細(xì)小纖維對(duì)造紙法煙草薄片基片物理性能的影響

王 亮 羅 沖 溫洋兵 唐向兵 李 旺 胡惠仁

(1.湖北中煙技術(shù)研發(fā)中心重組煙葉應(yīng)用技術(shù)研究湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430040;2.河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南許昌，461100;3.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

目前，造紙法煙草薄片的生產(chǎn)工藝主要為兩步法，即先將煙梗、煙末等煙草原料用一定溫度的清水進(jìn)行萃取，將溶解物與固相物質(zhì)分離，固相部分使用磨漿設(shè)備制備成漿料，與木漿纖維、填料等一起采用造紙法抄造成基片，而分離后的萃取液經(jīng)過濃縮、調(diào)配制成涂布液，利用表面施膠機(jī)或其他涂布裝置回涂到基片的表面，經(jīng)過干燥、分切制成造紙法煙草薄片［1-3］。

煙梗和煙末所制的煙草漿料，主要由雜細(xì)胞、表皮細(xì)胞等非纖維物質(zhì)組成，纖維物質(zhì)含量較少，成紙時(shí)結(jié)合強(qiáng)度低，無法滿足抄紙要求。由于煙草薄片助劑安全性的要求較高，使得紙張?jiān)鰪?qiáng)劑等助劑的選擇和應(yīng)用受到了很大限制［4-5］。為了保證紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，傳統(tǒng)造紙法煙草薄片生產(chǎn)工藝通過添加植物纖維來解決這些問題［6］，但是添加植物纖維在改善煙草薄片的物理強(qiáng)度、保證紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)其感官品質(zhì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，例如使產(chǎn)品木質(zhì)氣加重，刺激性變大，口感變差等［7-8］。

本實(shí)驗(yàn)在造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中添加木漿細(xì)小纖維，以考察不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片物理性能的影響規(guī)律。在達(dá)到產(chǎn)品強(qiáng)度要求、保證紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，降低木漿纖維用量，有利于解決煙草薄片木質(zhì)氣較重等問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

煙梗、煙末、漂白硫酸鹽針葉木漿、輕質(zhì)CaCO3(PCC)，均取自某生產(chǎn)車間。

1.2 主要儀器與設(shè)備

松厚度儀:SE051，Lorentzen＆Wettre公司，瑞典;抗張強(qiáng)度測(cè)定儀:SE062，Lorentzen＆Wettre公司，瑞典;紙張共振挺度測(cè)定儀:中國(guó)制漿造紙研究院;KRK高濃磨漿機(jī):日本產(chǎn);瓦利打漿機(jī):陜西科技大學(xué)機(jī)械廠制造;快速紙頁(yè)成形器:95854型，德國(guó)RRANK。動(dòng)態(tài)濾水分析儀 (DDA)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 煙草漿的制備

將煙草原料 (由一定比例的煙梗和煙末組成)在水溫50℃的條件下萃取1 h，固液分離后，固相物質(zhì)經(jīng)高濃磨漿機(jī)磨至打漿度為 (25±2)°SR的煙草漿備用。

1.3.2 細(xì)小纖維的制備

木漿纖維中通過直徑為75 μm的圓孔或者200目纖維篩分儀的顆粒被看作是細(xì)小纖維。與傳統(tǒng)細(xì)小纖維定義不同，本實(shí)驗(yàn)利用瓦利打漿機(jī)對(duì)針葉木漂白硫酸鹽漿進(jìn)行強(qiáng)烈打漿處理，通過控制打漿時(shí)間，得到不同長(zhǎng)度級(jí)別的纖維樣品，平均長(zhǎng)度分別為0.812、0.622、0.531、0.450、0.350 mm，實(shí)驗(yàn)中為了與外加木漿區(qū)別，將制備的不同平均長(zhǎng)度的纖維樣品定義為“細(xì)小纖維”。

1.3.3 煙草漿料濾水性能的測(cè)試

將煙草漿∶木漿∶PCC 質(zhì)量比為70∶15∶15的煙草漿料配制成0.5%的漿濃，調(diào)整漿料溫度為 (20±0.5)℃，取1000 mL漿料加入DDA濾水罐中，在轉(zhuǎn)速800 r/min條件下攪拌110 s，期間依次加入不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維、殼聚糖和膨潤(rùn)土，用量分別為絕干漿料的1.0%、0.1%、0.2%。攪拌停止后在260 kPa的真空條件下抽吸濾水60 s。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄隨著濾水時(shí)間變化真空度的變化情況，模擬紙機(jī)水線位置處真空度突變點(diǎn)，該突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為DDA濾水時(shí)間。

