基于白光干涉儀對卷煙包裝材料外觀質量的評價

劉文婷，褚瑋，賈偉萍，孫鵬，王波，黃珂，張一帆

基于白光干涉儀對卷煙包裝材料外觀質量的評價

劉文婷1，褚瑋1，賈偉萍1，孫鵬2，王波1，黃珂1，張一帆3

（1.湖北中煙工業(yè)有限責任公司，武漢 430040；2.武漢虹之彩包裝印刷有限公司，武漢 430040；3.湖北工業(yè)大學 綠色輕工材料湖北省重點實驗室，武漢 430068）

建立評價卷煙包裝材料外觀質量的檢測方法，用于對卷煙包裝材料的表面印刷適用性進行預判，以提高印刷效率。以水霧面積作為對卷煙包裝材料外觀質量的主要評價對象，篩選卷煙包裝材料印刷面的表觀特性。對煙標表面粗糙度、平滑度、亮度、摩擦因數(shù)、粗糙度、表面形貌與水霧面積的相關性進行分析。卷煙包裝材料外觀質量（水霧面積）與粗糙度、亮度等參數(shù)相關，與平滑度、摩擦因數(shù)等參數(shù)不直接相關。在433～818 nm的微觀粗糙度內，水霧面積隨著粗糙度的增加逐漸減小，當微觀粗糙度大于818 nm時，水霧現(xiàn)象不存在?；诎坠飧缮鎯x的微觀粗糙度可作為卷煙包裝材料外觀質量（水霧現(xiàn)象）的定量和定性評價指標，該方法為解決煙包印刷行業(yè)的水霧問題提供了有益的理論支持。

卷煙；包裝材料；外觀質量；水霧現(xiàn)象；白光干涉儀；微觀粗糙度

煙草包裝行業(yè)既有等同于食品包裝的安全衛(wèi)生要求，又有高檔包裝品的藝術觀賞需求[1-3]。煙盒的外觀質量一直以來都是直接影響消費者的購買心理的重要因素之一[4]。在卷煙包裝過程中使用熱收縮膜（以下稱煙膜）對煙盒進行密封包裝時，在煙膜和煙盒之間會出現(xiàn)面積不等的水霧斑或鏡面斑[5-6]，導致煙盒表面失去光潔清晰的外觀，稱之為“水霧”現(xiàn)象。煙盒的“水霧”[7]是一個嚴重影響煙包外觀質量的問題。當包裝材料的表面溫度小于周圍水蒸氣的露點 時[8]，飽和水蒸氣會驟冷并在材料表面凝結成水珠，導致透明包裝材料的透光率降低[9]。透明包裝材料表面水霧的形成主要有2個影響因素[10]，一是材料表面與外部環(huán)境的溫差[11]；二是材料表面的潤濕性[12-13]。

卷煙包裝材料與薄膜之間有類似“水霧”的現(xiàn)象存在，從而使卷煙包裝盒失去平整、清晰和清潔的外觀，影響卷煙包裝盒的外觀質量，解決水霧問題的途徑有控制卷煙包裝材料表面與透明膜之間的空隙和調整包裝材料的粗糙度等方法[14-16]，但是對卷煙包裝材料外觀質量的評價標準和檢測仍未完善和清晰的界定[17]。白光干涉儀是一種可對微觀粗糙度進行評價的精密儀器，其對粗糙度的測量精度可從納米級跨越到微米級。研究以水霧面積作為對卷煙包裝材料外觀質量的主要評價對象，利用白光干涉儀、平滑度儀、摩擦因數(shù)測試儀等儀器對卷煙包裝材料印刷面的表觀特性進行篩選，建立影響卷煙包裝材料外觀質量，即卷煙包裝材料與薄膜間接觸界面形成的水霧面積及現(xiàn)象的檢測方法，用于對卷煙包裝材料的表面印刷適用性，尤其是外觀質量進行預判，以提高印刷效率。

