王小升,苏丹丹,伏 颖,任俞澄,冯 涛,张文军,熊 珍,王艳红,周桂园,张 燕

(1.中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司,云南 玉溪 653100；2.云南省烟草质量监督检验站,云南 昆明 650106)

造纸法再造烟叶是利用烟梗、烟末、碎片等废弃烟草原料,经过提取、浓缩、压榨、打浆、抄造、涂布等工艺制成的再生产品,主要用于卷烟的填充。造纸法所生产的再造烟叶具有密度小、填充值大、机械性能好、透气度高、吸湿性好、焦油释放量低等优点[1-2]。打浆是利用机械作用处理悬浮于水中的纤维原料,使其在剪切力、摩擦力等的作用下,改变原有形态,具备生产所要求的特性[2]。打浆度反应打浆程度及浆料脱水难易程度。生产加工工艺中，打浆对再造烟叶片基性能影响较大,控制好打浆度利于有效控制再造烟叶片基性能[3-4]。打浆度决定了造纸法再造烟叶片基的纤维形态,使得片基性能包括透气度、松厚度、吸收性、抗张强度等指标随之变化[5-8]。片基结构还会直接影响涂布液在片基上的留着力及留着量,而涂布液是再造烟叶化学成分的主要来源,其决定了再造烟叶的化学成分含量、抽吸品质、风格特征、烟气释放量[9-11]。

目前国内大部分研究[7-8,12-13]均侧重于打浆度对片基结构和燃烧性能的影响,从而优化生产工艺,得到品质较好的再造烟叶片基,但关于打浆度影响片基结构进而影响燃烧性能和烟气指标的研究却很少。再造烟叶中有害物质的产生多是由于不完全燃烧所产生,片基结构疏松、透气度高、燃烧性能好，可降焦减害。鉴于此,主要从打浆度对再造烟叶片基结构和性能的影响着手,研究打浆度对再造烟叶燃烧性能和烟气指标的影响,考察片基结构与烟气指标、燃烧性能之间的关系,为再造烟叶降焦减害、提高抽吸品质提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料及样品制备 按照中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司A型再造烟叶原料配方,选取A型再造烟叶原料500 g进行提取,然后采用Valley打浆机进行磨浆；采用ZJ-100型打浆度测定仪进行打浆度测定,设定打浆度分别为25、35、45、55、65 °SR；采用动态纸页成型器将制成的不同打浆度的浆料抄造成片基,片基定量控制在35 g/m2。最后涂布制成A型再造烟叶成品。

1.1.2 试验仪器 试验用到的仪器：Valley打浆机(美国PTI)、ZJ-100型打浆度测定仪(长春市纸张试验机厂)、FDA型动态纸页成型器(美国Tehpap公司)、Model49-56型厚度测定仪(美国TMI公司)、RH-TQ100-B电脑透气度测定仪(广州润湖仪器有限公司)、RM-20H型吸烟机(德国Borgwaldt公司)、STA 449型热重分析仪(德国NETZSCH公司)、VEGA3 SB扫描电镜(捷克TESCAN公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 物理指标检测 样品在温度(20±2)℃、湿度(60±2)%条件下平衡48 h,按GB/T 451.3-2002 《纸和纸板厚度的测定》、GB/T 458-2008 《纸和纸板透气度的测定(肖伯尔法)》、GB/T 451.2-2002 《纸和纸板定量的测定》分别对样品厚度、透气度、定量3个指标进行检测,松厚度由厚度和定量计算得,计算公式如下。

B=(G×10)/t

式中,B为松厚度(g/cm3),G为定量(g/cm2),t为厚度(mm)。

1.2.2 电镜扫描分析 采用VEGA3 SB扫描电镜观察样品表面形态和片基结构。

1.2.3 烟气指标检测 样品在温度(20±2)℃、湿度(60±2)%条件下平衡48 h,按照GB/T 19609《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》、GB/T 23355《卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法》、GB/T 23356《卷烟烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法》、GB/T 23203.1《总粒相物中水分的测定第一部分：气相色谱法》进行烟气指标检测。

1.2.4 热重分析 取待检再造烟叶样品5.0～10.0 mg放入热重分析仪坩埚内,在氮气氛围下,以20 ℃/min的升温速率从室温加热至1 000 ℃，得出热失重率、热失重速率等指标。

1.3 数据统计分析

应用Mintab 17分析数据及绘制图形。

2 结果与分析

2.1 不同打浆度对造纸法再造烟叶物理指标的影响

对打浆度为25～65 °SR浆料制成的再造烟叶进行厚度、透气度、松厚度检测,结果如图1所示。由图1可以看出,在打浆度为25 °SR时,再造烟叶厚度、透气度、松厚度均最高,分别为0.168 mm、1 226.19 cu、3.0 cm3/g。再造烟叶厚度、透气度、松厚度均随打浆度的升高而降低。打浆度由25 °SR升至35 °SR时,再造烟叶透气度、松厚度下降幅度较大,分别下降66%、12%。打浆度升至35 °SR之后,每增加10 °SR,再造烟叶透气度、松厚度分别下降约69%、2%。打浆度升至65 °SR时,同等压差条件下未能检出透气度,说明再造烟叶片基致密性极高。随着打浆度的升高,再造烟叶纤维分丝帚化更充分,细小纤维数量逐渐增多,纤维平均长度剪短,纤维比表面积增大,增加了纤维间结合力,纤维间结合更紧密,从而使得再造烟叶片基结构更紧密,片基孔隙数量和大小均降低,致使片基厚度、透气度、松厚度下降。

