卷烟接装胶的吸收性及对粘合性能的影响

2024-01-06李自娟王云霞赫婉莹王高升张正健王玉峰

中国造纸 2023年11期

吕萱李自娟苏巧王云霞李洁，* 张琪赫婉莹王高升，* 张正健王玉峰

（1.张家口卷烟厂有限责任公司，河北张家口，075000；2.天津科技大学轻工科学与工程学院，天津，300457）

卷烟用胶黏剂根据用途可以分为包装胶、接装胶和搭口胶等，其中接装胶作为主要胶黏剂之一，用于烟支接嘴的生产过程中，在卷接时通过接装胶将接装纸、滤棒以及烟支3 部分粘合在一起[1]。卷接质量一方面受接装纸性能以及设备操作条件等因素的影响，另一方面也受接装胶自身性能及上胶量的影响。不同接装纸表面特性及渗透特性存在较大差异[2]，不同接装胶对同一接装纸渗透性也不尽相同。接装胶与纸的粘合效果和接装胶在接装纸表面的渗透速率关系密切，若接装胶渗透速率低，由于胶黏剂的初粘性差，当受到外力作用时接装纸与滤棒发生位移而出现泡皱问题；若接装胶渗透速率快，使得胶膜固化快，可能会出现因粘合强度不够导致烟支漏气，甚至滤棒掉落的问题。因此，接装胶对卷烟机的生产效率及卷接质量影响较大。

目前接装胶与接装纸关联方面的研究主要有：陈岱峰等人[3]采用动态渗透分析仪对接装胶渗透特性进行了表征；张晶等人[4]建立了一种基于图像处理技术的测定接装胶自然渗透率的方法；熊安言等人[5]探究了接装胶施胶量对卷烟卷接质量的影响，研究发现较大的接装胶施胶量会使烟支的总通风率明显降低，卷烟焦油量、烟碱量和一氧化碳量升高。然而，卷烟接装胶与接装纸的相互作用的研究较少，接装胶的性能参数与接装纸之间的匹配性以及对上机过程的影响尚不明确[6]，因此，需对接装胶及接装纸的关联性开展进一步研究。本研究结合接装胶基本性能特点，针对接装胶与接装纸之间相互作用，系统研究影响接装胶粘合性能的关键因素，提出控制措施，为卷烟生产企业科学合理选配接装胶，提高产品质量及生产效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究所用的接装胶和接装纸样品均为卷烟企业的生产线所用商品。选用的2种接装胶样品，分别以“A”和“B”作为代号，均为水基型乳液；选用的接装纸样品采用四色凹版印刷和两色烫金，最后采用光油印刷完成上光，在实际生产中上机适用性良好。

1.2 实验方法

1.2.1 接装胶基本性能测定

参照标准YC/T 188—2004《高速卷烟胶》，将试样放置在温度为(23±2) ℃、相对湿度45%～85%的环境中平衡1 h以上，再进行检测。

（1）黏度：参照GB/T 2794—2022，使用黏度计（DV2T，美国Brookfield 公司），实验温度为(25±0.5) ℃，转速为20 r/min，使用63号转子进行测定。

（2）pH 值：使用酸度计（Sartorius PB-10，德国赛多利斯集团）参照GB/T 14518—1993进行测定。

（3）固含量：用称量瓶称取1 g 左右的试样，精确至0.001 g，将其放置温度在(105±2) ℃的烘箱（BAO-150A，上海施都凯仪器设备有限公司）中，干燥240 min 后取出，放入干燥器中冷却至室温后称量。重复上述操作，再次放入烘箱中干燥60 min，当连续2 次称量的差值≤干燥前试样质量的0.1%时，即试样已达恒质量。

（4）粒径：利用激光粒度仪（Mastersizer 3000，英国Malvem 仪器有限公司）进行测定，取适量样品加入经过背景测量的500 mL 分散介质（蒸馏水）中，使遮光率在5%～15%范围内，以中位粒子体积直径Dv(50)表示，结果取3次实验平均值。

