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PAPIER POUR UN ARTICLE A FUMER PRESENTANT DES PROPRIETES
DE REDUCTION DU POTENTIEL INCENDIAIRE
L'invention concerne un papier pour un article à fumer présentant des
propriétés de réduction du potentiel incendiaire.
Conventionnellement, les papiers à cigarettes destinés à la
constitution de cigarettes industrielles sont élaborés à partir de fibres
cellulosiques (fibres provenant de bois ou /et de fibres végétales textiles,
avec ajout dans la suspension fibreuse de carbonate de calcium comme
pigment conventionnel).
Des sels retardateurs ou accélérateurs de combustion sont
conventionnellement appliqués sur toute la surface lors de sa fabrication,
afin
de maîtriser certains paramètres de combustion de la cigarette constituée. Il
s'agit généralement de sels de sodium, de sels de potassium, de sels de
magnésium, etc. Ils confèrent en outre à la cigarette une meilleure
combustibilité.
Les normes actuelles imposent aux fabricants de cigarettes de
respecter des taux de goudron, de nicotine et de monoxyde de carbone (CO)
par cigarette inférieurs à des seuils donnés. Par exemple, la réglementation
européenne impose des seuils de 10 mg par cigarette pour le goudron, 1 mg
par cigarette pour la nicotine et 10 mg par cigarette pour le monoxyde de
carbone.
Il a été constaté que la réduction des condensats de la phase
particulaire (goudrons et nicotine) et du monoxyde de carbone de la fumée
de la cigarette était proportionnelle à l'augmentation de la porosité
naturelle
du papier. Par exemple, la mise en oeuvre d'un papier à perméabilité initiale
élevée entre 10 et 200 Coresta (CU, ou mL/min/cm2) permet d'atteindre une
réduction de 28 % de goudron, de 20 % environ de nicotine et de 45 % de
monoxyde de carbone.
La majeure partie du gain est acquise dès le niveau 70 Coresta, avec
une réduction supplémentaire dans l'intervalle 100 - 200 CU.
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Les fabricants de papier ont par ailleurs été amenés à proposer des
papiers ayant un potentiel d'inflammation réduit afin de limiter les risques
d'auto-combustion de la cigarette. L'objectif de ces papiers est d'éteindre la
cigarette si la combustion n'est pas entretenue par un apport d'oxygène,
c'est-à-dire si le fumeur ne tire pas sur la cigarette. Ces papiers sont
aujourd'hui connus sous le nom de papier LIP , pour Low Inflammation
Proclivity (faible potentiel incendiaire en français), et comprennent des
bandes traitées LIP avec une formulation filmogène adaptée pour boucher
les pores du papier et réduire ainsi la perméabilité du papier en ces zones.
L'alternance des zones traitées avec la formulation filmogène avec des
zones non traitées permet de réduire le potentiel d'inflammation du papier en
privant partiellement d'oxygène le cône de combustion de la cigarette lorsque
celui-ci atteint les zones de faible perméabilité (fermée).
Les zones LIP ont cependant un effet néfaste sur les taux de goudron,
de nicotine et de monoxyde de carbone par cigarette, puisqu'elles réduisent
la porosité naturelle du papier. Il a donc été proposé d'augmenter de manière
significative sa porosité initiale en appliquant sur le papier des sels de
combustion avant traitement des zones par la formulation filmogène.
On a également proposé d'enduire tout ou partie du papier avec des
sels retardateurs de combustion qui provoquent des réactions
endothermiques lors de la combustion du papier. Leur combustion génère en
revanche du dioxyde de carbone (C02), du diazote (N2) et de l'eau.
Les zones traitées sont généralement des anneaux transverses
réalisés sur tout ou partie de la cigarette. Néanmoins, le traitement discret
de
la feuille de papier en bandes successives et séparées par des zones non
traitées par la formulation filmogène crée des tensions dans la feuille de
papier qui engendrent souvent des problèmes lors de la transformation du
papier, en particulier lors de la mise en bobinette du papier traité. Le
papier a
en effet tendance à se bomber au niveau de zones localisées.
Ici, la propension des cigarettes à causer des feux a été évaluée selon
la méthode d'essai ASTM E 2187-04. Cette méthode d'essai mesure la
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probabilité qu'une cigarette placée sur un substrat produise suffisamment de
chaleur pour maintenir la combustion du cylindre de tabac quelle que soit la
composition du tabac utilisé. Chaque détermination consiste à placer une
cigarette allumée sur une surface horizontale se composant d'un nombre
donné de couches de papier filtre (dix épaisseurs).
On détermine alors si la cigarette continue à se consumer jusqu'au
début du papier d'embout.
Quarante déterminations (constituant un essai) sont effectuées pour
obtenir la probabilité relative que la cigarette continuera de se consumer en
dépit de l'absorption de chaleur du substrat.
En plus du test d'évaluation du potentiel incendiaire selon la méthode
d'essai ASTM E 2187-04, il est également possible d'évaluer le pourcentage
de cigarettes qui s'éteignent en combustion libre (FASE, pour Free Air Self
Extinguishment). La combustion libre est caractérisée ici par la capacité du
cône de feu de la cigarette à parcourir la totalité de la cigarette malgré la
présence des zones traitées, la cigarette n'étant sollicitée par aucune
aspiration.
