造纸法烟草薄片脆性的评价方法

王志杰, 陈星波, 严新龙, 吴立群, 刘 攀

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021； 2.上海烟草集团 太仓海烟烟草薄片有限公司， 江苏 太仓 215433; 3.中国海诚工程科技股份有限公司 研发中心， 上海 201702)

0 引言

纸张的脆性，是指纸张受冲击作用力或弯曲作用力时易折、易碎、韧性欠佳的性质.国产烟草薄片相比国外薄片手感硬、易折、易碎，脆性较大，其韧性不如进口薄片[1].烟草薄片的物理特性表明了其自身组织结构特征，与烟草薄片的内在品质密切相关，同时对烟草薄片加工性能影响较大，特别是影响卷烟添加过程中烟草薄片的切丝制丝工艺，影响卷烟产品的风格、成本及其它经济因素.近年来随着国产烟草薄片产能规模增加及对产品品质要求的提高,烟草行业对烟草薄片物理化学特性越来越关注，而烟草薄片的脆性目前只能用感官评价，无准确的仪器测试方法.

在纸张脆性评价方法方面有许多人做过研究，邝仕均[2]教授曾用J值来评价纸张脆性并且研究了纸张脆性与半纤维素含量的关系[3]；刘毅、刘建平等人[4]利用压折器和萧伯尔抗张力实验机对纸张脆性进行评价，认为纸张折前折后抗张强度下降率可作为纸张的脆裂度值.张东成[5]从纸张发脆的本质出发，根据纸张塑性变形的原理设计出B值来评价纸张的脆性.此次试验所用的TA.XT plus质构仪[6]是精确的感官测定仪器，可对样品的物性概念做出数据化的表述，是评价众多食品脆性、韧性、硬度等[7-9]的重要仪器.近几年来郑州烟草研究院曾用该仪器做过关于烟叶粘黏强度[10]、穿刺强度[11]、脆性[12]以及造纸法烟草薄片纵横剪切力[13]的研究，并发表过数篇专利论文.本文根据断裂力学中材料裂纹扩展的三种模式[14]设计测试方法，将质构仪试用于评价烟草薄片的脆性，可对烟草薄片的脆性进行有效而准确的评价，为减少国内外薄片物理性能的差距提供参考方法和思路.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验所检测的造纸法烟草薄片样品包括四种国产造纸法烟草薄片(1#～4#)，其中1#～3#样品为国内同一厂家生产的不同品种的烟草薄片，4#样品为国内另一厂家生产的烟草薄片.

TA.XT plus质构仪(英国Stable Micro Systems公司)；LRH-70SC恒温恒湿培养箱(上海捷呈实验仪器有限公司)；HB43-S快速水分测定仪(瑞士 Mettler Toledo 公司)；0～150 mm 电子数显卡尺(上海量具刃具厂)；裁纸刀.

1.2 方法

1.2.1 用质构仪对不同含水率的烟草薄片进行撕裂和拉伸测试

(1)不同含水率烟草薄片试样的制备

将1#烟草薄片沿纵横向分别裁切成实验所需规格放在恒温恒湿培养箱中，通过控制其温度、湿度和放置时间，制备不同含水率(用快速水分测试仪测定)的烟草薄片试样.

(2)利用质构仪结合A/TG 探头对烟草薄片进行撕裂测试

质构仪参数设置：采用拉伸模式，测试速度为5 mm/s，测后速度为10 mm/s，测试距离为50 mm，触发类型为Button.

将每张试样所剪豁口处两边的纸片分别固定于A/TG探头的上下夹具中，通过上、下夹具的拉伸，模拟撕开烟草薄片的过程，得出“力-时间”曲线图(如图1)，计算曲线图中力值出峰个数、撕裂力平均值、第一个峰的斜率.每工况重复8次，结果取8次平均值.

(3)利用质构仪结合A/TG 探头对烟草薄片进行拉伸测试

质构仪参数设置：采用拉伸模式，测试速度为0.02 mm/s，测后速度为10 mm/s，测试距离为4 mm，触发类型为Button.

将样品的宽边分别固定于A/TG探头的上下夹具中，通过上夹具的移动来拉伸烟草薄片试样使其从豁口处断裂，得出“力-距离”曲线图(如图2)，计算曲线图中三个区域Ep、Ee和Ea[5]的面积，根据公式B=Ee/(Ep+Ea)[5]计算B值，B值可表示脆性.每工况重复8次，结果取8次平均值.

