改性聚乳酸纖維濾棒上機適應(yīng)性研究

王濤，岳保山，龔為民，王浩，魏宏，詹建波，桂永發(fā)，張靜，李賡

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

0 引言

聚乳酸在纖維的物理、化學(xué)性能方面與醋酸纖維十分相似[1]，但聚乳酸纖維具有低成本、高降解率、化學(xué)穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，可以實現(xiàn)與常用的醋酸纖維絲束應(yīng)用于卷煙時相近的抽吸體驗，是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的醋酸纖維濾棒的潛在替代材料[2]。國內(nèi)學(xué)者對于聚乳酸纖維濾棒的研究多集中在專利[3-7]階段，開發(fā)的濾棒產(chǎn)品并未實際在卷煙產(chǎn)品中應(yīng)用[8-11]，沒有進行相關(guān)的卷煙生產(chǎn)試驗。筆者通過開展聚乳酸纖維濾棒在濾棒發(fā)射機、管道風(fēng)送、煙支卷接、廢煙支回收等決定聚乳酸纖維濾棒能否實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用密切相關(guān)工序的上機適應(yīng)性，以及其對卷煙產(chǎn)品外觀、物理質(zhì)量影響的研究，研究改性聚乳酸纖維的上機適應(yīng)性、聚乳酸纖維濾棒卷煙產(chǎn)品質(zhì)量特性以及廢煙支回收可行性，旨在為聚乳酸纖維濾棒卷煙實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備

實驗材料為改性聚乳酸纖維濾棒、醋酸纖維濾棒。實驗設(shè)備包括濾棒成型機KDF2（德國Hauni公司）、濾棒發(fā)射機Filtromat-s 2A Nr.856（德國Hauni公司）、Passim 12K卷煙機（英國Molins公司）、Protos 90S卷煙機（德國Hauni公司）、Protos 70s卷煙機（德國Hauni公司）、濾棒綜合測試臺Sodim 74Lin29（法車Sodim公司）。

1.2 方法

為考察改性聚乳酸纖維濾棒的工業(yè)適用性、保證大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，作者通過對比分析改性聚乳酸纖維濾棒、醋纖濾棒在發(fā)射機故障率、輸送管道停機故障率，輸送后濾棒的外觀、物理質(zhì)量，不同類型卷煙機上機適應(yīng)性，卷煙產(chǎn)品質(zhì)量、廢煙支回收等與濾棒加工相關(guān)的所有工序的不同特點，考察利用改性聚乳酸纖維濾棒取代醋酸纖維濾棒大規(guī)模生產(chǎn)的可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾棒在發(fā)射段及輸送管道中運行情況研究

濾棒在正常發(fā)射過程中，由于濾棒皺頭、表面折皺等質(zhì)量缺陷會造成濾棒夾在發(fā)射機內(nèi)，導(dǎo)致發(fā)射故障停機，還會造成輸送管道出現(xiàn)堵管故障，使濾棒不能正常供給，影響到卷煙的正常生產(chǎn)。根據(jù)發(fā)射機、輸送管道的停機故障率要求，正常發(fā)射濾棒的夾棒、輸送管道停機故障率應(yīng)分別低于7次/百萬支、2次/百萬支[12-14]。針對濾棒在發(fā)射機運行過程中易出現(xiàn)的夾棒、輸送管道過程中的堵管情況，本文選取了5臺發(fā)射機對846萬支乳纖濾棒，連續(xù)發(fā)射情況以及在輸送管道中的運行情況進行跟蹤統(tǒng)計，并通過與發(fā)射相同數(shù)量的醋纖濾棒故障率進行對比統(tǒng)計，結(jié)果如圖1、圖2所示，表明乳纖濾棒與醋纖濾棒故障率接近，能夠滿足大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

圖1 改性聚乳酸纖維濾棒與常規(guī)濾棒接收機堵管故障率對比圖Fig.1 Failure rate comparison of plugging tube between modified and conventional polylactic acid fiber rod receiver

圖2 改性聚乳酸纖維濾棒與常規(guī)濾棒在輸送管道中故障率對比圖Fig.2 Comparison of failure rate of modified and conventional polylactic acid fiber rod in pipeline

2.2 乳纖濾棒發(fā)射后質(zhì)量情況研究

濾棒通過發(fā)射機和輸送管道進入卷煙機的過程中，由于機械摩擦和碰撞會對濾棒的外觀質(zhì)量造成影響，通常是表面折皺和皺頭，從而影響卷煙機生產(chǎn)效率和煙支質(zhì)量。

