填料對(duì)再造煙葉基片結(jié)構(gòu)及品質(zhì)的影響

盧昕博 戴 路 史春云 黃 華 楊 君 吳志宏 肖 偉 陶 豐 周國(guó)俊

(1. 浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，浙江 杭州 310024；2. 杭州利群環(huán)保紙業(yè)有限公司，浙江 杭州 310018)

填料對(duì)再造煙葉基片結(jié)構(gòu)及品質(zhì)的影響

盧昕博1戴 路1史春云1黃 華1楊 君1吳志宏2肖 偉2陶 豐2周國(guó)俊1

(1. 浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，浙江 杭州 310024；2. 杭州利群環(huán)保紙業(yè)有限公司，浙江 杭州 310018)

對(duì)具有不同晶型及粒徑分布的進(jìn)口碳酸鈣、硅藻土以及二氧化鈦在造紙法再造煙葉中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)填料的用量進(jìn)行了優(yōu)化，探討了添加填料對(duì)再造煙葉基片物理性能的影響，通過掃描電鏡儀以及熱重分析比較了不同填料再造煙葉基片留著率的差異。研究結(jié)果表明：硅藻土和二氧化鈦留著率明顯高于碳酸鈣，且都能提高再造煙葉基片的厚度和松厚度；碳酸鈣和硅藻土在10%的添加比例時(shí)基片抗張強(qiáng)度最高，二氧化鈦對(duì)基片的抗張強(qiáng)度影響不明顯；SEM圖顯示基片表面附著的填料量隨添加比例的增加而增加，其中碳酸鈣填料分布較分散；熱重分析得到的不同再造煙葉的重量殘留與填料留著率一致；加填硅藻土和二氧化鈦再造煙葉的感官品質(zhì)優(yōu)于碳酸鈣的。

填料；再造煙葉；物理性能；感官質(zhì)量

Abstract： In this paper, the application and optimum adding dosage of calcium carbonate, diatomite and titanium dioxide with different crystal form and particle size distribution on reconstituted tobacco sheet were investigated, and the effects of adding dosage on the physical properties of the reconstituted tobacco were discussed. The difference of filler retention on reconstituted tobacco was compared by the SEM and TG. The results showed that: the retention of diatomite and titanium dioxide was obviously higher than calcium carbonate, and the bulk and thickness were improved with diatomite and titanium dioxide; the tensile strength was highest at adding dosage of 10% when calcium carbonate or diatomite was used, and it changed little when titanium dioxide was used; the SEM shows that the retention of fillers was increasing with the increasing fillers ratio, and the calcium carbonate distribution was dispersed; in the TG analysis， the residual weight of reconstituted tobacco was in accordance with retention of fillers; the sensory quality of reconstituted tobacco of filling diatomite and titanium dioxide was better than filling calcium carbonate.

Keywords： filler; reconstituted tobacco; physical properties; sensory quality

再造煙葉是一種以煙梗、煙末以及碎煙片等煙草原料經(jīng)加工生產(chǎn)而得到的再生產(chǎn)品。從20世紀(jì)50年代至今，經(jīng)歷了輥壓法—稠漿法—造紙法3個(gè)階段[1]。與輥壓法和稠漿法相比，造紙法再造煙葉具有較小的密度、較強(qiáng)的填充能力、機(jī)械加工性能好、焦油釋放量低，可有效提高卷煙內(nèi)在抽吸品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[2]。利用造紙方式來抄造再造煙葉技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前造紙法再造煙葉普遍采用的生產(chǎn)工藝是將煙梗、煙末分別用水萃取，得到萃取液[5]和煙梗煙末漿，煙梗煙末漿經(jīng)打漿后在抄紙機(jī)上抄造成形，萃取液經(jīng)除雜、濃縮、醇化[6]等處理按一定比例混合后涂布到再造煙葉片基上，干燥后切片切絲得到再造煙葉。

