JP4870917B2

JP4870917B2 - フィルター素材

Info

Publication number: JP4870917B2
Application number: JP2004264116A
Authority: JP
Inventors: ベンツ、マーティン; メジャー、ダニー
Original assignee: アウトラストテクノロジーズ，インコーポレイティド
Priority date: 2003-09-13
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: AU2004210563B2; CA2481395A1; JP2005087735A; ES2362209T3; DE10342416A1; EP1514587B1; RU2346725C2; US7311209B2; AU2004210563A1; CA2481395C; EP1514587A1; ZA200407269B; RU2004127218A; PL1514587T3; DE502004012340D1; US20050061733A1; ATE503547T1

Description

本発明は、１つまたは複数の繊維層から構成され、特にろ過・抽出（ｉｎｆｕｓｉｏｎ）飲料のためのフィルターバッグ及び円錐型フィルターの製造に使用されるフィルター素材及びフィルター紙に関し、これによって製造されたフィルターバッグをろ過・抽出（ｉｎｆｕｓｉｏｎ）する充てん材で満たし抽出を行うことで、現在知られているフィルターバッグよりも実質的に短時間で色素と香りがより強い抽出物を供給することが可能となり、より良い色素及び味わいの飲料を提供することができる。

一般的に、フィルター素材は特別な製紙機器を用いて天然繊維、あるいは天然繊維と合成繊維を組み合わせた素材から製造される。

第１工程において、天然繊維の水性懸濁液が好ましくは斜めに配置された抄紙機の織布に施され、繊維懸濁液は第１脱水室に導かれる。この工程では、移動する織布の上に天然繊維からなる第１繊維層が形成される。天然繊維と合成繊維とから作られるヒートシール適性のあるフィルター素材を製造する場合、第２工程において第２懸濁液におけるヒートシール適性のある合成繊維は、織布が前進運動の状態にある間に天然繊維の第１繊維層に圧着され、そのまま更なる脱水室へと導かれる。抄紙機において、相互に重なった２つの繊維層を有する織布の前進運動の経過において乾燥が行われ、合成繊維は第１天然繊維層に融合し、その結果として２つの繊維層において部分溶け込みが生じる。そしてフィルター素材にはヒートシール適性が生まれる。

製紙機器において、乾燥はシリンダー接触乾燥や温風を用いた通気乾燥などの手段によって行われる。

乾燥が終わると、ヒートシール適性のある、またはヒートシール適性のないフィルター素材は巻き取られ必要な幅に切断され、最終的には自動包装機器でバッグの形に形成され、例えば紅茶などの充てん材が内部に詰められる。

フィルター素材が抽出可能な紅茶やその他の充てん材のバッグとして用いられる場合、迅速に注入されることが望ましい。

このような場合、通常は大量の細かい茶葉破片を含む紅茶を包装する。このとき紅茶のフィルター素材が望ましい高い空隙率を有する、つまり孔が大量に形成されていると、孔から細かい茶葉破片が流出してしまい、使用する際またはティーバッグの運搬の際にも非常に望ましくない。

このような不都合を防ぐための１つの方法としては、孔を本質的により小さく、相互によりずらして、またより密接に形成し、茶葉のカスの流出する量が減少するようにすることである。しかしながら、このようにすることで紅茶の注入も遅くなる。

ＥＰ０６５６２２４Ａ１において、基層と溶融されたポリマー層とからなる紅茶のフィルター素材が開示されている。この周知の紅茶フィルター素材では、注入時間を実質的に減速させることのないように必要な孔を相互に対してずらして形成し、こうすることで流出する茶葉のカスの減少に成功している。

ＵＳ−Ａ−４２８９５８０によると、紅茶の注入を最適にするために、フィルター素材の穿孔は水噴出機構によって製紙機器において行われる。

ＥＰ１２２９１６６Ａ１では、穿孔及び／または打ち出しの手段を用いることで、フィルター素材がよりろ過もしくは抽出（ｉｎｆｕｓｉｏｎ、以下、単に「ろ過」という。）しやすいように形成される方法が開示されている。

