不同漿料配比卷煙紙性能及對(duì)卷煙的影響

顧永圣 段良勇，* 閆新可 吳雄會(huì) 王春玲

(1.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，江蘇南京，210019；2.中煙摩迪(江門)紙業(yè)有限公司， 廣東江門，529085)

卷煙紙主要由植物纖維和遍布在其結(jié)構(gòu)中的填料微粒組成，作為唯一參與燃燒的輔材，卷煙紙對(duì)于煙支的燃燒性能、煙氣指標(biāo)及感官質(zhì)量都有著重要影響[1]。而植物纖維是卷煙紙中主要原料之一，其各項(xiàng)形態(tài)參數(shù)如平均長(zhǎng)度、卷曲度、扭結(jié)指數(shù)及形貌特征等對(duì)紙張性能如抗張強(qiáng)度、勻度等有著重要的影響[2- 3]，不同纖維的熱裂解產(chǎn)物也存在差異[4]，進(jìn)而影響感官吸味。卷煙紙與煙絲作為煙支燃燒主體，對(duì)卷煙的包灰性能起最為關(guān)鍵的影響，卷煙抽吸時(shí)卷煙紙灰片不能很好地包裹在煙絲上，煙灰掉落嚴(yán)重，會(huì)污染環(huán)境且消費(fèi)體驗(yàn)較差。因此建立包灰定量測(cè)試方法，科學(xué)準(zhǔn)確地描述卷煙包灰性能，顯得尤為重要。分析現(xiàn)有卷煙包灰性能分析方法[5- 9]，存在評(píng)價(jià)指標(biāo)單一或評(píng)價(jià)方法主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn)。本研究通過不同漿料配比的卷煙紙?jiān)囍萍捌湮锢硇阅芊治觯Y(jié)合卷煙煙氣分析和感官評(píng)價(jià)，通過建立包灰效果評(píng)價(jià)方法，從而較為全面了解纖維配比與卷煙物化特性、包灰能力之間的關(guān)系，為進(jìn)一步深入開展卷煙紙及卷煙的性能研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料和儀器

針葉木漿，瑞典產(chǎn)云杉漿；闊葉木漿，巴西產(chǎn)桉木漿；碳酸鈣，馬來西亞產(chǎn)。

RM20H型轉(zhuǎn)盤吸煙機(jī)，德國(guó)Burgwaldt Kc公司；MS303S型電子天平，感量0.001 g，瑞士梅特勒；500D相機(jī)，日本佳能；PIA- 6000顯微鏡分析軟件，瑞士保捷拿；卷煙包灰測(cè)試臺(tái)，自制。

1.2 方法

1.2.1 不同纖維配比卷煙紙的制備

以定量27 g/m2，透氣度60 CU為目標(biāo)值，按照一定比例的纖維配比，分別對(duì)針葉木漿、闊葉木漿及損紙進(jìn)行碎漿、打漿、配漿，經(jīng)上網(wǎng)、抄造、施膠等操作，制備了5種不同纖維配比的卷煙紙樣品。

1.2.2 卷煙紙物理性能分析

將5種不同纖維配比的卷煙紙?jiān)贕B/T 10739—2002規(guī)定的條件下平衡，按照GB/T 451.2—2002、GB/T 742—2008、GB/T 7974—2002、GB/T 1543—2005、GB/T 23227—2008分別測(cè)定卷煙紙定量、灰分、白度、不透明度、透氣度及透氣度變異系數(shù)；并測(cè)試助燃劑含量和擴(kuò)散率。

1.2.3 卷煙樣品的制備

在南京(紅)卷接線上使用同批煙絲、同種濾棒和接裝紙，配合5種卷煙紙樣品進(jìn)行連續(xù)卷制，并保持各項(xiàng)物理參數(shù)一致，得到卷煙樣品。

1.2.4 卷煙樣品主流煙氣測(cè)試及感官評(píng)價(jià)

卷煙樣品在GB/T 16447—1996規(guī)定條件下平衡48 h，采用轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)條件下抽吸和測(cè)試，按GB/T 19609—2004、YC/T 156—2001、YC/T 157—2001、GB/T 23356—2009分別測(cè)定焦油、煙堿、水分和CO含量。采用對(duì)比評(píng)吸方式對(duì)卷煙樣品的感官質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.5 卷煙包灰效果評(píng)價(jià)方法的建立及樣品評(píng)價(jià)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)定了卷煙包灰效果評(píng)價(jià)的5個(gè)指標(biāo)并建立了測(cè)試方法，并使用該方法對(duì)卷煙樣品的包灰效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙紙制備過程的主要參數(shù)分析

