非木材纤维在卷烟工业用纸中的应用

李桂珍 龚安达 刘润昌 张国强

(1.福建中烟工业公司技术中心，福建厦门，361022;2.云南瑞升烟草技术 (集团)有限公司，云南昆明，650106)

非木材纤维在卷烟工业用纸中的应用

李桂珍1龚安达1刘润昌2张国强1

(1.福建中烟工业公司技术中心，福建厦门，361022;2.云南瑞升烟草技术 (集团)有限公司，云南昆明，650106)

详细讨论了近年来国内外麻类纤维和烟草纤维制浆研究现状及其在卷烟工业用纸中的应用，并指出未来的重点开发方向以及实现工业化存在的问题。

麻类纤维;制浆;卷烟辅料

长期以来，麻类纤维和烟草纤维原料在非木材纤维制浆中占据着非常重要的地位。麻类纤维包括大麻、剑麻、红麻、亚麻、黄麻、马尼拉麻等;烟草纤维包括烟秆纤维、烟梗纤维和烟叶纤维。作为优良的纤维原料，麻类作物的韧皮纤维一直备受重视，一方面其在性能上能很好地取代针叶木长纤维，另一方面，其本身又具有很多木材纤维所不能比拟的优势，如表面多孔性、纤维柔软度高等。

在卷烟工业中，烟丝之外的辅材，无论“三纸一棒”(即卷烟纸、接装纸、成型纸、烟用滤棒)还是包装材料，均受到越来越多的重视。麻类纤维和烟草纤维越来越多地被用于研究和开发具备特殊功能的卷烟辅料中。本文中笔者着重讨论麻类纤维和烟草纤维的制浆性能研究现状及其在卷烟工业中的应用。

1 制浆性能

1.1 大麻

大麻 (Cannabis sativa L.)是大麻科、大麻属的唯一种类，茎秆由韧皮部、木质部和髓部组成，韧皮部约占25%，木质部约占70%。大麻原料各部分的性质很不均一，韧皮部纤维细长、强韧;木质部纤维则较短，长度与阔叶木纤维接近。大麻作为造纸原料，由于韧皮纤维和芯秆纤维完全不同，在工业应用上存在一定的困难，如在成本较低下分离二者、收割后的存储、农业种植、原料稳定性等［1］。Ranalli等［2］认为应该发展更具特色的大麻作物，深入了解大麻生长规律，控制其新陈代谢。

从纤维角度看，大麻纤维是优良的造纸原料，但也因韧皮纤维和芯秆纤维的巨大差异，将两者分离很有必要，同时也带来了一些工业问题。因此，很多学者不仅研究韧皮纤维和芯秆纤维各自的制浆性能，还研究两者混合时的制浆性能。

作为阔叶木化学浆的增强纤维，大麻纤维可以提高纸张的撕裂指数和松厚度［3］。在APMP制浆研究中［4］，大麻全秆制取APMP浆不能有效地发挥大麻韧皮部长纤维的作用;大麻芯秆APMP浆配入20%针叶木漂白硫酸盐浆，所得纸张白度、不透明度和物理强度均可达到优质新闻纸的标准;用大麻韧皮纤维制取的半漂硫酸盐浆，配比1∶(2～3)的大麻芯秆APMP浆，亦可获得优质新闻纸。针对大麻生产高质量浆料时遇到树脂沉积的问题，Gutiérrez等［5］用丙酮提取树脂，分别采用GC和GC/MS，热裂解-GC/MS分析了溶出物以及不溶物，认为在生产过程中，由于消泡剂和多价离子的不适当应用引起了大麻抽提物的沉积，导致了树脂障碍。

在大麻芯秆硫酸盐浆的漂白研究中，褚媛媛等［6］采用两段中浓氧脱木素工艺脱除了蒸煮残余木素的57.6%，漂后浆白度达60.1%，并有效减少了后续漂白段化学药品的用量。齐红等［7］研究了大麻全秆浆的氧漂性能，比较了氧脱木素、氧强化过氧化氢漂白以及过氧化氢强化氧脱木素的漂白效果，研究结果表明氧强化过氧化氢漂白效果最好。

Khristova等［8］以法国大麻浆为原料，进行TCF多段漂白，研究了四乙酰乙二胺 (TAED)、浆料超声波预处理对浆料白度的影响，以及温度、时间、化学药品量、TAED与过氧化氢的比例、碱度等因素对高白度、高黏度浆的影响。在低温或者低碱度情形下，TAED有利于活化过氧化氢，超声预处理4 min能使浆料白度提高3%～4%，并有利于木素的进一步脱除。

