沉頭濾棒關鍵成型工藝技術研究與應用

張 源，徐 嵐，葉惠民，吳 釗，吉德祥*

1.上海白玉蘭煙草材料有限公司，上海市浦東新區(qū)張江路1406弄49號 201210

2.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733號 201315

隨著卷煙與濾棒成型技術的日益發(fā)展，通過濾棒個性化設計，改善卷煙香吸味，增加卷煙防偽功能，已成為濾棒發(fā)展的新領域［1-3］。采用高克重成型紙卷制成型的端面可見且以中空形式呈現的沉頭濾棒，具有多種特殊功能：①沉頭空心部分可有效避免嘴唇與過濾材料的接觸，減少過濾材料中焦油等有害物質對人體的危害；②沉頭濾棒采用復合成型方式，增加了濾棒設計的可選擇性，為卷煙的增香減害提供了新途徑；③沉頭濾棒的中空部分可使煙氣聚攏而不發(fā)散，從而可改善卷煙吸味［4］；④沉頭濾棒由于其特殊的外觀和成型工藝，不僅增加了卷煙的個性化設計元素，而且可賦予卷煙特定的防偽功能［5-7］。目前，在國外應用沉頭濾棒的卷煙品牌主要有“PARLIAMENT”“KLASIK”“VICEROY”和“LARK”等，沉頭卷煙已然成為“PARLIAMENT”卷煙品牌的象征。但在國內各大卷煙品牌中，常規(guī)尺寸沉頭卷煙仍沒有開發(fā)上市。

近年來，國內多家中煙公司先后引進了ITM公司的Solaris多元復合濾棒成型機組，該設備可滿足二元/三元復合濾棒的試制和生產需要，且具備沉頭及空腔濾棒的生產功能，但目前國內對沉頭濾棒的開發(fā)經驗尚淺，現有條件仍不具備沉頭濾棒的生產能力。較常規(guī)濾棒，沉頭濾棒生產過程中面臨著因高克重成型紙定量較大而引發(fā)的搭口不牢和易爆口等問題，也面臨著濾棒圓周、圓度控制困難問題，同時沉頭濾棒空腔處的硬度也需達到卷煙應用要求［8-11］。本研究中通過對沉頭濾棒熱熔膠、成型紙的材料特性和基棒圓周設計、沉頭部分長度設計的關鍵成型工藝技術研究，旨在進一步提高沉頭濾棒搭口牢固度、圓周圓度穩(wěn)定性、空腔處硬度和外觀效果，滿足批量生產和卷煙應用需求。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

Henkel 399B熱熔膠［漢高（中國）有限公司］；HM-8229C熱熔膠［富樂（中國）黏合劑有限公司］；成型紙（26 g/m2×26.5 mm、90 g/m2×26.5 mm、100 g/m2×26.5 mm、110 g/m2×26.5 mm、125 g/m2×26.5 mm，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司）；醋纖基棒（圓周分別為23.35、23.50、23.70、23.85 mm，上海白玉蘭煙草材料有限公司）。

INSTRON紙張拉力儀（英斯特朗試驗設備貿易有限公司）；ProGage厚度儀（普利賽斯國際貿易有限公司）；INSIZE搭口粘結強度檢測儀（蘇州英示測量科技有限公司）；QTM綜合測試臺（英國CERULEAN公司）；Solaris復合濾棒成型機（荷蘭ITM公司）。

1.2 方法

為研究濾棒的關鍵成型工藝技術，在Solaris復合濾棒成型機上完成了以下沉頭濾棒樣品（見表1）的制作，沉頭濾棒的結構如圖1所示。其中，RⅠ-1～4用于沉頭濾棒熱熔膠選型研究，RⅠ-5～8用于沉頭濾棒基棒圓周設計研究，RⅠ-9～12用于沉頭濾棒成型紙定量選型研究，RⅠ-9～10、RⅡ-1～2用于沉頭部分長度設計研究。

