煙用紙張的應(yīng)用研究進(jìn)展

顧健龍，孟紅明，馬 靜，楊 兵，王淑華，張慶剛，高 莉，王 浩

（1.云南省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，云南昆明 650106；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明 650231）

煙用紙張的應(yīng)用研究進(jìn)展

顧健龍1，孟紅明1，馬 靜1，楊 兵1，王淑華1，張慶剛1，高 莉2，王 浩2

（1.云南省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，云南昆明 650106；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明 650231）

降本增效和減低危害是在卷煙研發(fā)中的兩大主題。煙用紙張的應(yīng)用研究是煙草企業(yè)降低成本與危害的有效途徑。對(duì)煙用紙張應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，分析了在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)煙用紙張發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

卷煙；煙用紙張；應(yīng)用；研究現(xiàn)狀

為適應(yīng)行業(yè)快速發(fā)展和滿足卷煙消費(fèi)者需求，全國(guó)的煙草工業(yè)企業(yè)一直把煙用材料的研究作為提高卷煙品質(zhì)、降低成本與危害的突破口[1]。煙用紙張是煙用材料中品類最多的一類，它包括卷煙紙、商標(biāo)紙、煙用內(nèi)襯紙、煙用接裝紙、濾棒成形紙、卷煙條與盒印刷品等在內(nèi)的多種紙張材料[2]。這些煙用紙張除了起到基礎(chǔ)的對(duì)煙絲、卷煙包裹作用，其開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水平直接影響到卷煙生產(chǎn)[3]、卷煙銷售[4]、質(zhì)量控制、競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力等各個(gè)方面。本文歸納總結(jié)了近年來(lái)煙用紙張應(yīng)用方向和研究進(jìn)展，并針對(duì)煙用紙張各種應(yīng)用的現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論。

1 煙用紙張?jiān)谔岣呱蠙C(jī)適應(yīng)性中的應(yīng)用

由于卷煙生產(chǎn)技術(shù)水平的日益提高，卷包機(jī)生產(chǎn)也隨之提速，產(chǎn)率從以前低于150包/min升到300～500包/min甚至更高[5]。煙用紙張需要有足夠的物理強(qiáng)度才能適應(yīng)高速卷包機(jī)對(duì)材料的要求。力學(xué)性能穩(wěn)定、材料均勻的紙張可以減少成品卷包過(guò)程中諸如開(kāi)包、封口處錯(cuò)位、卷煙紙斷裂等上機(jī)運(yùn)行故障[6]，對(duì)穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。

1.1 紙張中強(qiáng)度添加劑的應(yīng)用研究

為了提高上機(jī)適應(yīng)性，要加強(qiáng)卷煙紙的物理強(qiáng)度，所以強(qiáng)度添加劑的加入在提升卷煙紙物理強(qiáng)度中起到關(guān)鍵作用。Cha等[7]研究了新型納米纖維素晶體紙張?zhí)砑觿?duì)斷裂指數(shù)和抗張指數(shù)兩個(gè)重要力學(xué)指標(biāo)的影響。這種羧基化的納米纖維素晶體（CNCC）具有提升紙張內(nèi)部纖維結(jié)合力潛在性能。在卷煙紙中少量的添加就可以有效地提升這兩個(gè)力學(xué)性能，當(dāng)CNCC的用量到達(dá)0.7%時(shí)，斷裂指數(shù)和抗張指數(shù)分別到達(dá)最大值12.8 mN m2/g 和 100.7 N m/g，超過(guò)0.7%則力學(xué)性能呈減弱趨勢(shì)。

