王 亮 羅 沖 溫洋兵 唐向兵 李 旺 胡惠仁
(1.湖北中煙技術(shù)研發(fā)中心重組煙葉應(yīng)用技術(shù)研究湖北省重點實驗室,湖北武漢,430040;2.河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司,河南許昌,461100;3.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)
目前,造紙法煙草薄片的生產(chǎn)工藝主要為兩步法,即先將煙梗、煙末等煙草原料用一定溫度的清水進行萃取,將溶解物與固相物質(zhì)分離,固相部分使用磨漿設(shè)備制備成漿料,與木漿纖維、填料等一起采用造紙法抄造成基片,而分離后的萃取液經(jīng)過濃縮、調(diào)配制成涂布液,利用表面施膠機或其他涂布裝置回涂到基片的表面,經(jīng)過干燥、分切制成造紙法煙草薄片[1-3]。
煙梗和煙末所制的煙草漿料,主要由雜細(xì)胞、表皮細(xì)胞等非纖維物質(zhì)組成,纖維物質(zhì)含量較少,成紙時結(jié)合強度低,無法滿足抄紙要求。由于煙草薄片助劑安全性的要求較高,使得紙張增強劑等助劑的選擇和應(yīng)用受到了很大限制[4-5]。為了保證紙機穩(wěn)定運行,傳統(tǒng)造紙法煙草薄片生產(chǎn)工藝通過添加植物纖維來解決這些問題[6],但是添加植物纖維在改善煙草薄片的物理強度、保證紙機穩(wěn)定運行的同時,不可避免地會對其感官品質(zhì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,例如使產(chǎn)品木質(zhì)氣加重,刺激性變大,口感變差等[7-8]。
本實驗在造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中添加木漿細(xì)小纖維,以考察不同長度的細(xì)小纖維對基片物理性能的影響規(guī)律。在達(dá)到產(chǎn)品強度要求、保證紙機穩(wěn)定運行的前提下,降低木漿纖維用量,有利于解決煙草薄片木質(zhì)氣較重等問題,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。
煙梗、煙末、漂白硫酸鹽針葉木漿、輕質(zhì)CaCO3(PCC),均取自某生產(chǎn)車間。
松厚度儀:SE051,Lorentzen&Wettre公司,瑞典;抗張強度測定儀:SE062,Lorentzen&Wettre公司,瑞典;紙張共振挺度測定儀:中國制漿造紙研究院;KRK高濃磨漿機:日本產(chǎn);瓦利打漿機:陜西科技大學(xué)機械廠制造;快速紙頁成形器:95854型,德國RRANK。動態(tài)濾水分析儀 (DDA)。
1.3.1 煙草漿的制備
將煙草原料 (由一定比例的煙梗和煙末組成)在水溫50℃的條件下萃取1 h,固液分離后,固相物質(zhì)經(jīng)高濃磨漿機磨至打漿度為 (25±2)°SR的煙草漿備用。
1.3.2 細(xì)小纖維的制備
木漿纖維中通過直徑為75 μm的圓孔或者200目纖維篩分儀的顆粒被看作是細(xì)小纖維。與傳統(tǒng)細(xì)小纖維定義不同,本實驗利用瓦利打漿機對針葉木漂白硫酸鹽漿進行強烈打漿處理,通過控制打漿時間,得到不同長度級別的纖維樣品,平均長度分別為0.812、0.622、0.531、0.450、0.350 mm,實驗中為了與外加木漿區(qū)別,將制備的不同平均長度的纖維樣品定義為“細(xì)小纖維”。
1.3.3 煙草漿料濾水性能的測試
