ZIGARETTENPAPIER

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung mit zwei oder drei Filmbildnern mit voneinander verschiedenen mittleren Molekulargewichten zum Aufbringen auf Zigarettenpapier. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Zigarettenpapier, auf das die Zusammensetzung in diskreten Bereichen aufgebracht ist, wobei die Bereiche durch einen Wert für die Diffusivität charakterisiert sind, sowie eine Zigarette, die das Zigarettenpapier umfasst und die durch Werte für die Selbstverlösung charakterisiert ist. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen des Zigarettenpapiers und der Zigarette.

Stand der Technik

Ein wichtiger Aspekt, der bei der Herstellung von Zigaretten zu beachten ist, ist deren Selbstverlöschung. Einerseits soll eine Zigarette, die auf einer dafür nicht vorgesehenen Unterlage liegt, von selbst verlöschen, um Brände durch liegen gelassene, glimmende Zigaretten zu verhindern. Andererseits ist es für die Kundenakzeptanz nachteilig, wenn die Zigarette vorzeitig verlischt, während sie im Aschenbecher liegt.

Der Wert für die Selbstverlöschung (Self-Extinguishment, SE) wird nach gesetzlichen Bestimmungen (USA, Kanada, Australien) mittels des in ASTM E2187-04 genormten Tests bestimmt. Die gesetzlichen Bestimmungen verlangen, dass ein SE- Wert von 75% oder mehr (bei 40 getesteten Zigaretten, d.h. 30 müssen verlöschen) zu erreichen ist. Dies stellt die Untergrenze der akzeptablen Werte dar. Tatsächlich müssen die Zigarettenproduzenten sicherstellen, dass die Zigaretten, wenn sie von Behörden getestet werden, die Grenze von SE > 75% mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit erreichen. Für die Zigarettenproduzenten ist daher ein Wert von mindestens 85% zumeist bevorzugt. Der Free Burn-Test, der zum FB-Wert führt, ist nicht genormt, auch die verwendeten Bezeichnungen sind unterschiedlich. Unter anderem findet man die Bezeichnung FASE (Free Air Self-Extinguishment). Dieser Wert hat dieselbe Bedeutung wie der FB-Wert, die Skala ist aber genau umgekehrt. Während der FB-Wert angibt, wie viele Zigaretten frei bis zum Filter glimmen, ohne zu verlöschen, gibt der FASE- Wert an, wie viele Zigaretten beim freien Glimmen verlöschen. Daher entspricht ein FB-Wert von 100% einem FASE- Wert von 0% bzw. umgekehrt. Allgemein gilt die Beziehung FB = 100 - FASE. Der im Free Burn-Test gemessene Wert ist nicht Gegenstand gesetzlicher Regelungen; es hängt von den Zigarettenproduzenten ab, welche Werte für sie akzeptabel sind. Zumeist sind FB-Werte von über 50% bereits akzeptabel, als ganz besonders vorteilhaft gelten FB-Werte von über 70%.

Das optimale Ziel, das ein Hersteller von Zigaretten erreichen möchte, ist, dass die Zigaretten im Ignition Strength-Test nach ASTM E2817-04 vollständig verlöschen, der SE- Wert also 100% beträgt, aber trotzdem beim normalen Rauchvorgang keine Zigarette im Aschenbecher ausgeht, der FB-Wert also ebenfalls 100% beträgt. Praktisch lässt sich dieses Ziel nur sehr schwer erreichen, weshalb die Grenzen für gesetzlich bzw. technisch akzeptable Werte bei SE und FB niedriger liegen.

Zur Steuerung der Verlöschungseigenschaften werden in diskreten Bereichen des Zigarettenpapiers Zusammensetzungen mit filmbildenden Substanzen (Filmbildnern) aufgebracht. Indem die filmbildenden Substanzen nach Entfernen des Lösungsmittels, beispielsweise durch Verdampfen, einen Film auf dem Zigarettenpapier ausbilden, werden die Poren in den behandelten Bereichen verschlossen, und damit wird der Zutritt von Sauerstoff zum Glutkegel reduziert. Das Auftragen der wässrigen oder nicht-wässrigen Lösungen oder Suspensionen („Drucklösungen") erfolgt zumeist mittels üblicher Druckverfahren, vornehmlich Tiefdruck oder Flexodruck. Vorrichtungen zum Auftragen der Drucklösungen können in die Papiermaschine integriert sein.

