外加纖維對再造煙葉產品質量和生產穩定性影響的研究

吳宇航，胡嘉維，傅源鋒，周冀衡，李思東

(1.湖南農業大學 煙草學院，湖南 長沙 410128；2.廣東省金葉科技開發有限公司，廣東 汕頭 515100；3.廣東海洋大學 化學與環境學院，廣東 湛江 524088)

作為卷煙不可或缺的原料之一，造紙法再造煙葉既可以將原先不能利用的卷煙廢次原料(煙末、煙梗、煙碎片、煙棒、低次煙葉等)進行二次利用，又因其獨特的減害降焦功能，實現了廢次原料的“變廢為寶”[1-5]。

造紙法再造煙葉主要原料的煙梗、煙末，其本身具有綜纖維含量少，雜細胞多，且纖維平均長度短，僅靠梗、末兩種原料不足以滿足紙機運行的基本物理強度。因此一般在制備造紙法再造煙葉的過程中需要添加一定比例的外加纖維，以保證紙機的正常運行，同時還可在一定程度上改善基片的物理性能[6-10]。關于外加纖維在再造煙葉中的應用，行業研究者進行了大量的研究，其研究重點主要集中在外加纖維加入比例和特殊功能纖維的使用[6-10]，但是對于如何用好外加纖維從而使再造煙葉的產品品質、生產能力等方面得到提升卻少見報道。在實際生產中，外加纖維加入比例變化往往會對再造煙葉的產品風格、吸味等評吸質量造成影響[11-12]，不能一味通過對外纖使用比例調節來穩定生產過程。

本論文從外加纖維本身纖維特性出發，研究其對漿料和成紙物理指標的影響，通過對比實驗，使纖維分布和抗張指數實現數據化并有效關聯，對后續再造煙葉的研究、發展起到引領、指導作用，能夠幫助產業優化升級，提升再造煙葉對卷煙的貢獻。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設備

原料：亞麻漿板(SM，國產)、漂白針葉木漿板(銀星，智利)、成品漿(廣東省金葉科技開發有限公司)。

設備：瓦利打漿機(AT-WL，山東安尼麥特)，實驗室抄片機(JH-CPJ-01，東莞精華)，鼓風干燥箱(SHKTYQ，河北坤天)，圓形定量取樣器(ZB-DLD100，浙江紙邦)，取樣刀(HK-202T，廣東恒科)，叩解度(濕重)檢測儀(ZB-DJ100，浙江紙邦)，纖維分析儀(Morfi compact，法國Techpap)，抗張強度測試儀(ZB-WL30，浙江紙邦)，分析天平(感量：0.001 g，瑞士Mettler Toledo)，紙張厚度儀(ZBH-4，浙江紙邦)。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維疏解

依照瓦力打漿機對漿板的標準操作，分別對針葉木漿板和亞麻漿板進行標準纖維解離[13]。

1.2.2 纖維打漿

1.2.2.1 打漿方式

依照瓦力打漿機對漿板的標準操作[13]，使用瓦力打漿機在轉速(498±12)r/min、定刀進刀杠桿施加8kgf的條件下，對已經解離的漿料進行打漿[12]，并按照一定時間間隔進行取樣。

1.2.2.2 取樣方式

1)打漿度測試儀取樣：依照肖伯爾打漿度儀測試要求[14]，每次取2 g絕干樣品，對應漿料量為125 mL。

2)抄片成型樣品取樣：依照生產線基片定量標準(60±5)g/m2，每次取1.83 g絕干樣品，對應漿料量為115 mL。

1.2.3 檢驗檢測

1.2.3.1 漿料分析

1)打漿度曲線繪制：根據漿料叩解度、濕重隨時間的變化情況繪制打漿度曲線[13]。

2)纖維分析：使用纖維分析儀對所取漿料樣品進行纖維分析。

1.2.3.2 基片分析

1)基片抄造：將所取樣品用實驗室紙頁成型設備抄造成定量(60±5)g/m2的基片。

2)基片物理性能測試：物理性能(定量、抗張指數、抗張強度、松厚度)的測定均按相應國家標準進行[13]。

2 結果與討論

不同種類的外加纖維有著不同的加工特性，通過實驗可以更好的掌握其特性，有利于在實際生產中采用相應的工藝進行處理。國內造紙法再造煙葉普遍接受、認可的外加纖維主要包括木漿和麻漿兩大類，本研究選擇在木漿和麻漿中具有代表性的針葉木漿和亞麻漿進行研究。

