改性聚乳酸絲束的濾棒成型技術(shù)研究

岳保山，王濤，龔為民，詹建波，王浩，魏宏，李賡，桂永發(fā)，謝姣

（云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650000）

聚乳酸纖維的物理、化學(xué)性能與醋纖相似[1]，但較低的成本、良好的可降解性及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，加之與醋酸纖維濾嘴在卷煙上有著近似的煙氣和口感，使其成為可行的濾嘴材料替代品之一[2]。國內(nèi)外的研究者對(duì)聚乳酸纖維制備方法、性能特征、成型工藝等進(jìn)行了大量的研究[3-11]，但多集中在紡織行業(yè)，對(duì)聚乳酸纖維濾棒的研究多集中在專利[12-16]方面，開展的相關(guān)研究[1-2，17-19]沒有進(jìn)行相關(guān)的卷煙生產(chǎn)試驗(yàn)，缺乏濾棒成型工藝的詳細(xì)研究；很少考察聚乳酸絲束參數(shù)對(duì)濾棒質(zhì)量的影響，難以保證濾棒質(zhì)量的穩(wěn)定；使用的增塑劑（膠黏劑）多有異味、易揮發(fā)，有些有毒性，不能滿足聚乳酸纖維濾棒成型的要求；濾棒硬度隨放置時(shí)間延長下降，煙支接裝困難。筆者根據(jù)改性聚乳酸絲束的性能特點(diǎn)，針對(duì)改性聚纖維濾棒生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，制定工藝流程、確定工藝參數(shù)、選定絲束規(guī)格，在保證改性聚乳酸絲束能夠在成型機(jī)上能夠生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的濾棒的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)改性聚乳酸纖維濾棒的工業(yè)化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備

材料：改性聚乳酸纖維濾棒 醋酸纖維濾棒。

設(shè)備：濾棒成型機(jī)KDF2（德國Hauni公司）、濾棒發(fā)射機(jī)Filtromat-s 2A Nr.856（德國Hauni公司）、濾棒綜合測試臺(tái)Sodim 74Lin29（法國Sodim公司）。

1.2 方法

在絲束規(guī)格一定的情況下，輥速比、螺紋輥壓力、空氣噴嘴壓力及穩(wěn)定輥壓力等參數(shù)對(duì)絲束穩(wěn)定開松和成型起決定性作用[19]。由于改性聚乳纖絲束和醋纖絲束均具有可以被三乙酸甘油酯增塑的特點(diǎn)，借鑒醋纖濾棒加工工藝制訂了改性聚乳酸濾棒的生產(chǎn)工藝流程；為了研究濾棒成型工藝中開松輥壓力、開松速比、增塑劑施加量對(duì)絲束開松情況及濾棒物理參數(shù)的影響，通過單因素生產(chǎn)試驗(yàn)開展上述幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)絲束開松效果及濾棒性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 關(guān)鍵工序工藝技術(shù)研究

絲束開松、施加增塑劑、卷制成型及濾棒切割為改性聚乳酸纖維濾棒生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵工序。表1為醋纖及改性聚乳酸絲束兩種絲束物理指標(biāo)。

表1 改性聚乳酸絲束的物理指標(biāo)和醋纖絲束物理指標(biāo)差異表Table 1 Physical index of modified polylactic acid tow and difference table of physical index of acetate fiber bundle

根據(jù)表1所示，由于兩種絲束的水分、斷裂強(qiáng)度、油劑的差異，對(duì)濾棒生產(chǎn)過程中絲束開松效果、增塑劑施加量有直接影響，對(duì)改性聚乳酸絲束開松及施加增塑劑關(guān)鍵工序的工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究。

2.2 開松工藝技術(shù)分析

開松工藝技術(shù)參數(shù)直接影響絲束的開松效果，濾棒的硬度、吸阻等物理指標(biāo)和外觀質(zhì)量。適合的開松工藝技術(shù)參數(shù)，可以使絲束得到有效分離，形成均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到良好的開松效果，從而獲得符合質(zhì)量要求的濾棒。

