加熱不燃燒卷煙用基棒制備方法

竇武陽 秦得超

（許昌煙草機械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著煙草行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對“健康類”煙草產(chǎn)品的追求，加熱不燃燒（Heat-not Burning，簡稱HnB）煙草制品市場快速發(fā)展。和傳統(tǒng)卷煙燃吸溫度一般在600℃～900℃相比，加熱不燃燒型卷煙能在較低的溫度下蒸發(fā)出尼古丁及香料等物質(zhì)，減少了高溫燃燒裂解產(chǎn)生的有害物質(zhì)[1]。但較低溫度下煙草釋放的煙氣量與煙氣濃度低，為改善煙氣入口口感，此類卷煙煙支結(jié)構(gòu)一般較短、吸阻較低[2]，由此帶來入口煙氣溫度高、熱刺感強的副作用，這對煙支過濾嘴的功能性提出了更高的要求。

加熱不燃燒煙支的過濾嘴須滿足降低高溫?zé)煔?、吸阻合適等要求，主流方案是在過濾段添加吸熱、儲熱或?qū)岵牧?，進行煙氣熱量的吸附與轉(zhuǎn)移。對吸熱材料的應(yīng)用，通過折疊集聚聚乳酸（PLA）薄片形成過濾嘴濾棒結(jié)構(gòu)，能夠在高溫?zé)煔饨?jīng)過時實現(xiàn)有效降溫[3]。由于國外各大煙草公司的技術(shù)封鎖，國內(nèi)對HnB卷煙的基棒制備方法研究受到限制，該文針對HnB卷煙結(jié)構(gòu)進行了分析，建立了適用于發(fā)煙段及冷卻段基棒的制備工藝流程，基于ZL26C型濾棒成型機組平臺，開發(fā)研制了ZL62型紙質(zhì)濾棒成型機，并進行了后續(xù)測試試驗。

1 HnB卷煙基棒結(jié)構(gòu)

目前的主流HnB煙草制品中，電加熱式新型煙草研發(fā)最早，并憑借其較為成熟的技術(shù)成為市場占有率最大的新型煙草產(chǎn)品。以菲莫國際所開發(fā)電加熱產(chǎn)品為例，其第三代電加熱產(chǎn)品EHCSS-K[4]、IQOS第二代產(chǎn)品TEREA煙彈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 菲莫煙草電加熱產(chǎn)品

第三代EHCSS-K煙支配合煙具工作溫度在600℃，發(fā)煙段通過煙具中的加熱區(qū)域加熱產(chǎn)生煙氣，吸附材料的加入減少了煙氣中的有害物質(zhì)，由醋酸纖維構(gòu)成的多段結(jié)構(gòu)在過濾煙氣的同時起到隔離支撐作用。其后產(chǎn)品為改良加熱方式，后續(xù)配套煙具采用插入式加熱片進行發(fā)煙段的加熱，煙彈裝填過程中須將煙具中加熱片插入發(fā)煙段，但易造成煙絲脫落、污損煙具等現(xiàn)象。IQOS最新生產(chǎn)的第二代產(chǎn)品TEREA煙彈，于發(fā)煙段內(nèi)部集成金屬發(fā)熱片，與配套煙具使用，通過電磁發(fā)熱原理產(chǎn)生熱量加熱煙彈，其工作溫度不超過300℃，冷卻段由降溫吸熱的PLA材料制成，整個煙彈抽吸過程中不需要額外插入加熱片，解決了安裝及煙具清洗的問題。

HnB卷煙多元復(fù)合基棒結(jié)構(gòu)一般包括發(fā)煙段、冷卻段和支撐段等。通常發(fā)煙段通過煙草薄片片材輔料進行特種設(shè)備的皺壓成型，然后通過各種成型單元收縮成煙支直徑大小的棒狀，最后與各種基棒進行復(fù)合卷接。相比之下，冷卻段用PLA片材的加工工藝與發(fā)煙段大體一致，但由于兩種材料物理特性相差較大，對特定的設(shè)備及工藝要求不盡相同。

2 工藝流程及方案

2.1 工藝流程

該文針對片材輔料的基棒制備工藝流程進行設(shè)計，制備原理是將煙草薄片或PLA輔材（卷盤形式）通過特種設(shè)備進行輥壓、褶皺收縮后輸入濾棒成型機，將其制成條狀后再切割成所需長度的基棒段。在設(shè)計基棒成型系統(tǒng)時需要著重考慮不同輔料開卷張力、設(shè)備輔料更續(xù)、皺壓收束調(diào)節(jié)及對接濾棒成型機等幾個方面，設(shè)計制備工藝流程如圖2所示。