1.2 红麻

红麻属锦葵科木槿属，俗称洋麻、槿麻、葵麻等，是一种重要的可再生植物纤维资源及较优良的非木材造纸纤维原料。通常红麻全秆高约3～5 m，直径1～4 cm，由韧皮部和木质芯秆两个部分组成。红麻芯秆纤维短而粗，平均长0.51 mm;韧皮纤维长而细，平均长2.34 mm;红麻全秆的纤维平均长度为1.22 mm，接近于针叶木纤维。从红麻原料的结构、木素含量、半纤维素组成与含量及与现有新型制浆工艺的衔接等方面看，红麻是一种比较理想的生物制浆研发材料［9］。

红麻作为造纸原料，对其全秆的研究比较多。徐俊等［10］的研究结果表明，红麻全秆硫酸盐法制浆较佳的工艺条件为:用碱量18%(以Na2O计)，硫化度25%，温度165℃，保温时间2 h，可在常规的草类制浆生产线上正常生产，得率为45%，卡伯值为22。在红麻APMP制浆的研究中，杨汝男等［11］探索了红麻全秆 (取自黑龙江大庆地区)的制浆性能，并优化了APMP制浆工艺条件。实验结果表明，红麻全秆制APMP浆是可行的，浆料经漂白后能满足一般文化用纸的要求。Villar等［12］利用红麻全秆原料进行硫酸盐法制浆，分析了韧皮浆和芯秆浆在造纸应用上的优缺点及互补性。红麻韧皮浆质量高，但却大大降低了红麻作物的利用率，芯秆浆各方面的性质较差，但在抗张指数、耐破指数上却优于韧皮浆。与韧皮浆相比，红麻混合浆具有更好的结合性能，但芯秆纤维比例太高会造成浆料滤水困难，成纸的撕裂强度较低，透气度较差。综合各方面的因素认为，在混合浆中添加34%的红麻芯秆纤维较为理想。

还有一些学者分别研究了红麻韧皮和芯秆的制浆性能。韧皮和芯秆的制浆性能完全不同，因其化学组成差异较大，如热水抽出物含量、木素含量及结构、半纤维含量等［13］。对韧皮的研究中，Keshk等［14］用草酸铵、氢氧化钠以及亚氯酸盐处理红麻韧皮，通过检测所得浆料的纤维素、半纤维、木素、黏度、聚合度以及结晶指数，讨论了各种不同处理顺序对浆料的影响。类似文献中，日本学者［15］讨论了高黏度红麻韧皮浆的制备方法，用草酸铵、氢氧化钠及次氯酸钠，以不同的处理顺序，在不同条件下处理红麻韧皮，具体情况如表1所示。

表1 高黏度红麻韧皮浆的制备方法

通过检测发现，B号浆的平均纤维长度最长，而A号浆黏度较高，成纸物理性能较好。较之商品红麻韧皮浆及木浆，上述3种浆的黏度和强度性能均较好。Guang等还进一步研究了上述3种高黏度红麻韧皮纤维浆的物理结构特性［16］。

Khristova等［17］采用苏打-蒽醌法 (Soda-AQ)、碱性亚硫酸盐-蒽醌法 (AS-AQ)、以及红麻碱性亚硫酸盐蒽醌甲醇法 (ASAM)对红麻芯秆、韧皮以及全秆进行了蒸煮。根据对浆料得率、黏度、白度、物理强度等方面的比较，认为AS-AQ较之Soda-AQ更适用于蒸煮红麻全秆和韧皮，而ASAM则对木素的脱除更具选择性，同时浆料得率较高、卡伯值较低、黏度、白度、强度较高。与红麻纯韧皮纤维浆相比，红麻混合浆中含70%的芯秆纤维时，所得浆料的物理强度和光学性能较佳，这与Villar等［12］的结论相似。

原料的评价方面，Mazumder等［18］采用了较为新颖的研究方法。对生长时间分别为76天、116天、152天、185天以及226天的红麻韧皮纤维先进行热裂解，然后对裂解产物进行气相色谱分析，发现红麻韧皮纤维的木素含量到生长期152天后才不再增加。随着成熟度的增加，紫丁香基裂解产物增加，愈疮木基裂解产物减少，两者的比例从1.86增加到3.16。定量裂解分析表明，生长5个月时的红麻是一种较易脱除木素的原料。这给其他原料的评价提供了借鉴参考的依据。

1.3 亚麻、剑麻、马尼拉麻

亚麻是纯天然纤维，具有吸汗、透气性良好、对人体无害等特点，同时也是油料作物。鉴于以上特点，亚麻在纺织工业中的开发应用研究较多，而在造纸工业中，仅在某些特种纸的应用中有研究，如卷烟纸。剑麻属于龙舌兰属，多年生叶纤维作物，是用量最大的硬质纤维，传统上主要用于制作各种绳索等。马尼拉麻也称蕉麻，属于芭蕉科，芭蕉属多年生草本植物，属硬质纤维，主要用于制作绳索、麻布、包装袋等。作为重要的天然纤维，对以上各种麻类纤维进行深入研究，挖掘并扩大其利用价值，具有重要的意义。

