一种再造烟叶纸质滤棒的开发研究

赵金涛 林 瑜 张云龙 何 亮 彭林才*

（1.云南中烟再造烟叶有限责任公司，云南 昆明 650106；2.昆明理工大学，云南 昆明 650500）

卷烟滤棒是烟草行业主要的卷烟辅料，卷烟滤棒的设计和添加材料的选择对卷烟的抽吸品质和减害降焦有显著影响[1-2]。目前广泛采用醋酸纤维作为卷烟滤棒，醋酸纤维滤棒弹性好、无毒、无味、热稳定性好、吸阻小、截滤效果显著、能选择性地吸附卷烟中的有害成分，同时可保留一定的烟碱而不失香烟口味[3]。然而，醋酸纤维滤棒生产成本高、生产工艺复杂，吸附能力有限。相对于醋酸纤维滤棒，纸质滤棒具有较强的可降解性，成本低廉，在两者的过滤压降相同时，其对烟气中焦油和烟碱的截留效率更高[4-6]。此外，在改善抽吸品质、烟气特征方面，醋酸纤维滤棒往往需要依托香线加香、爆珠加香等方式，将浸渍香精的香线和爆珠包裹于滤嘴丝束中，以达到滤嘴加香的目的，工艺复杂且成本较高[7-10]。而再造烟叶纸质滤棒采用造纸法再造烟叶生产工艺，在抄造过程中添加适宜颗粒香基载体，亦或在片基表面涂覆香精香料即可实现滤嘴加香。而且再造烟叶纸质滤棒中以添加烟草浆及涂布烟草提取物的形式融入烟草元素，更加体现“烟中有烟、味中有味”。同时，从环保和资源综合利用角度，再造烟叶纸质滤棒也符合“双碳”背景下国家林业产业发展要求[11-13]。综上，采用造纸法再造烟叶加工工艺生产纸质滤棒，集制浆、抄造、涂布、加香、滤棒成型等技术于一体，无论从加工工艺、生产成本还是功能效果等角度，对其展开研究具有一定的可行性和必要性。目前，关于纸质滤棒的研究主要集中于功能性材料在纸质滤棒中的应用[14-18]、纸质滤棒对卷烟主流烟气中有害物质的影响[4-6]及纸质滤棒的生产工艺与物理性能[19-24]等方面，有关再造烟叶纸质滤棒的研究与应用鲜有报道。

本研究拟通过纤维分析、滤棒片基开发、再造烟叶滤棒成型及不同再造烟叶纸质滤棒性能分析，探究利用造纸法再造烟叶工艺和技术开发纸质滤棒的可行性，掌握不同片基配方和设计参数对滤棒关键参数的影响规律，以期形成一项再造烟叶纸质滤棒配方和技术，为再造烟叶材料化应用及新型滤棒研究提供一定的思路和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

针叶浆A（加拿大北木牌）、针叶浆B（加拿大虹鱼牌）、阔叶浆A（巴西金鱼牌）、烟草浆，云南中烟再造烟叶有限责任公司。

1.2 试验设备

试验主要仪器与设备见表1。

表1 试验仪器与设备Tab.1 Instruments and equipments

1.3 试验方法

1.3.1 浆料特性分析1）纤维微观结构观察

用纸浆标准解离机将浆板充分疏解分散为单根纤维，取少量浆料于载玻片上并用适量Herzbery（碘氯化锌试剂）染色，夹取盖玻片，从浆料一端盖上盖玻片并吸走多余水和染色剂，保证浆料分散均匀且无气泡，调整视场和光源对试样进行观察、拍照。

2）纤维质量测定

称取2份40 mg（绝干质量）的纤维分别置于800 mL水中浸泡1 h，然后用纸浆标准解离机疏解30 000 r，按照FQA操作规程测定各个浆料中的纤维长度、宽度、细小纤维含量、纤维卷曲、纤维扭结等，测量样本数为4 000根纤维。

