烟梗颗粒加填对再造烟叶基片物理性能的影响

宋顺喜 吴泽仕 张美云，* 鲁 鹏 王 杰 矣勇波

（1.陕西科技大学轻工科学与工程学院，轻化工程国家级实验教学示范中心，轻化工助剂化学与技术教育部重点实验室，陕西西安，710021；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西南宁，530043；3.云南中烟再造烟叶有限责任公司，云南昆明，650106）

再造烟叶，又称烟草薄片，是现代烟草制造业中的重要原材料[1]。它是利用卷烟生产过程中产生的烟梗、碎叶和烟末等原料，通过一定的物理或化学方法所制得的、与天然烟叶性能相近的片状材料[1]。与辊压法和稠浆法相比，造纸法再造烟叶基片具有如下优点：①在物理结构与性能方面，造纸法再造烟叶基片的组织结构疏松，具有密度较小、强度相对较高、透气性好、松厚度高和成丝率高等特点；②在化学特性方面，造纸法再造烟叶基片的燃烧性能好，焦油释放量较小，且在其生产过程中，可人为调控基片的化学组分，实现调香降害的目的[2-3]。因此，在卷烟中添加适量的造纸法再造烟叶，不仅可提高烟草原料的利用率和卷烟行业的经济效益，还可改善卷烟性能，减少烟草中的焦油和尼古丁等有害成分，对实现卷烟工业“降焦减害”和提高卷烟品质具有重要意义[4]。

松厚度是纸和纸板的一个重要指标，它表示纸张的疏密程度，可反映纸张孔隙率的大小[5-6]。因此，松厚度与基片的吸收性、透气性和填充性能相关，是评价造纸法再造烟草基片质量的重要技术指标[7-9]。提高松厚度不仅可改善基片对涂布液的吸收性和卷烟的抽吸与填充性能，降低卷烟燃烧时产生烟气中的CO 等有害物质含量[10-11]，同时有助于实现再造烟叶的轻量化，降低再造烟叶的生产成本。因此，制备高松厚度的再造烟叶基片一直是企业所追求的目标之一。近年来，相关研究主要从原料与工艺两方面来提高造纸法再造烟叶基片的松厚度。在原料方面，主要通过优化外加植物纤维的种类和配比，以及优化填料的种类和用量等来改善基片的松厚度；在工艺方面，可通过优化打浆工艺和改变组分配比等提高再造烟叶基片的松厚度。许江虹等人[12]的研究表明，与添加漂白阔叶木浆相比，向再造烟叶中添加未漂白阔叶木浆或未漂白亚麻浆均可提高产品的松厚度。在打浆工艺方面，与高浓磨浆相比，低浓磨浆可使基片的松厚度提高3.2%[13]。此外，添加填料也有利于提高再造烟叶基片的松厚度与吸收性，降低再造烟叶的成本。与未添加填料的基片相比，当碳酸钙添加量为15%时，基片的松厚度较空白样提高了1.92%[14]；当碳酸钙添加量从10% 增加至50% 时，基片的松厚度可提高5.5%[15]。然而，采用现有工艺或原料优化方法对基片松厚度的提高程度大多保持在3%～6%，很难进一步提高。

梗颗粒是以烟梗为原料，经粉碎处理后得到的尺寸不同且形状不规则的颗粒状物质。因其形态和尺寸类似于造纸填料，但又属于烟草组分，因此也可将其称之为“类填料”。梗颗粒与传统的造纸填料相比，具有以下优势：①该材料完全来源于烟草，其化学成分与烟草一致；②拥有细胞空腔结构，有利于改善基片的孔隙结构；③价格较低，可以实现对烟梗的回收利用，节约烟草资源[16]。

本研究以烟梗为原料，通过粉碎和筛选分级等加工处理方法，制备出不同尺寸范围的梗颗粒，并将其加填到再造烟叶基片中，研究了其对造纸法再造烟叶基片（以下简称基片）物理性能的影响，以期为制备高松厚度的基片提供新的思路。

