煙梗顆粒加填對(duì)再造煙葉基片物理性能的影響

宋順喜 吳澤仕 張美云，* 魯 鵬 王 杰 矣勇波

（1.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021；2.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧，530043；3.云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司，云南昆明，650106）

再造煙葉，又稱煙草薄片，是現(xiàn)代煙草制造業(yè)中的重要原材料[1]。它是利用卷煙生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煙梗、碎葉和煙末等原料，通過(guò)一定的物理或化學(xué)方法所制得的、與天然煙葉性能相近的片狀材料[1]。與輥壓法和稠漿法相比，造紙法再造煙葉基片具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在物理結(jié)構(gòu)與性能方面，造紙法再造煙葉基片的組織結(jié)構(gòu)疏松，具有密度較小、強(qiáng)度相對(duì)較高、透氣性好、松厚度高和成絲率高等特點(diǎn)；②在化學(xué)特性方面，造紙法再造煙葉基片的燃燒性能好，焦油釋放量較小，且在其生產(chǎn)過(guò)程中，可人為調(diào)控基片的化學(xué)組分，實(shí)現(xiàn)調(diào)香降害的目的[2-3]。因此，在卷煙中添加適量的造紙法再造煙葉，不僅可提高煙草原料的利用率和卷煙行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還可改善卷煙性能，減少煙草中的焦油和尼古丁等有害成分，對(duì)實(shí)現(xiàn)卷煙工業(yè)“降焦減害”和提高卷煙品質(zhì)具有重要意義[4]。

松厚度是紙和紙板的一個(gè)重要指標(biāo)，它表示紙張的疏密程度，可反映紙張孔隙率的大小[5-6]。因此，松厚度與基片的吸收性、透氣性和填充性能相關(guān)，是評(píng)價(jià)造紙法再造煙草基片質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)[7-9]。提高松厚度不僅可改善基片對(duì)涂布液的吸收性和卷煙的抽吸與填充性能，降低卷煙燃燒時(shí)產(chǎn)生煙氣中的CO 等有害物質(zhì)含量[10-11]，同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)再造煙葉的輕量化，降低再造煙葉的生產(chǎn)成本。因此，制備高松厚度的再造煙葉基片一直是企業(yè)所追求的目標(biāo)之一。近年來(lái)，相關(guān)研究主要從原料與工藝兩方面來(lái)提高造紙法再造煙葉基片的松厚度。在原料方面，主要通過(guò)優(yōu)化外加植物纖維的種類和配比，以及優(yōu)化填料的種類和用量等來(lái)改善基片的松厚度；在工藝方面，可通過(guò)優(yōu)化打漿工藝和改變組分配比等提高再造煙葉基片的松厚度。許江虹等人[12]的研究表明，與添加漂白闊葉木漿相比，向再造煙葉中添加未漂白闊葉木漿或未漂白亞麻漿均可提高產(chǎn)品的松厚度。在打漿工藝方面，與高濃磨漿相比，低濃磨漿可使基片的松厚度提高3.2%[13]。此外，添加填料也有利于提高再造煙葉基片的松厚度與吸收性，降低再造煙葉的成本。與未添加填料的基片相比，當(dāng)碳酸鈣添加量為15%時(shí)，基片的松厚度較空白樣提高了1.92%[14]；當(dāng)碳酸鈣添加量從10% 增加至50% 時(shí)，基片的松厚度可提高5.5%[15]。然而，采用現(xiàn)有工藝或原料優(yōu)化方法對(duì)基片松厚度的提高程度大多保持在3%～6%，很難進(jìn)一步提高。

梗顆粒是以煙梗為原料，經(jīng)粉碎處理后得到的尺寸不同且形狀不規(guī)則的顆粒狀物質(zhì)。因其形態(tài)和尺寸類似于造紙?zhí)盍希謱儆跓煵萁M分，因此也可將其稱之為“類填料”。梗顆粒與傳統(tǒng)的造紙?zhí)盍舷啾龋哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：①該材料完全來(lái)源于煙草，其化學(xué)成分與煙草一致；②擁有細(xì)胞空腔結(jié)構(gòu)，有利于改善基片的孔隙結(jié)構(gòu)；③價(jià)格較低，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煙梗的回收利用，節(jié)約煙草資源[16]。

本研究以煙梗為原料，通過(guò)粉碎和篩選分級(jí)等加工處理方法，制備出不同尺寸范圍的梗顆粒，并將其加填到再造煙葉基片中，研究了其對(duì)造紙法再造煙葉基片（以下簡(jiǎn)稱基片）物理性能的影響，以期為制備高松厚度的基片提供新的思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