1.2 紙張生產(chǎn)參數(shù)的應(yīng)用研究

煙用紙張力學(xué)性能除了可以通過(guò)加入添加劑改善外，生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化工藝參數(shù)也是解決手段之一。湯德芳等[8]設(shè)定不同梯度工藝參數(shù)，對(duì)特殊型真空鍍鋁內(nèi)襯紙上機(jī)包裝適應(yīng)性的印象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原紙定量為56g/m2，可減少折皺、折疊不到位現(xiàn)象；預(yù)壓紋壓力參數(shù)為4.41MPa時(shí)，可獲得完整的壓紋圖案。真空鍍鋁內(nèi)襯紙經(jīng)改進(jìn)后，設(shè)備包裝速度從300包/min提高到390包/min，有效作業(yè)率從85%提升至95%，其上機(jī)包裝適應(yīng)性得到了有效提高。

1.3 紙張表面性能的應(yīng)用研究

紙張材料的表面性能對(duì)上機(jī)適應(yīng)性也有較大影響[9]。對(duì)于接裝紙、卷煙條與盒包裝紙這類經(jīng)過(guò)印刷處理的紙張，表面性能與紙張印刷或涂布有關(guān)。溶劑型油墨印刷的接裝紙接裝適應(yīng)性優(yōu)于水溶性油墨印刷的接裝紙，且在卷接成卷煙后，出現(xiàn)外觀缺陷的卷煙比例明顯低于水溶性油墨印刷的接裝紙[10]。

紙張的上機(jī)適應(yīng)性與卷煙生產(chǎn)息息相關(guān)，目前主要提高紙張上機(jī)適應(yīng)性的手段是改善添加劑種類和用量、優(yōu)化工藝流程參數(shù)以及研究印刷涂層對(duì)表面性能的影響。因?yàn)楦黝悷熡眉垙埳a(chǎn)流程比較固定，妥當(dāng)?shù)氖褂眠@些手段就可以有效地改善上機(jī)適應(yīng)性，具有思路明確，易于實(shí)施、易于推廣的優(yōu)點(diǎn)，在煙草企業(yè)和輔料企業(yè)被廣泛應(yīng)用。但許多研究沒(méi)有更深層次的原因分析，且都是僅考慮一種應(yīng)用對(duì)上機(jī)適應(yīng)性的改善情況，少有探討多種應(yīng)用組合對(duì)上機(jī)適應(yīng)性整體的改善效果，在煙用紙張整體工藝的提升上還有待提高。

2 煙用紙張?jiān)诰頍熃到箿p害中的應(yīng)用

吸煙與健康的話題一直備受關(guān)注，卷煙抽吸過(guò)程中有害成分的釋放與煙用紙張性質(zhì)相關(guān)，是紙張應(yīng)用研究的重中之重。合理設(shè)計(jì)接裝紙、成形紙、卷煙紙是研究與開(kāi)發(fā)低危害煙草制品最有效、最易實(shí)現(xiàn)的方法。

有害成分主要有焦油、煙堿、煙氣七害、重金屬等。煙氣七害即CO，HCN，NNK，NH3，B[α]P，苯酚和巴豆醛這七種化學(xué)物質(zhì)，是具有代表性的煙氣有害成分[11]煙氣冷凝物的細(xì)胞毒性有一定相關(guān)性[12]。煙氣中重金屬主要有砷、鉛、鉻、鎘、鎳等，這些元素能使蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆變形，喪失生理活性[13]，并具有一定致癌性[14]。

在煙用紙張材料的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一些物理參數(shù)及添加劑[15]，如煙用紙張透氣度、定量，助燃劑的類型等都會(huì)影響這些有害物質(zhì)的含量[16-17]。