图1 不同打浆度对再造烟叶厚度、透气度、松厚度的影响 Fig.1 Effect of different beating degree on the thickness,air permeability and bulk of reconstituted tobacco leaves

2.2 不同打浆度对造纸法再造烟叶片基纤维形态的影响

采用VEGA3 SB扫描电镜在250倍条件下观察样品纤维表面形态和片基结构,结果见图2。打浆度为25 °SR时,纤维分丝帚化不完全,仍有束状纤维存在,纤维较松散,孔隙较多,片基结构疏松。随打浆度的增加,纤维分丝帚化逐渐加强,纤维间结合更紧密,孔隙量逐渐减少,片基整体结构更致密,表面更平整。

2.3 不同打浆度对造纸法再造烟叶热重的影响

图3、图4分别是不同打浆度再造烟叶在氮气氛围下的热失重率和热失重速率曲线。由图3可以看出,不同打浆度条件下再造烟叶热失重变化过程是一致的,几乎都在相同温度下开始分解,温度为220～370 ℃时为最大失重阶段。分解完成后,打浆度为25 °SR的再造烟叶剩余物质占比最低,为16%,而打浆度≥45 °SR的再造烟叶剩余物质占比均>20%,说明打浆度为25 °SR的再造烟叶燃烧充分。

图4的热失重速率曲线共出现5个较明显的热解峰。其中,温度在100 ℃以下时出现第1个热解峰(a),是由薄片中水分及易挥发物质受热引起的,此峰中打浆度为35 °SR的再造烟叶热解速率最快。温度为190 ℃时出现1个肩峰(b),可能是由样品中的单糖及一些小分子物质的热解引起的,此峰中打浆度为65 °SR的再造烟叶热解速率最快,打浆度为25 °SR的再造烟叶热解速率最慢。

温度为260 ℃左右和325 ℃左右时出现了整个热解过程中较明显的2个热解峰(c、d),引起这2个热解峰的主要原因分别是半纤维素和纤维素的分解。纤维素和半纤维素是并存的,纤维素含量高,半纤维素含量也高,而纤维素是再造烟叶片基组成的主要成分。温度为260 ℃时, 打浆度对半纤维素的热解无影响。温度为325 ℃左右的热解峰(d)中,打浆度为25 °SR时,再造烟叶热解速率最大,为10.90%；打浆度为65 °SR时,再造烟叶热解速率较小,为8.37 %,且二者热解温度接近,均约为325 ℃；打浆度为35～55 °SR时,再造烟叶热解速率差异较小。不同打浆度再造烟叶的热解温度均在325 ℃左右,差别较小,说明这一部分物质的热解温度不受打浆度影响。

图2 不同打浆度再造烟叶电镜扫描结果Fig.2 Electron microscopy scanning results of reconstituted tobacco leaves with different beating degree

图3 不同打浆度再造烟叶热失重曲线Fig.3 Thermogravimetry curve of reconstituted tobacco with different beating degree

当温度达到350 ℃后,多糖物质开始热解,不同打浆度再造烟叶热失重速率曲线几乎重合,说明打浆度对这一部分物质的热解没有较大影响。当达到650 ℃时,再造烟叶中的CaCO3开始热解(e)。打浆度为25、35、45、55、65 °SR时,再造烟叶热解温度分别为660、670、684、683、685 ℃,对应热解速率分别为0.90%、0.98%、1.00%、0.95%、1.25%,表明整体情况下,不同打浆度再造烟叶中CaCO3的热解温度和热解速率是逐渐增大的。在片基定量、CaCO3添加量、涂布率均一致的条件下,推测这可能是由于打浆度不同导致片基结构不同所致。CaCO3作为填料添加至涂布液中,最终是以颗粒状附着于纤维素间,片基结构越致密,其中的CaCO3被周围碳化的纤维素包裹越严实,从而需要更高的温度对其进行热解。

2.4 不同打浆度对造纸法再造烟叶烟气指标的影响

打浆度对再造烟叶总粒相物、焦油释放量和一氧化碳释放量均有较大影响(表1)。打浆度为25 °SR时,再造烟叶焦油释放量、一氧化碳释放量均最低,分别为4.2、11.6 mg/支。打浆度由25 °SR上升至65 °SR时,抽吸口数逐渐降低,但下降幅度较小；总粒相物上升69.64%；焦油释放量上升80.95%；一氧化碳释放量上升32.76%；烟碱含量、水分含量未呈现趋势性变化。

