压梗和切梗工序对片状梗丝成丝特性的影响

周利军，郑力文，李洪涛，关欣，张东，李高坡，朱波，王新辉，王银龙

1 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，青岛市崂山区株洲路137号 266100；

2 山东中烟工业有限责任公司技术中心，青岛市崂山区株洲路137号 266100

梗丝具有较强的填充性和良好的燃烧性[1-2]，能改善卷烟燃烧性能，降低卷烟主流烟气释放量等[3-5]。目前主要是通过烟梗预处理或利用现有切丝设备进行制梗丝[6-7]，而制得梗丝形态多为片状，在卷烟掺配均匀性方面存在一些问题，因此，必须使梗丝的物理形态尽可能地接近叶丝。陈景云等[8]通过对比直接切梗丝法和压梗切梗丝法两种工艺研究得出，复切式制梗丝工艺能有效提高梗丝掺配后在各烟支段及卷烟烟丝柱中的分布均匀性，卷烟产品内在质量稳定，烟支吸阻和烟气焦油量降低。许衡等[9]通过在预处理工段将烟梗加工成丝状梗丝，并搀兑到卷烟中，结果表明：丝状梗丝有效利用率、卷烟卷制质量和稳定性提高，烟气质量稳定性得到提高。丁美宙等[10]对微波膨胀烟梗进行两次切丝，制成微波条状梗丝，并掺配到卷烟中进行应用效果评价，结果表明：采用微波膨胀制得条状梗丝，整体尺寸较小，结构更均匀，总糖和还原糖高，掺配卷烟后烟支单支质量标准偏差较小，吸阻标准偏差较大，抽吸口数较少，主要烟气指标产量降低，燃烧性好，能显著改善口感特性。由于梗丝与烟叶差异较大，采用现有切丝设备进行复切不利于成丝，行业内对烟叶的物理特性有所研究[11]，而梗片复切适应性加工及设备研究较少。基于此，本文首先研究不同形变参数制得梗片的加工特性，然后对比分析现有切丝机（SD5 辊刀式）和新型复切设备（轧切式）对丝状梗丝物理质量的影响，为梗片复切工艺及设备研发提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

材料：某牌号配方烟梗。

试剂：正己烷（AR，西陇化工股份有限公司），洗涤剂，高纯氮气（99.999%，西陇化工股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

PL203 型电子天平（梅特勒～托利多仪器（上海）有限公司）；KBF 型恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；GDS～410 型梗丝填充值检测仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；抗破碎仪；YB-3 型烟丝振动分选筛；ZD-T25 筛分仪（德国Haver&Boecker 公司）；智能烟丝弹性测定仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；UltraPYC1200e 真密度分析仪（美国Quantachrome 公司）；TA.XT Plus 质构仪（英国Stable Micro System公司）；CWT200 烟丝宽度测定仪（中国科学院安徽光学精密机械研究所）；青岛卷烟厂制梗线生产线，轧切式梗丝复切设备（自主研制）。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

①首先，物料经浸梗、贮梗后分别进行压梗和未压梗试验（压梗厚度0.8 mm、切丝厚度为0.13 mm）；然后在未压梗处理条件下，进行切丝试验，根据设备要求，设置切丝厚度为0.13 mm、0.15 mm、0.17 mm，物料流量2800 kg/h，均采用滚筒干燥，蒸汽流量245 kg/h。②取压梗试验后样品，分别采用切丝机（SD5）和轧切设备进行复切，切丝宽度为1.0 mm，物料流量为300 kg/h。待设备参数运行稳定时，分别在梗丝干燥设备和复切设备出口进行取样，将样品置于相对湿度（60±2）%、温度（22±1）℃的环境中平衡48 h 备用。

1.3.2 测试方法

（1）梗丝填充值、弹性和结构测定：按照文献[12-14]测定样品填充值、弹性和结构。

（2）梗片密度测定：取平衡后样品自然堆积在体积和重量恒定的容器中，待样品平铺满时称取容器总质量，堆积密度计算如公式（1）所示：

其中：V0为容积体积，单位cm3，M0和M1分别为容器铺满样品前后的重量，单位为g，ρ 为堆积密度，单位为g/cm3；

表观密度和真密度按照文献[15]测定。

（3）梗片力学特性测定：选取大小均匀，结构完整的梗片，并进行固定，采用质构仪恒速下压法测定梗片剪切强度和穿透力，下降速率为30 mm/min，重复3 次取平均值；按照文献[16-17]测定梗片柔软度抗破碎性。

