乳液共聚制备高速卷烟接嘴胶的研究进展*

程传玲，佘 鑫，管仕栓，郑力文，李洪涛**，杨 硕

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450000；2.山东中烟有限责任公司技术中心，山东 青岛 266101；3.江苏中烟工业有限责任公司 淮阴卷烟厂，江苏 淮阴 223001)

烟草行业是各国财政收入的重要来源，随着烟草行业的快速发展以及行业内“降焦减害”的要求，对烟用原料和材料的要求不断提高。七十年代初，国内烟厂卷烟车速较低，自1975年引进首台MOLINSPA-9卷烟机[1]开始，卷烟车速不断提高，对烟用胶黏剂提出一些新的要求，开始对淀粉胶进行改性[2]，同时，高分子合成类卷烟胶逐渐受到瞩目，主要有聚醋酸乙烯酯乳液(PVAc)、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液(VAE)等。胡少东[3]指出，合成高分子类胶的改性主要是通过调整共聚过程来实现的。早期由于聚醋酸乙烯乳液(PVAc)稳定性较差、初粘性较低等[4]原因，不适用于高速卷烟机，通过与其他改性助剂发生聚合反应，其性能得到一定程度的改善。

卷烟胶是用量极大的卷烟材料之一，随着接嘴胶的不断发展，一些新型卷烟胶出现，李勇[5]赋予接嘴胶抵抗空气中的病毒和细菌的功能，刘新建[6]和李培芳[7]研制出新型环保卷烟接嘴胶；同时，一些研究者在卷烟胶中添加天然物质以协调香气、减少刺激，姚二民等[8]在接嘴胶中加入金莲花粉末，李晓[9]等在卷烟胶中加入茶叶粉末，发现制成的成品烟支在符合卷接质量的同时，感官质量提升；孙炜炜[10]在接嘴胶中加入孜然超微粉和孜然香精，抽吸时伴随有辛香、烘烤香等香韵，香气质明显提升。

自20世纪起，我国烟用胶黏剂的消耗就排在世界首位[11-12]。其中，搭口胶、接嘴胶及其他用胶的用量比为9∶6∶1[13]，接嘴胶作为烟用胶黏剂的重要组成部分，对胶体的粘度要求较高[14]，周沅桢[15]研究发现特殊情况下，搭口胶和接嘴胶可以使用同种胶。

硼酸在卷烟胶中作为交联剂起到提高初粘性的作用，由于其具有弱毒性，易在人体内积累发生慢性中毒[16]，在2012年中国烟草总公司发布的 YQ 15-2012《卷烟材料许可使用物质名录》中，明确禁止在卷烟胶生产过程中使用硼酸。因此，调整接嘴胶配方，寻找合适途径以提高接嘴胶的初粘性，以满足国家局对卷烟辅料安全性和环保性的要求。同时，研制成膜温度低、性能良好且适用于高速卷烟车速的接嘴胶是接下来的研究重点。

1 卷烟接嘴胶对烟支的影响

卷烟接装是烟支成型过程中的重要步骤，接装纸无胶区预打孔可以起到减害降焦的作用，而在接装过程中，由于接嘴胶自身的流动性以及渗透性，会向无胶区渗透堵塞部分通风孔，使无胶区面积下降，通风率降低，影响烟支的感官评析及安全性。

王理珉[17]等发现随着滤嘴通风率的增大，各常规烟气成分的降低呈现一定的规律性；庞永强[18-21]等通过实验得出总通风率与烟气有害成分的释放量、焦油量及危害性指数均呈负相关关系；王贝[22]等研究发现，接嘴胶种类、施胶量与滤嘴通风率之间均存在一定的相关性；马晓伟[23]等研究发现接嘴胶对无胶区有显著影响；周会舜[24]等研究发现，滤嘴通风率与酯类香料主流烟气转移率显著负相关。

同时，接嘴胶的性能及其上机参数，对卷烟机组的稳定供胶、成品烟支的外观，包括漏气、掉头、泡皱以及废品率等都有着密切的影响。

2 乳液聚合原料的作用及其选择

乳液聚合是目前高分子类卷烟胶的主要合成方式，高建华[25]通过实验发现，二元乳液聚合的产物初粘性明显不如三元共聚乳液。三元共聚有利于增加初粘性，降低成膜温度；刘家永[26]等采用三元共聚体系合成了高固含量、低粘度，具备低温成膜以及上机适用性良好的高速卷烟胶；李邦新[27]等以乙酸乙烯酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸为单体，研制出无污染且适用于高机速的卷烟接嘴胶，董全江[28]选用同样的三种单体进行乳液共聚，调整试验方案，生产的接嘴胶具有透气功能。