卷煙紙中纖維只是其中一種物質(zhì)，其他如碳酸鈣、助燃劑等都是造紙過程中必須使用的物質(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)中，卷煙紙的碳酸鈣比例為35%，水分約占4.5%，助燃劑占1.3%以及0.2%的其他助劑，而纖維占比為59%。同時(shí)由于卷煙紙制造過程中需要加入一定量的損紙，而損紙中已經(jīng)含有一定比例的針葉木漿和闊葉木漿，從而不能制備純針葉木漿或純闊葉木漿的樣品。最終，本實(shí)驗(yàn)制備的5個(gè)卷煙紙樣品的具體纖維配比見表1，從樣品A到E針葉木漿的比例從64%降至36%，而闊葉木漿比例從36%升至64%。

表1 卷煙紙制備過程主要參數(shù)

從卷煙紙制備過程的主要參數(shù)看，5個(gè)樣品的針葉木漿和闊葉木漿的打漿度、上網(wǎng)濃度基本接近，而隨著針葉木漿比例減少、闊葉木漿比例增加，精漿機(jī)功率逐漸由180 kW提升至320 kW。對(duì)闊葉木漿打漿處理較輕，保留了纖維粗短的特點(diǎn)，成紙疏松多孔，透氣性提高，因此在闊葉木漿比例增加時(shí)需要提高精漿機(jī)功率對(duì)混合的針、闊葉木漿纖維進(jìn)行分絲帚化，以降低成紙后的透氣性能，從而實(shí)現(xiàn)不同纖維配比的卷煙紙達(dá)到同一透氣度目標(biāo)值。

2.2 卷煙紙物理性能分析

對(duì)制備的卷煙紙物理性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2中可見，以設(shè)定的定量27 g/m2、透氣度60 CU的目標(biāo)值來看，5個(gè)樣品均能夠滿足GB/T 12655—2007《卷煙紙》的定量(27±1.0)g/m2、透氣度(60±6)CU的要求，透氣度變異系數(shù)≤8%，說明卷煙紙制備達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。5個(gè)樣品的縱向抗張強(qiáng)度隨闊葉木漿配比增加而逐漸下降，其他物理指標(biāo)如灰分、助燃劑含量、白度、不透明度均差異不大。

擴(kuò)散率指標(biāo)的測(cè)試原理是指在沒有壓差的狀態(tài)下由于氣體濃度差而引起的擴(kuò)散遷移，即模擬卷煙燃燒但不抽吸時(shí)的氣體擴(kuò)散狀態(tài)，該指標(biāo)目前主要用于預(yù)測(cè)煙支的燃燒速度、評(píng)價(jià)阻燃卷煙紙的自熄能力等。

表2 卷煙紙樣品主要物理性能

注 助燃劑為檸檬酸鉀鹽，含量以檸檬酸根計(jì)。

羅瑋等人[10]的“一種具有可變擴(kuò)散率與孔結(jié)構(gòu)的卷煙紙及其應(yīng)用”發(fā)明專利顯示，通過在卷煙紙表面施加催化劑，提高卷煙紙烘烤后(即抽吸時(shí)燃燒線下2～4 mm)的擴(kuò)散率及總孔容，有助于降低主流煙氣中CO的含量。

本實(shí)驗(yàn)卷煙紙樣品的擴(kuò)散率指標(biāo)測(cè)試結(jié)果與透氣度的變化趨勢(shì)較為接近，樣品A的擴(kuò)散率最小為1.84 cm/s，樣品D的擴(kuò)散率最大為1.99 cm/s，說明在該實(shí)驗(yàn)條件下，闊葉木漿用量從36%增加到64%時(shí)，樣品擴(kuò)散率有增大趨勢(shì)，但并不明顯。分析這一結(jié)果的可能原因是，紙張定量、厚度、微孔數(shù)量、勻度等對(duì)擴(kuò)散率均有不同程度的影響，其最終表現(xiàn)出來的是各個(gè)因素總體影響的結(jié)果，故雖然漿料配比有較大變化，但擴(kuò)散率變化并不顯著。

2.3 卷煙主流煙氣及感官評(píng)價(jià)

制備的卷煙主流煙氣測(cè)試結(jié)果見表3。分析主流煙氣的各項(xiàng)指標(biāo)：焦油以樣品A最高，達(dá)到11.24 mg/支，樣品C最低為10.79 mg/支，其他3個(gè)樣品基本相近；煙堿及CO指標(biāo)的差異均不明顯；水分以樣品D最低，為1.74 mg/支，樣品A最高為1.99 mg/支，其他樣品較為接近。綜合來看，本實(shí)驗(yàn)條件下不同纖維配比的卷煙紙對(duì)于主流煙氣的影響較小，在焦油量及水分指標(biāo)上稍有差異。