（5）表面张力：使用界面张力测试仪（CVOK-1021，西瓦卡精密量仪（东莞）有限公司）参照GB/T 6541—1986进行表面张力测定。

1.2.2 接触角测定

动态接触角：按照烟草行业标准YC/T 424—2011 《烟用纸表面润湿性能的测定：接触角法》，以接装纸为基材（每组实验样品分别抽取5 张），接装胶或去离子水为测试液体，使用接触角测定仪（VCA optima 型，美国AST 公司）进行接触角测量，并记录5 s内非印刷面的接触角和图像。

1.2.3 动态渗透特性测定

分别裁取10 张（80 mm×60 mm）接装纸，使用动态渗透分析仪（PDA C02 型，德国Emtec 公司）HVL模块测试纸张渗透特性，在超声波频率为2 MHz条件下，分别使用接装胶或去离子水作为测试液体，测试接装纸非印刷面的动态渗透情况，并得出相应的特征参数tmax和t95。

1.2.4 初粘性测定

采用斜面滚球法，当钢球和试样被测面之间以微小压力发生短暂接触时，根据钢球在被测面上的滚动距离来评价初粘性大小，滚动距离越小则初粘性越大，记录钢球滚落距离30～200 mm间的数据。

初粘性测试步骤：①将初粘性测试仪（CNY-1，济南三泉中石实验仪器有限公司）调整为水平状态，然后调整其面板的倾斜角到指定角度（本研究设定为10°）并固定；②将接装纸按长度方向上裁成>220 mm试样；③将接装纸试样的非印刷面朝上，并固定在初粘性测试仪测试面板上，用滴管呈线状滴加胶黏剂在纸条的左侧距边缘10 mm 处，然后用22 号计量棒（RDS，美国）自左向右匀速刮涂，在纸条上形成一定厚度的胶膜；④刮涂接装胶后，迅速将放球器顶端与胶膜上端边缘刚好接触，同时按下秒表记录时间；⑤用镊子取适宜号码的钢球放入放球器中，根据粘合开放时间要求按压放球器，释放钢球使之在纸样表面滚动；⑥记录不同开放时间下钢球的滚动距离，以钢球滚动距离的大小来表示接装胶初粘性。

1.2.5 粘合强度测定

采用万能力学试验机（Instron 3369，美国英斯特朗有限公司）进行90°剥离强度测试。

（1）试样的制备：将干净平整的接装纸沿长度方向进行裁切，试样长度150 mm、宽度60 mm。首先，将裁切后的接装纸的非印刷面向上平铺在玻璃板上，用滴管呈线状滴加胶黏剂在纸条的左侧距边缘10 mm处，然后用22 号计量棒（RDS，美国）自左向右匀速刮涂，在纸条上形成一定厚度的胶膜。用秒表记录时间，在不同开放时间时，覆盖另外一张纸张（印刷面朝下）在涂胶样品表面，覆盖纸张预留至少90 mm长的非粘合部分，最后使用表面光滑辊匀速滚压试样的粘合部分，后于室温下固化，放置隔夜即可进行测试。

（2）测试过程：将制备好的试样固定在90°剥离强度测试夹具上，启动仪器后，上夹具以40 mm/min的恒定速度向上移动，同时下夹具在传送带的作用下向前移动，纸样粘合部分被拉扯开，至50 mm的剥离位移时测试结束，自动记录剥离力及变化曲线。

2 结果与讨论

2.1 接装胶基本性能

表1列出了2种接装胶基本性能数据，包括黏度、固含量、表面张力、pH值和粒径等。

表1 接装胶基本性能Table 1 Basic properties of cigarette tip adhesives

在卷接生产时，粘合是一个复杂的过程，影响因素多，既要考虑被粘物及卷烟胶的性能，又要考虑生产设备性能、参数等影响因素[7]。对于纸这种疏松多孔的材料，胶黏剂的黏度是非常重要的指标，胶黏剂在纸表面的渗透程度有重要影响，合适的黏度既能保证在纸表面有一定程度的渗透，又能保证被粘物之间有足够多的胶黏剂形成粘合层，以达到最佳的粘合效果。本研究所用2种接装胶黏度差别不大，均在3700 mPa·s左右。