Der Drucklösung werden außerdem Hilfsstoffe beigegeben, um die Opazität der bedruckten Bereiche am Papier zu erhöhen, damit diese auf der Zigarette nicht sichtbar sind. Typischerweise wählt man dazu weiße, inerte Pulver mit einer mittleren Partikelgröße zwischen 0,5 und 3 μm. Bewährt haben sich hier vor allem Karbonate und Oxide, besonders häufig eingesetzt werden Kalziumkarbonat (CaCO ₃ ), Aluminiumhydroxid (Al(OH) ₃ ), Magnesiumoxid (MgO) und Magnesiumkarbonat (MgCO ₃ ). Die Verlöschungseigenschaften hängen u.a. vom Muster und Ausmaß der behandelten Bereiche ab. Insbesondere die Feineinstellung der Selbstverlöschung erfolgt jedoch durch die Menge an fϊlmbildenden Substanzen, die aufgebracht wird: je größer die Auftragsmenge, umso mehr Poren werden verschlossen. Ein Maß für die Durchlässigkeit der behandelten Bereiche ist die Diffusivität, ein Transferkoeffizient für einen durch eine Konzentrationsdifferenz getriebenen Gastransport durch das Papier. Während es sich bei den Werten für SE und FB um Eigenschaften der fertigen Zigarette handelt, bezeichnet die Diffusivität also eine Eigenschaft des Zigarettenpapiers. Die Diffusivität steht in direktem Zusammenhang mit den SE- und FB-Werten (Eitzinger, Bernhard und Harald Giener. The Effect of Thermal Decomposition of Banded Cigarette Paper on Ignition Strength Test Results. Präsentation CORESTA Congress, Abstract SSPT23, Shanghai, China, November 2- 7, 2008).

Die Auftragsmenge lässt sich leicht dadurch vergrößern, dass der Gehalt an filmbildenden Substanzen in der Drucklösung erhöht wird. Als Folge davon nimmt die Viskosität der Drucklösung zu. Die Viskosität selbst beeinflusst wiederum die auf das Zigarettenpapier auftragbare Menge an filmbildenden Substanzen, so dass ein komplizierter Zusammenhang zwischen dem Gehalt an filmbildenden Substanzen in der Drucklösung und der Auftragsmenge besteht.

Vor allem jedoch beeinflusst die Viskosität der Drucklösung wesentlich ihre Verarbeitbarkeit im Druckverfahren. Dadurch lässt sich die Auftragsmenge der filmbildenden Substanzen nicht ohne weiteres erhöhen, ohne gegebenenfalls eine Anpassung der Druckvorrichtung vornehmen zu müssen. Ein höherer Feststoffgehalt bedeutet zudem weniger Lösungsmittel in der Drucklösung, sodass auch die Trocknerleistung der Druckvorrichtung gegebenenfalls angepasst werden muss.

Die bisher bekannten Verfahren zum Aufbringen filmbildender Substanzen erlauben keine Feineinstellung der Selbstverlöschung, ohne besondere Rücksicht auf das Auftragsverfahren und die Eigenschaften der Auftragsvorrichtung zu nehmen. Ebenso wenig besteht die Möglichkeit, die Drucklösung an die Eigenschaften des zu bedruckenden Papiers anzupassen, ohne wiederum an den Einstellungen der Auftragsvorrichtung Veränderungen vorzunehmen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Drucklösung verfügbar zu machen, mit der sich Zigarettenpapier und Zigaretten mit gewünschten Eigenschaften herstellen lassen, und mit der die Notwendigkeit einer Anpassung des Auftragsverfahrens minimiert wird.

Kurzfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine filmbildende Zusammensetzung zum Aufbringen auf Zigarettenpapier, umfassend ein Lösungsmittel und zwei oder drei Filmbildner, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus den Filmbildnern A, B und C, deren Molekulargewichtsverteilungen statistisch signifikant voneinander verschieden sind, wobei der Gehalt an jedem Filmbildner in der Zusammensetzung entsprechend gewählt ist, dass der Gesamtgehalt an den Filmbildnern in der Zusammensetzung 15 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 22 bis 27 Gew.-% beträgt, und die Viskosität der Zusammensetzung 13 bis 22 s, vorzugsweise 17,5 bis 19,5 s, gemessen mit einem Auslaufbecher DIN 4 bei 70°C, beträgt.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung ist der Gehalt an jedem Filmbildner in der Zusammensetzung entsprechend gewählt, dass die Diffusivität in einem oder mehreren diskreten Bereichen des Zigarettenpapiers, in denen die Zusammensetzung aufgebracht wird, 0,08 bis 0,5 cm/s, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 cm/s, besonders bevorzugt 0,25 bis 0,35 cm/s, gemessen nach 30 Minuten Erwärmung des Papiers auf 230°C, beträgt.

In einer Ausführung umfasst die filmbildende Zusammensetzung zwei Filmbildner A und B oder A und C oder B und C.

