基于白光干涉仪对卷烟包装材料外观质量的评价

刘文婷，褚玮，贾伟萍，孙鹏，王波，黄珂，张一帆

基于白光干涉仪对卷烟包装材料外观质量的评价

刘文婷1，褚玮1，贾伟萍1，孙鹏2，王波1，黄珂1，张一帆3

（1.湖北中烟工业有限责任公司，武汉 430040；2.武汉虹之彩包装印刷有限公司，武汉 430040；3.湖北工业大学 绿色轻工材料湖北省重点实验室，武汉 430068）

建立评价卷烟包装材料外观质量的检测方法，用于对卷烟包装材料的表面印刷适用性进行预判，以提高印刷效率。以水雾面积作为对卷烟包装材料外观质量的主要评价对象，筛选卷烟包装材料印刷面的表观特性。对烟标表面粗糙度、平滑度、亮度、摩擦因数、粗糙度、表面形貌与水雾面积的相关性进行分析。卷烟包装材料外观质量（水雾面积）与粗糙度、亮度等参数相关，与平滑度、摩擦因数等参数不直接相关。在433～818 nm的微观粗糙度内，水雾面积随着粗糙度的增加逐渐减小，当微观粗糙度大于818 nm时，水雾现象不存在。基于白光干涉仪的微观粗糙度可作为卷烟包装材料外观质量（水雾现象）的定量和定性评价指标，该方法为解决烟包印刷行业的水雾问题提供了有益的理论支持。

卷烟；包装材料；外观质量；水雾现象；白光干涉仪；微观粗糙度

烟草包装行业既有等同于食品包装的安全卫生要求，又有高档包装品的艺术观赏需求[1-3]。烟盒的外观质量一直以来都是直接影响消费者的购买心理的重要因素之一[4]。在卷烟包装过程中使用热收缩膜（以下称烟膜）对烟盒进行密封包装时，在烟膜和烟盒之间会出现面积不等的水雾斑或镜面斑[5-6]，导致烟盒表面失去光洁清晰的外观，称之为“水雾”现象。烟盒的“水雾”[7]是一个严重影响烟包外观质量的问题。当包装材料的表面温度小于周围水蒸气的露点 时[8]，饱和水蒸气会骤冷并在材料表面凝结成水珠，导致透明包装材料的透光率降低[9]。透明包装材料表面水雾的形成主要有2个影响因素[10]，一是材料表面与外部环境的温差[11]；二是材料表面的润湿性[12-13]。

卷烟包装材料与薄膜之间有类似“水雾”的现象存在，从而使卷烟包装盒失去平整、清晰和清洁的外观，影响卷烟包装盒的外观质量，解决水雾问题的途径有控制卷烟包装材料表面与透明膜之间的空隙和调整包装材料的粗糙度等方法[14-16]，但是对卷烟包装材料外观质量的评价标准和检测仍未完善和清晰的界定[17]。白光干涉仪是一种可对微观粗糙度进行评价的精密仪器，其对粗糙度的测量精度可从纳米级跨越到微米级。研究以水雾面积作为对卷烟包装材料外观质量的主要评价对象，利用白光干涉仪、平滑度仪、摩擦因数测试仪等仪器对卷烟包装材料印刷面的表观特性进行筛选，建立影响卷烟包装材料外观质量，即卷烟包装材料与薄膜间接触界面形成的水雾面积及现象的检测方法，用于对卷烟包装材料的表面印刷适用性，尤其是外观质量进行预判，以提高印刷效率。

1 实验

1.1 材料

主要材料：卷烟包装材料（81197条盒和81299条盒），1#、2#防雾桨，防水雾UV光油（湖北中烟工业有限责任公司提供）。

1.2 仪器设备

主要仪器设备：TMI 58-06印刷表面粗糙度仪，广州尚准仪器设备股份有限公司；Messmer Buchel 58-05 BEKK别克平滑度仪，广州尚准仪器设备股份有限公司；OHSP350Z光强测试仪/光谱亮度计/光通量测试仪，杭州虹谱光色科技有限公司；GB/T 10006摩擦因数测试仪，济南思克测试技术有限公司；Zygo NewView 8300白光干涉仪，美国Zygo公司。

