新型涂布内衬纸的性能与应用

陈宸，高韬，余赞，王晓辉，王涛，陈连芳

1郑州烟草研究院，中国烟草标准化研究中心，郑州市枫杨街2号 450001；

2 红塔烟草（集团）有限责任公司，技术中心，玉溪市红塔大道118号 653100；

3湖南省常德市武陵金德镭射科技有限公司，常德市常德大道武陵工业园 415000

新型涂布内衬纸的性能与应用

陈宸1，高韬2，余赞3，王晓辉2，王涛2，陈连芳1

1郑州烟草研究院，中国烟草标准化研究中心，郑州市枫杨街2号 450001；

2 红塔烟草（集团）有限责任公司，技术中心，玉溪市红塔大道118号 653100；

3湖南省常德市武陵金德镭射科技有限公司，常德市常德大道武陵工业园 415000

新型涂布内衬纸，是以水性丙烯酸酯树脂和云母粉复合溶液为面层涂布液，琼脂水溶液为背层涂布液，经过背涂和面涂两次涂布工序涂覆于原纸的两侧而制得。文中，对该涂布内衬纸的阻气性和阻湿性进行了测试，发现涂布内衬纸的阻气和阻湿性能与真空直接镀铝内衬纸在同一水平，可以满足卷烟包装的需求；分析了涂布内衬纸中挥发性有机化合物（VOCs）和重金属含量，含量均在较低水平，很好满足有关行业标准要求；同时，对上机适用性进行了分析，该内衬纸具有上机应用的普遍可行性；最后，分析指出了涂布内衬纸产品的优、劣势。

涂布型内衬纸；阻气性；阻湿性；VOCs；上机适用性

烟用内衬纸是衬于卷烟软盒或硬盒内层的包装纸，是一类重要的卷烟包装材料。一直以来，卷烟包装普遍使用的是覆有铝层的内衬纸产品，主要类型有复合铝箔内衬纸、复合转移内衬纸、真空直接镀铝内衬纸和转移真空镀铝内衬纸等。其中，复合铝箔内衬纸是传统的产品类型，占有较大市场份额；真空镀铝型内衬纸等是近年来迅速发展起来的产品，以其相对环保卫生的优势获得较广泛使用[1]。

烟用内衬纸作为卷烟的初始包装层，最主要的功能是起到保香、保润、遮光等阻隔作用，同时也可以展示出美观特性。铝箔纸具有很好的防护特性，特别是复合铝箔内衬纸，生产工艺特点决定了其铝层较厚，达到6～7μm[2-4]，铝分子特有的排布致密结构，可以很好地阻隔气体和水分的透过，保证烟盒几乎不吸收任何香气物质，其他材料如镀（涂）金属的纸或印刷纸难以达到相当的保护香气的能力。复合铝箔内衬纸虽然阻隔性能好、对卷烟可以起到较好的保香保润效果，但直接使用资源匮乏的有色金属铝材料；真空直接镀铝纸及真空镀铝转移纸尽管大幅度降低了铝材料的消耗，但其制造工艺复杂、工艺条件要求较高。

涂布型内衬纸是用于卷烟包装领域的新型包装材料。本文主要研究一种新型涂布内衬纸产品，该内衬纸是以水性丙烯酸酯树脂和云母粉复合溶液为面层涂布液，琼脂水溶液为背层涂布液，经过涂布方式分别涂覆于原纸的两侧而制得；与普通覆铝内衬纸相比，涂布型内衬纸最大程度地降低了金属铝的消耗和环境污染。目前，涂布内衬纸已逐渐在知名品牌卷烟上投入应用。文中简要介绍了此种内衬纸的结构、生产工艺，并对产品性能和应用可行性进行了分析。

1 涂布内衬纸的结构与生产工艺

1.1 涂布内衬纸的结构

涂布内衬纸区别于常规烟用内衬纸的基本特征是不使用金属铝，内衬纸的正、反面均无铝层。其结构示意图见图1所示。

图1 涂布内衬纸的结构示意图Fig.1 Structure of coated inner liner

内衬纸原纸采用纯木浆制备的无荧光白纸，定量一般在（48～60）g/m2范围内。面涂层是以水和水溶性（或水分散型）的丙烯酸酯类共聚物构成的乳液体系为主体，并添加云母粉、无机颜料等助剂形成涂布液，经均匀涂布后烘干而成；背涂层是以食品级琼脂的水溶液体系作为涂布液，进行均匀涂布烘干而成。