Enfin, on a également mis en oeuvre un test de diffusivité, permettant
prédire plus rapidement et plus facilement le caractère LIP d'un papier. Ce
test est réalisé sur les zones traitées LIP en mesurant la capacité du papier
à
diffuser le dioxyde de carbone. La prédiction donne de bons résultats lorsque
la diffusivité du dioxyde de carbone est inférieure à 0.3 cm/s, et plus
préférentiellement inférieures à 0.2 cm/s.
L'appareil ayant servi à la mesure de diffusivité est l'appareil de la
société SODIM - mesureur de diffusion D-95.
Les formulations à base de composés filmogènes sont généralement
appliquées par impression, typiquement par héliographie, sérigraphie, ou
encore flexographie et doivent donc présenter des caractéristiques d'extrait
sec et de viscosité particulières.
On a cependant remarqué que la mise en oeuvre des papiers LIP
affectait les aspects fonctionnels de la cigarette, en particulier son goût,
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l'intégrité de ses cendres, le taux effectif de monoxyde de carbone, etc. Par
ailleurs, il a été constaté que lorsqu'un fumeur rallume sa cigarette au
niveau
des zones traitées LIP, le goût et le taux de monoxyde de carbone sont
modifiés.
Un objectif de la demande est de proposer un nouveau papier LIP
capable de préserver les aspects fonctionnels de la cigarette sans pour
autant générer d'effet secondaire aggravant sur le taux de monoxyde de
carbone, de nicotine et de goudrons, même après rallumage de la cigarette.
Par exemple, on cherche à obtenir un papier présentant un niveau de FASE
inférieur ou égal à 50 % pour le confort des fumeurs, ainsi qu'un pourcentage
de cigarettes consumées selon le test ASTM inférieur ou égal à 25 %.
De manière secondaire, un autre objectif de la demande est de
proposer un papier LIP qui soit plus facile à transformer.
Pour cela, l'invention propose un papier pour un article à fumer,
notamment pour une cigarette, comprenant des zones traitées avec une
formulation d'enduction adaptée pour réduire le potentiel incendiaire de
ladite
zone traitée, dans lequel la formulation comprend des nanoparticules de
cellulose présentant une dimension médiane (d50) inférieure ou égale à cinq
micromètres.
La cellulose est en fait constituée d'un homopolysaccharide linéaire
composé de (3D-glucopyranoses liés ensembles en 51-4. La structure
chimique de la cellulose est donc composée de motifs de cellobiose qui se
répètent, chaque monomère portant trois groupements hydroxyles. La
capacité à former des liaisons par pont hydrogène joue donc un rôle direct
sur les propriétés physiques de la cellulose.
De manière générale, la longueur de la chaîne de polymères varie
selon la source de cellulose et la partie de la plante concernée. Par exemple,
la cellulose native du bois a un degré de polymérisation (DP)
d'approximativement 10000 groupements glycopyranoses, tandis que la
cellulose native du coton a un DP d'environ 15000.
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La micro-fibrille de cellulose est la base structurelle de la cellulose,
formée pendant la biosynthèse. Elle comprend de l'hémicellulose, de la
cellulose para-crystalline et de la cellulose
La nano-fibre de cellulose est élaborée à partir de cellulose native
5 ayant subis des traitements spécifiques traditionnels afin de la débarrasser
de la lignine. Elle est ensuite blanchie.
On peut distinguer globalement deux familles de particules de
cellulose à l'échelle nanométrique, la première comprenant des nano-
cristaux de cellulose (NC - également connus sous le nom anglais de
whiskers ), la seconde étant constituée de cellulose micro-fibrillée (NFC).
Les termes de cellulose micro-fibrillée, micro-cristallite et microcristal
sont également utilisés en dépit de leurs dimensions à l'échelle
nanométrique (micro-fibrilles de cellulose et nano-fibrilles de cellulose)
Les nano-cristaux de cellulose peuvent être préparés à partir de
diverses sources de cellulose (lin, chanvre, plantes annuelles, paille de riz,
coton, feuillus, résineux, sisal, etc.) par hydrolyse acide suite à des
traitements traditionnels de cuisson et de blanchiment.
L'analyse par microscopie à balayage permet de caractériser la forme
des nano-fibres dont les dimensions et formes de nano-cristaux dépendent
de la nature de la source cellulosique, ainsi que des conditions d'hydrolyse,
de température, de temps et de la pureté du matériau de base (pourcentage
de cellulose et d'hémicellulose dans la composition ligno-cellulosique de la
fibre).
Les dimensions typiques des nano-cristaux de cellulose varient de 5 à
10 nm en diamètre et de 100 à 500 nm en longueur. Leur forme s'apparente
à des nanotubes (nano-bâtonnets).
La cellulose nano-fibrillée quant à elle est extraite d'un procédé de
désintégration mécanique de la fibre de bois, suite aux traitements chimiques
traditionnels de cuisson et de blanchiment.
La cellulose nano-fibrillée peut être vue comme un composé
cellulosique modérément dégradé avec une haute surface spécifique. Elle
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est composée de nano-fibres individualisées présentant des dimensions
latérales de l'ordre de 10 à 100 nm et d'une longueur pouvant aller jusqu'au
micron, et consiste en une alternance de zones cristallines et amorphes.
De telles nanoparticules de cellulose (NC et NFC) peuvent être
utilisées comme un pigment et augmenter les propriétés barrières des bio-
composites.