In einer Ausführung umfasst die filmbildende Zusammensetzung drei Filmbildner A, B und C.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung weist der Filmbildner A ein mittleres Molekulargewicht von 200.000 ± 50.000 g/Mol, vorzugsweise 200.000 ± 30.000 g/Mol, besonders bevorzugt 200.000 ± 10.000 g/Mol auf. In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung weist der Filmbildner B ein mittleres Molekulargewicht von 600.000 ± 150.000 g/Mol, vorzugsweise 600.000 ± 90.000 g/Mol, besonders bevorzugt 600.000 ± 30.000 g/Mol auf.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung weist der Filmbildner C ein mittleres Molekulargewicht von 100.000 ± 25.000 g/Mol, vorzugsweise 100.000 ± 15.000 g/Mol, besonders bevorzugt 100.000 ± 5.000 g/Mol auf.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung beträgt der Gehalt an Filmbildner A bis zu 25 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung beträgt der Gehalt an Filmbildner B bis zu 25 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 22 Gew.-%.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung beträgt der Gehalt an Filmbildner C bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 8 Gew.-%.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung sind die Filmbildner A, B und/oder C unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stärke und Stärkeabbauprodukten, Alginat, Guarmehl, Pektin, Polyvinylalkohol und Zellulose sowie jeweils Derivaten davon. Beispielsweise kann im Fall einer filmbildenden Zusammensetzung mit zwei Filmbildnern A und B der Filmbildner A ein Alginat und der Filmbildner B eine Stärke oder ein Stärkeabbauprodukt sein.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung sind die Filmbildner A und B oder A und C oder B und C oder A, B und C gleich. Beispielsweise können im Fall einer filmbildenden Zusammensetzung mit zwei Filmbildnern A und B oder A und C oder B und C beide Filmbildner eine Stärke oder ein Stärkeabbauprodukt oder ein Derivat davon sein. Im Fall einer filmbildenden Zusammensetzung mit drei Filmbildnern A, B und C können alle drei Filmbildner eine Stärke oder ein Stärkeabbauprodukt oder ein Derivat davon sein.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung sind die Filmbildner A und/oder B eine Kartoffelstärke oder ein Derivat davon, vorzugsweise eine carboxylierte Kartoffelstärke oder ein Derivat davon, und das Lösungsmittel ist ein wässriges Lösungsmittel oder Wasser. In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung ist der Filmbildner C eine abgebaute Stärke oder ein Derivat davon, vorzugsweise ein Maltodextrin oder ein Derivat davon, und das Lösungsmittel ist ein wässriges Lösungsmittel oder Wasser. Zusätzlich zu der Eigenschaft, die Viskosität der Zusammensetzung zu beeinflussen, weist abgebaute Stäke oder Maltodextrin den Vorteil auf, die Filmbildung zu verbessern. Durch eine Zugabe von abgebauter Stärke oder Maltodextrin wird erreicht, dass der Film auch nach intensivem Trocknen keine Risse bekommt. Risse würden den Zutritt von Sauerstoff zum Glutkegel fördern und sind deshalb von Nachteil.

In einer Ausführung umfasst die fϊlmbildende Zusammensetzung weiterhin mindestens einen oder mehrere Hilfsstoffe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Karbonaten und Oxiden, vorzugsweise aus der Gruppe, bestehend aus Kalziumkarbonat, Aluminiumhydroxid, Magnesiumoxid und Magnesiumkarbonat.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung beträgt der Gehalt an Hilfsstoffen bis zu 15 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 10 Gew.%.

In einer Ausführung der filmbildenden Zusammensetzung beträgt der Gesamtgehalt an Feststoffen, umfassend die Filmbildner und wahlweise mindestens einen Hilfsstoff, 15 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 22 bis 37 Gew.-%.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Zigarettenpapier, das einen oder mehrere diskrete Bereiche umfasst, in denen eine filmbildende Zusammensetzung der Erfindung aufgebracht ist, wobei die Diffusivität der diskreten Bereiche 0,08 bis 0,5 cm/s, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 cm/s, besonders bevorzugt 0,25 bis 0,35 cm/s, gemessen nach 30 Minuten Erwärmung des Papiers auf 230°C, beträgt.

In einer Ausführung des Zigarettenpapiers beträgt die Auftragsmenge der filmbildenden Zusammensetzung 2,5 bis 6 g/m ² , vorzugsweise 3 bis 4,5 g/m ² , besonders bevorzugt 4 g/m ² . Die Werte für die Auftragsmenge in g/m ² beziehen sich auf diejenige Fläche des Zigarettenpapiers, auf die die filmbildende Zusammensetzung aufgebracht ist. In einer Ausführung des Zigarettenpapiers beträgt die Diffosivität der Bereiche, in denen keine filmbildende Zusammensetzung aufgebracht ist, 0,1 bis 3 cm/s, gemessen bei Raumtemperatur.

In einer Ausfuhrung des Zigarettenpapiers beträgt die Luftdurchlässigkeit der Bereiche, in denen keine filmbildende Zusammensetzung aufgebracht ist, 10 bis 200 Coresta-Einheiten, vorzugsweise 40 bis 100 Coresta-Einheiten (1 Coresta-Einheit = 1 cmV(cm ² min kPa)).

In einer Ausfuhrung umfasst das Zigarettenpapier weiterhin ein oder mehrere Brandsalze, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zitraten, Malaten, Tartraten, Acetaten, Nitraten, Succinaten, Fumaraten, Gluconaten, Gycolaten, Lactaten Oxylaten, Salicylaten, α- Hydroxycaprylaten und Phosphaten, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Natriumzitrat und Trikaliumzitrat, wobei der Gehalt besonders bevorzugt bis zu 4 Gew.-% beträgt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Zigarette, die ein Zigarettenpapier der Erfindung umfasst.

