接装纸的吸湿特性及其对上机适应性的影响

刘文婷 蔡 冰 程占刚 贾伟萍 闫爱华 褚 玮 吴 凯 冯年捷 王 磊

(1. 湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 430040；2. 湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北 武汉 430068)

烟用接装纸是卷烟产品的主要材料之一，其作用是将滤嘴和烟支牢固地接装在一起[1]。近年来，由于消费者对卷烟外观的日益关注，卷烟企业对烟用接装纸的功能不再仅仅局限于外包装，而是更加注重烟用接装纸的装饰性与印刷美观性等指标要求[2-3]。因而，用于卷烟材料的接装纸逐渐多样化，接装纸类型由普通型拓展到烫金、珠光、镭射覆膜等多种类型[4]。新工艺、新材料在接装纸上的广泛应用，在增强接装纸美观性的同时，表面性能也发生了变化，使接装纸的吸胶性有较大差异，从而产生了上机适应性的问题，造成烟支滤嘴端翘边、粘连等关键性技术问题[5]。

然而，绝大多数企业在判断上机适用性好坏方面仍然依靠自身经验，采用直接上机试验，然后根据问题反馈再进行改进[6]。如何衡量接装纸的上机适应性未有全面、准确和关键性的特性指标进行检测与分析，缺乏系统的理论数据支持，导致无法对上机适应性问题进行预判和解决。接装纸的上机适应性受接装纸表面性能影响较大，尤其是接装纸表面的吸湿特性[7]。因此，本试验拟通过分析可勃值、渗透时间、接触角和红外光谱，评价接装纸的吸湿性能，同时建立吸湿性能与剥离力的关系，制订出相应的技术标准及检测方法，以期解决接装纸翘边、粘连等上机适应性技术问题。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

普纸(H1)、转移纸(H2、H3、H4)、防渗转移纸(H5、H6)：湖北中烟工业有限责任公司，室温避光保存，并规定印刷面为正面，未印刷面为反面；

胶黏物：水性聚氨酯，固形物含量63.9%，密度1.07 mg/mL，湖北中烟工业有限责任公司提供，4 ℃冷藏；

其他化学品：分析纯，国药化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器与设备

质构仪：TA.XT puls型，英国Stable Micro System公司；

可勃(Cobb)吸水仪：ZB-COBB125型，杭州纸邦自动化技术有限公司；

接触角测量仪：JC2000C1型，上海中晨数字技术设备有限公司；

傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪：Nicolet 750型，美国Thermo Fisher Nicolet公司。

1.2 方法

1.2.1 剥离力 采用质构仪，配备P100探头，在25 ℃条件下，测定接装纸的剥离力。事先在接装纸上滴加胶黏物，胶黏物用量0.01 g，并通过热敏胶带固定接装纸。质构仪探头轻压，随后匀速剥离，自动记录剥离力。

1.2.2 可勃值 采用Cobb吸水仪，测量接装纸的Cobb值，记录接装纸吸水前后质量变化。Cobb值为单位面积吸水质量。

1.2.3 渗透时间 根据文献[8]测定接装纸的渗透时间。

1.2.4 接触角 根据文献[9]测定接装纸接触角。本试验采用超纯水和二碘甲烷为检测液体。

1.2.5 红外光谱 采用FTIR光谱仪，配备ID5衰减全反射附件，检测接装纸的红外特征吸收峰。红外光谱波长采集范围为4 000～400 cm-1，以空气作为空白扣除。

1.3 数据分析

采取3组平行试验，取平均值，绘制图形。利用Origin 8.0软件，线性拟合关系曲线，并做误差分析。

2 结果与讨论

2.1 剥离力

模拟实际生产过程，采用接装纸正面与反面粘连，测得剥离力见图1(a)。普纸H1的剥离力最大，为10.2 N，防渗转移纸H5和H6的剥离力较小，分别为3.7，3.0 N，与实际生产过程一致，即较普纸，防渗转移纸易发生翘边、粘不牢等上机适应性问题。防渗转移纸的表面涂层具有疏水性，降低了接装纸的吸湿性能，影响了胶黏物的吸收，从而造成上述上机适应性问题[10]。

分别研究接装纸正面与正面、反面与反面粘连后的剥离力，并和正面与反面的剥离力比较，见图1(b)。无论是普纸、转移纸还是防渗转移纸，正面与正面的剥离力相似，且均较小。但3种接装纸反面与反面的剥离力存在差异，且均较大。由此不难推测，接装纸的上机适应性问题，与其反面的表面性能关系较大。