1.3 方法

1.3.1 防水雾产品的制备与水雾面积的计算

称取一定量的普通油墨，在低速（500 r/min）搅拌条件下，缓慢依次加入1#或2#防雾桨，搅拌10 min；再缓慢加入防水雾UV光油后高速（10 000 r/min）分散20 min即可，防水雾油墨的具体配方见表1。将制备好的油墨通过印刷机均匀涂布至卷烟包装材料（81197条盒和81299条盒），并进行卷烟包装测试（测试机台为111R，设备运行参数：车速为384 m/min、侧面烙铁温度为125 ℃、条包上整型温度为96 ℃、条包下整型温度为114 ℃），获得的样品置于恒温恒湿箱中处理（温度为65 ℃，相对湿度为65%，时间为30 min），随后观察表面形成水雾情况，见图1。

图1 卷烟包装材料外观质量（水雾现象）实物

水雾现象见图1，参考GB/T 1541—2013《纸和纸板尘埃度的测定》的方法，结合卷烟包装材料的定量一致性的特点，依据有利于水雾计算方便的原则，采取在单位面积卷烟包装材料上画圆后剪切的方法评价水雾面积。称取剪切下的含水雾面积的材料质量（g），与总质量比较，计算其比值的百分比（%），即为形成水雾的面积百分比（%）。

1.3.2 卷烟包装材料表面平滑度的测试

采用平滑度仪进行测试，将卷烟包装材料正面（印刷面）样品在标准恒温恒湿（温度为65 ℃、相对湿度为65%）的大气压条件下进行处理，并取宽50 mm×50 mm的试样正反面各10张。调节加压装置，给试样施加(100±2)kPa压力，使真空容器产生50.66 kPa的真空。测量并记录真空度由50.66 kPa降到48.00 kPa时所需的时间，测试结果以秒表示。

表1 卷烟包装材料（81197和81299样品）的处理方法

Tab.1 Processing method of cigarette packaging materials (samples 81197 and 81299)

1.3.3 卷烟包装材料表面亮度的测试

取卷烟包装材料样品10张，采用亮度测试仪在350～950 nm波长内测试纸张样品的亮度值，然后取其平均值，单位为%。

1.3.4 卷烟包装材料表面摩擦力的测试

卷烟包装材料样品采用摩擦因数测试仪分别测试静摩擦力和动摩擦力，将样品剪裁成5 cm×10 cm的条状，在一定的接触压力下，通过电机带动齿条使两试样表面相对移动，分别记录动摩擦因数和静摩擦因数。测试条件：采用200 g的砝码，速度为100 mm/min，行进长度为150 mm。

1.3.5 卷烟包装材料表面宏观粗糙度的测试

采用粗糙度仪测量卷烟包装材料样品表面粗糙度。其标准测量范围为0.6～6 μm。将纸张裁成10 cm×10 cm的纸片，置于圆形金属环和弹性垫之间。在一定压力条件下，气流从测量环和试样之间通过，测量气流通过速率，并转换为透气缝隙的大小，测试结果以μm表示。

1.3.6 卷烟包装材料白光干涉仪对粗糙度的测定

采用白光干涉仪分析卷烟包装材料样品的表面粗糙度，建立量化指标。使用Michelson干涉仪，白光光源为超连续光纤激光器（fianium公司），波长范围为390～2 600 nm，最高脉冲能量为 250 nJ，高速相机型号为MIRO R310，存在反馈的压电驱动器是Thorlabs公司 PAZ015，行程为100 μm。仪器的测量范围为0.08 nm～150 μm，测量精度为0.15 nm。实验系统的测量区域为1.13 mm×0.71 mm×100 μm；横向分辨率为1.697 μm；向分辨率为0.497 nm，测试结果以nm表示。

2 结果与分析

卷烟包装材料“水雾”现象的定量化表征，一直是烟包印刷行业亟待解决的难题，严重影响卷烟产品的外观质量，因此，研究根据卷烟包装材料形成水雾的因素，对涉及卷烟包装材料表面的平滑度、亮度、摩擦因数、粗糙度、表面形貌等参数与水雾面积形成的相关性进行了系统分析，建立了水雾面积/现象表征的定量和定性方法。根据不同样品的水雾面积情况，对水雾面积评价的参考标准见表2。该方法将水雾面积为0的现象界定为不存在水雾，即无水雾，水雾面积为0～5%、5%～7%和7%～10%分别定义为轻微水雾、中度水雾和重度水雾现象。

