新型齿磨盘解纤烟草薄片浆料的打浆工艺探究

张夏明 李友明 宋成剑 雷龙 朱小林

摘 要：针对烟草薄片浆料的特殊性，研究了新型齿磨盘解纤烟草薄片浆料的打浆性能。研究表明，经新型齿磨盘解纤的烟草浆，呈现易打浆状态，在浆浓为8.0%、PFI磨打浆转数为1200 r时，打浆度可达到70°SR，湿重为1.3 g。浆料在匀度方面有了极大改善，纤维的质量分数比例分布呈两端小中间大的趋势，近似正态分布。打浆转数的增加对纤维长度和宽度的影响均较小，纤维粗度呈显著下降。随着打浆度的提高，烟草薄片的裂断长则是快速上升到一定数值后下降;松厚度和透气度均呈不断下降趋势。

关键词： 打浆度;湿重;烟草薄片;PFI打浆;纤维筛分

中图分类号：TS4;TS734+.1

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.01.007

目前我国是最大的烟草生产国和消费国[1]。在烟草生产过程中产生的烟梗、烟末等“废料”的数量庞大[2-3]。烟草薄片（又称再造烟叶）以废弃的烟梗、烟末为原料，借鉴制浆造纸技术，经过制浆、打浆和抄造、浸涂等过程制成，研究者发现烟草薄片不仅最大程度利用了烟草原料废料，其理化特性与烟叶接近甚至优于天然烟叶，因此烟草薄片逐步开始作为烟叶配方原料或填充料使用，并大规模地应用到烟草工业[4-5]。

烟草薄片的发展经历了辊压法、稠浆法、造纸法三个阶段，与辊压法和稠浆法薄片相比，造纸法烟草薄片具有填充性能好、焦油释放量低等优点[2]。造纸法需要先对烟梗、烟末进行解纤处理，再进行打浆。解纤处理可避免打浆不均匀，同时降低打浆能耗。当烟梗经过高浓盘磨机解纤后，由于烟梗原料颗粒较大，呈疏松状，为了使纤维吸水润胀和细纤维化，一般对其进行打浆[6-7]。影响造纸法烟草薄片物理性能的最根本因素是打浆工艺，打浆效果的好坏关乎纤维浆料抄造烟草薄片的质量。

高大磊等人[8]对高浓盘磨机的磨盘齿型进行了改进，将传统的平行齿型改进为交错齿型，如图1所示。由图1可知，烟梗浆料在新型齿间解纤过程中，由于浆料在水平方向间隙作用的时间相对传统的作用时间更长，使其解纤作用更加充分。新型齿磨盘间距在1 mm附近使得烟梗浆料获得最优效果。本实验探究采用新型齿磨盘解纤烟草浆的PFI磨打浆性能，在不同浓度和不同打浆转数下进行打浆实验，进而研究烟草原料经过这种新型齿磨盘解纤后浆料的打浆效果。

1 实 验

1.1 实验原料

烟梗、烟末和烟屑，由上海某烟草公司提供。

1.2  設备和仪器

MorFi纤维分析仪，法国产;2500-II高浓盘磨机，日本产;Bauer-McNett 203C纤维筛分仪，美国产;YQ-Z-13 打浆度测定仪及湿重框架，国产;Mark Ⅵ型PFI磨浆机，挪威产;MESSMER 255纸页抄片机，美国产;FRANK 81502型卧式湿抗张强度测试仪，法国产;L&W 250厚度仪、L&W 166透气度仪，瑞典产。

1.3 实验方法

1.3.1 烟梗原料的处理

称取一定量的烟梗原料于密封袋中，温度70℃，液比1∶3，浸泡一定时间后，使用新型齿高浓盘磨机对其进行解纤。

1.3.2 浆料制备

将解纤后的烟梗浆料（绝干）和烟屑烟末（绝干）按照一定比例分别配制成3.0%、5.5%、8.0%、10.0%、12.0%浆浓，并分别设置PFI磨转数为600、900、1200、1500、1800和2100 r，将准备好的烟草浆依次进行不同转数的打浆。分别检测烟草浆的打浆度和湿重以及进行纤维形态分析和纤维筛分实验。