再造煙葉生產(chǎn)中通常需添加一定比例的填料[7]，可以提高基片灰分含量、降低企業(yè)生產(chǎn)成本，更主要的是改善基片的物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高吸收液體性能和改變?nèi)紵隣顟B(tài)，最終影響在卷煙中抽吸時(shí)的感官品質(zhì)[8]。國(guó)內(nèi)外再造煙葉生產(chǎn)企業(yè)對(duì)如何提高再造煙葉填料的留著率也越來越重視[9]。碳酸鈣已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在造紙行業(yè)[10-12]，其中煙草行業(yè)三紙一棒中的卷煙紙，其填料碳酸鈣的加填量就達(dá)到了35%以上[13]。硅藻土應(yīng)用在再造煙葉[14]以及處理再造煙葉廢水[15]也有相關(guān)報(bào)道。此外，有分析[16]表明與國(guó)外再造煙葉相比，中國(guó)再造煙葉纖維素和半纖維素含量要高，而元素Ca、Ti含量分別是國(guó)外的2/5和1/3。

目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道碳酸鈣、硅藻土、二氧化鈦在再造煙葉中應(yīng)用效果差異的研究?；诖吮驹囼?yàn)研究了進(jìn)口碳酸鈣、硅藻土以及二氧化鈦在再造煙葉上的應(yīng)用，從基片的物理性能、掃描電鏡以及熱重分析等方面進(jìn)行分析，并且分別對(duì)不同再造煙葉進(jìn)行感官分析評(píng)價(jià)，為再造煙葉品質(zhì)的提高提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

煙梗漿、煙末漿及外加纖維：杭州利群環(huán)保紙業(yè)有限公司；

碳酸鈣：杭州謝菲爾考克碳酸鈣有限公司；

硅藻土：嵊州華東硅藻土制品有限公司；

二氧化鈦：上海江滬鈦白化工制品有限公司；

瓜爾膠：再造煙葉專用(食品級(jí))，山東東達(dá)生物化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

凱塞法抄片器：RK-3A型，奧地利PTI公司；

厚度儀：ZUS-4型，長(zhǎng)春市小型試驗(yàn)機(jī)廠；

抗張強(qiáng)度儀：DCP-KZ(W)300型，四川長(zhǎng)江造紙儀器設(shè)備有限責(zé)任公司；

馬弗爐：RJM型，沈陽市節(jié)能電爐廠；

電子天平：XP205型，瑞士Mettler-Toledo 公司；

標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器：GBJ-A 型，武漢格萊莫檢測(cè)設(shè)備有限公司；

打漿機(jī)：RXM-200B 型，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DH6-907385-3型，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；

紙張透氣度測(cè)定儀：JD-102型，東莞市精鼎儀器設(shè)備有限公司；

掃描電鏡儀：SEM(HITACHI-S3400N) 型，日本HITACHI公司；

熱重分析儀：Pyris Diamond TG型，美國(guó)PE公司；

粒徑分析儀：COULTER LS230型，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司。

1.3 方法

1.3.1 基片抄造 再造煙葉煙梗、煙末漿經(jīng)750盤磨，與外加纖維、填料以一定比例混合，用紙頁快速成形器抄造定量為60 g/m2的手抄片，測(cè)定手抄片留著率以及再造煙葉基片抗張強(qiáng)度、厚度、松厚度等物理指標(biāo)[17]。

1.3.2 掃描電鏡觀察及熱重分析 采用HITACHI-S3400N SEM掃描電鏡觀察基片表面填料留著情況；使用Pyris Diamond TG熱重分析儀測(cè)定再造煙葉基片熱失重變化曲線。