（4）梗丝宽度、长度：每个样品取30 根，采用烟丝宽度测量仪对样品宽度和长度进行测定。其中，将宽度1.0 mm、厚度0.15 mm、形态近似叶丝的梗丝定义为丝状梗丝。

1.3.3 数据处理与分析

采用SPSS、Origin 软件对试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 压梗工序对片状梗丝加工性能的影响

（1）梗丝物理指标

表1 为压梗处理样品主要物理指标对比检测结果。由表1 可知，与未压梗相比，梗丝结构方面，压梗处理后梗片整丝率、长丝率和碎丝率分别降低3.31%、8.88%和0.24%，中丝率和短丝率分别增加5.58%和3.55%；弹性降低6.85 百分点；而真密度和表观密度稍有增加，堆积密度变化不大。烟梗受到外界机械力的作用，切丝后宏观上烟梗形态变化较大，后序加工过程中梗片韧性降低，烘后梗片物理质量下降。同时在一定程度上破坏了烟梗内部结构，造成内孔体积减小，真密度和表密度增加。

表1 压梗处理梗丝物理指标测定结果Tab. 1 Results of physical indexes of cut stem in stem rolling process

（2）力学特性

对样品进行主要力学特性测定，结果见图1 和图2。从图1 可以看出，与未压梗处理相比，压梗处理后梗片剪切力、穿透力和柔软度分别降低8.64%、4.23%和4.6%，表明压梗处理后梗片的剪切性和穿透性减小，柔软性增加，其中柔软度值和柔软性呈负相关关系，柔软度值越小柔软性越好。而柔软性的增加可能是由于外力破坏了烟梗内部纤维组织结构。图2 为压梗处理样品梗片抗破碎性检测结果和拟合曲线图。由图2 可知，压梗处理梗片破碎前后特征尺寸为2.58 mm、2.45 mm，分别较未压梗处理梗片低0.27 mm、0.28 mm，而破碎度增加0.55 个百分点，达到4.90%，表明采用压梗处理制得梗片形态相对偏小，抗破碎性降低，耐加工性稍弱。

图1 压梗处理梗片力学特性柱状图Fig. 1 Bar graph of mechanical properties of flake cut stem in stem rolling process

图2 压梗处理梗片抗破碎性拟合曲线图Fig. 2 Fitting curves of crush resistance of flake cut stem in stem rolling process

2.2 切梗厚度对片状梗丝加工性能的影响

（1）梗丝物理指标

不同切梗厚度处理后梗片主要物理指标检测结果见表2。由表2 可知，随着切梗厚度增加，梗丝结构方面整丝率和长丝率升高，短丝率和碎丝率降低，但变化不明显；弹性变化无明显规律，当切梗厚度为0.13 mm 时梗片弹性最高，达到49.30%。梗片表观密度和真密度均增加，分布在0.94～1.07 g/cm3和1.27～1.30 g/cm3之间，堆积密度变化不明显。

表2 不同切梗厚度处理梗丝物理指标测定结果Tab. 2 Results of physical indexes of flake cut stem with different cutting thickness

（2）梗片力学特性

不同切梗厚度处理后梗片力学特性测定结果见图3、图4。由图3 可以看出，试验范围内，随着切梗厚度增加，梗片剪切力和穿透力呈现增加趋势，表明梗片越厚，抗剪切能力和穿透力越强，而梗片柔软度值呈先降后升趋势；由图4 可知，梗片破碎前后的特征尺寸先增加后降低，当切梗厚度为0.15 mm 时柔软性和抗破碎性最好，破碎度为4.02%，表明梗片的耐加工性好。

图3 不同切梗厚度处理梗片力学特性柱状图Fig. 3 Bar graph of mechanical properties of flake cut stem with different cutting thickness