1.3.2 片基抄造与物理性能测定

1）试验片基

使用快速凯塞法抄片器进行片基抄造和干燥，然后置于恒温恒湿箱内平衡水分24 h。分别按照GB/T 451.2—2002《纸和纸板定量的测定》、GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》、GB/T 453—2002《纸和纸板抗张强度的测定（恒速加荷法）》、GB/T 8942—2016《纸柔软度的测定》、GB/T 461.1—2002《纸和纸板毛细吸液高度的测定（克列姆法）》、GB/T 465.2—2008《纸和纸板 浸水后抗张强度的测定》进行定量、厚度、抗张强度、柔软度、吸收性、湿强度测定。

2）中试片基抄造、分切、复卷

对筛选优化配方进行中试验证，并将片基分切、复卷为150、155、160、165、170 mm五个规格幅宽待后续进行滤棒成型。

3）纸质滤棒片基微观结构观察

裁切适宜大小的纸质滤棒片基，并用导电胶固定于样品台上，喷金处理后用扫描电镜进行组织结构观察，加速电压为15 kV。

1.3.3 滤棒成型与物理性能测定

1）滤棒成型

用舒展辊将片基舒展后进行压纹辊压纹。压纹辊以螺杆控制压纹深度，压纹深度为0.2 mm，宽度0.8 mm。压纹后通过“喇叭口”将片基聚拢成型形成圆柱状滤棒原棒，滤棒成型规格为：圆周：单元棒：（23.7±0.15）mm，二元复合棒：（24.2±0.15）mm；长度：（120±0.5）mm；压降：（3 040±230）Pa。图1为纸质单元棒和二元复合棒结构示意图。

图1 纸质单元棒、二元复合棒结构Fig.1 Structure of paper unit bar and binary composite bar

2）滤棒物理指标检测

分别参照GB/T 5605—2011《醋酸纤维滤棒》、GB/T 16447—2004《烟草和烟草制品调节和测试的大气环境》、GB/T 22838.2—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第2部分：长度 光电法》、GB/T 22838.3—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第3部分：圆周 激光法》、GB/T 22838.5—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第5部分：卷烟吸阻和滤棒压降》、GB/T 22838.6—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第6部分：硬度 》、GB/T 22838.8—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第8部分：含水率》、GB/T 22838.13—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第13部分：滤棒圆周》、GB/T 22838.14—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第14部分：滤棒外观》进行滤棒长度、圆周、压降、硬度、圆度及外观等物理指标的测定。

1.3.4 纸质滤棒加工过程

图2为纸质滤棒生产加工过程，将针叶浆、阔叶浆、烟草浆按照一定配比进行片基抄造，并在片基表面涂布功能型涂布液负载香精香料，根据滤棒重量、吸阻等要求将涂布后片基分切为不同幅宽并收卷，片基放卷、压纹后通过“喇叭口”将片基填充至卷烟纸中形成单元滤棒，最后与醋纤单元滤棒拼接复合成为二元滤棒并接装至烟支上。

图2 纸质滤棒生产加工过程Fig.2 Processing process of paper filter rod

2 结果与分析

2.1 纤维微观结构及纤维质量对比分析

由图3可以看出，针叶浆A、B纤维长且粗，纤维壁较厚，纤维碎片及细小组分较少，纤维细胞呈纺锤状，两端尖锐，纤维表面光滑，利于改善纤维本身及纤维间的结合性，进而提高片基强度。阔叶浆纤维细长，端部尖削，纤维表面光滑，存在部分纤维碎片、细小组分、含有导管，有利于提升片基匀度和改善吸收性。烟草原料经过机械制浆后，浆料的均一性较差，纤维的分丝帚化程度不好，浆料中存在大量的纤维束和原料碎片，纤维表面也比较粗糙，纤维细胞较少而杂细胞（导管细胞和薄壁细胞）较多，浆料中细小组分含量也较多，对浆料体系的滤水性能及片基强度、匀度等不利。综上，从滤棒片基性能需求出发，若片基需要较高强度，则考虑使用针叶浆A、B进行组配。若考虑在满足一定强度且具有良好吸收性、承载性，则考虑使用针叶浆和阔叶浆进行组配。为保证滤棒片基具有良好物理性能，宜在纸质滤棒片基抄造中添加少量烟草浆，在满足纸质滤棒片基物理性能的前提下赋予其烟草元素。