Certains aspects préférés mais non limitatifs sont les suivants
- les nanoparticules comprennent des nano-fibres, des nanotubes, des
nano-filaments et/ou des nano-bâtonnets ;
- les nanoparticules ont au moins une dimension inférieure ou égale à
100 nm lorsqu'elles sont prises individuellement ;
- les nanoparticules sont de la cellulose nano-dispersée (NDC) ;
- les zones sont en outre traitées avec une formulation comprenant un
composé filmogène, tel que l'amidon, la carboxymethylcellulose, et/ou la
méthylcellulose ;
- la formulation comprend en outre un composé filmogène, tel que
l'amidon, la carboxymethylcellulose, et/ou la méthylcellulose;
- les zones traitées sont séparées entre elles par des zones non
traitées par la formulation d'enduction, et en ce que lesdites zones non
traitées par la formulation d'enduction sont traitées avec des sels
accélérateurs de combustion ,
- les sels accélérateurs de combustion sont exclusivement appliqués
dans les zones non traitées ;
- les zones traitées sont des bandes s'étendant transversalement, ayant
une largeur comprise entre quatre et huit millimètres, et espacées deux à
deux d'une distance comprise entre quinze et vingt millimètres ; et
- la formulation comprend en outre des pigments, notamment de
l'hydroxyde d'aluminium.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un article à fumer
comprenant un papier conforme à l'invention.
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Selon un dernier aspect, l'invention concerne un procédé de
fabrication d'un papier conforme à l'invention et comprenant les étapes
suivantes :
- fournir un papier pour article à fumer, et
- appliquer dans des zones discrètes du papier au moins une couche
d'une formulation d'enduction adaptée pour réduire le potentiel incendiaire
desdites zones discrètes, ladite formulation comprenant des nanoparticules
de cellulose.
Certains aspects préférés mais non limitatifs du procédé de
fabrications selon l'invention sont les suivants :
- le procédé comprend en outre une étape d'application d'au moins une
couche de sels accélérateurs de combustion dans des zones non traitées
avec la formulation d'enduction ,
- le procédé comprend en outre une étape d'application d'une couche
d'amidon dans les zones traitées ;
- la formulation comprenant des nanoparticules de cellulose comprend
en outre de l'amidon, et le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en
outre une étape au cours de laquelle on mélange la formulation à base de
nanoparticules de cellulose avec de l'amidon préalablement à l'application de
ladite formulation sur le papier ;
- les nanoparticules sont appliquées sous forme hydratée dans une
solution aqueuse comprenant entre 5 et 15% d'extrait sec de nanoparticules ;
et
- les couches sont appliquées par héliographie, sérigraphie ou
flexographie.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention
apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et
en
regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur
lesquels :
La figure 1 est un exemple d'article à fumer ;
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La figure 2 est une vue éclatée d'un article à fumer du type de la figure
1 ; et
La figure 3 est une vue en coupe d'une forme de réalisation d'un
papier conforme à l'invention (non à l'échelle).
On a représenté sur la figure 1 un exemple d'article à fumer pour
lequel l'invention peut être appliquée. Il s'agit ici d'une cigarette
comprenant
un boudin de tabac 20 renfermé dans un papier 10 et un filtre 30.
Les figures 2 et 3 représentent des papiers pour article à fumer 1
conformes à la présente invention.
Le papier 10 utilisé ici a une perméabilité naturelle initiale (c'est-à-dire
avant tout traitement) comprise entre 10 Coresta et environ 200 Coresta, de
préférence de l'ordre de 10 à 80 Coresta, de préférence encore de 60 à 80
Coresta. Il peut s'agir de tout papier pour article à fumer du commerce.
Afin de rendre ce papier 10 LIP, celui-ci est traité afin de former une
série de zones 11 ayant des propriétés ayant un faible potentiel incendiaire
(zones LIP).
Pour cela, au cours d'une première étape, on applique sur le papier
une formulation d'enduction 13 adaptée pour en réduire la porosité en
bouchant au moins partiellement tout ou partie des pores. Ici, la formulation
13 est appliquée de préférence de manière discrète. Par exemple, on forme
des bandes 11 traitées s'étendant transversalement sur le papier, d'une
largeur comprise entre environ cinq millimètres et huit millimètres et
séparées les unes des autres d'une distance comprise entre quinze et vingt
millimètres environ.
Selon l'invention, la formulation d'enduction 13 comprend notamment
des nanoparticules de cellulose 13a.
Par nanoparticules de cellulose 13, on comprendra ici de la cellulose
dont les particules ont une dimension médiane d50 inférieure ou égale à cinq
micromètres, et/ou dont les fibres prises individuellement ont au moins une
dimension inférieure à 100 nm.
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Cette dimension médiane d50 est une dimension moyenne des
nanoparticules qui tendent à s'assembler sous forme d'agrégats (ou amas) et
représente la répartition granulométrique en cumul en diamètre équivalent
des particules prises au point 50%. Par exemple, une nano-fibre de cellulose
primaire convenant dans la mise en oeuvre de l'invention peut avoir une
épaisseur de l'ordre de vingt nanomètres pour une longueur d'une centaine
de nanomètres, tandis que 50% des amas formés par les nano-fibres auront
un diamètre équivalent inférieur au d50 de la nano-fibre, typiquement environ
trois à quatre micromètres.