1.2.2 用撕裂测试评价不同品种烟草薄片脆性

将四种不同品种烟草薄片(1#～4#)沿纵横向分别裁成实验所需规格，放入温度为22 ℃、相对湿度为(74±2)%的恒温恒湿箱平衡水分24 h.再用质构仪对薄片进行撕裂测试，质构仪参数设置为：采用拉伸模式，测试速度为5 mm/s，测后速度为10 mm/s，测试距离为50 mm，触发类型为Button.将每张试样所剪豁口处两边的纸片分别固定于A/TG探头的上下夹具中，通过上、下夹具的拉伸，模拟撕开烟草薄片的过程，得出“力-时间”曲线图(如图1)，计算曲线图中力值出峰个数、撕裂力平均值，将正峰个数作为评价样品脆性的指标.每工况重复8次，结果取8次平均值.

图1 力-时间曲线图

图2 力-距离曲线图

2 结果与讨论

2.1 烟草薄片撕裂测试结果与含水率的关系

众所周知若烟草薄片含水率越高则其脆性越小，即烟草薄片的脆性与含水率成负相关性.实验对不同含水率的烟草薄片用质构仪进行撕裂测试，并对其测试结果正峰个数、撕裂力平均值、第一个峰的斜率与含水率的关系进行线性拟合，计算各测试结果与含水率的相关系数.正峰个数、撕裂力平均值、斜率与含水率的关系见图3～图5.

图3 正峰个数与含水率的关系

图4 撕裂力与含水率的关系

图5 斜率与含水率的关系

从图3可以看出，正峰个数和含水率之间的关系呈现较好的规律性，随着样品含水率的增加烟草薄片沿纵横向撕裂时的正峰个数都在增加.在含水率为12%以前正峰个数增加趋势明显，含水率为12%以后正峰个数增加趋势减缓，但仍有较明显的增加趋势.这是因为随着烟草薄片含水率的增加，烟草薄片脆性降低，组成烟草薄片的纤维吸水后变的柔韧，样品在被撕裂的过程中仪器的探头受到纤维阻力的次数增加，探头每撕断一根或一组纤维“力-时间”曲线图(见图1)中就会产生一个正峰，样品含水率越高图中的正峰个数越多.但是当烟草薄片含水率大于23%时，由于烟草薄片吸水过度内部氢键结合力被破坏导致烟草薄片失去强度，此时的烟草薄片已经完全失去脆性，各种测试无法进行.

从图4可以看出，横向撕裂烟草薄片时，撕裂力随着含水率的增加而增加.沿纵向撕裂时，撕裂力在样品含水率为12%以前随着含水率的增加而增加，在12%以后随着含水率的增加撕裂力无明显变化.

图5中的斜率是指“力-时间”曲线图(见图1)中坐标原点到第一个正峰峰顶的斜率.从图5可以看出，纵横向撕裂测试样品时，随着样品含水率的增加斜率的变化都无规律性，斜率这一指标与样品的含水率几乎无关系.

对图3～图5中各指标与含水率的关系进行线性拟合，可得正峰个数与含水率呈正相关性.沿烟草薄片横向撕裂时正峰个数与含水率的线性回归方程为y=2.730 6x+9.617 1，相关系数R2=0.938 0高于撕裂力、斜率与含水率的相关系数(0.839 4、0.649 0).沿烟草薄片纵向撕裂时正峰个数与含水率的线性回归方程为y=1.527 8x+0.592 3，相关系数R2=0.954 8高于撕裂力、斜率与含水率的相关系数(0.857 9、0.019 4).所以无论是沿烟草薄片纵向还是横向撕裂测试，正峰个数与含水率的相关系数最高，相关性最强，是三个指标中最适合评价烟草薄片脆性的指标.

2.2 草薄片拉伸测试结果与含水率的关系

用质构仪对烟草薄片进行拉伸测试的结果为B值[5].在本次测试中B值与含水率的关系如图6所示.

图6 B值与含水率的关系

横向拉伸测试时，在含水率为7%以前随着含水率的增加B值急剧下降，在7%至12%之间B值有缓慢下降趋势，12%以后B值大小几乎无变化.纵向拉伸测试时，在含水率为10%以前B值急剧下降，在10%以后B值大小几乎无变化.

