改性聚乳酸纤维滤棒上机适应性研究

王涛，岳保山，龚为民，王浩，魏宏，詹建波，桂永发，张静，李赓

（云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650000）

0 引言

聚乳酸在纤维的物理、化学性能方面与醋酸纤维十分相似[1]，但聚乳酸纤维具有低成本、高降解率、化学稳定性高等诸多优点，可以实现与常用的醋酸纤维丝束应用于卷烟时相近的抽吸体验，是现在应用广泛的醋酸纤维滤棒的潜在替代材料[2]。国内学者对于聚乳酸纤维滤棒的研究多集中在专利[3-7]阶段，开发的滤棒产品并未实际在卷烟产品中应用[8-11]，没有进行相关的卷烟生产试验。笔者通过开展聚乳酸纤维滤棒在滤棒发射机、管道风送、烟支卷接、废烟支回收等决定聚乳酸纤维滤棒能否实现大规模应用密切相关工序的上机适应性，以及其对卷烟产品外观、物理质量影响的研究，研究改性聚乳酸纤维的上机适应性、聚乳酸纤维滤棒卷烟产品质量特性以及废烟支回收可行性，旨在为聚乳酸纤维滤棒卷烟实现大规模工业应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、设备

实验材料为改性聚乳酸纤维滤棒、醋酸纤维滤棒。实验设备包括滤棒成型机KDF2（德国Hauni公司）、滤棒发射机Filtromat-s 2A Nr.856（德国Hauni公司）、Passim 12K卷烟机（英国Molins公司）、Protos 90S卷烟机（德国Hauni公司）、Protos 70s卷烟机（德国Hauni公司）、滤棒综合测试台Sodim 74Lin29（法车Sodim公司）。

1.2 方法

为考察改性聚乳酸纤维滤棒的工业适用性、保证大规模工业生产，作者通过对比分析改性聚乳酸纤维滤棒、醋纤滤棒在发射机故障率、输送管道停机故障率，输送后滤棒的外观、物理质量，不同类型卷烟机上机适应性，卷烟产品质量、废烟支回收等与滤棒加工相关的所有工序的不同特点，考察利用改性聚乳酸纤维滤棒取代醋酸纤维滤棒大规模生产的可行性。

2 结果与讨论

2.1 滤棒在发射段及输送管道中运行情况研究

滤棒在正常发射过程中，由于滤棒皱头、表面折皱等质量缺陷会造成滤棒夹在发射机内，导致发射故障停机，还会造成输送管道出现堵管故障，使滤棒不能正常供给，影响到卷烟的正常生产。根据发射机、输送管道的停机故障率要求，正常发射滤棒的夹棒、输送管道停机故障率应分别低于7次/百万支、2次/百万支[12-14]。针对滤棒在发射机运行过程中易出现的夹棒、输送管道过程中的堵管情况，本文选取了5台发射机对846万支乳纤滤棒，连续发射情况以及在输送管道中的运行情况进行跟踪统计，并通过与发射相同数量的醋纤滤棒故障率进行对比统计，结果如图1、图2所示，表明乳纤滤棒与醋纤滤棒故障率接近，能够满足大规模的工业生产。

图1 改性聚乳酸纤维滤棒与常规滤棒接收机堵管故障率对比图Fig.1 Failure rate comparison of plugging tube between modified and conventional polylactic acid fiber rod receiver

图2 改性聚乳酸纤维滤棒与常规滤棒在输送管道中故障率对比图Fig.2 Comparison of failure rate of modified and conventional polylactic acid fiber rod in pipeline

2.2 乳纤滤棒发射后质量情况研究

滤棒通过发射机和输送管道进入卷烟机的过程中，由于机械摩擦和碰撞会对滤棒的外观质量造成影响，通常是表面折皱和皱头，从而影响卷烟机生产效率和烟支质量。

通过将符合质量要求的乳纤滤棒和醋纤滤棒分别装入发射机料斗，经过发射机、发射管道和接收机后进入卷烟机料斗，本文对5台发射机发射乳纤滤棒的外观质量情况每台随机抽取20组共2000支样品分别检验，对发射过程中由机械摩擦和碰撞造成的外观质量缺陷与抽样总数的百分比进行汇总统计，并与醋纤滤棒对比，见表1。

