不同类型烟用内衬纸的性能对比分析

陈　宸　杨国涛　叶长文　牛佳佳　李青常　贺　琛　李　栋　陈连芳

(郑州烟草研究院,中国烟草标准化研究中心,河南郑州,450001)



·烟用内衬纸·

不同类型烟用内衬纸的性能对比分析

陈宸杨国涛叶长文牛佳佳李青常贺琛李栋陈连芳*

(郑州烟草研究院,中国烟草标准化研究中心,河南郑州,450001)

烟用内衬纸是卷烟产品的重要包装材料,起到保护卷烟和美观的作用。本文对真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸这3种新型内衬纸产品的阻隔性、上机适用性、环保与卫生、外观等性能进行了简要分析和对比。

烟用内衬纸；阻隔性；上机适用性；环保与卫生

(*E-mail: chen6228800@sina.com)

烟用内衬纸是衬于卷烟软盒或硬盒的内层、对卷烟起一定保护作用的专用纸[1],是重要的卷烟包装材料。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[2]。一直以来,卷烟企业主要使用复合铝箔内衬纸(即压延铝箔内衬纸)作为卷烟内衬包装,其生产工艺特点决定了其铝层较厚(达到6～7 μm),具有良好的水、气阻隔性能和上机适用性,但生产时大量消耗铝资源和能源,而且废弃后不易降解[3- 4]。

近年来烟草行业逐渐推广应用了真空直接镀铝内衬纸(真空直镀内衬纸)、真空转移镀铝内衬纸(转移镀铝内衬纸)和涂布内衬纸等新型内衬纸产品,这些产品主要的特点是极大地减少或完全避免了对铝资源的使用、易于降解,符合绿色环保理念。本文主要对真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸这3种新型内衬纸的各方面性能简要介绍,分析各类产品的差异，并与传统的复合铝箔内衬纸性能进行了对比。

1　生产工艺概述

真空镀铝纸是20世纪80年代以来国际上广泛用于包装行业的新型绿色包装材料,真空镀铝纸最大的应用市场是北美和欧洲[4]。2003年左右,真空镀铝内衬纸开始进入我国卷烟包装领域[5],并在10多年内发展成熟。真空镀铝内衬纸按其生产工艺分为真空直镀内衬纸和转移镀铝内衬纸。

涂布内衬纸是近几年发展的新型内衬纸产品,已应用于多家卷烟工业企业的卷烟产品,其区别于传统内衬纸的最大特点是不使用金属铝作为原材料,内衬纸的正面、反面均无铝层。

1.1真空直镀内衬纸生产工艺

真空直镀内衬纸由底纸、铝层、涂层组成,生产时预先对原纸表面进行涂覆处理,以提高纸张表面平整性,然后将原纸直接置于真空镀铝机进行镀铝,再于铝层上涂布一层印刷接受保护层[6]；工艺流程示意图见图1。该方法适用于薄纸型(定量较低),同时对原纸性能要求高,一般采用100%木浆纤维原纸。

图1　真空直镀内衬纸工艺流程示意图

1.2转移镀铝内衬纸生产工艺

转移镀铝内衬纸是以PET(聚酯薄膜)、BOPP(双向拉伸聚丙烯薄膜)等薄膜为转移基材,经涂布、上色、真空镀铝、复合、剥离等工艺处理,使铝通过胶黏作用转移到纸基(定量40～450 g/m2以上)表面加工而成。工艺流程示意图见图2。它对纸张性能要求不高、不受纸张厚度限制,剥离的薄膜也可重复使用；由于PET膜平整度高,转移到纸张表面的铝层光泽度高,纸张后加工的印刷适性好[7]。

