曹祥薇，鄧少鵬*，李世建，楊光遠，彭三文，李雅明

(1.湖北中煙卷煙材料廠 技術中心，湖北 武漢 430051；2.武漢達匯新科技有限公司，湖北 武漢 430033)

聚乳酸是以非糧農作物（如木薯、甘蔗、玉米等）或秸稈經生物發(fā)酵生成的乳酸產物為原料，合成制備得到的生物降解熱塑性聚酯，屬于國家戰(zhàn)略型新材料[1]。它易被自然界中的多種微生物或動植物體內的酶分解代替，最終形成水和二氧化碳，不污染環(huán)境，具有廣闊的市場前景，被全球公認為新世紀最有前途的新型材料[2～3]，聚乳酸的非毒性使得它可以用于直接與食品接觸的包裝中[4]。

全球控煙行動持續(xù)推進，受此影響全球卷煙銷量一直呈現下降趨勢，傳統(tǒng)煙草制品承壓前行，新型煙草產品逐漸成為研發(fā)熱點[5]。加熱不燃燒（HNB）卷煙又名低溫卷煙，是通過對煙絲進行加熱，煙絲揮發(fā)產生尼古丁香味來滿足吸煙者需求的新型煙草制品[6]。加熱不燃燒煙草制品是新型煙草制品的重要一類，受到各大煙草公司的高度重視，并成為長期戰(zhàn)略目標之一[7]。加熱不燃燒煙草制品與傳統(tǒng)卷煙不同，加熱的溫度最高不超過350 ℃，在抽吸中間歇煙絲處于非燃燒狀態(tài)，從而減少了煙草高溫燃燒裂解產生的有害成分[8]。以“加熱不燃燒”為思路設計的低溫卷煙，能使煙葉或煙草材料剛好加熱到足以釋放出味道的程度，而不點燃煙葉或煙草材料[9]，可以減少燃燒過程中潛在有害物質產生[10]。

現有加熱不燃燒煙支都采用了多段式濾棒對煙氣進行處理，其濾棒包括支撐段、降溫段、濾嘴段，其中降溫段的目的在于降低煙芯段產生的煙氣的溫度，使其更加容易入口，現有技術中多采用聚乳酸材料為降溫段[11]。比較成熟的采用PLA薄膜皺褶的方式置入濾嘴段，抽吸過程中容易產生塌陷，導致煙氣通道短路。

本文創(chuàng)造性地采用擠塑成型工藝制備PLA降溫異型圓管，通過PLA降溫異型管擠出模具設計、PLA降溫段擠塑成型機理及過程分析，形成PLA降溫異型圓管擠塑加工成型的關鍵工藝方法及參數。

1 PLA降溫段制備工藝流程

打開密封包裝好的PLA樹脂，將PLA顆粒置入60 ℃鼓風干燥箱[12]中干燥2 h，待擠塑機主機各溫區(qū)設置溫度穩(wěn)定后，開啟主機螺桿，將物料從干燥料斗導入擠塑螺桿料筒，熔融的PLA物料經模頭擠出、真空定型、水冷干燥、切斷后得到降溫段異形管產品。

2 PLA降溫段產品結構

PLA降溫段異形管產品采用的是在圓管內設置放射狀輻條結構，根據產品需要，內置輻條可以是4輻條、6輻條、8輻條等結構如圖1。本公司降溫段產品采用圓管內6輻條結構，輻條及壁厚在0.2 mm左右。并對輻條結構進行適當的扭曲，增大了煙氣氣流接觸面積、也利于提高煙氣與材料的碰撞效率，提高煙氣降溫效果。同時，圓管內6輻條結構的設計保證PLA降溫段異形管的圓度及強度，利于擠塑生產定型及降溫段產品尺寸穩(wěn)定性需求。

3 PLA降溫段擠出模具設計

3.1 口模

口模[13]是成型PLA降溫段異形管外表面的零件，與降溫段產品的結構保持一致，但口模內徑不等于PLA降溫段異形管外徑。從口模擠出的管坯由于壓力突然降低，材料因彈性恢復而發(fā)生管徑膨脹，同時，管坯在冷卻和牽引作用下，管徑會發(fā)生縮小[14]。管坯膨脹和收縮的大小與PLA材料性質、擠出溫度和壓力等成型條件以及定徑套結構有關。

3.2 拉伸比

拉伸比是指口模成型段環(huán)隙截面積與管材橫截面積之比[15]，其計算公式[16]為：

式中：

I—拉伸比；

r—口模內徑；

r1—芯棒外徑；

R—管材外徑；

R1—管材內徑。

由于PLA樹脂熔體強度低的特性，在熔融擠出加工的時候容易出現熔體破裂。PLA擠出一般采用較大的口模和芯棒，生產較小尺寸規(guī)格的降溫段圓管，這樣既可以避免熔體破裂，又可以提高擠出產量，故PLA降溫段模頭拉伸比設計值比一般擠出材料大。

