烟用内衬纸中VOCs残留量的控制方法

胡宏旗，杜 威，邢连成，周 顺

1.滁州卷烟材料厂，安徽省滁州市清流东路1436号 239000 2.安徽中烟工业有限责任公司技术中心，合肥市高新区天达路9号 230088

烟用内衬纸是由内衬原纸与转移膜或铝箔复合后，经过版辊涂布涂色、烘箱烘干、卷取分切等工序制作而成，在生产过程中因使用油墨及有机溶剂而容易导致挥发性有机化合物（VOCs）残留，从而影响卷烟的吸食品质［1-4］。为此，行业标准YC 264—2014［5］对烟用内衬纸的溶剂残留量进行了规定，要求溶剂残留总量（除乙醇）≤10 mg/L，溶剂杂质苯≤0.02 mg/L，苯系物≤0.5 mg/L。但在实际生产中由于缺少标准化的控制方法，仍然存在内衬纸中VOCs残留量超标的问题。汤德芳等［6］研究表明，不同内衬纸中VOCs残留量存在显著差异，其中油墨的使用量与VOCs残留量呈正相关。吕勇等［7］以镭射纸为例，通过分析影响卷烟包装纸中VOCs残留量的相关因素，提出降低复合机运行速度、延长烘干时间、采用阶梯式控制烘箱温度等方法可以降低VOCs残留量。但是目前关于控制内衬纸中VOCs残留量的研究则鲜见报道。为此，基于烟用内衬纸的生产工艺流程，确定内衬纸中VOCs的主要来源，并利用单因素实验法和正交实验法分析生产过程中影响VOCs残留量的关键因素，以期为有效控制VOCs残留量提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

材料：10‰PET转移膜（规格460 mm，江苏博大包装材料有限公司）；内衬原纸（规格460 mm，定量85 g/m2，牡丹江恒丰纸业股份有限公司）；水性涂色胶（主要成分为丙烯酸树脂，南京渊远印刷材料有限公司）。

试剂：苯、甲苯、间－二甲苯、对－二甲苯、邻－二甲苯、乙苯、丙酮、环己酮、4-甲基-2-戊酮、丁酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丙酯、2-乙氧基乙基乙酸酯、丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、2-乙氧基乙醇、苯乙烯、乙酸正丁酯混合标准液（中国烟草标准化研究中心）；三乙酸甘油酯（纯度99%，英国Alfa Aesar公司）。

仪器：7890A/5975C气相色谱/质谱联用仪（含7694E顶空进样器和20 mL顶空瓶，美国Agilent公司）；LE204E型电子天平［精度0.000 1 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司］；BFY-650W型多功能铝箔复合机（由原纸和转移膜放卷系统、涂胶系统、烘箱、卷取系统4部分构成，西安黑牛机械有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 内衬纸原料及成品中VOCs残留量测定

保持生产环境温度为（25±5）℃，相对湿度为（50±5）%。依据YC/T 207—2014［8］的方法对内衬原纸、转移膜及内衬纸成品进行抽样和裁剪，并利用7890A/5975C气相色谱/质谱联用仪测定VOCs残留量。依据GB/T 6680—2003［9］的方法对涂色胶进行采样，并测定VOCs残留量。分别取内衬原纸、内衬纸成品、转移膜、涂色胶样品各50个，分为10组，每组测定5次，计算平均值。剔除相对标准偏差（RSD）＞10%的无效数据，取剩余数据的平均值作为内衬纸原料及成品的VOCs残留量并进行比较。

1.2.2 生产工艺优化

采用BFY-650W型多功能铝箔复合机完成内衬纸的复合、涂布、烘干等工序，其中涂布时的版辊参数和烘干时的烘箱温度、复合机运行速度均会对VOCs残留量产生影响。

1.2.2.1 版辊参数的确定

生产过程中内衬原纸和转移膜的用量固定，但涂色胶用量（涂布量）则会受到版辊参数（网线数、深度、网穴形状）的影响［10-11］。涂布量不合适会产生飘彩或漏涂等问题，进而影响印刷效果。为保证印刷时色彩均匀，需要对版辊参数进行优化。采用单因素实验（固定版辊深度为45μm，网穴形状为45°菱形，版辊网线数60～80线/cm）考察印刷效果最佳时的涂布量范围，再根据表1进行三因素三水平正交实验，确定最佳版辊参数。其中，涂布量为印刷前后复合纸的定量差值，复合纸定量依据GB/T 451.2—2002［12］采用LE204E型电子天平进行测定。