1 实 验

1.1 材料、试剂与仪器

梗叶混合浆，打浆度为18°SR，其中烟梗与烟叶的质量比为1∶1；外加植物纤维为漂白硫酸盐针叶木浆，纤维质均长度为1.993 mm；填料为轻质碳酸钙，平均粒径为8.3 μm；助留剂为食品级瓜尔胶。

FSJ-A05N6 型粉碎机（小熊电器股份有限公司）；BS210S 型分析天平（北京赛多利斯天平有限公司）；992304 型标准浆料疏解机，062 型抗张强度仪（瑞典L&W 公司）；DCS-041PT 型 PFI 磨浆机，ZQJ1-B-Ⅱ型纸样抄取器，ZQS12 型打浆度测定仪（陕西科技大学造纸机械厂）；TD11-H 型纸页压榨机（咸阳通达轻工设备有限公司）；DC-HJY03 型电脑测控厚度紧度仪（四川长江造纸仪器厂）；HKRRD01 型纸张柔软度测试仪（恒科自动化设备有限公司）；Bettersize 3000 Plus 型粒度分布仪（丹东百特仪器有限公司）；Vega 3 SBH 型扫描电子显微镜（SEM，捷克TESCAN公司）。

1.2 梗颗粒的制备

称取烟梗10 g，将其放置于粉碎机中，粉碎30 s成粉末状后，依次采用60、80、120、200 目的圆网标准筛进行筛分，得到实验所需的4种尺寸范围的梗颗粒 ， 即d1＞60 目 、 80 目 ＜d2≤60 目 、 120 目 ＜d3≤80目、200目＜d4≤120目。

1.3 基片的制备

基片的制备流程如图1 所示。将梗叶混合浆与漂白硫酸盐针叶木浆按质量比4∶1 配浆，在纤维疏解机中疏解10000 转后得到纤维悬浮液，向其中依次添加15%的碳酸钙、15%的梗颗粒和0.05%的瓜尔胶（均相对于绝干纤维原料），配制成浆浓为0.1%的混合浆料，并置于搅拌器中持续搅拌15 min，搅拌器转速为500 r∕min。取适量浆料，在纸样抄取器中滤水成形，105℃下干燥5 min 后得到定量为60 g∕m2的基片。抄造空白样品时，不添加梗颗粒，其余步骤均相同。

图1 基片的制备流程

1.4 基片物理性能检测

基片的物理性能按照国家相关标准方法进行检测和计算，其中定量测定方法参照GB∕T 451.2—2002；厚度测定方法参照GB∕T 451.3—2002；透气度测定方法参照GB∕T 458—2008；抗张指数测定方法参照GB∕T 12914—2008；柔软度测定方法参照 GB∕T 8942—2016。

1.5 梗颗粒和基片表面形貌表征

利用SEM 表征梗颗粒和基片的表面形貌。将梗颗粒均匀分散于铜片上，再造烟叶基片样品剪成2 cm×2 cm 尺寸的正方形，并使用导电胶将铜片和基片样品分别固定于操作台上，经过离子溅射仪对其进行喷金处理后，采用二次电子模式观察其表面形貌，加速电压为10 kV。

2 结果与讨论

2.1 梗颗粒粒径及表面形貌

图2 为烟梗经粉碎和筛选分级后得到的4 种梗颗粒的粒径分布图。从图2可以看出，随着标准圆网筛目数的增加，梗颗粒的粒径逐渐降低，小粒径的梗颗粒占比越来越多。图3为经粉碎和筛选分级后得到的4 种粒径的梗颗粒SEM 图。从图3 可以看出，梗颗粒作为一种“类填料”物质，其表面多孔且不光滑，是一种形状不规则的块状颗粒。将其作为填料加入到再造烟叶基片中，由于颗粒密度小于矿物填料，且表面粗糙，因此有利于提高基片的松厚度。此外，梗颗粒来源于烟梗，虽然其粒径远大于常见的造纸填料碳酸钙（尺寸约8～12 μm），但却远小于烟梗纤维，同时，其化学成分和致香物质与烟草一致，因此梗颗粒的加入不仅有利于改善基片的表面性能，也可保留原烟草成分。