2.1 叩解度曲線與濕重曲線

針葉木漿與亞麻漿的取樣時間如表1所示[13]。

表1 單一漿和混合漿的取樣時間

注：*混合漿中亞麻漿和針葉木漿的含量都是5%。

叩解度曲線(又叫打漿曲線)是漿料纖維在一定的打漿條件下，經過不同的打漿時間測定各叩解度值繪制而成，它可以描述漿料纖維在打漿過程中脫水難易程度的變化情況[15]。

圖1 叩解度變化曲線

如圖1a所示，針葉木與亞麻具有完全不同的叩解度曲線。亞麻隨著打漿時間的延長，叩解度上升迅速，其變化接近線性遞增；而針葉木隨著打漿時間的延長，叩解度前期上升緩慢，但在150min左右出現拐點后上升迅速。

圖1b是亞麻和針葉木按5%比例加到成品漿后測得的叩解度，兩條曲線都呈現先降低后升高的趨勢。亞麻漿在90min之前，叩解度均低于成品漿，所以前期亞麻漿對混合漿料叩解度影響較小，而隨著打漿時間進一步延長，在150min時亞麻漿叩解度上升到70.00 °SR(見圖1a)，也導致了混合漿叩解度達到了56.50 °SR，大大超過成品漿叩解度(53.25°SR)。而針葉木漿打漿300min后，叩解度只達到47.25 °SR(見圖1a)，它的混合漿叩解度在270min時也達到了56.75 °SR，在300min時又降回到接近成品漿的叩解度。

漿料纖維的濕重可以間接反映漿料的纖維長短程度。濕重曲線是漿料纖維在一定的打漿條件下，測定經過不同的打漿時間后的濕重值繪圖而得，它可以描述漿料纖維在打漿過程中相對纖維長度的變化情況[13,15]。結果如圖2所示。

圖2 濕重曲線

如圖2a所示，針葉木與亞麻的濕重均隨打漿時間的延長而下降，從下降幅度上看亞麻要大于針葉木，從下降趨勢上看，針葉木可近似擬合成一直線(R2=0.69>0.4)，亞麻則在60min左右出現拐點，后期降幅趨緩。圖2b是亞麻和針葉木按5%比例加到成品漿后測定的濕重曲線，隨著打漿時間的增加濕重緩慢降低，在整個打漿時間里，混合漿料濕重最低為2.690g，仍然大大高于成品漿濕重(2.335g)。亞麻漿濕重平均提高2.525 g，針葉木濕重平均提高1.365g，亞麻漿效果更好。

綜上，可以推斷出，在打漿過程中亞麻的纖維潤脹和纖維切斷作用較為明顯，分絲帚化較少，濾水性能下降快，而在打漿過程中針葉木主要體現在纖維潤脹和分絲帚化，纖維切斷作用較少，濾水性能下降慢。在再造煙葉實際生產工藝中，外加纖維存在混合磨漿和分開磨漿兩大類。對于亞麻漿，打漿時間不宜過長，進刀功率不宜太大。對于低濃混合磨漿來說，應該在后面兩級磨漿加入，適度切短；而對于分開單獨磨漿來說，應該用較低的進刀功率，采用較寬的磨片寬度，避免后面與煙草漿料混合后導致叩解度上升過快。對于針葉木來說，無論哪種磨漿方式，都應適當延長打漿時間，增加進刀功率，采用較窄的磨片寬度，切短纖維，減少成漿時纖維絮聚，提高成紙勻度[16]。

2.2 抗張指數和松厚度的變化

抗張指數指的是在單位定量下紙張的抗張強度。對于再造煙葉產品并沒有特殊的抗張指數要求[17]，但是對于實際生產來說，良好的抗張指數有利于改善生產穩定性，提高紙機車速，降低生產能耗。