剑麻的亲脂性抽出物含量较高，成分复杂，是制浆过程中的一个不利因素［19］。在碱性制浆中，剑麻木聚糖的侧链基本全部被脱除，乙酰基被水解，可有效提高浆料后续 TCF或ECF漂白性能［20］。Marques等［21］以亚麻、剑麻以及马尼拉麻为原料进行Soda-AQ制浆，并进行TCF和ECF漂白，采用气相色谱-质谱法分析了原料、未漂浆以及漂白浆中亲脂性抽出物的变化规律。这一分析很好地指导了制浆及漂白工艺参数的制订，有效地提高浆料质量和性能。曾靖山等［22］通过对剑麻纤维原料爆破法处理，继而进行烧碱法化学蒸煮，以研究剑麻纤维爆破-烧碱法的制浆性能。在低碱量、短时间的条件下，制得了高性能的剑麻化学浆，达到了高得率、高性能、高效率和低化学药品用量的制浆目的。

1.4 烟草纤维

烟草纤维包括从烟叶采收到卷烟制造整个过程中产生的烟梗、碎叶、碎末等，还包括烟叶采收后存留下的烟秆。在烟梗、碎叶、碎末等的利用中，目前普遍采用的合理、经济、高效益的方法是利用其生产再造烟叶，即烟草薄片。造纸法再造烟叶生产是一项颇为成熟的技术，因此对烟梗、碎叶等制浆性能研究已经较为深入。碎叶中基本不含纤维，烟梗中的纤维含量一般在5%左右，从烟草纤维构成的化学物质来看，木素含量较低，主要成分是糖类化合物，因此，一般不采用化学法制浆，直接进行磨浆处理。

但烟秆作为管控作物的废弃物，长期以来都是采用焚烧的方法来处理，不仅造成大气污染，还给土壤带来不利影响。烟秆纤维杂细胞含量较多，纤维较短，强度较低。Shirley等［23］探讨了烟秆的工业利用性能，采用蒸汽爆破法进行制浆，通过两段化学预处理，提高了浆料白度、得率以及强度性能，纤维长度分布较好。梁虎南等［24］通过正交实验探索了烟秆APMP浆的最佳工艺条件并探讨了磨浆盘磨间隙、烟秆除髓对浆料质量的影响，获得了性能较好的浆料。Shinya等［25］用酶对烟株进行转基因抑制，改变木素组成和结构，研究表明，处理过的烟秆的木素脱除效率、选择性更高，浆料得率较高，浆料的漂白性能更好，漂白化学品用量较低，对纸张的物理性能和光学性能没有负面影响。如果这一研究在提高烟秆制浆性能的同时，保持烟叶性能不受影响且稳定，甚至更佳，将具有非常重要的经济价值。

2 在卷烟辅料中的应用

2.1 卷烟纸

卷烟纸作为一种重要的卷烟辅料，约占烟支总质量的5%。卷烟纸直接参与烟支的燃烧，不仅影响烟支燃烧速率，还对卷烟感官抽吸质量、主流/测流烟气成分以及卷烟包灰效果具有重要的影响。

纤维是卷烟纸的主要组成部分，约占卷烟纸绝干质量的60%～70%。木浆纤维在燃烧过程中会释放一些对卷烟吸味产生负面影响的物质，产生类似木质气的杂气。麻类纤维在燃烧过程中产生的木质杂气较少，使卷烟更体现香气的本来特征。目前，无论是在国内还是国外，麻类纤维中的亚麻纤维、大麻纤维均较多地被应用于卷烟纸的生产中。有学者对不同原料的卷烟纸进行热裂解产物分析发现，针叶木浆、阔叶木浆的主要裂解产物为醛酮类化合物，在较高温度下，产生大量对卷烟吸味有贡献的呋喃类及酮类物质，但麻浆纤维热裂解的产物种类较少，不产生对卷烟吸味有负面作用的小分子有机酸等［26］。孙川等［27-29］用热失重、热裂解-气质联用等方法对麻浆卷烟纸进行了热裂解行为研究，分析得出了麻类纤维热裂解行为规律，所产生的有益及有害物质含量变化趋势，并探讨了产生这种变化的可能原因。

这些方法同样可以应用于研究其他纤维原料或添加物在卷烟纸中的作用，对卷烟辅料工业的发展具有重要的意义。例如，以上述方法为评价手段，对已有的烟草纤维作为纤维原料应用于卷烟纸中，生产出彩色卷烟纸并应用于中高端卷烟中，不仅对卷烟吸味有保持作用，还在外观、原料利用等方面具有创新意义。