圖2 基棒制備工藝流程

基棒制備流程中，針對不同輔料，輔料放卷及張力調(diào)節(jié)需要進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，多種薄片輔料的特有物理屬性包括伸展時承受拉力有限、松弛時易折損或產(chǎn)生靜電吸附，輔料在加工工藝流程中需要保持精準(zhǔn)恒定張力。發(fā)煙段用煙草薄片輔料與冷卻段用PLA輔料相比，薄片寬度一般較窄、卷盤直徑大，考慮材料的抗拉強度和延展性，需要滿足兩種材料的開卷速度和拉力需求，薄片張力小于PLA，放卷速度比PLA速度慢。自動緩存功能設(shè)計為適應(yīng)設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)工況，通過雙工位上料、料庫緩存機構(gòu)實現(xiàn)自動拼接技術(shù)，完成不停機狀態(tài)下的輔料更換接續(xù)。輔料由開卷進入皺切模塊過程中，路徑設(shè)置糾偏裝置及接頭檢測，保證進入皺切單元時輔料平整、進料方向準(zhǔn)確，設(shè)置的接頭檢測裝置可為后續(xù)剔除接頭提供檢測信號。考慮PLA材料自然狀態(tài)下不易皺壓成型，添加輔熱裝置，以便在進入皺切單元前進行加熱處理，如此能夠提升PLA材料的柔軟度，降低皺切過程中由應(yīng)力過大導(dǎo)致的材料破碎的風(fēng)險，方便后續(xù)材料的收束成型。且PLA材料的吸熱峰值位于53℃，其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度較低[5]，輔熱裝置溫控需要較精確把握。皺切模塊應(yīng)用專利技術(shù)方案[6]如圖3所示。

圖3 皺切模塊示意圖

專利方案設(shè)計的作用是將煙草薄片皺切為寬度1mm左右的條狀物或其他形式，對PLA輔料片材進行皺切、褶皺或其他形式，以方便兩者收縮成束、卷制成型。皺切模塊由一對輥子、機架、偏心調(diào)整及曲柄滑塊機構(gòu)等部件組成。輥對用于對輔料進行皺切動作，輥對圓柱面進行了特殊處理，形成皺切工藝面；曲柄滑塊機構(gòu)推動輥子水平位移，實現(xiàn)兩輥對的擠壓皺切；偏心裝置設(shè)計為調(diào)整一側(cè)棍子的水平位置，以便完成兩輥的平行設(shè)置。皺切間隙即兩棍對接觸間隙，應(yīng)用曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計原型，伺服電機控制輥對壓緊及皺切速度，可加工薄片及PLA等多種片材輔料，通過調(diào)整壓切力及壓切間隙以適應(yīng)輔材不同的物理特性。皺切模塊完成材料的處理后，經(jīng)由收束裝置對接濾棒成型設(shè)備，進行后續(xù)濾條棒的成型、分切、進行輸出整理或者對接卷煙設(shè)備。

2.2 設(shè)計方案

根據(jù)制備工藝流程及原理，該文對基棒制備方案進行了整體設(shè)計，主要由拼接裝置、緩存裝置、皺切模塊及收束模塊等組成，如圖4所示。對拼接及緩存裝置的控制設(shè)計，伺服電機獨立驅(qū)動的主動放卷方式是最好的選擇，可通過高性能西門子運動控制器，采用速度同步模式+PID控制，保證運行中的料帶張力恒定。靜態(tài)拼接裝置兩側(cè)設(shè)計雙工位輔料用卷盤軸，通過氣動張緊卷盤軸，配套傳感器檢測卷盤厚度以調(diào)整卷盤主動放卷配速。設(shè)備運行中單側(cè)工位運動，對側(cè)工位供替換輔料卷盤等待拼接，循環(huán)運行。