通過將符合質(zhì)量要求的乳纖濾棒和醋纖濾棒分別裝入發(fā)射機料斗，經(jīng)過發(fā)射機、發(fā)射管道和接收機后進入卷煙機料斗，本文對5臺發(fā)射機發(fā)射乳纖濾棒的外觀質(zhì)量情況每臺隨機抽取20組共2000支樣品分別檢驗，對發(fā)射過程中由機械摩擦和碰撞造成的外觀質(zhì)量缺陷與抽樣總數(shù)的百分比進行匯總統(tǒng)計，并與醋纖濾棒對比，見表1。

表1 不同濾棒外觀質(zhì)量缺陷率對比統(tǒng)計表（單位：‰）Table 1 Statistical comparison of the appearance quality defects of different filter rods (unit: ‰)

由表1可知乳纖濾棒和醋纖濾棒表面折皺的平均值基本一致，變異系數(shù)優(yōu)于醋纖濾棒，乳纖濾棒皺頭的平均值優(yōu)于醋纖濾棒，變異系數(shù)與醋纖濾棒基本一致，因此乳纖濾棒與醋纖濾棒的發(fā)射質(zhì)量接近，可以滿足濾棒發(fā)射的工業(yè)化需求。

2.3 煙支卷制段工業(yè)應(yīng)用研究

為了考察濾棒在不同卷煙機型的上機適應(yīng)性、卷煙產(chǎn)品質(zhì)量是否滿足生產(chǎn)工藝要求以及乳纖濾棒對煙支卷制的影響，本文在Passim 12K和Protos 90S卷煙機進行了批量工業(yè)試驗，運行時間為一個班次（8小時），考察使用乳纖濾棒卷制卷煙的設(shè)備運行情況、產(chǎn)品的物理指標(biāo)及外觀質(zhì)量，并與醋纖濾棒進行了比對。

2.3.1 Passim 12K、Protos 90S卷煙設(shè)備運行情況

試驗前對設(shè)備進行了整體清潔，更換新的圓切刀，排除故障隱患后開機試驗，正常速度下運行8小時，Passim 12K未發(fā)生受濾棒影響導(dǎo)致的故障停機，Protos 90S發(fā)生1次因夾濾棒導(dǎo)致的故障停機。8小時后停機檢查濾棒圓切刀情況：Passim 12K切刀表面清潔無膠，刀口保持鋒利，刀盤四周保持清潔，無明顯的絲束碎屑堆積，乳纖濾棒樣品的上機適應(yīng)性良好。Protos 90S切刀表面粘附有少量膠皮，刀口保持鋒利，刀盤四周保持清潔，無明顯的絲束碎屑堆積。

乳纖設(shè)備效率與醋纖設(shè)備效率對比如表2、3所示，結(jié)果表明乳纖濾棒設(shè)備運行穩(wěn)定，設(shè)備效率略高于醋纖濾棒，上機適應(yīng)性好。

表2 乳纖與醋纖嘴棒的機臺對比情況表Table 2 Comparison of lactic acid fiber and acetate fiber making machines

表3 實驗機臺與正常使用醋纖嘴棒的機臺對比情況表Table 3 Comparison of experimental and conventional acetate fiber making machines

2.3.2 卷煙產(chǎn)品物理指標(biāo)

乳纖濾棒樣品在Passim 12K、Protos 90S卷煙設(shè)備上機試驗8小時，每隔一小時隨機抽取20支煙支樣品進行物理指標(biāo)檢測，如圖3、4所示。

圖3 PASSIM 12K卷煙機煙支物理特性標(biāo)偏控制圖Fig.3 Control chart for physical characteristics of PASSIM 12K cigarette making machine

以醋纖濾棒煙支的物理指標(biāo)為參考標(biāo)準(zhǔn)，乳纖濾棒煙支各項物理指標(biāo)平均值與標(biāo)準(zhǔn)平均值接近且標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，表明乳纖濾棒各項指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)且波動較小,對卷煙物理特性無明顯的影響。

2.3.3 外觀質(zhì)量

圖4 PROTOS 90S卷煙機煙支物理特性標(biāo)偏控制圖Fig.4 Control chart for physical characteristics of PROTOS 90S cigarette making machine

分別隨機抽取Passim 12K和Protos 90S卷制的樣品煙支各10組共2000支進行外觀質(zhì)量檢驗，結(jié)果表明：煙支濾棒切口光滑平齊、無毛茬；煙支接裝紙表面光滑無皺紋；剝離煙支段和濾嘴段檢查，未發(fā)現(xiàn)漏氣煙。乳纖濾棒從濾棒切割到與煙支的搓接，均對煙支的外觀質(zhì)量無明顯影響。與使用醋纖濾棒的煙支外觀質(zhì)量比較，兩者無明顯差異。