1.3.3 抄造烟草薄片

抄造定量为56 g/m2的烟草薄片，分别测定其物理性能。

2 结果和讨论

2.1 打浆对烟草浆打浆度和湿重的影响

图2所示为浆浓对烟草浆打浆度的影响。由图2可以看出，烟草浆的打浆度随浆浓的提高呈先上升后下降的趋势，浆浓为5.5%时，打浆度达最大值。表明烟草浆在中低浓打浆时可快速达到打浆效果。而当浆浓进一步提高至8.0%、10.0%、12.0%时，烟草浆打浆度出现下降，这可能是由于浆浓的提高影响了烟末浆的组织润胀，且烟末纤维长度较短，其纤维长度的变化对打浆度影响较小，因而当浆浓提高时烟草浆整体打浆度下降。金岚峰等人[9]在研究造纸法烟草薄片原料的打浆性能时，也得出了浆浓提高时，烟梗浆打浆度变化不大，而烟末浆打浆度下降的结论。随打浆转数升高，浆料打浆度整体呈上升趋势，但打浆转数2100 r时，浆浓10.0%和12.0%的烟草浆打浆度出现明显下降。这可能是由于烟草浆本身特性，纤维细胞粉碎瓦解造成的。

浆浓对烟草浆纤维湿重的影响见图3。由图3可以看出，浆浓较低时，不同转数下烟草浆湿重变化不明显。浆浓较高时，低转速下纤维湿重较大，但当打浆转数升至1800、2100 r时，纤维湿重下降明显。表明较高的浆浓在低转数下对烟草浆有明显的保护作用，有利于保证纤维长度，提高烟草浆品质。这也说明新型齿专用解纤磨盘的解纤效果是沿着烟梗的茎秆方向对烟梗进行剥离纤维，解纤效果明显。由数据分析可知，在打浆过程中，既要考虑烟草浆的滤水性能又要保证一定的机械强度，即在浆浓为8.0%，打浆转数为1200 r时，烟草浆的打浆度和纤维湿重均达到较好的状态，此时，烟草浆打浆度为68°SR，湿重1.3 g。

2.2 打浆对烟草浆纤维筛分的影响

图4所示为打浆转数对烟草浆纤维筛分的影响。由图4可知，打浆转数较低时（600 r），烟草浆纤维的长度分布主要集中在R30和R50之间，分别占比52%和22%，呈现两头小中间大。随着打浆转数的提升，磨齿对烟草浆纤维的切断作用加大，使得纤维被切断，R30组分烟草浆纤维占比急剧下降，在打浆转数为2100 r时，R30组分烟草浆所占比例下降了30个百分点;R50组分和R100组分的烟草浆占比逐渐增多，与打浆转数600 r相比，打浆转数2100 r时烟草浆占比分别增加了10个百分点和20个百分点;而R16、R200和P200组分的纤维占比均小于10%。

图5所示为浆浓对烟草浆纤维筛分的影响。由图5可知，烟草浆纤维的分布均呈现两头小中间大，主要分布在R30、R50和R100上。R30组分烟草浆纤维占比随着浆浓上升呈增多的趋势，说明经过新型齿磨盘解纤后的烟草浆在打浆时，可以有效地减少纤维被过度打浆的可能;而R50组分的烟草浆纤维占比变化较小，认为浆浓对烟草浆纤维粒径在270～550 μm 的占比影响较小，纤维占比均在30%左右;R100组分纤维占比随浆浓的增加而逐渐减少，当浆浓由3.0%增加至5.5%后，纤维占比由32%降到22%，增大浆浓可以减少烟草浆中细小纤维的含量，继续提高浆浓，R100组分纤维占比均无较大变化。

分析可知，新型齿磨盘解纤对烟草原料有优良的解纤效果，交错齿的使用使烟草浆在磨盘间的作用得到极大的增加，使烟梗浆在磨齿间的长度上更加完整存在，不易被切断，并且有效地保护烟草浆在打浆后有更好的纤维长度。与传统方式解纤后进行打浆的烟草浆分布呈中间少两头多相比[10]，新型齿磨盘解纤后的浆料在改变浆料匀度方面有了极大改善，在各个粒度范围的分配比例得当，相对集中，呈两头小中间大的趋势，近似正态分布。