しかし、現在使用されている紅茶のフィルター紙では、注入液体においてフィルターバッグが少しも動くことがなければ、抽出された高濃度の紅茶が液体とフィルター紙の接触面に非常に早く集積されてしまう。このように高濃度（境界集積）になると、フィルターバッグの内側と外側の間の濃度勾配が、ここでもバッグが動かないことには生じないため、充てん材が抽出されにくくなる。

そしてＥＰ１２１５１３４Ａ１では、膨張性吸収繊維が組み込まれたフィルター素材が開示されている。この素材で形成されたティーバッグは、バッグをされた液の中で動かす必要なく、充てん材の最大限のろ過を確実に行うことが可能となる。

繊維が膨張することによって微細な渦巻きが生じ、フィルター紙の接触面において再び必要な濃度勾配を生じさせる。

この微細な渦巻きを生じさせるには、吸収繊維がフィルター素材の製造に用いられる通常の天然繊維及びポリマー繊維よりも大きな繊維直径を有することが前提となる。このように、フィルター素材に吸収繊維を組み込み繊維同士の結合を行うには、更なる付加的な化学的及び技術的な補助が必要となる。

よって本発明の目的は、上記に記載のような先行技術における不利な点を防ぎ、厳密には細かい茶葉の破片がフィルター素材から流出することなく、素早いろ過が達成できるようなフィルター素材を提供することである。

本発明によるフィルター素材には、マイクロファイバーまたはマイクロカプセルが非常に小さな繊維寸法で組み込まれており、その構成から吸熱及び発熱反応によって注入液において微細な渦巻きを発生させ、このようにすることで非常に素早く交流またはろ過を行う。

本発明によると、この目的は相変化物質を有する繊維またはマイクロカプセルを含んでなる少なくとも１つの繊維層によって達成することが可能となる。

本発明によるフィルター素材を製造するための方法は、請求項１６において説明されている。

ティーバッグ、茶葉用フィルター、コーヒーバッグまたはコーヒーフィルターは、請求項２４において言及されている。

本発明によるフィルター素材は、厳密に言うと充てん材の破片がフィルター素材を通過することなく、抽出される充てん材を明らかに素早くろ過することが実際に分かった。このようにすることで、例えば上記のフィルター素材で製造され、抽出される充てん材が詰められたバッグは、周知のフィルターバッグと比べてかなりの短時間で色素と香りがより強い注入液を供給することができ、色素及び味わいの特性が格段に良くなることが分かった。

このフィルター素材における本発明による繊維、マイクロファイバーまたはマイクロカプセルは、非常に小さな繊維寸法またはマイクロカプセル寸法を有し、これは破片がフィルターを通過することを防ぎながらも、これに付随して液体の交流が妨げられないことを意味する。しかし現実では、その逆となる場合が多い。

相変化物質を含んでなる繊維またはマイクロカプセルは、例としてＥＰ０６１１３３０Ｂ１及びＵＳ２００３／００３５９５１Ａ１において説明されている。この場合、繊維及びマイクロカプセルの意図された目的は、衣服のためのより高い保温性を有する織布または編地の布製品を製造するためである。そのような繊維またはマイクロカプセルが用いられた衣服は発生した体温を吸収し、必要であるときにはその熱を発散する。固体から液体、液体から気体及びこの逆の相変化において熱エネルギーは発散されるか消費されるという肉体的効果がこの方法において利用されている。

驚くべきことに、フィルター素材と一体化された、相変化物質を含んでなる繊維またはマイクロファイバーは、ろ過される物質の注入に関してより強力な吸引力または微細な渦流を発生することが明らかとなった。このような機能は、非常に早い注入効果を有する湾流または大量の小さな湾流と実質的に同様であると立証された。

本発明によるフィルター素材がろ過飲料の製造に用いられる場合には、固体から液体への相変化が０℃から１２０℃、好ましくは５０℃から１００℃の間の範囲で行われる相変化物質が有利に使用される。

本件において、このような温度範囲はもちろん単なる一例として示したにすぎない。本発明によるフィルター素材が違う用途で用いられる場合には、ろ過される物質に適合した温度範囲で相変化が行われる相変化物質が用いられる。