内衬纸正面的主体丙烯酸酯类共聚物材料在特定成型工艺条件下可以形成致密的交联结构，结合均匀分散其中的片状结构的云母粉，能够形成更为完善、致密的微区结构，这种结构能够渗透至纸张的亚表层中；同时，纸张背面的琼脂材料也能形成致密的高分子涂层。正、反面的高分子涂层可以大幅度提升内衬纸产品对香气、水分的阻隔性能，从而满足卷烟保香、保润的基本要求。其次，正面涂层中的云母粉等无机颜料可以为产品提供一定的色彩和光泽，增加了包装的美学可修饰功能。

1.2 生产工艺

按照一定的比例将水性丙烯酸酯类共聚物、云母粉分散于水中，制成面层涂布液。同时按照一定的比例将琼脂溶于水中，制成背层涂布液。通过涂布方式将涂布液涂覆到原纸的两侧，从而制备出涂布内衬纸。其生产工艺如图2所示。

图2 涂布内衬纸生产工艺示意图Fig.2 Flow diagram of production of coated inner liner

与常规烟用内衬纸相比，涂布内衬纸的生产工艺较为简单，对设备要求也没有真空镀铝内衬纸高。内衬原纸通过多涂布头的涂布机进行背涂和面涂处理，一次性成型。其中，背涂和面涂是两个关键工序。

（1）背涂：根据背涂层干涂量厚度的设计要求、结合背涂液（琼脂的水溶液）的粘度及固含量水平，选取适当目数和穴深的网纹辊，采用刮刀涂布的方式，通过网纹辊将背涂液均匀传递到纸张的背面。涂布过程网纹辊运转方向与走纸方向一致，为正向涂布，如图3-A所示。

（2）面涂：根据产品设计要求，选择云母粉、亲水性无机颜料与丙烯酸酯类共聚物的水溶液混匀调配而成的面涂液，通过微凹网辊均匀地传递到纸张正面。微凹网辊运转方向与走纸方向相反，纸张与网辊逆向涂布，产生一定的相对摩擦，利于面涂液在纸张表面均匀铺展，如图3-B所示。微凹网辊的传墨量较大，使面涂液能够充分填充纸张纤维空隙及亚表面凹凸区域，形成致密的高分子交联网络结构。

图3 背涂和面涂工艺示意图Fig.3 Schematic diagram of coating process to both sides

2 涂布内衬纸的性能测试

2.1 阻气性测试

按照GB/T 1038-2000[5]进行制样和测试，分别对涂布内衬纸、复合铝箔内衬纸、真空直镀内衬纸样品进行气体透过量测试。

2.2 阻湿性测试

按照GB/T 1037-1988[6]进行制样和测试，分别对涂布内衬纸、复合铝箔内衬纸、真空直镀内衬纸样品进行水蒸气透过量测试。

2.3 挥发性有机化合物（VOCs）测试

按照YC/T 207-2006[7]对涂布内衬纸中挥发性有机化合物进行测试。

2.4 重金属含量测试

按照YC/T 316-2009[8]对涂布内衬纸中砷、铅、镉、铬、镍、汞等重金属元素的含量进行测试。

2.5 定量

选取定量为58g/m2涂布内衬纸、62.5g/m2压纹复合内衬纸、61g/m2复合内衬纸、62.5g/m2压纹真空镀铝内衬纸4种内衬纸产品，按照GB/T 451.2-2002[9]对样品进行测试。

2.6 厚度及厚度变异系数

选取规格为0.055mm、0.057mm、0.058mm的三种涂布内衬纸产品，按GB/T 451.3-2002[10]进行厚度测定并计算厚度变异系数。如公式1所示：

3 结果与讨论

3.1 涂布内衬纸的阻隔性能分析

3.1.1 阻气性能评价分析

本文收集40个涂布内衬纸样品，涵盖多个批次、不同规格，按照方法标准的要求[5]，测试40个样品的气体透过量指标。同时，为衡量涂布内衬纸的在包装卷烟方面的阻气性水平，通过与市场上广泛使用的其他类型内衬纸产品进行对比，进而直观体现涂布内衬纸的性能；复合铝箔内衬纸和真空直镀内衬纸分别作为市场的主流产品和新兴产品，其阻隔性水平应具有较好的代表性，因此，收集了不同厂家和规格的复合铝箔内衬纸产品和真空直镀内衬纸产品各10个，同样按照方法标准的要求[5]进行制样测试。气体透过量的具体检测数据对比如表1所示。