图4 不同打浆度再造烟叶热失重速率曲线Fig.4 Derivative thermogravimetry curve of reconstituted tobacco with different beating degree表1 不同打浆度再造烟叶烟气指标 Tab.1 The smoke index of reconstituted tobacco with different beating degree

打浆度/°SRBeating degree抽吸口数/ (口/支)Puff number总粒相物/(mg/支)Total particulate焦油释放量/(mg/支)Tar release烟碱含量/(mg/支)Nocotine一氧化碳释放量/(mg/支)Carbon monoxide水分含量/(mg/支)Moisture256.05.64.20.2411.61.2355.96.64.80.3012.91.5455.88.56.50.3014.31.7555.89.06.90.3115.01.8655.79.57.60.3015.41.6

由图5可知,打浆度与总粒相物、焦油释放量、一氧化碳释放量呈正相关的线性关系,其对应关系分别由公式Y=3.250+0.102 0X、Y=1.995+0.089X、Y=9.475+0.097X表示,其R2分别为0.938 0、0.954 0、0.951 0。打浆度与抽吸口数呈负相关的线性关系,其对应关系由公式Y=6.155-0.007X表示,其R2=0.942 0。打浆度与烟碱含量、水分含量不呈线性关系。

焦油释放量、一氧化碳释放量2个指标上升的原因是打浆度增大。打浆度增大后,再造烟叶片基致密,片基孔隙减少,透气度及松厚度降低,再造烟叶燃烧不充分。焦油、一氧化碳均是缺氧条件下不完全燃烧的产物,因此,打浆度越高不完全燃烧程度越重,焦油、一氧化碳释放量也越高。烟气总粒相物是焦油、烟碱、水分的总和,其中，烟碱、水分含量均未呈现趋势性变化,但焦油释放量的上升导致总粒相物随之上升。烟气中的烟碱均来源于涂布液,不受打浆度影响,本研究中涂布液配方及涂布率一致,因此，烟碱含量不随打浆度变化而变化。

再造烟叶抽吸口数与打浆度负相关,低打浆度时再造烟叶片基结构疏松,燃烧速率较快。但低打浆度的再造烟叶相对高打浆度填充性能较好,在再造烟叶填充量一致的条件下,低打浆度再造烟叶填充的烟支更紧实,烟丝间间隙减小,接触面积增大,从而使得吸阻增大,燃烧速率减慢。综上,抽吸口数随打浆度的上升而下降是受再造烟叶片基结构和其烟支填充状态综合影响所致。

图5 打浆度与再造烟叶烟气指标相关性分析 Fig.5 Correspondence between beating degree and smoke index of reconstituted tobacco

3 结论与讨论

再造烟叶生产过程中,烟梗和木浆是片基纤维的主要来源,打浆则是对其进行分丝帚化的重要工艺。目前,国内外造纸法再造烟叶技术较成熟,造纸法生产工艺中打浆是关键环节,打浆的目的是在可控的条件下用物理方法改善纤维形态和性质,使纸张性能达到一定的质量要求。曾健等[1]、余红涛等[7]、栾鹏程等[2]的研究结果均表明,打浆度直接影响片基厚度、透气度、松厚度等指标,这与本研究结果相一致。但曾健等[1]的研究是侧重于考察烟梗浆的打浆度对片基性能的影响；余红涛等[7]的研究中打浆度为15～40 °SR；栾鹏程等[2]的研究则是考察外加不同打浆度的甘蔗纤维对片基物理性能的影响。本研究主要采用现阶段造纸法工艺中常见的混合提取制浆工艺,将烟草原料和外加纤维按一定比例配制后混合提取制浆,设定打浆度为25～65 °SR,试验过程更接近生产条件,也更具实际意义。在前人[14-17]的研究基础上,本研究首次提出了打浆度与燃烧性能、烟气指标的对应关系,从研究打浆度对片基物理性能的影响延伸到打浆度对片基燃烧性能和烟气指标的影响。结果发现,打浆度较低时片基纤维结构得到优化,其透气度和松厚度达到最优,片基结构疏松,燃烧性能得到改善,降低了片基热解温度,加快失重速率,再造烟叶燃烧充分,从而减少了有害物质的产生。

打浆度过低时,再造烟叶片基结构疏松,厚度、透气度、松厚度较高,与之共存的问题是片基质地略粗糙,抗张强度较差,不利于抄造成型,易出现纤维脱落的现象,增加成品造碎率[18],可能影响生产设备正产运行；打浆度过高时,再造烟叶片基致密,强度较高,填充力、吸收性下降,不利于涂布液的渗透[7,21-22],而涂布率直接影响产品抽吸品质。本研究考察了不同打浆度条件下片基结构、厚度、透气度、松厚度等指标的变化,但未对相同打浆度条件下片基抗张强度、造碎率、吸收率、留着率、填充力等指标及实际生产应用情况进行考察。下步将综合考虑上述指标,在保证产品加工特性和感官质量的前提下,探索更合理的再造烟叶打浆度。