不同漿料配比卷煙紙性能及對卷煙的影響

顧永圣 段良勇，* 閆新可 吳雄會 王春玲

(1.江蘇中煙工業(yè)有限責任公司技術研發(fā)中心，江蘇南京，210019；2.中煙摩迪(江門)紙業(yè)有限公司， 廣東江門，529085)

卷煙紙主要由植物纖維和遍布在其結構中的填料微粒組成，作為唯一參與燃燒的輔材，卷煙紙對于煙支的燃燒性能、煙氣指標及感官質量都有著重要影響[1]。而植物纖維是卷煙紙中主要原料之一，其各項形態(tài)參數(shù)如平均長度、卷曲度、扭結指數(shù)及形貌特征等對紙張性能如抗張強度、勻度等有著重要的影響[2- 3]，不同纖維的熱裂解產(chǎn)物也存在差異[4]，進而影響感官吸味。卷煙紙與煙絲作為煙支燃燒主體，對卷煙的包灰性能起最為關鍵的影響，卷煙抽吸時卷煙紙灰片不能很好地包裹在煙絲上，煙灰掉落嚴重，會污染環(huán)境且消費體驗較差。因此建立包灰定量測試方法，科學準確地描述卷煙包灰性能，顯得尤為重要。分析現(xiàn)有卷煙包灰性能分析方法[5- 9]，存在評價指標單一或評價方法主觀性較強的缺點。本研究通過不同漿料配比的卷煙紙試制及其物理性能分析，結合卷煙煙氣分析和感官評價，通過建立包灰效果評價方法，從而較為全面了解纖維配比與卷煙物化特性、包灰能力之間的關系，為進一步深入開展卷煙紙及卷煙的性能研究提供參考。

1 實 驗

1.1 原料和儀器

針葉木漿，瑞典產(chǎn)云杉漿；闊葉木漿，巴西產(chǎn)桉木漿；碳酸鈣，馬來西亞產(chǎn)。

RM20H型轉盤吸煙機，德國Burgwaldt Kc公司；MS303S型電子天平，感量0.001 g，瑞士梅特勒；500D相機，日本佳能；PIA- 6000顯微鏡分析軟件，瑞士保捷拿；卷煙包灰測試臺，自制。

1.2 方法

1.2.1 不同纖維配比卷煙紙的制備

以定量27 g/m2，透氣度60 CU為目標值，按照一定比例的纖維配比，分別對針葉木漿、闊葉木漿及損紙進行碎漿、打漿、配漿，經(jīng)上網(wǎng)、抄造、施膠等操作，制備了5種不同纖維配比的卷煙紙樣品。

1.2.2 卷煙紙物理性能分析

將5種不同纖維配比的卷煙紙在GB/T 10739—2002規(guī)定的條件下平衡，按照GB/T 451.2—2002、GB/T 742—2008、GB/T 7974—2002、GB/T 1543—2005、GB/T 23227—2008分別測定卷煙紙定量、灰分、白度、不透明度、透氣度及透氣度變異系數(shù)；并測試助燃劑含量和擴散率。

1.2.3 卷煙樣品的制備

在南京(紅)卷接線上使用同批煙絲、同種濾棒和接裝紙，配合5種卷煙紙樣品進行連續(xù)卷制，并保持各項物理參數(shù)一致，得到卷煙樣品。

1.2.4 卷煙樣品主流煙氣測試及感官評價

卷煙樣品在GB/T 16447—1996規(guī)定條件下平衡48 h，采用轉盤式吸煙機在標準條件下抽吸和測試，按GB/T 19609—2004、YC/T 156—2001、YC/T 157—2001、GB/T 23356—2009分別測定焦油、煙堿、水分和CO含量。采用對比評吸方式對卷煙樣品的感官質量進行評價。

1.2.5 卷煙包灰效果評價方法的建立及樣品評價

參考相關文獻，設定了卷煙包灰效果評價的5個指標并建立了測試方法，并使用該方法對卷煙樣品的包灰效果進行評價。

2 結果與討論

2.1 卷煙紙制備過程的主要參數(shù)分析

卷煙紙中纖維只是其中一種物質，其他如碳酸鈣、助燃劑等都是造紙過程中必須使用的物質。在本實驗中，卷煙紙的碳酸鈣比例為35%，水分約占4.5%，助燃劑占1.3%以及0.2%的其他助劑，而纖維占比為59%。同時由于卷煙紙制造過程中需要加入一定量的損紙，而損紙中已經(jīng)含有一定比例的針葉木漿和闊葉木漿，從而不能制備純針葉木漿或純闊葉木漿的樣品。最終，本實驗制備的5個卷煙紙樣品的具體纖維配比見表1，從樣品A到E針葉木漿的比例從64%降至36%，而闊葉木漿比例從36%升至64%。

表1 卷煙紙制備過程主要參數(shù)