2.4 乳纖濾棒卷煙工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用情況

將乳纖濾棒用于卷煙工業(yè)生產(chǎn)，使用5臺Protos 70S卷煙設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)三個班次18個小時，共計772.2箱卷煙（3861萬支成品卷煙），通過多機臺設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)，考察了乳纖濾棒卷煙工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的設(shè)備運行情況、產(chǎn)品的物理指標(biāo)及外觀質(zhì)量，并與醋纖濾棒進行了比對。

2.4.1 乳纖濾棒卷煙批量生產(chǎn)設(shè)備運行情況

本次批量生產(chǎn)在5臺Protos 70S 卷煙設(shè)備上連續(xù)生產(chǎn)了772.2箱共計3861萬支成品卷煙。與使用醋纖濾棒生產(chǎn)的設(shè)備有效作業(yè)率、廢品率兩項技術(shù)指標(biāo)進行對比統(tǒng)計，如下表4所示。

表4 不同濾棒卷煙生產(chǎn)統(tǒng)計表Table 4 Production statistics of different filter rod cigarettes

生產(chǎn)前對設(shè)備逐一進行了整體清潔，更換新的圓切刀，排除故障隱患后開機生產(chǎn)，正常速度下運行，未發(fā)生受濾棒影響導(dǎo)致的故障停機，生產(chǎn)結(jié)束后停機檢查濾棒圓切刀情況：切刀表面清潔無膠，刀口保持鋒利，刀盤四周保持清潔，無明顯的絲束碎屑堆積，乳纖濾棒的卷煙上機適應(yīng)性良好。設(shè)備平均有效作業(yè)率：91.92%，廢品率：0.044 kg/萬支，本批次試生產(chǎn)使用乳纖濾棒的卷煙設(shè)備有效作業(yè)率、煙支廢品率與使用醋纖濾棒生產(chǎn)的無明顯差異。

2.4.2 乳纖濾棒卷煙批量生產(chǎn)煙支外觀質(zhì)量分析

在生產(chǎn)過程中對5臺設(shè)備每臺隨機抽取10組卷煙成品（每組20支）共1000支進行煙支外觀質(zhì)量檢驗，檢驗情況如下：本次批量生產(chǎn)乳纖濾棒煙支切口無縮頭、無毛茬；煙支接裝紙表面光滑無皺紋；剝離煙支段和濾嘴段檢查，未發(fā)現(xiàn)漏氣煙。以上結(jié)果表明：乳纖濾棒從濾棒切割到與煙支的搓接，均對煙支的外觀質(zhì)量無影響。

2.4.3 乳纖濾棒卷煙批量生產(chǎn)煙支物理指標(biāo)分析

為考察乳纖濾棒對煙支物理指標(biāo)的影響，隨機抽取30組樣品（每組20支）進行檢測，以醋纖濾棒煙支的物理指標(biāo)為參考標(biāo)準(zhǔn)，對抽樣檢驗的乳纖濾棒生產(chǎn)的煙支物理特性逐一進行分析：

圖6 乳纖濾棒煙支吸阻分析圖Fig.6 Analysis diagram of suction resistance of lactic acid fiber filter rod

乳纖濾棒卷煙的煙支重量整體較使用醋纖濾棒的煙支重量偏重，平均超出標(biāo)準(zhǔn)中心值約34.7 mg，由于改性聚乳酸絲束的規(guī)格為4.5Y/45000，而醋纖絲束規(guī)格為3.5Y/34000，因此對卷制后的煙支單支重量產(chǎn)生了影響。乳纖濾棒煙支的吸阻明顯高于醋纖濾棒煙支的吸阻，平均高出170 Pa。由于醋纖濾棒的吸阻為3700 Pa，乳纖濾棒的吸阻為4200 Pa，因此，為適應(yīng)生產(chǎn)需要，標(biāo)準(zhǔn)制定部門將根據(jù)乳纖濾棒規(guī)格重新制定相應(yīng)的吸阻標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 乳纖濾棒煙支圓周分析圖Fig.7 Circumferential analysis chart of lactic acid fiber filter rod

圖8 乳纖濾棒煙支長度分析圖Fig.8 Length analysis chart of cigarette filter rod

由于乳纖濾棒與醋纖濾棒的圓周、長度指標(biāo)相同，因此乳纖濾棒對煙支圓周、長度指標(biāo)未有直接影響，煙支的圓周、長度控制在參考標(biāo)準(zhǔn)中心值上限波動，主要是由于設(shè)備波動引起的，均控制在參考標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。由于乳纖濾棒與醋纖濾棒的長度指標(biāo)相同，因此乳纖濾棒對煙支長度指標(biāo)未有直接影響。

2.5 廢煙回收段工業(yè)應(yīng)用研究

通過對乳纖嘴棒的煙支回收技術(shù)研究，以驗證乳纖嘴棒煙支在回收處理過程中設(shè)備運行情況是否正常，回收后的煙絲中是否含有濾棒絲束?？疾炝嗽O(shè)備運行情況以及回收煙絲質(zhì)量是否符合工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。廢煙回收工藝流程圖見圖9：