固含量间接反映了接装胶有效成分的多少，由表1可见，2种接装胶固含量差异较大，接装胶A固含量比接装胶B高。当接装胶黏度大且固含量低时，可能会由于胶黏剂流动性差，形成较厚的胶膜，在上胶时脱水需要的时间长，从而影响粘合性能[8]。

本研究的接装纸非印刷面的表面张力>72 mN/m，而印刷面的表面张力较小只有38 mN/m，若要实现胶黏剂对接装纸表面良好的润湿，胶黏剂的表面张力须小于基材的表面张力[9-10]。由表1可知，接装胶A的表面张力43 mN/m，接装胶B 的表面张力58 mN/m，均小于非印刷面的表面张力，能够在非印刷面铺展。

接装胶pH 值范围一般在4～6 之间，过高或过低的pH 值会促进酯类单体的水解，而水解产生的羧酸又会干扰聚合，这将直接影响乳液的性能，同时也对乳液的贮存不利[11]。此外，过高或过低的pH 值，还会对卷烟设备有一定的腐蚀性。本研究所用的2种接装胶pH值差异不大，均在4.3左右。

对水基卷烟胶而言，若胶黏剂对被粘材料的渗透性能太强，胶膜厚度会变薄，粘合强度也因此降低，故性能良好的水基胶应具备合适的粒径[7]。从表1 可以看出，2种接装胶粒径差异也不大。

由表1 可知，所研究的2 种接装胶黏度、pH 值、粒径等基本性能指标基本相同，但固含量和表面张力有所差异。然而，在实际生产过程中发现2种接装胶的上机适用性不同，上述基本性能指标并不能全面反映接装胶实际上机使用的情况。为了进一步探究影响接装胶粘合性能的因素，本研究进行接装胶的动态接触角、动态渗透性、初粘性和最终粘合强度的分析测试，揭示接装胶和接装纸的相互作用机制。

2.2 接装胶的接触角分析

接装胶上胶方式一般是辊式涂胶，先将胶黏剂涂于接装纸非印刷面，运行一段距离后与印刷面和卷烟纸贴合，也就是说接装胶自涂胶到封合有一段开放时间，在这段时间内，接装胶将与接装纸发生一定的相互作用。首先研究接装胶在接装纸非印刷面的接触角随着时间的变化，以分析接装胶在接装纸表面的润湿和渗透，结果如图1所示。

图1 接装胶在接装纸表面的接触角随着时间变化Fig.1 Change of contact angle of cigarette tip adhesives on the surface of the tipping paper with time

接装胶与接装纸的粘合性能取决于润湿和次价键力，粘合剂在基材上的良好润湿性有利于获得好的粘合强度，而次价键力取决于胶黏剂与基材的化学基团。当接触角>90°时不能很好润湿，而当接触角<90°时能很好润湿，接触角越小表明润湿性能越好，从图1 中可以看出，当使用水作为测试液体时，初始接触角<90°，表明水对接装纸非印刷面能够较好的润湿；而当使用接装胶作为测试液体时，2 种接装胶初始接触角差异不明显，接装胶A接触角为133°，接装胶接触角B为135°，表明二者对接装纸表面不能很好地润湿。对于纸这种多孔性材料，液体在纸表面的接触角随时间变化，称之为动态接触角，动态接触角是液体对表面润湿和渗透的综合反映[12]。从图1 中还可以看出，使用水作为测试液体时，接触角随时间变化降低速率较快，表明水在接装纸非印刷面能够较好地润湿和渗透；而当使用接装胶作为测试液体时，在所测定的时间范围内，接触角随时间变化不明显，说明接装胶在接装纸表面不能很好地润湿和渗透。