La mise en oeuvre de telles particules présente un double avantage :
d'une part, le matériau de base de la formulation, c'est-à-dire la cellulose,
présente une grande compatibilité avec le matériau utilisé dans la fabrication
du papier 20, qui est également réalisé à partir de cellulose. D'autre part,
l'enduction du papier avec des nanoparticules de cellulose permet de réduire
la porosité naturelle du papier. En effet, les nanoparticules remplissent
partiellement les pores naturels du papier et créent un sous-réseau de pores
artificiels au sein des pores naturels initiaux (augmentation du nombre de
pores du papier et réduction de leur dimension respective).
Les zones traitées 11 du papier ont donc une perméabilité plus faible
que les zones non traitées 12 par la formulation, et permettent d'obtenir des
taux de goudron, nicotine et monoxyde de carbone sensiblement similaires
au taux du papier non traité de même perméabilité naturelle que les zones
traitées 11, tout en conférant au papier 10 un caractère LIP. On peut donc
conserver naturellement l'aspect faiblement toxique du papier 10 pour article
à fumer 1 tout en réduisant sa perméabilité dans des zones discrètes 11.
Il a par ailleurs été remarqué que les papiers 10 comprenant la
formulation 13 contenant des nanoparticules de cellulose dans les zones
discrètes 11 présentaient une diffusivité similaire voire identique à la
diffusivité des papiers ayant naturellement la même porosité initiale.
Par conséquent, la mise en oeuvre de nanoparticules de cellulose
permet de réduire artificiellement la perméabilité du papier en des zones
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délimitées de manière à obtenir un papier ayant un faible potentiel
incendiaire tout en préservant sa diffusivité, ce qui confirme que le papier
ainsi obtenu permet de réaliser des articles à fumer présentant une toxicité
(taux de nicotine, goudron et monoxyde de carbone) sensiblement similaire à
5 celle d'un papier non traité LIP . En effet, la micro-capillarité ou la
micro-
tortuosité obtenues grâce aux particules de nano-cellulose permet un
meilleur échange de gaz en comparaison avec les formulations filmogènes
conventionnelles, qui se contentent de boucher les pores par occultation (afin
de réduire la porosité naturelle du papier) et forment un obstacle à la
10 diffusion des gaz à travers le papier.
La formulation d'enduction 13 comprend également des éléments tels
que des liants, des additifs, des pigments (par exemple de l'hydroxyde
d'aluminium) etc. dans des proportions conformes aux formulations LIP
conventionnelles.
La cellulose est de préférence d'origine végétale. Il s'agit par exemple
de nanocristaux de cellulose (NC) ou de cellulose micro-fibrillée (NFC).
Par ailleurs, les nanoparticules peuvent être des nano-fibres, des
nanotubes, des nano-filaments ou encore des nano-bâtonnets.
De préférence, les nanoparticules sont des nano-fibres, qui peuvent
être fibrillées ou non fibrillées.
Dans les exemples qui vont suivre, nous décrirons par exemple la
mise en oeuvre de particules de cellulose nano-dispersée (ou NDC), seule ou
en mélange avec d'autres composés de taille équivalente ou à l'échelle
micrométrique. La cellulose nano-dispersée est une nano-fibre insoluble
dans l'eau présentant de fortes capacités de rétention d'eau, même à hautes
températures et sous d'importantes forces de cisaillement. Typiquement, une
solution aqueuse comprenant 10% de cellulose nano-dispersée en extrait
sec se présente sous forme de gel, tandis qu'avec un extrait sec de 40% en
cellulose nano-dispersée, la solution se comporte comme une poudre sèche
tout en étant totalement végétale.
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Ici, les nanoparticules sont appliquées sous forme hydratée dans une
solution aqueuse comprenant entre 5 et 15% d'extrait sec de nanoparticules,
de préférence environ 10%. Il peut s'agir par exemple de la cellulose
nanodispersée Arbocel MF 40-100 Ultrafine commercialisée par la société
JRS PHARMA.
Selon une forme de réalisation préférée, la dimension médiane d50
des nano-fibres de cellulose nano-dispersée est inférieure à un micromètre.
Par ailleurs, la cellulose nano-dispersée est appliquée de préférence
sous forme de gel, afin qu'elle présente une meilleure rétention d'eau. De la
sorte, la cellulose nano-dispersée ne pénètre que dans les pores en surface
du papier (sur une épaisseur d'environ 4 à 6 micromètres pour une épaisseur
totale de papier d'une trentaine de micromètres par exemple) en recréant
des liaisons hydrogène de manière à boucher partiellement les pores en
surface et créer une structure de pores plus dense à l'échelle nanométrique.
La couche de cellulose nano-dispersée 13 est donc appliquée en des
zones discrètes sur le papier 10, de préférence hors machine à papier. En
particulier, elle peut être appliquée sur une machine à impression,
typiquement par flexographie, héliographie, ou encore sérigraphie.
Pour cela, il est possible par exemple d'appliquer un masque adapté
aux dimensions des zones non traitées 12 sur le papier de manière à
imprimer les bandes LIP 11 avec précision. Une telle technique d'impression
locale de zones discrètes sur du papier étant connue de l'homme du métier
spécialisé dans l'impression, elle ne sera pas détaillée davantage dans cette
description.
