烟用纸张的应用研究进展

顾健龙，孟红明，马 静，杨 兵，王淑华，张庆刚，高 莉，王 浩

（1.云南省烟草质量监督检测站，云南昆明 650106；2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231）

烟用纸张的应用研究进展

顾健龙1，孟红明1，马 静1，杨 兵1，王淑华1，张庆刚1，高 莉2，王 浩2

（1.云南省烟草质量监督检测站，云南昆明 650106；2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231）

降本增效和减低危害是在卷烟研发中的两大主题。烟用纸张的应用研究是烟草企业降低成本与危害的有效途径。对烟用纸张应用的研究现状进行了介绍，分析了在应用中的优缺点，并对烟用纸张发展趋势进行了展望。

卷烟；烟用纸张；应用；研究现状

为适应行业快速发展和满足卷烟消费者需求，全国的烟草工业企业一直把烟用材料的研究作为提高卷烟品质、降低成本与危害的突破口[1]。烟用纸张是烟用材料中品类最多的一类，它包括卷烟纸、商标纸、烟用内衬纸、烟用接装纸、滤棒成形纸、卷烟条与盒印刷品等在内的多种纸张材料[2]。这些烟用纸张除了起到基础的对烟丝、卷烟包裹作用，其开发和应用水平直接影响到卷烟生产[3]、卷烟销售[4]、质量控制、竞争实力等各个方面。本文归纳总结了近年来烟用纸张应用方向和研究进展，并针对烟用纸张各种应用的现状和优缺点进行了讨论。

1 烟用纸张在提高上机适应性中的应用

由于卷烟生产技术水平的日益提高，卷包机生产也随之提速，产率从以前低于150包/min升到300～500包/min甚至更高[5]。烟用纸张需要有足够的物理强度才能适应高速卷包机对材料的要求。力学性能稳定、材料均匀的纸张可以减少成品卷包过程中诸如开包、封口处错位、卷烟纸断裂等上机运行故障[6]，对稳定和提高产品的质量至关重要。

1.1 纸张中强度添加剂的应用研究

为了提高上机适应性，要加强卷烟纸的物理强度，所以强度添加剂的加入在提升卷烟纸物理强度中起到关键作用。Cha等[7]研究了新型纳米纤维素晶体纸张添加剂对断裂指数和抗张指数两个重要力学指标的影响。这种羧基化的纳米纤维素晶体（CNCC）具有提升纸张内部纤维结合力潜在性能。在卷烟纸中少量的添加就可以有效地提升这两个力学性能，当CNCC的用量到达0.7%时，断裂指数和抗张指数分别到达最大值12.8 mN m2/g 和 100.7 N m/g，超过0.7%则力学性能呈减弱趋势。

1.2 纸张生产参数的应用研究

烟用纸张力学性能除了可以通过加入添加剂改善外，生产过程中优化工艺参数也是解决手段之一。汤德芳等[8]设定不同梯度工艺参数，对特殊型真空镀铝内衬纸上机包装适应性的印象进行分析，发现原纸定量为56g/m2，可减少折皱、折叠不到位现象；预压纹压力参数为4.41MPa时，可获得完整的压纹图案。真空镀铝内衬纸经改进后，设备包装速度从300包/min提高到390包/min，有效作业率从85%提升至95%，其上机包装适应性得到了有效提高。

1.3 纸张表面性能的应用研究

纸张材料的表面性能对上机适应性也有较大影响[9]。对于接装纸、卷烟条与盒包装纸这类经过印刷处理的纸张，表面性能与纸张印刷或涂布有关。溶剂型油墨印刷的接装纸接装适应性优于水溶性油墨印刷的接装纸，且在卷接成卷烟后，出现外观缺陷的卷烟比例明显低于水溶性油墨印刷的接装纸[10]。

纸张的上机适应性与卷烟生产息息相关，目前主要提高纸张上机适应性的手段是改善添加剂种类和用量、优化工艺流程参数以及研究印刷涂层对表面性能的影响。因为各类烟用纸张生产流程比较固定，妥当的使用这些手段就可以有效地改善上机适应性，具有思路明确，易于实施、易于推广的优点，在烟草企业和辅料企业被广泛应用。但许多研究没有更深层次的原因分析，且都是仅考虑一种应用对上机适应性的改善情况，少有探讨多种应用组合对上机适应性整体的改善效果，在烟用纸张整体工艺的提升上还有待提高。

2 烟用纸张在卷烟降焦减害中的应用

吸烟与健康的话题一直备受关注，卷烟抽吸过程中有害成分的释放与烟用纸张性质相关，是纸张应用研究的重中之重。合理设计接装纸、成形纸、卷烟纸是研究与开发低危害烟草制品最有效、最易实现的方法。