In einer Ausfuhrung der Zigarette beträgt der Wert für die Selbstverlöschung mehr als 75%, vorzugsweise mindestens 85%, besonders bevorzugt mindestens 95%, und der im Free burn- Test gemessene Wert beträgt mehr als 50%, vorzugsweise mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 80%.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Zigarettenpapiers oder zum Herstellen einer Zigarette, das die folgenden Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen eines Zigarettenpapiers mit einer Diffusivität von 0,1 bis 3 cm/s, gemessen bei Raumtemperatur, und/oder einer Luftdurchlässigkeit von 10 bis 200 Coresta-Einheiten, vorzugsweise 40 bis 100 Coresta- Einheiten;

(b) Bereitstellen einer filmbildenden Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung;

(c) Aufbringen der filmbildenden Zusammensetzung auf das Zigarettenpapier mittels Druckverfahren, vorzugsweise mittels Tiefdruck oder Flexodruck. Unter dem Begriff „statistisch signifikant voneinander verschieden" soll Folgendes verstanden werden. Zwei oder mehr Substanzen besitzen statistisch signifikant voneinander verschiedene Molekulargewichtsverteilungen, wenn der χ ² -Homogenitätstest, angewandt auf diese Molekulargewichtsverteilungen, zeigt, dass sie mit einem Signifikanzniveau von 95% nicht identisch sind. Der χ ² -Homogenitätstest ist ein Standardverfahren der Statistik, der es erlaubt, die Hypothese zu testen, ob zwei oder mehr Verteilungen identisch sind. Er gehört zu den nicht-parametrischen Tests und verlangt daher keine Voraussetzungen über die Art der Verteilung.

Sofern eine Substanz hier durch ihr mittleres Molekulargewicht mit oder ohne Angabe der Standardabweichung beschrieben wird, beispielsweise durch "ein mittleres Molekulargewicht von 600.000 ± 90.000 g/Mol", soll eine Normalverteilung des Molekulargewichts vorausgesetzt sein.

Die Erfindung besteht darin, ein Gemisch zweier oder dreier filmbildender Substanzen mit voneinander verschiedenen mittleren Molekulargewichten, genauer gesagt, mit statistisch signifikant voneinander verschiedenen Molekulargewichtsverteilungen, zu verwenden. Es ist bekannt, dass das Molekulargewicht einer Substanz die Viskosität ihrer Lösung beeinflusst, doch ist der Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskosität schon bei einzelnen Substanzen kompliziert und erst recht bei Gemischen schwer vorhersehbar. Es wurde nun überraschend gefunden, dass durch die Mischung einer hochmolekularen Stärke und einer niedrigmolekularen Stärke sowie fallweise einer mittelmolekularen Stärke eine Lösung hergestellt werden kann, deren Gesamtgehalt an filmbildenden Substanzen und deren Viskosität durch Wahl des Anteils der einzelnen Stärken unabhängig voneinander eingestellt werden können. Damit können die Eigenschaften des in den diskreten Bereichen gebildeten Films gezielt angepasst werden, ohne dass die Viskosität der filmbildenden Zusammensetzung, die aufgetragene Menge oder der Gesamtgehalt an Filmbildnern in der Drucklösung verändert werden müssen. Damit bleibt eine einwandfreie Verarbeitbarkeit durch die Auftragsvorrichtung ohne Veränderung der Einstellungen gewährleistet. Beispielsweise kann bei einem vorgegebenen Druckzylinder durch Variation der Zusammensetzung der Drucklösung ein großes Spektrum an Zigarettenpapieren mit gewünschtem Ergebnis bedruckt werden. Möchte man die Diffusivität der bedruckten Bereiche des Zigarettenpapiers senken, dann ist es erfindungsgemäß hilfreich, den Anteil an hochmolekularen filmbildenden Substanzen zu erhöhen und den an niedrigmolekularen filmbildenden Substanzen zu senken. Es wird also mehr hochmolekulare filmbildende Substanz einzusetzen sein, wenn man von einem ursprünglichen Zigarettenpapier zu einem alternativen Papier wechseln möchte, bei dem die unbedruckten Bereiche von vornherein eine höhere Diffusivität aufweisen als beim ursprünglichen Papier. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das alternative Zigarettenpapier eine höhere Luftdurchlässigkeit besitzt oder einen höheren Füllstoffgehalt aufweist. Außerdem ist das der Fall, wenn das alternative Zigarettenpapier einen höheren Gehalt an Brandsalzen besitzt, da es dann unter thermischer Einwirkung schneller zerfallt. Auch ist ein größerer Anteil an hochmolekularer filmbildender Substanz hilfreich, wenn die Zigarette eine Tabakmischung umfasst, die besonders schnell und intensiv glimmt. Das Prinzip gilt selbstverständlich auch umgekehrt, d.h. um die Diffusivität zu erhöhen, sollte weniger hochmolekulare und mehr niedrigmolekulare filmbildende Substanz verwendet werden.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Figur 1 zeigt thermogravimetrische Kurven der Stärken A und B.

BEISPIELE

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip wird am Beispiel von Stärken bzw. Stärkederivaten in wässriger Lösung beschrieben, es lässt sich aber auch auf andere Filmbildner, darunter auch Filmbildner in nicht-wässrigen Lösungen übertragen.