開松工藝參數(shù)主要包括開松速比和開松輥壓力。在絲束規(guī)格（3.6Y/45000）一定的情況下，開松輥壓力過小，絲束不能有效分離，造成開松不良，吸阻和硬度偏低，濾棒產(chǎn)生縮頭等質(zhì)量問題；開松輥壓力過大，造成開松過度，吸阻和硬度反而降低；在絲束規(guī)格一定的情況下，開松速比過小，造成開松不良，產(chǎn)生縮頭，濾棒吸阻和硬度偏低；開松速比過大，造成開松過度，濾棒吸阻和硬度偏低。

2.2.1 開松輥壓力對(duì)絲束開松情況及濾棒性能的影響以3.6Y/45000絲束為試驗(yàn)對(duì)象，研究了不同開松輥壓力對(duì)絲束開松情況的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開松輥壓力在1.2～1.4 MPa時(shí)，開松不良有縮頭；在1.5～1.9 MPa時(shí)，開松良好無縮頭；在2.0～2.4 MPa時(shí)，開松過度。不同輥壓力下濾棒吸阻和硬度的關(guān)系圖分別見圖1和圖2。

圖1 濾棒硬度與開松輥壓力關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the hardness of the filter bar and the pressure of the opening roll

圖2 濾棒吸阻與開松輥壓力關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the suction resistance of the filter rod and the pressure of the opening roll

由圖1與圖2可以看出：① 當(dāng)開松輥壓力在1.2～1.8 MPa之間時(shí)，濾棒硬度隨著輥壓力的增大而明顯增大，超過1.8 MPa時(shí)，濾棒硬度隨著輥壓力的增大而減小，濾棒硬度在輥壓力1.8 MPa達(dá)到最大值；② 當(dāng)開松輥壓力在1.2～2.0 MPa之間時(shí)，濾棒吸阻隨著輥壓力的增大而呈增大的趨勢，超過2.0 MPa時(shí)，吸阻呈減小的趨勢；③ 綜合絲束開松情況以及聚乳酸纖維濾棒卷煙用濾棒吸阻（4160～4200 Pa）、硬度（83%～87%）指標(biāo)要求，較佳的開松輥壓力為1.7～1.9 MPa，此時(shí)絲束開松良好無縮頭，濾棒吸阻和硬度能夠達(dá)到較理想的數(shù)值。

表2 增塑劑施加量對(duì)濾棒質(zhì)量特性的影響Table 2 Effect of the amount of plasticizer on the quality of the filter rod

2.2.2 開松速比對(duì)絲束開松情況及濾棒性能的影響

以3.6Y/45000絲束為試驗(yàn)對(duì)象，研究了不同開松速比對(duì)絲束開松情況的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開松比小于0.66時(shí)，絲束開松不良；當(dāng)開松比在0.66～0.79時(shí)，絲束開松良好；當(dāng)開松比大于0.79時(shí)，開松過度。不同開松速比對(duì)濾棒吸阻、硬度的影響如圖3、4所示。

圖3 開松速比對(duì)濾棒吸阻的影響Fig.3 Influence of opening speed ratio on the resistance of filter rod

圖4 開松速比對(duì)濾棒硬度的影響Fig.4 Influence of opening speed ratio on the hardness of filter rod

由圖3與圖4可看出：① 當(dāng)開松速比低于0.66時(shí)，濾棒吸阻和硬度隨著開松速比的增大而增大，但指標(biāo)均偏低；② 當(dāng)開松速比在0.66～0.73時(shí)，可獲得較高的濾棒吸阻和硬度；③ 當(dāng)開松速比高于0.73時(shí)，濾棒吸阻和硬度隨著開松速比的增大而減小，指標(biāo)均偏低；④ 聚乳酸纖維濾棒開松速比對(duì)濾棒硬度和吸阻的影響趨勢與醋酸纖維濾棒對(duì)兩個(gè)參數(shù)的影響趨勢類似[19]。綜合絲束開松情況以及濾棒吸阻、硬度指標(biāo)要求，確定最佳開松速比為 0.66～0.73。

2.3 增塑劑施加工藝技術(shù)