表1 不同滤棒外观质量缺陷率对比统计表（单位：‰）Table 1 Statistical comparison of the appearance quality defects of different filter rods (unit: ‰)

由表1可知乳纤滤棒和醋纤滤棒表面折皱的平均值基本一致，变异系数优于醋纤滤棒，乳纤滤棒皱头的平均值优于醋纤滤棒，变异系数与醋纤滤棒基本一致，因此乳纤滤棒与醋纤滤棒的发射质量接近，可以满足滤棒发射的工业化需求。

2.3 烟支卷制段工业应用研究

为了考察滤棒在不同卷烟机型的上机适应性、卷烟产品质量是否满足生产工艺要求以及乳纤滤棒对烟支卷制的影响，本文在Passim 12K和Protos 90S卷烟机进行了批量工业试验，运行时间为一个班次（8小时），考察使用乳纤滤棒卷制卷烟的设备运行情况、产品的物理指标及外观质量，并与醋纤滤棒进行了比对。

2.3.1 Passim 12K、Protos 90S卷烟设备运行情况

试验前对设备进行了整体清洁，更换新的圆切刀，排除故障隐患后开机试验，正常速度下运行8小时，Passim 12K未发生受滤棒影响导致的故障停机，Protos 90S发生1次因夹滤棒导致的故障停机。8小时后停机检查滤棒圆切刀情况：Passim 12K切刀表面清洁无胶，刀口保持锋利，刀盘四周保持清洁，无明显的丝束碎屑堆积，乳纤滤棒样品的上机适应性良好。Protos 90S切刀表面粘附有少量胶皮，刀口保持锋利，刀盘四周保持清洁，无明显的丝束碎屑堆积。

乳纤设备效率与醋纤设备效率对比如表2、3所示，结果表明乳纤滤棒设备运行稳定，设备效率略高于醋纤滤棒，上机适应性好。

表2 乳纤与醋纤嘴棒的机台对比情况表Table 2 Comparison of lactic acid fiber and acetate fiber making machines

表3 实验机台与正常使用醋纤嘴棒的机台对比情况表Table 3 Comparison of experimental and conventional acetate fiber making machines

2.3.2 卷烟产品物理指标

乳纤滤棒样品在Passim 12K、Protos 90S卷烟设备上机试验8小时，每隔一小时随机抽取20支烟支样品进行物理指标检测，如图3、4所示。

图3 PASSIM 12K卷烟机烟支物理特性标偏控制图Fig.3 Control chart for physical characteristics of PASSIM 12K cigarette making machine

以醋纤滤棒烟支的物理指标为参考标准，乳纤滤棒烟支各项物理指标平均值与标准平均值接近且标准偏差较小，表明乳纤滤棒各项指标符合标准且波动较小,对卷烟物理特性无明显的影响。

2.3.3 外观质量

图4 PROTOS 90S卷烟机烟支物理特性标偏控制图Fig.4 Control chart for physical characteristics of PROTOS 90S cigarette making machine

分别随机抽取Passim 12K和Protos 90S卷制的样品烟支各10组共2000支进行外观质量检验，结果表明：烟支滤棒切口光滑平齐、无毛茬；烟支接装纸表面光滑无皱纹；剥离烟支段和滤嘴段检查，未发现漏气烟。乳纤滤棒从滤棒切割到与烟支的搓接，均对烟支的外观质量无明显影响。与使用醋纤滤棒的烟支外观质量比较，两者无明显差异。

