吳宇航，胡嘉維，傅源鋒，周冀衡，李思東

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.廣東省金葉科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 汕頭 515100；3.廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江 524088)

作為卷煙不可或缺的原料之一，造紙法再造煙葉既可以將原先不能利用的卷煙廢次原料(煙末、煙梗、煙碎片、煙棒、低次煙葉等)進(jìn)行二次利用，又因其獨(dú)特的減害降焦功能，實(shí)現(xiàn)了廢次原料的“變廢為寶”[1-5]。

造紙法再造煙葉主要原料的煙梗、煙末，其本身具有綜纖維含量少，雜細(xì)胞多，且纖維平均長(zhǎng)度短，僅靠梗、末兩種原料不足以滿(mǎn)足紙機(jī)運(yùn)行的基本物理強(qiáng)度。因此一般在制備造紙法再造煙葉的過(guò)程中需要添加一定比例的外加纖維，以保證紙機(jī)的正常運(yùn)行，同時(shí)還可在一定程度上改善基片的物理性能[6-10]。關(guān)于外加纖維在再造煙葉中的應(yīng)用，行業(yè)研究者進(jìn)行了大量的研究，其研究重點(diǎn)主要集中在外加纖維加入比例和特殊功能纖維的使用[6-10]，但是對(duì)于如何用好外加纖維從而使再造煙葉的產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)能力等方面得到提升卻少見(jiàn)報(bào)道。在實(shí)際生產(chǎn)中，外加纖維加入比例變化往往會(huì)對(duì)再造煙葉的產(chǎn)品風(fēng)格、吸味等評(píng)吸質(zhì)量造成影響[11-12]，不能一味通過(guò)對(duì)外纖使用比例調(diào)節(jié)來(lái)穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程。

本論文從外加纖維本身纖維特性出發(fā)，研究其對(duì)漿料和成紙物理指標(biāo)的影響，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使纖維分布和抗張指數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化并有效關(guān)聯(lián)，對(duì)后續(xù)再造煙葉的研究、發(fā)展起到引領(lǐng)、指導(dǎo)作用，能夠幫助產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，提升再造煙葉對(duì)卷煙的貢獻(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

原料：亞麻漿板(SM，國(guó)產(chǎn))、漂白針葉木漿板(銀星，智利)、成品漿(廣東省金葉科技開(kāi)發(fā)有限公司)。

設(shè)備：瓦利打漿機(jī)(AT-WL，山東安尼麥特)，實(shí)驗(yàn)室抄片機(jī)(JH-CPJ-01，東莞精華)，鼓風(fēng)干燥箱(SHKTYQ，河北坤天)，圓形定量取樣器(ZB-DLD100，浙江紙邦)，取樣刀(HK-202T，廣東恒科)，叩解度(濕重)檢測(cè)儀(ZB-DJ100，浙江紙邦)，纖維分析儀(Morfi compact，法國(guó)Techpap)，抗張強(qiáng)度測(cè)試儀(ZB-WL30，浙江紙邦)，分析天平(感量：0.001 g，瑞士Mettler Toledo)，紙張厚度儀(ZBH-4，浙江紙邦)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維疏解

依照瓦力打漿機(jī)對(duì)漿板的標(biāo)準(zhǔn)操作，分別對(duì)針葉木漿板和亞麻漿板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)纖維解離[13]。

1.2.2 纖維打漿

1.2.2.1 打漿方式

依照瓦力打漿機(jī)對(duì)漿板的標(biāo)準(zhǔn)操作[13]，使用瓦力打漿機(jī)在轉(zhuǎn)速(498±12)r/min、定刀進(jìn)刀杠桿施加8kgf的條件下，對(duì)已經(jīng)解離的漿料進(jìn)行打漿[12]，并按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行取樣。

1.2.2.2 取樣方式

1)打漿度測(cè)試儀取樣：依照肖伯爾打漿度儀測(cè)試要求[14]，每次取2 g絕干樣品，對(duì)應(yīng)漿料量為125 mL。

2)抄片成型樣品取樣：依照生產(chǎn)線(xiàn)基片定量標(biāo)準(zhǔn)(60±5)g/m2，每次取1.83 g絕干樣品，對(duì)應(yīng)漿料量為115 mL。