聚乳酸纖維物理、化學(xué)性能與醋纖相似，根據(jù)改性聚乳酸絲束具有增塑的特點(diǎn)，使用煙用三乙酸甘油酯作為增塑劑，將其均勻施加（噴灑）到開松后的改性聚乳酸絲束上，使濾棒具有適當(dāng)?shù)挠捕?，以滿足卷煙工藝對(duì)濾棒硬度的要求。增塑劑的施加方式和生產(chǎn)醋纖絲束濾棒的施加方式相同，增塑劑經(jīng)過增塑系統(tǒng)加壓、加溫，利用上膠刷輥均勻施加在開松好的絲束上。絲束發(fā)生增塑，使濾嘴棒具有一定的硬度，增塑劑施加量直接影響到濾棒的硬度。三乙酸甘油酯的施加量直接影響到濾棒的硬度指標(biāo)，為保證生產(chǎn)出的濾棒質(zhì)量符合卷煙要求，對(duì)施加量與濾棒硬度指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究。在絲束規(guī)格一定及開松速比、開松輥壓力、絲束填充量保持穩(wěn)定的狀態(tài)下，進(jìn)行三乙酸甘油酯施加量試驗(yàn)。表2為三乙酸甘油酯施加量對(duì)濾棒硬度影響的研究結(jié)果。

不同施加量與濾棒重量、吸阻、硬度關(guān)系圖見圖 5～7。

表3 改性聚乳酸絲束特性曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data on the characteristic curve of modified polylactic acid tow

圖5 濾棒重量與增塑劑施加量關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the weight of the filter rod and the amount of the plasticizer

圖6 濾棒吸阻與增塑劑施加量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the suction resistance of filter bar and the quantity of the plasticizer

圖7 濾棒硬度與增塑劑施加量關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the hardness of the filter bar and the quantity of the plasticizer

圖8 單支濾棒增塑劑含量Fig.8 Plasticizer content of single filter rod

由表2和圖5～7可看出：當(dāng)三乙酸甘油酯施加量在20～65 mg/支時(shí)，濾棒重量、吸阻和硬度隨施加量增加而增加；施加量在65～80 mg/支，濾棒硬度指標(biāo)隨施加量的增加反而有所下降。根據(jù)卷煙對(duì)濾棒硬度指標(biāo)的要求，三乙酸甘油酯控制在 40～70 mg/支范圍之間較合適。通過計(jì)算三乙酸甘油酯在單支濾棒中的施加量，如圖8所示，三乙酸甘油酯在單支濾棒的施加量為3.80%～6.46%。

2.4 改性聚乳酸絲束特性曲線研究

不同規(guī)格的絲束具有不同的吸阻加工范圍，絲束特性曲線可以體現(xiàn)了濾棒吸阻與絲束重量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過特性曲線的試驗(yàn)研究，可以確定不同規(guī)格絲束合理的加工范圍，計(jì)算出不同規(guī)格絲束所對(duì)應(yīng)濾棒的理論出棒率。

2.4.1 特性曲線的繪制和計(jì)算分析

針對(duì)用于相應(yīng)品牌卷煙的吸阻要求和濾棒規(guī)格的要求，選取3.0Y/35000、3.3Y/40000、3.6Y/45000和4.0Y/48000等四個(gè)規(guī)格的改性聚乳酸絲束進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過試驗(yàn)和計(jì)算，分別得出最大棒和最小棒的絲束凈重量和吸阻，如表3所示。

圖9 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（3.0Y/35000）Fig.9 Characteristic curve of modified polylactic acid tow

根據(jù)表3及表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)及加工點(diǎn)計(jì)算公式繪制各規(guī)格絲束的特性曲線，如圖9 ～ 12所示：

根據(jù)行業(yè)內(nèi)對(duì)濾棒加工范圍的選定慣例，濾棒最低可加工點(diǎn)必須保證絲束填充量滿足濾棒不縮頭的外觀質(zhì)量要求，這個(gè)加工點(diǎn)通常在20%左右，當(dāng)加工點(diǎn)超過80%時(shí)，絲束填充量較高，造

表4 改性聚乳酸絲束特性曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data on the characteristic curve of modified polylactic acid tow

圖10 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（3.3Y/40000）Fig.10 Characteristic curve of modified polylactic acid tow（3.3Y/40000）

2.4.2 不同絲束規(guī)格的分析比較

圖11 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（3.6Y/45000）Fig.11 Characteristic curve of modified polylactic acid tow（3.6Y/45000）

