造紙法煙草薄片磨漿專用磨片的研究與應(yīng)用

祁 凱 董繼先，* 劉 歡，* 閆 瑛 張利濤 段傳武 楊瑞帆

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安，710021；2.中國輕工業(yè)裝備制造智能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021；3.河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南許昌，461000）

煙草薄片（又稱再造煙葉）生產(chǎn)工藝的發(fā)展經(jīng)歷了輥壓法、稠漿法及造紙法等3 個(gè)階段[1]。造紙法煙草薄片是利用煙梗、煙末等為原料制成基片再經(jīng)涂布得到的再生產(chǎn)品，其與輥壓法及稠漿法所得產(chǎn)品相比具有密度小、成絲率高、焦油釋放量低及產(chǎn)品可塑性高等特點(diǎn)，并可根據(jù)實(shí)際需求對煙草薄片的物理性能和化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整和改善，能夠有效降低卷煙成本，減少有害物質(zhì)含量，提高卷煙抽吸口感和品質(zhì)[2-3]。

磨漿作為造紙法煙草薄片生產(chǎn)過程中的一道關(guān)鍵工序，利用盤磨機(jī)磨片的機(jī)械剪切、摩擦及揉搓等作用處理漿料纖維，使?jié){料性能達(dá)到抄造生產(chǎn)條件和滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求[4]。煙草薄片磨漿過程中原料的復(fù)雜性使得磨漿過程變得相對復(fù)雜，對磨片的磨漿特性要求較高。目前的造紙法煙草薄片磨片主要借鑒造紙用磨漿磨片，并沒有直接針對煙草漿料的專用磨片，這阻礙了漿料品質(zhì)的可控性提升及煙葉品質(zhì)的改善。本研究通過對造紙法煙草薄片原料進(jìn)行分析，結(jié)合煙草漿料磨漿工藝介紹了3 種煙草薄片磨漿專用磨片，通過對已有煙草漿料磨漿磨片的初步分析，提出了煙草薄片專用磨片設(shè)計(jì)的一般要求，對煙草薄片磨漿專用磨片設(shè)計(jì)與選型具有一定的指導(dǎo)意義。

1 煙草薄片原料特征

1.1 煙梗

煙梗是煙葉的粗硬葉脈，占葉種的25%～30%，已經(jīng)成為煙草薄片原料的主要組成部分[5]。煙梗漿纖維具有典型的草類原料特征，纖維短、寬度大，呈非纖維狀，細(xì)小纖維組分含量較多，胞腔比大，易于細(xì)纖維化，圖1 為煙梗漿顯微鏡圖片。從圖1 可以看出，煙梗漿多以纖維束的狀態(tài)存在，表面圓潤光滑且成帶狀，薄壁細(xì)胞與導(dǎo)管細(xì)胞比較完整，漿料中雜碎細(xì)胞較少。因此，在對煙梗的磨漿過程中先對其解纖后再進(jìn)行下一步處理，單一的磨漿過程難以最優(yōu)改善煙梗性能，需要進(jìn)行解纖磨漿及性能改善兩大磨漿過程。

圖1 煙梗漿顯微鏡圖片（×40）[6]Fig.1 Microscope picture of tobacco stem pulp

1.2 煙末

煙末比煙梗含有的纖維更少，煙末漿纖維粗短，細(xì)胞壁薄，胞腔徑大，經(jīng)過輕微打漿后纖維表面形成碎片，其顯微結(jié)構(gòu)如圖2 所示。從圖2 可以看出，煙末漿中幾乎沒有纖維，主要由碎末、表皮細(xì)胞等組成，細(xì)小纖維組分含量高，易于填充在纖維網(wǎng)絡(luò)間隙，不利于提高煙草薄片的松厚度。考慮到煙末本身的結(jié)構(gòu)及物理性能，煙末僅需要低強(qiáng)度磨漿以實(shí)現(xiàn)其均勻化并與煙末較好混合，并不需要過多的切斷。