2.4 乳纤滤棒卷烟工业生产应用情况

将乳纤滤棒用于卷烟工业生产，使用5台Protos 70S卷烟设备连续生产三个班次18个小时，共计772.2箱卷烟（3861万支成品卷烟），通过多机台设备的连续生产，考察了乳纤滤棒卷烟工业生产应用的设备运行情况、产品的物理指标及外观质量，并与醋纤滤棒进行了比对。

2.4.1 乳纤滤棒卷烟批量生产设备运行情况

本次批量生产在5台Protos 70S 卷烟设备上连续生产了772.2箱共计3861万支成品卷烟。与使用醋纤滤棒生产的设备有效作业率、废品率两项技术指标进行对比统计，如下表4所示。

表4 不同滤棒卷烟生产统计表Table 4 Production statistics of different filter rod cigarettes

生产前对设备逐一进行了整体清洁，更换新的圆切刀，排除故障隐患后开机生产，正常速度下运行，未发生受滤棒影响导致的故障停机，生产结束后停机检查滤棒圆切刀情况：切刀表面清洁无胶，刀口保持锋利，刀盘四周保持清洁，无明显的丝束碎屑堆积，乳纤滤棒的卷烟上机适应性良好。设备平均有效作业率：91.92%，废品率：0.044 kg/万支，本批次试生产使用乳纤滤棒的卷烟设备有效作业率、烟支废品率与使用醋纤滤棒生产的无明显差异。

2.4.2 乳纤滤棒卷烟批量生产烟支外观质量分析

在生产过程中对5台设备每台随机抽取10组卷烟成品（每组20支）共1000支进行烟支外观质量检验，检验情况如下：本次批量生产乳纤滤棒烟支切口无缩头、无毛茬；烟支接装纸表面光滑无皱纹；剥离烟支段和滤嘴段检查，未发现漏气烟。以上结果表明：乳纤滤棒从滤棒切割到与烟支的搓接，均对烟支的外观质量无影响。

2.4.3 乳纤滤棒卷烟批量生产烟支物理指标分析

为考察乳纤滤棒对烟支物理指标的影响，随机抽取30组样品（每组20支）进行检测，以醋纤滤棒烟支的物理指标为参考标准，对抽样检验的乳纤滤棒生产的烟支物理特性逐一进行分析：

图6 乳纤滤棒烟支吸阻分析图Fig.6 Analysis diagram of suction resistance of lactic acid fiber filter rod

乳纤滤棒卷烟的烟支重量整体较使用醋纤滤棒的烟支重量偏重，平均超出标准中心值约34.7 mg，由于改性聚乳酸丝束的规格为4.5Y/45000，而醋纤丝束规格为3.5Y/34000，因此对卷制后的烟支单支重量产生了影响。乳纤滤棒烟支的吸阻明显高于醋纤滤棒烟支的吸阻，平均高出170 Pa。由于醋纤滤棒的吸阻为3700 Pa，乳纤滤棒的吸阻为4200 Pa，因此，为适应生产需要，标准制定部门将根据乳纤滤棒规格重新制定相应的吸阻标准。

图7 乳纤滤棒烟支圆周分析图Fig.7 Circumferential analysis chart of lactic acid fiber filter rod

图8 乳纤滤棒烟支长度分析图Fig.8 Length analysis chart of cigarette filter rod

由于乳纤滤棒与醋纤滤棒的圆周、长度指标相同，因此乳纤滤棒对烟支圆周、长度指标未有直接影响，烟支的圆周、长度控制在参考标准中心值上限波动，主要是由于设备波动引起的，均控制在参考标准范围内。由于乳纤滤棒与醋纤滤棒的长度指标相同，因此乳纤滤棒对烟支长度指标未有直接影响。

2.5 废烟回收段工业应用研究

通过对乳纤嘴棒的烟支回收技术研究，以验证乳纤嘴棒烟支在回收处理过程中设备运行情况是否正常，回收后的烟丝中是否含有滤棒丝束。考察了设备运行情况以及回收烟丝质量是否符合工艺标准要求。废烟回收工艺流程图见图9：