例えば炭化水素、とりわけパラフィン系炭化水素などの、非常に広い範囲の物質を相変化物質として用いることが可能である。

しかし原則的には、大量の物質を用いることもまた可能である。これに関して、一例としてはＵＳ２００３／００３５９５１Ａ１において、この物質の例及び製造法が開示されている物質を参照とする。よってＵＳ２００３／００３５９５１Ａ１及びＥＰ０６１１３３０Ｂ１には、本発明の内容も含まれることとなる。

次の物質は相変化物質の例として挙げられる：炭化水素、水和塩、ワックス、油、脂肪酸、脂肪酸エステ、二塩基酸、二塩基エステ、第１級アルコール、多価アルコール、クラスレート、セミクラスレート、ステアリン酸、エチレン炭酸塩、ポリマー及びこれらの混合物。

相変化物質を有する繊維またはマイクロカプセルは、フィルター素材の単位面積当たりの重量に基づいて、１％から７０％、好ましくは２％から３０％、更に好ましくは３％から１０％の割合の重量で含まれる。

本発明によるフィルター素材の単位面積当たりの重量は８から９０ｇ／ｍ²、好ましくは１０から２５ｇ／ｍ²の間の範囲とする。また、フィルター素材は１つの層からでも複数の層からでも構成することが可能である。１つの層から構成される場合、針葉樹バルプ及び／またはアバカ繊維と、相変化物質を含んでなる対応する比率の繊維またはマイクロカプセルとから構成される。複数の層からなる構造の場合には、第二層目はヒートシール適性のある物質としてヒートシール適性を持つポリマー繊維から構成される。

本発明による方法において、相変化物質を有する繊維またはマイクロカプセルは、製紙機器で製造される第１層目に加えられてもよい。これは天然繊維と混合されて用いられることもある。しかし、繊維またはマイクロカプセルを製紙機器における例えばサイズ・プレスなどの圧着装置を用いて紙に加えることもまた可能である。

本発明の有利な発展案または改良案は、残りの従属請求項、そして図面を参照として以下に原則的な説明が付された模範的な具体案から表される。

図示するために、本発明による方法は２繊維層式フィルター素材の例を用いて、より詳細に説明される。

図１を参照として、容器１及び２から２つの繊維懸濁液Ａ及びＢが製紙機器におけるフロー・ボックス３に運ばれ、紙素材を形成するために製紙機器における製紙繊維４に施される。

５，６及び７は水分が抽出される脱水室を示す。必要な配管や揚水装置は具体的には描かれていない。そして８は、天然素材と合成素材とから形成された素材を示す。天然繊維と水は容器１から加えられ、合成繊維と水は容器２から加えられる。

そして、その素材は製紙機器の織布から取り外され乾燥される。９は、接触工程によって素材を乾燥させる３つの乾燥シリンダーが略図的に示されたものである。しかし、その素材を１つのシリンダーに通して温風をかけることによって乾燥させることもまた可能である。乾燥が終わると、フィルター素材はロール１０によって巻き取られる。ここでポジショニングが行われる。

相変化物質を有する繊維またはマイクロカプセルは、製紙機器において製造が行われている際にすでに天然繊維と共に容器１に直接加えられるか、あるいはその後に例えばサイズ・プレスなどの圧着装置において加えられてもよい。

好適には、マイクロカプセルまたはマイクロファイバーが望ましい繊維層に圧着するように、例えばポリアクリル酸の結合剤（アクロナル・Ａｃｒｏｎａｌ（登録商標））が加えられる。

図２から図４では、本発明によるフィルター素材の形成に関する様々な工程が概念図で示されている。図２には、天然繊維からなる第１繊維層１１の形成とヒートシール適性を持つ合成繊維からなる第２繊維層の形成が示されている。そして、相変化物質１４を含んでなるマイクロカプセル１３ａまたはマイクロファイバー１３ｂが加えられる。マイクロカプセル１３ａまたはマイクロファイバー１３ｂは天然繊維層１１に結合剤を用いて付される。