胶黏剂在纸表面的润湿和渗透有利于提高胶黏剂与基材的接触面积，从而获得好的粘合强度。然而，黏度高的接装胶流动性差，在接装纸非印刷面铺展和渗透的阻力大，因此，和黏度低的水比较，接装胶的接触角随时间的变化速率小，导致接装胶在接装纸表面润湿和渗透慢。在实际应用中，采用辊式涂胶的方式上胶，涂胶时产生的剪切力和压力促进了接装胶在接装纸表面上的铺展和渗透，外部作用力的存在削弱了接触角对于润湿和渗透的预测价值。因此，在实际粘合操作时，虽然通过动态接触角有助于判断接装纸的吸收性[2]，但仅通过胶黏剂的接触角变化并不能很好地对接装胶的润湿和渗透性能进行预测，进而不能准确判断接装胶上机适用性的好坏。

2.3 接装胶的动态渗透分析

Ohndorf 等人[13]研究认为基于超声波测量的动态渗透法可以用来预测粘合性能。为了更加深入的了解接装胶在接装纸表面的润湿和渗透情况，使用动态渗透仪测定了所研究的2种接装胶在同一种接装纸上的动态渗透曲线（图2），通过特征曲线可以直观地反映液体在纸张润湿及渗透情况[14-15]。在同一条件下，与水的动态渗透曲线（图2）相比，3 种测试液体的动态渗透参数如表2所示。

图2 接装胶的动态渗透曲线Fig.2 Dynamic permeation curves of cigarette tip adhesives

表2 接装胶的主要动态渗透特征参数Table 2 Main dynamic penetration characteristic parameters of cigarette tip adhesives s

由表2 可知，水的渗透曲线和接装胶的渗透曲线有明显的差异，其tmax值和t95值更小，说明水在接装纸表面渗透更快，主要原因是水的黏度比接装胶低得多，这和动态接触角测定结果一致。对于接装胶A和接装胶B，其动态渗透曲线也存在差异，接装胶A 的tmax值和t95值比接装胶B小，说明接装胶A在接装纸中更快的完成渗透。由于超声波在空气、液体和固体中传播强度不同，在胶黏剂与纸张表面接触的短时间内，纸张表面被润湿，表面空隙被胶黏剂中的固体物质和水填充，超声波强度随纸张表面空隙的填充而逐渐增加。由于接装胶A具有高的固含量和低的表面张力，会更快的达到tmax值。与此同时，因纸张中纤维吸水润胀而导致纤维间空隙扩张[16]，使得超声波强度下降，吸水速度越快，超声波强度下降就越快。接装胶A的t95值更小，说明其中的水分更快地被纤维吸收而润胀。也就是说，接装胶A中的水分可以更快地被纸吸收，从而增加胶黏剂的黏性，以达到良好的粘合效果。Dohr 等人[17]研究也认为tmax值与粘合强度有一定的相关性，tmax值越小，最终粘合强度越大。

2.4 接装胶的初粘性研究

高速卷烟机要求接装胶必须具有良好的初粘性及粘合强度，避免成品烟支出现褶皱、泡皱、翘边、漏气和掉头等质量问题。在粘合过程中，主要影响因素包括上胶开放时间、封合时间、封合压力、上胶量和温度等[18]。本研究采用斜面滚球法，研究了上胶开放时间对初粘性的影响，接装胶A 和接装胶B 在接装纸非印刷面的初粘性随开放时间变化如图3 所示。从图3 可以看出，2 种接装胶的初粘性变化趋势相似，随着上胶开放时间的延长，初粘性先上升，到达最高点并维持一段时间后，又开始下降。在3 s 左右时，接装胶A 初粘性开始上升，5 s 时初粘性最大并维持至6 s，随后开始下降并于8 s后超出量程（200 mm）；接装胶B 也是在3 s 左右时进入初粘性量程范围，随着开放时间延长，在9 s 时初粘性最大，随后初粘性逐渐下降。接装胶A 最大初粘性时的开放时间为5～6 s，而接装胶B 最大初粘性时的开放时间为8～9 s，达到最大初粘性的时间窗口与胶黏剂在纸表面的吸收密切相关，胶黏剂中水分吸收越快，则到达最大初粘性的时间窗口越早。由表1 可知，2 种接装胶最明显的区别是固含量的差异，水分含量越高，胶液成膜需要的时间越长，因此，接装胶中固含量会直接影响接装胶初粘性的变化。采用斜面滚球法进行初粘性实验，上胶时采用计量棒涂胶，与实际生产辊式涂胶操作相似，通过该方法对接装纸和接装胶进行上机适用性判断更有意义。