图3 纤维微观结构（100×）Fig.3 Microstructure of fibers (100×）

滤棒片基相对于其他特殊纸张而言，不需要较高的强度和紧度，相反在提供加工过程必要的强度前提下，需要片基具有一定的松厚度和空隙，以满足滤棒过滤和调节烟气状态等功能。因此，选用初始打浆度下的针叶浆、阔叶浆和烟草浆作为片基研究开发的原料。由表2可知，针叶浆、阔叶浆的初始打浆度三者接近，且均较烟草浆低，说明滤水性能优于烟草浆。针叶浆长宽比大于阔叶浆，烟草浆最小，一定范围内，长宽比大的纤维，成纸时单位面积中纤维之间相互交织的次数多，纤维分布细密，成纸强度高，对提升片基物理强度有利。针叶浆、阔叶浆的细小组分含量远低于烟草浆，该结论与纤维微观结构结果一致。

表2 纤维质量Tab.2 Fiber quality

2.2 片基抄造及物理性能测定

2.2.1 针叶浆A、B及烟草浆配抄片基性能

由图4可知，随着针叶浆A比例减少和针叶浆B比例的增加，片基的柔软度、抗张强度和厚度均逐渐减小，而湿强度先增加后减小。当针叶浆A∶针叶浆B=7∶3时，片基的湿强度达到最大。考虑后续片基进行低涂布量功能涂布需较好的湿强度，同时兼顾片基需一定的柔软度以利于滤棒成型均匀性和稳定性，因此在该配比条件下进行烟草浆添加试验。结果如图5所示，从图中可以看出，随着烟草浆比例的增加，片基强度逐渐下降，厚度、柔软度逐渐增加。当针叶浆A:针叶浆B:烟草浆=70∶20∶10时，片基的抗张强度、湿强度及柔软性最好，故对该配比条件（配方1）进行中试。片基按1.3.2部分进行分切、复卷并按1.3.3部分进行滤棒成型及性能指标检测。

图4 针叶浆A、B配抄片基性能Fig.4 Film base properties of softwood pulp A and B

图5 针叶浆A、B和烟草浆配抄片基性能Fig.5 Film base properties of softwood pulp A, B and tobacco pulp

2.2.2 阔叶浆、针叶浆B及烟草浆配抄片基性能

基于2.2.1片基配方，考虑针叶浆B为经过特殊处理的长纤维浆料，其纤维长度较长且吸收性和柔软性较好，阔叶浆纤维细短、吸收性、柔软性较好，因此结合两者优势进一步提升片基性能，同时对比两个配方的片基性能差异。由图6可知，随着阔叶浆比例减少、针叶浆B比例的增加，片基的厚度、湿强度逐渐提升，而抗张强度、柔软度下降。当阔叶浆:针叶浆B=3∶7时，片基的湿强度达到最大，因此在该配比条件下进行烟草浆添加试验。结果如图7所示，从图中可以看出，随着烟草浆比例的增加，片基强度逐渐下降，厚度、柔软度逐渐增加。当阔叶浆∶针叶浆B∶烟草浆=∶:70∶5时，片基的抗张强度、湿强度及柔软性最好，故对该配比条件（配方2）进行中试。片基按1.3.2部分进行分切、复卷并按1.3.3部分进行滤棒成型及性能指标检测。

图6 阔叶浆、针叶浆B配抄片基性能Fig.6 Film base properties of hardwood pulp and softwood pulp B

图7 阔叶浆、针叶浆B、烟草浆配抄片基性能Fig.7 Film base properties of hardwood pulp, softwood pulp B and tobacco pulp

2.3 片基微观结构

由图8可以看出，配方1片基疏松、表面粗糙、空隙较多，纤维长且粗，分布不均匀；配方2片基表面平整，粗、长的针叶浆与细、短的阔叶浆纤维交织、缠绕，分布均匀。此外，在两个配方片基中，烟草浆不明显，可能是烟草浆的添加比例较少且烟草浆细小，在抄造成型过程中填充了纤维间的空隙并被针叶浆、阔叶浆覆盖。综上可知，配方2的片基匀度、柔软性和吸收性较好。

图8 片基微观结构Fig.8 Microstructure of film base

2.4 纸质滤棒与醋纤滤棒物理性能对比

按照滤棒成型要求：圆周（23.7±0.15）mm、长度（120±0.5）mm、压降（3 040±230）Pa进行纸质滤棒和醋纤滤棒成型，成型后进行物理性能指标检测和对比分析。

