新型烟草用聚乳酸降温段挤塑加工

曹祥薇，邓少鹏*，李世建，杨光远，彭三文，李雅明

(1.湖北中烟卷烟材料厂 技术中心，湖北 武汉 430051；2.武汉达汇新科技有限公司，湖北 武汉 430033)

聚乳酸是以非粮农作物（如木薯、甘蔗、玉米等）或秸秆经生物发酵生成的乳酸产物为原料，合成制备得到的生物降解热塑性聚酯，属于国家战略型新材料[1]。它易被自然界中的多种微生物或动植物体内的酶分解代替，最终形成水和二氧化碳，不污染环境，具有广阔的市场前景，被全球公认为新世纪最有前途的新型材料[2～3]，聚乳酸的非毒性使得它可以用于直接与食品接触的包装中[4]。

全球控烟行动持续推进，受此影响全球卷烟销量一直呈现下降趋势，传统烟草制品承压前行，新型烟草产品逐渐成为研发热点[5]。加热不燃烧（HNB）卷烟又名低温卷烟，是通过对烟丝进行加热，烟丝挥发产生尼古丁香味来满足吸烟者需求的新型烟草制品[6]。加热不燃烧烟草制品是新型烟草制品的重要一类，受到各大烟草公司的高度重视，并成为长期战略目标之一[7]。加热不燃烧烟草制品与传统卷烟不同，加热的温度最高不超过350 ℃，在抽吸中间歇烟丝处于非燃烧状态，从而减少了烟草高温燃烧裂解产生的有害成分[8]。以“加热不燃烧”为思路设计的低温卷烟，能使烟叶或烟草材料刚好加热到足以释放出味道的程度，而不点燃烟叶或烟草材料[9]，可以减少燃烧过程中潜在有害物质产生[10]。

现有加热不燃烧烟支都采用了多段式滤棒对烟气进行处理，其滤棒包括支撑段、降温段、滤嘴段，其中降温段的目的在于降低烟芯段产生的烟气的温度，使其更加容易入口，现有技术中多采用聚乳酸材料为降温段[11]。比较成熟的采用PLA薄膜皱褶的方式置入滤嘴段，抽吸过程中容易产生塌陷，导致烟气通道短路。

本文创造性地采用挤塑成型工艺制备PLA降温异型圆管，通过PLA降温异型管挤出模具设计、PLA降温段挤塑成型机理及过程分析，形成PLA降温异型圆管挤塑加工成型的关键工艺方法及参数。

1 PLA降温段制备工艺流程

打开密封包装好的PLA树脂，将PLA颗粒置入60 ℃鼓风干燥箱[12]中干燥2 h，待挤塑机主机各温区设置温度稳定后，开启主机螺杆，将物料从干燥料斗导入挤塑螺杆料筒，熔融的PLA物料经模头挤出、真空定型、水冷干燥、切断后得到降温段异形管产品。

2 PLA降温段产品结构

PLA降温段异形管产品采用的是在圆管内设置放射状辐条结构，根据产品需要，内置辐条可以是4辐条、6辐条、8辐条等结构如图1。本公司降温段产品采用圆管内6辐条结构，辐条及壁厚在0.2 mm左右。并对辐条结构进行适当的扭曲，增大了烟气气流接触面积、也利于提高烟气与材料的碰撞效率，提高烟气降温效果。同时，圆管内6辐条结构的设计保证PLA降温段异形管的圆度及强度，利于挤塑生产定型及降温段产品尺寸稳定性需求。

3 PLA降温段挤出模具设计

3.1 口模

口模[13]是成型PLA降温段异形管外表面的零件，与降温段产品的结构保持一致，但口模内径不等于PLA降温段异形管外径。从口模挤出的管坯由于压力突然降低，材料因弹性恢复而发生管径膨胀，同时，管坯在冷却和牵引作用下，管径会发生缩小[14]。管坯膨胀和收缩的大小与PLA材料性质、挤出温度和压力等成型条件以及定径套结构有关。

3.2 拉伸比

拉伸比是指口模成型段环隙截面积与管材横截面积之比[15]，其计算公式[16]为：

式中：

I—拉伸比；

r—口模内径；

r1—芯棒外径；

R—管材外径；

R1—管材内径。

由于PLA树脂熔体强度低的特性，在熔融挤出加工的时候容易出现熔体破裂。PLA挤出一般采用较大的口模和芯棒，生产较小尺寸规格的降温段圆管，这样既可以避免熔体破裂，又可以提高挤出产量，故PLA降温段模头拉伸比设计值比一般挤出材料大。