2.1 单体

三元共聚是优化乳液性能的重要方式，三种单体分别是软单体、硬单体和官能团单体。其中，硬单体是聚合反应的主要单体，起共聚作用；软单体起内增塑性能[29-30]，赋予其粘结特性；官能团单体通过引入官能团，增加乳液的初粘性以及耐性等反应特性。功能性单体中一般都含有乙烯基，可赋予永久的内增速性能，降低最低成膜温度，且所成胶体成膜韧性好[31]。醋酸乙烯价格低廉，对纸品有较好浸润性和粘接性等优点，是作为硬单体的最佳选择[32]；刘呈焰[29]以丙烯酸酯为软单体，降低了最低成膜温度，提高了共聚乳液的冻融稳定性。

唐红玉[32]和刘呈焰[29]等研究人员选取醋酸乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸进行三元共聚研制出的接嘴胶，上机发现其适用卷烟车速较低。刘铁军[33]等以同样三种单体进行改性研究，发现丙烯酸加入量对接嘴胶的性能有重要影响。

董彦林[34]在专利中提出，边搅拌边抽真空的方式可以有效降低醋酸乙烯酯残存单体含量；吕新亮[35]为了除去乳液中的残留单体，在反应后期保温时补加引发剂并提高保温温度，在降温时添加氧化还原引发剂，结果残留单体含量达到了相关标准要求。

2.2 保护胶体

保护胶体在聚合反应中起到维持乳液稳定性的作用，除此之外，还起到乳化剂的作用。常用聚乙烯醇-1788和聚乙烯醇-1799作为保护胶体研制接嘴胶，实验发现，聚乙烯醇醇解程度会影响乳液的粘度[33]。游激[36]认为，保护胶体的添加可以降低成本；唐红玉[32]等通过研究提出，保护胶体的用量可以根据胶体的粘度加以调节；刘铁军[33]等提出，PVA水溶液的浓度对胶体粘度有一定的影响。保护胶体一般在反应开始前加入，而董彦林[34]在试验中采用在聚合前后分别滴加适量的PVA溶液制得的接嘴胶性能良好，且能够适应高速卷烟机的生产要求。

2.3 乳化剂

乳化剂通过分散油相和水相，形成具有增溶作用的胶束粒[38]，同时还可以防止在聚合后期乳胶粒子发生凝聚，对胶体的粘度、粒径和稳定性等有不同程度的影响。在反应过程中，乳化剂还有发泡的作用，严重将会导致反应终止，所以应尽量选择效率高、用量小的乳化剂[38]。王月[39]指出乳化剂直接影响引发速率、聚合速率、乳液稳定性等。乳化剂有阴离子型、阳离子型和非离子型乳化剂，阴离子和非离子乳化剂复合使用，其乳化效果更为理想。宋军军[40]等采用高效乳化剂和丙二醇搭配使用，可以使乳胶的耐寒性优异；谭正德[41]以HLB值作为复合乳化剂乳化效果的评判标准，结果表示复合乳化剂用量在0.5%～5%之间，制得的卷烟接嘴胶稳定性更好且粘度适中。

2.4 引发剂

在乳液聚合过程中，引发剂受到外界刺激后，引发体系内的自由基进行聚合形成初级自由基。引发体系主要有过硫酸盐和氧化还原体系两种，其用量和种类与聚合反应的速率以及反应进行的完全程度相关，叶楚平[42]指出，引发剂与单体混合相间滴加，可以避免反应过速、共聚物分子量过大；龙飞[43]指出，以过硫酸铵做引发剂时，乳液的稳定性较好，以氧化还原体系引发剂，可以降低聚合度，引发速率较高，但是乳液的稳定性较差。有研究发现，在氧化还原体系中加入微量的Cu2+可大大提高聚合反应速率；王士虎[44]在研究引发剂对丙烯酸酯乳液聚合的影响时发现，在一定范围内，单体转化率随引发剂用量的增加而增大，乳胶粒粒径随引发剂用量的增加而减小。