图1 接装纸的剥离力

2.2 吸湿特性

图2(a)为接装纸反面的Cobb值。Cobb值越大，接装纸的吸湿性能越好。普纸(H1)的Cobb值较大，达到38.6 g/m2。转移纸(H2、H3、H4)和防渗转移纸(H5、H6)的Cobb值相似，且均<32.5 g/m2。接装纸反面的渗透时间见图2(b)。渗透时间越小，接装纸的吸湿性能越好。普纸H1的渗透时间较短，为639 s。转移纸和防渗转移纸的渗透时间相似，且均>797 s。由图2(a)、(b)可知，普纸吸湿性能较好。

图2(c)为接装纸的接触角。采用双溶剂体系，即通过超纯水和二碘甲烷分别测定接装纸的接触角。接触角越小，接装纸的吸湿性能越好。对极性溶剂超纯水而言，普纸、转移纸和防渗转移纸的正面接触角较大，且相似，分布在61°～74°；对非极性溶剂二碘甲烷而言，普纸、转移纸和防渗转移纸的正面接触角较小，且相似，分布在11°～21°。根据相似相溶原理，上述数据说明，接装纸表面涂层为非极性，有利于非极性溶剂胶黏物吸收。无论是超纯水还是二碘甲烷，普纸和转移纸的反面接触角均小于正面接触角[图2(c)]，即接装纸反面的吸湿性能较好。然而，防渗转移纸的反面接触角均较大，对超纯水分别可达83°，85°，对二碘甲烷分别为55°，57°。防渗转移纸反面较大的接触角可能与其防渗涂层有关[11]。

2.3 红外谱图

图3(a)为接装纸正面的红外谱图。普纸、转移纸和防渗转移纸的正面具有相似红外吸收峰：① 2 990 cm-1处为甲基或亚甲基上C—H伸缩振动吸收峰；② 1 430 cm-1为芳香环骨架振动与C—H平面内构型转变的协同作用吸收峰；③ 1 370 cm-1为脂肪族CH3上C—H的伸缩振动吸收峰。其中，仅普纸具有木质纤维特征吸收峰[12]：① 3 430 cm-1为多糖O—H伸缩振动吸收峰；② 1 030，853 cm-1分别为木质素芳环C—H的平面构型转变和立体构型转变吸收峰。转移纸和防渗转移纸具有不饱和键特征吸收峰[13]：① 1 720，1 270，1 170 cm-1为非共轭酮、羧基和酯键上的C═O伸缩振动吸收峰；② 987 cm-1为—CH═CH—立体构型转变吸收峰。上述数据说明，普纸正面纤维得到了更好的暴露，大量O—H使其具有较好的吸湿性；而转移纸和防渗转移纸正面，由于涂层中大量C═O和C═C键的存在，使其具有疏水性。

图2 接装纸的吸湿特性

图3 接装纸的红外谱图

图3(b)为接装纸反面的红外图谱。普纸、转移纸和防渗转移纸的反面具有相似红外吸收峰：① 3 430 cm-1为O—H伸缩振动吸收峰；② 2 990 cm-1处为甲基或亚甲基上C—H伸缩振动吸收峰；③ 1 430 cm-1为芳香环骨架振动与C—H平面内构型转变的协同作用吸收峰；④ 1 328 cm-1为苯环5号位缩合的吸收峰；⑤ 1 225，1 170 cm-1为C═O吸收峰；⑥ 1 141，1 030，853 cm-1分别为芳环C—H的平面构型转变和立体构型转变吸收峰。上述数据说明，3种接装纸反面均存在亲水性官能团，使其具有较好吸湿性。

2.4 剥离力与吸湿性的关系

由表1可知，剥离力与接装纸反面的Cobb值正相关，且相关系数为0.987，即Cobb值越大，剥离力越大；剥离力与接装纸反面的渗透时间负相关，且相关系数为0.997，即渗透时间越短，剥离力越大；剥离力与超纯水在接装纸反面的接触角负相关，且相关系数为0.757，即接触角越小，剥离力越大。由此可见，剥离力与接装纸的吸湿性关系较大，吸湿性越好，剥离力越大。

表1 剥离力与吸湿性的关系

3 结论

本研究发现，接装纸吸湿性(Cobb值、渗透时间和接触角)与剥离力之间具有较好的线性相关性，接装纸翘边、粘连等上机适应性问题的产生是由于其表面疏水性涂层所引起，且反面(非印刷面)比正面(印刷面)的影响更为显著。通过进一步改进检测方法，有望实现针对接装纸上机适应性问题快速、简单和准确的预判断。