將煙草漿∶木漿∶PCC 質(zhì)量比為70∶15∶15的煙草漿料配制成0.5%的漿濃,調(diào)整漿料溫度為 (20±0.5)℃,取1000 mL漿料加入DDA濾水罐中,在轉(zhuǎn)速800 r/min條件下攪拌110 s,期間依次加入不同長度的細(xì)小纖維、殼聚糖和膨潤土,用量分別為絕干漿料的1.0%、0.1%、0.2%。攪拌停止后在260 kPa的真空條件下抽吸濾水60 s。計算機實時記錄隨著濾水時間變化真空度的變化情況,模擬紙機水線位置處真空度突變點,該突變點對應(yīng)的時間即為DDA濾水時間。
1.3.4 基片的抄造
將制好的煙草漿、木漿纖維和PCC按照70∶15∶15的質(zhì)量比混合,使用快速紙頁成形器抄造成定量為60 g/m2的手抄片。
1.3.5 基片物理性能的測定
手抄片制備完成后,在溫度 (23±1)℃、相對濕度為 (50±2)%的恒溫恒濕條件下處理24 h,按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)檢測定量、抗張強度、松厚度、柔軟性能、粗糙度和透氣度。
細(xì)小纖維性能分析見表1。
表1 細(xì)小纖維性能分析
在細(xì)小纖維制備過程中,隨著打漿時間的延長,細(xì)小纖維平均長度逐漸降低,<75 μm細(xì)小纖維的含量也逐漸增多。當(dāng)打漿時間為2 h時,細(xì)小纖維平均長度為0.812 mm,<75 μm細(xì)小纖維含量為17.8%;打漿時間為4.5 h時,細(xì)小纖維平均長度為0.350 mm,<75 μm細(xì)小纖維含量為52.2%。通過實驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)細(xì)小纖維平均長度達(dá)到一定范圍后,繼續(xù)打漿時對木漿纖維機械處理的作用效果不再明顯,只會增加打漿能耗。隨著打漿時間的延長,纖維的平均寬度幾乎保持不變;而纖維得到更好地分絲帚化,細(xì)小纖維的比表面積增大。
2.2.1 細(xì)小纖維長度對基片松厚度的影響
松厚度是評價造紙法煙草薄片基片品質(zhì)的重要技術(shù)指標(biāo)。煙草薄片的松厚度高,能夠改善煙草薄片在卷煙時的填充性和卷煙燃燒時的燃燒性能,對降低卷煙煙氣中CO等有害物質(zhì)的含量有利[9]。
圖1 不同長度的細(xì)小纖維對基片松厚度的影響
圖1為不同長度的細(xì)小纖維對基片松厚度的影響。從圖1可以明顯看出,隨著細(xì)小纖維平均長度的降低,基片的松厚度略有降低。當(dāng)添加平均長度為0.350 mm的細(xì)小纖維時,基片的松厚度相對于添加0.812 mm細(xì)小纖維下降了3.3%。隨著纖維平均長度逐漸降低,纖維表面得到更好的分絲帚化,纖維比表面積增大,纖維之間的結(jié)合能力增加,從而增加了基片的緊度,使得煙草薄片的松厚度有所降低。
2.2.2 細(xì)小纖維長度對基片抗張強度的影響
為了保證紙機運行穩(wěn)定,基片必須具有一定的強度,然而過高的強度會使煙草薄片的柔軟性等指標(biāo)下降,同時影響后續(xù)加工。因此,在保證紙機穩(wěn)定運行的前提下,要求其抗張強度≤1.00 kN/m(參照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 16.3—2003)。但現(xiàn)如今在造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中,基片的強度往往達(dá)不到理想要求。