圖13 改性聚乳酸各規(guī)格絲束加工點(diǎn)對(duì)應(yīng)吸阻Fig.13 Corresponding draw resistance of modified polylactic acid tow at different processing sites

圖14 改性聚乳酸各規(guī)格絲束加工點(diǎn)對(duì)應(yīng)硬度Fig.14 Corresponding hardness of modified polylactic acid tow at different processing sites

圖12 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（4.0Y/48000）Fig.12 Characteristic curve of modified polylactic acid tow（4.0Y/48000）

本文確定以特性曲線的30%～50%為絲束的最佳加工區(qū)域，并在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了5個(gè)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)。成濾棒變形?？紤]濾棒質(zhì)量的穩(wěn)定性及出棒率情況，加工范圍一般在絲束特性曲線20%～80%，而最佳加工范圍在絲束特性曲線30%～50%。

圖13與圖14結(jié)果表明：四種規(guī)格絲束在最佳加工區(qū)域內(nèi)濾棒吸阻范圍為3257～4553 Pa；當(dāng)吸阻在3700 Pa以下時(shí)，濾棒硬度低于80%；3.0Y/35000規(guī)格絲束生產(chǎn)出濾棒硬度均在80%以下，無法達(dá)到卷煙生產(chǎn)及濾棒工藝要求；硬度指標(biāo)在80%以上的有 3.3/40000、3.6Y/45000、4.0Y/48000 三種規(guī)格絲束。綜合考慮濾棒的吸阻和硬度指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益，按40%位置計(jì)算絲束出棒率，結(jié)果見表5。

通過表5出棒率情況分析，3.0Y/35000、3.3Y/40000、3.6Y/45000、4.0Y/48000絲 束 出棒率為165.4萬支/1000 kg、158.7萬支/1000 kg、151.1萬支 /1000 kg、137.2萬支 /1000 kg。3.0Y/35000絲束的出棒率較高，但濾棒硬度較低，4.0Y/48000規(guī)格絲束生產(chǎn)的濾棒出棒率較低，不適于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。經(jīng)綜合分析，3.3Y/40000、3.6Y/45000兩種規(guī)格絲束應(yīng)用效果要優(yōu)于3.0Y/35000、4.0Y/48000兩種規(guī)格絲束，可以用于大規(guī)模的濾棒成型生產(chǎn)。

表5 各絲束規(guī)格的出棒率、吸阻、硬度Table 5 Rod rate, suction resistance and hardness of different tow specifications

表6 各絲束規(guī)格的濾棒抽樣檢驗(yàn)表Table 6 Filter bar sampling checklist of different specifications

2.5 質(zhì)量穩(wěn)定性

本文對(duì)3.3Y/40000、3.6Y/45000兩個(gè)規(guī)格絲束進(jìn)行了上機(jī)適應(yīng)性考察，分別經(jīng)過3個(gè)班次24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)濾棒，生產(chǎn)過程中對(duì)濾棒產(chǎn)品進(jìn)行隨機(jī)質(zhì)量抽樣檢測（每20分鐘抽樣一次），檢測結(jié)果見表6，數(shù)據(jù)表明：3.3Y/40000、3.6Y/45000兩個(gè)規(guī)格絲束生產(chǎn)的濾棒質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)行正常，均能滿足濾棒成型生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

（1）研究了絲束開松工藝中開松壓力、開松速比、增塑劑施加量對(duì)絲束開松情況及濾棒物理參數(shù)的影響，最終確定較佳工藝參數(shù)：開松壓力1.7～1.9 MPa，開松速比 0.66～0.73，增塑劑施加量為 40～70 mg/支；

（2）獲得了四個(gè)規(guī)格改性聚乳酸絲束的特性曲線，根據(jù)濾棒的硬度指標(biāo)及出棒率，最終確定3.3Y/40000、3.6Y/45000規(guī)格絲束效果優(yōu)于3.0Y/35000、4.0Y/48000規(guī)格絲束；

（3）3.3Y/40000、3.6Y/45000兩個(gè)規(guī)格絲束連續(xù)生產(chǎn)的濾棒質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)行正常，均能滿足濾棒成型生產(chǎn)要求。