1.3.3 再造煙葉感官評(píng)價(jià) 取生產(chǎn)中涂布液用實(shí)驗(yàn)室涂布機(jī)對(duì)基片進(jìn)行涂布、烘箱干燥后得到再造煙葉成品，再造煙葉切絲后卷制成煙支；煙支樣品的抽取按照GB/T 5606.1—2004《卷煙 第1部分：抽樣》進(jìn)行；評(píng)吸前按照 GB/T 16447—2004調(diào)節(jié)評(píng)吸試樣水分；感官評(píng)價(jià)打分規(guī)則參見造紙法再造煙葉感官評(píng)價(jià)方法[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 填料性能參數(shù)

本試驗(yàn)所選用的3種類型填料分別為進(jìn)口碳酸鈣、硅藻土以及二氧化鈦，具體表征及性能參數(shù)見圖1及表1，圖1為選用3種填料的SEM圖，表1為粒徑分布測(cè)試結(jié)果。

圖1 3種填料SEM圖

Table 1 Particle size distribution of three fillers μm

?D10、D50、D90分別表示樣品累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10%，50%，90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑。

圖1顯示，進(jìn)口碳酸鈣外觀具有規(guī)則的紡錘形狀，紡錘狀結(jié)晶形狀決定了粒子會(huì)堆積、交叉在一起，產(chǎn)生搭橋作用，使成紙的結(jié)構(gòu)較疏松，對(duì)透氣度、不透明度均較有利，通常用在卷煙紙中[19]。硅藻土在電子顯微鏡下可以觀察到特殊多孔的構(gòu)造，能使紙張平滑，減少因濕度變化而引起伸縮，可調(diào)節(jié)燃燒率。二氧化鈦為銳鈦型鈦白粉，單晶由4個(gè)二氧化鈦分子組成，晶格比較大，結(jié)合比較疏松，晶格排列具有方向性，可使紙張光澤好，質(zhì)量輕。

再造煙葉具有燃燒這一特殊性，所選用的填料除了像造紙一樣發(fā)揮一般的加填作用如降低生產(chǎn)成本、提高紙張不透明度及改善手感外，最主要的是改善再造煙葉的透氣度、調(diào)節(jié)燃燒速度和均勻性等。試驗(yàn)所選3種填料具有不同形態(tài)，且硅藻土本身具有不同孔隙孔徑，粒徑分布也不同，相應(yīng)的在生產(chǎn)過程中對(duì)基片留著率以及物理指標(biāo)都有不同程度的影響。

2.2 填料類型對(duì)再造煙葉基片物理性能的影響

2.2.1 對(duì)再造煙葉基片留著率的影響 將進(jìn)口碳酸鈣、硅藻土以及二氧化鈦?zhàn)鳛樘盍戏謩e以4.5%，6.0%，10.0%，15.0%的添加比例進(jìn)行抄造試驗(yàn)，基片留著率見圖2。

由圖2可知，碳酸鈣、硅藻土和二氧化鈦?zhàn)鳛樘盍咸砑訒r(shí)，可以明顯提高再造煙葉基片的定量和留著率，硅藻土留著率最高。硅藻土粒徑大，且自身帶有孔隙，這樣有可能將漿料中的細(xì)小纖維結(jié)構(gòu)吸附在孔隙中，提高留著率，大顆粒又在基片中搭橋留著，從而進(jìn)一步提高留著效果。二氧化鈦粒徑小，分布均勻，再造煙葉基片表面的小孔隙被二氧化鈦填充。從填料添加比例趨勢(shì)來看，碳酸鈣和二氧化鈦的留著率隨著添加比例的增加先增大再減小，在10%添加比例達(dá)到最大值；硅藻土的留著率隨著添加比例的增加而增加，超過10%后增幅較小。