表1 气体透过量检测数据Tab.1 Results of gas permeability capacity cm3/m2·d·Pa

从数据分布情况可以看出，涂布内衬纸气体透过量基本在（2100～3000）cm3/m2·d·Pa范围内，复合铝箔内衬纸的气体透过量在(40～80)cm3/m2·d·Pa范围内，真空直镀内衬纸基本在(2000～3100)cm3/m2·d·Pa 范围内。

复合铝箔内衬纸的气体透过量数值较涂布内衬纸和真空直镀内衬纸低得多，存在数量级的差别，反映出复合铝箔纸的阻气性强、保香性能好；而事实上，复合铝箔内衬纸具有较厚的铝层（一般在6～7μm），真空直镀内衬纸通过特殊真空工艺生产，耗铝量极少，铝层也较薄（一般在0.02～0.04μm）[2-4]，铝层厚度上差异决定了两者气体透过量数值的差距。

真空直镀内衬纸与涂布内衬纸的气体透过量数值范围基本一致，可认为涂布内衬纸与真空直镀内衬纸的阻气性能在同一水平。而真空直镀内衬纸产品已在行业推广、应用多年，市场应用情况良好，其阻气性能可以满足卷烟保香的基本要求。因此，可以判断新型涂布内衬纸的阻气、保香性能虽不及复合铝箔内衬纸，但也可以满足卷烟包装的市场应用需求。

3.1.2 阻湿性能分析

针对相同的40个涂布内衬纸样品、10个复合铝箔内衬纸样品和10个真空直镀内衬纸样品，按照标准的要求[6]进行制样和测试，水蒸气透过量数据对比见表2。

对比三类样品的数值可以看出，涂布内衬纸的水蒸气透过量基本在(490～762)g/m2·24h范围内、真空直镀内衬纸在(496～670)g/m2·24h范围内，而复合铝箔内衬纸在(12～27)g/m2·24h之间。复合铝箔内衬纸的水蒸气透过量远小于涂布内衬纸和真空直接镀铝内衬纸；真空直镀内衬纸数值整体范围基本一致，两者整体上在同一水平。根据真空直镀内衬纸产品良好应用的市场现状，判断涂布型内衬纸的阻湿、保润性能亦可以满足卷烟市场的应用需求。

3.2 VOCs和重金属含量水平分析

涂布内衬纸的原纸是纯木浆制成，正、反面的涂布液是以纯水为溶剂或分散介质，将琼脂、丙烯酸酯类、云母粉等溶解、分散而形成，完全不引入其他有机溶剂，在原料使用上符合烟草行业的有关许可要求。涂布内衬纸产品在生产流程和原料角度分析应是安全卫生的。

3.2.1 VOCs含量分析

为考察涂布内衬纸的VOCs水平，选取了34个不同规格和批次的样品进行检测分析。检测结果见表3。

表2 水蒸气透过量检测数据Tab.2 Test value of water vapor transmission capacity g/m2·24h

表3 涂布内衬纸中VOCs测定结果Tab.3 VOCs of coated inner liners mg/m2

续表3

挥发性有机化合物检测项目包括苯、苯系物、酮类、醇类、酯类5类，对表3数据进行分析可以看出：a）苯在所有规格涂布内衬纸样品中均未检出；b) 甲苯、乙苯均未检出，二甲苯有个别样品中检出，含量为0.01 mg/m2；c) 酮类物质检出的主要为丙酮和丁酮，个别规格样品检出环己酮，酮类总量在（0.04～0.22）mg/m2之间；d）醇类物质检出的主要为甲醇、丙二醇甲醚，个别样品检出正丁醇、异丙醇，醇类物质总量在（0.06～0.91）mg/m2之间；e）酯类物质检出的主要是乙酸乙酯和乙酸正丙酯，酯类物质总量在（0～0.65）mg/m2之间。五项挥发性有机化合物含量均在较低水平，完全符合行业标准的要求[11]。