图2　转移镀铝内衬纸工艺流程示意图

1.3涂布内衬纸工艺

涂布内衬纸原纸采用纯木浆制备的无荧光增白剂的白纸,主要生产工艺是分别制备面层涂布液(如添加云母粉的丙烯酸酯类共聚物水乳液)和背层涂布液(如琼脂水溶液),然后通过刮刀涂布方式将涂布液涂覆到原纸的两面,从而制备出涂布内衬纸。生产工艺如图3所示。涂布内衬纸涂布液的选择应确保安全和卫生,其生产工艺较为简单,对设备要求也没有真空镀铝内衬纸高,通过多涂布头的涂布机对内衬原纸进行背涂和面涂处理,一次性成型[8]。其中,背涂和面涂是两个关键工序。

图3　涂布内衬纸工艺流程示意图

2　三种内衬纸性能对比

2.1阻隔性能

烟用内衬纸作为卷烟烟支的内层包装,最主要功能就是对气体、水分的阻隔性能,从而达到对卷烟保香、保润要求；因此,内衬纸的阻隔性能是一项基本的功能性指标。

众所周知,致密的铝层结构可以提供较好的水、气阻隔性,真空直镀内衬纸在真空条件下,气态铝原子均匀吸附在纸张表面,形成致密镀铝层；转移镀铝内衬纸由转移膜经过转移工艺使镀铝层粘在原纸的正面,形成致密、平整光滑的覆盖铝层。两类镀铝纸的铝层厚度相当,一般在0.02～0.04 μm之间[7],具有较好的阻隔性能。

对于涂布内衬纸,以正面涂布液为添加云母粉的丙烯酸酯类共聚物水乳液，背面涂布液为琼脂水溶液为例进行介绍。涂布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。这样,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[8]。

笔者对真空镀铝内衬纸(包括真空直镀和转移镀铝内衬纸)、涂布内衬纸以及复合铝箔内衬纸的透气性和透湿性进行了对比研究[8-10],分别选择代表性样品,测定其气体(空气)透过量和水蒸气透过量进而衡量其阻气性和阻湿性,测试数据见表1。

表1　透气性和透湿性数据对比

由表1可以发现,涂布内衬纸与真空镀铝内衬纸的阻气、阻湿性能在同一水平,但均弱于复合铝箔内衬纸,存在数量级的差别。事实上,复合铝箔内衬纸具有较厚的铝层(一般在6～7 μm),真空直镀内衬纸和转移镀铝内衬纸通过特殊工艺生产,耗铝量极少,铝层也较薄(一般在0.02～0.04 μm),铝层厚度上的差异决定了其气体(空气)透过量、水蒸气透过量数值的差距。

综上,在阻隔性能方面,真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸处于同一水平,与传统的复合铝箔内衬纸相比,存在一定差距；然而,从这3种产品在行业推广使用多年,市场应用良好的情况来看,其阻隔性能虽然较弱,但辅以内衬纸外的烟盒、包装膜等包装层,可以满足卷烟保香保润的基本要求。

2.2上机适用性

真空直镀内衬纸和转移镀铝内衬纸的铝层很薄,与传统的复合铝箔内衬纸相比,纸张折叠后的反弹力较大,在常用的卷烟包装设备(如GD.X1、GD.X2等卷烟包装机型)上使用时易出现内衬纸烂包、生产出来的烟包内衬纸封口折叠不够平整等现象。要实现真空镀铝内衬纸在卷烟包装设备上的正常应用,保持真空镀铝内衬纸平整、精致的折叠状态,需要通过改造包装设备的折叠器来适应纸张：将卷烟包装机2号轮的固定式折叠器改为活动式折叠单元,加装活动式折叠传动件(凸轮、摆杆、传动轴等)。这样可以防止真空镀铝内衬纸折叠后反弹,有助于提高卷烟包装成型后的挺括度和折叠的平整度,防止烂包[11-12]。当然,除了对包装设备适当改造外,在真空镀铝内衬纸生产时,有必要控制内衬纸本身的折叠性能,以获得较理想的成型度。