2.5 增塑剂

增塑剂可以增加胶体乳液的韧性，是影响玻璃化温度的主要因素。高玻璃化转变温度，通过增加聚合物的脆性，改善卷接过程中的脏刀、脏车现象，而低玻璃化温度有利于改善乳液的初粘性。吕新亮[35]等提出，邻苯二甲酸酯作为增塑剂具有致癌性，应避免使用；温光和[45]提出，柠檬酸丁酯是绿色增塑剂，以其做增塑剂，在抽吸时刺激性降低、烟气更为醇和；董全江[46]通过试验发现增塑剂用量控制在0.1%～0.15%之间的卷烟胶成品初黏度较好。

2.6 消泡剂

在接装过程中，胶体存在气泡也会对喷胶系统带来影响[47]，从而造成卷烟的质量问题，消泡剂在接嘴胶的生产过程中起到抑泡、破泡的作用。李培芳[12]采用食品级白矿油作为消泡剂，徐淑浩[48]采用聚醚硅氧烷类消泡剂，实验发现用量为0.1%时效果最好；温光和[45]采用同属于卷烟致香成分的植醇与橙花叔醇作为复合消泡剂，发现对卷烟的舒适性和香气质感具有明显的改善作用。

3 合成工艺条件及其影响

合成工艺条件对接嘴胶的性能有着及其重要的影响，刘家永[26]指出，聚合反应中氧气通过消灭自由基从而组织聚合反应继续进行，因此，在反应开始前，应向反应容器中通入氮气以去除氧气；试验用水应用去离子水，以消除盐类对乳液稳定性的影响。反应中，pH值、反应温度、搅拌速度是影响乳液性能的主要因素。

3.1 pH值

聚合反应需要在偏酸性条件下进行，一方面可以防止单体水解，一方面调节反应速度及完全性。赵海英[49]指出，随着反应的进行，酸度不断增加，当pH<2时会破坏乳液聚合的正常进行，因此，在反应后期要加入一定量的pH调节剂调节乳液的酸碱度；宋志雪[50]发现，NaHCO3调节pH的同时还可以增大粘度。常用小苏打、磷酸二氢钾等做pH调节剂，温光和[45]等提出，用苹果酸钠调节pH，与常规pH调节剂相比，具有改善舒适性、柔和烟气和醇和烟香的作用。

3.2 温度变化

温度是控制聚合反应的一个重要因素。宋志雪[50]提出，聚合速率适宜、固含量适中的温度范围即聚合温度；赵海英[49]认为，反应温度先低于聚合温度，待反应平稳后再升温，可防止暴聚产生分的大量气泡和结块；高建华、王海荣[25，37]等通过试验发现，提高反应温度有利于提高粘度，但温度过高会导致反应爆聚，温度过低，则反应缓慢，且产物单体残留量大；刘家永[26]指出，随着聚合温度升高，固含量呈先升高后降低的趋势。

3.3 搅拌速度

搅拌有利于保证乳液的均匀稳定性以及聚合体系的传质和传热[50]。搅拌速度过低，单体及各种助剂分散不均匀，乳液性能不理想；搅拌速度过高会降低聚合速度，粘度降低[30]。董桂芳[51]认为，搅拌强度影响乳液粒径以及稳定性；卢志敏[52]等提出，在乳液聚合的不同时期，应采取不同的搅拌强度；董彦林在专利中[34]提出，边搅拌边抽真空的方式可以有效降低残存单体。

4 总结

随着卷烟原料质量标准越来越完善，人们对环保、安全的意识也越来越强，在满足天然、无毒的前提条件下，适用于高速卷烟机卷接条件且性能优良的卷烟接嘴胶是接下来卷烟用胶的发展方向。

在众多种类的卷烟用胶中，能够满足生产线要求的依然主要以高分子合成胶为主，乳液聚合是高分子合成胶的主要合成方式，在乳液聚合中，所选原料及用量、合成工艺等是决定卷烟胶性能的重要因素。生产出成膜温度较低，能够在较低温度下进行搓接且能够快速干燥的卷烟接嘴胶，以防搓接过程中滤棒搭口胶(热熔胶)发生融化从而使有效通风面积减少而影响抽吸感官品质，是今后的研究重点，此类研究成果将对烟草行业的发展起到一定的推动作用。