圖2 煙末漿顯微鏡圖片（×40）[6]Fig.2 Microscope picture of tobacco dust pulp

1.3 梗末混合漿料

煙梗和煙末混合漿在煙草薄片過程中可分為兩類：未解纖煙梗與煙末混合漿料、解纖煙梗與煙末混合漿料。兩類混合漿料的性能具有明顯的區(qū)別，前者在磨漿過程需要兼顧煙梗解纖及性能改善，而后者主要是對煙梗纖維的性能進(jìn)行改善以保證其抄造及產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對于前者的磨漿過程較為復(fù)雜，而后者處理相對簡單。

2 煙草薄片磨漿工藝研究現(xiàn)狀

磨漿是對漿料性能改善的關(guān)鍵步驟，漿料質(zhì)量是能否有效利用原料纖維和提高抄造產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提。目前，國內(nèi)煙草薄片的磨漿過程主要采用梗末分開磨漿和梗末混合磨漿兩種磨漿工藝。

2.1 梗末混合磨漿

梗末混合磨漿是將未解纖的煙梗與煙末按照一定比例混合后共同進(jìn)行磨漿。由于未解纖的煙梗及煙末具有截然不同的組分及性質(zhì)，既要進(jìn)行煙梗的解纖，也要進(jìn)行煙梗及煙末纖維性能的提升。磨漿過程相對較為復(fù)雜，通?？紤]以高濃及低濃組合形式或完全高濃進(jìn)行磨漿。目前，梗末混合磨漿主要有3類：多級高濃磨漿、多級高濃及低濃混合磨漿、多級低濃磨漿。

肖選虎等人[7]對不同濃度的梗末混合漿進(jìn)行四級高濃磨漿處理，使用高濃磨漿進(jìn)行煙梗解纖的同時(shí)改善梗末混合漿料的性能，磨漿工藝如圖3(a)所示，隨著漿料濃度的降低，漿料的打漿度上升，纖維濕重下降。郝明顯等人[8]和許江虹等人[9]在改進(jìn)磨漿工藝前對梗末混合漿依次進(jìn)行三級高濃磨漿和循環(huán)低濃磨漿，磨漿工藝如圖3(b)所示。研究表明，該磨漿工藝所得漿料分絲帚化效果差，內(nèi)部細(xì)纖維化不足，切斷和造碎較多，漿料質(zhì)量穩(wěn)定性控制較差。宋成劍等人[10]將梗末混合漿分別進(jìn)行高濃及低濃混合磨漿、多級低濃磨漿，其磨漿工藝如圖3(c)及圖3(d)所示，對比發(fā)現(xiàn)，前者和后者在漿料濕重上差別較明顯，多級低濃磨漿后纖維自身長度保留較好，由于纖維之間作用減少，與高濃及低濃混合磨漿相比，扭曲度、切斷率和柔軟度等指標(biāo)均明顯下降。

梗末混合磨漿工藝雖然流程相對簡單，設(shè)備少，在一定程度上降低了磨漿能耗，但其難以較好解決煙梗及煙末特性差異較大的問題，會導(dǎo)致磨漿質(zhì)量不均勻，在考慮煙梗解纖、性能改善的同時(shí)會導(dǎo)致煙末過度磨漿，松厚度降低，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。廖夏林等人[11]研究表明，煙梗漿和煙末漿不適合混合打漿，煙梗漿適合采取中度打漿，煙末漿由于細(xì)小纖維含量較高，只適用于低度打漿。因此，在煙草薄片磨漿過程中，應(yīng)充分考慮到煙梗、煙末的結(jié)構(gòu)特殊性，分別制定不同的磨漿工藝從而達(dá)到產(chǎn)品的質(zhì)量需求。

圖3 梗末混合磨漿工藝Fig.3 Mixed pulp refining process of tobacco stem and dust

2.2 梗末分開磨漿

根據(jù)煙梗、煙末具有的不同物理特性，為了保證煙草基片的質(zhì)量，梗末分開磨漿時(shí)需要針對煙梗及煙末纖維的特性及所需達(dá)到的指標(biāo)要求制定不同的磨漿工藝。