2.1 卷煙紙透氣度在卷煙降焦減害中的應(yīng)用研究

透氣度是重要的紙張參數(shù)，隨著卷煙紙透氣度增加，大多數(shù)有害成分釋放量及危害性指數(shù)呈下降趨勢(shì)。普遍認(rèn)為，透氣度影響有害物質(zhì)含量是因?yàn)椤翱諝庀♂尅弊饔肹18]，透氣度增加使更多的空氣進(jìn)入卷煙稀釋煙氣達(dá)到減害目的。由于接裝紙和卷煙紙透氣度對(duì)不同重金屬影響幅度不同[19]，可以推斷透氣度降焦減害是各種因素綜合作用的結(jié)果。江威等[20]利用熱電偶測(cè)溫裝置考察了不同透氣度卷煙紙對(duì)煙紙燃燒溫度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著卷煙紙透氣度逐漸增大，煙紙高溫區(qū)面積有增大趨勢(shì)，燃燒線200～260℃溫度區(qū)面積有減小的趨勢(shì)，當(dāng)透氣度超過(guò)55CU，燃燒線后200～260℃溫度區(qū)面積基本保持不變。有研究證明煙草在控溫加熱過(guò)程中，長(zhǎng)鏈脂肪酸、芳香族化合物和煙堿大部分在200～260℃溫度區(qū)釋放[21]。這說(shuō)明透氣度應(yīng)用在降焦減害至少有兩個(gè)機(jī)制，一是通過(guò)稀釋主流煙氣降低有害物濃度，二是影響卷煙燃吸溫度分布，改變主流煙氣組成?？梢酝茢啵诰頍熂埻笟舛仍?5CU以下時(shí)，透氣度影響燃燒錐溫度分布是降低主流煙氣有害物質(zhì)的主因，超過(guò)55CU后，稀釋作用漸漸成為主要因素。

2.2 接裝紙成孔方式在卷煙降焦減害中的應(yīng)用研究

不僅接裝紙透氣度對(duì)煙氣有害成分的釋放量有影響，接裝紙的成孔方式選擇也能達(dá)到降焦減害目的。劉建福等[22]考察了靜電打孔、激光打孔和自然透氣三種成孔方式接裝紙對(duì)主流煙氣中焦油、七害成分及危害性指數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)透氣接裝紙具有較低的濾嘴通風(fēng)率，在降焦減害中表現(xiàn)良好。這可能是由于自然透氣接裝紙表面布滿由纖維交叉形成的微孔，相比打孔接裝紙只在打孔處可以通風(fēng)，自然透氣接裝紙實(shí)際通風(fēng)面積更大，通過(guò)自然透氣接裝紙的空氣流速小于打孔接裝紙，空氣橫向進(jìn)入濾嘴較淺，通風(fēng)截面較小，形成的濾嘴有效過(guò)濾面積較大，從而效果更好。

微孔結(jié)構(gòu)的紙張材料在降焦減害中表現(xiàn)更好，Eitzinger等[23]更加深入地研究了紙張材料自然微孔隙的分布與透氣度、擴(kuò)散性之間的關(guān)系。天然多孔卷煙紙表面孔徑大小分布（主要影響抽吸和燃燒時(shí)氣體交換）對(duì)其滲透性和擴(kuò)散性的影響，孔徑尺寸分布采用水銀孔隙度計(jì)測(cè)量處理前和經(jīng)230℃烤30min的卷煙紙。結(jié)果表明：孔徑體積和擴(kuò)散滲透性的線性相關(guān)達(dá)到0.9，大體積孔徑（2～10 μm）與透氣度的改變有關(guān)，小孔徑（1 μm范圍）與擴(kuò)散能力有關(guān)。與之相類似的研究揭示了孔徑分布對(duì)主流煙氣中一氧化碳的影響：Luo等[24]研究卷煙紙燃燒時(shí)表面微孔結(jié)構(gòu)（分布）對(duì)降低主流煙氣中CO的影響。發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量、相同透氣度的卷煙紙，隨著孔徑在0.1～8.0μm的數(shù)量增多，主流煙氣中CO的含量減少。進(jìn)一步進(jìn)行電鏡觀察與孔徑分布分析，如圖1所示，a、b分別為兩種相同透氣度卷煙紙電鏡圖，a的孔徑分布平均直徑在1.096μm，b為0.848μm，b樣品主流煙氣中CO含量更低。結(jié)合這兩篇文獻(xiàn)可以推測(cè)，單位面積孔徑越多，面積越小，越有利于降低CO，而孔徑小于1 μm主要影響擴(kuò)散性能，樣品b降焦減害能力更強(qiáng)是因?yàn)閿U(kuò)散性能得以提高?？梢?jiàn)在卷煙紙?jiān)O(shè)計(jì)過(guò)程中，不能忽略擴(kuò)散性能的影響。