2.2 梗颗粒粒径对基片物理性能的影响

2.2.1 松厚度与透气度

图2 不同梗颗粒的粒径分布图

图3 不同粒径梗颗粒的SEM图

图4 显示了添加不同粒径的梗颗粒对基片松厚度的影响。从图4 可以看出，在造纸法再造烟叶的制备过程中加入梗颗粒，可显著提升基片的松厚度。随着梗颗粒粒径的增大，基片的松厚度呈增加趋势。与未添加梗颗粒的再造烟叶基片相比，添加d1、d2、d3、d44 种粒径梗颗粒的基片松厚度分别提高了8.31%、6.31%、5.98%、2.99%。这是由于在基片中，烟梗、烟叶与植物纤维之间会形成较多的孔隙，加入的梗颗粒作为“类填料”填充在纤维之间，导致松厚度增加。较大粒径的梗颗粒更倾向于填充在纤维之间，对纤维间孔隙的扩充作用较为明显，因此基片的松厚度随着梗颗粒粒径的增加而增大；而较小粒径的梗颗粒更倾向于填充在基片原有的孔隙之中而非纤维之间，因此对基片松厚度的改善作用较小。同时，当梗颗粒粒径过小时，容易在基片成形过程中流失，进入白水系统。因此，从对基片松厚度的改善效果和留着的角度考虑，应选择较大粒径的梗颗粒。

图4 梗颗粒粒径对基片松厚度的影响

图5 梗颗粒粒径对基片透气度的影响

再造烟叶的透气度对卷烟的燃烧性能有重要影响。卷烟燃烧过程中，具有较高透气度的再造烟叶更容易与外界发生气体交换，使卷烟燃烧更加充分，从而降低CO 等有害气体的产生。添加不同粒径的梗颗粒对基片透气度的影响如图5 所示。从图5 可以看出，添加梗颗粒可不同程度地改善基片的透气度，且透气度随着梗颗粒粒径的减小呈先增大后减小的趋势。与未添加梗颗粒的基片相比，添加d2的梗颗粒，基片的透气度提高了41.7%。透气度与松厚度均与基片的孔隙结构有关，当基片松厚度较高时，纤维结合较为疏松且孔隙较多，因此透气度也相对较高。添加d1梗颗粒后的再造烟叶基片虽然松厚度最高，但其透气度并非最高，其主要原因是梗颗粒密度较低，容易浮在水面，在基片的成形过程中，梗颗粒沉降速度慢，导致纤维部分先成形，随后梗颗粒沉积在纸张表面，使基片表面的纤维间孔隙减少，因而透气度下降。当添加d2的梗颗粒尺寸时，基片透气度最高，其原因可能是梗颗粒主要存在于基片的纤维之间，且梗颗粒尺寸分布较为均匀，因此颗粒包裹能力较弱，透气度较高。当添加梗颗粒平均粒径较小时，颗粒趋向于填充在纸张的网络孔隙之中，使得基片更加致密，从而降低了基片的透气性。综合梗颗粒粒径对基片松厚度与透气度的影响，添加d2的梗颗粒对基片松厚度和透气度有较好的改善效果。

