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，主要由雜細胞、表皮細胞等非纖維物質(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)過程中添加木漿細小纖維，以考察不同長度的細小纖維對基片物理性能的影響規(guī)律。在達到產(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。

1 實驗

1.1 實驗原料

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。

1.2 主要儀器與設(shè)備

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 實驗方法

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小纖維。與傳統(tǒng)細小纖維定義不同，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，按相應國家標準檢測定量、抗張強度、松厚度、柔軟性能、粗糙度和透氣度。

2 結(jié)果和討論

2.1 細小纖維的性能分析

細小纖維性能分析見表1。

表1 細小纖維性能分析

在細小纖維制備過程中，隨著打漿時間的延長，細小纖維平均長度逐漸降低，＜75 μm細小纖維的含量也逐漸增多。當打漿時間為2 h時，細小纖維平均長度為0.812 mm，＜75 μm細小纖維含量為17.8%;打漿時間為4.5 h時，細小纖維平均長度為0.350 mm，＜75 μm細小纖維含量為52.2%。通過實驗發(fā)現(xiàn):當細小纖維平均長度達到一定范圍后，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，細小纖維的比表面積增大。

2.2 細小纖維長度對基片物理性能的影響

2.2.1 細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。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 不同長度的細小纖維對基片松厚度的影響

圖1為不同長度的細小纖維對基片松厚度的影響。從圖1可以明顯看出，隨著細小纖維平均長度的降低，基片的松厚度略有降低。當添加平均長度為0.350 mm的細小纖維時，基片的松厚度相對于添加0.812 mm細小纖維下降了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)標準YC/T 16.3—2003)。但現(xiàn)如今在造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中，基片的強度往往達不到理想要求。

不同長度的細小纖維對基片抗張強度的影響如圖2所示。在相同細小纖維用量的條件下，隨著細小纖維長度的降低，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，添加細小纖維時，細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小纖維平均長度應該低于0.622 mm。

圖2 不同長度的細小纖維對基片抗張指數(shù)的影響

2.2.3 細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為不同長度的細小纖維對基片共振挺度的影響。由圖4可以看出，隨著細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。當細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小纖維對基片粗糙度的影響。從圖5中可以看出，隨著細小纖維長度的改變，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小纖維對基片透氣度的影響。從圖6中可以看出，隨著細小纖維長度的降低，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，透氣度也相應降低。因此，從透氣度方面考慮，基片中所添加的細小纖維的平均長度為0.6 mm左右時效果較好。

2.2.5 細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。未添加細小纖維時煙草漿料的濾水時間為9.82 s，當添加0.812 mm細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;當添加0.350 mm細小纖維時，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。

2.3 細小纖維用量對基片物理性能的影響

通過上述實驗綜合考慮，添加平均長度為0.622 mm的細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的細小纖維。

2.3.1 細小纖維用量對基片松厚度和抗張強度的影響

圖8為細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。與煙草漿粗大的導管相比，細小纖維粗度、寬度均較小，成紙時更易結(jié)合，所以隨著細小纖維用量的增加，成紙緊度變大;添加細小纖維后，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，當細小纖維用量超過1.5%時，抗張強度提高不再明顯。

圖8 細小纖維用量對基片松厚度和抗張強度的影響

2.3.2 細小纖維用量對基片粗糙度和透氣度的影響

圖9為細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，透氣度隨著細小纖維用量的增加逐漸降低，這是由于更多的細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。當細小纖維用量超過1.5%時，透氣度降低過大，不利于煙草薄片的充分燃燒。

圖9 細小纖維用量對基片粗糙度和透氣度的影響

細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。當細小纖維用量超過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，細小纖維用量不應高于1.5%。

圖10 細小纖維用量對煙草漿料濾水性能的影響

3 結(jié)論

3.1 隨著瓦利打機打漿時間的延長，纖維平均長度降低，當打漿時間超過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)生負面影響。綜合考慮確定添加平均長度為0.622 mm的細小纖維較為合適。

3.3 當細小纖維用量超過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，最后確定細小纖維 (平均長度為0.622 mm)添加比例不應高于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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