La mise en oeuvre de machines à impression est en effet plus souple
que celle d'une machine à papier et permet d'intégrer plus facilement les
différentes contraintes mécaniques qui peuvent varier d'un article à fumer à
l'autre (formulation d'enduction utilisée variable en fonction de la qualité
du
tabac utilisé pour l'article à fumer, pression appliquée sur le papier,
viscosité
de la formulation, etc.).
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Par ailleurs, la formulation 13 peut être appliquée en un ou plusieurs
passages, comprendre des charges différentes (pourcentage d'extrait sec,
pigments, etc.) et/ou être composée de matériaux différents à chaque
passage.
Par exemple, afin d'augmenter encore l'effet LIP des zones traitées
11, il est possible d'appliquer deux formulations d'enduction différentes 13a
13b (comme illustré sur la figure 3) en au moins deux passages consécutifs,
le premier passage comprenant une formulation d'enduction 13a à base de
cellulose nano-dispersée, le deuxième passage comprenant une formulation
d'enduction 13b à base d'un composé filmogène conventionnel tel que de
l'amidon, de l'alcool polyvinylique, de la méthylcellulose, de
l'hydroxyméthylcellulose, etc. La Demanderesse s'est en effet aperçu que la
cellulose nanodispersée 13a permettait aux liants et additifs (et notamment
au composé filmogène 13b) présents dans la formulation 13 d'être mieux
maintenus en surface, améliorant ainsi leurs performances respectives.
En variante, la formulation d'enduction 13 comprend à la fois de la
cellulose nano-dispersée et le composé filmogène, par exemple de l'amidon,
de sorte que la cellulose nano-dispersée et l'amidon sont appliqués
simultanément sur le papier.
Que la cellulose nano-dispersée et l'amidon soient appliqués
séparément ou simultanément sur le papier, on observe que l'effet LIP
obtenu (c'est-à-dire la réduction potentiel incendiaire) est le résultat d'une
synergie entre la cellulose nano-dispersée et l'amidon. En effet, non
seulement on obtient un papier 10 présentant un faible potentiel incendiaire,
mais en plus ce potentiel est plus faible que celui que l'on aurait obtenu en
appliquant uniquement de la cellulose nano-dispersée ou de l'amidon dans
des proportions similaires.
Par ailleurs, la diffusivité du papier 10 dans les zones traitées 11 est
importante, de sorte que la toxicité (taux de nicotine, goudrons et monoxyde
de carbone par cigarette) du papier 10 obtenu reste conforme aux normes
généralement imposées (10 mg par cigarette pour le goudron, 1 mg par
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cigarette pour la nicotine et 10 mg par cigarette pour le monoxyde de
carbone).
Enfin, le pourcentage FASE est également meilleur que dans le cas
de l'utilisation seule de l'amidon.
Le tableau ci-dessous reprend des exemples de formulations
comprenant à la fois de la cellulose nano-dispersée et de l'amidon
appliquées en des zones discrètes sur un papier pour article à fumer.
Dans tous les cas, qu'il s'agisse d'enductions réalisées en un poste
d'enduction ou en plusieurs, pour ce plan d'essais, seule une fraction de la
surface du papier a été enduite en bandes transversales 11 de 7 mm de
largeur espacées tous les 18 à 20 mm.
Industriellement, ce type de plan d'essai est accessible sur machine
d'impression par héliographie, flexographie ou sérigraphie, et plus
particulièrement sur une machine de flexographie comportant de 1 à 8
postes d'impression.
Les tests ASTM et FASE ont été réalisés sur des cigarettes 1
confectionnées industriellement à partir des papiers obtenus conformément
au traitement indiqué. Les papiers 10 ayant servi ont été traités
uniformément avec des sels accélérateurs de combustion (citrate de
potassium).
Dans l'essai n 1, la formulation d'enduction 13 comprend un volume
de 69 cm3/m2 de cellulose nano-dispersée ayant un extrait sec de 10%
(correspondant à une dépose théorique de 6.9 g/m2).
Dans l'essai n 2, la formulation d'enduction 13 comprend un volume
de 55 cm3/m2 d'amidon (Perfectafilm 150 - amidon de maïs modifié) ayant un
extrait sec de 10% (correspondant à une dépose théorique de 5.1 g/m2).
Dans l'essai n 3, la formulation d'enduction 13 comprend un mélange
égale (50/50) d'amidon et de cellulose nano-dispersée dans une solution
présentant un extrait sec de 10%, avec un volume de 55 cm3/m2
(correspondant à une dépose théorique de 5.5 g/m2).
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Dans les essais n 4, 5 et 6, deux formulations différentes 13a, 13b ont
été appliquées successivement sur le papier. La première formulation 13a
est à base de cellulose nano-dispersée, tandis que la deuxième formulation
13b est à base d'amidon.
Les volumes des cylindres de transferts sont choisis afin de pouvoir
véhiculer en théorie 2.1 g/m2 sec de cellulose nano-dispersée, quantité
constante pour les trois essais, et des reports théoriques différents en
amidon, à savoir 1.0 g/m2 d'amidon pour E4, 2.0 g/m2 d'amidon pour E5, 2.6
g/m2 d'amidon pour E6.
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NDC Amidon >`''' é'ange < NDC + AMIDON (en dépose
t?iÃi individuelle)
.........:.........:....:..:.........
....................................
