宁敏，周顺，徐迎波，胡源，葛少林，王程辉，舒俊生，田振峰，王平军，周明华，陶丰，何庆

1 安徽中烟工业有限责任公司，合肥市高新区天达路9号 230088;2 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥市金寨路96号 230026;3 民丰特种纸股份有限公司，嘉兴市甪里街70号 314033;4 杭州利群环保纸业有限公司，杭州市江干区杭州经济技术开发区18号 310018

造纸法再造烟叶的生产工艺流程一般是将卷烟生产过程中的烟梗、烟末以及部分低次烟叶按造纸方法先加工处理成纸基，纸基经涂布、烘干，最终制成接近天然烟叶的薄片[1-4]。再造烟叶作为卷烟的重要组成部分，其品质很大程度上通过燃烧后产生的烟气来反映。纸基作为再造烟叶的主要组成部分，是维持再造烟叶燃烧的重要载体，其物理特征和燃烧特性直接决定了再造烟叶的综合品质。王维胜和白晓莉均曾利用热重分析仪（TG）和示差扫描量热仪(DSC)研究过再造烟叶的热降解行为[5-6]。但关于再造烟叶纸基热降解和燃烧特性研究却未见相关报道。本文首先利用扫描电镜和万能材料试验机研究了纸基物理参数和其微观结构及力学性能的相关性。此外，利用热重分析仪、微燃烧量热仪和锥形量热计考察了物理参数改变对纸基热降解和燃烧特性的影响规律。

1 材料与方法

1.1 仪器与样品

扫描电子显微镜(AMRAY1000B，北京中科科仪仪器有限公司)；微燃烧量热仪(MCC-2型，美国哥马克公司)；锥形量热仪（SZL-1型，英国FTT 公司）；TGA Q5000 IR热重/差热综合热分析仪(美国TA 仪器公司)；万能材料实验机（LRX-plus 型，英国LLOYD公司）；Mettler Toledo AT26119 Delta Range电子天平(感量∶ 0. 00001 g，瑞士梅特勒公司)。

4种具有不同物理参数的纸基均由民丰特种纸股份有限公司提供（纸基具体物理参数列于表1）。样品在实验前于22℃±1℃和相对湿度60%±2%的环境下平衡48 h。

表1 不同类型造纸法薄片纸基主要物理参数

1.2 拉力实验

根据GB/T12655和YC171标准，对纸基进行拉力试验，拉伸夹距80 mm，断裂时拉伸时间小于5 s。每个样品重复实验3次。

1.3 扫描电镜实验

将具有不同物理参数的纸基样品截成两小段，用导电性胶带固定于样品台，在离子溅射仪上真空干燥、铂喷镀后于扫描电镜上观察，每小段纸基在相同放大倍数下取图3张。电镜工作电压20 kV，放大倍数200～2000倍。

1.4 热重实验

用TG的样品坩埚称取40-60毫克的纸基样品，坩埚置于TG样品室中，在10%的氧气浓度气氛下，从30℃起，以30℃/min的升温速率，升温至950℃，并保持5 s。每个样品重复实验3次。参比物：6.284 mg α-氧化铝；载气（高纯氮气）流速：60 mL /min。

1.5 微燃烧量热实验

称取4-6 mg纸基样品，在纯氮气气氛下分别以30℃/min的升温速率从100℃升至650℃，热解产物实时进入温度为900℃、气氛为10%氧气浓度的燃烧池内燃烧。每个样品重复实验3次。

1.6 锥形量热仪实验

将4种具有不同物理参数的纸基剪裁成长宽分别为100 mm ×100 mm的尺寸，然后装入铝箔内，保留顶面露置。外部辐射热通量设定为100 kW/m2（该热通量对应温度约为950℃，接近于卷烟燃吸最高温度）。每个样品重复实验3次。

2 结果

2.1 纸基力学特性

表2 4种不同物理参数纸基力学性能测试结果

表2给出了4种不同物理参数纸基的抗张强度和断裂伸长率数据,可看出，纸基PB-1的抗张强度和断裂伸长率均明显低于其他纸基样品。纸基PB-3具有最大的抗张强度，而断裂伸长率和PB-2及PB-4差别不大。通过比较PB-1和PB-3的物理参数可以发现，PB-3的透气度远小于PB-1，而其他参数保持一致，这说明透气度可能是影响纸基抗张强度和断裂伸长率的主要原因。和PB-3相比，PB-4的透气度和定量都较大，这使得其抗张强度有所降低，而断裂伸长率却没有变化，这可能是由于烟草浆料比例的升高提高了纸基的柔韧性。

图1 不同物理参数纸基扫描电镜图

图1给出了4种不同物理参数纸基扫描电镜(SEM)照片。比较图(a)、(c)、(e)和(g)可以发现，纸基微观结构主要是由宽长纤维和细短且卷曲的纤维组成，且随着木浆含量的增加，细短且卷曲纤维所占的比例有较大升高。比较图(b)和（f）可以发现，随着纸基透气度的增大，纸基表面平整程度下降且空洞数量明显升高，这可能是导致其力学性能下降的主要原因。