表1 不同關鍵成型工藝的沉頭濾棒樣品Tab.1 Recess filter rod samples with different forming technologies

圖1 沉頭濾棒結構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of a recess filter

2 結果與討論

2.1 搭口熱熔膠材料的選擇

比較漢高公司的Henkel 399B及富樂公司的HM-8229C兩種熱熔膠，檢測了其在不同溫度下的黏度，結果如表2所示。從表2中的數據可知，隨著溫度的升高，熱熔膠的黏度逐漸降低。比較發(fā)現，HM-8229C在175 ℃時的黏度與Henkel 399B在130 ℃的黏度基本相同，Henkel 399B、HM-8229C的建議使用溫度分別為130～140 ℃、170～180 ℃。

表2 富樂HM-8229C與Henkel 399B黏度數據Tab.2 Viscosity of HM-8229C and Henkel 399B（mPa·s）

比較了HM-8229C熱熔膠在160、170及180 ℃使用溫度下的應用效果，并與Henkel 399B在使用溫度135 ℃下的應用效果進行對比，所得濾棒樣品經固化24 h后，檢測搭口粘結強度，檢測數據如表3所示。

表3 富樂HM-8229C與Henkel 399B應用數據對比Tab.3 Application data comparison between HM-8229C and Henkel 399B

通過對RⅠ-1～4試驗過程上機情況與表3檢測數據的分析可得：①根據實驗上機情況發(fā)現，使用Henkel 399B和HM-8229C（使用溫度160 ℃）熱熔膠的濾棒均存在搭口部分部位粘接不牢的情況，整條膠線并不能夠完全撕毛，且使用Henkel 399B熱熔膠的濾棒在成型過程中易出現因爆口而導致的設備跑條停機現象。②根據實驗上機情況發(fā)現，使用富樂HM-8229C（使用溫度170、180 ℃）濾棒的搭口粘結較好，設備運轉正常，未發(fā)現因濾棒爆口而導致的設備停機現象。③根據表3檢測數據發(fā)現，使用HM-8229C（使用溫度180 ℃）時沉頭濾棒的搭口粘結強度最高，達到45.05 N；使用HM-8229C（使用溫度170 ℃）時沉頭濾棒的搭口粘結強度次之，但遠超Henkel 399B（使用溫度135 ℃）和HM-8229C（使用溫度160 ℃）熱熔膠。

綜合上機情況和檢測數據，沉頭濾棒搭口熱熔膠宜選擇使用溫度為180 ℃的高熔點熱熔膠。

2.2 沉頭濾棒復合用基棒圓周的設計

利用ProGage厚度儀檢測了恒豐公司不同定量成型紙的厚度，結果如表4所示。由表4中數據可知，高克重成型紙厚度比普通成型紙厚，因此應用于常規(guī)復合濾棒的基棒圓周設計規(guī)律已不能滿足沉頭濾棒設計要求。

表4 不同定量成型紙的厚度Tab.4 Thickness of plug wrappers with different grammages

RⅠ-5～8試驗利用圓周分別為23.35、23.50、23.70、23.85 mm的4種常規(guī)醋纖基棒（基棒成型紙使用26 g/m2普通紙），制作目標圓周為24.25 mm的沉頭復合濾棒，研究不同圓周的基棒對沉頭濾棒制作過程的影響。沉頭基棒及復合濾棒的檢測數據如表5所示。

