细小纤维对造纸法烟草薄片基片物理性能的影响

王 亮 罗 冲 温洋兵 唐向兵 李 旺 胡惠仁

(1.湖北中烟技术研发中心重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室，湖北武汉，430040;2.河南卷烟工业烟草薄片有限公司，河南许昌，461100;3.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

目前，造纸法烟草薄片的生产工艺主要为两步法，即先将烟梗、烟末等烟草原料用一定温度的清水进行萃取，将溶解物与固相物质分离，固相部分使用磨浆设备制备成浆料，与木浆纤维、填料等一起采用造纸法抄造成基片，而分离后的萃取液经过浓缩、调配制成涂布液，利用表面施胶机或其他涂布装置回涂到基片的表面，经过干燥、分切制成造纸法烟草薄片［1-3］。

烟梗和烟末所制的烟草浆料，主要由杂细胞、表皮细胞等非纤维物质组成，纤维物质含量较少，成纸时结合强度低，无法满足抄纸要求。由于烟草薄片助剂安全性的要求较高，使得纸张增强剂等助剂的选择和应用受到了很大限制［4-5］。为了保证纸机稳定运行，传统造纸法烟草薄片生产工艺通过添加植物纤维来解决这些问题［6］，但是添加植物纤维在改善烟草薄片的物理强度、保证纸机稳定运行的同时，不可避免地会对其感官品质产生一定的负面影响，例如使产品木质气加重，刺激性变大，口感变差等［7-8］。

本实验在造纸法烟草薄片生产过程中添加木浆细小纤维，以考察不同长度的细小纤维对基片物理性能的影响规律。在达到产品强度要求、保证纸机稳定运行的前提下，降低木浆纤维用量，有利于解决烟草薄片木质气较重等问题，从而提高产品质量。

1 实验

1.1 实验原料

烟梗、烟末、漂白硫酸盐针叶木浆、轻质CaCO3(PCC)，均取自某生产车间。

1.2 主要仪器与设备

松厚度仪:SE051，Lorentzen＆Wettre公司，瑞典;抗张强度测定仪:SE062，Lorentzen＆Wettre公司，瑞典;纸张共振挺度测定仪:中国制浆造纸研究院;KRK高浓磨浆机:日本产;瓦利打浆机:陕西科技大学机械厂制造;快速纸页成形器:95854型，德国RRANK。动态滤水分析仪 (DDA)。

1.3 实验方法

1.3.1 烟草浆的制备

将烟草原料 (由一定比例的烟梗和烟末组成)在水温50℃的条件下萃取1 h，固液分离后，固相物质经高浓磨浆机磨至打浆度为 (25±2)°SR的烟草浆备用。

1.3.2 细小纤维的制备

木浆纤维中通过直径为75 μm的圆孔或者200目纤维筛分仪的颗粒被看作是细小纤维。与传统细小纤维定义不同，本实验利用瓦利打浆机对针叶木漂白硫酸盐浆进行强烈打浆处理，通过控制打浆时间，得到不同长度级别的纤维样品，平均长度分别为0.812、0.622、0.531、0.450、0.350 mm，实验中为了与外加木浆区别，将制备的不同平均长度的纤维样品定义为“细小纤维”。

1.3.3 烟草浆料滤水性能的测试

将烟草浆∶木浆∶PCC 质量比为70∶15∶15的烟草浆料配制成0.5%的浆浓，调整浆料温度为 (20±0.5)℃，取1000 mL浆料加入DDA滤水罐中，在转速800 r/min条件下搅拌110 s，期间依次加入不同长度的细小纤维、壳聚糖和膨润土，用量分别为绝干浆料的1.0%、0.1%、0.2%。搅拌停止后在260 kPa的真空条件下抽吸滤水60 s。计算机实时记录随着滤水时间变化真空度的变化情况，模拟纸机水线位置处真空度突变点，该突变点对应的时间即为DDA滤水时间。

1.3.4 基片的抄造

将制好的烟草浆、木浆纤维和PCC按照70∶15∶15的质量比混合，使用快速纸页成形器抄造成定量为60 g/m2的手抄片。

1.3.5 基片物理性能的测定

手抄片制备完成后，在温度 (23±1)℃、相对湿度为 (50±2)%的恒温恒湿条件下处理24 h，按相应国家标准检测定量、抗张强度、松厚度、柔软性能、粗糙度和透气度。