梗葉混合漿，打漿度為18°SR，其中煙梗與煙葉的質(zhì)量比為1∶1；外加植物纖維為漂白硫酸鹽針葉木漿，纖維質(zhì)均長(zhǎng)度為1.993 mm；填料為輕質(zhì)碳酸鈣，平均粒徑為8.3 μm；助留劑為食品級(jí)瓜爾膠。

FSJ-A05N6 型粉碎機(jī)（小熊電器股份有限公司）；BS210S 型分析天平（北京賽多利斯天平有限公司）；992304 型標(biāo)準(zhǔn)漿料疏解機(jī)，062 型抗張強(qiáng)度儀（瑞典L&W 公司）；DCS-041PT 型 PFI 磨漿機(jī)，ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣抄取器，ZQS12 型打漿度測(cè)定儀（陜西科技大學(xué)造紙機(jī)械廠）；TD11-H 型紙頁(yè)壓榨機(jī)（咸陽(yáng)通達(dá)輕工設(shè)備有限公司）；DC-HJY03 型電腦測(cè)控厚度緊度儀（四川長(zhǎng)江造紙儀器廠）；HKRRD01 型紙張柔軟度測(cè)試儀（恒科自動(dòng)化設(shè)備有限公司）；Bettersize 3000 Plus 型粒度分布儀（丹東百特儀器有限公司）；Vega 3 SBH 型掃描電子顯微鏡（SEM，捷克TESCAN公司）。

1.2 梗顆粒的制備

稱取煙梗10 g，將其放置于粉碎機(jī)中，粉碎30 s成粉末狀后，依次采用60、80、120、200 目的圓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，得到實(shí)驗(yàn)所需的4種尺寸范圍的梗顆粒 ， 即d1＞60 目 、 80 目 ＜d2≤60 目 、 120 目 ＜d3≤80目、200目＜d4≤120目。

1.3 基片的制備

基片的制備流程如圖1 所示。將梗葉混合漿與漂白硫酸鹽針葉木漿按質(zhì)量比4∶1 配漿，在纖維疏解機(jī)中疏解10000 轉(zhuǎn)后得到纖維懸浮液，向其中依次添加15%的碳酸鈣、15%的梗顆粒和0.05%的瓜爾膠（均相對(duì)于絕干纖維原料），配制成漿濃為0.1%的混合漿料，并置于攪拌器中持續(xù)攪拌15 min，攪拌器轉(zhuǎn)速為500 r∕min。取適量漿料，在紙樣抄取器中濾水成形，105℃下干燥5 min 后得到定量為60 g∕m2的基片。抄造空白樣品時(shí)，不添加梗顆粒，其余步驟均相同。

圖1 基片的制備流程

1.4 基片物理性能檢測(cè)

基片的物理性能按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算，其中定量測(cè)定方法參照GB∕T 451.2—2002；厚度測(cè)定方法參照GB∕T 451.3—2002；透氣度測(cè)定方法參照GB∕T 458—2008；抗張指數(shù)測(cè)定方法參照GB∕T 12914—2008；柔軟度測(cè)定方法參照 GB∕T 8942—2016。

1.5 梗顆粒和基片表面形貌表征

利用SEM 表征梗顆粒和基片的表面形貌。將梗顆粒均勻分散于銅片上，再造煙葉基片樣品剪成2 cm×2 cm 尺寸的正方形，并使用導(dǎo)電膠將銅片和基片樣品分別固定于操作臺(tái)上，經(jīng)過(guò)離子濺射儀對(duì)其進(jìn)行噴金處理后，采用二次電子模式觀察其表面形貌，加速電壓為10 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 梗顆粒粒徑及表面形貌

圖2 為煙梗經(jīng)粉碎和篩選分級(jí)后得到的4 種梗顆粒的粒徑分布圖。從圖2可以看出，隨著標(biāo)準(zhǔn)圓網(wǎng)篩目數(shù)的增加，梗顆粒的粒徑逐漸降低，小粒徑的梗顆粒占比越來(lái)越多。圖3為經(jīng)粉碎和篩選分級(jí)后得到的4 種粒徑的梗顆粒SEM 圖。從圖3 可以看出，梗顆粒作為一種“類填料”物質(zhì)，其表面多孔且不光滑，是一種形狀不規(guī)則的塊狀顆粒。將其作為填料加入到再造煙葉基片中，由于顆粒密度小于礦物填料，且表面粗糙，因此有利于提高基片的松厚度。此外，梗顆粒來(lái)源于煙梗，雖然其粒徑遠(yuǎn)大于常見(jiàn)的造紙?zhí)盍咸妓徕}（尺寸約8～12 μm），但卻遠(yuǎn)小于煙梗纖維，同時(shí)，其化學(xué)成分和致香物質(zhì)與煙草一致，因此梗顆粒的加入不僅有利于改善基片的表面性能，也可保留原煙草成分。

