煙梗、碎片及木漿比例對造紙法煙草薄片物理性能的影響

殷艷飛馬 迅王保興劉 晶向海英王 建熊 偉林櫻楠王浩雅，*

(1.云南煙草科學(xué)研究院，云南昆明;650106;2.昆明理工大學(xué)，云南昆明;650500;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島;266101)

·煙草薄片·

煙梗、碎片及木漿比例對造紙法煙草薄片物理性能的影響

殷艷飛1馬 迅1王保興1劉 晶1向海英1王 建1熊 偉2林櫻楠3王浩雅1，*

(1.云南煙草科學(xué)研究院，云南昆明;650106;2.昆明理工大學(xué)，云南昆明;650500;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島;266101)

采用響應(yīng)面實驗設(shè)計方法，研究了不同煙梗、碎片及木漿比例對造紙法煙草薄片抗張指數(shù)和耐破指數(shù)的影響。結(jié)果表明，煙梗、碎片及木漿比例與造紙法煙草薄片抗張指數(shù)和耐破指數(shù)間存在較強的相關(guān)性，且回歸模型的顯著性好，可用于分析預(yù)測符合造紙法煙草薄片抗張指數(shù)和耐破指數(shù)要求的原料配方;驗證實驗結(jié)果相對偏差在7%以內(nèi)，說明該模型具有較高可信度。

造紙法煙草薄片;抗張指數(shù);耐破指數(shù);響應(yīng)面法

造紙法煙草薄片 (Paper－process reconstituted tobacco，以下簡稱PRT)，又稱造紙法再造煙葉，是采用現(xiàn)代提取分離技術(shù)與改良后的造紙技術(shù)，將煙草副產(chǎn)品及廢棄料加工而成的一種“人造煙葉”［1］。煙梗、碎片及植物纖維作為PRT的重要骨架對其產(chǎn)品品質(zhì)，尤其是物理性能有重要影響。以往的研究中，一般采用正交實驗或梯度實驗方法對煙梗、碎片及木漿比例進行研究［2－4］，這些實驗方法不僅工作量大，而且只能從有限的點中選出一個較優(yōu)的實驗點。

響應(yīng)面法是一種比較先進的實驗設(shè)計方法，不僅省時、省力，而且可以研究幾個獨立變量的相互作用，并建立變量與響應(yīng)值間的數(shù)學(xué)模型［5－8］。本課題采用響應(yīng)面法優(yōu)化實驗設(shè)計，研究不同煙梗、碎片及木漿比例與造紙法煙草薄片物理性能 (抗張指數(shù)和耐破指數(shù))的關(guān)系，以最少的實驗次數(shù)全面研究了三因素與物理性能的交互作用，并建立回歸方程，為PRT物理性能的改善提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原料

煙梗和碎片取自某煙草集團。木漿和涂布液分別為取自某公司的漂白針葉木漿和某牌號涂布液。

1.2 實驗儀器

提取器，濟寧金百特;盤磨機，日本KRK;抄片器，法國TECHPAP;瓦利打漿機，美國TMI;厚度測定儀、抗張強度測定儀、耐破度測定儀，四川長江。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗設(shè)計

采用Design Expert8.0軟件中帶有工藝變量的配方設(shè)計方法對煙梗、碎片和木漿比例進行實驗設(shè)計，其中煙梗和碎片作為配方變量，總和為100%;木漿為工藝變量，比例為占煙梗和碎片總質(zhì)量的百分比。實驗設(shè)計如表1所示。

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計不同物理指標(biāo)的預(yù)測值和實驗值

1.3.2 備料工藝

取一定質(zhì)量的煙梗、碎片，分別按照液比1∶8和1∶6加入相應(yīng)量的水，置于65℃、60℃的反應(yīng)器中反應(yīng)60 min;反應(yīng)后，分別對煙梗和碎片過濾，加入高濃盤磨機分別進行磨漿備用，其中煙梗磨漿工藝為:漿濃20%，磨盤間隙0.8 mm;碎片磨漿工藝為:漿濃20%，磨盤間隙0.6 mm。

1.3.3 制漿工藝

按表1中的木漿比例稱取相應(yīng)的絕干漂白針葉木漿，放入疏解器中用80～90℃熱水疏解10 min;然后，按表1中的煙梗和碎片比例稱取磨好的煙梗漿和碎片漿，將煙梗漿、碎片漿和木漿混合均勻后，按照液比1∶8加水并放入65℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中提取30 min，甩干機甩干后，用瓦利打漿機打漿至打漿度 (38± 1)°SR。

1.3.4 涂布工藝

取一定量1.3.3中制備的漿料，在動態(tài)抄片器上抄取定量 (60±2)g/m2的基片 (抄造過程中不添加任何填料和助劑)，烘干后采用浸涂的方式，將涂布液 (調(diào)整涂布液密度使涂布率范圍在35% ～40%)均勻涂到基片上，105℃烘箱烘干后，放入恒溫恒濕箱平衡備用。造紙法煙草薄片制作工藝流程如圖1所示。

1.3.5 物理性能測定

抗張指數(shù)和耐破指數(shù)指標(biāo)的檢測分別按照GB/T 12914—2008、GB/T 1539—1989方法進行。

圖1 造紙法煙草薄片制作工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計結(jié)果

表1為25組實驗條件下，基片抗張指數(shù)和耐破指數(shù)的預(yù)測值及實驗值。從表1中可以看出，抗張指數(shù)和耐破指數(shù)的預(yù)測值和實驗值之間差別較小，說明用響應(yīng)面法優(yōu)化PRT不同煙梗、碎片及木漿比例與抗張指數(shù)和耐破指數(shù)之間的關(guān)系是可行的，而且效果較好。