由图9可知，纸质滤棒与醋纤滤棒由于材质的差异导致其物理性能不同。在重量方面，纸质滤棒质量约1.2 g，醋纤滤棒质量约0.8 g，说明纸质滤棒片基致密、填充值较大。在硬度方面，2种滤棒接近且分布较均匀。在圆周方面，2种滤棒圆周均在设计范围内，但纸质滤棒稍大于醋纤滤棒，说明纸质滤棒片基致密、填充值较大。在吸阻方面，2种滤棒吸阻均在设计范围内，但纸质滤棒波动稍大于醋纤滤棒，说明纸质滤棒的填充均匀性不如醋纤滤棒。综上可知，就物理性能来看，2种材质的滤棒均能够满足要求。在使用纸质滤棒时，应重点关注滤棒对卷烟烟支重量的影响，建议对纸质滤棒和醋纤滤棒进行多元复合设计。

图9 滤棒物理性能Fig.9 Physical properties of filter rod

2.5 纸质滤棒性能影响研究

由图10可以看出，随着片基定量和幅宽的增加，滤棒端面孔洞和空隙减少，填充性、均匀性增加。由图11和表3、4可知，在滤棒成型参数确定后，滤棒的长度、圆周和硬度基本不变的情况下，片基的定量、幅宽直接影响滤棒的重量、吸阻。随着片基幅宽的增加，滤棒随之被片基填满，挺度增加、孔隙减少，重量和吸阻也随之增加，可根据设计需要调整和选择适合的片基幅宽和定量。进一步探究片基定量、幅宽对滤棒重量、吸阻的影响，建立纸质滤棒重量及吸阻预测模型，可有效避免大量的试验探索验证。通过对片基定量、幅宽、滤棒重量、吸阻进行回归分析可知，滤棒重量、吸阻与片基定量、幅宽之间分别符合以下关系：Y1=-2.98+0.018 9×X1+0.027 5×X2，R2=97.8%，Y2=-28 700+157×X1+140×X2，R2= 83.6%（Y1为重量，g；Y2为吸阻，Pa；X1为幅宽，mm；X2为定量，g/m2）。

图10 不同片基幅宽、定量滤棒截面Fig.10 Sectional morphology of filter rods with different film base width and weight

图11 滤棒重量、吸阻与片基定量、幅宽的关系Fig.11 The relationship between filter rod weight, suction resistance and film base weight, width

表3 滤棒重量与片基定量、幅宽方差分析Tab.3 Variance analysis of filter rod weight, film base weight and width

表4 滤棒吸阻与片基定量、幅宽方差分析Tab.4 Variance analysis of filter rod suction resistance and film base quantification and width

由表3、4方差分析可知，F1=490.11＞F0.01（2,22）=5.72＞F0.05（2,22）=3.44，F2=55.95＞F0.01（2,22）=5.72＞F0.05（2,22）=3.44。因此，片基定量、幅宽与滤棒重量、吸阻间具有极显著的关系[25]。

3 结论

本研究通过4 种浆料的纤维分析、滤棒片基开发、再造烟叶滤棒成型及不同再造烟叶纸质滤棒性能分析,得出以下主要结论：

1）随着针叶浆A比例减少、针叶浆B比例的增加，片基柔软度、抗张强度和厚度减小，湿强度先增加后减小。

2）随着阔叶浆比例减少、针叶浆B比例的增加，片基厚度、湿强度提升，抗张强度、柔软度下降。

3）在滤棒成型参数确定，滤棒长度、圆周和硬度基本不变的条件下，随着片基定量、幅宽增加，滤棒重量和吸阻增加。

4）开发的纸质滤棒片基配方为：针叶浆A∶针叶浆B∶烟草浆=70∶20∶10，阔叶浆∶针叶浆B∶烟草浆=25∶70∶5，这两种配方的片基抗张强度、湿强度及柔软性较好，可满足纸质滤棒成型要求。

5）片基定量、幅宽与滤棒重量、吸阻间具有极显著的关系，建立的模型可预测滤棒重量和吸阻之间的关系。