表1 涂布过程影响因素水平表Tab.1 Levels of influencing factors in coating process

1.2.2.2 烘干参数的确定

固定复合机运行速度为60 m/min，设定烘箱温度为80～110℃，对同一批次原料加工的涂布内衬纸进行烘干，考察内衬纸中VOCs残留量随烘干温度的变化趋势；固定烘箱温度为100℃，运行速度为40～80 m/min，对同一批次原料加工的涂布内衬纸进行烘干，考察内衬纸中VOCs残留量随运行速度的变化趋势。根据表2设计二因素三水平正交实验确定内衬纸最佳烘干参数。

表2 烘干过程影响因素水平表Tab.2 Levels of influencing factors in drying process

2 结果与分析

2.1 内衬纸成品中VOCs来源的确定

由图1可见，涂色胶中VOCs残留量远高于转移膜和内衬原纸，故生产时添加的涂色胶是内衬纸中残留VOCs的主要来源。内衬纸中VOCs残留量在11.3~12.9 mg/m2之间，明显低于涂色胶中的残留量，这是因为生产中VOCs受热挥发导致残留量降低，但仍高于YC 264—2014［5］中内衬纸溶剂残留量≤10 mg/m2的规定。因此，需要对后续生产工艺进行优化，通过减少涂色胶用量以及提高烘干过程中VOCs的挥发量来减少VOCs残留量。

图1 内衬纸原料及成品中VOCs残留量Fig.1 Residues of VOCs in inner liner and its raw materials

2.2 版辊参数对涂布量及VOCs残留量的影响

由表3可知，在保持版辊深度和网穴形状不变的前提下，涂布量和VOCs残留量随版辊网线数的升高而降低。网线数在65～75线/cm范围时能够满足基本印刷要求，此时涂布量为4.4～5.4 g/m2，VOCs残留量为13.5～16.2 mg/m2。分析可见，涂布量为4.9 g/m2时，印刷效果最佳且可有效减少VOCs残留量。考虑到实际生产，最终将涂布量确定为5.0 g/m2。

表3 版辊网线数对印刷效果、涂布量及VOCs残留量的影响①Tab.3 Effects of plate roller net line on printing effect,coating amount and VOC residues

由表4正交实验结果可知，版辊参数中影响涂布量的顺序为深度＞网线数＞网穴形状，其中网穴形状对涂布量几乎无影响。为保证最佳印刷效果，确定最优版辊参数为网线数70线/cm，深度45 μm，网穴形状不做要求。

表4 版辊参数影响涂布量的正交实验结果Tab.4 Orthogonal test results of plate roller parameters influencing coating amount

由图2a可见，当复合机运行速度一定时，内衬纸中残留的VOCs随烘干温度的升高而降低；在100～110℃范围内，VOCs残留量的下降趋势变缓。考虑到烟用内衬纸的稳定性和抗张性，生产过程中烘干温度不宜过高，因此烘箱温度应控制在（100±5）℃。由图2b可见，当烘干温度恒定时，内衬纸中残留的VOCs随运行速度的提高呈上升趋势；当运行速度超过70 m/min时，VOCs残留量会超过规定标准。因此，烘干过程中复合机运行速度应控制在50～70 m/min。

图2 烘干温度（a）和运行速度（b）与VOCs残留量的关系Fig2.Relationships of drying temperature（a），running speed（b）with VOC residues

2.3 烘干参数对内衬纸VOCs残留量的影响

由表5可见，烘干参数中影响VOCs残留量的顺序为运行速度＞烘干温度。其中，温度因素第二水平与第三水平（D2与D3）数值较为接近，速度因素第一水平与第二水平（E1与E2）数据差异较小，且D3E1组合在生产中代表烘干温度偏高和运行速度偏低。结合实际情况，涂布内衬纸的最佳生产条件为烘干温度（100±5）℃，运行速度（60±5）m/min。在该条件下，VOCs残留量为6.69 mg/m2，与工艺参数优化前相比降低44.7%。

表5 烘干参数影响VOCs残留量的正交试验结果Tab.5 Orthogonal test results of drying parameters influencing VOC residues

3 结论

分别对与烟用内衬纸生产密切相关的原料、生产工艺参数等进行了研究，并根据行业标准要求建立了降低VOCs残留量的控制方法。结果表明：①通过对原料进行VOCs定量分析，确定内衬纸中残留的VOCs主要来源于生产中所使用的涂色胶；②版辊网线数为70线/cm，深度为45μm时，涂色胶用量适宜，约为5.0 g/m2，印刷效果最佳并有效减少了VOCs残留量；③烘干温度为（100±5）℃，复合机运行速度为（60±5）m/min时，VOCs残留量为6.69 mg/m2，与工艺参数优化前相比降低44.7%，能够满足行业标准规定。