從卷煙紙制備過程的主要參數(shù)看，5個樣品的針葉木漿和闊葉木漿的打漿度、上網(wǎng)濃度基本接近，而隨著針葉木漿比例減少、闊葉木漿比例增加，精漿機功率逐漸由180 kW提升至320 kW。對闊葉木漿打漿處理較輕，保留了纖維粗短的特點，成紙疏松多孔，透氣性提高，因此在闊葉木漿比例增加時需要提高精漿機功率對混合的針、闊葉木漿纖維進行分絲帚化，以降低成紙后的透氣性能，從而實現(xiàn)不同纖維配比的卷煙紙達到同一透氣度目標值。

2.2 卷煙紙物理性能分析

對制備的卷煙紙物理性能進行測試，實驗結果見表2。從表2中可見，以設定的定量27 g/m2、透氣度60 CU的目標值來看，5個樣品均能夠滿足GB/T 12655—2007《卷煙紙》的定量(27±1.0)g/m2、透氣度(60±6)CU的要求，透氣度變異系數(shù)≤8%，說明卷煙紙制備達到實驗預先設定的目標。5個樣品的縱向抗張強度隨闊葉木漿配比增加而逐漸下降，其他物理指標如灰分、助燃劑含量、白度、不透明度均差異不大。

擴散率指標的測試原理是指在沒有壓差的狀態(tài)下由于氣體濃度差而引起的擴散遷移，即模擬卷煙燃燒但不抽吸時的氣體擴散狀態(tài)，該指標目前主要用于預測煙支的燃燒速度、評價阻燃卷煙紙的自熄能力等。

表2 卷煙紙樣品主要物理性能

注 助燃劑為檸檬酸鉀鹽，含量以檸檬酸根計。

羅瑋等人[10]的“一種具有可變擴散率與孔結構的卷煙紙及其應用”發(fā)明專利顯示，通過在卷煙紙表面施加催化劑，提高卷煙紙烘烤后(即抽吸時燃燒線下2～4 mm)的擴散率及總孔容，有助于降低主流煙氣中CO的含量。

本實驗卷煙紙樣品的擴散率指標測試結果與透氣度的變化趨勢較為接近，樣品A的擴散率最小為1.84 cm/s，樣品D的擴散率最大為1.99 cm/s，說明在該實驗條件下，闊葉木漿用量從36%增加到64%時，樣品擴散率有增大趨勢，但并不明顯。分析這一結果的可能原因是，紙張定量、厚度、微孔數(shù)量、勻度等對擴散率均有不同程度的影響，其最終表現(xiàn)出來的是各個因素總體影響的結果，故雖然漿料配比有較大變化，但擴散率變化并不顯著。

2.3 卷煙主流煙氣及感官評價

制備的卷煙主流煙氣測試結果見表3。分析主流煙氣的各項指標：焦油以樣品A最高，達到11.24 mg/支，樣品C最低為10.79 mg/支，其他3個樣品基本相近；煙堿及CO指標的差異均不明顯；水分以樣品D最低，為1.74 mg/支，樣品A最高為1.99 mg/支，其他樣品較為接近。綜合來看，本實驗條件下不同纖維配比的卷煙紙對于主流煙氣的影響較小，在焦油量及水分指標上稍有差異。

表3 卷煙主流煙氣測試結果

對5個樣品進行感官評價后表明，樣品的煙氣表現(xiàn)形式、香氣量、香氣質、余味、刺激等主要指標均較接近，感官差異不明顯。

2.4 卷煙包灰能力評價方法的建立

2.4.1 卷煙包灰能力評價指標的設置

王道寬等人[5]、王平軍等人[6]以卷煙靜燃和抽吸狀態(tài)下燃至卷煙長度的2/3以上形成豎直煙灰柱時煙灰的裂口像數(shù)與所選區(qū)域總像數(shù)的比值，即為包灰值，該方法指標過于單一。程占剛等人[7]、陳慧斌等人[8]設置包灰松緊度、外翻灰片、裂紋、灰分光滑度、灰分顏色5個指標進行評價，但需選定標準圖片為參照進行打分，存在一定的主觀因素。綜合參考以上方法，本研究提出建立更加科學全面的評價方法，討論并設置了豎直靜燃狀態(tài)下的白度、碳線整齊度、裂口率、縮灰率以及水平靜燃狀態(tài)下的持灰力共5項指標(示意見圖1)，用來評價卷煙的包灰能力。

2.4.1.1 白度

定義：灰柱的白度。

評價方法：豎直靜燃，分別在煙支燃燒至15、30和45 mm處時拍照，并用軟件對照片進行分析，選取碳線附近以上位置沒有裂口的灰片，用軟件測出該區(qū)域灰片投影的白度(L值)。

2.4.1.2 碳線整齊度

定義：碳化區(qū)域偏離水平線的程度，單位mm。

評價方法：豎直靜燃，分別在煙支燃燒至15、30和45 mm處時拍照，并用軟件對照片進行分析，測量碳線在最高點與最低點的距離。

2.4.1.3 裂口率

定義：裂口面積與煙柱投影總面積的比值，單位%。

評價方法：豎直靜燃，在煙支燃燒至45 mm處時拍照，用軟件對灰柱照片進行分析，以裂口面積總和∑s，除以灰柱投影總面積S，即裂口率=∑s/S×100%。

圖1 卷煙包灰能力評價指標示意圖

2.4.1.4 縮灰率

定義：碳線上方固定距離內(nèi)灰柱的收縮程度，單位%。

評價方法：豎直靜燃，在煙支燃燒至30 mm處時拍照，用軟件對灰柱照片進行分析，測量碳線以上15 mm內(nèi)(可基本覆蓋燃燒錐)煙柱的投影面積s，除以未燃燒時此處煙支的投影面積S，即縮灰率=(S-s)/S×100%。

