改性聚乳酸纖維濾棒上機適應性研究

王濤，岳保山，龔為民，王浩，魏宏，詹建波，桂永發，張靜，李賡

（云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650000）

0 引言

聚乳酸在纖維的物理、化學性能方面與醋酸纖維十分相似[1]，但聚乳酸纖維具有低成本、高降解率、化學穩定性高等諸多優點，可以實現與常用的醋酸纖維絲束應用于卷煙時相近的抽吸體驗，是現在應用廣泛的醋酸纖維濾棒的潛在替代材料[2]。國內學者對于聚乳酸纖維濾棒的研究多集中在專利[3-7]階段，開發的濾棒產品并未實際在卷煙產品中應用[8-11]，沒有進行相關的卷煙生產試驗。筆者通過開展聚乳酸纖維濾棒在濾棒發射機、管道風送、煙支卷接、廢煙支回收等決定聚乳酸纖維濾棒能否實現大規模應用密切相關工序的上機適應性，以及其對卷煙產品外觀、物理質量影響的研究，研究改性聚乳酸纖維的上機適應性、聚乳酸纖維濾棒卷煙產品質量特性以及廢煙支回收可行性，旨在為聚乳酸纖維濾棒卷煙實現大規模工業應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、設備

實驗材料為改性聚乳酸纖維濾棒、醋酸纖維濾棒。實驗設備包括濾棒成型機KDF2（德國Hauni公司）、濾棒發射機Filtromat-s 2A Nr.856（德國Hauni公司）、Passim 12K卷煙機（英國Molins公司）、Protos 90S卷煙機（德國Hauni公司）、Protos 70s卷煙機（德國Hauni公司）、濾棒綜合測試臺Sodim 74Lin29（法車Sodim公司）。

1.2 方法

為考察改性聚乳酸纖維濾棒的工業適用性、保證大規模工業生產，作者通過對比分析改性聚乳酸纖維濾棒、醋纖濾棒在發射機故障率、輸送管道停機故障率，輸送后濾棒的外觀、物理質量，不同類型卷煙機上機適應性，卷煙產品質量、廢煙支回收等與濾棒加工相關的所有工序的不同特點，考察利用改性聚乳酸纖維濾棒取代醋酸纖維濾棒大規模生產的可行性。

2 結果與討論

2.1 濾棒在發射段及輸送管道中運行情況研究

濾棒在正常發射過程中，由于濾棒皺頭、表面折皺等質量缺陷會造成濾棒夾在發射機內，導致發射故障停機，還會造成輸送管道出現堵管故障，使濾棒不能正常供給，影響到卷煙的正常生產。根據發射機、輸送管道的停機故障率要求，正常發射濾棒的夾棒、輸送管道停機故障率應分別低于7次/百萬支、2次/百萬支[12-14]。針對濾棒在發射機運行過程中易出現的夾棒、輸送管道過程中的堵管情況，本文選取了5臺發射機對846萬支乳纖濾棒，連續發射情況以及在輸送管道中的運行情況進行跟蹤統計，并通過與發射相同數量的醋纖濾棒故障率進行對比統計，結果如圖1、圖2所示，表明乳纖濾棒與醋纖濾棒故障率接近，能夠滿足大規模的工業生產。

圖1 改性聚乳酸纖維濾棒與常規濾棒接收機堵管故障率對比圖Fig.1 Failure rate comparison of plugging tube between modified and conventional polylactic acid fiber rod receiver

圖2 改性聚乳酸纖維濾棒與常規濾棒在輸送管道中故障率對比圖Fig.2 Comparison of failure rate of modified and conventional polylactic acid fiber rod in pipeline

2.2 乳纖濾棒發射后質量情況研究

濾棒通過發射機和輸送管道進入卷煙機的過程中，由于機械摩擦和碰撞會對濾棒的外觀質量造成影響，通常是表面折皺和皺頭，從而影響卷煙機生產效率和煙支質量。

通過將符合質量要求的乳纖濾棒和醋纖濾棒分別裝入發射機料斗，經過發射機、發射管道和接收機后進入卷煙機料斗，本文對5臺發射機發射乳纖濾棒的外觀質量情況每臺隨機抽取20組共2000支樣品分別檢驗，對發射過程中由機械摩擦和碰撞造成的外觀質量缺陷與抽樣總數的百分比進行匯總統計，并與醋纖濾棒對比，見表1。