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E-1 E-2 E-4 E-5 E-6
Dépose
NDC:21 NDC:21 NDC:21
théori ue 1,5 5'l
Amidon: 1,0 Amidon: 2,0 Amidon: 2,6
/m
(g )
Dépose
évaluée après
1,3 3,5 27 3,3 3,2
couchage
2
/m
(g )
Transfert
87 69 87 73 68
moyen (%) ::::
Perméabilité du
support de
40 40 40 40 40
base citraté
(CU)
Perméabilité
des zones LIP
(moyenne C U 14,7 5,4 t 5,4 6,0 5,0
sur 40
mesures)
Effet LIP : Test
ASTM E2187-04
de
/o
cigarettes 100 50 2) 50 22 17
entièrement
consumées)
LIP si <25%
% cigarettes
éteintes en
0 70 55 45 60
#)<
combustion
libre FASE
Diffusivité zone
0183
LIP -Appareil 0 0,075 <?!D?'[ 8 ......[ 0,143 0,108 0,087
8
Sodim (cm/s)
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On obtient donc un meilleur compromis entre la porosité du papier 10,
l'effet LIP obtenu et la diffusivité du papier (toxicité de l'article).
Le procédé peut en outre comprendre une étape au cours de laquelle
5 on enduit tout ou partie de la surface du papier 10 avec des sels
accélérateurs de combustion 14, afin de réduire les taux de nicotine, goudron
et monoxyde de carbone par cigarette.
Selon une forme de réalisation préférée, l'enduction 14 est réalisée
dans des zones discrètes, et de préférence encore dans tout ou partie des
10 zones non traitées 12 par la formulation d'enduction 13. De préférence, les
sels sont appliqués sur l'ensemble des zones 12 du papier n'ayant pas reçu
de traitement LIP.
En effet, la Demanderesse s'est aperçue du fait que l'enduction des
zones LIP avec les sels accélérateurs, conformément aux techniques de l'art
15 antérieur, présentait de nombreux inconvénients.
Tout d'abord, les sels accélérateurs 14 ont pour objectif d'accélérer la
combustion de la cigarette, tandis que la formulation d'enduction 13 a pour
objectif de limiter l'apport en dioxygène pour réduire la combustion de la
cigarette. Les effets respectifs des sels accélérateurs 14 et de la
formulation
13 sont donc opposés, et l'enduction totale du papier 10 avec les sels
accélérateurs implique la mise en oeuvre d'une formulation réduisant encore
davantage la perméabilité du papier afin de contrecarrer l'effet des sels.
Par ailleurs, l'enduction de la totalité du papier 10 crée des zones
présentant un traitement de surface moins important, à savoir les bandes
non traitées 12 par la formulation, qui engendrent des tensions de surface à
l'origine de beaucoup de problèmes lors de la transformation du papier 10.
En n'appliquant les sels accélérateurs 14 qu'au niveau des zones non
traitées 12 par la formulation, on peut ainsi rééquilibrer les tensions en
surface du papier 10. Le papier 10 est donc plus aisément transformable, ce
qui réduit en outre la gâche.
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Enfin, l'enduction locale de sels réducteurs 14 permet de réduire la
quantité totale de sels appliqués sur le papier 10, et permet donc de faire de
substantielles économies en matière de quantité de produit utilisé.
Néanmoins, cette étape implique également des difficultés supplémentaires
dans sa mise en oeuvre par rapport à l'enduction totale du papier, dans la
mesure où les sels 14 doivent être appliqués sélectivement sur le papier 10.
Ceci est cependant facilité par l'enduction du papier 20 avec les sels 14 sur
des machines d'impression.
Les sels accélérateurs 14 sont conventionnels et peuvent par exemple
être choisis parmi le citrate de potassium ou le citrate de sodium.
Par ailleurs, les bandes 12 de sels accélérateurs et les bandes 11
traitées LIP ne sont pas nécessairement appliquées sur une même face du
papier 10. Par exemple, il est possible d'appliquer les bandes LIP 11 sur une
face du papier 10, et les bandes de sels accélérateurs 12 sur l'autre face du
papier 10, entre les bandes LIP 11. En variante, les bandes LIP 11 et les
bandes 12 de sels accélérateurs sont appliquées à la fois sur les deux faces
du papier.
La surface enduite par la formulation LIP 13 est de préférence
comprise entre 10% et 45%, de préférence entre 15% et 35% et plus
préférentiellement entre 20% et 33% de la surface totale équivalent à une
face.
Par ailleurs, la surface enduite de sels accélérateurs 14 est comprise
entre 90% et 55%, de préférence entre 85% et 60% et plus
préférentiellement entre 80% et 67% de la surface totale équivalent à une
face.
Conformément à ce mode de réalisation de l'invention, l'augmentation
de grammage est donc réalisée sur l'ensemble de la surface, et n'est pas
limitée à des bandes localisées correspondant aux bandes traitées LIP 11.
La variation de grammage ramenée au mètre carré de papier fini qui
est générée par le traitement accélérateur de combustion varie de 0.5 à 5 %
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du grammage initial du papier à cigarette de base, de préférence de 1 % à 4
% et plus préférentiellement de 1.5 à 3.5 %.
La variation de grammage ramenée au mètre carré de papier fini qui
est générée par le traitement LIP varie quant à lui de 1 à 10 % du grammage
initial du papier à cigarette de base, de préférence de 3 % à 6 %, de telle
sorte que la variation globale au mètre carré par rapport au papier non traité
est comprise entre 1.5 et 15 %.