2.3 打浆对烟草浆纤维形态的影响

由2.1节、2.2节的分析可知，经新型齿磨盘解纤的烟草浆其适宜的浆浓为8.0%，此浓度下烟草浆的打浆效果良好。较高的浆浓一方面可以保证纤维的长度免受过度切短，另一方面可以降低打漿能耗[11]。以下分析中未作说明的浆浓均为8.0%。

纤维的长度和宽度是评价浆料质量好坏的重要指标。由于数量平均纤维长度受短纤维的影响较大，因此纤维的平均长度一般采用质量平均长度来表示，从而避免短纤维的影响。打浆对烟草浆纤维形态的影响结果见表1。由表1可知，随着打浆转数提高，浆料的纤维长度总体上是呈变短的趋势，但下降幅度较小，长度范围在0.392～0.444 mm之间。在打浆过程中，纤维长度的下降是由于磨齿对纤维的切断作用和纤维间的摩擦作用;浆料纤维的平均宽度则随着转数增加而逐渐下降，其宽度范围在46.1～49.8 μm之间，纤维的吸水润胀、细纤维化、压溃和揉搓等作用都会造成纤维宽度变化[12]。打浆转数的增加对纤维长度和宽度的影响均较小，说明经过新型齿磨盘解纤的烟草浆打浆后浆料具有稳定性。

打浆后烟草浆的纤维粗度显著下降，随着打浆程度的加深，烟草浆纤维粗度由4.565 mg/m下降至1.420 mg/m。纤维粗度大，有助于提高纸张的松厚度，由于烟草薄片需要较高的松厚度，因此烟草浆不能过度打浆，不宜选取较高的打浆转数;纤维的扭结是由于纤维细胞壁破裂而产生的转折，纤维的扭结会在一定程度上削弱纸张的物理强度。由数据分析可知，随打浆转数的增加，纤维的扭结率呈逐渐上升趋势，但幅度较小，其范围为14.9%～16.8% ;浆料的卷曲率则无明显变化，均在12%左右。

2.4 打浆对烟草薄片物理性能的影响

打浆与纸张质量存在密切的关系，裂断长是反映纸张承受抗张强度的指标。打浆转数对烟草薄片裂断长的影响见图6。由图6可以看出，随着打浆转数的增加，烟草薄片的裂断长先快速上升后迅速下降。影响烟草薄片裂断长的因素主要是纤维结合力和纤维平均长度。当打浆转数由600 r提高到1200 r时，磨齿对纤维的切断作用较小，纤维结合力的增加是裂断长快速上升的主要因素，裂断长由0.65 km增大到最大值0.81 km，增加了0.16 km。继续增加打浆转数，磨齿对纤维的剪切作用增强，纤维的平均长度下降导致裂断长迅速下降。

烟草薄片的透气度和松厚度是影响卷烟燃烧性能的重要因素[13]。打浆转数对烟草薄片透气度和松厚度的影响见图7。由图7可知，松厚度随打浆转数的提升而不断下降。较高的打浆程度会导致纤维之间的氢键连接增多，成纸紧密，松厚度下降。随着打浆转数的提高，透气度则先急剧下降后趋于平稳。随着打浆度的增加，浆料纤维之间的结合力显著增强，打浆转数高于1200 r时，浆料纤维细纤维化程度较高，纤维之间的结合高度紧密，故透气度下降缓慢。

3 结 论

对经过新型齿磨盘解纤的烟草浆进行了PFI磨打浆实验，研究了不同浆浓、打浆转数下，烟草浆的打浆度、纤维形态和烟草薄片的物理性能。

3.1 浆浓为8.0%、打浆转数为1200 r时，烟草浆的打浆度和纤维湿重均达到较好的状态，打浆度为70°SR，湿重1.3 g。

3.2 打浆转数的增加对纤维长度和宽度的影响均较小，说明经过新型齿磨盘解纤的烟草浆打浆后烟草浆具有稳定性;随着打浆度的增加，烟草浆的纤维粗度显著下降。

3.3 打浆转数1200 r时，烟草薄片裂断长有最大值0.81 km;随着打浆转数的增加，烟草薄片松厚度呈下降趋势，透气度则先下降，然后在1200 r后逐渐稳定。

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（责任编辑：马 忻）