一種再造煙葉紙質(zhì)濾棒的開發(fā)研究

趙金濤 林 瑜 張?jiān)讫?何 亮 彭林才*

（1.云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司，云南 昆明 650106；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500）

卷煙濾棒是煙草行業(yè)主要的卷煙輔料，卷煙濾棒的設(shè)計(jì)和添加材料的選擇對(duì)卷煙的抽吸品質(zhì)和減害降焦有顯著影響[1-2]。目前廣泛采用醋酸纖維作為卷煙濾棒，醋酸纖維濾棒彈性好、無毒、無味、熱穩(wěn)定性好、吸阻小、截濾效果顯著、能選擇性地吸附卷煙中的有害成分，同時(shí)可保留一定的煙堿而不失香煙口味[3]。然而，醋酸纖維濾棒生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，吸附能力有限。相對(duì)于醋酸纖維濾棒，紙質(zhì)濾棒具有較強(qiáng)的可降解性，成本低廉，在兩者的過濾壓降相同時(shí)，其對(duì)煙氣中焦油和煙堿的截留效率更高[4-6]。此外，在改善抽吸品質(zhì)、煙氣特征方面，醋酸纖維濾棒往往需要依托香線加香、爆珠加香等方式，將浸漬香精的香線和爆珠包裹于濾嘴絲束中，以達(dá)到濾嘴加香的目的，工藝復(fù)雜且成本較高[7-10]。而再造煙葉紙質(zhì)濾棒采用造紙法再造煙葉生產(chǎn)工藝，在抄造過程中添加適宜顆粒香基載體，亦或在片基表面涂覆香精香料即可實(shí)現(xiàn)濾嘴加香。而且再造煙葉紙質(zhì)濾棒中以添加煙草漿及涂布煙草提取物的形式融入煙草元素，更加體現(xiàn)“煙中有煙、味中有味”。同時(shí)，從環(huán)保和資源綜合利用角度，再造煙葉紙質(zhì)濾棒也符合“雙碳”背景下國(guó)家林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求[11-13]。綜上，采用造紙法再造煙葉加工工藝生產(chǎn)紙質(zhì)濾棒，集制漿、抄造、涂布、加香、濾棒成型等技術(shù)于一體，無論從加工工藝、生產(chǎn)成本還是功能效果等角度，對(duì)其展開研究具有一定的可行性和必要性。目前，關(guān)于紙質(zhì)濾棒的研究主要集中于功能性材料在紙質(zhì)濾棒中的應(yīng)用[14-18]、紙質(zhì)濾棒對(duì)卷煙主流煙氣中有害物質(zhì)的影響[4-6]及紙質(zhì)濾棒的生產(chǎn)工藝與物理性能[19-24]等方面，有關(guān)再造煙葉紙質(zhì)濾棒的研究與應(yīng)用鮮有報(bào)道。

本研究擬通過纖維分析、濾棒片基開發(fā)、再造煙葉濾棒成型及不同再造煙葉紙質(zhì)濾棒性能分析，探究利用造紙法再造煙葉工藝和技術(shù)開發(fā)紙質(zhì)濾棒的可行性，掌握不同片基配方和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)濾棒關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律，以期形成一項(xiàng)再造煙葉紙質(zhì)濾棒配方和技術(shù)，為再造煙葉材料化應(yīng)用及新型濾棒研究提供一定的思路和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

針葉漿A（加拿大北木牌）、針葉漿B（加拿大虹魚牌）、闊葉漿A（巴西金魚牌）、煙草漿，云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器與設(shè)備見表1。

表1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備Tab.1 Instruments and equipments

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 漿料特性分析1）纖維微觀結(jié)構(gòu)觀察

用紙漿標(biāo)準(zhǔn)解離機(jī)將漿板充分疏解分散為單根纖維，取少量漿料于載玻片上并用適量Herzbery（碘氯化鋅試劑）染色，夾取蓋玻片，從漿料一端蓋上蓋玻片并吸走多余水和染色劑，保證漿料分散均勻且無氣泡，調(diào)整視場(chǎng)和光源對(duì)試樣進(jìn)行觀察、拍照。

