造紙法煙草薄片脆性的評價方法

王志杰, 陳星波, 嚴新龍, 吳立群, 劉 攀

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.上海煙草集團 太倉海煙煙草薄片有限公司， 江蘇 太倉 215433; 3.中國海誠工程科技股份有限公司 研發(fā)中心， 上海 201702)

0 引言

紙張的脆性，是指紙張受沖擊作用力或彎曲作用力時易折、易碎、韌性欠佳的性質(zhì).國產(chǎn)煙草薄片相比國外薄片手感硬、易折、易碎，脆性較大，其韌性不如進口薄片[1].煙草薄片的物理特性表明了其自身組織結(jié)構(gòu)特征，與煙草薄片的內(nèi)在品質(zhì)密切相關(guān)，同時對煙草薄片加工性能影響較大，特別是影響卷煙添加過程中煙草薄片的切絲制絲工藝，影響卷煙產(chǎn)品的風(fēng)格、成本及其它經(jīng)濟因素.近年來隨著國產(chǎn)煙草薄片產(chǎn)能規(guī)模增加及對產(chǎn)品品質(zhì)要求的提高,煙草行業(yè)對煙草薄片物理化學(xué)特性越來越關(guān)注，而煙草薄片的脆性目前只能用感官評價，無準確的儀器測試方法.

在紙張脆性評價方法方面有許多人做過研究，鄺仕均[2]教授曾用J值來評價紙張脆性并且研究了紙張脆性與半纖維素含量的關(guān)系[3]；劉毅、劉建平等人[4]利用壓折器和蕭伯爾抗張力實驗機對紙張脆性進行評價，認為紙張折前折后抗張強度下降率可作為紙張的脆裂度值.張東成[5]從紙張發(fā)脆的本質(zhì)出發(fā)，根據(jù)紙張塑性變形的原理設(shè)計出B值來評價紙張的脆性.此次試驗所用的TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀[6]是精確的感官測定儀器，可對樣品的物性概念做出數(shù)據(jù)化的表述，是評價眾多食品脆性、韌性、硬度等[7-9]的重要儀器.近幾年來鄭州煙草研究院曾用該儀器做過關(guān)于煙葉粘黏強度[10]、穿刺強度[11]、脆性[12]以及造紙法煙草薄片縱橫剪切力[13]的研究，并發(fā)表過數(shù)篇專利論文.本文根據(jù)斷裂力學(xué)中材料裂紋擴展的三種模式[14]設(shè)計測試方法，將質(zhì)構(gòu)儀試用于評價煙草薄片的脆性，可對煙草薄片的脆性進行有效而準確的評價，為減少國內(nèi)外薄片物理性能的差距提供參考方法和思路.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗所檢測的造紙法煙草薄片樣品包括四種國產(chǎn)造紙法煙草薄片(1#～4#)，其中1#～3#樣品為國內(nèi)同一廠家生產(chǎn)的不同品種的煙草薄片，4#樣品為國內(nèi)另一廠家生產(chǎn)的煙草薄片.

TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀(英國Stable Micro Systems公司)；LRH-70SC恒溫恒濕培養(yǎng)箱(上海捷呈實驗儀器有限公司)；HB43-S快速水分測定儀(瑞士 Mettler Toledo 公司)；0～150 mm 電子數(shù)顯卡尺(上海量具刃具廠)；裁紙刀.

1.2 方法

1.2.1 用質(zhì)構(gòu)儀對不同含水率的煙草薄片進行撕裂和拉伸測試

(1)不同含水率煙草薄片試樣的制備

將1#煙草薄片沿縱橫向分別裁切成實驗所需規(guī)格放在恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，通過控制其溫度、濕度和放置時間，制備不同含水率(用快速水分測試儀測定)的煙草薄片試樣.

(2)利用質(zhì)構(gòu)儀結(jié)合A/TG 探頭對煙草薄片進行撕裂測試

質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置：采用拉伸模式，測試速度為5 mm/s，測后速度為10 mm/s，測試距離為50 mm，觸發(fā)類型為Button.

將每張試樣所剪豁口處兩邊的紙片分別固定于A/TG探頭的上下夾具中，通過上、下夾具的拉伸，模擬撕開煙草薄片的過程，得出“力-時間”曲線圖(如圖1)，計算曲線圖中力值出峰個數(shù)、撕裂力平均值、第一個峰的斜率.每工況重復(fù)8次，結(jié)果取8次平均值.