图9 废烟回收工艺流程图Fig.9 Recovery process flow chart of waste cigarette

2.5.1 废烟回收段设备运行情况分析

使用1000 kg乳纤滤棒红梅（白）烟支，按照现行醋纤滤棒卷烟使用的废烟回收段工艺标准，连续生产1小时，考察了废烟回收段设备运行情况，主要技术参数情况见图10、11。

表5 随机抽样工艺指标数据统计表Table 5 Statistical tables for random sampling process indicators

图10 烟丝干燥滚筒压力曲线图Fig.1 0 Pressure diagram of tobacco drying cylinder

图11 回潮温度曲线图Fig.1 1 Curve of moisture regain temperature

从图10、11分析：从投料开始到烟丝回收结束，设备运行参数均符合工艺标准要求，设备运行正常，无异常波动导致的故障，整个生产过程处于稳定状态，表明使用现有设备即可对乳纤滤棒卷烟进行废烟回收。

2.5.2 回收烟丝质量分析

对乳纤滤棒烟支进行回收烟丝过程监控，通过对各项工艺指标的随机抽样检验，跟踪考察回收烟丝的质量波动情况，对连续生产1小时的回收烟丝间隔5分钟随机抽取100 g样品进行检验，各项工艺指标数据如表5所示。

烟支回潮出口水分，回收烟丝含水率均符合正常生产的工艺要求。将处理后的回收烟丝取样，采用分检法测得回收烟丝含杂率为0.14%，其中所含杂物主要以卷烟纸为主，未发现有嘴棒丝束等杂物。将回收后的嘴棒卷烟纸取样，采用分离法将嘴棒卷烟纸中剩余的烟丝分离称量，废纸含烟丝率为5.5%，各项技术指标均在工艺标准要求范围内，通过连续跟踪检验，乳纤滤棒烟支回收烟丝质量良好，无异常波动。

2.5.3 与醋纤滤棒回收烟丝质量对比分析

本文选取与滤棒质量相关的两项工艺指标（回收烟丝含杂率、废纸含烟丝率）进行对比分析，使用醋纤嘴棒的红梅回收烟丝数据来源为同步的正常抽样数据。回收烟丝含杂率对比分析情况，见图12。

图12 回收烟丝含杂率对比图Fig.1 2 Comparison of impurity content of recovered tobacco

通过对比分析，乳纤嘴棒的回收烟丝含杂率为0.14%，醋纤嘴棒的含杂率为0.15%，两者无明显差异。在工艺要求范围内，杂物主要以卷烟纸纸片为主，杂物中无滤棒丝束。结果表明，乳纤滤棒的烟支对烟丝回收含杂率无明显影响。废纸含烟丝率对比分析情况，具体见图13。

图13 废纸含烟丝率对比图Fig. 13 Contrast chart of tobacco content in waste paper

通过对比分析，乳纤滤棒的回收烟丝废纸含丝率为5.5%，醋纤滤棒废纸含丝率为5.4%，两者无明显差异。结果表明，乳纤滤棒对烟丝回收的废纸含丝率无明显影响。

3 结论

（1）乳纤滤棒能满足滤棒发射的生产要求，滤棒外观质量符合工艺要求，与发射醋纤滤棒的生产情况进行对比，两者无明显差异；

（2）乳纤滤棒在不同卷烟机型的上机适应性良好，烟支质量无异常波动。在红梅（白）品牌上连续批量生产，设备有效作业率和废品率均能达到工业化生产的要求，烟支质量保持稳定，满足烟支卷制的工艺要求；与使用醋纤滤棒的生产情况相比，无明显差异；

（3）考察了乳纤滤棒烟支的废烟回收情况，生产过程中设备运行稳定，回收烟丝含杂率和废纸含烟丝率均满足工艺指标要求，与醋纤滤棒的工艺指标相比，两者无明显差异，说明聚乳纤滤棒烟支对废烟回收无明显变化。