表2 外观质量（水雾现象）评价标准

Tab.2 Evaluation standard for surface quality (water mist phenomenon)

2.1 卷烟包装材料平滑度与水雾面积相关性分析

对81197条盒进行不同防雾处理后（表1）进行平滑度测试，样品表面平滑度与水雾相关性结果见表3。依据1.3.1节水雾现象的评价标准，计算出7种不同样品的水雾面积，其情况具有很大差别。可以看出，所有样品的平滑度值均大于20 000 s，且超过平滑度仪的检测极限，因此，无法利用该平滑度仪对样品水雾情况进行评估和明确的分级。

表3 卷烟包装材料表面平滑度与水雾面积的关系（81197样品）

Tab.3 Relationship between surface smoothness of cigarette packing material and water mist area (samples 81197)

2.2 卷烟包装材料亮度与水雾面积相关性分析

纳米防雾助剂有助于提高卷烟包装材料表面的粗糙度，同时降低亮度。对样品进行防雾处理后（表1）检测材料表面的亮度，不同样品表面亮度见表4。从表4的结果可以看出，在81197条盒的样品中，亮度值较高的1、2号样品，水雾面积均大于5%，而亮度值最低的7号样品，水雾面积为0；81299条盒的样品也具有相同的趋势，亮度值较高的1、2、3号样品均出现大于5%的水雾面积。这说明出现水雾的样品具有较高的亮度值，而无水雾现象的样品亮度较低。

对比81197的1号样品与81299的1号样品可得，二者的水雾面积相同，亮度值却不相同，这说明亮度值在不同样品之间无法作为评价水雾的指标，因此，由于不同产品亮度值不同，针对不同的产品需要筛选各自的亮度临界值作为自身的水雾量化指标。综上所述，烟标表面亮度可作为一个定性化的指标来评判水雾，但是评判的标准还存在问题，无法构建一个普遍适用性的统一水雾评价方法。

表4 卷烟包装材料表面亮度与水雾面积的关系

Tab.4 Relationship between surface brightness of the cigarette packing material and water mist area

2.3 卷烟包装材料摩擦因数与水雾面积相关性分析

材料表面的动、静摩擦因数与表面的粗糙度有关，而与接触面积的大小无关。81197条盒样品的摩擦因数结果见表5。从表5中可以看出，随着纳米防雾浆剂的比例逐渐提高，样品表面粗糙度逐渐表变大。7号样品为传统防雾剂超量添加的样品，表面光泽最低，最粗糙，随着水雾面积的降低，样品摩擦因数值没有明显规律，因此，摩擦因数无法作为评判水雾的量化指标。

表5 卷烟包装材料表面摩擦因数与水雾面积的关系（81197样品）

Tab.5 Relationship between surface friction coefficient of the cigarette packing material and water mist area (samples 81197)

2.4 卷烟包装材料宏观粗糙度与水雾面积相关性分析

采用粗糙度仪对样品表面粗糙度进行测试，粗糙度与水雾相关性结果见表6。81197条盒样品的粗糙度为0.096～0.119 μm，但样品表面的宏观粗糙度与水雾面积之间的关系并不明晰。从1.3.5节可以看出，粗糙度仪的测量范围为0.6 μm以上，而所测样品表面普遍平滑，已超出粗糙度仪的最低检测极限，因此所得数据不准确，难以划分出具体的指标，若要利用粗糙度作为水雾评价指标，还需进一步的精细化数据。

表6 卷烟包装材料宏观粗糙度与水雾面积的关系（81197样品）

Tab.6 Relationship between macroscopical roughness of the cigarette packing material and water mist area (81197 samples)

2.5 卷烟包装材料微观粗糙度与水雾面积相关性分析

采用白光干涉仪（高精度几何及表面形貌检测设备）对样品的粗糙度及表面形貌进行分析。白光干涉仪所测得的81197样品中，卷烟包装材料微观粗糙度与水雾面积的关系见表7。表6中7个样品的表面形貌着色高度图见图2，图2a—g为二维表面形貌图，图3h—n为三维表面形貌图。