表1 不同濾棒外觀質量缺陷率對比統計表（單位：‰）Table 1 Statistical comparison of the appearance quality defects of different filter rods (unit: ‰)

由表1可知乳纖濾棒和醋纖濾棒表面折皺的平均值基本一致，變異系數優于醋纖濾棒，乳纖濾棒皺頭的平均值優于醋纖濾棒，變異系數與醋纖濾棒基本一致，因此乳纖濾棒與醋纖濾棒的發射質量接近，可以滿足濾棒發射的工業化需求。

2.3 煙支卷制段工業應用研究

為了考察濾棒在不同卷煙機型的上機適應性、卷煙產品質量是否滿足生產工藝要求以及乳纖濾棒對煙支卷制的影響，本文在Passim 12K和Protos 90S卷煙機進行了批量工業試驗，運行時間為一個班次（8小時），考察使用乳纖濾棒卷制卷煙的設備運行情況、產品的物理指標及外觀質量，并與醋纖濾棒進行了比對。

2.3.1 Passim 12K、Protos 90S卷煙設備運行情況

試驗前對設備進行了整體清潔，更換新的圓切刀，排除故障隱患后開機試驗，正常速度下運行8小時，Passim 12K未發生受濾棒影響導致的故障停機，Protos 90S發生1次因夾濾棒導致的故障停機。8小時后停機檢查濾棒圓切刀情況：Passim 12K切刀表面清潔無膠，刀口保持鋒利，刀盤四周保持清潔，無明顯的絲束碎屑堆積，乳纖濾棒樣品的上機適應性良好。Protos 90S切刀表面粘附有少量膠皮，刀口保持鋒利，刀盤四周保持清潔，無明顯的絲束碎屑堆積。

乳纖設備效率與醋纖設備效率對比如表2、3所示，結果表明乳纖濾棒設備運行穩定，設備效率略高于醋纖濾棒，上機適應性好。

表2 乳纖與醋纖嘴棒的機臺對比情況表Table 2 Comparison of lactic acid fiber and acetate fiber making machines

表3 實驗機臺與正常使用醋纖嘴棒的機臺對比情況表Table 3 Comparison of experimental and conventional acetate fiber making machines

2.3.2 卷煙產品物理指標

乳纖濾棒樣品在Passim 12K、Protos 90S卷煙設備上機試驗8小時，每隔一小時隨機抽取20支煙支樣品進行物理指標檢測，如圖3、4所示。

圖3 PASSIM 12K卷煙機煙支物理特性標偏控制圖Fig.3 Control chart for physical characteristics of PASSIM 12K cigarette making machine

以醋纖濾棒煙支的物理指標為參考標準，乳纖濾棒煙支各項物理指標平均值與標準平均值接近且標準偏差較小，表明乳纖濾棒各項指標符合標準且波動較小,對卷煙物理特性無明顯的影響。

2.3.3 外觀質量

圖4 PROTOS 90S卷煙機煙支物理特性標偏控制圖Fig.4 Control chart for physical characteristics of PROTOS 90S cigarette making machine

分別隨機抽取Passim 12K和Protos 90S卷制的樣品煙支各10組共2000支進行外觀質量檢驗，結果表明：煙支濾棒切口光滑平齊、無毛茬；煙支接裝紙表面光滑無皺紋；剝離煙支段和濾嘴段檢查，未發現漏氣煙。乳纖濾棒從濾棒切割到與煙支的搓接，均對煙支的外觀質量無明顯影響。與使用醋纖濾棒的煙支外觀質量比較，兩者無明顯差異。