BEISPIEL 1 : Zusammensetzung der Drucklösung und Einfluss auf Diffusivität sowie SE- und FB-Wert

Auf ein Zigarettenpapier wurden verschiedene filmbildende Zusammensetzungen im Druckverfahren aufgebracht. Für die Drucklösung wurden folgende filmbildende Substanzen verwendet:

Stärke A Mittleres Molekulargewicht 200.000 g/Mol

Stärke B Mittleres Molekulargewicht 600.000 g/Mol

Stärke MD Mittleres Molekulargewicht 100.000 g/Mol

Stärke A und B sind carboxylierte Kartoffelstärkepulver, die Stärke MD ist ein enzymatisch abgebautes Kartoffelstärkepulver (Maltodextrin). Als Lösungsmittel diente Wasser. Die Drucklösung enthielt weiterhin Kalziumkarbonat, das üblicherweise zugesetzt wird, um die aufgedruckten Bänder weniger sichtbar zu machen.

Die filmbildende Zusammensetzung wurde in Form von Bändern aufgetragen. Die aufgedruckten Bänder waren 6 mm breit, und der Abstand von Bandmitte zu Bandmitte betrug 27 mm. Die Bänder waren im rechten Winkel zur Laufrichtung der Papierbahn angeordnet. Der Aufdruck erfolgte mit Hilfe eines Tiefdruckwerks. Hierbei handelt es sich um die bevorzugte, technisch häufig realisierte Variante, es kann jedoch auch jede andere beliebige Druckgeometrie verwendet werden.

Es wurde ein Zigarettenpapier mit den folgenden Eigenschaften verwendet:

Papier A:

Flächengewicht 26 g/m ²

Fasern Flachszellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 29%

Luftdurchlässigkeit 60 CU (= cm ³ /(cm ² min kPa))

Brandsalze 1,0%, 50:50 Mischung aus Natrium- und Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse) Die aus dem Zigarettenpapier gefertigten Zigaretten hatten die folgenden Eigenschaften:

Länge 84 mm

Umfang 24,6 mm

Gesamtgewicht 920 mg

Tabakgewicht 650 mg

Tabakmischung American Blend

Das Papier wurde mit drei verschiedenen Drucklösungen gemäß Tabelle 1 bedruckt. Dann wurde für die bedruckten Bereiche die Diffusionskonstante gemessen, und es wurde der Werte für die Diffusivität abgeleitet. Danach wurden aus diesen Papieren Zigaretten gefertigt, und die Zigaretten wurden getestet.

Tabelle 1:

Für die Drucklösung bezeichnet die Prozentzahl den Anteil der jeweiligen Substanz in Gewichtsprozent (Gew.-%), bezogen auf die fertig hergestellte Drucklösung. Beispielsweise besteht die Drucklösung von Versuch 1 aus 5 Gew.-% Stärke MD, 22 Gew.-% Stärke B und 5 Gew.-% Kalziumkarbonat (Kalk). Der Gehalt an Stärke beträgt also insgesamt 27 Gew.-%, der Gesamtgehalt an Feststoffen beträgt 32 Gew.-%, und es wird mit Wasser auf 100 Gew.-% ergänzt.

Die Viskosität wird mit einem Auslaufbecher DESf 4 bestimmt. Dabei wird die Zeit in Sekunden gemessen, die ein definiertes Volumen der Drucklösung benötigt, um durch eine Öffnung im Boden des genormten Auslaufbechers auszurinnen. Die Viskositätsmessung erfolgt an der fertigen Drucklösung bei 70 °C. Die Auftragsmenge ist die in den Bändern auf dem Papier nach dem Trocknen zusätzlich vorhandene Masse pro bedruckter Flächeneinheit in g/m ² . Die Messung erfolgt durch eine Wägung.

Die Diffusivität bezeichnet den Widerstand gegen einen Gasaustausch zufolge einer Konzentrationsdifferenz im Bereich der aufgedruckten Bänder. Sie ist eng mit der Diffusionskonstanten verwandt. Die Diffusionskonstante D hat die Einheit rnVs und beschreibt die Strömungsgeschwindigkeit v zufolge eines Konzentrationsgradienten grad(c), der näherungsweise durch grad(c) = (C ₁ -C ₂ )Zd gegeben sei, wobei d die Dicke des Papiers und Ci und C ₂ die Konzentration auf den beiden gegenüberliegenden Seiten das Papiers sind. Es gilt also folgende Beziehung:

v = D - gτad(c) = D^- ^z ^ ² - .