1 實驗

1.1 材料

主要材料：卷煙包裝材料（81197條盒和81299條盒），1#、2#防霧槳，防水霧UV光油（湖北中煙工業(yè)有限責任公司提供）。

1.2 儀器設備

主要儀器設備：TMI 58-06印刷表面粗糙度儀，廣州尚準儀器設備股份有限公司；Messmer Buchel 58-05 BEKK別克平滑度儀，廣州尚準儀器設備股份有限公司；OHSP350Z光強測試儀/光譜亮度計/光通量測試儀，杭州虹譜光色科技有限公司；GB/T 10006摩擦因數(shù)測試儀，濟南思克測試技術有限公司；Zygo NewView 8300白光干涉儀，美國Zygo公司。

1.3 方法

1.3.1 防水霧產(chǎn)品的制備與水霧面積的計算

稱取一定量的普通油墨，在低速（500 r/min）攪拌條件下，緩慢依次加入1#或2#防霧槳，攪拌10 min；再緩慢加入防水霧UV光油后高速（10 000 r/min）分散20 min即可，防水霧油墨的具體配方見表1。將制備好的油墨通過印刷機均勻涂布至卷煙包裝材料（81197條盒和81299條盒），并進行卷煙包裝測試（測試機臺為111R，設備運行參數(shù)：車速為384 m/min、側面烙鐵溫度為125 ℃、條包上整型溫度為96 ℃、條包下整型溫度為114 ℃），獲得的樣品置于恒溫恒濕箱中處理（溫度為65 ℃，相對濕度為65%，時間為30 min），隨后觀察表面形成水霧情況，見圖1。

圖1 卷煙包裝材料外觀質量（水霧現(xiàn)象）實物

水霧現(xiàn)象見圖1，參考GB/T 1541—2013《紙和紙板塵埃度的測定》的方法，結合卷煙包裝材料的定量一致性的特點，依據(jù)有利于水霧計算方便的原則，采取在單位面積卷煙包裝材料上畫圓后剪切的方法評價水霧面積。稱取剪切下的含水霧面積的材料質量（g），與總質量比較，計算其比值的百分比（%），即為形成水霧的面積百分比（%）。

1.3.2 卷煙包裝材料表面平滑度的測試

采用平滑度儀進行測試，將卷煙包裝材料正面（印刷面）樣品在標準恒溫恒濕（溫度為65 ℃、相對濕度為65%）的大氣壓條件下進行處理，并取寬50 mm×50 mm的試樣正反面各10張。調節(jié)加壓裝置，給試樣施加(100±2)kPa壓力，使真空容器產(chǎn)生50.66 kPa的真空。測量并記錄真空度由50.66 kPa降到48.00 kPa時所需的時間，測試結果以秒表示。

表1 卷煙包裝材料（81197和81299樣品）的處理方法

Tab.1 Processing method of cigarette packaging materials (samples 81197 and 81299)

1.3.3 卷煙包裝材料表面亮度的測試

取卷煙包裝材料樣品10張，采用亮度測試儀在350～950 nm波長內測試紙張樣品的亮度值，然后取其平均值，單位為%。

1.3.4 卷煙包裝材料表面摩擦力的測試

卷煙包裝材料樣品采用摩擦因數(shù)測試儀分別測試靜摩擦力和動摩擦力，將樣品剪裁成5 cm×10 cm的條狀，在一定的接觸壓力下，通過電機帶動齒條使兩試樣表面相對移動，分別記錄動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)。測試條件：采用200 g的砝碼，速度為100 mm/min，行進長度為150 mm。

1.3.5 卷煙包裝材料表面宏觀粗糙度的測試

采用粗糙度儀測量卷煙包裝材料樣品表面粗糙度。其標準測量范圍為0.6～6 μm。將紙張裁成10 cm×10 cm的紙片，置于圓形金屬環(huán)和彈性墊之間。在一定壓力條件下，氣流從測量環(huán)和試樣之間通過，測量氣流通過速率，并轉換為透氣縫隙的大小，測試結果以μm表示。