3.3 PLA降温段挤出模头参数

PLA降温段是圆管内设6根放射性辐条，结构相对复杂，按照拉伸比（I）=指口模成型段环隙截面积（S1）/PLA降温段横截面积（S2），可以计算出来其拉伸比。

目前，湖北中烟卷烟材料厂降温段挤出模具及典型产品参数如下：

（1）挤出模具口模的内径：10.5 cm，芯棒直径：9.5 cm，孔间隙0.5 cm，

通过Soildworks计算，口模成型段环隙截面积S1=29.3 mm2。

（2）生产的典型PLA降温段外径7.42 cm、其内径为7.02 cm，壁厚0.2 mm，

通过Soildworks计算，PLA降温段产品横截面积S2=8.3 mm2，

按照计算公式：

由此可见，PLA降温段的拉伸比确实比较高，而常规的挤塑材料如PVC、PE、PP的模头拉伸比在1～2之间，这主要是与PLA材料的熔体强度及拉伸性质有关。

4 PLA降温段挤出定型机理分析

PLA降温异型管从模头挤出后，进入真空套管中冷却定型定径，是决定PLA降温段圆管圆周、圆度的关键工艺所在，分析其成型原理对降温段产品质量控制具有重要意义，如图2所示。

PLA异型圆管型坯从螺杆主机模头挤出后，圆管型坯还保持一定的温度而呈高弹态，在牵引拉伸的作用下具有可塑变性能。进入真空套管的PLA异型圆管型坯在真空负压作用下膨胀，保持一定的圆度紧靠着定径套内壁，并在此状态下继续水冷却至玻璃态定型，形成稳定的圆管形状，直至离开真空定型定径套管。

在此过程中，若进入定径套的PLA管材冷却固化过快，难以通过真空吸附膨胀到紧靠定径套管内壁，容易导致管材圆度不够和圆周长偏小；若PLA异型圆管离开定径套后，圆管的外壁温度还没降低到PLA树脂的玻璃化温度以下，可塑性仍很强，则容易导致管材的二次拉伸，导致管材形状不稳定；若真空度过高，PLA管材与定径套内壁的摩擦力较大，容易导致二次拉伸；真空度过小，则不足以将PLA型坯真空吸附膨胀至紧靠定径套管内壁，导致管材圆周长偏小。理想的真空度状态是，PLA管材型坯与定径套管的内壁形成一层薄薄的水膜，保证了PLA管材圆度、圆周长尺寸，同时也降低了PLA管材型坯与定径套管的内壁之间的摩擦力，防止对牵引造成的不利影响。因此，PLA异型圆管挤出型坯进入真空定径套的温度、离开定径套的温度、真空度大小等对PLA降温管材尺寸的稳定产生重要的影响。

5 PLA降温段冷却定型工艺分析

5.1 PLA降温段的冷却成型工艺过程

PLA降温段异型圆管的冷却成型工艺流程如下：

模头挤出→预冷却→真空定型→水冷却→风干→牵引→切断。

模头挤出的高温PLA树脂呈现黏流态，经过预冷却达到理想的可拉伸的高弹性状态，然后进入真空定径套管进行定型定径；经过在真空套管内的继续降温定型，PLA型坯逐步从高弹态转为玻璃态，基本完成了PLA降温段产品的定型；水冷却阶段将真空成型的型坯快速降温固化，得到圆度、圆周尺寸稳定的PLA异型圆管，经牵引到切断装置进行分切，得到PLA降温段滤棒产品。

5.2 PLA降温段定型过程温度变化分析

PLA异型圆管从主机模头挤出到牵引分切，是PLA降温段异形圆管温度不断降低，定型固化直至完全冷却的过程。从高分子理论上来讲，是PLA材料从黏流态→高弹态→玻璃态逐步转变的过程，所以分析PLA降温段圆管生产过程中温度变化，对降温段的定型工艺参数研究具有十分重要的意义。