1.2.3 檢驗(yàn)檢測(cè)

1.2.3.1 漿料分析

1)打漿度曲線(xiàn)繪制：根據(jù)漿料叩解度、濕重隨時(shí)間的變化情況繪制打漿度曲線(xiàn)[13]。

2)纖維分析：使用纖維分析儀對(duì)所取漿料樣品進(jìn)行纖維分析。

1.2.3.2 基片分析

1)基片抄造：將所取樣品用實(shí)驗(yàn)室紙頁(yè)成型設(shè)備抄造成定量(60±5)g/m2的基片。

2)基片物理性能測(cè)試：物理性能(定量、抗張指數(shù)、抗張強(qiáng)度、松厚度)的測(cè)定均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[13]。

2 結(jié)果與討論

不同種類(lèi)的外加纖維有著不同的加工特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以更好的掌握其特性，有利于在實(shí)際生產(chǎn)中采用相應(yīng)的工藝進(jìn)行處理。國(guó)內(nèi)造紙法再造煙葉普遍接受、認(rèn)可的外加纖維主要包括木漿和麻漿兩大類(lèi)，本研究選擇在木漿和麻漿中具有代表性的針葉木漿和亞麻漿進(jìn)行研究。

2.1 叩解度曲線(xiàn)與濕重曲線(xiàn)

針葉木漿與亞麻漿的取樣時(shí)間如表1所示[13]。

表1 單一漿和混合漿的取樣時(shí)間

注：*混合漿中亞麻漿和針葉木漿的含量都是5%。

叩解度曲線(xiàn)(又叫打漿曲線(xiàn))是漿料纖維在一定的打漿條件下，經(jīng)過(guò)不同的打漿時(shí)間測(cè)定各叩解度值繪制而成，它可以描述漿料纖維在打漿過(guò)程中脫水難易程度的變化情況[15]。

圖1 叩解度變化曲線(xiàn)

如圖1a所示，針葉木與亞麻具有完全不同的叩解度曲線(xiàn)。亞麻隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，叩解度上升迅速，其變化接近線(xiàn)性遞增；而針葉木隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，叩解度前期上升緩慢，但在150min左右出現(xiàn)拐點(diǎn)后上升迅速。

圖1b是亞麻和針葉木按5%比例加到成品漿后測(cè)得的叩解度，兩條曲線(xiàn)都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。亞麻漿在90min之前，叩解度均低于成品漿，所以前期亞麻漿對(duì)混合漿料叩解度影響較小，而隨著打漿時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，在150min時(shí)亞麻漿叩解度上升到70.00 °SR(見(jiàn)圖1a)，也導(dǎo)致了混合漿叩解度達(dá)到了56.50 °SR，大大超過(guò)成品漿叩解度(53.25°SR)。而針葉木漿打漿300min后，叩解度只達(dá)到47.25 °SR(見(jiàn)圖1a)，它的混合漿叩解度在270min時(shí)也達(dá)到了56.75 °SR，在300min時(shí)又降回到接近成品漿的叩解度。

漿料纖維的濕重可以間接反映漿料的纖維長(zhǎng)短程度。濕重曲線(xiàn)是漿料纖維在一定的打漿條件下，測(cè)定經(jīng)過(guò)不同的打漿時(shí)間后的濕重值繪圖而得，它可以描述漿料纖維在打漿過(guò)程中相對(duì)纖維長(zhǎng)度的變化情況[13,15]。結(jié)果如圖2所示。

圖2 濕重曲線(xiàn)

如圖2a所示，針葉木與亞麻的濕重均隨打漿時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，從下降幅度上看亞麻要大于針葉木，從下降趨勢(shì)上看，針葉木可近似擬合成一直線(xiàn)(R2=0.69>0.4)，亞麻則在60min左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，后期降幅趨緩。圖2b是亞麻和針葉木按5%比例加到成品漿后測(cè)定的濕重曲線(xiàn)，隨著打漿時(shí)間的增加濕重緩慢降低，在整個(gè)打漿時(shí)間里，混合漿料濕重最低為2.690g，仍然大大高于成品漿濕重(2.335g)。亞麻漿濕重平均提高2.525 g，針葉木濕重平均提高1.365g，亞麻漿效果更好。