図３は、繊維層１１及び１２の部分溶け込みの様子を示している。

図４は、更なる工程において乾燥によって天然繊維層１１がヒートシール適性を持つ合成繊維層１２に結合する様子を示している。見ると分かるように、ヒートシール適性を持つ合成繊維１２は部分的に天然繊維１１を被覆し、これによって相変化物質１４を含んでなるマイクロカプセル１３ａまたはマイクロカプセル１３ｂもまた被覆される。

図５は、マイクロカプセル１３ａを更に拡大した図を概念的に示している。見ると分かるように、これには保護層１５が施されており、その内部には例えばパラフィン系炭化水素などの相変化物質１４が内包される。一般的には、できる限り広域の温度範囲を確保するために異なる相変化を持つ炭化水素の混合物が使用される。この保護層としては、例えばポリアクリル酸の層などを用いることができる。

マイクロカプセル１３ａは水性アクリル酸液に懸濁され、サイズ・プレスによって製紙機器において不織布に付される（実施例２参照）。これは、マイクロカプセル１３ａがそれ自体の層を形成するのではなく、不織の紙においてその層の厚さにわたって均一に散布されることを意味する。

短繊維、すなわち長い繊維を切断して作られた繊維が用いられる場合、切断する際にあまり多くの相変化物質１４が流出しないように、フェニル酢酸エチレンが仕切りとなる水平壁として中空糸に特定の間隔をもって施されてもよい。

この場合に用いられる中空糸は合成繊維であってもよい。相変化物質１４を有する中空糸は、図２から図４において図示されるような天然繊維層１１と同様または類似した方法で結合されてもよい。

図６では、中空糸としてのマイクロファイバー１３ｂの縦方向断面図が非常に拡大して示されており、その内部には同様に相変化物質１４が内包される。中空糸の外層は、ポリエステル、ポリアミドまたはその類の物質から構成される。短繊維を形成する際にあまり多くの相変化物質１４が流出しないように施されるフェニル酢酸エチレンの中間壁１６は、図では点線で示されている。更なる詳細に関しては、ＵＳ２００３／００３５９５１Ａ１を参照とする。

お茶の注入が改善された様子は、消光方法によって確認することができる。この方法のために、本発明によるフィルター素材からティーバッグが１３ｇ／ｍ²で作られ、相変化物質を含んでなる繊維またはマイクロカプセルが異なる比率でそれぞれに付される。これらのバッグには約２ｇの紅茶が詰められ、特定の量だけの熱湯がその上に注がれた。揚水ユニットを用いて、生成された色素付きの紅茶は光度計に通され循環された。４４５ｎｍの波長の光線が揚水された液体を照らした。そこで測定された消光の数値はデジタル式に記録された。消光とは、液体に吸収されることによって減衰する光線の数値である。消光の数値が高いほど、紅茶のろ過液の色素が濃いということである。

従来のヒートシール適性のないティーバッグ紙のための繊維混合物に、内部に相変化物質を内包したマイクロカプセルを有するアクリル繊維が１０％、２０％、そして３０％の割合で加えられた。繊維寸法は、２ミリから５ミリの２ｄｔｅｘであった。これらの混合物から、１３ｇ／ｍ²の湿潤強度で紙が生成された。この紙からティーバッグが作られ、２．０ｇの紅茶が詰められた。上記で記載した工程に続いて、蒸らし時間に応じて消光が測定された。無分別なサンプルとして、何も施されていないティーバッグでも実験が行われた。図７には測定の結果が示されており、ここからマイクロカプセルが施されたアクリル繊維が混合される割合が高いほど、天然繊維を１００％使用したものと比較して紅茶の色素の濃度が格段に濃くなっていることが明らかに分かる。

アクロナル（Ａｃｒｏｎａｌ（登録商標））を１７．４％使用した処方において、相変化物質を含んでなるマイクロカプセルが１％、５％、そして１０％の割合で施された。博士の協力をもとに、１３ｇ／ｍ²のティーバッグ紙は上記の処方によって被覆された。そして、その素材には１２０℃で１０分間、保存処理（Ｃｕｒｉｎｇ）が行われた。含浸紙から２室式ティーバッグを形成し、２．０ｇの紅茶が詰められた。