根據RⅠ-5～8試驗過程的上機情況和表5的檢測數據可知：①當基棒圓周為23.35 mm時，沉頭復合濾棒壓降的實測值比理論值低146 Pa，表明基棒與成型紙之間存在空隙，從而影響卷煙煙氣過濾效率。此外，當應用23.35 mm圓周基棒試制24.25 mm圓周沉頭濾棒時，調整煙腔復合濾棒圓周為23.97 mm，無法達到24.25 mm的目標要求。因此，23.35 mm圓周的基棒因圓周過小而無法滿足復合要求。②當基棒圓周為23.50 mm時，復合后濾棒壓降實測值仍小于理論壓降，比理論值低43 Pa，表明基棒與成型紙之間也存在空隙。因此，23.50 mm圓周的基棒仍無法滿足要求。③當基棒圓周為23.70 mm時，復合后壓降實測值比理論值大112 Pa，符合常規(guī)復合濾棒復合后壓降的實測值比理論值略高50 Pa左右的要求［12］，且濾棒成型過程順暢，復合濾棒成型紙與基棒間無空隙，該圓周基棒可有效保障復合濾棒的物理指標和外觀要求。④當基棒圓周為23.85 mm時，復合后壓降實測值比理論值大350 Pa左右，遠超過常規(guī)復合過程壓降變化的經驗規(guī)律，且剝開復合濾棒外側成型紙后發(fā)現基棒出現因擠壓過度引發(fā)的褶皺，表明23.85 mm圓周基棒因圓周較大而不適宜沉頭式復合。

表5 不同圓周基棒試制的沉頭濾棒物理指標Tab.5 Physical indexes of recess filters made of base rods with different circumferences

綜合上機情況和檢測數據，沉頭濾棒基棒的圓周設計參照表如表6所示。

表6 沉頭濾棒基棒的圓周設計參照表①Tab.6 Circumference design of base rods for recess filters

2.3 高克重成型紙定量的選擇

沉頭濾棒由于其端面中空的特殊結構，為保證濾棒近嘴端的堅挺狀態(tài)，須選用高克重的成型紙。目前市場上應用于空腔/沉頭濾棒的高克重成型紙定量范圍為80～130 g/m2。對恒豐公司90、100、110及125 g/m24種不同定量的成型紙進行了原材料檢測分析，結果見表7。由表7中數據可知，高克重成型紙的厚度在0.120～0.182 mm范圍內，抗張強度在6.82～7.71 kN/m范圍內，抗張能量吸收在65.50～114.00 J/m2范圍內。與26 g/m2普通成型紙相比，高克重成型紙的厚度、抗張強度、抗張能量吸收值均較大，可保證成型過程中不易斷紙，且能有效提高空腔處的挺度。

表7 不同規(guī)格高克重成型紙的性能數據Tab.7 Performance data of plug wrappers with different grammages

RⅠ-9～12試驗分別選用恒豐公司90、100、110、125 g/m2不同定量的成型紙，進行沉頭濾棒樣品的制作，所得樣品經固化24 h后，檢測各樣品圓周、圓度及空腔處的硬度值。檢測結果如表8所示。

表8 不同規(guī)格高克重成型紙的沉頭濾棒物理指標Tab.8 Physical indexes of recess filters with plug wrappers of different grammages

根據表8檢測數據可知：①隨著成型紙定量的增加，沉頭復合濾棒在空腔處的硬度逐漸增大。采用90 g/m2成型紙沉頭濾棒空腔處的硬度均值為83.2%，低于常規(guī)濾棒企業(yè)標準“硬度≥84%”的要求［13］，而100、110及125 g/m2紙的濾棒硬度分別為86.3%、88.7%和91.7%，均可滿足卷煙接裝要求。②隨著成型紙定量的增加，復合濾棒的圓度逐漸增大，125 g/m2成型紙的濾棒圓度均值最大，且濾棒搭口處因圓度控制困難造成外觀較差，雖然可通過調整煙腔得到可滿足技術要求的樣品，但增加了濾棒批量生產時質量控制的難度。