2.2 纸基热稳定性

图2 不同物理参数纸基热重和微分热重曲线

图2给出了不同物理参数纸基热重（TG）和微分热重（DTG）曲线。根据图2可以发现，具有不同物理参数的纸基热降解过程均主要由5个阶段组成。第1阶段是从起始温度到210℃左右，这一阶段主要是由于纸基中的游离水和小分子挥发性物质的损失所致；第2个热降解阶段主要发生在210℃-290℃范围内，这一阶段主要是由于纤维素的部分解聚、半纤维素和果胶热降解所致[5，7]；290℃以后，纸基中的纤维素和淀粉组分开始剧烈降解，导致纸基在345℃左右形成最大热失重[8]；420℃以后，DTG曲线上出现了一个宽而弱的热降解阶段，这主要是由于前期纸基热降解残留物的进一步焦炭化所引起；最后一个阶段发生在760℃以后，归结于纸基炭层的高温裂解。比较PB-3和PB-1的TG曲线可以发现，140℃以后，在相同温度下，PB-3在相同温度下的残留质量均较PB-1高，这表明PB-3的热稳定性明显高于PB-1。此外，由DTG曲线可以看出，PB-3的最大热失重速率也较PB-1低。这说明纸基透气度的降低有利于提高其热稳定性。需要注意的是，在较低温度下，4种纸基的热稳定性差别不大，但PB-4的热稳定性在360℃、350℃和316℃以后分别较PB-1、PB-2和PB-3明显降低。通过比较4种纸基的物理参数可以发现，这种热稳定性上的差异可能是由于木浆纤维相对含量升高引起的。

2.3 纸基燃烧特性

图3给出了不同物理参数纸基微燃烧量热曲线，相关测试数据详见表3。根据图3和表3可以看出，PB-1、PB-2、PB-3和PB-4纸基分别从227℃、231℃、236℃和256℃开始热解释放可燃气体，并分别在331℃、333℃、331℃和338℃达到最大值，之后又分别在423℃、413℃、412℃和410℃时可燃气体释放完毕。结合DTG曲线可以发现，整个燃烧温度区间主要集中在纸基的第2和第3个热降解阶段，这说明纸基可燃气体的释放主要是由于纤维素、果胶和淀粉等碳水化合物热解引起的。需要说明的是，最大热失重温度和点燃温度非常接近但并不一致，这主要是由于纸基在最大热失重时产生的可燃气体所占的比重并未达到极值。

图3 不同物理参数纸基微燃烧量热曲线

表3 不同物理参数纸基MCC测试结果

易燃性指的是材料被点燃的难易程度，而燃烧性通常指材料被点燃后的燃烧能力。在锥形量热仪实验中，通常用热释放速率的大小来衡量材料易燃性，热释放速率越高，则材料越易燃。热释放量可用来评价材料燃烧性，一般来说热释放量愈大，燃烧性愈好。根据表3，纸基PB-4的热释放量、最大热释放速率和点燃温度均较其他纸基高，这说明其具有较好的易燃性和燃烧性。可能的原因是，一方面，纸基PB-4具有更高的定量，从而具有更多的燃烧基质；此外，其所含的较高的木浆纤维比重也使其具有更好的易燃性。比较PB-1和PB-3的PHRR值发现，在定量相同的情况下，透气度的降低能够轻微减弱纸基的易燃性和燃烧性。值得注意的是，PB-2的透气度虽远小于PB-1，但其PHRR值和HRC值均稍大于PB-1，这主要是由于PB-2具有更高的定量所致。

图4 不同物理参数纸基的SPR曲线（a）和CO生成速率曲线（b）

烟气释放是燃烧过程中的一个重要现象，锥形量热仪能够实时测定烟气释放速率（SPR）以及烟气中CO释放速率[9-10]。图4给出了不同物理参数纸基SPR变化曲线和CO生成速率曲线。由图4(a)可以看出，在纸基的有焰燃烧阶段（锥形量热仪测试结果显示纸基有焰燃烧维持时间为4 s），SPR迅速增大，并达到其峰值。进入阴燃阶段后，SPR值迅速降低并在较小幅度内进行动态变化。比较而言，在有焰燃烧阶段，PB-4的SPR峰值明显大于其他纸基。比较PB-1和PB-3的SPR变化曲线可以看出，在整个燃烧阶段，PB-3的SPR值相对于PB-1都较低。图4(b)分别给出了不同物理参数纸基在燃烧过程中CO生成速率变化曲线。由图4(b)可以看出，在阴燃状态下的CO释放速率都明显高于有焰燃烧阶段。比较而言，PB-1的CO释放速率最大，这说明透气度的增大会加快纸基燃烧过程中CO的释放。

3 结论

纸基微观结构主要是由宽长纤维和卷曲的细短纤维组成，且随着木浆含量的增加，卷曲的细短纤维所占的比例有较大升高。随着纸基透气度的增大，纸基表面平整程度下降且空洞数量明显升高，这可能是导致其抗张强度和断裂伸长率降低的主要原因。纸基热降解过程主要由5个阶段组成，纸基透气度的降低有利于提高其热稳定性。在定量相同的情况下，透气度的降低能够轻微减弱纸基的易燃性和燃烧性。透气度的升高会使得纸基在被点燃后具有更快速的烟气释放速率，并在燃烧过程中具有较大的CO释放速率。

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