3.3 PLA降溫段擠出模頭參數

PLA降溫段是圓管內設6根放射性輻條，結構相對復雜，按照拉伸比（I）=指口模成型段環(huán)隙截面積（S1）/PLA降溫段橫截面積（S2），可以計算出來其拉伸比。

目前，湖北中煙卷煙材料廠降溫段擠出模具及典型產品參數如下：

（1）擠出模具口模的內徑：10.5 cm，芯棒直徑：9.5 cm，孔間隙0.5 cm，

通過Soildworks計算，口模成型段環(huán)隙截面積S1=29.3 mm2。

（2）生產的典型PLA降溫段外徑7.42 cm、其內徑為7.02 cm，壁厚0.2 mm，

通過Soildworks計算，PLA降溫段產品橫截面積S2=8.3 mm2，

按照計算公式：

由此可見，PLA降溫段的拉伸比確實比較高，而常規(guī)的擠塑材料如PVC、PE、PP的模頭拉伸比在1～2之間，這主要是與PLA材料的熔體強度及拉伸性質有關。

4 PLA降溫段擠出定型機理分析

PLA降溫異型管從模頭擠出后，進入真空套管中冷卻定型定徑，是決定PLA降溫段圓管圓周、圓度的關鍵工藝所在，分析其成型原理對降溫段產品質量控制具有重要意義，如圖2所示。

PLA異型圓管型坯從螺桿主機模頭擠出后，圓管型坯還保持一定的溫度而呈高彈態(tài)，在牽引拉伸的作用下具有可塑變性能。進入真空套管的PLA異型圓管型坯在真空負壓作用下膨脹，保持一定的圓度緊靠著定徑套內壁，并在此狀態(tài)下繼續(xù)水冷卻至玻璃態(tài)定型，形成穩(wěn)定的圓管形狀，直至離開真空定型定徑套管。

在此過程中，若進入定徑套的PLA管材冷卻固化過快，難以通過真空吸附膨脹到緊靠定徑套管內壁，容易導致管材圓度不夠和圓周長偏??；若PLA異型圓管離開定徑套后，圓管的外壁溫度還沒降低到PLA樹脂的玻璃化溫度以下，可塑性仍很強，則容易導致管材的二次拉伸，導致管材形狀不穩(wěn)定；若真空度過高，PLA管材與定徑套內壁的摩擦力較大，容易導致二次拉伸；真空度過小，則不足以將PLA型坯真空吸附膨脹至緊靠定徑套管內壁，導致管材圓周長偏小。理想的真空度狀態(tài)是，PLA管材型坯與定徑套管的內壁形成一層薄薄的水膜，保證了PLA管材圓度、圓周長尺寸，同時也降低了PLA管材型坯與定徑套管的內壁之間的摩擦力，防止對牽引造成的不利影響。因此，PLA異型圓管擠出型坯進入真空定徑套的溫度、離開定徑套的溫度、真空度大小等對PLA降溫管材尺寸的穩(wěn)定產生重要的影響。

5 PLA降溫段冷卻定型工藝分析

5.1 PLA降溫段的冷卻成型工藝過程

PLA降溫段異型圓管的冷卻成型工藝流程如下：

模頭擠出→預冷卻→真空定型→水冷卻→風干→牽引→切斷。

模頭擠出的高溫PLA樹脂呈現黏流態(tài)，經過預冷卻達到理想的可拉伸的高彈性狀態(tài)，然后進入真空定徑套管進行定型定徑；經過在真空套管內的繼續(xù)降溫定型，PLA型坯逐步從高彈態(tài)轉為玻璃態(tài)，基本完成了PLA降溫段產品的定型；水冷卻階段將真空成型的型坯快速降溫固化，得到圓度、圓周尺寸穩(wěn)定的PLA異型圓管，經牽引到切斷裝置進行分切，得到PLA降溫段濾棒產品。

5.2 PLA降溫段定型過程溫度變化分析

PLA異型圓管從主機模頭擠出到牽引分切，是PLA降溫段異形圓管溫度不斷降低，定型固化直至完全冷卻的過程。從高分子理論上來講，是PLA材料從黏流態(tài)→高彈態(tài)→玻璃態(tài)逐步轉變的過程，所以分析PLA降溫段圓管生產過程中溫度變化，對降溫段的定型工藝參數研究具有十分重要的意義。

