碳酸钙形态对卷烟纸透气性能和凝灰性能的影响

雀 静 鲁红昌 刘 明 范 敏 宋云杉 张永鑫 李冬雪 许 康

（云南红塔蓝鹰纸业有限公司，云南建水，654300）

轻质碳酸钙是卷烟纸的重要填料，约占卷烟纸总质量的30%～40%，碳酸钙的形态和质量直接影响卷烟纸质量。目前，国内卷烟纸生产使用的碳酸钙晶体形状主要为纺锤体，对其他形态的碳酸钙研究相对较少。球状、椭圆状和花瓣状碳酸钙可在碳酸钙碳化加工过程中通过调整生产工艺和参数制备得到。卷烟产品多元化和多功能化，对卷烟纸的性能也提出了较高要求，通过研究不同形态碳酸钙对卷烟留着率、透气度及卷烟凝灰性能的影响进而优化卷烟纸质量，对国产卷烟品牌提质升级具有重要意义。

1 实验原料与仪器

1.1 实验原料

北木牌漂白针叶木浆（以下简称“针叶木浆”）；鹦鹉牌漂白阔叶木浆（以下简称“阔叶木浆”）；椭圆状轻质碳酸钙、球状轻质碳酸钙、花瓣状轻质碳酸钙、纺锤体状轻质碳酸钙由弥勒甸溪钙业有限公司提供；宏仕德牌柠檬酸钾；质量分数0.4%非离子瓜尔胶；云烟（珍品）卷烟烟丝。

1.2 主要仪器

23L实验室标准Vally打浆机；OMEC LS-POP（9）型激光粒度分析仪；水果榨汁机；XWY-V1型光学纤维镜；扫描电子显微镜（SEM）；手工卷烟器。

2 实验方案

2.1 漂白木浆的处理

取200 g（绝干浆）针叶木浆加入Vally打浆机中，加水到规定液位进行打浆，打浆机负重3 kg，打浆时间90 min，最终打浆度控制在80～90°SR；阔叶木浆不打浆，测量水分后直接用于抄片。

2.2 抄片和施胶

取0.7 g纸浆（绝干质量，针叶木浆∶阔叶木浆（质量比）=2.5∶1）和不同形态轻质碳酸钙混合抄造，抄片时加入非离子瓜尔胶增强碳酸钙和细小纤维的留着，制备得到不同形态轻质碳酸钙抄片，定量35 g/m2。

模拟车间机内浸透涂布施胶的方式，将不同形态轻质碳酸钙抄片裁剪成长26.2 mm×宽55 mm规格，在烧杯内配制质量分数1.5%的柠檬酸钾溶液。把裁剪好的不同形态轻质碳酸钙抄片在柠檬酸钾溶液中浸泡5 s后取出，用抄纸机干燥部加压干燥5 min。将施胶后含有椭圆状轻质碳酸钙、球状轻质碳酸钙、纺锤体状轻质碳酸钙、花瓣状轻质碳酸钙的纸样分别命名为1#卷烟纸、2#卷烟纸、3#卷烟纸、4#卷烟纸。

2.3 手工卷烟和燃烧验证

通过手工卷烟器用卷烟纸卷制手工烟，每个规格各卷3支，通过直立燃烧对比卷烟的凝灰效果，对比时应筛选卷烟长短、直径接近的一组，减少实验误差。

3 结果与讨论

3.1 不同形态碳酸钙形貌和粒径分布

图1为不同形态轻质碳酸钙的SEM图及粒径分布图。从图1可以看出，椭圆状和球状轻质碳酸钙的形状较为接近，椭圆状轻质碳酸钙絮聚较为明显，纺锤体状和花瓣状轻质碳酸钙形状较为接近，但花瓣状轻质碳酸钙形状更为规则。

表1为不同形态轻质碳酸钙粒径分布情况。观察表1和图1可以看出，4种不同形态轻质碳酸钙的粒径分布均较为集中，主要集中在1.839～4.101µm，说明不同形态碳酸钙分布均较为均匀；4种不同形态轻质碳酸钙的中位粒径（D50）分别为2.740、2.853、3.120、3.074µm，D50最大的纺锤体状轻质碳酸钙和D50最小的椭圆状轻质碳酸钙相差0.38µm，表示4种轻质碳酸钙的粒径较为接近。

图1 不同形态轻质碳酸钙的SEM图及粒径分布图Fig.1 SEM images and particle size distribution of different forms of light calcium carbonate

表1 不同形态轻质碳酸钙粒径分布情况Table 1 Particle size distribution of different forms of light calcium carbonate