2.4 乳纖濾棒卷煙工業生產應用情況

將乳纖濾棒用于卷煙工業生產，使用5臺Protos 70S卷煙設備連續生產三個班次18個小時，共計772.2箱卷煙（3861萬支成品卷煙），通過多機臺設備的連續生產，考察了乳纖濾棒卷煙工業生產應用的設備運行情況、產品的物理指標及外觀質量，并與醋纖濾棒進行了比對。

2.4.1 乳纖濾棒卷煙批量生產設備運行情況

本次批量生產在5臺Protos 70S 卷煙設備上連續生產了772.2箱共計3861萬支成品卷煙。與使用醋纖濾棒生產的設備有效作業率、廢品率兩項技術指標進行對比統計，如下表4所示。

表4 不同濾棒卷煙生產統計表Table 4 Production statistics of different filter rod cigarettes

生產前對設備逐一進行了整體清潔，更換新的圓切刀，排除故障隱患后開機生產，正常速度下運行，未發生受濾棒影響導致的故障停機，生產結束后停機檢查濾棒圓切刀情況：切刀表面清潔無膠，刀口保持鋒利，刀盤四周保持清潔，無明顯的絲束碎屑堆積，乳纖濾棒的卷煙上機適應性良好。設備平均有效作業率：91.92%，廢品率：0.044 kg/萬支，本批次試生產使用乳纖濾棒的卷煙設備有效作業率、煙支廢品率與使用醋纖濾棒生產的無明顯差異。

2.4.2 乳纖濾棒卷煙批量生產煙支外觀質量分析

在生產過程中對5臺設備每臺隨機抽取10組卷煙成品（每組20支）共1000支進行煙支外觀質量檢驗，檢驗情況如下：本次批量生產乳纖濾棒煙支切口無縮頭、無毛茬；煙支接裝紙表面光滑無皺紋；剝離煙支段和濾嘴段檢查，未發現漏氣煙。以上結果表明：乳纖濾棒從濾棒切割到與煙支的搓接，均對煙支的外觀質量無影響。

2.4.3 乳纖濾棒卷煙批量生產煙支物理指標分析

為考察乳纖濾棒對煙支物理指標的影響，隨機抽取30組樣品（每組20支）進行檢測，以醋纖濾棒煙支的物理指標為參考標準，對抽樣檢驗的乳纖濾棒生產的煙支物理特性逐一進行分析：

圖6 乳纖濾棒煙支吸阻分析圖Fig.6 Analysis diagram of suction resistance of lactic acid fiber filter rod

乳纖濾棒卷煙的煙支重量整體較使用醋纖濾棒的煙支重量偏重，平均超出標準中心值約34.7 mg，由于改性聚乳酸絲束的規格為4.5Y/45000，而醋纖絲束規格為3.5Y/34000，因此對卷制后的煙支單支重量產生了影響。乳纖濾棒煙支的吸阻明顯高于醋纖濾棒煙支的吸阻，平均高出170 Pa。由于醋纖濾棒的吸阻為3700 Pa，乳纖濾棒的吸阻為4200 Pa，因此，為適應生產需要，標準制定部門將根據乳纖濾棒規格重新制定相應的吸阻標準。

圖7 乳纖濾棒煙支圓周分析圖Fig.7 Circumferential analysis chart of lactic acid fiber filter rod

圖8 乳纖濾棒煙支長度分析圖Fig.8 Length analysis chart of cigarette filter rod

由于乳纖濾棒與醋纖濾棒的圓周、長度指標相同，因此乳纖濾棒對煙支圓周、長度指標未有直接影響，煙支的圓周、長度控制在參考標準中心值上限波動，主要是由于設備波動引起的，均控制在參考標準范圍內。由于乳纖濾棒與醋纖濾棒的長度指標相同，因此乳纖濾棒對煙支長度指標未有直接影響。

2.5 廢煙回收段工業應用研究

通過對乳纖嘴棒的煙支回收技術研究，以驗證乳纖嘴棒煙支在回收處理過程中設備運行情況是否正常，回收后的煙絲中是否含有濾棒絲束。考察了設備運行情況以及回收煙絲質量是否符合工藝標準要求。廢煙回收工藝流程圖見圖9：