目前，梗末分開磨漿主要采用對煙梗、煙末分別進(jìn)行多級高濃磨漿后，再進(jìn)行多級低濃混合磨漿的磨漿工藝。郝明顯等人[8]提出要充分考慮煙梗、煙末不同原料磨漿適應(yīng)性，磨漿工藝應(yīng)由原來的梗末混合磨漿（圖3(b)）改為梗末分開磨漿，如圖4(a)所示，技術(shù)改造后的磨漿工藝使煙梗和煙末分別進(jìn)行四級高濃磨漿后混合再進(jìn)行循環(huán)低濃磨漿。研究表明，采用此磨漿工藝后所磨漿料纖維平均長度較長，切斷較小，細(xì)小纖維流失少，產(chǎn)品得率提高且抗張強(qiáng)度指標(biāo)顯著增加。許江虹等人[9]和吳銳等人[12]對圖3(b)的磨漿工藝進(jìn)行改進(jìn)提出一種柔性制漿技術(shù)，其流程與圖4(a)類似，但對煙末進(jìn)行三級高濃磨漿，梗末分別處理后混合進(jìn)行三級低濃磨漿。與原有工藝相比，此工藝實(shí)現(xiàn)了對原料的精細(xì)化加工和加工過程的可調(diào)可控，磨后漿料纖維更均勻，漿料品質(zhì)得到提升。殷艷飛等人[13]在研究煙草薄片抗張指數(shù)和耐破指數(shù)時(shí)，也采用了梗末分開磨漿的工藝流程。朱小林等人[14]提出了一種煙草薄片的漿料制備方法，其對煙梗高濃解纖后與煙末混合，并對混合后漿料進(jìn)行二級低濃磨漿，如圖4(b)所示。萬洪安[15]利用煙梗采用機(jī)械法制漿生產(chǎn)煙草薄片基片時(shí)，采用與圖4(b)類似的磨漿工藝，但未表明磨漿的段數(shù)。

除以上全流程磨漿工藝外，部分學(xué)者對煙梗、煙末的單獨(dú)磨漿工藝進(jìn)行了研究。關(guān)于煙梗的處理，周紅光等人[16]采用二次高濃磨漿的工藝流程對煙梗進(jìn)行連續(xù)處理，該工藝流程具有工藝線路短，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。朱紅琴等人[17]對煙梗漿進(jìn)行低濃打漿，發(fā)現(xiàn)其打漿度的提高主要是由于長纖維束被切斷，而不是纖維的分絲帚化，因此煙梗漿更適合在高濃下進(jìn)行解纖，在解纖過程中要使煙梗漿中的纖維充分分絲帚化，同時(shí)避免過度切斷。而關(guān)于煙末的處理，并無學(xué)者直接對其磨漿工藝進(jìn)行研究，但煙末漿中纖維含量較少，碎片含量較多，磨漿過程中容易產(chǎn)生較多的細(xì)小組分影響抄造過程，降低抄造成基片的松厚度[18]。羅沖等人[19]在煙梗漿中添加60～80 目的煙末抄造煙草薄片基片，發(fā)現(xiàn)其松厚度和柔軟性均得到了改善，其疏松的結(jié)構(gòu)有利于煙絲充分燃燒，達(dá)到降低有害物質(zhì)的目的。戴路等人[20]對煙末進(jìn)行單獨(dú)磨漿，發(fā)現(xiàn)打漿度隨著磨漿轉(zhuǎn)速的提高而提高，且基片抗張強(qiáng)度呈升高趨勢，厚度、松厚度及透氣度等均下降。廖夏林等人[11]對煙末進(jìn)行磨漿，提出由于煙末漿細(xì)小組分較多，適宜低度打漿。

綜上分析，與梗末混合磨漿相比，梗末分開磨漿具有漿料質(zhì)量均勻、磨漿質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備較多，投入較大，且能耗相對較大，需要合理控制并進(jìn)行能效分析，方能達(dá)到效益最大化。