圖3 抗張指數變化曲線

如圖3a所示，打漿初期，亞麻與針葉木所抄造的基片抗張指數差異不大，隨著打漿時間的延長，針葉木與亞麻所抄造的基片抗張指數均快速上升，但針葉木的抗張指數上升幅度要高于亞麻。由圖3b可知，混合漿的抗張指數都隨打漿時間的延長而提高，對比成品漿分別提升9.46%～84.13%和10.59%～37.99%。

松厚度是指一定重量的紙的體積，在數值上是緊度的倒數，單位為cm3/g，表示紙張疏密程度的一個指標[13]。在再造煙葉生產中，常用其來表示基片的疏松程度，間接說明基片的吸液性能。

圖4 松厚度變化曲線

如圖4a所示，在整個打漿時間內亞麻成紙松厚度均高于針葉木，隨著打漿時間的延長，兩種外加纖維成紙松厚度均呈現下降趨勢，打漿150min后，針葉木成紙松厚度變化不大，趨于平衡。由圖4b可知，混合漿成紙松厚度均在成品漿松厚度上下波動，添加針葉木的混合漿成紙松厚度平均值2.613 cm3/g，高于成品漿(2.565 cm3/g)，而添加亞麻的混合漿成紙松厚度平均值2.472 cm3/g，低于成品漿。

綜上，外加纖維單獨磨漿時所呈現出來的磨漿特性具有特定的趨勢，抗張指數隨著打漿時間的延長不斷上升，并在一定時間達到最大值，松厚度隨著打漿時間的延長而下降，最后趨于平緩。但是當外加纖維與煙草漿混合后，其磨漿特性發生了改變。針葉木可以有效提高抗張指數且不會造成松厚度的減少，亞麻對抗張指數的提高有限且會造成松厚度略為降低。

2.3 纖維質量分析

2.3.1 纖維分析

纖維質量是評價漿料優劣的重要指標，本研究用Morfi compact纖維質量分析儀分析其纖維形態指標，檢測結果分析如表2～3。

表2 針葉木混合漿的纖維質量分析

注：混合漿1～9分別為成品漿按5%比例添加0,60,120,150,180,210,240,270,300min打漿時間的針葉木漿。

表3 亞麻混合漿纖維質量分析

注：混合漿1～6分別為成品漿按5%比例添加0,30,60,90,120,150min打漿時間的亞麻漿。

差值均值指添加不同打漿時間針葉木、亞麻后混合漿檢測數值與成品漿檢測數值的絕對差值的平均值，差值變化率是差值均值除以成品漿檢測數值。

表4 對抗張指數的影響顯著性檢驗

從表2和表4可以看出，在針葉木混合漿纖維質量分析結果中，纖維數均長度、纖維重均長度、碎末所占面積百分比這三個差值變化率較大。通過t檢驗，其中纖維數均長度和纖維重均長度的影響顯著，說明這兩個項目對抗張指數的影響較大。從表3和表4可以看出，在亞麻混合漿纖維質量分析結果中，碎末所占面積百分比這個差值變化率較大。通過t檢驗，碎末所占面積百分比對抗張指數的影響不顯著。

2.3.2 纖維平均長度

圖5 重均、數均纖維長度曲線

圖5是纖維的重均、數均纖維長度曲線，如圖5a和5b所示，隨著打漿時間的延長，針葉木和亞麻纖維的重均纖維長度(纖維長度與相應質量乘積的總和/纖維的總質量)和數均纖維長度(纖維的長度總和/纖維總根數)均呈現下降趨勢，且針葉木重均、數均纖維長度要遠長于亞麻。圖5c和5d是混合漿的重均纖維長度和數均纖維長度，與成品漿比較，針葉木和亞麻混合漿重均纖維長度分別提升15.47%、1.38%，數均纖維長度分別提升9.45%和，0.34%，重均纖維長度相對標準偏差分別為1.89%、2.79%，數均纖維長度的相對標準偏差分別為1.40%、1.27%，均小于5%。可以認為針葉木可顯著提升成品煙草漿的平均纖維長度，而亞麻對提升成品煙草漿的平均纖維長度作用較小。