1.3.6 卷煙包裝材料白光干涉儀對粗糙度的測定

采用白光干涉儀分析卷煙包裝材料樣品的表面粗糙度，建立量化指標。使用Michelson干涉儀，白光光源為超連續(xù)光纖激光器（fianium公司），波長范圍為390～2 600 nm，最高脈沖能量為 250 nJ，高速相機型號為MIRO R310，存在反饋的壓電驅動器是Thorlabs公司 PAZ015，行程為100 μm。儀器的測量范圍為0.08 nm～150 μm，測量精度為0.15 nm。實驗系統(tǒng)的測量區(qū)域為1.13 mm×0.71 mm×100 μm；橫向分辨率為1.697 μm；向分辨率為0.497 nm，測試結果以nm表示。

2 結果與分析

卷煙包裝材料“水霧”現(xiàn)象的定量化表征，一直是煙包印刷行業(yè)亟待解決的難題，嚴重影響卷煙產(chǎn)品的外觀質量，因此，研究根據(jù)卷煙包裝材料形成水霧的因素，對涉及卷煙包裝材料表面的平滑度、亮度、摩擦因數(shù)、粗糙度、表面形貌等參數(shù)與水霧面積形成的相關性進行了系統(tǒng)分析，建立了水霧面積/現(xiàn)象表征的定量和定性方法。根據(jù)不同樣品的水霧面積情況，對水霧面積評價的參考標準見表2。該方法將水霧面積為0的現(xiàn)象界定為不存在水霧，即無水霧，水霧面積為0～5%、5%～7%和7%～10%分別定義為輕微水霧、中度水霧和重度水霧現(xiàn)象。

表2 外觀質量（水霧現(xiàn)象）評價標準

Tab.2 Evaluation standard for surface quality (water mist phenomenon)

2.1 卷煙包裝材料平滑度與水霧面積相關性分析

對81197條盒進行不同防霧處理后（表1）進行平滑度測試，樣品表面平滑度與水霧相關性結果見表3。依據(jù)1.3.1節(jié)水霧現(xiàn)象的評價標準，計算出7種不同樣品的水霧面積，其情況具有很大差別?？梢钥闯?，所有樣品的平滑度值均大于20 000 s，且超過平滑度儀的檢測極限，因此，無法利用該平滑度儀對樣品水霧情況進行評估和明確的分級。

表3 卷煙包裝材料表面平滑度與水霧面積的關系（81197樣品）

Tab.3 Relationship between surface smoothness of cigarette packing material and water mist area (samples 81197)

2.2 卷煙包裝材料亮度與水霧面積相關性分析

納米防霧助劑有助于提高卷煙包裝材料表面的粗糙度，同時降低亮度。對樣品進行防霧處理后（表1）檢測材料表面的亮度，不同樣品表面亮度見表4。從表4的結果可以看出，在81197條盒的樣品中，亮度值較高的1、2號樣品，水霧面積均大于5%，而亮度值最低的7號樣品，水霧面積為0；81299條盒的樣品也具有相同的趨勢，亮度值較高的1、2、3號樣品均出現(xiàn)大于5%的水霧面積。這說明出現(xiàn)水霧的樣品具有較高的亮度值，而無水霧現(xiàn)象的樣品亮度較低。

對比81197的1號樣品與81299的1號樣品可得，二者的水霧面積相同，亮度值卻不相同，這說明亮度值在不同樣品之間無法作為評價水霧的指標，因此，由于不同產(chǎn)品亮度值不同，針對不同的產(chǎn)品需要篩選各自的亮度臨界值作為自身的水霧量化指標。綜上所述，煙標表面亮度可作為一個定性化的指標來評判水霧，但是評判的標準還存在問題，無法構建一個普遍適用性的統(tǒng)一水霧評價方法。

表4 卷煙包裝材料表面亮度與水霧面積的關系

Tab.4 Relationship between surface brightness of the cigarette packing material and water mist area

2.3 卷煙包裝材料摩擦因數(shù)與水霧面積相關性分析

材料表面的動、靜摩擦因數(shù)與表面的粗糙度有關，而與接觸面積的大小無關。81197條盒樣品的摩擦因數(shù)結果見表5。從表5中可以看出，隨著納米防霧漿劑的比例逐漸提高，樣品表面粗糙度逐漸表變大。7號樣品為傳統(tǒng)防霧劑超量添加的樣品，表面光澤最低，最粗糙，隨著水霧面積的降低，樣品摩擦因數(shù)值沒有明顯規(guī)律，因此，摩擦因數(shù)無法作為評判水霧的量化指標。