圖4 梗末分開磨漿工藝Fig.4 Separated pulp refining process of tobacco stem and dust

3 煙草薄片磨漿專用磨片

磨片作為盤磨機(jī)的核心作用部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響磨后漿料的質(zhì)量及磨漿效率。目前，關(guān)于煙草薄片磨漿專用磨片的研究較少，且煙草薄片磨漿表征基本沿襲造紙工業(yè)的相關(guān)指標(biāo)，對于煙梗及煙末的磨漿機(jī)理研究較少。綜合研究煙草薄片磨漿工藝及現(xiàn)有煙草薄片磨漿用磨片，煙草薄片磨漿專用磨片可大致分為煙梗磨漿高濃磨片、梗末混合初級磨漿高濃磨片、梗末混合次級磨漿低濃磨片、煙末磨漿高濃磨片等4類。

3.1 煙梗磨漿高濃磨片

煙梗磨漿高濃磨片可適用于煙梗單獨(dú)解纖磨漿的高濃磨漿過程，以及梗末分開磨漿的煙梗磨漿部分的高濃磨漿過程。煙梗的解纖及性能改善是煙草薄片磨漿的重要步驟，因此，煙梗磨漿高濃磨片需要起到完全解纖及性能初步改善的作用。

在所有煙草薄片磨漿專用磨片的研究中，對于煙梗磨漿高濃磨片的研究較多。高大磊[21]對比了傳統(tǒng)直齒解纖磨片類似熱分散磨盤結(jié)構(gòu)的新型解纖專用磨片（圖5）的磨漿特性，在25%的濃度下進(jìn)行高濃磨漿實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同的磨片間隙下，新型磨片能夠有效降低纖維長度、提升漿料的打漿度，具有明顯的解纖及纖維性能改善作用。趙亞奇等人[4]針對原有扇形分區(qū)直通齒磨片存在的煙梗解纖質(zhì)量不均勻的問題，設(shè)計(jì)了一種扇形分區(qū)尖齒撕裂型磨片，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，專用磨片的開發(fā)及設(shè)計(jì)使得煙梗纖維得到較好的粗解纖，磨漿效果優(yōu)于原有磨片。

圖5 新型解纖專用磨片結(jié)構(gòu)Fig.5 New fiber separation refining plate structure

圖6 高濃磨漿專用磨片F(xiàn)ig.6 High consistency specialized refining plate

相同條件下，磨片的磨漿特性是由其齒型結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。通過以上分析，兩個(gè)新型磨片均是對直通齒磨片進(jìn)行的改進(jìn)。高大磊[21]研究的新型解纖磨片采用徑向凹凸齒型，利用漿料在磨區(qū)“跳動”的運(yùn)動軌跡，對漿料進(jìn)行揉搓分絲，磨漿效率及質(zhì)量較高；在原有徑向溝槽的基礎(chǔ)上增加了環(huán)向溝槽，加強(qiáng)了漿料與磨齒的相互作用，同時(shí)增加環(huán)向磨齒的解纖作用，豐富了磨齒與漿料之間作用的形式。破碎區(qū)、預(yù)解纖區(qū)和解纖區(qū)的布置，使得煙梗纖維逐步完成解纖及纖維性能改善作用。而趙亞奇等人[4]通過尖磨齒、擋漿環(huán)及互鎖狀磨齒的設(shè)計(jì)，改善了漿料在磨區(qū)的運(yùn)動軌跡，增加了磨齒與纖維、纖維間的相互作用，提升了磨漿的均勻性及分絲帚化作用。因此，在設(shè)計(jì)煙梗制漿高濃磨片時(shí)，應(yīng)提升磨齒與纖維及纖維間的作用頻率，改善纖維的分絲帚化作用。

圖7 梗末混合次級磨漿低濃磨片F(xiàn)ig.7 Secondary low consistency refining plate for the mixed pulp refining process

