接裝紙的吸濕特性及其對上機適應性的影響

劉文婷 蔡 冰 程占剛 賈偉萍 閆愛華 褚 瑋 吳 凱 馮年捷 王 磊

(1. 湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430040；2. 湖北工業大學材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068)

煙用接裝紙是卷煙產品的主要材料之一，其作用是將濾嘴和煙支牢固地接裝在一起[1]。近年來，由于消費者對卷煙外觀的日益關注，卷煙企業對煙用接裝紙的功能不再僅僅局限于外包裝，而是更加注重煙用接裝紙的裝飾性與印刷美觀性等指標要求[2-3]。因而，用于卷煙材料的接裝紙逐漸多樣化，接裝紙類型由普通型拓展到燙金、珠光、鐳射覆膜等多種類型[4]。新工藝、新材料在接裝紙上的廣泛應用，在增強接裝紙美觀性的同時，表面性能也發生了變化，使接裝紙的吸膠性有較大差異，從而產生了上機適應性的問題，造成煙支濾嘴端翹邊、粘連等關鍵性技術問題[5]。

然而，絕大多數企業在判斷上機適用性好壞方面仍然依靠自身經驗，采用直接上機試驗，然后根據問題反饋再進行改進[6]。如何衡量接裝紙的上機適應性未有全面、準確和關鍵性的特性指標進行檢測與分析，缺乏系統的理論數據支持，導致無法對上機適應性問題進行預判和解決。接裝紙的上機適應性受接裝紙表面性能影響較大，尤其是接裝紙表面的吸濕特性[7]。因此，本試驗擬通過分析可勃值、滲透時間、接觸角和紅外光譜，評價接裝紙的吸濕性能，同時建立吸濕性能與剝離力的關系，制訂出相應的技術標準及檢測方法，以期解決接裝紙翹邊、粘連等上機適應性技術問題。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

普紙(H1)、轉移紙(H2、H3、H4)、防滲轉移紙(H5、H6)：湖北中煙工業有限責任公司，室溫避光保存，并規定印刷面為正面，未印刷面為反面；

膠黏物：水性聚氨酯，固形物含量63.9%，密度1.07 mg/mL，湖北中煙工業有限責任公司提供，4 ℃冷藏；

其他化學品：分析純，國藥化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設備

質構儀：TA.XT puls型，英國Stable Micro System公司；

可勃(Cobb)吸水儀：ZB-COBB125型，杭州紙邦自動化技術有限公司；

接觸角測量儀：JC2000C1型，上海中晨數字技術設備有限公司；

傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀：Nicolet 750型，美國Thermo Fisher Nicolet公司。

1.2 方法

1.2.1 剝離力 采用質構儀，配備P100探頭，在25 ℃條件下，測定接裝紙的剝離力。事先在接裝紙上滴加膠黏物，膠黏物用量0.01 g，并通過熱敏膠帶固定接裝紙。質構儀探頭輕壓，隨后勻速剝離，自動記錄剝離力。

1.2.2 可勃值 采用Cobb吸水儀，測量接裝紙的Cobb值，記錄接裝紙吸水前后質量變化。Cobb值為單位面積吸水質量。

1.2.3 滲透時間 根據文獻[8]測定接裝紙的滲透時間。

1.2.4 接觸角 根據文獻[9]測定接裝紙接觸角。本試驗采用超純水和二碘甲烷為檢測液體。

1.2.5 紅外光譜 采用FTIR光譜儀，配備ID5衰減全反射附件，檢測接裝紙的紅外特征吸收峰。紅外光譜波長采集范圍為4 000～400 cm-1，以空氣作為空白扣除。

1.3 數據分析

采取3組平行試驗，取平均值，繪制圖形。利用Origin 8.0軟件，線性擬合關系曲線，并做誤差分析。

2 結果與討論

2.1 剝離力

模擬實際生產過程，采用接裝紙正面與反面粘連，測得剝離力見圖1(a)。普紙H1的剝離力最大，為10.2 N，防滲轉移紙H5和H6的剝離力較小，分別為3.7，3.0 N，與實際生產過程一致，即較普紙，防滲轉移紙易發生翹邊、粘不牢等上機適應性問題。防滲轉移紙的表面涂層具有疏水性，降低了接裝紙的吸濕性能，影響了膠黏物的吸收，從而造成上述上機適應性問題[10]。

分別研究接裝紙正面與正面、反面與反面粘連后的剝離力，并和正面與反面的剝離力比較，見圖1(b)。無論是普紙、轉移紙還是防滲轉移紙，正面與正面的剝離力相似，且均較小。但3種接裝紙反面與反面的剝離力存在差異，且均較大。由此不難推測，接裝紙的上機適應性問題，與其反面的表面性能關系較大。