2）纖維質(zhì)量測(cè)定

稱取2份40 mg（絕干質(zhì)量）的纖維分別置于800 mL水中浸泡1 h，然后用紙漿標(biāo)準(zhǔn)解離機(jī)疏解30 000 r，按照FQA操作規(guī)程測(cè)定各個(gè)漿料中的纖維長(zhǎng)度、寬度、細(xì)小纖維含量、纖維卷曲、纖維扭結(jié)等，測(cè)量樣本數(shù)為4 000根纖維。

1.3.2 片基抄造與物理性能測(cè)定

1）試驗(yàn)片基

使用快速凱塞法抄片器進(jìn)行片基抄造和干燥，然后置于恒溫恒濕箱內(nèi)平衡水分24 h。分別按照GB/T 451.2—2002《紙和紙板定量的測(cè)定》、GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測(cè)定》、GB/T 453—2002《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定（恒速加荷法）》、GB/T 8942—2016《紙柔軟度的測(cè)定》、GB/T 461.1—2002《紙和紙板毛細(xì)吸液高度的測(cè)定（克列姆法）》、GB/T 465.2—2008《紙和紙板 浸水后抗張強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行定量、厚度、抗張強(qiáng)度、柔軟度、吸收性、濕強(qiáng)度測(cè)定。

2）中試片基抄造、分切、復(fù)卷

對(duì)篩選優(yōu)化配方進(jìn)行中試驗(yàn)證，并將片基分切、復(fù)卷為150、155、160、165、170 mm五個(gè)規(guī)格幅寬待后續(xù)進(jìn)行濾棒成型。

3）紙質(zhì)濾棒片基微觀結(jié)構(gòu)觀察

裁切適宜大小的紙質(zhì)濾棒片基，并用導(dǎo)電膠固定于樣品臺(tái)上，噴金處理后用掃描電鏡進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察，加速電壓為15 kV。

1.3.3 濾棒成型與物理性能測(cè)定

1）濾棒成型

用舒展輥將片基舒展后進(jìn)行壓紋輥壓紋。壓紋輥以螺桿控制壓紋深度，壓紋深度為0.2 mm，寬度0.8 mm。壓紋后通過“喇叭口”將片基聚攏成型形成圓柱狀濾棒原棒，濾棒成型規(guī)格為：圓周：?jiǎn)卧簦海?3.7±0.15）mm，二元復(fù)合棒：（24.2±0.15）mm；長(zhǎng)度：（120±0.5）mm；壓降：（3 040±230）Pa。圖1為紙質(zhì)單元棒和二元復(fù)合棒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 紙質(zhì)單元棒、二元復(fù)合棒結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of paper unit bar and binary composite bar

2）濾棒物理指標(biāo)檢測(cè)

分別參照GB/T 5605—2011《醋酸纖維濾棒》、GB/T 16447—2004《煙草和煙草制品調(diào)節(jié)和測(cè)試的大氣環(huán)境》、GB/T 22838.2—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第2部分：長(zhǎng)度 光電法》、GB/T 22838.3—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第3部分：圓周 激光法》、GB/T 22838.5—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第5部分：卷煙吸阻和濾棒壓降》、GB/T 22838.6—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第6部分：硬度 》、GB/T 22838.8—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第8部分：含水率》、GB/T 22838.13—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第13部分：濾棒圓周》、GB/T 22838.14—2009《卷煙和濾棒物理性能的測(cè)定 第14部分：濾棒外觀》進(jìn)行濾棒長(zhǎng)度、圓周、壓降、硬度、圓度及外觀等物理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3.4 紙質(zhì)濾棒加工過程

圖2為紙質(zhì)濾棒生產(chǎn)加工過程，將針葉漿、闊葉漿、煙草漿按照一定配比進(jìn)行片基抄造，并在片基表面涂布功能型涂布液負(fù)載香精香料，根據(jù)濾棒重量、吸阻等要求將涂布后片基分切為不同幅寬并收卷，片基放卷、壓紋后通過“喇叭口”將片基填充至卷煙紙中形成單元濾棒，最后與醋纖單元濾棒拼接復(fù)合成為二元濾棒并接裝至煙支上。