Nous allons à présent décrire quelques exemples de papiers 10 pour
article à fumer conformes à l'invention, ainsi que des résultats de tests
pratiqués sur ces papiers, notamment des tests de diffusivité, FASE, ASTM
E2177-04, ou encore la mesure de la perméabilité des zones LIP, etc.
Ces exemples ont été réalisés en ligne grâce à un procédé
d'impression par flexographie.
Au cours de ces essais, la face toile , qui correspond
conventionnellement à la face du papier qui est en contact avec la toile de
formation et de drainage de la machine à papier à table plate dite de
Foudrinier, a été traitée avec la formulation d'enduction. En effet, cette
face
du papier est plus macroporeuse que la face anti-toile ou face feutre
qui correspond à la face opposée, en raison de sa proximité avec les
éléments de drainage sur la machine. Toutefois, le traitement de la face
feutre est également envisageable.
Il est important de noter qu'il est possible d'appliquer la face traitée
avec la formulation d'enduction LIP 13 en contact avec le boudin de tabac 20
ou de la disposer sur l'extérieur de l'article à fumer sans que cela n'affecte
significativement statistiquement les résultats des tests ASTM et FASE. Dans
les exemples qui suivent, la face traitée par la formulation d'enduction a été
mise en contact avec le boudin de tabac.
Industriellement, ce type de plan d'essai est accessible sur machine
d'impression héliographique ou flexographique. Par exemple, une machine
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d'impression flexographique comportant de un à huit postes d'impression
convient à la mise en oeuvre de l'invention.
Deux types de papiers de base ont été testés :
Le premier type de papier 10 présente un grammage initial de 25.5
g/m2 et une perméabilité de 70 Coresta. Il comporte en outre 27 % de
carbonate de calcium et est traité uniformément avec 1.3% de citrate tri
potassique comme sel accélérateur de combustion (le niveau de traitement
étant exprimé en pourcentage d'acide citrique anhydre par rapport au poids
du papier).
Le deuxième type de papier 10 présente également un grammage
initial de 25.5 g/m2, une perméabilité de 70 Coresta, et 27 % de carbonate de
calcium, mais n'est pas uniformément citraté.
Les deux types de papier 10 sont traités avec la formulation
d'enduction LIP 13 conformément à une forme de réalisation de l'invention,
par couchage sur des bandes 11 de sept millimètres espacées tous les vingt
millimètres en utilisant quatre postes d'enduction successifs.
Le deuxième type de papier est enduit dans les zones non traitées LIP
12 avec du citrate tri potassique 14 comme sel accélérateur de combustion
sur les autres postes disponibles de la machine d'impression. Les
concentrations en extrait sec de sel citrique testées en E-10 et E-11 sont
respectivement de 7% et 3%. Ces concentrations ont permis d'approcher le
taux final visé de 1.3% en citrate tri-potassique exprimé en acide citrique
anhydre dans le papier fini (obtenu par traitement sur les zones non LIP
uniquement).
Premier type de papier Deuxième type de papier
CONFIGURATIO
N DES ESSAIS E-7 E-8 E-9 E-10 E-11
(gIm2) NDC:1,1 NDC: 2,1 NDC: 3,0 NDC: 2,1 NDC: 2,1
Amidon: 2,6 Amidon: 2,0 Amidon: 2,0 Amidon: 2,0 Amidon: 2,0
Dépose LIP
théorique sur les 3,7 4,1 5,0 3,7 4,1
bandes (glm2)
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Dépose LIP
évaluée après 2,8 3,1 3,6 2,8 3,3
couchage sur les
bandes (g/m2)
Dépose
théorique en
citrate de tri- 0,54 0,56
potassium /
grammage
support (g/m2) ><><><
Grammage
papier final 26,3 26,4 26,5 26,3 26,9
(g/m2)
acide citrique
anhydre / papier 1,3 1,3 1,3 1,25 1,31
fini
Perméabilité du
support de base 70 70 70 70 70
citraté en CU
Perméabilité des
zones LIP 19 11 9 17 10
(moyenne sur 40
mesures) (CU)
Effet LIP
Test ASTM
E2187-04 90 57 22 62 10
(% de cigarettes
consumées)
LIP si <25%
% cigarettes
éteintes en 0 0 40 0 30
Combustion libre
FASE
Diffusivité zone
LIP -Appareil 0,216 0,198 0,120 0,215 0,177
Sodim (cm/s)
Le plan d'expérience est réalisé avec une augmentation progressive
de cellulose nano-dispersée 13 sur les premiers postes de flexographie afin
de restructurer naturellement et significativement le support dont la
perméabilité Sodim est de 70 Coresta.
Dans les essais n 7 à 11, deux formulations 13a, 13b différentes sont
appliquées successivement sur les zones à traiter LIP du papier. La première
formulation 13a est à base de cellulose nano-dispersée, tandis que la
deuxième formulation 13b est à base d'amidon.
Les volumes des cylindres de transfert sont choisis afin de pouvoir
véhiculer en théorie :
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- pour les essais n 7 et 10 : 1.1 g/m2 sec de cellulose nano-dispersée
13a (V = 11 cm3/m2) et 2.6g /M2 d'amidon 13b (V = 26 cm3/m2) ;
- pour les essais n 8 et 11 : 2.1 g/m2 sec de cellulose nano-dispersée
13a (V = 21 cm3/m2) et 2.0 g/m2 d'amidon 13b (V = 20 cm3/m2) ; et
5 - pour l'essai n 9 : 3.0 g/m2 sec de cellulose nano-dispersée 13a (V =
cm3/m2) et 2.0 g/m2 d'amidon 13b (V = 20 cm3/m2).