2 结果和讨论

2.1 细小纤维的性能分析

细小纤维性能分析见表1。

表1 细小纤维性能分析

在细小纤维制备过程中，随着打浆时间的延长，细小纤维平均长度逐渐降低，＜75 μm细小纤维的含量也逐渐增多。当打浆时间为2 h时，细小纤维平均长度为0.812 mm，＜75 μm细小纤维含量为17.8%;打浆时间为4.5 h时，细小纤维平均长度为0.350 mm，＜75 μm细小纤维含量为52.2%。通过实验发现:当细小纤维平均长度达到一定范围后，继续打浆时对木浆纤维机械处理的作用效果不再明显，只会增加打浆能耗。随着打浆时间的延长，纤维的平均宽度几乎保持不变;而纤维得到更好地分丝帚化，细小纤维的比表面积增大。

2.2 细小纤维长度对基片物理性能的影响

2.2.1 细小纤维长度对基片松厚度的影响

松厚度是评价造纸法烟草薄片基片品质的重要技术指标。烟草薄片的松厚度高，能够改善烟草薄片在卷烟时的填充性和卷烟燃烧时的燃烧性能，对降低卷烟烟气中CO等有害物质的含量有利［9］。

图1 不同长度的细小纤维对基片松厚度的影响

图1为不同长度的细小纤维对基片松厚度的影响。从图1可以明显看出，随着细小纤维平均长度的降低，基片的松厚度略有降低。当添加平均长度为0.350 mm的细小纤维时，基片的松厚度相对于添加0.812 mm细小纤维下降了3.3%。随着纤维平均长度逐渐降低，纤维表面得到更好的分丝帚化，纤维比表面积增大，纤维之间的结合能力增加，从而增加了基片的紧度，使得烟草薄片的松厚度有所降低。

2.2.2 细小纤维长度对基片抗张强度的影响

为了保证纸机运行稳定，基片必须具有一定的强度，然而过高的强度会使烟草薄片的柔软性等指标下降，同时影响后续加工。因此，在保证纸机稳定运行的前提下，要求其抗张强度≤1.00 kN/m(参照烟草行业标准YC/T 16.3—2003)。但现如今在造纸法烟草薄片生产过程中，基片的强度往往达不到理想要求。

不同长度的细小纤维对基片抗张强度的影响如图2所示。在相同细小纤维用量的条件下，随着细小纤维长度的降低，基片的抗张强度明显增加。添加平均长度分别为0.450 mm和0.622 mm的细小纤维时，基片抗张指数分别为9.96 N·m/g和9.14 N·m/g，相对于不添加细小纤维的空白样品 (7.21 N·m/g)分别提高了38%和27%，具有明显的增强效果。由于细小纤维影响抗张强度的因素主要是纤维之间的结合力，添加细小纤维时，细小纤维在纸张中的基本作用是填补纤维之间的间隙，随着细小纤维平均长度的减小，纤维得到了充分润胀和分丝帚化 (如图3所示)，纤维表面暴露出来的羟基数量增加，从而促进纤维间的氢键结合，使抗张强度得到提高［10］。综上所述，从增强角度来说，基片抄造时合适的细小纤维平均长度应该低于0.622 mm。

图2 不同长度的细小纤维对基片抗张指数的影响

2.2.3 细小纤维长度对基片共振挺度的影响

烟草薄片基片较好的柔软性能，有利于后续加工。本研究通过测定基片的共振挺度来表征基片的柔软性能，其共振挺度越高柔软性能越差。

图4为不同长度的细小纤维对基片共振挺度的影响。由图4可以看出，随着细小纤维平均长度的降低，基片共振挺度逐渐上升，即柔软性能变差。当细小纤维平均长度低于0.622 mm时，柔软性能受到较大影响。例如添加0.350 mm细小纤维时，基片的共振挺度为0.0506 mN·m，相对于添加0.812 mm细小纤维的共振挺度为0.0410 mN·m，柔软性能降低了23.4%。随着细小纤维平均长度的降低，纤维分丝帚化作用增加，基片成纸时纤维之间的结合增强，基片的柔软性能下降。

2.2.4 细小纤维长度对基片粗糙度和透气度的影响

对基片而言，较好的粗糙度在后续涂布工艺过程中有利于基片表面对涂布液的吸收，从而改善烟草薄片的感官品质。图5为添加不同长度的细小纤维对基片粗糙度的影响。从图5中可以看出，随着细小纤维长度的改变，基片表面粗糙度基本不发生变化。实验中细小纤维用量占烟草浆料的1.0%，所占比例较小，添加后主要填充于纤维之间的网络结构中，对基片表面的粗糙度影响很小。