圖9 廢煙回收工藝流程圖Fig.9 Recovery process flow chart of waste cigarette

2.5.1 廢煙回收段設備運行情況分析

使用1000 kg乳纖濾棒紅梅（白）煙支，按照現行醋纖濾棒卷煙使用的廢煙回收段工藝標準，連續生產1小時，考察了廢煙回收段設備運行情況，主要技術參數情況見圖10、11。

表5 隨機抽樣工藝指標數據統計表Table 5 Statistical tables for random sampling process indicators

圖10 煙絲干燥滾筒壓力曲線圖Fig.1 0 Pressure diagram of tobacco drying cylinder

圖11 回潮溫度曲線圖Fig.1 1 Curve of moisture regain temperature

從圖10、11分析：從投料開始到煙絲回收結束，設備運行參數均符合工藝標準要求，設備運行正常，無異常波動導致的故障，整個生產過程處于穩定狀態，表明使用現有設備即可對乳纖濾棒卷煙進行廢煙回收。

2.5.2 回收煙絲質量分析

對乳纖濾棒煙支進行回收煙絲過程監控，通過對各項工藝指標的隨機抽樣檢驗，跟蹤考察回收煙絲的質量波動情況，對連續生產1小時的回收煙絲間隔5分鐘隨機抽取100 g樣品進行檢驗，各項工藝指標數據如表5所示。

煙支回潮出口水分，回收煙絲含水率均符合正常生產的工藝要求。將處理后的回收煙絲取樣，采用分檢法測得回收煙絲含雜率為0.14%，其中所含雜物主要以卷煙紙為主，未發現有嘴棒絲束等雜物。將回收后的嘴棒卷煙紙取樣，采用分離法將嘴棒卷煙紙中剩余的煙絲分離稱量，廢紙含煙絲率為5.5%，各項技術指標均在工藝標準要求范圍內，通過連續跟蹤檢驗，乳纖濾棒煙支回收煙絲質量良好，無異常波動。

2.5.3 與醋纖濾棒回收煙絲質量對比分析

本文選取與濾棒質量相關的兩項工藝指標（回收煙絲含雜率、廢紙含煙絲率）進行對比分析，使用醋纖嘴棒的紅梅回收煙絲數據來源為同步的正常抽樣數據。回收煙絲含雜率對比分析情況，見圖12。

圖12 回收煙絲含雜率對比圖Fig.1 2 Comparison of impurity content of recovered tobacco

通過對比分析，乳纖嘴棒的回收煙絲含雜率為0.14%，醋纖嘴棒的含雜率為0.15%，兩者無明顯差異。在工藝要求范圍內，雜物主要以卷煙紙紙片為主，雜物中無濾棒絲束。結果表明，乳纖濾棒的煙支對煙絲回收含雜率無明顯影響。廢紙含煙絲率對比分析情況，具體見圖13。

圖13 廢紙含煙絲率對比圖Fig. 13 Contrast chart of tobacco content in waste paper

通過對比分析，乳纖濾棒的回收煙絲廢紙含絲率為5.5%，醋纖濾棒廢紙含絲率為5.4%，兩者無明顯差異。結果表明，乳纖濾棒對煙絲回收的廢紙含絲率無明顯影響。

3 結論

（1）乳纖濾棒能滿足濾棒發射的生產要求，濾棒外觀質量符合工藝要求，與發射醋纖濾棒的生產情況進行對比，兩者無明顯差異；

（2）乳纖濾棒在不同卷煙機型的上機適應性良好，煙支質量無異常波動。在紅梅（白）品牌上連續批量生產，設備有效作業率和廢品率均能達到工業化生產的要求，煙支質量保持穩定，滿足煙支卷制的工藝要求；與使用醋纖濾棒的生產情況相比，無明顯差異；

（3）考察了乳纖濾棒煙支的廢煙回收情況，生產過程中設備運行穩定，回收煙絲含雜率和廢紙含煙絲率均滿足工藝指標要求，與醋纖濾棒的工藝指標相比，兩者無明顯差異，說明聚乳纖濾棒煙支對廢煙回收無明顯變化。