圖4 基棒制備設(shè)計方案示意圖

緩存裝置設(shè)計采用伺服電機、同步帶傳動的直線運動單元具有高速度、高加速度、高精度、高負(fù)載以及長使用壽命等特點，輔料經(jīng)拼接裝置進入緩存裝置，交錯繞過多排導(dǎo)向輥，多層緩存后沿路徑經(jīng)上方導(dǎo)向輥、檢測裝置進入皺切模塊。皺切模塊機構(gòu)利用曲柄滑塊機構(gòu)，通過伺服控制旋轉(zhuǎn)曲柄進行兩輥對的壓緊，間隙恒定且在線可調(diào)，能夠達到不同的皺切效果。控制系統(tǒng)基于PROFINET總線，大幅減少了工業(yè)現(xiàn)場通信干擾，提高了運行效率。選用西門子SIMATIC S7-1516T高級運動控制器、SINAMICS S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)和SINAMICS G120變頻驅(qū)動系統(tǒng)等控制部分，通過編程軟件TIA Portal V16完成褶切輥控制模塊、壓切間隙調(diào)整模塊、紙張力數(shù)據(jù)采集模塊、放卷控制模塊、緩存庫控制模塊、料盤拼接控制模塊等工藝模塊的軟件設(shè)計。

完成皺切的輔料輸送至收束模塊，該模塊可對輔料進行進入濾棒成型機前的梳理、收縮工作，以便更容易完成后續(xù)地?zé)煒尦尚汀Ｋ捎冒櫱心K可根據(jù)輔料種類改變參數(shù)，調(diào)整皺切效果。當(dāng)產(chǎn)品有特殊需求，例如需要添加香料、爆珠等，可在皺切裝置后增加相應(yīng)工藝模塊，完成輔料處理后對接許昌煙機ZL26C濾棒成型機，進行煙槍收束、打條分切及鼓輪輸出等后續(xù)工藝，完成整套基礎(chǔ)棒的加工流程。

3 試驗與分析

該文以“平臺+模塊化”研發(fā)方式，基于ZL26C型濾棒成型機組平臺，搭建了用于生產(chǎn)新型煙草發(fā)煙段和冷卻段的ZL62型紙質(zhì)濾棒成型機，主要技術(shù)指標(biāo)如下：生產(chǎn)濾棒直徑規(guī)格φ5.1mm～φ8.0mm；制備發(fā)煙段基棒速度150m/min，PLA冷卻段基棒200m/min；適配發(fā)煙段、冷卻段輔料為片材卷盤，最大卷盤直徑600mm，標(biāo)準(zhǔn)卷芯76mm，最大輔料寬度300mm。

試驗過程中分別使用了兩種輔材進行基棒制備，對150m/min速度下生產(chǎn)的發(fā)煙段基棒與200m/min速度下生產(chǎn)的冷卻段基棒分別進行了20次抽樣檢測，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 圓周指標(biāo)折線圖

圖6 圓度指標(biāo)折線圖

統(tǒng)計采樣數(shù)據(jù)，設(shè)備抽樣20次統(tǒng)計基棒樣本指標(biāo)的計算結(jié)果見表1。

表1 20次抽檢基棒樣本指標(biāo)

從試驗結(jié)果可以看出：發(fā)煙段圓度指標(biāo)均值0.35mm，大部分在0.4mm范圍內(nèi)；冷卻段圓度指標(biāo)均值0.43mm，大部分在0.5mm范圍內(nèi)。冷卻段基棒圓度、圓周指標(biāo)比發(fā)煙段基棒數(shù)據(jù)波動大、穩(wěn)定性差，成型后冷卻段圓周整體偏大，存在個別超差現(xiàn)象，結(jié)合指標(biāo)整體來看數(shù)據(jù)較為一致。分析出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差的原因，考慮為在收束成基棒過程中，冷卻段所用PLA輔材比煙草薄片輔材的應(yīng)力大，雖然現(xiàn)有收束裝置能夠?qū)崿F(xiàn)收束功能，但成型效果不明顯，造成冷卻段基棒成型直徑偏大，后續(xù)可對預(yù)收束模塊進行設(shè)備改進，以更好地實現(xiàn)PLA輔材的收束功能。

4 結(jié)語

該文通過對新型煙草不同基棒結(jié)構(gòu)及材質(zhì)特性的分析，建立了整套適用于發(fā)煙段與冷卻段基礎(chǔ)棒的制備工藝流程，基于ZL26C型濾棒成型機組平臺，開發(fā)研制了ZL62型紙質(zhì)濾棒成型機。通過實物測試驗證，設(shè)備整機能夠在設(shè)計速度下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，各項指標(biāo)均可達到設(shè)計要求，為后續(xù)新型煙草的制備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，下一步將對試驗中出現(xiàn)的問題進行深入研究。