綜上，可以推斷出，在打漿過(guò)程中亞麻的纖維潤(rùn)脹和纖維切斷作用較為明顯，分絲帚化較少，濾水性能下降快，而在打漿過(guò)程中針葉木主要體現(xiàn)在纖維潤(rùn)脹和分絲帚化，纖維切斷作用較少，濾水性能下降慢。在再造煙葉實(shí)際生產(chǎn)工藝中，外加纖維存在混合磨漿和分開(kāi)磨漿兩大類(lèi)。對(duì)于亞麻漿，打漿時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)刀功率不宜太大。對(duì)于低濃混合磨漿來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在后面兩級(jí)磨漿加入，適度切短；而對(duì)于分開(kāi)單獨(dú)磨漿來(lái)說(shuō)，應(yīng)該用較低的進(jìn)刀功率，采用較寬的磨片寬度，避免后面與煙草漿料混合后導(dǎo)致叩解度上升過(guò)快。對(duì)于針葉木來(lái)說(shuō)，無(wú)論哪種磨漿方式，都應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)打漿時(shí)間，增加進(jìn)刀功率，采用較窄的磨片寬度，切短纖維，減少成漿時(shí)纖維絮聚，提高成紙勻度[16]。

2.2 抗張指數(shù)和松厚度的變化

抗張指數(shù)指的是在單位定量下紙張的抗張強(qiáng)度。對(duì)于再造煙葉產(chǎn)品并沒(méi)有特殊的抗張指數(shù)要求[17]，但是對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，良好的抗張指數(shù)有利于改善生產(chǎn)穩(wěn)定性，提高紙機(jī)車(chē)速，降低生產(chǎn)能耗。

圖3 抗張指數(shù)變化曲線(xiàn)

如圖3a所示，打漿初期，亞麻與針葉木所抄造的基片抗張指數(shù)差異不大，隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，針葉木與亞麻所抄造的基片抗張指數(shù)均快速上升，但針葉木的抗張指數(shù)上升幅度要高于亞麻。由圖3b可知，混合漿的抗張指數(shù)都隨打漿時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，對(duì)比成品漿分別提升9.46%～84.13%和10.59%～37.99%。

松厚度是指一定重量的紙的體積，在數(shù)值上是緊度的倒數(shù)，單位為cm3/g，表示紙張疏密程度的一個(gè)指標(biāo)[13]。在再造煙葉生產(chǎn)中，常用其來(lái)表示基片的疏松程度，間接說(shuō)明基片的吸液性能。

圖4 松厚度變化曲線(xiàn)

如圖4a所示，在整個(gè)打漿時(shí)間內(nèi)亞麻成紙松厚度均高于針葉木，隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種外加纖維成紙松厚度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，打漿150min后，針葉木成紙松厚度變化不大，趨于平衡。由圖4b可知，混合漿成紙松厚度均在成品漿松厚度上下波動(dòng)，添加針葉木的混合漿成紙松厚度平均值2.613 cm3/g，高于成品漿(2.565 cm3/g)，而添加亞麻的混合漿成紙松厚度平均值2.472 cm3/g，低于成品漿。

綜上，外加纖維單獨(dú)磨漿時(shí)所呈現(xiàn)出來(lái)的磨漿特性具有特定的趨勢(shì)，抗張指數(shù)隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)不斷上升，并在一定時(shí)間達(dá)到最大值，松厚度隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，最后趨于平緩。但是當(dāng)外加纖維與煙草漿混合后，其磨漿特性發(fā)生了改變。針葉木可以有效提高抗張指數(shù)且不會(huì)造成松厚度的減少，亞麻對(duì)抗張指數(shù)的提高有限且會(huì)造成松厚度略為降低。

2.3 纖維質(zhì)量分析

2.3.1 纖維分析

纖維質(zhì)量是評(píng)價(jià)漿料優(yōu)劣的重要指標(biāo)，本研究用Morfi compact纖維質(zhì)量分析儀分析其纖維形態(tài)指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果分析如表2～3。