2.3 不同成丝方式对梗丝质量的影响

根据上述梗片力学特性研究，本研究采用自主研制新型复切设备（见图5）与常规切丝设备（SD5 辊刀式）对梗片进行复切，对比分析不同复切方式对片状梗丝成丝效果的影响。

（1）梗丝结构

采用未压梗处理制得梗片为样品，不同复切设备处理后梗丝结构检测结果见图6。从图6 中可以看出，与复切前梗片相比，复切后梗丝结构变化较大，尺寸减小，主要表现在整丝率和长丝率大幅降低，中丝率、短丝率和碎丝率明显增加。采用轧切式复切后梗丝整丝率、中丝率较辊切式（SD5）复切梗丝均增加15个百分点以上，且碎丝率由25.55%降低至7.06%，两者长丝率和短丝率差别不大，可以看出轧切式复切后梗丝整丝率的提高主要是由于中丝率的增加造成。因此，梗丝经复切后片状形态梗丝减少，丝状形态梗丝增加，长丝率减少，而采用轧切式复切，可以有效改善梗丝结构，降低整丝率，提高中丝率。

图4 不同切梗厚度处理梗片抗破碎性拟合曲线图Fig. 4 Fitting curves of crush resistance of flake cut stem with different cutting thickness

图5 轧切式复切设备示意图Fig. 5 Schematic diagram of crush re-cutting equipment

（2）梗丝填充值和弹性

不同复切设备处理后梗丝填充值和弹性检测结果见图7。由图7 可知，采用轧切式复切的丝状梗丝填充值和弹性均高于辊刀式（SD5）复切方式处理。其中，填充值增加0.25 cm3/g，达到6.30 cm3/g，梗片弹性提高3.28 个百分点。采用轧切式复切加工强度小，有利于提高梗丝的填充能力。

（3）梗丝宽度和特征长度

采用图像法对两种复切后丝状梗丝宽度和特征长度进行测量，结果见表3。由表3 可知，两种复切方式制得丝状梗丝宽度均符合工艺要求（1.0 mm±0.1 mm），形态接近于叶丝；采用轧切式复切设备制得丝状梗丝的特征长度稍大于常规切丝设备（SD5 辊刀式），且梗丝宽度均匀性较好。

表3 两种复切方式梗丝宽度和特征长度测定结果Tab. 3 Results of thickness and characteristic length of cut stem under different re-cutting methods

2.4 生产验证

图6 两种复切方式梗丝结构对比柱状图Fig. 6 Bar graph of structure of filamentous cut stem under different re-cutting methods

图7 不同复切方式处理梗丝填充值和弹性对比图Fig. 7 Bar graph of filling value and elasticity of filamentous cut stem under different re-cutting methods

根据前期研究，辊切式复切梗丝出丝率为33.45%，采用轧切式复切设备进行多批次物料生产验证，流量设置为400 kg/h，设备运行情况及梗丝质量见表4。由表4 可知，生产过程中轧切式复切设备稳定性较好，连续无故障率达到98.04%，梗丝宽度合格率和出丝率分别为99.4%和68.68%，出丝率较辊切式复切提高一倍以上。

表4 轧切式复切设备生产验证结果Tab. 4 Results of production verification of crush re-cutting equipment

3 结论

①与压梗相比，未压梗处理后梗片整丝率、长丝率和碎丝率稍有增加，中丝率和短丝率稍低，表观密度和真密度降低，剪切力和穿透力强，柔软度好和抗破碎性较好。②试验范围内，随着切梗厚度的增加，梗片整丝率增加，短丝率和碎丝率降低，表观密度、真密度以及力学特性指标整体上呈现为增加的趋势，当切梗厚度为0.15 mm 时耐加工性较强。③复切后丝状梗丝结构变化明显，尺寸减小，主要表现为整丝率和长丝率大幅降低，短丝率和碎丝率大幅增加；与常规切丝（SD5 辊切式）复切相比，轧切式复切制得丝状梗丝具有较高的填充值和弹性，梗丝宽度均匀性较好。④生产验证表明：轧切式复切设备运行可靠性和稳定性较好，梗丝质量达到要求，其中，设备连续无故障率达到98.04%，丝状梗丝出丝率为68.68%。因此，采用未压梗、切梗厚度0.15 mm 制得梗片进行轧切式复切，丝状梗丝成丝特性较优。目前在片状梗丝物理特性检测方面主要是执行烟叶的相关检测方法，而且丝状梗丝的添加对卷烟质量会有一定地影响。因此，有必要进行关于片状梗丝相关物理指标检测标准以及丝状梗丝对卷烟综合质量的研究，以此提高丝状梗丝在卷烟中的应用效果。