各类挥发性有机化合物极低的含量水平，主要取决于内衬纸原纸、正反面涂布液原料和生产工艺：原纸是由纯木浆制备，不引入任何有机溶剂；正、反面涂布液均以纯水为溶剂或分散介质，云母粉、丙烯酸酯类和琼脂的卫生性均良好，不会引入挥发性有机物；生产工艺过程亦简单，在面涂和背涂工序之后仅需通过烘箱烘干即可，不涉及其他复杂工序。因此，原料和生产工序流程保证产品中挥发性有机化合物可以得到最大限度控制。

3.2.2 重金属含量分析

鉴于涂布内衬纸的正面涂布液中需加入云母粉及少量无机颜料来赋予纸张一定色泽，对34个样品的重金属元素也进行了考察。结果如表4所示。

表4 涂布内衬纸中金属元素测定结果Tab.4 Content of heavy metal elements in coated inner liners mg/kg

从表4可以看出，全部样品均不含有铬、镉、汞元素，镍、砷、铅元素的含量水平也均在1.0 mg/kg以内；该结果完全符合烟用接装纸产品行业标准[12]的要求。烟用内衬纸作为包装材料，达到了口触材料接装纸的要求，应足以保证其安全卫生性。

3.3 定量与厚度常规指标分析

由于涂布内衬纸和常规的覆铝内衬纸的加工方式完全不同，定量和厚度两个指标的控制水平主要取决于涂布工艺水平，而这两个指标也决定产品最基本的使用性能，故选取这两个物理指标进行了初步考察。

3.3.1 定量指标

选取定量为58g/m2涂布内衬纸、62.5g/m2压纹复合内衬纸、61g/m2复合内衬纸、62.5g/m2压纹真空镀铝内衬纸4个不同类型的内衬纸产品，按照GB/T 451.2—2002[9]对4种规格样品进行了定量测试,测定结果见表5。

同时，将4种内衬纸定量的标称值与测定值的偏差进行了统计，绘制柱状图如图4所示。可以看出，涂布内衬纸的定量测定结果的RSD仅为1.22%，同时测定值与标称值的绝对偏差也基本控制在1mg/m2以内。4种定量在同一水平的不同类型内衬纸中，涂布内衬纸的测定结果相对标准偏差和绝对偏差均小于其他3个样品。

表5 不同类型烟用内衬纸定量测定结果Tab.5 Basis weight results of different inner liners

图4 不同类型内衬纸定量偏差Fig.4 Basis weight deviation in different types of inner liners

3.3.2 厚度及厚度变异系数

选取规格为0.055mm、0.057mm、0.058mm的三种涂布内衬纸产品，按GB/T 451.3—2002[10]的规定进行厚度测定并计算厚度变异系数，测定结果如表6所示：

从表6可以看出，各不同规格涂布内衬纸厚度的20次测定结果与设计值之间的偏差均在0.005mm以内，厚度变异系数在3.5%以内，均能达到烟用内衬纸行业标准[11]要求的控制水平。

表6 不同厚度规格涂布内衬纸厚度及厚度变异系数测定结果Tab.6 The results of thickness and thickness variation coefficient in different types of coated inner liner

3.4 上机适用情况

满足正常的上机生产是烟用内衬纸产品的前提要求，为考察涂布内衬纸产品的适用性，在行业内4家卷烟工业企业的5个生产厂分别开展了样品的上机适用性验证工作。各单位使用不同规格的涂布内衬纸产品进行了不少于10件卷烟样品的上机试验，上机适用性验证情况见表7。可以看出，在不同生产厂、不同卷包机型上的上机运行情况良好。

表7 涂布内衬纸的上机试验情况Tab.7 Test results of coated inner liner's applicability to machine

4 涂布内衬纸的优、劣势分析

新型涂布内衬纸的综合性能可以达到常规覆铝内衬纸的要求，能够满足卷烟包装的基本需求，在卷烟包装机生产应用上也具有推广的可行性。涂布型内衬纸在资源节约、环保卫生、清洁生产等方面具有显著优势：

首先，不再使用不可再生的有色金属铝作为原材料。第二，涂层材料主要是丙烯酸酯类共聚物和琼脂，在自然环境下可以实现完全降解。相比之下，复合铝箔内衬纸铝层较厚、在自然环境中铝层无法降解，真空镀铝内衬纸用铝量大量减少、但在生产及使用废弃环节仍会产生一定程度的污染。第三，生产使用的涂布液是完全水性化的，在生产过程中完全杜绝了有机溶剂及胶粘剂的使用，终端产品在挥发性有机化合物(VOCs）等指标上降低到较低水平，保证产品的安全卫生品质；同时，生产环节无有机溶剂挥发，可以有效保障一线员工健康，做到无“三废”排放，达到“清洁生产”的目的。第四，生产工艺便捷，实际操控相对简单，通过一次工序，正、反面两次涂布即可完成产品生产，生产效率高；同时，由于工艺简单、涂层的原材料和原纸成本均在合理价格区间内，涂布内衬纸产品的成本也可以得到很好控制，一般情况下比真空直接镀铝内衬纸等更具经济性。