2.2 回歸模型及方差分析

以抗張指數(shù)和耐破指數(shù)為響應(yīng)值，采用Design Expert8.0進行回歸分析，得到分別以抗張指數(shù)和耐破指數(shù)為響應(yīng)值的擬合方程如式 (1)、式 (2)所示。

式中，Y為響應(yīng)值，X1、X2、X3分別為煙梗、碎片和木漿比例。

對兩個模型進行方差分析，結(jié)果見表2。由表2可以看出，兩個模型的P值均小于0.0001，說明這兩個回歸模型的顯著性好，可用于分析預(yù)測PRT的抗張指數(shù)和耐破指數(shù);R2反應(yīng)了兩個模型的擬合優(yōu)度，可以看出兩個模型的擬合優(yōu)度分別為0.9491和0.9770，說明只有5.09%和2.30%不能由變量X做出解釋;信噪比是用來描述有效成分與噪音的比值，一般來講，信噪比大于4即可滿足要求［7－9］，兩個模型的信噪比遠大于4;CV描述的是方差和平均數(shù)的比值，如果一個模型的CV不超過10%［7－9］，就認(rèn)為這個模型的可重復(fù)性很高，耐破指數(shù)模型的CV為7.08%，小于10%。綜上所述，兩個回歸方程可用來預(yù)測不同煙梗、碎片及木漿比例與抗張指數(shù)和耐破指數(shù)的關(guān)系。

2.3 響應(yīng)曲面分析

不同煙梗、碎片及木漿比例對PRT抗張指數(shù)影響的三維立體圖如圖2所示。圖2中可以看出，隨著煙梗和木漿用量的增加，PRT的抗張指數(shù)都有增加的趨勢。許多研究中都發(fā)現(xiàn)隨著木漿用量的增加，PRT抗張指數(shù)呈上升的趨勢［10－13］。PRT強度由多種因素決定，包括纖維間結(jié)合力、纖維本身的強度以及紙張中纖維的分布和排列方向等［14］。其中最重要的影響因素就是纖維間結(jié)合力，纖維含量高，纖維間結(jié)合力較大，形成基片的強度好。煙梗中也含有部分纖維素，而碎片中纖維素含量很少，隨著煙梗比例的增加，漿料中纖維素含量增加，形成的基片強度較高，從而PRT產(chǎn)品強度較大。

圖2 煙梗、碎片及木漿比例對PRT抗張指數(shù)的影響

不同煙梗、碎片及木漿比例對PRT耐破指數(shù)影響的三維立體圖如圖3所示。由圖3可以看出，PRT耐破指數(shù)的變化趨勢與抗張指數(shù)的變化趨勢一致，都是隨著煙梗、木漿用量的增加而增大。因為耐破指數(shù)的主要影響因素也是纖維間結(jié)合力、纖維平均長度、纖維本身強度和纖維交織情況等［14］。

2.4 驗證實驗

為了檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃?，實驗選取較接近生產(chǎn)工藝的3組煙梗、碎片及木漿比例進行實驗，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，3種不同比例下PRT抗張指數(shù)和耐破指數(shù)的相對偏差都在7%以內(nèi)，說明這兩個模型較為可信。

表2 模型的方差分析

表3 驗證實驗

圖3 煙梗、碎片及木漿比例對PRT耐破指數(shù)的影響

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法建立的回歸模型可較好地描述煙梗、碎片及木漿比例與造紙法煙草薄片 (PRT)抗張指數(shù)和耐破指數(shù)間的關(guān)系;木漿用量和煙梗與碎片比例對造紙法煙草薄片抗張指數(shù)和耐破指數(shù)都有較大影響;驗證實驗表明響應(yīng)面法建立的數(shù)學(xué)模型較可靠，預(yù)測值與實驗值間偏差較小。

可應(yīng)用本方法研究各煙草薄片生產(chǎn)企業(yè)的原料配方，預(yù)測出符合企業(yè)要求的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)原料配方，為解釋原料配方對煙草薄片物理特性的影響提供一定的理論基礎(chǔ)，也為煙草薄片工藝生產(chǎn)提供了一種更為全面的方法。

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(責(zé)任編輯:劉振華)

Effect of the Proportion of Tobacco Stem，Tobacco Scrap and Fibre on Physical Properities of Paper-process Reconstituted Tobacco

YIN Yan－fei1MA Xun1WANG Bao－xing1LIU Jing1XIANG Hai－ying1WANG Jian1XIONGWei2LIN Ying－nan3WANG Hao－ya1，*
(1.Yunnan Academy of Tobacco Science，Kunming，Yunnan Province，650106; 2.Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan Province，650500; 3.Tobacco Research Institute of CAAS，Qingdao，Shandong Province，266101)
(*E－mail:wanghaoya1983@163.com)

The influence of the proportion of tobacco stem，tobacco scrap and fibre on physical properties of the paper－process reconstituted tobacco(PRT)such as tensile index and bursting index was investigated by using response surface experiment designmethod(RSM).The results indicated that therewas significant correlation between the proportion of thematerials and physical properties，which could be used to predicted the tensile index and bursting index of PRT.Confirmatory trials showed that the relative deviation was less than 7%，which suggested that there was good fit degree between the experimental results and the values predicted by the equation.

paper－process reconstituted tobacco;tensile index;bursting index;response surfacemethodology

殷艷飛女士，碩士;主要從事再造煙葉研究。

TS426

A

0254－508X(2014)03－0035－04

2013－11－14(修改稿)

云南省科技計劃項目“國內(nèi)外造紙法煙草薄片產(chǎn)品與技術(shù)比較 (2010CD145)”;國家煙草專賣局重大專項項目“降低煙草CO的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究”(110201201036(ZZ－17))。

*通信作者:王浩雅女士，E－mail:wanghaoya1983@163.com。