2.2 梗顆粒粒徑對(duì)基片物理性能的影響

2.2.1 松厚度與透氣度

圖2 不同梗顆粒的粒徑分布圖

圖3 不同粒徑梗顆粒的SEM圖

圖4 顯示了添加不同粒徑的梗顆粒對(duì)基片松厚度的影響。從圖4 可以看出，在造紙法再造煙葉的制備過(guò)程中加入梗顆粒，可顯著提升基片的松厚度。隨著梗顆粒粒徑的增大，基片的松厚度呈增加趨勢(shì)。與未添加梗顆粒的再造煙葉基片相比，添加d1、d2、d3、d44 種粒徑梗顆粒的基片松厚度分別提高了8.31%、6.31%、5.98%、2.99%。這是由于在基片中，煙梗、煙葉與植物纖維之間會(huì)形成較多的孔隙，加入的梗顆粒作為“類填料”填充在纖維之間，導(dǎo)致松厚度增加。較大粒徑的梗顆粒更傾向于填充在纖維之間，對(duì)纖維間孔隙的擴(kuò)充作用較為明顯，因此基片的松厚度隨著梗顆粒粒徑的增加而增大；而較小粒徑的梗顆粒更傾向于填充在基片原有的孔隙之中而非纖維之間，因此對(duì)基片松厚度的改善作用較小。同時(shí)，當(dāng)梗顆粒粒徑過(guò)小時(shí)，容易在基片成形過(guò)程中流失，進(jìn)入白水系統(tǒng)。因此，從對(duì)基片松厚度的改善效果和留著的角度考慮，應(yīng)選擇較大粒徑的梗顆粒。

圖4 梗顆粒粒徑對(duì)基片松厚度的影響

圖5 梗顆粒粒徑對(duì)基片透氣度的影響

再造煙葉的透氣度對(duì)卷煙的燃燒性能有重要影響。卷煙燃燒過(guò)程中，具有較高透氣度的再造煙葉更容易與外界發(fā)生氣體交換，使卷煙燃燒更加充分，從而降低CO 等有害氣體的產(chǎn)生。添加不同粒徑的梗顆粒對(duì)基片透氣度的影響如圖5 所示。從圖5 可以看出，添加梗顆粒可不同程度地改善基片的透氣度，且透氣度隨著梗顆粒粒徑的減小呈先增大后減小的趨勢(shì)。與未添加梗顆粒的基片相比，添加d2的梗顆粒，基片的透氣度提高了41.7%。透氣度與松厚度均與基片的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)基片松厚度較高時(shí)，纖維結(jié)合較為疏松且孔隙較多，因此透氣度也相對(duì)較高。添加d1梗顆粒后的再造煙葉基片雖然松厚度最高，但其透氣度并非最高，其主要原因是梗顆粒密度較低，容易浮在水面，在基片的成形過(guò)程中，梗顆粒沉降速度慢，導(dǎo)致纖維部分先成形，隨后梗顆粒沉積在紙張表面，使基片表面的纖維間孔隙減少，因而透氣度下降。當(dāng)添加d2的梗顆粒尺寸時(shí)，基片透氣度最高，其原因可能是梗顆粒主要存在于基片的纖維之間，且梗顆粒尺寸分布較為均勻，因此顆粒包裹能力較弱，透氣度較高。當(dāng)添加梗顆粒平均粒徑較小時(shí)，顆粒趨向于填充在紙張的網(wǎng)絡(luò)孔隙之中，使得基片更加致密，從而降低了基片的透氣性。綜合梗顆粒粒徑對(duì)基片松厚度與透氣度的影響，添加d2的梗顆粒對(duì)基片松厚度和透氣度有較好的改善效果。

2.2.2 抗張強(qiáng)度

基片需要具有一定的抗張強(qiáng)度，才能保證其抄造性能與加工性能。基片的抗張強(qiáng)度主要來(lái)源于纖維之間的氫鍵結(jié)合[17-18]。與植物纖維相比，煙梗原料的綜纖維素含量較少，因此采用煙梗原料抄造的基片強(qiáng)度較低，往往需要添加其他植物纖維進(jìn)行增強(qiáng)。由煙梗制備的梗顆粒添加到基片中時(shí)會(huì)阻礙纖維結(jié)合，所以加入梗顆粒會(huì)在一定程度上影響基片的抗張強(qiáng)度。從圖6 可以看出，添加梗顆粒后，基片的抗張指數(shù)有所下降。但是隨著添加梗顆粒粒徑的降低，基片抗張指數(shù)逐漸增加。一方面是由于隨著梗顆粒粒徑的降低，梗顆粒比表面積增加，其與纖維之間的結(jié)合作用增強(qiáng)；另一方面，較小粒徑的梗顆粒趨向于分布在纖維的孔隙之間，成紙緊度增加，為增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合提供了條件，因此基片的抗張強(qiáng)度隨著梗顆粒粒徑的降低有所增加。