表5 卷煙包裝材料表面摩擦因數(shù)與水霧面積的關系（81197樣品）

Tab.5 Relationship between surface friction coefficient of the cigarette packing material and water mist area (samples 81197)

2.4 卷煙包裝材料宏觀粗糙度與水霧面積相關性分析

采用粗糙度儀對樣品表面粗糙度進行測試，粗糙度與水霧相關性結果見表6。81197條盒樣品的粗糙度為0.096～0.119 μm，但樣品表面的宏觀粗糙度與水霧面積之間的關系并不明晰。從1.3.5節(jié)可以看出，粗糙度儀的測量范圍為0.6 μm以上，而所測樣品表面普遍平滑，已超出粗糙度儀的最低檢測極限，因此所得數(shù)據(jù)不準確，難以劃分出具體的指標，若要利用粗糙度作為水霧評價指標，還需進一步的精細化數(shù)據(jù)。

表6 卷煙包裝材料宏觀粗糙度與水霧面積的關系（81197樣品）

Tab.6 Relationship between macroscopical roughness of the cigarette packing material and water mist area (81197 samples)

2.5 卷煙包裝材料微觀粗糙度與水霧面積相關性分析

采用白光干涉儀（高精度幾何及表面形貌檢測設備）對樣品的粗糙度及表面形貌進行分析。白光干涉儀所測得的81197樣品中，卷煙包裝材料微觀粗糙度與水霧面積的關系見表7。表6中7個樣品的表面形貌著色高度圖見圖2，圖2a—g為二維表面形貌圖，圖3h—n為三維表面形貌圖。

從表7的數(shù)據(jù)可以看出，1—7號樣品的粗糙度區(qū)分度明確，樣品粗糙度依次增加，其相應的水霧面積也逐漸減小?；谝延械臒煱砻娲植诙葴y試結果顯示，隨著煙盒樣（油墨印刷面）粗糙度的增加（從433 nm增加至818 nm），其相應的水霧面積也逐漸減小甚至消失，因此采用白光干涉儀對煙盒樣品表面的粗糙度進行準確測試。當粗糙度a＜433 nm時，水霧存在；當433 nm＜a＜818 nm時，部分水霧存在；當a＞818 nm時，水霧不存在。圖3的樣品表面形貌直觀的反映了樣品粗糙度的變化，與表6的數(shù)據(jù)符合。

實驗結果表明，采用白光干涉儀能夠很好地建立粗糙度和水霧面積之間的關系，從而起到相應的水霧預警作用。

表7 卷煙包裝材料微觀粗糙度與水霧面積的關系（81197樣品）

Tab.7 Relationship between microcosmic roughness of the cigarette packing material and water mist area (81197 samples)

3 結語

研究以水霧面積作為卷煙包裝外觀質量的評價對象，通過對卷煙包裝表面各項參數(shù)與水霧面積相關性進行了深度分析，包括卷煙包裝材料的平滑度、亮度、摩擦因數(shù)、表面形貌，以及宏觀和微觀粗糙度等。結果表明，樣品表面平滑度、亮度和摩擦因數(shù)均無法定量表達水霧現(xiàn)象的程度。其中，亮度數(shù)值的變化會隨著防霧助劑用量的增加而減小，可以作為一個定性指標來評判同種樣品中的水霧情況。微觀粗糙度是較為合理的水霧面積表征指標，采用白光分析儀能夠較好地建立卷煙包裝材料表面粗糙度與其表面水霧面積之間的關系。在433～818 nm的表面微觀粗糙度范圍內，水霧面積隨著粗糙度的增加逐漸減小，當微觀粗糙度大于818 nm時，水霧不存在。這種定量表達方法較傳統(tǒng)測試水霧的方法（模擬卷包包膜接觸法）準確度更高。