有害成分主要有焦油、烟碱、烟气七害、重金属等。烟气七害即CO，HCN，NNK，NH3，B[α]P，苯酚和巴豆醛这七种化学物质，是具有代表性的烟气有害成分[11]烟气冷凝物的细胞毒性有一定相关性[12]。烟气中重金属主要有砷、铅、铬、镉、镍等，这些元素能使蛋白质发生不可逆变形，丧失生理活性[13]，并具有一定致癌性[14]。

在烟用纸张材料的设计过程中，一些物理参数及添加剂[15]，如烟用纸张透气度、定量，助燃剂的类型等都会影响这些有害物质的含量[16-17]。

2.1 卷烟纸透气度在卷烟降焦减害中的应用研究

透气度是重要的纸张参数，随着卷烟纸透气度增加，大多数有害成分释放量及危害性指数呈下降趋势。普遍认为，透气度影响有害物质含量是因为“空气稀释”作用[18]，透气度增加使更多的空气进入卷烟稀释烟气达到减害目的。由于接装纸和卷烟纸透气度对不同重金属影响幅度不同[19]，可以推断透气度降焦减害是各种因素综合作用的结果。江威等[20]利用热电偶测温装置考察了不同透气度卷烟纸对烟纸燃烧温度的影响，发现随着卷烟纸透气度逐渐增大，烟纸高温区面积有增大趋势，燃烧线200～260℃温度区面积有减小的趋势，当透气度超过55CU，燃烧线后200～260℃温度区面积基本保持不变。有研究证明烟草在控温加热过程中，长链脂肪酸、芳香族化合物和烟碱大部分在200～260℃温度区释放[21]。这说明透气度应用在降焦减害至少有两个机制，一是通过稀释主流烟气降低有害物浓度，二是影响卷烟燃吸温度分布，改变主流烟气组成。可以推断，在卷烟纸透气度在55CU以下时，透气度影响燃烧锥温度分布是降低主流烟气有害物质的主因，超过55CU后，稀释作用渐渐成为主要因素。

2.2 接装纸成孔方式在卷烟降焦减害中的应用研究

不仅接装纸透气度对烟气有害成分的释放量有影响，接装纸的成孔方式选择也能达到降焦减害目的。刘建福等[22]考察了静电打孔、激光打孔和自然透气三种成孔方式接装纸对主流烟气中焦油、七害成分及危害性指数的影响，发现透气接装纸具有较低的滤嘴通风率，在降焦减害中表现良好。这可能是由于自然透气接装纸表面布满由纤维交叉形成的微孔，相比打孔接装纸只在打孔处可以通风，自然透气接装纸实际通风面积更大，通过自然透气接装纸的空气流速小于打孔接装纸，空气横向进入滤嘴较浅，通风截面较小，形成的滤嘴有效过滤面积较大，从而效果更好。

微孔结构的纸张材料在降焦减害中表现更好，Eitzinger等[23]更加深入地研究了纸张材料自然微孔隙的分布与透气度、扩散性之间的关系。天然多孔卷烟纸表面孔径大小分布（主要影响抽吸和燃烧时气体交换）对其渗透性和扩散性的影响，孔径尺寸分布采用水银孔隙度计测量处理前和经230℃烤30min的卷烟纸。结果表明：孔径体积和扩散渗透性的线性相关达到0.9，大体积孔径（2～10 μm）与透气度的改变有关，小孔径（1 μm范围）与扩散能力有关。与之相类似的研究揭示了孔径分布对主流烟气中一氧化碳的影响：Luo等[24]研究卷烟纸燃烧时表面微孔结构（分布）对降低主流烟气中CO的影响。发现相同质量、相同透气度的卷烟纸，随着孔径在0.1～8.0μm的数量增多，主流烟气中CO的含量减少。进一步进行电镜观察与孔径分布分析，如图1所示，a、b分别为两种相同透气度卷烟纸电镜图，a的孔径分布平均直径在1.096μm，b为0.848μm，b样品主流烟气中CO含量更低。结合这两篇文献可以推测，单位面积孔径越多，面积越小，越有利于降低CO，而孔径小于1 μm主要影响扩散性能，样品b降焦减害能力更强是因为扩散性能得以提高。可见在卷烟纸设计过程中，不能忽略扩散性能的影响。

图1 卷烟纸a、b孔径分布电镜图

2.3 烟用纸张添加剂在卷烟降焦减害中的应用研究

烟用纸张添加剂碳酸钙的使用不但可以增强纸张的物理性能，还可以减少一氧化碳的释放[25]。这种方式可以在不改变纸张透气度的前提下降低有害成分释放量。通过优化碳酸钙添加剂微粒形状，可以进一步降低一氧化碳的释放，这可能和改变了纤维结构，增加了纸张的扩散性能有关。