圖6 梗顆粒粒徑對(duì)基片抗張強(qiáng)度的影響

2.2.3 柔軟度

添加不同粒徑的梗顆粒對(duì)基片柔軟度的影響如圖7 所示。由圖7 可知，與未添加梗顆粒基片相比，添加d1及d2的梗顆粒對(duì)基片的柔軟度均略有改善作用。然而，隨著添加梗顆粒粒徑的減小，基片的柔軟度有所下降（數(shù)值越高，柔軟度越差）。由于紙張的柔軟度與表面粗糙度、彎曲挺度和纖維結(jié)合力均有關(guān)系，而基片與傳統(tǒng)紙張相比較為粗糙，因此，影響基片柔軟度的主要因素為彎曲挺度和纖維結(jié)合力。紙張的彎曲挺度與厚度成正比，因此紙張厚度越高，樣品被壓彎所需要的力就越大，柔軟度就越低。然而，添加梗顆粒在提高基片挺度的同時(shí)，也減弱了纖維之間的結(jié)合，導(dǎo)致基片結(jié)構(gòu)更加蓬松。在外力作用下，紙張網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的纖維容易出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，基片容易發(fā)生彎曲和變形，使柔軟度有所提高。因此，添加梗顆粒影響基片柔軟度是纖維結(jié)合強(qiáng)度變化與基片彎曲挺度變化的綜合結(jié)果。

2.3 基片的表面形貌

圖7 梗顆粒粒徑對(duì)基片柔軟度的影響

圖8 為添加不同粒徑的梗顆粒基片SEM 圖。從圖8 中可以看出，與未添加梗顆粒的基片相比，添加了梗顆粒的基片結(jié)構(gòu)較為松散，隨著添加的梗顆粒粒徑的減小，基片中的纖維網(wǎng)絡(luò)更加緊密。如圖8（b）所示，當(dāng)添加d1的梗顆粒時(shí)，基片表面孔隙最大且結(jié)構(gòu)最松散。這是由于粒徑較大的梗顆粒均勻地分散于整個(gè)纖維網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)法進(jìn)入纖維交織的孔隙，有利于提高基片的松厚度。如圖8（c）、圖8（d）、圖8（e）所示，隨著添加的梗顆粒粒徑逐漸減小，梗顆粒更多地分布在纖維交織的網(wǎng)絡(luò)孔隙中，形成了更加緊致的紙張纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)添加較小粒徑的梗顆粒時(shí)，基片由于具有致密結(jié)構(gòu)而具有較高的抗張強(qiáng)度；當(dāng)添加的梗顆粒粒徑較大時(shí)，纖維網(wǎng)絡(luò)由致密結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫姿珊竦慕Y(jié)構(gòu)，使基片擁有較高的松厚度與透氣度，這與前文的研究結(jié)論一致。

圖8 添加不同粒徑梗顆粒的基片SEM圖

3 結(jié) 論

本研究將煙梗經(jīng)過(guò)粉碎和篩選分級(jí)后，制備了4種不同粒徑的梗顆粒，并將其加填到再造煙葉基片中，研究了其對(duì)造紙法再造煙葉基片性能的影響。

3.1 制備的梗顆粒形態(tài)不規(guī)則，表面多孔，可作為一種“類填料”改善基片的松厚度和透氣度，梗顆粒粒徑越大，基片松厚度越高。與空白樣品相比，添加粒徑大于60 目尺寸的梗顆粒時(shí)，基片松厚度可提高8.31%，提升效果最為顯著；添加粒徑60～80 目尺寸的梗顆粒，基片松厚度和透氣度分別提高了6.31%和41.7%。

3.2 添加梗顆粒在改善基片松厚度的同時(shí)也會(huì)降低基片的抗張強(qiáng)度。但是隨著梗顆粒粒徑的減小，基片抗張強(qiáng)度有所提高。此外，當(dāng)梗顆粒粒徑大于80 目尺寸時(shí)，添加梗顆粒對(duì)基片柔軟度有一定的改善作用。