圖2 填料類型對(duì)留著率的影響

2.2.2 對(duì)再造煙葉基片抗張強(qiáng)度的影響 由圖3可知，與碳酸鈣相比，添加硅藻土和二氧化鈦時(shí)再造煙葉基片的抗張強(qiáng)度均下降，說明硅藻土和二氧化鈦較高的留著率，使得煙梗煙末以及外加纖維三者之間被部分填料取代，影響了纖維之間的結(jié)合力，造成抗張強(qiáng)度均下降。但是不同于紙張需具備一定的強(qiáng)度，再造煙葉的使用需要切絲，一定的柔軟性有利于填充在卷煙中，因此只需一定強(qiáng)度即可。從填料添加比例變化趨勢(shì)來看，碳酸鈣和硅藻土在10%的添加比例時(shí)抗張強(qiáng)度最高。

2.2.3 對(duì)再造煙葉基片厚度、松厚度的影響 圖4、5分別為填料類型對(duì)再造煙葉基片厚度及松厚度的影響。與添加碳酸鈣相比，添加硅藻土和二氧化鈦時(shí)都能提高再造煙葉基片的厚度和松厚度。從添加趨勢(shì)上看，碳酸鈣添加量對(duì)厚度影響不明顯，超過6%后，松厚度反而有所下降。隨著硅藻土添加量的增加，再造煙葉基片的厚度以及松厚度都呈上升趨勢(shì)，說明硅藻土粒徑較大能很好地附著在基片纖維上。二氧化鈦添加后厚度也是上升趨勢(shì)，但不同于硅藻土的留著效果，超過6%后厚度變化不明顯；松厚度結(jié)果顯示二氧化鈦在6%的添加量時(shí)達(dá)到最高，隨后呈下降趨勢(shì)。

圖3 填料類型對(duì)基片抗張強(qiáng)度的影響

2.3 基片結(jié)構(gòu)的掃描電鏡分析

將進(jìn)口碳酸鈣、硅藻土以及二氧化鈦分別以4.5%，6.0%，10.0%，15.0%的添加比例進(jìn)行抄造后所得基片放大3 000倍的SEM圖見圖6～8。

圖6～8顯示，不同填料的再造煙葉基片SEM圖變化趨勢(shì)與填料留著率的數(shù)據(jù)一致，硅藻土和二氧化鈦?zhàn)鳛樘盍咸砑訒r(shí)，可以明顯提高再造煙葉基片的填料留著效果。對(duì)于不同填料類型，隨著添加量的提高，基片表面留著的填料也明顯增加。由圖6可知，碳酸鈣在再造煙葉基片抄造過程中團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，以碳酸鈣團(tuán)聚體的形態(tài)留著在再造煙葉基片中，團(tuán)聚會(huì)引起碳酸鈣比表面積降低，導(dǎo)致留著效率不高，填料分布不均勻。由圖7可知，硅藻土在再造煙葉中分布較碳酸鈣均勻，硅藻土粒徑分布較廣且自身帶有孔隙，可以更好地與細(xì)小纖維結(jié)構(gòu)結(jié)合，而大顆粒在大孔隙中搭橋也可以進(jìn)一步提高留著效果。圖7顯示，硅藻土在基片中覆蓋了大部分孔隙，有研究[14]表明硅藻土作為助留劑主要通過篩分作用、深度效應(yīng)及吸附作用3種協(xié)同作用達(dá)到助留的作用。由圖8可知，二氧化鈦由于粒徑更小分布相對(duì)均勻，添加量為4.5%時(shí)，由于粒徑遠(yuǎn)小于基片孔隙，因此流失較大；當(dāng)添加量為6.0%～15.0%時(shí)，可以非常明顯看到二氧化鈦留著在基片上。