(3)利用質(zhì)構(gòu)儀結(jié)合A/TG 探頭對煙草薄片進行拉伸測試

質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置：采用拉伸模式，測試速度為0.02 mm/s，測后速度為10 mm/s，測試距離為4 mm，觸發(fā)類型為Button.

將樣品的寬邊分別固定于A/TG探頭的上下夾具中，通過上夾具的移動來拉伸煙草薄片試樣使其從豁口處斷裂，得出“力-距離”曲線圖(如圖2)，計算曲線圖中三個區(qū)域Ep、Ee和Ea[5]的面積，根據(jù)公式B=Ee/(Ep+Ea)[5]計算B值，B值可表示脆性.每工況重復(fù)8次，結(jié)果取8次平均值.

1.2.2 用撕裂測試評價不同品種煙草薄片脆性

將四種不同品種煙草薄片(1#～4#)沿縱橫向分別裁成實驗所需規(guī)格，放入溫度為22 ℃、相對濕度為(74±2)%的恒溫恒濕箱平衡水分24 h.再用質(zhì)構(gòu)儀對薄片進行撕裂測試，質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置為：采用拉伸模式，測試速度為5 mm/s，測后速度為10 mm/s，測試距離為50 mm，觸發(fā)類型為Button.將每張試樣所剪豁口處兩邊的紙片分別固定于A/TG探頭的上下夾具中，通過上、下夾具的拉伸，模擬撕開煙草薄片的過程，得出“力-時間”曲線圖(如圖1)，計算曲線圖中力值出峰個數(shù)、撕裂力平均值，將正峰個數(shù)作為評價樣品脆性的指標.每工況重復(fù)8次，結(jié)果取8次平均值.

圖1 力-時間曲線圖

圖2 力-距離曲線圖

2 結(jié)果與討論

2.1 煙草薄片撕裂測試結(jié)果與含水率的關(guān)系

眾所周知若煙草薄片含水率越高則其脆性越小，即煙草薄片的脆性與含水率成負相關(guān)性.實驗對不同含水率的煙草薄片用質(zhì)構(gòu)儀進行撕裂測試，并對其測試結(jié)果正峰個數(shù)、撕裂力平均值、第一個峰的斜率與含水率的關(guān)系進行線性擬合，計算各測試結(jié)果與含水率的相關(guān)系數(shù).正峰個數(shù)、撕裂力平均值、斜率與含水率的關(guān)系見圖3～圖5.

圖3 正峰個數(shù)與含水率的關(guān)系

圖4 撕裂力與含水率的關(guān)系

圖5 斜率與含水率的關(guān)系

從圖3可以看出，正峰個數(shù)和含水率之間的關(guān)系呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，隨著樣品含水率的增加煙草薄片沿縱橫向撕裂時的正峰個數(shù)都在增加.在含水率為12%以前正峰個數(shù)增加趨勢明顯，含水率為12%以后正峰個數(shù)增加趨勢減緩，但仍有較明顯的增加趨勢.這是因為隨著煙草薄片含水率的增加，煙草薄片脆性降低，組成煙草薄片的纖維吸水后變的柔韌，樣品在被撕裂的過程中儀器的探頭受到纖維阻力的次數(shù)增加，探頭每撕斷一根或一組纖維“力-時間”曲線圖(見圖1)中就會產(chǎn)生一個正峰，樣品含水率越高圖中的正峰個數(shù)越多.但是當煙草薄片含水率大于23%時，由于煙草薄片吸水過度內(nèi)部氫鍵結(jié)合力被破壞導(dǎo)致煙草薄片失去強度，此時的煙草薄片已經(jīng)完全失去脆性，各種測試無法進行.

從圖4可以看出，橫向撕裂煙草薄片時，撕裂力隨著含水率的增加而增加.沿縱向撕裂時，撕裂力在樣品含水率為12%以前隨著含水率的增加而增加，在12%以后隨著含水率的增加撕裂力無明顯變化.

圖5中的斜率是指“力-時間”曲線圖(見圖1)中坐標原點到第一個正峰峰頂?shù)男甭?從圖5可以看出，縱橫向撕裂測試樣品時，隨著樣品含水率的增加斜率的變化都無規(guī)律性，斜率這一指標與樣品的含水率幾乎無關(guān)系.