研究建立了利用白光干涉儀對卷煙包裝材料水霧檢測的新型方法和指標，并制定了外觀質量的評價標準，該標準適用于測量卷煙包裝材料表面經(jīng)過油墨印刷并采用熱收縮膜進行密封包裝后，粗糙度在白光干涉儀精度范圍內（0.08 nm～150 μm）的表面，以及其他非油墨印刷或未經(jīng)過熱收縮膜進行密封包裝的材料。

[1] 孫宏杰, 喬建軍. 用于卷煙透明包裝材料的一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)[J]. 工業(yè)技術創(chuàng)新, 2021, 8(1): 79-83.

SUN Hong-jie, QIAO Jian-jun. Integrated Visual Tear-Tape Detection System of Transparent Packaging Materials for Cigarettes[J]. Industrial Technology Innovation, 2021, 8(1): 79-83.

[2] 柳長紅, 劉冬, 陳靜, 等. 卷煙包裝摩擦因數(shù)對卷包上機適應性的影響[J]. 中國包裝, 2020, 40(9): 13-17.

LIU Chang-hong, LIU Dong, CHEN Jing, et al. The Influence of Friction Coefficient of Cigarette Packaging on the Adaptability of Rolling Package[J]. China Packaging, 2020, 40(9): 13-17.

[3] SUN A. Design Process and Printability of Cigarette Packaging Materials[J]. Advanced Materials Research, 2013, 2300(655-657): 2048-2051.

[4] 王理珉, 魏杰, 胡君, 等. 卷煙包材的創(chuàng)新與應用[N]. 中國包裝報,2005-10-10(003): 1-3.

WANG Li-min, WEI Jie, HU Jun, et al. Innovation and Application of Cigarette Packaging Material[N]. China Packaging News,2005-10-10(003): 1-3.

[5] MAYNARD O M, LEONARDS U, ATTWOOD A S, et al. Effects of First Exposure to Plain Cigarette Packaging on Smoking Behaviour and Attitudes: A Randomised Controlled Study[J]. BMC Public Health, 2015, 15: 240.

[6] EPPERSON A E, LAMBIN E F, HENRIKSEN L, et al. Natural American Spirit's Pro-Environment Packaging and Perceptions of Reduced-Harm Cigarettes[J]. Preventive Medicine, 2019, 126: 1-6.

[7] 王理珉, 魏杰, 胡群, 等. 卷煙包裝材料的應用及發(fā)展趨勢[J]. 中國包裝工業(yè), 2004(9): 34-39.

WANG Li-min, WEI Jie, HU Qun, et al. The Application and Developing Trend of the Packaging Materials of the Cigarette[J]. China Packaging Industry, 2004(9): 34-39.

[8] 謝焰, 陸怡峰, 孫文梁, 等. 卷煙包裝紙中揮發(fā)性有機化合物(VOCs)的頂空-氣相色譜分析[J]. 中國煙草學報, 2007, 13(6): 13-19.

XIE Yan, LU Yi-feng, SUN Wen-liang, et al. Determination of Volatile Organic Compounds in Printed Cigarette Packaging by Headspace Gas Chromatography[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2007, 13(6): 13-19.

[9] 林文銳. 卷煙包裝機商標條與盒包裝紙質量問題分析與控制[J]. 輕工科技, 2017, 33(7): 120-121.

LIN Wen-rui. Analysis and Control of the Quality Problem of the Brand Bar and Box of Cigarette Packaging Machine[J]. Light Industry Science and Technology, 2017, 33(7): 120-121.

[10] DAVID H, JULIANA D, SAMANTHA D, et al. Impact of Female-Oriented Cigarette Packaging in the United States[J]. Nicotine & Tobacco Research: Official Journal of the Society for Research on Nicotine and Tobacco, 2011, 13(7): 579-88.

[11] WHITE C M, DAVID H, THRASHER J F, et al. The Potential Impact of Plain Packaging of Cigarette Products among Brazilian Young Women: An Experimental Study[J]. BMC Public Health, 2012, 12(1): 737.