すでに１回目の実施例においても説明したように、蒸らし時間に応じてティーバッグの消光が測定された。ブラインド・サンプルとして、何も施されていないティーバッグでも実験が行われた。図８には、実験の結果が記されている。

説明：
サンプル１：ブラインド・サンプル
サンプル２：相変化物質を含んでなるマイクロカプセルが１％含まれたサンプル
サンプル３：相変化物質を含んでなるマイクロカプセルが５％含まれたサンプル
サンプル４：相変化物質を含んでなるマイクロカプセルが１０％含まれたサンプル

この実験から、相変化物質を含んでなるマイクロカプセルが増加するに従って、紅茶の色素の濃度が格段に濃くなることが明白に示された。マイクロカプセルが施されていないブラインド・サンプルと比較すると、ブラインド・サンプルの場合に４分間の蒸らし時間で得られたものと同様の色素濃度を２分で、すなわち半分の時間で得ることができた。

本発明によるフィルター素材の製造に用いられる製紙機器の基本的な構造を示した図である。最初の工程において天然繊維から第１繊維層が形成され、ヒートシール適性を持つ合成繊維から第２繊維層が形成されるという本発明によるフィルター素材が形成される様子を示した概念図である。２つの繊維層に説明されているような脱水が施された結果として部分溶け込みが生じる第２工程を示した図である。乾燥が施された結果としてヒートシール適性を持つ合成繊維が溶け、天然繊維を部分的に被覆するという更なる工程を示した図である。マイクロカプセルの断面図である。マイクロファイバーの部分的な縦断面図である。実験結果を先行技術と比較して示したグラフを示す。実験結果を先行技術と比較して示した更なるグラフを示す。

符号の説明

Ａ繊維懸濁液
Ｂ繊維懸濁液
１容器
２容器
３フロー・ボックス
４製紙繊維
５脱水室
６脱水室
７脱水室
８混合素材
９乾燥シリンダー
１０ロール
１１繊維層
１２繊維層
１３ａマイクロカプセル
１３ｂマイクロファイバー
１４相変化物質
１５保護層
１６中間壁部