圖2 紙質(zhì)濾棒生產(chǎn)加工過程Fig.2 Processing process of paper filter rod

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維微觀結(jié)構(gòu)及纖維質(zhì)量對(duì)比分析

由圖3可以看出，針葉漿A、B纖維長(zhǎng)且粗，纖維壁較厚，纖維碎片及細(xì)小組分較少，纖維細(xì)胞呈紡錘狀，兩端尖銳，纖維表面光滑，利于改善纖維本身及纖維間的結(jié)合性，進(jìn)而提高片基強(qiáng)度。闊葉漿纖維細(xì)長(zhǎng)，端部尖削，纖維表面光滑，存在部分纖維碎片、細(xì)小組分、含有導(dǎo)管，有利于提升片基勻度和改善吸收性。煙草原料經(jīng)過機(jī)械制漿后，漿料的均一性較差，纖維的分絲帚化程度不好，漿料中存在大量的纖維束和原料碎片，纖維表面也比較粗糙，纖維細(xì)胞較少而雜細(xì)胞（導(dǎo)管細(xì)胞和薄壁細(xì)胞）較多，漿料中細(xì)小組分含量也較多，對(duì)漿料體系的濾水性能及片基強(qiáng)度、勻度等不利。綜上，從濾棒片基性能需求出發(fā)，若片基需要較高強(qiáng)度，則考慮使用針葉漿A、B進(jìn)行組配。若考慮在滿足一定強(qiáng)度且具有良好吸收性、承載性，則考慮使用針葉漿和闊葉漿進(jìn)行組配。為保證濾棒片基具有良好物理性能，宜在紙質(zhì)濾棒片基抄造中添加少量煙草漿，在滿足紙質(zhì)濾棒片基物理性能的前提下賦予其煙草元素。

圖3 纖維微觀結(jié)構(gòu)（100×）Fig.3 Microstructure of fibers (100×）

濾棒片基相對(duì)于其他特殊紙張而言，不需要較高的強(qiáng)度和緊度，相反在提供加工過程必要的強(qiáng)度前提下，需要片基具有一定的松厚度和空隙，以滿足濾棒過濾和調(diào)節(jié)煙氣狀態(tài)等功能。因此，選用初始打漿度下的針葉漿、闊葉漿和煙草漿作為片基研究開發(fā)的原料。由表2可知，針葉漿、闊葉漿的初始打漿度三者接近，且均較煙草漿低，說明濾水性能優(yōu)于煙草漿。針葉漿長(zhǎng)寬比大于闊葉漿，煙草漿最小，一定范圍內(nèi)，長(zhǎng)寬比大的纖維，成紙時(shí)單位面積中纖維之間相互交織的次數(shù)多，纖維分布細(xì)密，成紙強(qiáng)度高，對(duì)提升片基物理強(qiáng)度有利。針葉漿、闊葉漿的細(xì)小組分含量遠(yuǎn)低于煙草漿，該結(jié)論與纖維微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果一致。

表2 纖維質(zhì)量Tab.2 Fiber quality

2.2 片基抄造及物理性能測(cè)定

2.2.1 針葉漿A、B及煙草漿配抄片基性能

由圖4可知，隨著針葉漿A比例減少和針葉漿B比例的增加，片基的柔軟度、抗張強(qiáng)度和厚度均逐漸減小，而濕強(qiáng)度先增加后減小。當(dāng)針葉漿A∶針葉漿B=7∶3時(shí)，片基的濕強(qiáng)度達(dá)到最大。考慮后續(xù)片基進(jìn)行低涂布量功能涂布需較好的濕強(qiáng)度，同時(shí)兼顧片基需一定的柔軟度以利于濾棒成型均勻性和穩(wěn)定性，因此在該配比條件下進(jìn)行煙草漿添加試驗(yàn)。結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，隨著煙草漿比例的增加，片基強(qiáng)度逐漸下降，厚度、柔軟度逐漸增加。當(dāng)針葉漿A:針葉漿B:煙草漿=70∶20∶10時(shí)，片基的抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度及柔軟性最好，故對(duì)該配比條件（配方1）進(jìn)行中試。片基按1.3.2部分進(jìn)行分切、復(fù)卷并按1.3.3部分進(jìn)行濾棒成型及性能指標(biāo)檢測(cè)。