[12] 馬靜, 胡群, 王理珉, 等. 國內外卷煙包裝材料的使用狀況與發(fā)展趨勢[C]// 2003年煙草生產(chǎn)與人體健康和環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展研討會, 北京, 2003: 123-127.

MA Jing, HU Qun, WANG Li-min, et al. The Use Status and Development Trend of Cigarette Packaging Materials at Home and Abroad[C]// Symposium on Coordinated Development of Tobacco Production, Human Health and Environmental Protection in 2003, Beijing, 2003: 123-127.

[13] 季萬鳳, 范成林. 開發(fā)供卷煙包裝用的防水包裝紙[J]. 紙和造紙, 1995, 14(4): 11-13.

JI Wan-feng, FAN Cheng-lin. To Develop Waterproof Wrapping Paper for Cigarette Packaging[J]. Paper and Paper Making, 1995, 14(4): 11-13.

[14] O'CONNOR R J, DAVID H. Cigarette Package Colour is Associated with Level of Filter Ventilation[J]. Tobacco Control, 2018, 27(3): 337-338.

[15] BROSE L S, CHONG C B, ASPINALL E, et al. Effects of Standardised Cigarette Packaging on Craving, Motivation to Stop and Perceptions of Cigarettes and Packs[J]. Psychology & Health, 2014, 29(7): 849-860.

[16] 湯德芳, 李海鋒, 杜芳琪, 等. 包裝盒“水霧”研究與改進控制[J]. 包裝工程, 2014, 35(13): 76-80.

TANG De-fang, LI Hai-feng, DU Fang-qi, et al. Study and Control Improvement on the “Mist” of Packaging Box[J]. Packaging Engineering, 2014, 35(13): 76-80.

[17] 李婷, 楊爍冰, 劉曉錦, 等. 食品防霧包裝材料研究進展[J]. 塑料包裝, 2019, 29(5): 8-12.

LI Ting, YANG Shuo-bing, LIU Xiao-jin, et al. Research Progress of Anti-Fog Packaging for Food[J]. Plastics Packaging, 2019, 29(5): 8-12.

Surface Quality Evaluation of Cigarette Packaging Materials Based on White Light Interferometer

LIU Wen-ting1, CHU Wei1, JIA Wei-ping1, SUN Peng2, WANG Bo1, HUANG Ke1, ZHANG Yi-fan3

(1.China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430040, China; 2.Wuhan Hongzhicai Packaging and Printing Co., Ltd., Wuhan 430040, China; 3.Hubei Key Laboratory of Green Light Industrial Materials, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

A testing method for evaluating the appearance quality of cigarette packaging materials is established to predict the surface printing suitability of cigarette packaging materials to improve printing efficiency. Taking the area of water mist as the main evaluation object for the appearance quality of cigarette packaging materials, the appearance characteristics of the printing surface of cigarette packaging materials were screened. The correlation between the surface roughness, smoothness, brightness, friction coefficient, roughness, surface topography of cigarette labels and water mist area is analyzed in this work. The results show that the appearance quality of cigarette packaging materials (water mist area) is related to parameters such as roughness and brightness, but not directly related to parameters such as smoothness and friction coefficient. Within the micro-roughness of 433-818 nm, the water mist area gradually decreases with the increase of the roughness. When the micro-roughness is greater than 818 nm, water mist does not exist. The micro-roughness based on white light interferometer can be used as a quantitative and qualitative evaluation index for the appearance quality (water mist phenomenon) of cigarette packaging materials. This method provides a useful theoretical support for solving the water mist problem in the cigarette packet printing industry.

cigarette; packaging materials;surface quality; water mist phenomenon; white light interferometer; micro-roughness

TB484

A

1001-3563(2022)07-0275-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.036

2021-08-15

湖北中煙工業(yè)有限責任公司科技項目（2020JSJC3JS2B025）

劉文婷（1987—），女，博士，工程師，主要研究方向為卷煙包裝材料。

張一帆（1993—），女，博士，湖北工業(yè)大學講師，主要研究方向為生物質材料。

責任編輯：曾鈺嬋