3.2 梗末混合初級磨漿高濃磨片

梗末混合初級磨漿高濃磨片是梗末混合磨漿工藝中用于煙梗解纖及梗末混合漿料性能改善的專用磨片。其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足對煙梗的充分解纖及避免對碎煙葉的過度磨解，避免煙草薄片孔隙率較小、松厚度太小。李偉等人[22]為了解決纖維均勻性差及造碎率高的問題，設(shè)計(jì)了一種高濃磨漿專用磨片，如圖6所示。整個(gè)磨區(qū)磨齒為直齒型，漿料進(jìn)入破碎區(qū)后在第一破碎刀以及第二破碎刀的作用下將煙梗離解為單根纖維，在精磨區(qū)磨齒的作用下將纖維進(jìn)一步離解和細(xì)纖維化，減少了對纖維的切斷并且提高了其分絲帚化效果。

3.3 梗末混合次級磨漿低濃磨片

梗末混合次級磨漿低濃磨片是用于梗末混合磨漿工藝中低濃次級處理過程，以及梗末分開磨漿工藝中單獨(dú)處理后再混合處理的低濃磨漿專用磨片。其主要作用是用于處理后煙梗及煙末的混合、梗末混合漿料性能的再次改善。

蔣小軍[23]在研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)造紙行業(yè)中應(yīng)用的磨片無法適應(yīng)特殊煙草物料，存在切斷強(qiáng)、細(xì)小纖維組分多等問題，嚴(yán)重影響煙草基片的物理性能和抄造穩(wěn)定性，其將傳統(tǒng)直齒型磨片（圖7(a)），優(yōu)化為新型弧形齒粗粒多元合金磨片（圖7(b)），新型弧形齒粗粒多元合金磨片在原磨片基礎(chǔ)上增加了齒寬，減少了磨齒數(shù)量，通過增大齒高提升了漿料的有效流通面積，弧形齒的設(shè)計(jì)有助于增加刀緣長度和齒表面積，以減弱纖維的橫向切斷而保留纖維長度。研究發(fā)現(xiàn)，相同磨漿條件下，新型磨片的制漿穩(wěn)定性、纖維平均長度及基片松厚度分別提高42%、12%、7.3%，磨漿能耗降低20%；李偉等人[24]設(shè)計(jì)了一種煙草薄片低濃磨漿專用磨片，如圖7(c)所示，其齒寬與槽寬相等。朱小林等人[25]設(shè)計(jì)了一種梗末混合次級磨漿低濃磨片，如圖7(d)及圖(e)所示。圖7(d)為梗末混合次級磨漿一段低濃磨漿磨片，其疏解區(qū)采用互鎖狀磨齒設(shè)計(jì)，使?jié){料質(zhì)量更加均勻且提升了細(xì)纖維化效果，粗磨區(qū)及精磨區(qū)溝槽寬度沿徑向逐漸變大，則槽內(nèi)壓力由內(nèi)向外逐漸變?。粓D7(e)是為了解決過度磨漿問題而設(shè)計(jì)的二段低濃磨漿磨片，磨齒分布密度沿徑向逐漸增大，齒寬逐漸減小，起到了對漿料的選擇作用，可有效避免短纖維的過度磨漿作用，且預(yù)打漿區(qū)和打漿區(qū)均采用弧形齒，齒表面比較大，減小對纖維的橫向切斷作用而保留細(xì)纖長度，二段磨盤的設(shè)計(jì)能夠降低5oSR以上的打漿度，并可降低磨漿能耗。

在梗末混合次級磨漿低濃磨片的設(shè)計(jì)中，多位學(xué)者引入弧形齒，關(guān)于其與直齒磨片磨漿質(zhì)量差異性的根源還需要通過對直齒及弧形齒進(jìn)行定量理論研究，進(jìn)一步探討增大齒寬及直齒弧形化的主導(dǎo)作用。梗末混合次級磨漿低濃磨片應(yīng)盡可能增加齒寬從而減小切斷作用，增加漿料在磨區(qū)的停留時(shí)間，粗磨區(qū)和精磨區(qū)設(shè)計(jì)不同的齒型結(jié)構(gòu)，粗磨區(qū)主要以剝離纖維為主，精磨區(qū)再對纖維進(jìn)行分絲帚化。磨齒的材料選擇也應(yīng)滿足降低切斷作用的要求，采用摩擦作用強(qiáng)的材料。