1.3.4 基片的抄造

將制好的煙草漿、木漿纖維和PCC按照70∶15∶15的質(zhì)量比混合，使用快速紙頁(yè)成形器抄造成定量為60 g/m2的手抄片。

1.3.5 基片物理性能的測(cè)定

手抄片制備完成后，在溫度 (23±1)℃、相對(duì)濕度為 (50±2)%的恒溫恒濕條件下處理24 h，按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)定量、抗張強(qiáng)度、松厚度、柔軟性能、粗糙度和透氣度。

2 結(jié)果和討論

2.1 細(xì)小纖維的性能分析

細(xì)小纖維性能分析見表1。

表1 細(xì)小纖維性能分析

在細(xì)小纖維制備過程中，隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度逐漸降低，＜75 μm細(xì)小纖維的含量也逐漸增多。當(dāng)打漿時(shí)間為2 h時(shí)，細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度為0.812 mm，＜75 μm細(xì)小纖維含量為17.8%;打漿時(shí)間為4.5 h時(shí)，細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度為0.350 mm，＜75 μm細(xì)小纖維含量為52.2%。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度達(dá)到一定范圍后，繼續(xù)打漿時(shí)對(duì)木漿纖維機(jī)械處理的作用效果不再明顯，只會(huì)增加打漿能耗。隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的平均寬度幾乎保持不變;而纖維得到更好地分絲帚化，細(xì)小纖維的比表面積增大。

2.2 細(xì)小纖維長(zhǎng)度對(duì)基片物理性能的影響

2.2.1 細(xì)小纖維長(zhǎng)度對(duì)基片松厚度的影響

松厚度是評(píng)價(jià)造紙法煙草薄片基片品質(zhì)的重要技術(shù)指標(biāo)。煙草薄片的松厚度高，能夠改善煙草薄片在卷煙時(shí)的填充性和卷煙燃燒時(shí)的燃燒性能，對(duì)降低卷煙煙氣中CO等有害物質(zhì)的含量有利［9］。

圖1 不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片松厚度的影響

圖1為不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片松厚度的影響。從圖1可以明顯看出，隨著細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度的降低，基片的松厚度略有降低。當(dāng)添加平均長(zhǎng)度為0.350 mm的細(xì)小纖維時(shí)，基片的松厚度相對(duì)于添加0.812 mm細(xì)小纖維下降了3.3%。隨著纖維平均長(zhǎng)度逐漸降低，纖維表面得到更好的分絲帚化，纖維比表面積增大，纖維之間的結(jié)合能力增加，從而增加了基片的緊度，使得煙草薄片的松厚度有所降低。

2.2.2 細(xì)小纖維長(zhǎng)度對(duì)基片抗張強(qiáng)度的影響

為了保證紙機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，基片必須具有一定的強(qiáng)度，然而過高的強(qiáng)度會(huì)使煙草薄片的柔軟性等指標(biāo)下降，同時(shí)影響后續(xù)加工。因此，在保證紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，要求其抗張強(qiáng)度≤1.00 kN/m(參照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 16.3—2003)。但現(xiàn)如今在造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中，基片的強(qiáng)度往往達(dá)不到理想要求。

不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片抗張強(qiáng)度的影響如圖2所示。在相同細(xì)小纖維用量的條件下，隨著細(xì)小纖維長(zhǎng)度的降低，基片的抗張強(qiáng)度明顯增加。添加平均長(zhǎng)度分別為0.450 mm和0.622 mm的細(xì)小纖維時(shí)，基片抗張指數(shù)分別為9.96 N·m/g和9.14 N·m/g，相對(duì)于不添加細(xì)小纖維的空白樣品 (7.21 N·m/g)分別提高了38%和27%，具有明顯的增強(qiáng)效果。由于細(xì)小纖維影響抗張強(qiáng)度的因素主要是纖維之間的結(jié)合力，添加細(xì)小纖維時(shí)，細(xì)小纖維在紙張中的基本作用是填補(bǔ)纖維之間的間隙，隨著細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度的減小，纖維得到了充分潤(rùn)脹和分絲帚化 (如圖3所示)，纖維表面暴露出來的羥基數(shù)量增加，從而促進(jìn)纖維間的氫鍵結(jié)合，使抗張強(qiáng)度得到提高［10］。綜上所述，從增強(qiáng)角度來說，基片抄造時(shí)合適的細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度應(yīng)該低于0.622 mm。