圖1 卷煙紙a、b孔徑分布電鏡圖

2.3 煙用紙張?zhí)砑觿┰诰頍熃到箿p害中的應(yīng)用研究

煙用紙張?zhí)砑觿┨妓徕}的使用不但可以增強(qiáng)紙張的物理性能，還可以減少一氧化碳的釋放[25]。這種方式可以在不改變紙張透氣度的前提下降低有害成分釋放量。通過(guò)優(yōu)化碳酸鈣添加劑微粒形狀，可以進(jìn)一步降低一氧化碳的釋放，這可能和改變了纖維結(jié)構(gòu)，增加了紙張的擴(kuò)散性能有關(guān)。

煙用紙張?jiān)诮到箿p害方面的應(yīng)用可以概括為兩個(gè)主要方向，一個(gè)是改善煙用紙張的氣體交換性能（透氣度與擴(kuò)散性），一個(gè)是改善卷煙燃燒條件，兩者交叉互補(bǔ)。借助電子顯微鏡、熱電偶測(cè)溫儀等裝置分析，產(chǎn)生降焦減害效果的原因越來(lái)越明確，伴隨著通過(guò)改變紙張性質(zhì)的方法也越發(fā)多樣。單純?cè)黾油笟舛鹊姆椒ù嬖诒锥耍诮档陀泻Τ煞值耐瑫r(shí)可能會(huì)影響煙氣中的香氣成分含量和水分含量，卷煙煙氣感官質(zhì)量下降，對(duì)卷煙品質(zhì)造成不利影響[26]?，F(xiàn)階段對(duì)氣體擴(kuò)散作用的研究尚且不夠深入，如何發(fā)揮氣體擴(kuò)散性在降焦減害中的作用，進(jìn)而在合理透氣度范圍內(nèi)選擇性降低有害成分釋放量應(yīng)該是進(jìn)一步思考的問(wèn)題[27]。

3 煙用紙張?jiān)谔嵘頍熋烙^度和防偽能力中的應(yīng)用

3.1 煙用紙張?jiān)谔嵘烙^度中的應(yīng)用

煙用紙張材料是卷煙產(chǎn)品主要的外在形象體現(xiàn)，主要有兩個(gè)方面的應(yīng)用：一方面精美的條盒包裝紙往往可以吸引消費(fèi)者的注意，對(duì)購(gòu)買決策產(chǎn)生重要影響。所以煙草企業(yè)都在著力設(shè)計(jì)具有特色、符合潮流的精美包裝外觀[28]，凹印、柔性版印刷、UV印刷、全息燙印等技術(shù)都在煙用紙張印刷中使用過(guò)。不僅是煙用包裝外觀，卷煙煙支的接裝紙顏色和卷煙紙白度同樣會(huì)影響銷量[4]。

3.2 煙用紙張?jiān)谔嵘纻文芰χ械膽?yīng)用

卷煙包裝外觀是煙草質(zhì)檢人員判別產(chǎn)品真?zhèn)蔚闹匾獦?biāo)志之一[29]，擁有高超防偽技術(shù)的包裝材料可以增加制假難度、打擊假冒偽劣產(chǎn)品。卷煙和紙張生產(chǎn)企業(yè)從改善紙張材料[30-31]、尋找獨(dú)特油墨[32]、甚至開(kāi)發(fā)煙盒數(shù)字化防偽二維碼[33]等手段研究新型的防偽方法，以期望通過(guò)外觀特性達(dá)到防偽目的。這說(shuō)明，煙用紙張外觀設(shè)計(jì)也是煙草企業(yè)應(yīng)用和關(guān)注的重點(diǎn)方向之一，它反映了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