不同長度的細(xì)小纖維對基片抗張強度的影響如圖2所示。在相同細(xì)小纖維用量的條件下,隨著細(xì)小纖維長度的降低,基片的抗張強度明顯增加。添加平均長度分別為0.450 mm和0.622 mm的細(xì)小纖維時,基片抗張指數(shù)分別為9.96 N·m/g和9.14 N·m/g,相對于不添加細(xì)小纖維的空白樣品 (7.21 N·m/g)分別提高了38%和27%,具有明顯的增強效果。由于細(xì)小纖維影響抗張強度的因素主要是纖維之間的結(jié)合力,添加細(xì)小纖維時,細(xì)小纖維在紙張中的基本作用是填補纖維之間的間隙,隨著細(xì)小纖維平均長度的減小,纖維得到了充分潤脹和分絲帚化 (如圖3所示),纖維表面暴露出來的羥基數(shù)量增加,從而促進纖維間的氫鍵結(jié)合,使抗張強度得到提高[10]。綜上所述,從增強角度來說,基片抄造時合適的細(xì)小纖維平均長度應(yīng)該低于0.622 mm。
圖2 不同長度的細(xì)小纖維對基片抗張指數(shù)的影響
2.2.3 細(xì)小纖維長度對基片共振挺度的影響
煙草薄片基片較好的柔軟性能,有利于后續(xù)加工。本研究通過測定基片的共振挺度來表征基片的柔軟性能,其共振挺度越高柔軟性能越差。
圖4為不同長度的細(xì)小纖維對基片共振挺度的影響。由圖4可以看出,隨著細(xì)小纖維平均長度的降低,基片共振挺度逐漸上升,即柔軟性能變差。當(dāng)細(xì)小纖維平均長度低于0.622 mm時,柔軟性能受到較大影響。例如添加0.350 mm細(xì)小纖維時,基片的共振挺度為0.0506 mN·m,相對于添加0.812 mm細(xì)小纖維的共振挺度為0.0410 mN·m,柔軟性能降低了23.4%。隨著細(xì)小纖維平均長度的降低,纖維分絲帚化作用增加,基片成紙時纖維之間的結(jié)合增強,基片的柔軟性能下降。
2.2.4 細(xì)小纖維長度對基片粗糙度和透氣度的影響
對基片而言,較好的粗糙度在后續(xù)涂布工藝過程中有利于基片表面對涂布液的吸收,從而改善煙草薄片的感官品質(zhì)。圖5為添加不同長度的細(xì)小纖維對基片粗糙度的影響。從圖5中可以看出,隨著細(xì)小纖維長度的改變,基片表面粗糙度基本不發(fā)生變化。實驗中細(xì)小纖維用量占煙草漿料的1.0%,所占比例較小,添加后主要填充于纖維之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,對基片表面的粗糙度影響很小。
良好的透氣度可提高煙草薄片燃燒的充分性,從而有益于降低CO等有害氣體的生成量。圖6為添加不同長度的細(xì)小纖維對基片透氣度的影響。從圖6中可以看出,隨著細(xì)小纖維長度的降低,基片的透氣度逐漸降低。這是由于透氣度主要有纖維網(wǎng)絡(luò)中的孔隙產(chǎn)生的,實驗所添加的細(xì)小纖維與煙草漿、木漿纖維相比,長度較小,在打漿過程中經(jīng)切斷、縱裂與細(xì)纖維化,纖維比表面積增加,并且逐漸潤脹,使得成紙緊度提高,而纖維間孔隙減少,透氣度也相應(yīng)降低。因此,從透氣度方面考慮,基片中所添加的細(xì)小纖維的平均長度為0.6 mm左右時效果較好。
2.2.5 細(xì)小纖維長度對煙草漿料濾水性能的影響
漿料的濾水速率不但關(guān)系到紙機運行的效率,同時也影響到基片成形的質(zhì)量。圖7為不同長度的細(xì)小纖維對煙草漿料濾水性能的影響。由圖7可以看出,隨著細(xì)小纖維平均長度的降低,濾水時間逐漸延長,濾水性能下降。未添加細(xì)小纖維時煙草漿料的濾水時間為9.82 s,當(dāng)添加0.812 mm細(xì)小纖維時濾水時間為10.08 s,相對于空白實驗延長了0.26 s;當(dāng)添加0.350 mm細(xì)小纖維時,濾水時間為13.01 s,相對于空白實驗延長了32.5%,濾水速率明顯降低。細(xì)小纖維因其比表面積大且結(jié)晶程度低,比纖維更易吸水潤脹,保水值高,能明顯降低煙草漿料的濾水性能。