Les essais n 7 et 8 concernent le premier type de papier 10, et les
essais n 10 et 11 concernent le deuxième type de papier 10 et comprennent
en plus du citrate tri potassium 14 appliqué discrètement sur le papier 10 à
10 raison d'une dépose théorique de 0.98 g/m2 (V = 14 cm3/m2 obtenu avec 2x
7 cm3/m2 et 3% d'extrait sec) pour l'essai n 10 et 1.08 g/m2 (V = 36 cm3/m2
avec 3x V = 12 cm3/m2 et 7% d'extrait sec) pour l'essai n 11.
Dans l'essai n 10, environ 70 % de la solution 14 de sels réducteurs
migre sur le papier, d'où un transfert théorique de 0.69 g/m2 en sel par
15 zone(s) localisée(s), ce qui correspond, dans le cas d'une surface traitée
12
de 70 % par rapport à la surface initiale, à une augmentation du grammage
global du papier fini 10 au mètre carré de 0.48 g/m2 due aux sels.
En appliquant le même raisonnement pour les bandes LIP 11, mais
cette fois-ci pour les 30 % de surface restante, nous obtenons une
20 augmentation théorique de grammage de 0.78 g/m2.
L'augmentation de dépose réelle sur les bandes LIP 11 est de 2.8
g/m2, soit une augmentation globale de grammage de 0.84 g/m2. Le
grammage final est de 26.8 g/m2, soit un traitement en sel exprimé en acide
citrique anhydre théorique 1.1 % théorique.
25 Dans l'essai n 11, on a réduit la concentration de sels accélérateurs
dans la solution 14 et augmenté le volume de solution 14 enduite sur le
papier 10 afin de remouiller davantage le papier 10 et de le détendre. En
effet, l'enduction des zones traitées LIP 11 est réalisée par passages
successifs avec séchage entre chaque passage, ce qui, comme on l'a vu,
30 crée des tensions en surface du papier 10 qui tendent à l'onduler. En
faisant
subir un traitement similaire en termes de reprise humide à l'intégralité du
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papier 12, impliquant des mouillages et des séchages successifs des zones
non traitée LIP 12 mais traitées par les sels accélérateurs 14, on peut encore
mieux équilibrer les différences de tensions entre les zones qui reçoivent le
traitement LIP 11 et les zones salines 12. Ici, on a réalisé trois traitements
salins successifs.
Si l'on applique le même raisonnement que ci-dessus, l'augmentation
de grammage théorique papier fini liée au sel est de 0.53 g/m2, celle liée au
traitement LIP est de 0.86 g/m2, soit un grammage final de 26.9g/m2.
Le pourcentage théorique exprimé en acide citrique anhydre est
proche de 1.2 % par rapport au papier fini.
L'évolution entre les essais E-7 et E-9 montre à nouveau une
meilleure efficacité de la cellulose nano-dispersée sur la capacité à réduire
localement la porosité du papier 10 à cigarette.
Les tests ASTM, réalisés avec cigarettes confectionnées
industriellement à partir des papiers du premier type, intégralement citratés,
montrent que le potentiel incendiaire du papier diminue puisque le nombre de
cigarettes qui se consument diminue entre E-7 et E-9. De même, le
pourcentage FASE, qui est lié au plaisir du fumeur, démontre un
comportement tout à fait acceptable, puisqu'il passe de 0 à 40 % pour le
papier le plus LIP.
La combinaison E14 est un très bon compromis entre le test LIP selon
la norme ASTM et le test FASE pour les papiers intégralement citratés.
Enfin, les valeurs de la diffusivité diminuent avec le potentiel
incendiaire des papiers testés, mais la toxicité des cigarettes obtenues reste
inférieure à celle des cigarettes LIP conventionnelles.
La comparaison des essais réalisés d'une part sur des papiers
intégralement citratés (premier type de papier) avec les essais réalisés sur
des papiers enduits discrètement avec la solution saline accélératrice de
combustion (deuxième type de papier) montrent que ce type d'enduction 14
n'a que peu d'impact sur la perméabilité des bandes LIP 11 (voir notamment
E-7 et El 0, et E-8 et E-1 1). Par conséquent, l'ajout de sels accélérateurs
en
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des zones discrètes 12 sur le papier 10 permet d'obtenir de meilleurs
résultats en termes de toxicité (plus grande diffusivité) tout en conservant
les
propriétés de réduction du potentiel d'inflammabilité (LIP) du papier 10.
Néanmoins, l'effet LIP selon la norme ASTM est supérieur dans le cas
des papiers enduits discrètement avec la solution saline 14.
Par conséquent, à perméabilité équivalente, l'application de sels
accélérateurs 14 entre les bandes traitée LIP 11 uniquement permet
d'augmenter significativement l'effet LIP du papier 10 selon la norme ASTM.
Par ailleurs, cette voie est très prometteuse en termes d'impact sur les
aspects taux de monoxyde de carbone, de nicotine et goudrons, puisque la
diffusivité et la perméabilité montrent que cette nouvelle piste de traitement
a
de faibles effets sur la toxicité du papier 10, alors que le gain en potentiel
d'auto-extinction est significatif.