表2 針葉木混合漿的纖維質(zhì)量分析

注：混合漿1～9分別為成品漿按5%比例添加0,60,120,150,180,210,240,270,300min打漿時(shí)間的針葉木漿。

表3 亞麻混合漿纖維質(zhì)量分析

注：混合漿1～6分別為成品漿按5%比例添加0,30,60,90,120,150min打漿時(shí)間的亞麻漿。

差值均值指添加不同打漿時(shí)間針葉木、亞麻后混合漿檢測(cè)數(shù)值與成品漿檢測(cè)數(shù)值的絕對(duì)差值的平均值，差值變化率是差值均值除以成品漿檢測(cè)數(shù)值。

表4 對(duì)抗張指數(shù)的影響顯著性檢驗(yàn)

從表2和表4可以看出，在針葉木混合漿纖維質(zhì)量分析結(jié)果中，纖維數(shù)均長(zhǎng)度、纖維重均長(zhǎng)度、碎末所占面積百分比這三個(gè)差值變化率較大。通過(guò)t檢驗(yàn)，其中纖維數(shù)均長(zhǎng)度和纖維重均長(zhǎng)度的影響顯著，說(shuō)明這兩個(gè)項(xiàng)目對(duì)抗張指數(shù)的影響較大。從表3和表4可以看出，在亞麻混合漿纖維質(zhì)量分析結(jié)果中，碎末所占面積百分比這個(gè)差值變化率較大。通過(guò)t檢驗(yàn)，碎末所占面積百分比對(duì)抗張指數(shù)的影響不顯著。

2.3.2 纖維平均長(zhǎng)度

圖5 重均、數(shù)均纖維長(zhǎng)度曲線(xiàn)

圖5是纖維的重均、數(shù)均纖維長(zhǎng)度曲線(xiàn)，如圖5a和5b所示，隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，針葉木和亞麻纖維的重均纖維長(zhǎng)度(纖維長(zhǎng)度與相應(yīng)質(zhì)量乘積的總和/纖維的總質(zhì)量)和數(shù)均纖維長(zhǎng)度(纖維的長(zhǎng)度總和/纖維總根數(shù))均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且針葉木重均、數(shù)均纖維長(zhǎng)度要遠(yuǎn)長(zhǎng)于亞麻。圖5c和5d是混合漿的重均纖維長(zhǎng)度和數(shù)均纖維長(zhǎng)度，與成品漿比較，針葉木和亞麻混合漿重均纖維長(zhǎng)度分別提升15.47%、1.38%，數(shù)均纖維長(zhǎng)度分別提升9.45%和，0.34%，重均纖維長(zhǎng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.89%、2.79%，數(shù)均纖維長(zhǎng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.40%、1.27%，均小于5%?？梢哉J(rèn)為針葉木可顯著提升成品煙草漿的平均纖維長(zhǎng)度，而亞麻對(duì)提升成品煙草漿的平均纖維長(zhǎng)度作用較小。

綜上，對(duì)比重均長(zhǎng)度與數(shù)均長(zhǎng)度變化可以發(fā)現(xiàn)，針葉木數(shù)均長(zhǎng)度的降幅在150min后要大于重均長(zhǎng)度的降幅，而亞麻的數(shù)均長(zhǎng)度和重均長(zhǎng)度則均勻的下降。這說(shuō)明在磨漿過(guò)程中，前期針葉木以吸水潤(rùn)脹、分絲帚化為主，后期則以切斷作用為主，而亞麻漿在這個(gè)過(guò)程中更多的是呈現(xiàn)切斷作用，導(dǎo)致纖維平均長(zhǎng)度持續(xù)下降。

同時(shí)，無(wú)論是重均長(zhǎng)度還是數(shù)均長(zhǎng)度，不管是起始數(shù)值還是過(guò)程數(shù)值，針葉木均高于亞麻，這與上面濕重曲線(xiàn)略有差異，考慮到濕重的檢測(cè)時(shí)纖維含水，也許是這兩種纖維的纖維間結(jié)合水量的不同造成的差異。這也進(jìn)一步說(shuō)明，濕重這種間接反映漿料纖維長(zhǎng)度的指標(biāo)只適用于同一種纖維的對(duì)比，而不適用于不同纖維間的比較。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn)。

2.3.3 短長(zhǎng)纖維分界點(diǎn)

圖6 針葉木纖維分布含量變化曲線(xiàn)