通過上述實驗綜合考慮,添加平均長度為0.622 mm的細(xì)小纖維對改善基片各項物理性能均能得到較好的效果,因此,以下實驗選用平均長度為0.622的細(xì)小纖維。
2.3.1 細(xì)小纖維用量對基片松厚度和抗張強度的影響
圖8為細(xì)小纖維用量對基片松厚度和抗張強度的影響。從圖8可以看出,隨著細(xì)小纖維用量的提高,基片松厚度降低的同時抗張強度逐漸提高。煙草原料磨漿后,其漿料主要由非纖維狀的碎片組成,纖維含量非常少,表面分絲帚化、羥基含量少。與煙草漿粗大的導(dǎo)管相比,細(xì)小纖維粗度、寬度均較小,成紙時更易結(jié)合,所以隨著細(xì)小纖維用量的增加,成紙緊度變大;添加細(xì)小纖維后,會促進纖維之間的氫鍵結(jié)合,從而提高基片的抗張強度,隨著細(xì)小纖維用量的增加,形成的氫鍵結(jié)合越多,強度逐漸提高,當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時,抗張強度提高不再明顯。
圖8 細(xì)小纖維用量對基片松厚度和抗張強度的影響
2.3.2 細(xì)小纖維用量對基片粗糙度和透氣度的影響
圖9為細(xì)小纖維用量對基片粗糙度和透氣度的影響。從圖9中可以看出,隨著細(xì)小纖維用量的改變基片表面粗糙度基本不發(fā)生變化,實驗中細(xì)小纖維用量占煙草漿料的0~3%,所占比例較小。添加后主要填充于纖維之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,對基片表面的粗糙度幾乎不會產(chǎn)生影響。從圖9可以看出,透氣度隨著細(xì)小纖維用量的增加逐漸降低,這是由于更多的細(xì)小纖維會填充于纖維交織的網(wǎng)絡(luò)中,使基片緊度提高,透氣度降低。當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時,透氣度降低過大,不利于煙草薄片的充分燃燒。
圖9 細(xì)小纖維用量對基片粗糙度和透氣度的影響
細(xì)小纖維用量對煙草漿料濾水性能的影響如圖10所示。通過圖10可以明顯看出,隨著細(xì)小纖維用量的增加,濾水時間逐漸延長,漿料濾水性能逐漸下降。當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時,濾水速率降低得更為明顯,從煙草漿料濾水性能考慮,細(xì)小纖維用量不應(yīng)高于1.5%。
圖10 細(xì)小纖維用量對煙草漿料濾水性能的影響
3.1 隨著瓦利打機打漿時間的延長,纖維平均長度降低,當(dāng)打漿時間超過4 h(纖維平均長度為0.350 mm,寬度為33.7 μm)后,纖維形態(tài)幾乎不再發(fā)生變化。
3.2 隨著細(xì)小纖維平均長度的降低,造紙法煙草薄片基片抗張強度明顯得到提高的同時,松厚度和柔軟性能逐漸降低,對漿料濾水性能也產(chǎn)生負(fù)面影響。綜合考慮確定添加平均長度為0.622 mm的細(xì)小纖維較為合適。
3.3 當(dāng)細(xì)小纖維用量超過1.5%時,造紙法煙草薄片基片的松厚度、透氣度降低較大,漿料濾水性能也受到較大影響,最后確定細(xì)小纖維 (平均長度為0.622 mm)添加比例不應(yīng)高于1.5%。
3.4 采用配比為15%的木漿纖維、添加用量1.5%的細(xì)小纖維 (平均長度為0.622 mm)抄造的造紙法煙草薄片基片,在得到較好的物理性能的同時,與傳統(tǒng)工藝 (木漿配比20%)相比,木漿纖維用量降低了25%,從而減少了卷煙的木質(zhì)氣。
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