圖9 廢煙回收工藝流程圖Fig.9 Recovery process flow chart of waste cigarette

2.5.1 廢煙回收段設(shè)備運行情況分析

使用1000 kg乳纖濾棒紅梅（白）煙支，按照現(xiàn)行醋纖濾棒卷煙使用的廢煙回收段工藝標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)生產(chǎn)1小時，考察了廢煙回收段設(shè)備運行情況，主要技術(shù)參數(shù)情況見圖10、11。

表5 隨機抽樣工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 5 Statistical tables for random sampling process indicators

圖10 煙絲干燥滾筒壓力曲線圖Fig.1 0 Pressure diagram of tobacco drying cylinder

圖11 回潮溫度曲線圖Fig.1 1 Curve of moisture regain temperature

從圖10、11分析：從投料開始到煙絲回收結(jié)束，設(shè)備運行參數(shù)均符合工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備運行正常，無異常波動導(dǎo)致的故障，整個生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明使用現(xiàn)有設(shè)備即可對乳纖濾棒卷煙進行廢煙回收。

2.5.2 回收煙絲質(zhì)量分析

對乳纖濾棒煙支進行回收煙絲過程監(jiān)控，通過對各項工藝指標(biāo)的隨機抽樣檢驗，跟蹤考察回收煙絲的質(zhì)量波動情況，對連續(xù)生產(chǎn)1小時的回收煙絲間隔5分鐘隨機抽取100 g樣品進行檢驗，各項工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)如表5所示。

煙支回潮出口水分，回收煙絲含水率均符合正常生產(chǎn)的工藝要求。將處理后的回收煙絲取樣，采用分檢法測得回收煙絲含雜率為0.14%，其中所含雜物主要以卷煙紙為主，未發(fā)現(xiàn)有嘴棒絲束等雜物。將回收后的嘴棒卷煙紙取樣，采用分離法將嘴棒卷煙紙中剩余的煙絲分離稱量，廢紙含煙絲率為5.5%，各項技術(shù)指標(biāo)均在工藝標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，通過連續(xù)跟蹤檢驗，乳纖濾棒煙支回收煙絲質(zhì)量良好，無異常波動。

2.5.3 與醋纖濾棒回收煙絲質(zhì)量對比分析

本文選取與濾棒質(zhì)量相關(guān)的兩項工藝指標(biāo)（回收煙絲含雜率、廢紙含煙絲率）進行對比分析，使用醋纖嘴棒的紅梅回收煙絲數(shù)據(jù)來源為同步的正常抽樣數(shù)據(jù)?；厥諢熃z含雜率對比分析情況，見圖12。

圖12 回收煙絲含雜率對比圖Fig.1 2 Comparison of impurity content of recovered tobacco

通過對比分析，乳纖嘴棒的回收煙絲含雜率為0.14%，醋纖嘴棒的含雜率為0.15%，兩者無明顯差異。在工藝要求范圍內(nèi)，雜物主要以卷煙紙紙片為主，雜物中無濾棒絲束。結(jié)果表明，乳纖濾棒的煙支對煙絲回收含雜率無明顯影響。廢紙含煙絲率對比分析情況，具體見圖13。

圖13 廢紙含煙絲率對比圖Fig. 13 Contrast chart of tobacco content in waste paper

通過對比分析，乳纖濾棒的回收煙絲廢紙含絲率為5.5%，醋纖濾棒廢紙含絲率為5.4%，兩者無明顯差異。結(jié)果表明，乳纖濾棒對煙絲回收的廢紙含絲率無明顯影響。

3 結(jié)論

（1）乳纖濾棒能滿足濾棒發(fā)射的生產(chǎn)要求，濾棒外觀質(zhì)量符合工藝要求，與發(fā)射醋纖濾棒的生產(chǎn)情況進行對比，兩者無明顯差異；

（2）乳纖濾棒在不同卷煙機型的上機適應(yīng)性良好，煙支質(zhì)量無異常波動。在紅梅（白）品牌上連續(xù)批量生產(chǎn)，設(shè)備有效作業(yè)率和廢品率均能達到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，煙支質(zhì)量保持穩(wěn)定，滿足煙支卷制的工藝要求；與使用醋纖濾棒的生產(chǎn)情況相比，無明顯差異；

（3）考察了乳纖濾棒煙支的廢煙回收情況，生產(chǎn)過程中設(shè)備運行穩(wěn)定，回收煙絲含雜率和廢紙含煙絲率均滿足工藝指標(biāo)要求，與醋纖濾棒的工藝指標(biāo)相比，兩者無明顯差異，說明聚乳纖濾棒煙支對廢煙回收無明顯變化。