表3 卷煙主流煙氣測(cè)試結(jié)果

對(duì)5個(gè)樣品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)后表明，樣品的煙氣表現(xiàn)形式、香氣量、香氣質(zhì)、余味、刺激等主要指標(biāo)均較接近，感官差異不明顯。

2.4 卷煙包灰能力評(píng)價(jià)方法的建立

2.4.1 卷煙包灰能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)置

王道寬等人[5]、王平軍等人[6]以卷煙靜燃和抽吸狀態(tài)下燃至卷煙長(zhǎng)度的2/3以上形成豎直煙灰柱時(shí)煙灰的裂口像數(shù)與所選區(qū)域總像數(shù)的比值，即為包灰值，該方法指標(biāo)過于單一。程占剛等人[7]、陳慧斌等人[8]設(shè)置包灰松緊度、外翻灰片、裂紋、灰分光滑度、灰分顏色5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但需選定標(biāo)準(zhǔn)圖片為參照進(jìn)行打分，存在一定的主觀因素。綜合參考以上方法，本研究提出建立更加科學(xué)全面的評(píng)價(jià)方法，討論并設(shè)置了豎直靜燃狀態(tài)下的白度、碳線整齊度、裂口率、縮灰率以及水平靜燃狀態(tài)下的持灰力共5項(xiàng)指標(biāo)(示意見圖1)，用來評(píng)價(jià)卷煙的包灰能力。

2.4.1.1 白度

定義：灰柱的白度。

評(píng)價(jià)方法：豎直靜燃，分別在煙支燃燒至15、30和45 mm處時(shí)拍照，并用軟件對(duì)照片進(jìn)行分析，選取碳線附近以上位置沒有裂口的灰片，用軟件測(cè)出該區(qū)域灰片投影的白度(L值)。

2.4.1.2 碳線整齊度

定義：碳化區(qū)域偏離水平線的程度，單位mm。

評(píng)價(jià)方法：豎直靜燃，分別在煙支燃燒至15、30和45 mm處時(shí)拍照，并用軟件對(duì)照片進(jìn)行分析，測(cè)量碳線在最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的距離。

2.4.1.3 裂口率

定義：裂口面積與煙柱投影總面積的比值，單位%。

評(píng)價(jià)方法：豎直靜燃，在煙支燃燒至45 mm處時(shí)拍照，用軟件對(duì)灰柱照片進(jìn)行分析，以裂口面積總和∑s，除以灰柱投影總面積S，即裂口率=∑s/S×100%。

圖1 卷煙包灰能力評(píng)價(jià)指標(biāo)示意圖

2.4.1.4 縮灰率

定義：碳線上方固定距離內(nèi)灰柱的收縮程度，單位%。

評(píng)價(jià)方法：豎直靜燃，在煙支燃燒至30 mm處時(shí)拍照，用軟件對(duì)灰柱照片進(jìn)行分析，測(cè)量碳線以上15 mm內(nèi)(可基本覆蓋燃燒錐)煙柱的投影面積s，除以未燃燒時(shí)此處煙支的投影面積S，即縮灰率=(S-s)/S×100%。

2.4.1.5 持灰力

定義：保持灰柱在燃燒時(shí)不斷裂脫落的能力，以灰柱第一次掉落時(shí)已燃燒過的煙柱長(zhǎng)度來表示持灰力，單位mm。

評(píng)價(jià)方法：水平靜燃，當(dāng)灰柱第一次掉落時(shí)測(cè)量碳線之后的剩余煙支長(zhǎng)度l，用卷煙原長(zhǎng)度L減去剩余長(zhǎng)度l，可得已燃燒過的煙柱長(zhǎng)度H。H值越大，表示其持灰能力越強(qiáng)。

2.4.2 卷煙包灰能力評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)包灰能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)置情況，擬定了實(shí)驗(yàn)實(shí)施的具體方法和要求，主要步驟如下。

(1)制備測(cè)試樣品：卷煙樣品在GB/T 16447—1996規(guī)定條件下平衡48 h。剔除變形、破損的煙支，挑選質(zhì)量為煙支平均質(zhì)量±0.025 g的完好煙支，并在與煙支搭口相反方向的柱面上從燃燒端起15、30、45 mm處用鉛筆標(biāo)記，作為測(cè)試樣品。