3.2 不同形态碳酸钙抄片实验

表2为不同形态轻质碳酸钙卷烟纸组成及性能。从表2可以看出，针叶木浆和阔叶木浆与不同形态轻质碳酸钙混合抄片，填料留着率差异不明显，球状轻质碳酸钙和椭圆状轻质碳酸钙的留着率较高，其中球状轻质碳酸钙留着率最高，为60.6%；纺锤状轻质碳酸钙和花瓣状轻质碳酸钙留着率较低，花瓣状最低，为45.5%；从透气度表现来看，在定量和灰分差异不明显的情况下，椭圆状轻质碳酸钙和球状轻质碳酸钙卷烟纸明显低于纺锤状轻质碳酸钙和花瓣状轻质碳酸钙卷烟纸，椭圆状轻质碳酸钙卷烟纸透气度最低为64.38 CU，纺锤状轻质碳酸钙卷烟纸透气度最高为138.21 CU。

表2 不同形态轻质碳酸钙卷烟纸组成及性能Table 2 Composition and performance of different forms of light calcium carbonate

通过上述分析可知，椭圆状轻质碳酸钙和球状轻质碳酸钙形状较规则，在和植物纤维结合的过程中能均匀分布在纤维表面和孔隙中，从而整体降低了卷烟纸的透气性能；椭圆状轻质碳酸钙和球状轻质碳酸钙更容易絮聚于纤维表面并相互吸附，所以椭圆状轻质碳酸钙和球状轻质碳酸钙留着率均高于纺锤状轻质碳酸钙和花瓣状轻质碳酸钙。

3.3 不同形态碳酸钙凝灰性能比较

（1）不同形态碳酸钙凝灰效果对比

使用制备的1#卷烟纸～4#卷烟纸和云烟（珍品）品牌烟丝卷制烟支，分别对比烟丝开始燃烧、燃烧1/3、燃烧2/3和燃烧结束4个时段的卷烟凝灰性能，结果如表3所示。

根据烟支燃烧状态，从卷烟碳化线均匀性、碳化线细度、灰块厚实情况、掉灰现象综合评价卷烟凝灰性能，结果如表4所示。

通过表3和表4可以看出，烟支燃烧过程中，4个烟支样品均保持完整，未发生断裂现象。1#卷烟纸制备的烟支和2#卷烟纸制备的烟支在燃烧过程中未发生纸灰掉落现象，3#卷烟纸制备的烟支和4#卷烟纸制备的烟支均出现烟灰掉落现象，4#卷烟纸制备的烟支掉落最多。4个样品碳化线均较黑，燃烧均匀性差异不明显。综合卷烟灰色、灰块掉落情况、卷烟裂纹等，含有椭圆状轻质碳酸钙的1#卷烟纸制备的烟支凝灰效果最好，灰块紧密厚实，含有花瓣状轻质碳酸钙的4#卷烟纸制备的烟支凝灰效果最差，灰块炸裂较多；含有椭圆状轻质碳酸钙和球状轻质碳酸钙的卷烟纸制备的烟支凝灰效果总体优于纺锤状和花瓣状轻质碳酸钙。

表3 不同卷烟纸制备烟支燃烧凝灰效果图Table 3 Different cigarette paper making cigarette burning ash effect diagram

表4 卷烟凝灰性能评价Table 4 Evaluation of cigarette ash coagulation performance

4 结论

本研究主要对椭圆状、球状、纺锤体状和花瓣状轻质碳酸钙的表面形貌、粒径进行分析，并将其添加到卷烟纸中，主要探讨了卷烟纸的透气性能和凝灰性能。

4.1 与纺锤体状和花瓣状相比，椭圆状和球状轻质碳酸钙粒径范围集中，在纸张上分布均匀，能有效填充纤维间孔隙，留着率较高，更容易吸附植物纤维，其中椭圆状碳酸钙性能最好。

4.2 纸张定量和灰分接近时，含有椭圆状和球状轻质碳酸钙的卷烟纸透气度明显低于含有纺锤体状和花瓣状轻质碳酸钙，其中含有纺锤体状轻质碳酸钙的卷烟纸透气性能最好。

4.3 定量、灰分接近，工艺相同时，含有椭圆状和球状轻质碳酸钙的卷烟纸在燃烧过程中，灰块厚实、掉灰较少、灰色较白，凝灰性能较好，其中椭圆状碳酸钙性能最好。

4.4 在实际生产应用过程中，可根据卷烟纸性能要求选择不同形态的轻质碳酸钙，对卷烟凝灰性能要求较高时选择椭圆状或球状轻质碳酸钙，对卷烟纸透气性能要求较高时，选择纺锤体状和花瓣状轻质碳酸钙。