圖1 接裝紙的剝離力

2.2 吸濕特性

圖2(a)為接裝紙反面的Cobb值。Cobb值越大，接裝紙的吸濕性能越好。普紙(H1)的Cobb值較大，達到38.6 g/m2。轉移紙(H2、H3、H4)和防滲轉移紙(H5、H6)的Cobb值相似，且均<32.5 g/m2。接裝紙反面的滲透時間見圖2(b)。滲透時間越小，接裝紙的吸濕性能越好。普紙H1的滲透時間較短，為639 s。轉移紙和防滲轉移紙的滲透時間相似，且均>797 s。由圖2(a)、(b)可知，普紙吸濕性能較好。

圖2(c)為接裝紙的接觸角。采用雙溶劑體系，即通過超純水和二碘甲烷分別測定接裝紙的接觸角。接觸角越小，接裝紙的吸濕性能越好。對極性溶劑超純水而言，普紙、轉移紙和防滲轉移紙的正面接觸角較大，且相似，分布在61°～74°；對非極性溶劑二碘甲烷而言，普紙、轉移紙和防滲轉移紙的正面接觸角較小，且相似，分布在11°～21°。根據相似相溶原理，上述數據說明，接裝紙表面涂層為非極性，有利于非極性溶劑膠黏物吸收。無論是超純水還是二碘甲烷，普紙和轉移紙的反面接觸角均小于正面接觸角[圖2(c)]，即接裝紙反面的吸濕性能較好。然而，防滲轉移紙的反面接觸角均較大，對超純水分別可達83°，85°，對二碘甲烷分別為55°，57°。防滲轉移紙反面較大的接觸角可能與其防滲涂層有關[11]。

2.3 紅外譜圖

圖3(a)為接裝紙正面的紅外譜圖。普紙、轉移紙和防滲轉移紙的正面具有相似紅外吸收峰：① 2 990 cm-1處為甲基或亞甲基上C—H伸縮振動吸收峰；② 1 430 cm-1為芳香環骨架振動與C—H平面內構型轉變的協同作用吸收峰；③ 1 370 cm-1為脂肪族CH3上C—H的伸縮振動吸收峰。其中，僅普紙具有木質纖維特征吸收峰[12]：① 3 430 cm-1為多糖O—H伸縮振動吸收峰；② 1 030，853 cm-1分別為木質素芳環C—H的平面構型轉變和立體構型轉變吸收峰。轉移紙和防滲轉移紙具有不飽和鍵特征吸收峰[13]：① 1 720，1 270，1 170 cm-1為非共軛酮、羧基和酯鍵上的C═O伸縮振動吸收峰；② 987 cm-1為—CH═CH—立體構型轉變吸收峰。上述數據說明，普紙正面纖維得到了更好的暴露，大量O—H使其具有較好的吸濕性；而轉移紙和防滲轉移紙正面，由于涂層中大量C═O和C═C鍵的存在，使其具有疏水性。

圖2 接裝紙的吸濕特性

圖3 接裝紙的紅外譜圖

圖3(b)為接裝紙反面的紅外圖譜。普紙、轉移紙和防滲轉移紙的反面具有相似紅外吸收峰：① 3 430 cm-1為O—H伸縮振動吸收峰；② 2 990 cm-1處為甲基或亞甲基上C—H伸縮振動吸收峰；③ 1 430 cm-1為芳香環骨架振動與C—H平面內構型轉變的協同作用吸收峰；④ 1 328 cm-1為苯環5號位縮合的吸收峰；⑤ 1 225，1 170 cm-1為C═O吸收峰；⑥ 1 141，1 030，853 cm-1分別為芳環C—H的平面構型轉變和立體構型轉變吸收峰。上述數據說明，3種接裝紙反面均存在親水性官能團，使其具有較好吸濕性。

2.4 剝離力與吸濕性的關系

由表1可知，剝離力與接裝紙反面的Cobb值正相關，且相關系數為0.987，即Cobb值越大，剝離力越大；剝離力與接裝紙反面的滲透時間負相關，且相關系數為0.997，即滲透時間越短，剝離力越大；剝離力與超純水在接裝紙反面的接觸角負相關，且相關系數為0.757，即接觸角越小，剝離力越大。由此可見，剝離力與接裝紙的吸濕性關系較大，吸濕性越好，剝離力越大。

表1 剝離力與吸濕性的關系

3 結論

本研究發現，接裝紙吸濕性(Cobb值、滲透時間和接觸角)與剝離力之間具有較好的線性相關性，接裝紙翹邊、粘連等上機適應性問題的產生是由于其表面疏水性涂層所引起，且反面(非印刷面)比正面(印刷面)的影響更為顯著。通過進一步改進檢測方法，有望實現針對接裝紙上機適應性問題快速、簡單和準確的預判斷。