為改善包裝外觀，提升防偽能力，煙用包裝紙印刷工藝越來(lái)越復(fù)雜，現(xiàn)在多采用兩三種印刷技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。印刷工藝的復(fù)雜化也使卷煙包裝材料中有害物質(zhì)的含量和種類增加，形成了潛在的安全隱患[34]。煙用紙張自身有害物質(zhì)的控制是行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，成為評(píng)價(jià)煙用紙張質(zhì)量的衛(wèi)生安全性指標(biāo)，是評(píng)價(jià)煙用紙張產(chǎn)品是否合格的關(guān)鍵所在。

4 煙用紙張的應(yīng)用展望

新型綠色環(huán)保紙張材料已經(jīng)開(kāi)始逐步應(yīng)用于煙草企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，如新型涂布內(nèi)襯紙、水溶性油墨印刷接裝紙等。雖然新型煙用紙張中溶劑殘留、重金屬等有害物質(zhì)較傳統(tǒng)煙用紙張含量低，但機(jī)械性能、色澤、阻氣性能等有所不如，會(huì)影響到上機(jī)適應(yīng)性、外觀、產(chǎn)品穩(wěn)定性方面的應(yīng)用。如何依靠其他手段來(lái)彌補(bǔ)這些不足，目前少有報(bào)道，是今后研究方向之一。國(guó)外研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)卷煙的接裝方式，實(shí)現(xiàn)了降焦減害目的，這說(shuō)明改變煙用紙張組合方式也是研究降焦減害的新途徑。

煙用紙張衛(wèi)生質(zhì)量控制逐漸成為研究熱點(diǎn)之一，而質(zhì)控指標(biāo)正由檢測(cè)全部有害成分向更加專一的研究有害物質(zhì)遷移率上轉(zhuǎn)變。目前煙用材料在這方面研究還較少，但其他行業(yè)，如在食品安全領(lǐng)域，就有一些研究紙質(zhì)材料中有害物質(zhì)遷移率研究可以借鑒。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著企業(yè)和消費(fèi)者對(duì)卷煙質(zhì)量要求的不斷提高，煙用紙張?jiān)诮档蜕a(chǎn)損耗（上機(jī)適應(yīng)性）、降焦減害、提升美觀度和防偽能力等應(yīng)用方面的研究不斷的深化。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外煙草科研人員的研究，都取得了一些成果。改善添加劑種類和用量、優(yōu)化工藝流程參數(shù)以及研究印刷涂層表面性能等方法在提升上機(jī)適應(yīng)性上具有較為明顯的成效，將這些方法用于研究新型環(huán)保煙用紙張，既可以在生產(chǎn)中降低紙張本身有害物質(zhì)，又有效地提高了新型紙張的適用性。降焦減害是紙張應(yīng)用研究的重點(diǎn)，主要圍繞著改善紙張氣體交換性能和燃燒條件兩個(gè)方面展開(kāi)。經(jīng)過(guò)對(duì)紙張降低危害原理認(rèn)識(shí)的不斷深入，選擇性的降低有害物質(zhì)而不影響卷煙感官質(zhì)量正在逐步實(shí)現(xiàn)中。研究深入和技術(shù)進(jìn)步使得煙用紙張?jiān)诰頍熒a(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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Review on Application of Cigarette Paper

Gu Jian-long，Meng Hong-ming，Ma Jing，Yang Bing，Wang Shu-hua，Zhang Qing-gang，Gao Li，Wang Hao

Cost-saving and profit-increasing，and harm reduction are two principal themes of cigarette research.To achieve these goals，to research the application of cigarette paper is an effective way.Research actuality of the application of cigarette paper was introduced in this paper，and the advantages and disadvantages in application was also discussed as well.Furthermore，the development trend of cigarette paper has been pointed out.

tobacco；cigarette paper；application；research actuality

TS45

A

1003-6490（2017）01-0089-03

2017-01-15

顧健龍（1988—），男，寧夏銀川人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闊熡幂o料研究。