylindrischer Hohlraumresonator vorgesehen. Der zu messende Papierfilter wird als Filterstab entlang der Zylinderlängsachse durch den Hohlraumresonator bewegt.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Resonanzraum des Resonators derart ausgeführt, dass die Feldausdehnung in Transporteinrichtung für beide Moden deutlich kleiner als die Gesamtlänge des Filters ist. Die geringe Feldausdehnung in Transportrichtung erlaubt es auch, ein Profil des Filters in Längsrichtung zu erfassen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines zylindrischen Hohlraumresonators mit Filterstab,

Figur 2 A-D die Eoio, E020, E030 und E040 Moden für die Feldverteilung und Feldstärke senkrecht zur Zylinderachse,

Figur 3 beispielhafte Werte für die dichteunabhängigen Kenngrößen bei großem und niedrigem Feuchtigkeitsgehalt,

Figur 4 die Ergebnisse des PPG Gehalts bei der erfindungsgemäßen Messung gegenüber Referenzwerten.

Figur 1 zeigt in einer schematisch sehr vereinfachten Ansicht einen zylindrischen Hohlraumresonator 1, der eine zentrale Öffnung 4 besitzt. Ein Filterstab 2 wird in Richtung 3 durch den Hohlraumresonator bewegt.

Die Messung erfolgt in dem zylindrischen Hohlraumresonator 1, der zwei Moden für die geeigneten Frequenzbereiche aufweist. Der Resonator besitzt folgende Eigenschaften: die Ortsauflösung des Resonators ist möglichst groß sein, d. h. die Erstreckung des Messfeldes ist möglichst klein im Vergleich zur Lage des Filterstabs,

- Neben der Messung des prozentualen Anteils an PPG kann eine Messung der Gesamtmasse und des Dichteprofils (Masse pro Längeneinheit) erfolgen. Hierzu sollte das Messfeld über den Querschnitt des Filterstabs möglichst homogen sein.

- Eine ausreichende Homogenität des Feldes über den Querschnitt des Filterstabs kann nur mit Resonanzmoden erreicht werden, die kreissymmetrisch bezüglich der Zylinderachse des Resonators ausgebildet sind. Kreissymmetrisch bezüglich der Zylinderachse sind die Eoxo-Moden (mit X = 1, 2, 3 ...).

Für die Messung wird ein zylindrische Hohlraumresonator verwendet, dessen Messfeld möglichst eine kleine Erstreckung in Richtung der Zylinderachse des Filterstabes aufweist und der in zwei Eoxo-Moden betrieben werden kann, von denen eine im Frequenzbereich von 0,5 GHz bis 1,5 GHz liegt und die andere in einem Frequenzbereich von 5 GHz bis 6,5 GHz. Bevorzugt werden in dem Hohlraumresonator zwei Resonanzmoden vom Typ Eoxo mit x=l, 2, 3... gebildet. Figur 2a zeigt den Verlauf der elektrischen Feldstärke senkrecht zur Zylinderlängsachse. Deutlich zu erkennen ist, dass es ein zentrales Feldstärkenmaximum gibt, das kreissymmetrisch bzgl. der Zylinderachse ist.

Die Mode E020 ist in Figur 2b dargestellt, hierbei liegt ein Nebenmaximum in radialer Richtung vor, das sich kreissymmetrisch über den zylindrischen Resonatorhohlraum erstreckt. Figur 2c zeigt die Resonanzmode E030, die zwei Nebenmaxima aufweist. Figur 2d zeigt die E040 Mode, mit drei Nebenmaxima. Der Vorteil bei der Verwendung dieser Moden ist, dass eine im Zentrum des Hohlraumresonator lokalisiertes Feldstärkemaximum vorliegt, das einen relativ homogenen Messbereich zur Verfügung stellt. Die Figur 3a zeigt mit den hellen Dreiecken und den vollen Kreisen dargestellt den Verlauf der Kenngröße <t> bei der niedrigeren Resonanzfrequenz von 0,9 GHz. Aufgetragen sind die Messwerte über den prozentualen Gehalt g an PPG. Die vollen Kreise zeigen die Messwerte für die dichteunabhängige Kenngröße <t> bei einem Feuchtewert, der kleiner als der Feuchtewert bei der Messung der mit Dreiecken dargestellten Kenngrößen ist. Fig 3a) ist somit zu entnehmen, dass die dichteunabhängige Kenngröße stark von der Feuchte abhängig, von dem PPG-Gehalt aber in dem Bereich von 0 bis ca. 30 % nur schwach abhängig ist. Das liegt an zwei Effekten mit gegensätzlicher Wirkung: Einerseits senkt das Zusetzen von PPG als ölige Flüssigkeit den prozentualen Feuchtegehalt, andererseits erfolgt bei dieser Frequenz noch eine Polarisation der PPG - Moleküle.