圖4 填料類型對(duì)基片厚度的影響

圖5 填料類型對(duì)基片松厚度的影響

圖6 添加碳酸鈣基片的SEM圖

圖7 添加硅藻土基片的SEM圖

圖8 添加二氧化鈦基片的SEM圖

2.4 基片的熱重分析

圖9～11為3種填料不同添加比例下再造煙葉基片的熱重分析TG曲線。所有的再造煙葉基片都有明顯的兩段熱失重峰，350 ℃和500 ℃左右。350 ℃對(duì)應(yīng)纖維素?zé)岱纸鈁20]，近500 ℃附近發(fā)生了劇烈的氧化反應(yīng)直至燃燒放熱，這一階段多糖物質(zhì)如高分子物質(zhì)木質(zhì)素等發(fā)生熱裂解造成失重[21]。最后碳酸鈣基片重量殘留基本低于10%(見圖9)，硅藻土基片重量殘留都高于30%(見圖10)，而二氧化鈦基片重量殘留都在20%左右，與前面留著率的數(shù)據(jù)一致，進(jìn)而驗(yàn)證了硅藻土和二氧化鈦?zhàn)鳛樘盍咸砑右獌?yōu)于碳酸鈣，可以明顯提高再造煙葉基片的留著率。

圖9 添加碳酸鈣基片的TG圖

圖10 添加硅藻土基片的TG圖

圖11 添加二氧化鈦基片的TG圖

2.5 再造煙葉感官評(píng)價(jià)

將不同填料的再造煙葉進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。

由表2可知，使用3種填料的再造煙葉經(jīng)評(píng)吸后感官質(zhì)量變化規(guī)律相似，隨著3種填料用量的增大，再造煙葉的感官質(zhì)量差異基本不大，但是整體評(píng)吸結(jié)果表明加填硅藻土和二氧化鈦要優(yōu)于加填碳酸鈣。燃燒性整體指標(biāo)顯示2#和3#都要優(yōu)于1#，這與填料留著率和松厚度數(shù)據(jù)較一致。與碳酸鈣相比，硅藻土和二氧化鈦能有效提高基片留著率，并且提高基片松厚度，松厚度高表明再造煙葉結(jié)構(gòu)疏松，并且能提高燃燒性。此外，香氣特征中香氣量也顯示，具有高松厚度的基片吸收涂布液性能更好，同時(shí)在燃燒過程中能加快涂布液從基片結(jié)構(gòu)中釋放出來，提升再造煙葉的抽吸品質(zhì)。

表2 感官評(píng)價(jià)打分統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

試驗(yàn)所選3種填料具有不同形態(tài)，且硅藻土本身具有不同孔隙孔徑，粒徑分布也不同，相應(yīng)地在生產(chǎn)過程中對(duì)基片留著率、物理指標(biāo)及感官質(zhì)量都有不同程度的影響，具體為：

(1) 碳酸鈣和二氧化鈦的留著率隨著添加比例的增加先增大再減小，在10%添加比例達(dá)到最大值；硅藻土的留著率隨著添加比例的增加而增加。碳酸鈣和硅藻土在10%的添加比例時(shí)抗張強(qiáng)度最高，二氧化鈦整體對(duì)基片的抗張強(qiáng)度影響不明顯。與添加碳酸鈣相比，添加硅藻土和二氧化鈦都能提高再造煙葉基片的厚度和松厚度。

(2) SEM圖顯示隨著硅藻土和二氧化鈦添加量的提高，基片表面留著了非常明顯的填料，而碳酸鈣留著率不高，填料分布的比較分散。

(3) 熱重分析結(jié)果顯示重量殘留與留著率結(jié)果基本一致。

(4) 加填硅藻土和二氧化鈦再造煙葉的感官品質(zhì)優(yōu)于加填碳酸鈣。

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Effects of fillers on structure and sensory quality of reconstituted tobacco sheet

LU Xin-bo1DAILu1SHIChun-yun1HUANGHua1YANGJun1WUZhi-hong2XIAOWei2TAOFeng2ZHOUGuo-jun1

(1.TechnologyCenterofChinaTobaccoZhejiangIndustrialCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310024,China; 2.HangzhouLiqunEnvironmentprotectingPaperCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.038

盧昕博，女，浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司工程師，博士。

周國(guó)俊(1973—)，男，浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司研究員，博士。E-mail：Zhougj@zjtobacco.com

2017—04—06