图3 接装胶的上胶开放时间对初粘性的影响Fig.3 Effect of the opening time of cigarette tip adhesives on the initial adhesion

2.5 接装胶的粘合性能

本研究同时探讨了上胶开放时间对接装胶的最终粘合强度影响。选取初粘性研究中确定的关键时间点进行了90°剥离强度测试，上胶开放时间对剥离强度的影响如图4 所示。从图4 可以看出，随着开放时间增加，接装胶A 剥离强度先微小增加，在6 s 时剥离强度达到最大值约2.5 N，继续延长开放时间，剥离强度开始下降，对比图3可知，6 s同时也是接装胶A初粘性最大的开放时间；接装胶B的剥离强度随着开放时间增加，与接装胶A剥离强度变化相似，只是接装胶B 在9 s 时剥离强度达到最大值约2.3 N，此时其初粘性也最大，继续延长开放时间，剥离强度开始下降。因此，不同的接装胶，不但初粘性最大时开放时间不同，即使开放时间相同，最终粘合强度也不同，如在开放时间9 s 时，高固含量的接装胶A 在接装纸表面形成比较干的固化层而使初粘性迅速下降，最终粘合强度也低。

图4 接装胶的上胶开放时间对粘合强度的影响Fig.4 Effect of the opening time of cigarette tip adhesives on the adhesion strength

粘合强度的大小取决于胶黏剂的内聚力、胶黏剂与纸的结合力以及纸张表面强度，为了检验纸张之间的粘合效果，除了进行剥离强度测试外，纸张中纤维撕裂破坏通常也被用做判断粘合强度好坏的方法，一般认为没有任何纤维撕裂或撕裂的表面破损<50%作为粘合强度不能达到使用要求的标准。剥离实验完成后样品的印刷面破损情况如图5 所示，在3 s 时，接装胶A 粘合样品的印刷面涂层部分破损，比接装胶B要严重的多；在5、7和9 s时，接装胶A和接装胶B粘合样品的印刷面涂层破损范围均比较大，此时的剥离强度大；继续延长开放时间，样品的印刷面涂层破损变小，和图4所测定的剥离强度变化趋势基本一致。

图5 剥离测试时接装纸表面的破损情况Fig.5 Fracture of the surface of tipping paper during peel testing

从上述分析可知，上胶开放时间直接影响粘合效果。当接装胶在接装纸表面初粘性最大时，进行封合操作所得最终粘合强度高；在到达最大初粘性之前进行封合，对粘合强度影响不大，但由于此时胶黏剂含水量大，可能导致烟支过滤嘴处出现位移、泡皱等质量问题；当上胶开放时间超过最大初粘性的开放时间窗口时，进行两面封合操作，由于胶黏剂过度脱水使得表面胶膜逐渐失去黏性，出现因粘合效果差而导致的漏气翘边、粘合不牢等问题。

接装胶进行粘合操作时，存在一个最佳的开放时间，超过该时间剥离强度下降可能造成粘合不良的问题。开放时间与接装胶在接装纸表面的吸收速度密切相关，与接装胶和接装纸的性能均有关系，可以用来表征胶和纸相互作用。通过初粘性实验，研究接装胶和接装纸的适配性，得到上机开放时间与初粘性的关系，实现在上机前对接装胶与接装纸之间粘合效果进行预测，对进厂原材料的质量和稳定性进行控制，也可以为卷烟机参数设置提供依据。同时，上胶开放时间与卷烟机的运行速度有关，速度越快，开放时间就越短，因此，需要针对卷烟机的运行速度，选择适合的接装胶，避免出现成品质量缺陷及材料损耗。