转移镀铝内衬纸应用于软包卷烟时,有时在薄膜热封时会出现内衬纸转移层发花变色,这是内衬纸转移层的耐温性较弱所导致,主要原因一般是转移胶黏剂的耐温性不好、着色层耐温性不好,从而影响卷烟包装质量。转移镀铝内衬纸在卷烟包装折角时有时也会出现铝层爆裂,露出衬纸原纸,影响美观,主要是转移层附着力和柔韧性不够造成的[2]。这类问题可以通过改善原料(胶黏剂、原纸等)的质量性能,达到理想的上机成型效果。

涂布内衬纸表面没有金属铝层涂覆,其延展性比复合铝箔内衬纸差,在原有的包装机组上应用时会出现问题,需要针对包装机组进行小范围改进,解决延展性差的问题[13]。而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更为凸显,影响生产效率,因而一般不宜对涂布内衬纸进行后期压纹处理[8]。同时,真空镀铝内衬纸出现的耐折性问题,也是涂布内衬纸易出现的一个问题,亦需要对包装机组进行局部改进,以保证生产效率[14]。

综上,由于真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸自身结构和材质的特点,相比于传统的复合铝箔内衬纸,在上机使用方面会存在一些问题,但经过对包装机组小范围的改进以及合理控制内衬纸自身(包括生产原料)质量,可以保证顺利生产。即使如此,这3种内衬纸在包装机组上的包装速度一般还是比复合铝箔内衬纸的略低。随着其生产工艺和产品质量的进一步提高,上机使用效果和包装效率也会越来越好。

2.3环保与卫生性能

真空直镀内衬纸对原纸的要求很高,一般采用100%木浆原纸,且生产过程中不需要大量使用胶黏剂,工艺特点决定其具有较高的安全卫生性。其次,真空直镀内衬纸铝层很薄(0.02～0.04 μm),其铝含量仅约为传统复合铝箔内衬纸铝含量的1/250,大大节约了铝的消耗[3]；同时,真空直镀纸也是国际公认的环保可降解包装材料,在自然界基本可以完全降解。

转移镀铝内衬纸与真空直镀内衬纸类似,铝层厚度与真空直镀纸基本相同,大大减少铝资源消耗,同时也是可降解的环保型包装材料。但是转移镀铝内衬纸生产过程中使用PET、BOPP薄膜为转移基材,转移膜一般可以重复使用6～8次,废弃后不易降解,也会造成一定污染。

涂布内衬纸生产使用的涂布液一般是完全水性化的,在生产过程中避免了有机溶剂及胶黏剂的使用,生产环节无有机溶剂挥发，终端产品挥发性有机化合物(VOCs)等指标降到较低水平,做到清洁生产的同时也保证了产品的安全卫生品质。涂布内衬纸从原料上完全不使用匮乏的铝资源,又称“无铝内衬纸”,同时,涂层材料一般使用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,符合建设“资源节约型、环境友好型”社会的理念。

这3种内衬纸产品相比传统的复合铝箔内衬纸,可以极大程度地节约铝资源消耗、且具有生物降解性能,体现了烟用包装材料向绿色、环保、卫生、安全方向发展的行业导向。

2.4外观特性

真空直镀内衬纸的铝层和底涂层,表面呈细微孔状,平滑度和光亮度稍弱[15],印刷适性不及转移镀铝纸。真空直镀内衬纸一般较少进行印刷和镭射加工；由于铝层很薄,压纹效果亦不及复合铝箔内衬纸。

转移镀铝内衬纸的外观效果较为丰富,其铝层是镀在表面几乎没有空隙的薄膜上而形成的,铝层平整性好、金属光泽强、平滑度高、具有稳定可靠的印刷性能和机械加工性能,能够生产出光芒四射的任意图案、任意文字的镭射防伪镀铝内衬纸[16]。因此,转移镀铝内衬纸一般视觉冲击力强,易于提升产品包装档次。

涂布内衬纸表面虽然可以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略差,一般也不对涂布内衬纸进行压纹处理(如前所述,压纹后影响上机生产效率)。因此涂布内衬纸产品的外观表现较为单一、包装效果偏朴实一些。