烟用纸张在降焦减害方面的应用可以概括为两个主要方向，一个是改善烟用纸张的气体交换性能（透气度与扩散性），一个是改善卷烟燃烧条件，两者交叉互补。借助电子显微镜、热电偶测温仪等装置分析，产生降焦减害效果的原因越来越明确，伴随着通过改变纸张性质的方法也越发多样。单纯增加透气度的方法存在弊端，在降低有害成分的同时可能会影响烟气中的香气成分含量和水分含量，卷烟烟气感官质量下降，对卷烟品质造成不利影响[26]。现阶段对气体扩散作用的研究尚且不够深入，如何发挥气体扩散性在降焦减害中的作用，进而在合理透气度范围内选择性降低有害成分释放量应该是进一步思考的问题[27]。

3 烟用纸张在提升卷烟美观度和防伪能力中的应用

3.1 烟用纸张在提升美观度中的应用

烟用纸张材料是卷烟产品主要的外在形象体现，主要有两个方面的应用：一方面精美的条盒包装纸往往可以吸引消费者的注意，对购买决策产生重要影响。所以烟草企业都在着力设计具有特色、符合潮流的精美包装外观[28]，凹印、柔性版印刷、UV印刷、全息烫印等技术都在烟用纸张印刷中使用过。不仅是烟用包装外观，卷烟烟支的接装纸颜色和卷烟纸白度同样会影响销量[4]。

3.2 烟用纸张在提升防伪能力中的应用

卷烟包装外观是烟草质检人员判别产品真伪的重要标志之一[29]，拥有高超防伪技术的包装材料可以增加制假难度、打击假冒伪劣产品。卷烟和纸张生产企业从改善纸张材料[30-31]、寻找独特油墨[32]、甚至开发烟盒数字化防伪二维码[33]等手段研究新型的防伪方法，以期望通过外观特性达到防伪目的。这说明，烟用纸张外观设计也是烟草企业应用和关注的重点方向之一，它反映了产品的竞争力。

为改善包装外观，提升防伪能力，烟用包装纸印刷工艺越来越复杂，现在多采用两三种印刷技术组合实现设计要求。印刷工艺的复杂化也使卷烟包装材料中有害物质的含量和种类增加，形成了潜在的安全隐患[34]。烟用纸张自身有害物质的控制是行业关注的热点，成为评价烟用纸张质量的卫生安全性指标，是评价烟用纸张产品是否合格的关键所在。

4 烟用纸张的应用展望

新型绿色环保纸张材料已经开始逐步应用于烟草企业生产当中，如新型涂布内衬纸、水溶性油墨印刷接装纸等。虽然新型烟用纸张中溶剂残留、重金属等有害物质较传统烟用纸张含量低，但机械性能、色泽、阻气性能等有所不如，会影响到上机适应性、外观、产品稳定性方面的应用。如何依靠其他手段来弥补这些不足，目前少有报道，是今后研究方向之一。国外研究人员通过设计不同于传统卷烟的接装方式，实现了降焦减害目的，这说明改变烟用纸张组合方式也是研究降焦减害的新途径。

烟用纸张卫生质量控制逐渐成为研究热点之一，而质控指标正由检测全部有害成分向更加专一的研究有害物质迁移率上转变。目前烟用材料在这方面研究还较少，但其他行业，如在食品安全领域，就有一些研究纸质材料中有害物质迁移率研究可以借鉴。

5 结语

随着企业和消费者对卷烟质量要求的不断提高，烟用纸张在降低生产损耗（上机适应性）、降焦减害、提升美观度和防伪能力等应用方面的研究不断的深化。经过国内外烟草科研人员的研究，都取得了一些成果。改善添加剂种类和用量、优化工艺流程参数以及研究印刷涂层表面性能等方法在提升上机适应性上具有较为明显的成效，将这些方法用于研究新型环保烟用纸张，既可以在生产中降低纸张本身有害物质，又有效地提高了新型纸张的适用性。降焦减害是纸张应用研究的重点，主要围绕着改善纸张气体交换性能和燃烧条件两个方面展开。经过对纸张降低危害原理认识的不断深入，选择性的降低有害物质而不影响卷烟感官质量正在逐步实现中。研究深入和技术进步使得烟用纸张在卷烟生产中发挥越来越重要的作用。

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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

顾健龙（1988—），男，宁夏银川人，硕士，助理工程师，主要研究方向为烟用辅料研究。