涂布内衬纸相比覆铝内衬纸也存在一定的不足：内衬纸的正面虽然有少量的云母粉和无机颜料赋予其一定色泽，但缺乏金属质感，无金属亮眼的光泽。同时，涂布内衬纸的延展性比之复合铝箔内衬纸也略差，在前期研究中发现对涂布内衬纸进行压纹处理后，由于其延展性不足而在包装机上出现问题，影响生产效率；因而一般不宜对涂布内衬纸进行压纹处理，从而使产品的外观表现较为单一、包装效果偏朴实一些。

[1]韩云辉,陈连芳,邢军.烟用材料生产技术与应用[M].北京：中国质检出版社,中国标准出版社.2012:127-128.

[2]徐金霞.浅谈真空镀铝纸[J].广西轻工业，2007（4）:5-6.

[3]高万珠.浅谈真空镀铝纸产生的经济效益[J].真空，2013，50（3）:74-75.

[4]谭明杰,叶侠英.真空镀铝内衬纸及其在烟包上的应用[J].印刷技术,2009 (14): 44-45.

[5]全国塑料标准化技术委员会物理力学试验方法分会.GB/T 1038-2000 塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法-压差法[S].北京：中国标准出版社，2000.

[6]全国塑料标准化技术委员会物理力学试验方法分会.GB/T 1037-1988 塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法-杯式法[S].北京：中国标准出版社，1989.

[7]全国烟草标准化技术委员会.YC/T 207-2006 卷烟条与盒包装纸中挥发性有机化合物的测定 顶空-气相色谱法[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8]全国烟草标准化技术委员会烟用材料分技术委员会.YC/T 316-2009 烟用接装纸和烟用接装纸原纸中砷、铅、镉、铬、镍、汞的测定 电感耦合等离子体质谱法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9]全国造纸工业标准化技术委员会.GB/T 451.2-2002 纸和纸板定量的测定[S].北京：中国标准出版社，2002.

[10]全国造纸工业标准化技术委员会.GB/T 451.3-2002 纸和纸板厚度的测定[S].北京：中国标准出版社，2002.

[11]全国烟草标准化技术委员会.YC264-2008 烟用内衬纸[S].北京：中国标准出版社，2008.

[12]全国烟草标准化技术委员会烟用材料分技术委员会.YC171-2009 烟用接装纸[S].北京：中国标准出版社，2009.

Properties of novel coated innerliner and its application

CHEN Chen1,GAO Tao2,YU Zan3,WANG Xiaohui2,WANG Tao2,CHEN Lianfang1
1.Zhengzhou Tobacco Research Institute,CNTC,Zhengzhou 450001,China
2 Technology Center,Hongta Tobacco (Group) Co.,Ltd.,Yuxi 653100,Yunnan,China
3 Hunan Wuling Jinde Laser Technology Co.,Ltd.,Changde 415000,China

Coated inner liner,as new packing material,was composed of raw paper and coating on both sides.The front side of raw paper is coated with mixture of water-based acrylic resin and mica.While the aqueous solution of agar was used as coating liquid for the back side.Coated inner liner structure and production process were investigated.Compared with vacuum aluminum-metallized paper,gas barrier properties and moisture resistance of coated inner liner were well-matched.Content of volatile organic compounds and heavy metal was controlled at low level.Its applicability and advantages and disadvantages were analyzed.

coated innerliner; gas barrier properties; moisture resistance; VOCs; applicability

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.007

TS761.2 文献标志码：A 文章编号：1004-5708（2014）06-0041-08

国家烟草专卖局标准项目(2012B049)

陈宸（1983—），硕士,工程师，主要研究方向为烟草标准化 ,Tel：0371-67672763，Email：chenchen763@163.com

陈连芳（1962—）本科,研究员，主要研究方向为烟草标准化 ,Tel：0371-67672671，Email：chen6228800@sina.com）

2014-03-30