2.2 成型纸及丝束

成型纸又称滤嘴棒纸，在卷烟滤嘴中包裹醋酸纤维丝束，分为普通型和高透型。高透成型纸在嘴棒成型机上使用时既需要具有较好的表面强度、不掉粉，又需要有足够的抗水性，对原料要求较高，与成纸纤维的平均长度、粗度、微纤丝角等有密切的关系。麻类纤维纤细的纤维形态，较大的微纤丝角等特征，使得以麻浆为原料的纸张具有较好的松厚度和透气度，这些特征较好地满足了高透成型纸的制造。在国外，已有较多的成型纸以剑麻纤维等为原料进行加工，生产出高质量滤棒成型纸。

滤嘴棒通过成型纸包裹丝束成型后，对烟气中的有害成分有物流截留和化学吸附等作用。丝束的主要成分是醋酸纤维素，是源于天然植物的纤维素通过醋化后溶解在丙酮中再进行纺丝制成的。目前，用于制造醋酸纤维素的原料主要是木浆和棉浆。来源于不同植物纤维原料的纤维素的化学反应性能以及制得的变性纤维素性能也有所不同，麻类纤维除了在制造卷烟纸时表现出其独特的性能外，在制造醋纤丝束时是否也会表现出其独特的性能，值得探讨。

2.3 烟用外包装材料

烟用外包装材料包括内衬纸、烟包卡纸以及条盒包装纸板等，在烟支的物理及化学保护、卷烟营销等过程中起到至关重要的作用。目前，使用的内衬纸通过铝箔复合，起保持烟支水分和香味成分不散失的作用，但成本较高且不利于环境保护。尝试用特殊纤维生产致密的内衬纸，不仅能起到保持烟支水分和香味的作用，还可避免使用铝箔，减少工序，节约成本。目前，市场上已有未经铝箔复合的烟用内衬纸。烟包卡纸作为高档包装纸，面层和里层一直用价格较高的针叶木和阔叶木漂白硫酸盐浆等进行抄造，尝试用其他非木材纤维进行部分替代，不失为一种节约成本，同时又较好保证质量的方法。

3 结语

无论是在卷烟辅料生产中，还是在其他纸和纸板生产中，麻类纤维和烟草纤维都将持续发挥巨大的作用。目前的研究，一方面拓展了原料的范围，即发掘新纤维原料，另一方面也对某种原料进行较为深入的开发。但同时也存在着很多无论是研究中还是实践中应该考虑的问题。

首先是清洁制浆技术的深入研究。草类原料的传统化学制浆本身存在较严重的污染问题，化学药品消耗量较大，利用率低，药品回收困难，木素等副产品利用困难。因此，新型环保、清洁制浆技术需要更进一步的开发，如蒸汽爆破法、有机溶剂法以及化学机械法制浆等。

其次，针对特殊卷烟辅料的开发。植物纤维属天然纤维，利用植物纤维本身的特性，研究开发特殊卷烟辅料，一方面发挥植物纤维本身的性能优势，另一方面需要针对各种辅料特定的要求进行专门的研究。如在卷烟纸开发研究中，通过制浆工艺和通过化学手段，来减少或消除一些对烟气有害的物质或成分等。

最后，工业应用时原料的保障。麻类纤维和烟草纤维，从纤维种类到生长区域，从生长期到气候条件，都将影响其纤维的化学组成及物理性能，这就大大影响了浆料以及后续半成品、成品的质量稳定性。尤其在要求严格的卷烟纸及卷烟辅料方面，如果不能有效地对原料进行保障，实现产业化则将任重道远。

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Application of Non-wood Fiber Materials in the Papers Used in Tobacco Industry

LI Gui-zhen1GONG An-da1LIU Run-chang2，*ZHANG Guo-qiang1
(1．China Tobacco Fujian Industrial Corporation，R＆D Center，Xiamen，Fujian Province，361022;2．Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan Province，650106)

The non-wood fiber materials will still play a very important role in the foreseeable future in the pulp and paper industry of China．Non-wood fibers are widely used in tobacco industry as raw materials of cigarette auxiliary parts，such as cigarette paper，plug wrapper，filter tow，inner backing paper and packet．This paper provides a summary of currently available knowledge in the area of pulping and paper making with non-wood fiber materials．This paper also discusses the potential application of non-wood fibers in tobacco industry，especially bastfibers，and also discusses the problems in its commercialization．

non-wood fiber;bast-fiber;pulping;auxiliary material of cigarette

TS721+.3

A

0254-508X(2011)05-0069-05

(*E-mail:liurunchang@reascend．com)

李桂珍女士，工程师;主要研究方向:烟用材料设计与研究。

2011-03-07(修改稿)

(责任编辑:陈丽卿)