為了進(jìn)一步了解纖維長(zhǎng)度對(duì)抗張指數(shù)的影響，結(jié)合不同打漿時(shí)間外加纖維對(duì)抗張指數(shù)和松厚度，分別展開(kāi)兩種外加纖維在打漿時(shí)間內(nèi)的纖維分布(分布區(qū)間為[200-286]，[286-409]，[409-585]，[585-836]，[836-1196]，[1196-1710]，[1710-2445]，[2445-3497]，[3497-5000]，[5000->])變化進(jìn)行作圖分析，具體結(jié)果如圖6所示。

從圖6a可知，隨著打漿時(shí)間的延長(zhǎng)，針葉木纖維分布在區(qū)間內(nèi)的變化是線(xiàn)性的。根據(jù)其區(qū)間內(nèi)纖維含量變化斜率與纖維長(zhǎng)度區(qū)間作圖(圖6b)，可以看到，以1710μm為分界，前6個(gè)纖維分布區(qū)間里，纖維含量逐漸增加，而在后4個(gè)纖維分布區(qū)間里，纖維含量逐漸減少。這說(shuō)明在打漿過(guò)程中，對(duì)于大于1710μm的纖維的切斷作用更加明顯。以1710μm作為短、長(zhǎng)纖維的分界對(duì)纖維分布重新整理數(shù)據(jù)，并以短、長(zhǎng)纖的比值作為橫坐標(biāo)，以抗張指數(shù)作為縱坐標(biāo)進(jìn)行作圖分析，具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 針葉木短長(zhǎng)纖維比值與抗張指數(shù)曲線(xiàn)

在圖7a中，對(duì)于純針葉木漿料，根據(jù)擬合曲線(xiàn)(R2=0.65>0.4)預(yù)測(cè)抗張指數(shù)最大值出現(xiàn)在短/長(zhǎng)纖維比值達(dá)到1.19時(shí)，此時(shí)小于1710μm纖維占比為54.34%，大于1710μm纖維占比為45.66%。在圖7b中，對(duì)于混合漿料，根據(jù)擬合曲線(xiàn)(R2=0.44>0.4)預(yù)測(cè)抗張指數(shù)最大值出現(xiàn)在短/長(zhǎng)纖維比值達(dá)到0.977時(shí)，此時(shí)小于1710μm纖維占比為49.44%，大于1710μm纖維占比為50.56%。

混合漿達(dá)到抗張指數(shù)最大值時(shí)的長(zhǎng)纖維占比比純針葉木漿低，說(shuō)明雖然長(zhǎng)纖維比例的增加有利于抗張指數(shù)的提高，但是當(dāng)有多種纖維混合在一起時(shí)，還需要考慮到不同纖維之間的相互結(jié)合力等[18]。通過(guò)對(duì)外加纖維進(jìn)行打漿工藝的優(yōu)化可以調(diào)節(jié)不同纖維分布比例，從而達(dá)到提高抗張指數(shù)的目的。結(jié)合2.1和2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為提高產(chǎn)品抗張指數(shù)又不降低松厚度，纖維的最佳選擇是針葉木叩解度14.5～25.5°SR，濕重7.94～8.45g，數(shù)均長(zhǎng)度985.5～1238μm，重均長(zhǎng)度1524～1774μm，短長(zhǎng)纖比例0.74～1.23；而亞麻對(duì)抗張指數(shù)和松厚度的影響不大。

3 結(jié)論

(1)亞麻漿和針葉木漿打漿性能和物理性能存在顯著差異。

(2)外加纖維制漿對(duì)再造煙葉物理性能的影響主要體現(xiàn)在明顯提高混合漿料的濕重，而對(duì)混合漿料叩解度的影響有限。

(3)再造煙葉生產(chǎn)中亞麻應(yīng)采用寬磨片，短流程，輕打漿的制漿方式；而針葉木漿則應(yīng)采用窄磨片，長(zhǎng)流程，重打漿的制漿方式。

(4)通過(guò)對(duì)針葉木進(jìn)行打漿工藝的優(yōu)化可以調(diào)節(jié)不同纖維分布比例，從而實(shí)現(xiàn)既提高產(chǎn)品抗張指數(shù)又不降低松厚度，亞麻對(duì)抗張指數(shù)和松厚度的影響不大。