3.4 煙末磨漿高濃磨片

煙末磨漿高濃磨片是用于煙末單獨(dú)處理的專用磨片，主要是對煙末進(jìn)行輕度揉搓，避免過多的切斷，對其均勻化處理。煙末的磨漿特性決定了其對磨漿用磨片有特殊的要求，但是行業(yè)中多數(shù)是對煙末磨漿工藝的研究，幾乎沒有對煙末專用磨漿磨片的研究。煙末磨漿高濃磨片應(yīng)運(yùn)用低強(qiáng)度的磨片在相對較大的間隙下進(jìn)行磨漿，對其磨片及形態(tài)變化微觀機(jī)制還需要深入研究。

4 研究趨勢

4.1 新型高效節(jié)能煙草薄片磨漿工藝的研究

煙草薄片磨漿工藝在整個(gè)磨漿過程中起著至關(guān)重要的作用，前人在煙草薄片磨漿工藝優(yōu)化方面研究較多，但是未與磨漿專用磨片的設(shè)計(jì)與選型很好地結(jié)合，優(yōu)化的磨漿工藝匹配相應(yīng)的專用磨片能使磨后漿料性質(zhì)達(dá)到更優(yōu)，今后的研究中應(yīng)將兩者結(jié)合，在研究新型高效節(jié)能煙草薄片磨漿工藝的同時(shí)設(shè)計(jì)相匹配的磨片。

4.2 梗末混合磨漿高濃、低濃磨片的研究與開發(fā)

梗末混合磨漿專用磨片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮磨漿過程中為達(dá)到煙梗磨漿效果而使煙末過度磨漿以及為達(dá)到煙末磨漿效果而煙梗磨漿不到位的問題。梗末混合磨漿高濃磨片的設(shè)計(jì)應(yīng)避免煙梗磨漿效果不理想，磨漿不到位的情況；梗末混合磨漿低濃磨片設(shè)計(jì)應(yīng)避免對纖維過度切斷，同時(shí)要保證纖維分絲帚化效果良好，不影響后續(xù)抄造過程。

4.3 煙梗專用高濃磨片的研究與開發(fā)

煙梗適合中度磨漿，應(yīng)避免出現(xiàn)過度磨漿。在設(shè)計(jì)煙梗磨漿專用磨片時(shí)要改變齒型、磨齒傾角以及溝齒寬比等參數(shù)，著重解決磨漿過程中纖維切斷嚴(yán)重、分絲帚化效果差的問題。齒型應(yīng)采用弧形齒代替直齒，避免過度切斷，檔壩的設(shè)計(jì)可以增加磨齒與纖維、纖維與纖維之間的相互作用時(shí)間，有利于分絲帚化。

4.4 煙末磨漿的適應(yīng)性研究及高濃磨漿專用磨片的開發(fā)

根據(jù)煙末特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，其適合輕度磨漿，煙末磨漿專用磨片應(yīng)設(shè)計(jì)為高濃磨漿專用磨片，控制磨后煙末漿料中細(xì)小組分的數(shù)量，避免在磨漿中出現(xiàn)大量細(xì)小組分而影響后續(xù)抄造過程。

5 結(jié) 語

煙草薄片磨漿專用磨片的研究與設(shè)計(jì)，對煙草薄片品質(zhì)的進(jìn)一步提升起著至關(guān)重要的作用。本研究通過對煙草薄片原料結(jié)構(gòu)特性以及磨漿工藝過程的分析，綜述現(xiàn)有造紙法煙草薄片磨漿用磨片的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對煙草薄片磨漿專用磨片的設(shè)計(jì)提出一般要求，對今后煙草薄片磨漿專用磨片的設(shè)計(jì)與選型具有積極意義。