綜合檢測數據和外觀效果，沉頭濾棒的成型紙定量選用100～110 g/m2。

2.4 沉頭濾棒沉頭部分長度的設計

沉頭濾棒沉頭部分的長度影響著中空部分的挺度，“PARLIAMENT”卷煙的沉頭長度多為5 mm。白玉蘭Solaris復合濾棒成型機可制備沉頭濾棒的規(guī)格有R-FF1、R-FF2兩種，單個沉頭濾嘴中沉頭部分長度分別為5 mm和8 mm。RⅠ-9～10、RⅡ-1～2試驗分別利用R-FF1、R-FF2規(guī)格試制了沉頭長度分別為5 mm和8 mm的兩種沉頭濾棒樣品，在相同定量成型紙條件下，研究沉頭部分長度對濾棒中空部位挺度的影響。實驗數據如表9所示。

由表9數據可知：①在相同成型紙和相同復合濾棒圓周控制條件下，沉頭部分長度為5 mm濾棒在空腔處硬度值均大于沉頭部分為8 mm濾棒的硬度值，且沉頭部分長度為8 mm濾棒空腔處的硬度值均低于84%，已低于醋纖濾棒的企業(yè)標準中的硬度要求［13］。②根據濾棒的上機情況發(fā)現，當沉頭部分長度為8 mm時（即復合濾棒中空腔部分長度為16 mm），濾棒空腔處由于沒有基棒支撐，該搭口處常出現2～3 mm翹起的搭口粘結不牢現象，搭口質量控制難度較高。

綜合上機情況和檢測數據，沉頭濾棒基棒的復合結構選用R-FF1（5+12+8），即沉頭部分長度為5 mm。

3 應用效果

根據以上研究結果，進行了沉頭濾棒的應用效果驗證。沉頭濾棒復合結構選用R-FF1（5+12+8），搭口熱熔膠選用使用溫度為180 ℃的高熔點熱熔膠，高克重成型紙定量選擇100 g/m2，基棒圓周選用23.70 mm，試制目標圓周為24.25 mm的不同基材的沉頭濾棒樣品，并進行濾棒檢測分析，結果如表10所示。

表9 不同沉頭部分長度的沉頭濾棒物理指標Tab.9 Physical indexes of recess filters with recess section of different lengths

由表10中數據可知：①沉頭濾棒圓周均在標準范圍之內，圓周SD值在0.03 mm左右，達到常規(guī)醋纖濾棒“圓周SD≤0.042 mm”的水平。②沉頭濾棒的圓度控制較常規(guī)醋纖濾棒困難，均值在0.3 mm左右，最大值在0.5 mm左右，仍可達到“圓度≤0.6 mm”的技術標準要求，以上濾棒均已完成卷煙的順利接裝，能夠滿足卷煙的接裝要求。③沉頭濾棒空腔處的硬度均值為88%左右，達到常規(guī)濾棒的企業(yè)標準［13］“硬度均值≥84%”要求。④沉頭濾棒的壓降SD值在60～80 Pa之間波動，已滿足常規(guī)卷煙的應用需求。

表10 不同基材的沉頭濾棒物理指標Tab.10 Physical indexes of recess filters matched with different materials

4 結論

①選用使用溫度為180 ℃左右的高熔點熱熔膠，沉頭濾棒的搭口粘結強度最高，可有效解決沉頭濾棒易爆口問題。②隨著高克重成型紙定量的增加，沉頭濾棒空腔處硬度逐漸增大，濾棒圓度亦逐漸增大，沉頭濾棒高克重成型紙定量選用100～110 g/m2。③針對目標圓周為24.25 mm的沉頭濾棒，其基棒圓周控制在23.60～23.70 mm時，沉頭濾棒的圓周、壓降指標可滿足標準要求。④沉頭部分長度為5 mm的沉頭濾棒在空腔處硬度均大于沉頭部分為8 mm的硬度，沉頭濾棒的復合結構選用R-FF1（5+12+8），即沉頭部分長度為5 mm。應用試驗結果表明，采用上述參數的沉頭濾棒的物理指標（圓周、圓度、壓降、空腔處硬度等）均已達到卷煙生產要求。