綜上，對比重均長度與數均長度變化可以發現，針葉木數均長度的降幅在150min后要大于重均長度的降幅，而亞麻的數均長度和重均長度則均勻的下降。這說明在磨漿過程中，前期針葉木以吸水潤脹、分絲帚化為主，后期則以切斷作用為主，而亞麻漿在這個過程中更多的是呈現切斷作用，導致纖維平均長度持續下降。

同時，無論是重均長度還是數均長度，不管是起始數值還是過程數值，針葉木均高于亞麻，這與上面濕重曲線略有差異，考慮到濕重的檢測時纖維含水，也許是這兩種纖維的纖維間結合水量的不同造成的差異。這也進一步說明，濕重這種間接反映漿料纖維長度的指標只適用于同一種纖維的對比，而不適用于不同纖維間的比較。在實際生產過程中應充分考慮到這一點。

2.3.3 短長纖維分界點

圖6 針葉木纖維分布含量變化曲線

為了進一步了解纖維長度對抗張指數的影響，結合不同打漿時間外加纖維對抗張指數和松厚度，分別展開兩種外加纖維在打漿時間內的纖維分布(分布區間為[200-286]，[286-409]，[409-585]，[585-836]，[836-1196]，[1196-1710]，[1710-2445]，[2445-3497]，[3497-5000]，[5000->])變化進行作圖分析，具體結果如圖6所示。

從圖6a可知，隨著打漿時間的延長，針葉木纖維分布在區間內的變化是線性的。根據其區間內纖維含量變化斜率與纖維長度區間作圖(圖6b)，可以看到，以1710μm為分界，前6個纖維分布區間里，纖維含量逐漸增加，而在后4個纖維分布區間里，纖維含量逐漸減少。這說明在打漿過程中，對于大于1710μm的纖維的切斷作用更加明顯。以1710μm作為短、長纖維的分界對纖維分布重新整理數據，并以短、長纖的比值作為橫坐標，以抗張指數作為縱坐標進行作圖分析，具體結果如圖7所示。

圖7 針葉木短長纖維比值與抗張指數曲線

在圖7a中，對于純針葉木漿料，根據擬合曲線(R2=0.65>0.4)預測抗張指數最大值出現在短/長纖維比值達到1.19時，此時小于1710μm纖維占比為54.34%，大于1710μm纖維占比為45.66%。在圖7b中，對于混合漿料，根據擬合曲線(R2=0.44>0.4)預測抗張指數最大值出現在短/長纖維比值達到0.977時，此時小于1710μm纖維占比為49.44%，大于1710μm纖維占比為50.56%。

混合漿達到抗張指數最大值時的長纖維占比比純針葉木漿低，說明雖然長纖維比例的增加有利于抗張指數的提高，但是當有多種纖維混合在一起時，還需要考慮到不同纖維之間的相互結合力等[18]。通過對外加纖維進行打漿工藝的優化可以調節不同纖維分布比例，從而達到提高抗張指數的目的。結合2.1和2.2實驗結果，為提高產品抗張指數又不降低松厚度，纖維的最佳選擇是針葉木叩解度14.5～25.5°SR，濕重7.94～8.45g，數均長度985.5～1238μm，重均長度1524～1774μm，短長纖比例0.74～1.23；而亞麻對抗張指數和松厚度的影響不大。

3 結論

(1)亞麻漿和針葉木漿打漿性能和物理性能存在顯著差異。

(2)外加纖維制漿對再造煙葉物理性能的影響主要體現在明顯提高混合漿料的濕重，而對混合漿料叩解度的影響有限。

(3)再造煙葉生產中亞麻應采用寬磨片，短流程，輕打漿的制漿方式；而針葉木漿則應采用窄磨片，長流程，重打漿的制漿方式。

(4)通過對針葉木進行打漿工藝的優化可以調節不同纖維分布比例，從而實現既提高產品抗張指數又不降低松厚度，亞麻對抗張指數和松厚度的影響不大。