模頭擠出階段：經高溫螺桿主機熔融，再經模頭壓力擠出，PLA物料呈現黏流態(tài)，溫度較高，流量大，保持擠出的形狀十分困難。

預冷卻階段：PLA異型圓管型坯經模頭擠出，緊接著進入流動的恒溫水介質中，PLA快速由黏流態(tài)向高彈態(tài)轉變。水交換介質的浮力作用對于保持PLA圓管擠出型坯的穩(wěn)定性、冷卻效率及一致性也起到積極的作用。

真空定型階段：PLA圓管型坯經過預冷以后，進入真空定徑冷卻套管裝置，圓管的溫度進一步降低，PLA逐步由于高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉變，待PLA圓管離開定徑套管的時，達到PLA的玻璃化溫度以下，圓管的形狀基本穩(wěn)定。

水冷卻階段：離開定型定徑裝置的PLA圓管，進入水冷卻裝置階段，利用水冷卻至常溫狀態(tài)，PLA降溫段圓管的形狀穩(wěn)定。

6 PLA降溫段的生產效率分析

6.1 擠出模頭對生產效率的影響

固定擠出模頭下，隨著擠出速度的提高，熔體剪切速率將提高，體積流量將增大，模頭壓力降將增大。剪切速率的提高也將改變熔體的黏彈性狀況，熔體入口效應，離模膨脹等彈性現象也都會增強。在較低的擠出速度下已獲得平衡的擠出模頭，提高擠出速度后，將可能失去平衡，出現出料不均現象和型坯形狀的畸變[17]。所以固定擠出模頭對應一定的生產效率，若要提高PLA異型圓管擠出生產效率，必須改變擠出模頭參數。

湖北中煙卷煙材料廠采用大口徑擠出模頭工藝，穩(wěn)定控制擠出模頭壓力，擠出產量得到提升。目前，湖北中煙卷煙材料廠生產的PLA降溫段產品規(guī)格為單支長度84 mm，升級擠塑裝備的生產能力達到10 000支/小時，生產線速度已經達到14 m/min，較常規(guī)的異形管擠塑生產速度提高了3倍左右，生產效率得到了極大地提升。

6.2 定型套、真空度對生產效率的影響

擠出壓力穩(wěn)定的情況下，PLA異型圓管擠出生產效率取決于定型定徑的時間，根據PLA圓管在定徑套中定型降溫過程，可以推算出PLA圓管的定型定徑時間。

式中：

T—定徑時間；

L—定徑套長度；

V—牽引速度。

根據PLA降溫段定型過程溫度變化分析，一定范圍的真空冷卻水溫條件下，PLA的定型定徑時間基本不會發(fā)生變化。根據上述計算公式，若要提高PLA異型圓管的生產效率，必須延長定徑套的長度，以滿足PLA管材的定型定徑時間需求。

此外，牽引機在生產方向有對PLA圓管牽引力的存在，而定徑套管與PLA異型圓管之間存在反方向的摩擦力。真空度偏大，PLA圓管與定徑套的間隙越小，摩擦力越大，生產效率下降，所以真空定型階段的真空度控制也很重要。

6.3 PLA原料對擠塑生產效率的影響

PLA熔融加工溫度范圍窄，在擠出拉伸的時候熔體強度不夠，容易發(fā)生拉伸斷裂。PLA材料結晶度低，冷卻定型速度慢，是導致PLA降溫段產品生產效率不高的原因之一，在充分考慮擠塑裝備工況良好的前提下，還應該關注PLA原料性能對擠出生產效率的影響。

不同PLA原料配方組成，不同顆粒形態(tài)PLA原料對擠出的穩(wěn)定性、擠出速度都出現較明顯的差異，其原因是不同PLA原料的熔點、結晶度、熔體強度等理化性質不同，適合于高速擠出生產的PLA原料應該具備以下幾個技術特征：

（1）PLA原料的熔點溫度盡可能低，利于后續(xù)的快速降溫固化成型。

（2）PLA原料的熔融熔體強度好，利于成型的穩(wěn)定性需求。

（3）PLA原料的結晶速度提高，縮短冷卻成型速度時間。

（4）PLA原料的軟硬度適中，利于濾棒產品復合需求。

7 總結

通過對PLA降溫段異型管的產品結構設計，成型原理及成型冷卻工藝及原料性質進行分析，建立了影響PLA降溫異型管擠塑加工成型生產效率的關鍵工藝參數，如擠出模具、定型定徑套管長度、真空度等。依據該系統(tǒng)技術思路，我們在湖北中煙卷煙材料廠進行了PLA降溫產品擠塑生產工藝研究及量產化工作，得到了尺寸穩(wěn)定的PLA降溫段結構產品，并且成功應用到新型煙草濾棒產品中，為新型煙草的開發(fā)提供了有力支持。