圖4 針葉漿A、B配抄片基性能Fig.4 Film base properties of softwood pulp A and B

圖5 針葉漿A、B和煙草漿配抄片基性能Fig.5 Film base properties of softwood pulp A, B and tobacco pulp

2.2.2 闊葉漿、針葉漿B及煙草漿配抄片基性能

基于2.2.1片基配方，考慮針葉漿B為經(jīng)過特殊處理的長(zhǎng)纖維漿料，其纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)且吸收性和柔軟性較好，闊葉漿纖維細(xì)短、吸收性、柔軟性較好，因此結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提升片基性能，同時(shí)對(duì)比兩個(gè)配方的片基性能差異。由圖6可知，隨著闊葉漿比例減少、針葉漿B比例的增加，片基的厚度、濕強(qiáng)度逐漸提升，而抗張強(qiáng)度、柔軟度下降。當(dāng)闊葉漿:針葉漿B=3∶7時(shí)，片基的濕強(qiáng)度達(dá)到最大，因此在該配比條件下進(jìn)行煙草漿添加試驗(yàn)。結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，隨著煙草漿比例的增加，片基強(qiáng)度逐漸下降，厚度、柔軟度逐漸增加。當(dāng)闊葉漿∶針葉漿B∶煙草漿=∶:70∶5時(shí)，片基的抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度及柔軟性最好，故對(duì)該配比條件（配方2）進(jìn)行中試。片基按1.3.2部分進(jìn)行分切、復(fù)卷并按1.3.3部分進(jìn)行濾棒成型及性能指標(biāo)檢測(cè)。

圖6 闊葉漿、針葉漿B配抄片基性能Fig.6 Film base properties of hardwood pulp and softwood pulp B

圖7 闊葉漿、針葉漿B、煙草漿配抄片基性能Fig.7 Film base properties of hardwood pulp, softwood pulp B and tobacco pulp

2.3 片基微觀結(jié)構(gòu)

由圖8可以看出，配方1片基疏松、表面粗糙、空隙較多，纖維長(zhǎng)且粗，分布不均勻；配方2片基表面平整，粗、長(zhǎng)的針葉漿與細(xì)、短的闊葉漿纖維交織、纏繞，分布均勻。此外，在兩個(gè)配方片基中，煙草漿不明顯，可能是煙草漿的添加比例較少且煙草漿細(xì)小，在抄造成型過程中填充了纖維間的空隙并被針葉漿、闊葉漿覆蓋。綜上可知，配方2的片基勻度、柔軟性和吸收性較好。

圖8 片基微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of film base

2.4 紙質(zhì)濾棒與醋纖濾棒物理性能對(duì)比

按照濾棒成型要求：圓周（23.7±0.15）mm、長(zhǎng)度（120±0.5）mm、壓降（3 040±230）Pa進(jìn)行紙質(zhì)濾棒和醋纖濾棒成型，成型后進(jìn)行物理性能指標(biāo)檢測(cè)和對(duì)比分析。

由圖9可知，紙質(zhì)濾棒與醋纖濾棒由于材質(zhì)的差異導(dǎo)致其物理性能不同。在重量方面，紙質(zhì)濾棒質(zhì)量約1.2 g，醋纖濾棒質(zhì)量約0.8 g，說明紙質(zhì)濾棒片基致密、填充值較大。在硬度方面，2種濾棒接近且分布較均勻。在圓周方面，2種濾棒圓周均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但紙質(zhì)濾棒稍大于醋纖濾棒，說明紙質(zhì)濾棒片基致密、填充值較大。在吸阻方面，2種濾棒吸阻均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但紙質(zhì)濾棒波動(dòng)稍大于醋纖濾棒，說明紙質(zhì)濾棒的填充均勻性不如醋纖濾棒。綜上可知，就物理性能來看，2種材質(zhì)的濾棒均能夠滿足要求。在使用紙質(zhì)濾棒時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注濾棒對(duì)卷煙煙支重量的影響，建議對(duì)紙質(zhì)濾棒和醋纖濾棒進(jìn)行多元復(fù)合設(shè)計(jì)。