良好的透气度可提高烟草薄片燃烧的充分性，从而有益于降低CO等有害气体的生成量。图6为添加不同长度的细小纤维对基片透气度的影响。从图6中可以看出，随着细小纤维长度的降低，基片的透气度逐渐降低。这是由于透气度主要有纤维网络中的孔隙产生的，实验所添加的细小纤维与烟草浆、木浆纤维相比，长度较小，在打浆过程中经切断、纵裂与细纤维化，纤维比表面积增加，并且逐渐润胀，使得成纸紧度提高，而纤维间孔隙减少，透气度也相应降低。因此，从透气度方面考虑，基片中所添加的细小纤维的平均长度为0.6 mm左右时效果较好。

2.2.5 细小纤维长度对烟草浆料滤水性能的影响

浆料的滤水速率不但关系到纸机运行的效率，同时也影响到基片成形的质量。图7为不同长度的细小纤维对烟草浆料滤水性能的影响。由图7可以看出，随着细小纤维平均长度的降低，滤水时间逐渐延长，滤水性能下降。未添加细小纤维时烟草浆料的滤水时间为9.82 s，当添加0.812 mm细小纤维时滤水时间为10.08 s，相对于空白实验延长了0.26 s;当添加0.350 mm细小纤维时，滤水时间为13.01 s，相对于空白实验延长了32.5%，滤水速率明显降低。细小纤维因其比表面积大且结晶程度低，比纤维更易吸水润胀，保水值高，能明显降低烟草浆料的滤水性能。

2.3 细小纤维用量对基片物理性能的影响

通过上述实验综合考虑，添加平均长度为0.622 mm的细小纤维对改善基片各项物理性能均能得到较好的效果，因此，以下实验选用平均长度为0.622的细小纤维。

2.3.1 细小纤维用量对基片松厚度和抗张强度的影响

图8为细小纤维用量对基片松厚度和抗张强度的影响。从图8可以看出，随着细小纤维用量的提高，基片松厚度降低的同时抗张强度逐渐提高。烟草原料磨浆后，其浆料主要由非纤维状的碎片组成，纤维含量非常少，表面分丝帚化、羟基含量少。与烟草浆粗大的导管相比，细小纤维粗度、宽度均较小，成纸时更易结合，所以随着细小纤维用量的增加，成纸紧度变大;添加细小纤维后，会促进纤维之间的氢键结合，从而提高基片的抗张强度，随着细小纤维用量的增加，形成的氢键结合越多，强度逐渐提高，当细小纤维用量超过1.5%时，抗张强度提高不再明显。

图8 细小纤维用量对基片松厚度和抗张强度的影响

2.3.2 细小纤维用量对基片粗糙度和透气度的影响

图9为细小纤维用量对基片粗糙度和透气度的影响。从图9中可以看出，随着细小纤维用量的改变基片表面粗糙度基本不发生变化，实验中细小纤维用量占烟草浆料的0～3%，所占比例较小。添加后主要填充于纤维之间的网络结构中，对基片表面的粗糙度几乎不会产生影响。从图9可以看出，透气度随着细小纤维用量的增加逐渐降低，这是由于更多的细小纤维会填充于纤维交织的网络中，使基片紧度提高，透气度降低。当细小纤维用量超过1.5%时，透气度降低过大，不利于烟草薄片的充分燃烧。

图9 细小纤维用量对基片粗糙度和透气度的影响

细小纤维用量对烟草浆料滤水性能的影响如图10所示。通过图10可以明显看出，随着细小纤维用量的增加，滤水时间逐渐延长，浆料滤水性能逐渐下降。当细小纤维用量超过1.5%时，滤水速率降低得更为明显，从烟草浆料滤水性能考虑，细小纤维用量不应高于1.5%。

图10 细小纤维用量对烟草浆料滤水性能的影响

3 结论

3.1 随着瓦利打机打浆时间的延长，纤维平均长度降低，当打浆时间超过4 h(纤维平均长度为0.350 mm，宽度为33.7 μm)后，纤维形态几乎不再发生变化。

3.2 随着细小纤维平均长度的降低，造纸法烟草薄片基片抗张强度明显得到提高的同时，松厚度和柔软性能逐渐降低，对浆料滤水性能也产生负面影响。综合考虑确定添加平均长度为0.622 mm的细小纤维较为合适。

3.3 当细小纤维用量超过1.5%时，造纸法烟草薄片基片的松厚度、透气度降低较大，浆料滤水性能也受到较大影响，最后确定细小纤维 (平均长度为0.622 mm)添加比例不应高于1.5%。

3.4 采用配比为15%的木浆纤维、添加用量1.5%的细小纤维 (平均长度为0.622 mm)抄造的造纸法烟草薄片基片，在得到较好的物理性能的同时，与传统工艺 (木浆配比20%)相比，木浆纤维用量降低了25%，从而减少了卷烟的木质气。

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