2.2.2 抗张强度

基片需要具有一定的抗张强度，才能保证其抄造性能与加工性能。基片的抗张强度主要来源于纤维之间的氢键结合[17-18]。与植物纤维相比，烟梗原料的综纤维素含量较少，因此采用烟梗原料抄造的基片强度较低，往往需要添加其他植物纤维进行增强。由烟梗制备的梗颗粒添加到基片中时会阻碍纤维结合，所以加入梗颗粒会在一定程度上影响基片的抗张强度。从图6 可以看出，添加梗颗粒后，基片的抗张指数有所下降。但是随着添加梗颗粒粒径的降低，基片抗张指数逐渐增加。一方面是由于随着梗颗粒粒径的降低，梗颗粒比表面积增加，其与纤维之间的结合作用增强；另一方面，较小粒径的梗颗粒趋向于分布在纤维的孔隙之间，成纸紧度增加，为增强纤维之间的结合提供了条件，因此基片的抗张强度随着梗颗粒粒径的降低有所增加。

图6 梗颗粒粒径对基片抗张强度的影响

2.2.3 柔软度

添加不同粒径的梗颗粒对基片柔软度的影响如图7 所示。由图7 可知，与未添加梗颗粒基片相比，添加d1及d2的梗颗粒对基片的柔软度均略有改善作用。然而，随着添加梗颗粒粒径的减小，基片的柔软度有所下降（数值越高，柔软度越差）。由于纸张的柔软度与表面粗糙度、弯曲挺度和纤维结合力均有关系，而基片与传统纸张相比较为粗糙，因此，影响基片柔软度的主要因素为弯曲挺度和纤维结合力。纸张的弯曲挺度与厚度成正比，因此纸张厚度越高，样品被压弯所需要的力就越大，柔软度就越低。然而，添加梗颗粒在提高基片挺度的同时，也减弱了纤维之间的结合，导致基片结构更加蓬松。在外力作用下，纸张网络结构中的纤维容易出现相对滑动，基片容易发生弯曲和变形，使柔软度有所提高。因此，添加梗颗粒影响基片柔软度是纤维结合强度变化与基片弯曲挺度变化的综合结果。

2.3 基片的表面形貌

图7 梗颗粒粒径对基片柔软度的影响

图8 为添加不同粒径的梗颗粒基片SEM 图。从图8 中可以看出，与未添加梗颗粒的基片相比，添加了梗颗粒的基片结构较为松散，随着添加的梗颗粒粒径的减小，基片中的纤维网络更加紧密。如图8（b）所示，当添加d1的梗颗粒时，基片表面孔隙最大且结构最松散。这是由于粒径较大的梗颗粒均匀地分散于整个纤维网络中，无法进入纤维交织的孔隙，有利于提高基片的松厚度。如图8（c）、图8（d）、图8（e）所示，随着添加的梗颗粒粒径逐渐减小，梗颗粒更多地分布在纤维交织的网络孔隙中，形成了更加紧致的纸张纤维网络结构。因此，当添加较小粒径的梗颗粒时，基片由于具有致密结构而具有较高的抗张强度；当添加的梗颗粒粒径较大时，纤维网络由致密结构逐渐转变为多孔松厚的结构，使基片拥有较高的松厚度与透气度，这与前文的研究结论一致。

图8 添加不同粒径梗颗粒的基片SEM图

3 结 论

本研究将烟梗经过粉碎和筛选分级后，制备了4种不同粒径的梗颗粒，并将其加填到再造烟叶基片中，研究了其对造纸法再造烟叶基片性能的影响。

3.1 制备的梗颗粒形态不规则，表面多孔，可作为一种“类填料”改善基片的松厚度和透气度，梗颗粒粒径越大，基片松厚度越高。与空白样品相比，添加粒径大于60 目尺寸的梗颗粒时，基片松厚度可提高8.31%，提升效果最为显著；添加粒径60～80 目尺寸的梗颗粒，基片松厚度和透气度分别提高了6.31%和41.7%。

3.2 添加梗颗粒在改善基片松厚度的同时也会降低基片的抗张强度。但是随着梗颗粒粒径的减小，基片抗张强度有所提高。此外，当梗颗粒粒径大于80 目尺寸时，添加梗颗粒对基片柔软度有一定的改善作用。