(2)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件：測(cè)試環(huán)境溫度(22±2)℃，濕度(60±5)%。關(guān)閉實(shí)驗(yàn)常規(guī)光源，打開LED測(cè)試燈預(yù)熱不少于30 min，使光源亮度和位置保持一致。將實(shí)驗(yàn)相機(jī)參數(shù)設(shè)置一致，鏡頭與煙支保持水平且距離為(320±5) mm，不開啟閃光燈。

(3)點(diǎn)燃煙支：用小型吸煙機(jī)將煙支點(diǎn)燃，將煙支標(biāo)記處正對(duì)相機(jī)，垂直或水平插于卷煙包灰測(cè)試臺(tái)上。

(4)拍攝照片：分別在煙支靜燃至15、30、45 mm處時(shí)拍照，每個(gè)樣品測(cè)試3支卷煙(可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整)；若靜燃時(shí)灰柱出現(xiàn)明顯彎曲則需重新實(shí)驗(yàn)。

(5)軟件分析：使用分析軟件PIA- 6000對(duì)照片進(jìn)行分析，計(jì)算長(zhǎng)度、面積等數(shù)據(jù)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4.3 數(shù)據(jù)分析及包灰能力評(píng)價(jià)的判定

該方法可用于單一樣品的包灰能力評(píng)價(jià)以及多個(gè)樣品間包灰能力的平行對(duì)比。對(duì)樣品間的包灰能力進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，擬定了各指標(biāo)達(dá)到改變顯著時(shí)的具體差值，見表4。表4中白度、縮灰率、持灰力3個(gè)指標(biāo)的數(shù)值越大越好，而碳線整齊度、裂口率2個(gè)指標(biāo)的數(shù)值則越小越好，當(dāng)樣品間指標(biāo)差異達(dá)到以下判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可認(rèn)為某項(xiàng)指標(biāo)的改變達(dá)到顯著。

表4 包灰能力樣品比對(duì)的評(píng)價(jià)

2.5 卷煙樣品包灰效果評(píng)價(jià)

采用以上建立的卷煙包灰能力評(píng)價(jià)方法對(duì)本項(xiàng)目的5個(gè)卷煙樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。對(duì)比樣品間的各項(xiàng)指標(biāo)可見：樣品A到樣品E的白度值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，樣品D、E與樣品A的差值達(dá)到1以上；碳線整齊度以樣品C最好，達(dá)到1.70 mm，樣品D最差為2.22 mm，其他3個(gè)樣品相近；樣品A裂口率明顯大于其他樣品的，達(dá)到24.9%，而樣品C最好、樣品D次之，其他兩個(gè)樣品較接近；縮灰率以樣品B、C較好，分別達(dá)到39.0%、39.2%， D、E兩個(gè)樣品接近，樣品A最差為28.7%；持灰力樣品C最好，達(dá)到44.0 mm，B、D、E 3個(gè)樣品接近，而樣品A最差，為36.5 mm。

綜合來看，樣品C在縮灰率、碳線整齊度、裂口率、持灰力4個(gè)指標(biāo)上均有較好的表現(xiàn)，而樣品A則表現(xiàn)較差，說明在本實(shí)驗(yàn)的5個(gè)卷煙紙樣品中，針葉木漿和闊葉木漿配比為50%∶50%時(shí)的卷煙包灰效果最好。

表5 卷煙樣品包灰能力評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)制備了5種不同漿料配比的卷煙紙，對(duì)其物理性能、包灰能力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并進(jìn)了卷煙煙氣分析和感官評(píng)價(jià)。

3.1 不同漿料配比的卷煙紙?jiān)谥苽溥^程中主要以調(diào)節(jié)精漿機(jī)功率來實(shí)現(xiàn)相近的透氣度，即隨著闊葉木漿比例增加而逐漸提高精漿機(jī)功率。

3.2 制備的卷煙紙樣品物理性能均滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，樣品間沒有明顯差異。擴(kuò)散率與透氣度的變化趨勢(shì)較為接近。不同漿料配比的卷煙紙對(duì)于主流煙氣的影響較小，在焦油量及水分指標(biāo)上稍有差異，且感官差異不明顯。

3.3 建立了卷煙包灰能力評(píng)價(jià)方法，包括5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)置、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法及樣品對(duì)比評(píng)價(jià)判定標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)用性。

3.4 采用卷煙包灰能力評(píng)價(jià)方法對(duì)本項(xiàng)目的5個(gè)卷煙樣品進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明以針葉木漿和闊葉木漿配比為50%∶50%時(shí)的卷煙包灰效果最好。