2.5成本经济性

真空直镀内衬纸生产设备投资费用较高,对原纸要求高、且目前多数依赖进口；不过其工艺流程较短,产品质量稳定性较高。相比真空直镀内衬纸,转移镀铝内衬纸生产设备投资较小,而且工艺成熟、对原纸要求也稍低；不过其生产工序较多,对转移膜二次工序工艺技术要求高、控制难度较高,导致生产成品率比直接法略低。综合比较,真空直镀内衬纸生产成本等方面还是比转移镀铝内衬纸略高。

涂布内衬纸对于原纸质量要求高,但设备投资不太高,生产工序较简便,生产效率高,涂层原材料由于安全卫生级别要求较高而使成本偏高。若其生产规模能够进一步扩大、将原纸和涂层材料的成本控制在合理范围内,涂布内衬纸产品的成本也可以得到很好控制,比真空直接镀铝内衬纸和转移镀铝内衬纸更具经济性。

总体来看,真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸的产品成本目前可能与复合铝箔内衬纸相当或者略高,但它们在生产工艺成熟性、设备成本以及产品正品率等方面均有进一步完善和改进的空间,具有进一步降低成本、提升经济性的潜力。

3　应用分析

国家烟草专卖局在《关于烟草行业节能减排工作的实施意见》中已指出“要推广使用无毒无害、易降解的包装材料”,在《关于加强卷烟包装管理的意见》中指出“切实增强环保意识,积极推广应用环保可降解、可循环再生与可回收利用的包装材料”。当前国内卷烟年生产能力将近6000万大箱,若全部使用复合铝箔内衬纸,年消耗铝箔将达4.8万t,相当于每年要消耗28.7 万t铝土矿；若全部使用真空镀铝内衬纸,则每年仅需消耗250 t左右的铝丝[17-18]；若全部使用涂布内衬纸,则会完全避免匮乏的铝资源消耗,巨大的经济效益和社会效益不言而喻。

目前,复合铝箔内衬纸在内衬纸市场中仍然占有1/2以上比例,但已经比10年前大幅下降；转移镀铝内衬纸和真空直镀内衬纸经过10余年的发展,已经占据相当的市场份额,且仍在稳步增长；而涂布内衬纸在短短几年时间内,已经逐渐应用于多家卷烟企业的知名卷烟品牌上,发展势头迅猛。随着我国建设“资源节约型、环境友好型”社会步伐的逐步加快和国家烟草专卖局的大力支持,符合环保特性、同时具有越来越成熟上机使用性能的真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸,特别是环保等级更高的涂布内衬纸和真空直镀内衬纸,在烟草行业将具有广阔的推广和发展前景。

4　结　语

综上对比分析,真空直镀内衬纸、转移镀铝内衬纸和涂布内衬纸在阻隔性、上机适用性、外观方面可以满足内衬纸基本使用需求,具有进一步降低成本、提升经济性的潜力,同时极大程度节约了铝资源消耗、具有环保卫生性能。作为新型的内衬纸产品,这3种内衬纸在生产工艺、使用性能等方面也具有较大提升和完善的空间,是今后烟用内衬纸产品的主要发展方向。

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(责任编辑：常青)

Properties Analysis and Comparison of Different Types of Inner Liner of Cigarette Package

CHEN ChenYANG Guo-taoYE Chang-wenNIU Jia-jia LI Qing-changHE ChenLI DongCHEN Lian-fang*

(ZhengzhouTobaccoResearchInstituteofCNTC,Zhengzhou,He’nanProvince, 450001)

Inner liner of cigarette package is an important packaging material for cigarette products, which has the function of protecting the cigarette and displaying the image of the product. This paper briefly analyzed and compared the main properties of vacuum direct metallized inner liner， vacuum transfer metallized inner liner and coated inner liner, including barrier property, applicability to the machine, environmentally friendly property and appearance.

inner liner for cigarette； barrier property； applicability of the machine； environmentally friendly property

陈宸先生，硕士，工程师；主要研究方向：烟用材料标准化。

2015-11-12(修改稿)

陈连芳先生，E-mail：chen6228800@sina.com。

TS761.2

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.014