圖9 濾棒物理性能Fig.9 Physical properties of filter rod

2.5 紙質(zhì)濾棒性能影響研究

由圖10可以看出，隨著片基定量和幅寬的增加，濾棒端面孔洞和空隙減少，填充性、均勻性增加。由圖11和表3、4可知，在濾棒成型參數(shù)確定后，濾棒的長(zhǎng)度、圓周和硬度基本不變的情況下，片基的定量、幅寬直接影響濾棒的重量、吸阻。隨著片基幅寬的增加，濾棒隨之被片基填滿，挺度增加、孔隙減少，重量和吸阻也隨之增加，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)整和選擇適合的片基幅寬和定量。進(jìn)一步探究片基定量、幅寬對(duì)濾棒重量、吸阻的影響，建立紙質(zhì)濾棒重量及吸阻預(yù)測(cè)模型，可有效避免大量的試驗(yàn)探索驗(yàn)證。通過對(duì)片基定量、幅寬、濾棒重量、吸阻進(jìn)行回歸分析可知，濾棒重量、吸阻與片基定量、幅寬之間分別符合以下關(guān)系：Y1=-2.98+0.018 9×X1+0.027 5×X2，R2=97.8%，Y2=-28 700+157×X1+140×X2，R2= 83.6%（Y1為重量，g；Y2為吸阻，Pa；X1為幅寬，mm；X2為定量，g/m2）。

圖10 不同片基幅寬、定量濾棒截面Fig.10 Sectional morphology of filter rods with different film base width and weight

圖11 濾棒重量、吸阻與片基定量、幅寬的關(guān)系Fig.11 The relationship between filter rod weight, suction resistance and film base weight, width

表3 濾棒重量與片基定量、幅寬方差分析Tab.3 Variance analysis of filter rod weight, film base weight and width

表4 濾棒吸阻與片基定量、幅寬方差分析Tab.4 Variance analysis of filter rod suction resistance and film base quantification and width

由表3、4方差分析可知，F(xiàn)1=490.11＞F0.01（2,22）=5.72＞F0.05（2,22）=3.44，F(xiàn)2=55.95＞F0.01（2,22）=5.72＞F0.05（2,22）=3.44。因此，片基定量、幅寬與濾棒重量、吸阻間具有極顯著的關(guān)系[25]。

3 結(jié)論

本研究通過4 種漿料的纖維分析、濾棒片基開發(fā)、再造煙葉濾棒成型及不同再造煙葉紙質(zhì)濾棒性能分析,得出以下主要結(jié)論：

1）隨著針葉漿A比例減少、針葉漿B比例的增加，片基柔軟度、抗張強(qiáng)度和厚度減小，濕強(qiáng)度先增加后減小。

2）隨著闊葉漿比例減少、針葉漿B比例的增加，片基厚度、濕強(qiáng)度提升，抗張強(qiáng)度、柔軟度下降。

3）在濾棒成型參數(shù)確定，濾棒長(zhǎng)度、圓周和硬度基本不變的條件下，隨著片基定量、幅寬增加，濾棒重量和吸阻增加。

4）開發(fā)的紙質(zhì)濾棒片基配方為：針葉漿A∶針葉漿B∶煙草漿=70∶20∶10，闊葉漿∶針葉漿B∶煙草漿=25∶70∶5，這兩種配方的片基抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度及柔軟性較好，可滿足紙質(zhì)濾棒成型要求。

5）片基定量、幅寬與濾棒重量、吸阻間具有極顯著的關(guān)系，建立的模型可預(yù)測(cè)濾棒重量和吸阻之間的關(guān)系。