Nun ist aber für die technische Anwendung vor allem von Interesse, welche Strömungsgeschwindigkeit durch das Papier bei gegebener Konzentrationsdifferenz erzielt wird. Dies möchte man durch eine das Papier beschreibende Zahl angeben können. Deshalb zieht man die Diffusionskonstante D und die Papierdicke d gemäß D* = D/d zu einer Größe D* zusammen, die als Diffusivität (Pseudo-Übersetzung von Diffusivity) bezeichnet wird. Sie hat die Einheit m/s bzw. cm/s und erlaubt damit, die Strömungsgeschwindigkeit durch das Band hindurch mittels folgender Formel

v = ^(c, - C ₂ ) ^ D * (C ₁ - c ₂ ) d zu berechnen. Damit kann man anhand von D* verschiedene Papiere vergleichen, ohne ihre Dicke zusätzlich nennen zu müssen. Die Diffusivität, wie in Tabelle 1 angegeben, entspricht also der Diffusionskonstanten dividiert durch die Dicke des Papiers. Sie wird nach einem nicht genormten Verfahren mit einem ,,CO ₂ Diffusivity Meter" der Firma SODIM gemessen. Die Diffusivität beschreibt damit, wie leicht (hoher Wert) bzw. wie schwer (niedriger Wert) Sauerstoff zum Glutkegel durch das Zigarettenpapier gelangen kann. Ist der Wert hinreichend niedrig, dann verlischt die Zigarette von selbst. Allerdings ist beim Glimmen das Zigarettenpapier im Bereich des Glutkegels schon thermisch stark beansprucht. Es hat sich daher gezeigt, dass die Aussagekraft dieses Messwerts noch erheblich gesteigert werden kann, wenn die Papiere zuvor aufgeheizt werden. Deshalb wird das Papier 30 Minuten lang auf 230°C in einem Trockenschrank, beispielsweise in einem Trockenschrank ED53 der Firma Binder, erwärmt. Die Veränderungen im Papier und auch in den bedruckten Bändern sind irreversibel, weshalb man das Papier zunächst auskühlen lassen kann, um dann die Diffusivität im Bereich der Bänder zu bestimmen.

Der SE-Wert bezeichnet das Ergebnis des genormten Ignition Strength-T ests nach ASTM E2187-04. Bei diesem Test wird eine glimmende Zigarette auf eine Unterlage aus 10 Lagen des Filterpapiers Whatman #2 gelegt, und es wird festgestellt, ob die Zigarette ausgeht. Die Prozentzahl gibt an, wie viele Zigaretten einer Stichprobe von 40 Stück ausgegangen sind.

Der FB-Wert bezeichnet das Ergebnis eines nicht genormten Tests, bei dem eine glimmende Zigarette in horizontaler Lage derart in einem Halter fixiert wird, dass Luft von allen Seiten zur Zigarette treten kann. Die Zigarette liegt also nicht auf einer Unterlage. Dieser Test simuliert das Glimmen der Zigarette im Aschenbecher. Die Prozentzahl gibt an, wie viele Zigaretten einer Stichprobe von 40 Stück bei diesem Test NICHT verlöschen.

Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, wurde in Versuch 1 , bei der die Drucklösung vor allem aus einer hochmolekularen Stärke B besteht, eine Diffusivität von 0,205 cm/s erzielt. Die aus dem entsprechenden Zigarettenpapier gefertigten Zigaretten wiesen einen SE-Wert von 100% und einen FB-Wert von nur 60% auf. Das bedeutet, dass in diesem Beispiel die Zigaretten zu häufig im Aschenbecher verlöschen würden.

In Versuch 2 wurde anstelle der hochmolekularen Stärke B eine mittelmolekulare Stärke A verwendet. Entsprechend steigt die Diffusivität von 0,205 cm/s auf 0,405 cm/s an. Dementsprechend verlöschen weniger Zigaretten, der SE-Wert beträgt nur 57%, wohingegen keine Zigaretten im Free Burn-Test verlöschen und der FB-Wert daher 100% beträgt. Eine solche Zigarette verlischt zu selten, um den gesetzlichen Bestimmungen zu genügen.

In Versuch 3 wurde eine Mischung aus Stärke A und Stärke B verwendet, und es konnte eine Diffusivität von 0,312 cm/s erzielt werden. Dieser Wert liegt zwischen den in Versuch 1 (0,205 cm/s) und Versuch 2 (0,405 cm/s) erhaltenen Werten. Das Ergebnis für den SE-Wert ist mit 95% ebenso befriedigend wie das Ergebnis für den FB-Wert mit 90%. In diesem Beispiel wurde eine Auftragsmenge von etwa 5,5 g/m ² vorgesehen, es lassen sich aber auch mit wesentlich niedrigeren Auftragsmengen, bis zu etwa 2,5 g/m ² , gute Ergebnisse erzielen.

Dieses Beispiel zeigt, dass gewünschte Testergebnisse für D*, SE und FB erzielt werden können, ohne den Feststoffgehalt der Drucklösung, ihre Viskosität oder die Auftragsmenge wesentlich zu verändern. Damit kann eine Auftragsvorrichtung, wie beispielweise eine Tiefdruckmaschine, zum Auftrag dieser unterschiedlich zusammengesetzten Drucklösungen verwendet werden, ohne irgendwelche Anpassungen an der Auftragsvorrichtung selbst, wie beispielsweise die Ätztiefe der Druckzylinder, die Geschwindigkeit der Papierbahn oder die Leistung der Trocknungsvorrichtung, vornehmen zu müssen. Dies erhöht die Effizienz und Stabilität des Auftragsverfahrens erheblich.