對圖3～圖5中各指標與含水率的關(guān)系進行線性擬合，可得正峰個數(shù)與含水率呈正相關(guān)性.沿?zé)煵荼∑瑱M向撕裂時正峰個數(shù)與含水率的線性回歸方程為y=2.730 6x+9.617 1，相關(guān)系數(shù)R2=0.938 0高于撕裂力、斜率與含水率的相關(guān)系數(shù)(0.839 4、0.649 0).沿?zé)煵荼∑v向撕裂時正峰個數(shù)與含水率的線性回歸方程為y=1.527 8x+0.592 3，相關(guān)系數(shù)R2=0.954 8高于撕裂力、斜率與含水率的相關(guān)系數(shù)(0.857 9、0.019 4).所以無論是沿?zé)煵荼∑v向還是橫向撕裂測試，正峰個數(shù)與含水率的相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)性最強，是三個指標中最適合評價煙草薄片脆性的指標.

2.2 草薄片拉伸測試結(jié)果與含水率的關(guān)系

用質(zhì)構(gòu)儀對煙草薄片進行拉伸測試的結(jié)果為B值[5].在本次測試中B值與含水率的關(guān)系如圖6所示.

圖6 B值與含水率的關(guān)系

橫向拉伸測試時，在含水率為7%以前隨著含水率的增加B值急劇下降，在7%至12%之間B值有緩慢下降趨勢，12%以后B值大小幾乎無變化.縱向拉伸測試時，在含水率為10%以前B值急劇下降，在10%以后B值大小幾乎無變化.

對B值與含水率的關(guān)系進行線性擬合，可得B值與含水率呈負相關(guān).橫向拉伸測試時線性回歸方程為y=-0.724 1x+12.435，相關(guān)系數(shù)R2=0.571 3；縱向拉伸測試時線性回歸方程為y=-1.234 2x+20.957，相關(guān)系數(shù)R2=0.675 6.縱向橫向拉伸測試時B值與含水率的相關(guān)系數(shù)均小于撕裂測試時正峰個數(shù)與含水率的相關(guān)系數(shù).

2.3 不同種類煙草薄片脆性測試結(jié)果

用質(zhì)構(gòu)儀對國內(nèi)4種不同品種的造紙法煙草薄片進行撕裂測試，并用正峰個數(shù)的大小來評價樣品的脆性.國內(nèi)4種煙草薄片樣品橫向撕裂測試的正峰個數(shù)結(jié)果見圖7，縱向撕裂測試的正峰個數(shù)結(jié)果見圖8.

圖7 不同煙草薄片樣品的橫向撕裂正峰個數(shù)

圖8 不同煙草薄片樣品的縱向撕裂正峰個數(shù)

從圖7可以看出,橫向撕裂測試時，國內(nèi)同一產(chǎn)地1#、2#、3#樣品的正峰個數(shù)相差不大，國內(nèi)另一產(chǎn)地4#樣品的正峰個數(shù)是4種樣品中最小的，說明1#、2#、3#煙草薄片樣品的脆性相差不大，4#煙草薄片樣品是4種樣品中脆性最大的，這個結(jié)果和4種國產(chǎn)煙草薄片樣品的手感脆性是一致的.

從圖8可以看出,縱向撕裂測試時，4#樣品仍然是4種樣品中正峰個數(shù)最小的，而3#樣的正峰個數(shù)明顯大于1#、2#的正峰個數(shù)，說明4#煙草薄片樣品的脆性最大，1#、2#、3#樣品雖然手感上脆性差別不大，但實際上3#樣品脆性更小.

3 結(jié)論

(1)無論是縱向還是橫向撕裂測試正峰個數(shù)和平均撕裂力與含水率的相關(guān)系數(shù)均高于8，其中正峰個數(shù)與含水率的相關(guān)系數(shù)(R2)最高為0.938 0、0.954 8，所以用質(zhì)構(gòu)儀對造紙法煙草薄片撕裂測試時正峰個數(shù)這一指標能夠表征煙草薄片的脆性，正峰個數(shù)與脆性成負相關(guān)性.利用質(zhì)構(gòu)儀對煙草薄片進行撕裂測試可以作為評價造紙法煙草薄片脆性的一種客觀方法.

(2)撕裂測試時正峰個數(shù)與含水率的相關(guān)系數(shù)大于拉伸測試時B值與含水率的相關(guān)系數(shù)，所以撕裂測試時樣品的正峰個數(shù)比拉伸測試時的B值更適合評價造紙法煙草薄片的脆性.

(3)撕裂測試時四種國產(chǎn)煙草薄片的正峰個數(shù)與其手感脆性一致，用質(zhì)構(gòu)儀能夠評價和區(qū)分各類國產(chǎn)造紙法煙草薄片的脆性.

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