对B值与含水率的关系进行线性拟合，可得B值与含水率呈负相关.横向拉伸测试时线性回归方程为y=-0.724 1x+12.435，相关系数R2=0.571 3；纵向拉伸测试时线性回归方程为y=-1.234 2x+20.957，相关系数R2=0.675 6.纵向横向拉伸测试时B值与含水率的相关系数均小于撕裂测试时正峰个数与含水率的相关系数.

2.3 不同种类烟草薄片脆性测试结果

用质构仪对国内4种不同品种的造纸法烟草薄片进行撕裂测试，并用正峰个数的大小来评价样品的脆性.国内4种烟草薄片样品横向撕裂测试的正峰个数结果见图7，纵向撕裂测试的正峰个数结果见图8.

图7 不同烟草薄片样品的横向撕裂正峰个数

图8 不同烟草薄片样品的纵向撕裂正峰个数

从图7可以看出,横向撕裂测试时，国内同一产地1#、2#、3#样品的正峰个数相差不大，国内另一产地4#样品的正峰个数是4种样品中最小的，说明1#、2#、3#烟草薄片样品的脆性相差不大，4#烟草薄片样品是4种样品中脆性最大的，这个结果和4种国产烟草薄片样品的手感脆性是一致的.

从图8可以看出,纵向撕裂测试时，4#样品仍然是4种样品中正峰个数最小的，而3#样的正峰个数明显大于1#、2#的正峰个数，说明4#烟草薄片样品的脆性最大，1#、2#、3#样品虽然手感上脆性差别不大，但实际上3#样品脆性更小.

3 结论

(1)无论是纵向还是横向撕裂测试正峰个数和平均撕裂力与含水率的相关系数均高于8，其中正峰个数与含水率的相关系数(R2)最高为0.938 0、0.954 8，所以用质构仪对造纸法烟草薄片撕裂测试时正峰个数这一指标能够表征烟草薄片的脆性，正峰个数与脆性成负相关性.利用质构仪对烟草薄片进行撕裂测试可以作为评价造纸法烟草薄片脆性的一种客观方法.

(2)撕裂测试时正峰个数与含水率的相关系数大于拉伸测试时B值与含水率的相关系数，所以撕裂测试时样品的正峰个数比拉伸测试时的B值更适合评价造纸法烟草薄片的脆性.

(3)撕裂测试时四种国产烟草薄片的正峰个数与其手感脆性一致，用质构仪能够评价和区分各类国产造纸法烟草薄片的脆性.

[1]陈祖刚,蔡 冰，王建新，等.国内外造纸法薄片工艺与品质比较[J].烟草科技,2002,46(2)：4-5.

[2]邝仕均.用J值评价纸张脆性[J].中国造纸，1988,20(4)：7-11.

[3]邝仕均.纸张脆性等强度性质与半纤维素含量的关系[J].中国造纸学报,1990,5:98-110.

[4]刘 毅,刘健平.纸张脆裂度测定方法小结[R].北京：轻工业部造纸研究所,1978.

[5]张东成,叶晓春，彭毓秀，等.纸张脆性评价方法研究[J]．中国造纸,1993,25(5)：28-34．

[6]程学勋.质构仪及其在食品研究中的应用简介[J].广东化工,2012,39(9):164-165.

[7]姜 松.韧性饼干脆性评价方法的研究[J].食品科学，2010，31(15)：60-63.

[8]李春红，潘家荣,张 波.物性测试仪对休闲食品酥脆性的测量[J].现代科学仪器，2008,25(6)：59-62.

[9]胡亚云.质构仪在食品研究中的应用现状[J].食品研究与开发,2013,34(11)：101-104.

[10]张玉海,邓国栋.烟叶粘黏强度的测定方法[P]．中国:102062720A,2011-05-18.

[11]邓国栋,张玉海.烟叶穿刺强度的测定方法[P]．中国:102589967A,2012-07-18.

[12]韩 明,王建民.一种用于烟叶脆性的检测方法[P]．中国:103424295A,2013-12-04.

[13]张玉海,常纪恒,邓国栋，等.造纸法再造烟叶剪切力分析[J].烟草科技,2013,57(11)：8-10.

[14]李庆芬.断裂力学及其工程应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998：5-8.