圖2 不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片抗張指數(shù)的影響

2.2.3 細(xì)小纖維長(zhǎng)度對(duì)基片共振挺度的影響

煙草薄片基片較好的柔軟性能，有利于后續(xù)加工。本研究通過測(cè)定基片的共振挺度來表征基片的柔軟性能，其共振挺度越高柔軟性能越差。

圖4為不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片共振挺度的影響。由圖4可以看出，隨著細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度的降低，基片共振挺度逐漸上升，即柔軟性能變差。當(dāng)細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度低于0.622 mm時(shí)，柔軟性能受到較大影響。例如添加0.350 mm細(xì)小纖維時(shí)，基片的共振挺度為0.0506 mN·m，相對(duì)于添加0.812 mm細(xì)小纖維的共振挺度為0.0410 mN·m，柔軟性能降低了23.4%。隨著細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度的降低，纖維分絲帚化作用增加，基片成紙時(shí)纖維之間的結(jié)合增強(qiáng)，基片的柔軟性能下降。

2.2.4 細(xì)小纖維長(zhǎng)度對(duì)基片粗糙度和透氣度的影響

對(duì)基片而言，較好的粗糙度在后續(xù)涂布工藝過程中有利于基片表面對(duì)涂布液的吸收，從而改善煙草薄片的感官品質(zhì)。圖5為添加不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片粗糙度的影響。從圖5中可以看出，隨著細(xì)小纖維長(zhǎng)度的改變，基片表面粗糙度基本不發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)中細(xì)小纖維用量占煙草漿料的1.0%，所占比例較小，添加后主要填充于纖維之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，對(duì)基片表面的粗糙度影響很小。

良好的透氣度可提高煙草薄片燃燒的充分性，從而有益于降低CO等有害氣體的生成量。圖6為添加不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)基片透氣度的影響。從圖6中可以看出，隨著細(xì)小纖維長(zhǎng)度的降低，基片的透氣度逐漸降低。這是由于透氣度主要有纖維網(wǎng)絡(luò)中的孔隙產(chǎn)生的，實(shí)驗(yàn)所添加的細(xì)小纖維與煙草漿、木漿纖維相比，長(zhǎng)度較小，在打漿過程中經(jīng)切斷、縱裂與細(xì)纖維化，纖維比表面積增加，并且逐漸潤(rùn)脹，使得成紙緊度提高，而纖維間孔隙減少，透氣度也相應(yīng)降低。因此，從透氣度方面考慮，基片中所添加的細(xì)小纖維的平均長(zhǎng)度為0.6 mm左右時(shí)效果較好。

2.2.5 細(xì)小纖維長(zhǎng)度對(duì)煙草漿料濾水性能的影響

漿料的濾水速率不但關(guān)系到紙機(jī)運(yùn)行的效率，同時(shí)也影響到基片成形的質(zhì)量。圖7為不同長(zhǎng)度的細(xì)小纖維對(duì)煙草漿料濾水性能的影響。由圖7可以看出，隨著細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度的降低，濾水時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，濾水性能下降。未添加細(xì)小纖維時(shí)煙草漿料的濾水時(shí)間為9.82 s，當(dāng)添加0.812 mm細(xì)小纖維時(shí)濾水時(shí)間為10.08 s，相對(duì)于空白實(shí)驗(yàn)延長(zhǎng)了0.26 s;當(dāng)添加0.350 mm細(xì)小纖維時(shí)，濾水時(shí)間為13.01 s，相對(duì)于空白實(shí)驗(yàn)延長(zhǎng)了32.5%，濾水速率明顯降低。細(xì)小纖維因其比表面積大且結(jié)晶程度低，比纖維更易吸水潤(rùn)脹，保水值高，能明顯降低煙草漿料的濾水性能。