Claims

１つまたは複数の繊維層からなるろ過飲料のためのフィルターバッグまたは円錐型フィルターの製造に用いられるフィルター素材であって、
上記の少なくとも１つの繊維層（１１）にはフィルターバッグまたは円錐型フィルターに入れられた充填材のろ過・抽出のために相変化物質（１４）が充填された中空糸（１３ｂ）または相変化物質（１４）を有するマイクロカプセル（１３ａ）が含まれてなり、上記相変化物質（１４）は０〜１２０℃の範囲内の温度で固体から液体に相変化し、上記フィルター素材の単位面積あたりの重量は８〜９０ｇ／ｍ²の範囲であることを特徴とするフィルター素材。
上記相変化物質（１４）は、５０℃から１００℃の範囲内の温度で固体から液体に相変化することを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
上記相変化物質（１４）には炭化水素が含まれることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルター素材。
上記フィルター素材には、パラフィン系炭化水素が含まれることを特徴とする請求項３に記載のフィルター素材。
上記相変化物質（１４）は、炭化水素、ワックス、油、脂肪酸、脂肪酸エステル、二塩基酸、二塩基エステル、第１級アルコール、多価アルコール、クラスレート、セミクラスレート、ステアリン酸無水物、エチレン炭酸塩、ポリマーまたはそれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
上記中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）は、フィルター素材の単位面積当たりの重量に基づいて、総重量の１％から７０％の割合で含まれることを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
上記中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）は、フィルター素材の単位面積当たりの重量に基づいて、総重量の２％から３０％の割合で含まれることを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
上記中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）は、フィルター素材の単位面積当たりの重量に基づいて、総重量の３％から１０％の割合で含まれることを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
上記フィルター素材において、単位面積当たりの重量が１０から２５ｇ／ｍ²の間の数値であることを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
２つの繊維層（１１、１２）が備わってなり、第１繊維層は天然繊維と上記中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）とから構成され、第２繊維層はヒートシール適性のあるポリマー繊維から形成され、上記第１繊維層に圧着されることを特徴とする請求項１に記載のフィルター素材。
上記第１繊維層（１１）は天然繊維、針葉樹パルプ、アバカ繊維またはそれらの混合物から構成されることを特徴とする請求項１０に記載のフィルター素材。
上記相変化物質（１４）が充填された中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）は、結合剤によって繊維層と結合されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１に記載のフィルター素材。
上記結合剤はポリアクリル酸であることを特徴とする請求項１２に記載のフィルター素材。
上記中空糸（１３ｂ）は、特定の間隔で仕切りとなる水平壁（１６）を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１に記載のフィルター素材。
上記仕切りとなる水平壁（１６）はフェニル酢酸エチレンにより形成されることを特徴とする請求項１４に記載のフィルター素材。
１つまたは複数の繊維層からろ過・抽出飲料のためのフィルターバッグまたは円錐型フィルターの製造に使用されるフィルター素材を製紙機器によって製造する方法であって、
上記相変化物質（１４）が充填される中空糸（１３ｂ）または相変化物質を有するマイクロカプセル（１３ａ）が、フィルターバッグまたは円錐型フィルターに入れられた充填材のろ過・抽出のために、製紙機器によって製造された少なくとも１つの繊維層（１１）に加えられ、上記相変化物質（１４）は０〜１２０℃の範囲内の温度で固体から液体に相変化し、上記フィルター素材の単位面積あたりの重量は８〜９０ｇ／ｍ²の範囲であることを特徴とする製造方法。
固体から液体への相変化が５０℃から１００℃の範囲内の温度で行われる１つまたは複数の相変化物質（１４）が用いられることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
上記相変化物質（１４）が充填された中空糸（１３ｂ）または相変化物質（１４）を有するマイクロカプセル（１３ａ）は、フィルター素材の単位面積当たりの重量に基づいて、２％から３０％の割合で製紙機器における圧着装置によってフィルター素材に圧着されることを特徴とする請求項１６または１７に記載のフィルター素材を製造する方法。
上記相変化物質（１４）が充填された中空糸（１３ｂ）または相変化物質（１４）を有するマイクロカプセル（１３ａ）は、フィルター素材の単位面積当たりの重量に基づいて、３％から１０％の割合で製紙機器における圧着装置によってフィルター素材に圧着されることを特徴とする請求項１８に記載のフィルター素材を製造する方法。
上記相変化物質（１４）が充填された中空糸（１３ｂ）または相変化物質（１４）を有するマイクロカプセル（１３ａ）は、製造される２つの繊維層（１１，１２）のうち一方である第１繊維層に加えられ、該第１繊維層には天然繊維が含まれることを特徴とする請求項１６から１９のいずれか１に記載の方法。
製造される繊維層のうち第１繊維層（１１）における中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）は、結合剤によってフィルター素材に結合されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
上記結合剤はポリアクリル酸であることを特徴とする請求項２１に記載のフィルター素材。
１つまたは複数の繊維層から構成され、その少なくとも１つの繊維層（１１、１２）はティーバッグ、茶葉用フィルター、コーヒーバッグまたはコーヒーフィルターに入れられた充填材のろ過・抽出のために、相変化物質（１４）が充填された中空糸（１３ｂ）または相変化物質（１４）を有するマイクロカプセル（１３ａ）を含んでなり、上記相変化物質（１４）は０〜１２０℃の範囲内の温度で固体から液体に相変化し、上記フィルター素材の単位面積あたりの重量は８〜９０ｇ／ｍ²の範囲であることを特徴とするティーバッグ、茶葉用フィルター、コーヒーバッグまたはコーヒーフィルター。
２つの繊維層（１１，１２）が備わってなり、その第１繊維層（１１）は天然繊維と、中空糸（１３ｂ）またはマイクロカプセル（１３ａ）とから構成され、第２繊維層（１２）はヒートシール適性のある繊維から形成され、上記第１繊維層（１１）に圧着されることを特徴とする請求項２３に記載のティーバッグ、茶葉フィルター、コーヒーバッグまたはコーヒーフィルター。