BEISPIEL 2: Einfluss des Zigarettenpapiers

Die filmbildenden Substanzen, die Bestandteile der Drucklösung, die Geometrie der Bänder und die Eigenschaften der gefertigten Zigaretten waren wie in BEISPIEL 1.

Es wurde jedoch ein Zigarettenpapier mit den folgenden Eigenschaften verwendet:

Papier B:

Flächengewicht 24 g/m ²

Fasern Holzzellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 29%

Luftdurchlässigkeit 75 CU (= cm ³ /(cm ² min kPa))

Brandsalze 1 ,0% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse)

Damit unterscheidet sich Papier B von Papier A in allen wesentlichen Eigenschaften. Tabelle 2:

In Versuch 5 wurde die mittelmolekulare Stärke A von Versuch 4 durch eine niedrigmolekulare Stärke MD ersetzt. Entsprechend steigt die Diffusivität von 0,250 cm/s auf 0,280 cm/s an. Die Testergebnisse zeigen, dass für die SE- und FB-Werte zufrieden stellende bis optimale Ergebnisse erzielt werden konnten.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Anpassung der Testergebnisse für D*, SE und FB an verschiedene Papiereigenschaften erfolgen kann, ohne den Feststoffgehalt der Drucklösung, ihre Viskosität oder die Auftragsmenge wesentlich zu verändern.

Es ist wünschenswert, dass der Papierhersteller ohne eigene Versuche bereits anhand der Papiereigenschaften erkennen sollte, welche Ergebnisse für SE und FB zu erwarten sind. Dies leistet genau die Diffusivität D* des Papiers, da aus dieser Größe die SE- und FB-Werte vorhergesagt werden können. Daher soll D* jener Wert sein, mit dem das Papier, d.h. genauer gesagt, die bedruckten Bereiche, charakterisiert werden.

BEISPIEL 3: Einfluss der Luftdurchlässigkeit des Zigarettenpapiers

Die filmbildenden Substanzen, die Bestandteile der Drucklösung und die Geometrie der Bänder waren wie in BEISPIEL 1.

Es wurden jedoch Zigarettenpapiere mit den folgenden Eigenschaften verwendet:

Papier C

Flächengewicht 26 g/m ²

Fasern Flachszellstoff Füllstoff Kalziumkarbonat, 29%

Luftdurchlässigkeit 60 CU (= cm ³ /(cm ² min kPa))

Brandsalze 1 ,4% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse)

Papier D

Flächengewicht 26 g/m ²

Fasern Flachszellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 29%

Luftdurchlässigkeit 80 CU (= cm7(cm ² min kPa))

Brandsalze 1 ,4% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse)

Papier E

Flächengewicht 28 g/m ²

Fasern Holzzellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 25%

Luftdurchlässigkeit 10 CU (= cm ³ /(cm ² min kPa))

Brandsalze 1,0% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse)

Papier F

Flächengewicht 25 g/m ²

Fasern Holzzellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 32%

Luftdurchlässigkeit 200 CU (= cm ³ /(cm ² min kPa))

Brandsalze 1 ,4% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse)

Tabelle 3:

Die Tabelle zeigt, dass bei Verwendung von Papier D (80 CU, Versuch 7) anstelle von Papier C (60 CU, Versuch 6) bei gleicher Drucklösung die Diffusivität von 0,210 cm/s auf 0,232 cm/s ansteigt. Erhöht man den Anteil der mittelmolekularen Stärke A im Verhältnis zur niedrigmolekularen Stärke MD (Versuch 8), kann fast die gleiche Diffusivität erreicht werden wie in Versuch 6.

Wie die Versuche 9 und 10 zeigen, können auch bei einer besonders niedrigen (10 CU) oder besonders hohen (200 CU) Ausgangdurchlässigkeit des Zigarettenpapiers befriedigende Diffusivitätswerte erreicht werden.

BEISPIEL 4: Einfluss des Füllstoffgehalts des Zigarettenpapiers

Die filmbildenden Substanzen, die Bestandteile der Drucklösung und die Geometrie der Bänder waren wie in BEISPIEL 1.

Es wurden jedoch Zigarettenpapiere mit den folgenden Eigenschaften verwendet:

Papier G

Flächengewicht 26 g/m ²

Fasern Flachszellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 23%

Luftdurchlässigkeit 100 CU (=cm7(cm ² min kPa))

Brandsalze 2,0% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse)

Papier H

Flächengewicht 26 g/m ²

Fasern Flachszellstoff

Füllstoff Kalziumkarbonat, 32%

Luftdurchlässigkeit 100 CU (= cm7(cm ² min kPa))

Brandsalze 2,0% Trikaliumzitrat (in % der gesamten Papiermasse) Tabelle 4:

Beim Wechsel von Papier G mit einem Füllstoffgehalt von 23% (Versuch 11) zu Papier H mit einem Füllstoffgehalt von 32% (Versuch 12) war es notwendig, den Anteil an niedrigmolekularer Stärke MD deutlich zugunsten der hochmolekularen Stärke B zu verschieben, um die Diffusivität von 0.250 cm/s beizubehalten. Dies beruht darauf, dass das Papier H mit dem höheren Füllstoffgehalt auch eine höhere Ausgangsdiffusivität in den unbedruckten Bereichen besitzt.