Figur 3b zeigt die Kenngrößen bei niedrigen und bei hohem Feuchtewert für eine Resonanzfrequenz von 6 GHz. Hier zeigt sich ein relativ deutliches Abfallen der Kenngröße mit zunehmendem PPG Gehalt. Dieses Verhalten weist auf die dielektrischen Eigenschaften von PPG hin. Bei frisch aufgetragenem PPG, sinkt im höheren Frequenzbereich der Mikrowellen mit zunehmendem PPG Gehalt die gemessene Kenngröße. PPG hat ölige Eigenschaften und enthält kein Wasser. Im Auftrag von PPG erfolgt deshalb eine Erhöhung der Gesamtmasse und gleichzeitig eine Reduktion der Gesamtfeuchte. Dieses Verhalten zeigt sich in der Figur 3b. In diesem hohen Frequenzbereich erfolgt keine Polarisation der PPG - Moleküle.

Aus den Kenngrößen in den Figuren 3a und 3b ergeben sich die in Figur 4 aufgetragenen Messwerte für den prozentualen PPG-Gehalt, wobei die Messwerte gegenüber Referenzwerten aufgetragen sind. Der lineare Zusammenhang zeigt die Genauigkeit, mit der der tatsächliche PPG Gehalt in Prozent gemessen werden kann.

Bei der Messung wird ein Hohlraumresonator verwendet, der zwei Resonanzmoden für die geeigneten Resonanzfrequenzen aufweist. Zur Messung von PPG und Wasser sind beispielsweise einige 100 MHz und 5-6 GHz gut geeignete Resonanzfrequenzen. Die Ortsauflösung des Resonators ist hierbei möglichst groß zu wählen, damit die Messung eines Profils von PPG und Wasser in dem Filterstab möglich ist. Die Ortsauflösung ist für die oben beschriebenen Eoxo Moden unabhängig von der Feldverteilung. Die Resonanzfrequenzen werden nahezu ausschließlich durch den Durchmesser des zylindrischen Resonators bestimmt. Die Ortsauflösung wird dagegen durch die bauliche Höhe des Resonanzraums festgelegt.

Für die beiden Moden bestimmt man jeweils zwei Messwertgrößen A, B. Hierbei bezeichnet die Größe A den Wert, um den sich die Resonanzfrequenz der jeweiligen Mode in Gegenwart des zu messenden Papierfilters ändert. Die zweite durch die Mikrowellenmessung bestimmte Größe B bezeichnet hierbei die Dämpfung der Mikrowellenresonanz in dem Resonator, beispielsweise die Veränderung der Halbwertsbreite der Resonanzkurve. Aus den Größen AL und BL wird die dichteunabhängigen Kenngröße QL bestimmt. Hierzu wird beispielsweise der Quotient aus der Resonanzfrequenzverschiebung AL und der Verbreiterung BL der Resonanzkurve gewählt. Auch ist es möglich beispielsweise den Arcus-Tangens des Quotienten heranzuziehen, um so eine dichteunabhängige Kenngröße zu bestimmen.

Für die beiden Moden werden zwei dichtunabhängige Kenngrößen L und QH bestimmt, wobei durch den Index L die Resonanzmode mit der niedrigeren Resonanzfrequenz (low) und durch den Index H die Resonanzmode mit der höheren Resonanzfrequenz (high) bezeichnet wird.

Die Bestimmung des PPG-Gehalts g nutzt die Messwerte beider Moden aus, beispielsweise durch den folgenden Ansatz: g = b^ _L + b ₂ > _H + ö ₃ , wobei bi, b2, b3 Kalibrationskoeffizienten sind. Die Bestimmung des PPG-Gehalts (g) erfolgt ohne eine zusätzliche Bestimmung der Materialfeuchte u. Die Materialfeuchte u kann unter Rückgriff auf die dichteunabhängigen Kenngröße H für die größere Resonanzfrequenz bestimmt werden. Hier ergibt sich die Feuchte u nach: wobei ai, a2 Kalibrationskoeffizienten bezeichnen.

Die Messung von Feuchte u und von PPG-Gehalt g erfolgen bei dem vorstehenden Ansatz unabhängig von der Masse des Papierfilters.

Bei den Messungen ist es außerdem möglich eine zusätzliche Messung der Masse pro Längeneinheit des Filters vorzunehmen. Hierzu bietet es sich an, zunächst die Gesamtmasse des Filters m _ges zu berechnen, in dem die Mikrowellen Messwerte AH und BH der größeren Resonanzmode ausgewertet werden. Hierbei kann für die Gesamtmasse des Filterstabs auf folgende Gleichung zurückgegriffen werden: m _ges = C ₁ A _H + C ₂ B _H + c ₃ , wobei ci, C2, C3 die entsprechenden Kalibrationskoeffizienten für die Gesamtmasse bezeichnen. Durch die Verwendung der lokalen Mikrowellenmesswerte AH, BH wird eine Masse pro Längeneinheit des Filterstabs bestimmt.

Auch die Masse pro Längeneinheit von PPG und die Messung der PPG Gesamtmasse kann entsprechend erfolgen. Da der prozentuale Anteil an PPG in g bekannt ist, wird der PPG Gesamtmasse mppG über folgende Beziehung berechnet:

9 ges mPPG — 100 Die Messung zur PPG Bestimmung, sollte zeitnah nach der Herstellung der Filterstäbe erfolgen. PPG reagiert nicht mit dem Papierfilter, jedoch kann sich der PPG Gehalt durch Verdunstung mit der Zeit ändern. Die Messung sollte deshalb möglichst innerhalb der ersten 15 Minuten nach der Herstellung der Filterstäben erfolgen.