模头挤出阶段：经高温螺杆主机熔融，再经模头压力挤出，PLA物料呈现黏流态，温度较高，流量大，保持挤出的形状十分困难。

预冷却阶段：PLA异型圆管型坯经模头挤出，紧接着进入流动的恒温水介质中，PLA快速由黏流态向高弹态转变。水交换介质的浮力作用对于保持PLA圆管挤出型坯的稳定性、冷却效率及一致性也起到积极的作用。

真空定型阶段：PLA圆管型坯经过预冷以后，进入真空定径冷却套管装置，圆管的温度进一步降低，PLA逐步由于高弹态向玻璃态转变，待PLA圆管离开定径套管的时，达到PLA的玻璃化温度以下，圆管的形状基本稳定。

水冷却阶段：离开定型定径装置的PLA圆管，进入水冷却装置阶段，利用水冷却至常温状态，PLA降温段圆管的形状稳定。

6 PLA降温段的生产效率分析

6.1 挤出模头对生产效率的影响

固定挤出模头下，随着挤出速度的提高，熔体剪切速率将提高，体积流量将增大，模头压力降将增大。剪切速率的提高也将改变熔体的黏弹性状况，熔体入口效应，离模膨胀等弹性现象也都会增强。在较低的挤出速度下已获得平衡的挤出模头，提高挤出速度后，将可能失去平衡，出现出料不均现象和型坯形状的畸变[17]。所以固定挤出模头对应一定的生产效率，若要提高PLA异型圆管挤出生产效率，必须改变挤出模头参数。

湖北中烟卷烟材料厂采用大口径挤出模头工艺，稳定控制挤出模头压力，挤出产量得到提升。目前，湖北中烟卷烟材料厂生产的PLA降温段产品规格为单支长度84 mm，升级挤塑装备的生产能力达到10 000支/小时，生产线速度已经达到14 m/min，较常规的异形管挤塑生产速度提高了3倍左右，生产效率得到了极大地提升。

6.2 定型套、真空度对生产效率的影响

挤出压力稳定的情况下，PLA异型圆管挤出生产效率取决于定型定径的时间，根据PLA圆管在定径套中定型降温过程，可以推算出PLA圆管的定型定径时间。

式中：

T—定径时间；

L—定径套长度；

V—牵引速度。

根据PLA降温段定型过程温度变化分析，一定范围的真空冷却水温条件下，PLA的定型定径时间基本不会发生变化。根据上述计算公式，若要提高PLA异型圆管的生产效率，必须延长定径套的长度，以满足PLA管材的定型定径时间需求。

此外，牵引机在生产方向有对PLA圆管牵引力的存在，而定径套管与PLA异型圆管之间存在反方向的摩擦力。真空度偏大，PLA圆管与定径套的间隙越小，摩擦力越大，生产效率下降，所以真空定型阶段的真空度控制也很重要。

6.3 PLA原料对挤塑生产效率的影响

PLA熔融加工温度范围窄，在挤出拉伸的时候熔体强度不够，容易发生拉伸断裂。PLA材料结晶度低，冷却定型速度慢，是导致PLA降温段产品生产效率不高的原因之一，在充分考虑挤塑装备工况良好的前提下，还应该关注PLA原料性能对挤出生产效率的影响。

不同PLA原料配方组成，不同颗粒形态PLA原料对挤出的稳定性、挤出速度都出现较明显的差异，其原因是不同PLA原料的熔点、结晶度、熔体强度等理化性质不同，适合于高速挤出生产的PLA原料应该具备以下几个技术特征：

（1）PLA原料的熔点温度尽可能低，利于后续的快速降温固化成型。

（2）PLA原料的熔融熔体强度好，利于成型的稳定性需求。

（3）PLA原料的结晶速度提高，缩短冷却成型速度时间。

（4）PLA原料的软硬度适中，利于滤棒产品复合需求。

7 总结

通过对PLA降温段异型管的产品结构设计，成型原理及成型冷却工艺及原料性质进行分析，建立了影响PLA降温异型管挤塑加工成型生产效率的关键工艺参数，如挤出模具、定型定径套管长度、真空度等。依据该系统技术思路，我们在湖北中烟卷烟材料厂进行了PLA降温产品挤塑生产工艺研究及量产化工作，得到了尺寸稳定的PLA降温段结构产品，并且成功应用到新型烟草滤棒产品中，为新型烟草的开发提供了有力支持。