2.3 細(xì)小纖維用量對(duì)基片物理性能的影響

通過上述實(shí)驗(yàn)綜合考慮，添加平均長(zhǎng)度為0.622 mm的細(xì)小纖維對(duì)改善基片各項(xiàng)物理性能均能得到較好的效果，因此，以下實(shí)驗(yàn)選用平均長(zhǎng)度為0.622的細(xì)小纖維。

2.3.1 細(xì)小纖維用量對(duì)基片松厚度和抗張強(qiáng)度的影響

圖8為細(xì)小纖維用量對(duì)基片松厚度和抗張強(qiáng)度的影響。從圖8可以看出，隨著細(xì)小纖維用量的提高，基片松厚度降低的同時(shí)抗張強(qiáng)度逐漸提高。煙草原料磨漿后，其漿料主要由非纖維狀的碎片組成，纖維含量非常少，表面分絲帚化、羥基含量少。與煙草漿粗大的導(dǎo)管相比，細(xì)小纖維粗度、寬度均較小，成紙時(shí)更易結(jié)合，所以隨著細(xì)小纖維用量的增加，成紙緊度變大;添加細(xì)小纖維后，會(huì)促進(jìn)纖維之間的氫鍵結(jié)合，從而提高基片的抗張強(qiáng)度，隨著細(xì)小纖維用量的增加，形成的氫鍵結(jié)合越多，強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時(shí)，抗張強(qiáng)度提高不再明顯。

圖8 細(xì)小纖維用量對(duì)基片松厚度和抗張強(qiáng)度的影響

2.3.2 細(xì)小纖維用量對(duì)基片粗糙度和透氣度的影響

圖9為細(xì)小纖維用量對(duì)基片粗糙度和透氣度的影響。從圖9中可以看出，隨著細(xì)小纖維用量的改變基片表面粗糙度基本不發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)中細(xì)小纖維用量占煙草漿料的0～3%，所占比例較小。添加后主要填充于纖維之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，對(duì)基片表面的粗糙度幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。從圖9可以看出，透氣度隨著細(xì)小纖維用量的增加逐漸降低，這是由于更多的細(xì)小纖維會(huì)填充于纖維交織的網(wǎng)絡(luò)中，使基片緊度提高，透氣度降低。當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時(shí)，透氣度降低過大，不利于煙草薄片的充分燃燒。

圖9 細(xì)小纖維用量對(duì)基片粗糙度和透氣度的影響

細(xì)小纖維用量對(duì)煙草漿料濾水性能的影響如圖10所示。通過圖10可以明顯看出，隨著細(xì)小纖維用量的增加，濾水時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，漿料濾水性能逐漸下降。當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時(shí)，濾水速率降低得更為明顯，從煙草漿料濾水性能考慮，細(xì)小纖維用量不應(yīng)高于1.5%。

圖10 細(xì)小纖維用量對(duì)煙草漿料濾水性能的影響

3 結(jié)論

3.1 隨著瓦利打機(jī)打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維平均長(zhǎng)度降低，當(dāng)打漿時(shí)間超過4 h(纖維平均長(zhǎng)度為0.350 mm，寬度為33.7 μm)后，纖維形態(tài)幾乎不再發(fā)生變化。

3.2 隨著細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度的降低，造紙法煙草薄片基片抗張強(qiáng)度明顯得到提高的同時(shí)，松厚度和柔軟性能逐漸降低，對(duì)漿料濾水性能也產(chǎn)生負(fù)面影響。綜合考慮確定添加平均長(zhǎng)度為0.622 mm的細(xì)小纖維較為合適。

3.3 當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時(shí)，造紙法煙草薄片基片的松厚度、透氣度降低較大，漿料濾水性能也受到較大影響，最后確定細(xì)小纖維 (平均長(zhǎng)度為0.622 mm)添加比例不應(yīng)高于1.5%。

3.4 采用配比為15%的木漿纖維、添加用量1.5%的細(xì)小纖維 (平均長(zhǎng)度為0.622 mm)抄造的造紙法煙草薄片基片，在得到較好的物理性能的同時(shí)，與傳統(tǒng)工藝 (木漿配比20%)相比，木漿纖維用量降低了25%，從而減少了卷煙的木質(zhì)氣。

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