从表7的数据可以看出，1—7号样品的粗糙度区分度明确，样品粗糙度依次增加，其相应的水雾面积也逐渐减小。基于已有的烟包表面粗糙度测试结果显示，随着烟盒样（油墨印刷面）粗糙度的增加（从433 nm增加至818 nm），其相应的水雾面积也逐渐减小甚至消失，因此采用白光干涉仪对烟盒样品表面的粗糙度进行准确测试。当粗糙度a＜433 nm时，水雾存在；当433 nm＜a＜818 nm时，部分水雾存在；当a＞818 nm时，水雾不存在。图3的样品表面形貌直观的反映了样品粗糙度的变化，与表6的数据符合。

实验结果表明，采用白光干涉仪能够很好地建立粗糙度和水雾面积之间的关系，从而起到相应的水雾预警作用。

表7 卷烟包装材料微观粗糙度与水雾面积的关系（81197样品）

Tab.7 Relationship between microcosmic roughness of the cigarette packing material and water mist area (81197 samples)

3 结语

研究以水雾面积作为卷烟包装外观质量的评价对象，通过对卷烟包装表面各项参数与水雾面积相关性进行了深度分析，包括卷烟包装材料的平滑度、亮度、摩擦因数、表面形貌，以及宏观和微观粗糙度等。结果表明，样品表面平滑度、亮度和摩擦因数均无法定量表达水雾现象的程度。其中，亮度数值的变化会随着防雾助剂用量的增加而减小，可以作为一个定性指标来评判同种样品中的水雾情况。微观粗糙度是较为合理的水雾面积表征指标，采用白光分析仪能够较好地建立卷烟包装材料表面粗糙度与其表面水雾面积之间的关系。在433～818 nm的表面微观粗糙度范围内，水雾面积随着粗糙度的增加逐渐减小，当微观粗糙度大于818 nm时，水雾不存在。这种定量表达方法较传统测试水雾的方法（模拟卷包包膜接触法）准确度更高。

研究建立了利用白光干涉仪对卷烟包装材料水雾检测的新型方法和指标，并制定了外观质量的评价标准，该标准适用于测量卷烟包装材料表面经过油墨印刷并采用热收缩膜进行密封包装后，粗糙度在白光干涉仪精度范围内（0.08 nm～150 μm）的表面，以及其他非油墨印刷或未经过热收缩膜进行密封包装的材料。

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Surface Quality Evaluation of Cigarette Packaging Materials Based on White Light Interferometer

LIU Wen-ting1, CHU Wei1, JIA Wei-ping1, SUN Peng2, WANG Bo1, HUANG Ke1, ZHANG Yi-fan3

(1.China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430040, China; 2.Wuhan Hongzhicai Packaging and Printing Co., Ltd., Wuhan 430040, China; 3.Hubei Key Laboratory of Green Light Industrial Materials, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

A testing method for evaluating the appearance quality of cigarette packaging materials is established to predict the surface printing suitability of cigarette packaging materials to improve printing efficiency. Taking the area of water mist as the main evaluation object for the appearance quality of cigarette packaging materials, the appearance characteristics of the printing surface of cigarette packaging materials were screened. The correlation between the surface roughness, smoothness, brightness, friction coefficient, roughness, surface topography of cigarette labels and water mist area is analyzed in this work. The results show that the appearance quality of cigarette packaging materials (water mist area) is related to parameters such as roughness and brightness, but not directly related to parameters such as smoothness and friction coefficient. Within the micro-roughness of 433-818 nm, the water mist area gradually decreases with the increase of the roughness. When the micro-roughness is greater than 818 nm, water mist does not exist. The micro-roughness based on white light interferometer can be used as a quantitative and qualitative evaluation index for the appearance quality (water mist phenomenon) of cigarette packaging materials. This method provides a useful theoretical support for solving the water mist problem in the cigarette packet printing industry.

cigarette; packaging materials;surface quality; water mist phenomenon; white light interferometer; micro-roughness

TB484

A

1001-3563(2022)07-0275-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.036

2021-08-15

湖北中烟工业有限责任公司科技项目（2020JSJC3JS2B025）

刘文婷（1987—），女，博士，工程师，主要研究方向为卷烟包装材料。

张一帆（1993—），女，博士，湖北工业大学讲师，主要研究方向为生物质材料。

责任编辑：曾钰婵