BEISPIEL 5: Einfluss der Brandsalze im Zigarettenpapier

Die filmbildenden Substanzen, die Bestandteile der Drucklösung, die Geometrie der Bänder und die Eigenschaften der gefertigten Zigaretten waren wie in BEISPIEL 1. Es wurden Papier A (Versuch 13) und Papier C (Versuche 14 und 15) verwendet, die sich nur in ihrem Gehalt an Brandsalzen unterscheiden (1,0% bzw. 1,4% Zitrate).

Tabelle 5:

Die Tabelle zeigt, dass beim Wechsel von Papier A zu Papier C bei gleicher Drucklösung die Diffusivität von 0,354 cm/s (Versuch 13) auf 0,435 cm/s (Versuch 14) ansteigt. Parallel dazu fällt der SE- Wert von 87,5% auf 62,5%, und damit unter den akzeptablen Wert von 75%. Der Grund dafür ist, dass Brandsalze den thermischen Zerfall des Papiers beschleunigen und damit die Diffusivität nach dem Aufheizen des Papiers erhöhen.

Durch Erhöhen des Anteils der hochmolekularen Stärke B von 17% auf 20% und Verringerung des Anteils der mittelmolekularen Stärke A von 5% auf 2% kann schließlich in Versuch 15 eine Diffusivität von 0,365 cm/s erreicht werden, die zu einem akzeptablen Wert für SE von 77,5% führt.

Damit muss ein höherer Gehalt an Brandsalzen durch eine Senkung der Diffusivität kompensiert werden, was durch eine Erhöhung des Anteils an hochmolekularer Stärke möglich ist.

Auch in diesem Beispiel wurden nur die Anteile der Stärken in der Drucklösung verändert, während die Viskosität, der Feststoffgehalt und die Auftragsmenge praktisch unverändert blieben.

BEISPIEL 6: Herstellung einer filmbildenden Zusammensetzung

Zum Herstellen der filmbildenden Zusammensetzung kann ein Doppelmanteltank, beispielsweise der Firma ENCO Energie Componenten GmbH, verwendet werden, der mit Dampf beheizt werden kann. Der Tank sollte mit einem Rührwerk, beispielsweise bestehend aus einer Dispergierscheibe und zwei Propellerrührern, ausgestattet sein.

Zunächst wird eine definierte Menge an Wasser in den Tank eingespeist, und unter Rühren wird dann eine entsprechende Menge an Kalziumkarbonat, beispielsweise 5 oder 11 Gew.-% der Zusammensetzung zugegeben. Das Kalziumkarbonat wird etwa 5 Minuten dispergiert. Danach wird die Suspension auf 50°C aufgeheizt, und es wird die entsprechende Menge eines Stärkegemischs zugegeben. Danach wird die Temperatur der fertigen Zusammensetzung etwa 20 Minuten bei 90°C gehalten; sie ist dann einsatzbereit.

Alternativ zu Kalziumkarbonat kann auch Aluminiumhydroxid eingesetzt werden, das denselben Zweck erfüllt, nämlich eine Verbesserung der optischen Eigenschaften der Bänder, insbesondere eine Erhöhung der Opazität. BEISPIEL 7: Einstellung einer filmbildenden Zusammensetzung

Als Startwerte für die Herstellung einer Drucklösung empfehlen sich je nach Papiereigenschaften die Angaben in Tabelle 6, um eine Difrusivität von etwa 0,3 cm/s zu erreichen. Diese Werte sind dann noch an den Füllstoffgehalt und den Gehalt an Brandsalzen des Papiers sowie an den Gehalt an Kalziumkarbonat in der Drucklösung anzupassen. Die Werte der Tabelle gelten für einen Füllstoffgehalt von 25% und für 1% Trikaliumzitrat im Papier und 5% Kalziumkarbonat in der Drucklösung.

Tabelle 6:

BEISPIEL 8: Thermogravimetriekurven

Figur 1 zeigt Thermogravimetriekurven (TGA-Kurven) der beiden Stärken A und B. Dabei werden die Proben in Stickstoffatmosphäre mit einer Rate (heat rate) von 5°C/min auf bis zu 500°C aufgeheizt, und die Massenänderung (weight loss, %) wird durch gleichzeitige Wägung der Probe bestimmt.

Figur 1 ist zu entnehmen, dass die höhermolekulare Stärke B etwas langsamer, d.h. bei höheren Temperaturen, zerfällt als die niedrigmolekulare Stärke A. Dadurch ist Stärke B länger in der Lage, auf dem Zigarettenpapier einer thermischen Belastung standzuhalten, wodurch der auf dem Zigarettenpapier gebildete Film länger intakt bleibt. Dadurch ist die Diffusivität der bedruckten Bereiche des Papiers bei Einsatz von Stärke B niedriger als bei einem Einsatz der Stärke A. Daher wird man den Anteil der Stärke B dann höher wählen, wenn man die Diffusivität senken möchte.