2.4.1.5 持灰力

定義：保持灰柱在燃燒時不斷裂脫落的能力，以灰柱第一次掉落時已燃燒過的煙柱長度來表示持灰力，單位mm。

評價方法：水平靜燃，當灰柱第一次掉落時測量碳線之后的剩余煙支長度l，用卷煙原長度L減去剩余長度l，可得已燃燒過的煙柱長度H。H值越大，表示其持灰能力越強。

2.4.2 卷煙包灰能力評價的實驗方法

根據(jù)包灰能力評價指標的設置情況，擬定了實驗實施的具體方法和要求，主要步驟如下。

(1)制備測試樣品：卷煙樣品在GB/T 16447—1996規(guī)定條件下平衡48 h。剔除變形、破損的煙支，挑選質量為煙支平均質量±0.025 g的完好煙支，并在與煙支搭口相反方向的柱面上從燃燒端起15、30、45 mm處用鉛筆標記，作為測試樣品。

(2)實驗環(huán)境及條件：測試環(huán)境溫度(22±2)℃，濕度(60±5)%。關閉實驗常規(guī)光源，打開LED測試燈預熱不少于30 min，使光源亮度和位置保持一致。將實驗相機參數(shù)設置一致，鏡頭與煙支保持水平且距離為(320±5) mm，不開啟閃光燈。

(3)點燃煙支：用小型吸煙機將煙支點燃，將煙支標記處正對相機，垂直或水平插于卷煙包灰測試臺上。

(4)拍攝照片：分別在煙支靜燃至15、30、45 mm處時拍照，每個樣品測試3支卷煙(可根據(jù)實驗需求進行調整)；若靜燃時灰柱出現(xiàn)明顯彎曲則需重新實驗。

(5)軟件分析：使用分析軟件PIA- 6000對照片進行分析，計算長度、面積等數(shù)據(jù)，獲得實驗結果。

2.4.3 數(shù)據(jù)分析及包灰能力評價的判定

該方法可用于單一樣品的包灰能力評價以及多個樣品間包灰能力的平行對比。對樣品間的包灰能力進行評價時，擬定了各指標達到改變顯著時的具體差值，見表4。表4中白度、縮灰率、持灰力3個指標的數(shù)值越大越好，而碳線整齊度、裂口率2個指標的數(shù)值則越小越好，當樣品間指標差異達到以下判定標準時，可認為某項指標的改變達到顯著。

表4 包灰能力樣品比對的評價

2.5 卷煙樣品包灰效果評價

采用以上建立的卷煙包灰能力評價方法對本項目的5個卷煙樣品進行評價，結果見表5。對比樣品間的各項指標可見：樣品A到樣品E的白度值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，樣品D、E與樣品A的差值達到1以上；碳線整齊度以樣品C最好，達到1.70 mm，樣品D最差為2.22 mm，其他3個樣品相近；樣品A裂口率明顯大于其他樣品的，達到24.9%，而樣品C最好、樣品D次之，其他兩個樣品較接近；縮灰率以樣品B、C較好，分別達到39.0%、39.2%， D、E兩個樣品接近，樣品A最差為28.7%；持灰力樣品C最好，達到44.0 mm，B、D、E 3個樣品接近，而樣品A最差，為36.5 mm。

綜合來看，樣品C在縮灰率、碳線整齊度、裂口率、持灰力4個指標上均有較好的表現(xiàn)，而樣品A則表現(xiàn)較差，說明在本實驗的5個卷煙紙樣品中，針葉木漿和闊葉木漿配比為50%∶50%時的卷煙包灰效果最好。

表5 卷煙樣品包灰能力評價結果

3 結 論

實驗制備了5種不同漿料配比的卷煙紙，對其物理性能、包灰能力進行了分析評價，并進了卷煙煙氣分析和感官評價。

3.1 不同漿料配比的卷煙紙在制備過程中主要以調節(jié)精漿機功率來實現(xiàn)相近的透氣度，即隨著闊葉木漿比例增加而逐漸提高精漿機功率。

3.2 制備的卷煙紙樣品物理性能均滿足實驗設計要求，樣品間沒有明顯差異。擴散率與透氣度的變化趨勢較為接近。不同漿料配比的卷煙紙對于主流煙氣的影響較小，在焦油量及水分指標上稍有差異，且感官差異不明顯。

3.3 建立了卷煙包灰能力評價方法，包括5個評價指標的設置、評價實驗方法及樣品對比評價判定標準，具有較強的科學性和實用性。

3.4 采用卷煙包灰能力評價方法對本項目的5個卷煙樣品進行了評價，結果表明以針葉木漿和闊葉木漿配比為50%∶50%時的卷煙包灰效果最好。