罗浪漫 李 锦 闫 瑛 张伟风 耿 绍 罗 冲，* 温洋兵，*

（1. 天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2. 河南卷烟工业烟草薄片有限公司，河南许昌，461100）

涂布是造纸法再造烟叶最关键的生产工艺步骤［1-2］，即在制浆前对烟梗、碎片和烟末等废料进行抽提，得到一些烟草致香物质与溶解物质，而后进行浓缩并在涂布工段回涂至造纸法抄造成的烟草基片上，使其具有烟草特有的香味和口感［3-4］。然而在造纸法再造烟叶涂布工段，随着涂布液的不断循环使用，回流涂布液的固形物含量和黏度均明显提高，对产品质量造成较大影响。因此，在烟草基片涂布过程中需不断添加新鲜的涂布液或直接将回流涂布液排放，这为连续生产带来不便，且增加了生产成本。

针对这一问题，研究者们通过分析涂布液固形物成分及物理筛选等方法对回流涂布液进行研究，以期解决由回流涂布液引起的生产问题。蓝建斌等［5］在分析涂布液回用前后的固形物成分后，提出利用筛网过滤离心回流涂布液后再加水稀释的方法，可有效降低回流涂布液黏度。郑庆元等［6］通过增设涂布液黏度调控系统，将回流涂布液过滤后降黏，以达到连续生产的要求。王文领等［7］建立了双层振筛过滤、生物高效絮凝和高速离心等多级分离净化技术，有效降低回流涂布液的黏度。以上研究均是通过添加设备过滤和稀释以实现回流涂布液降黏，改善涂布效果，但对造成回流涂布液黏度和固形物含量升高的原因以及固形物的成分缺乏系统研究。

因此，本研究通过分析回流涂布液的固形物成分，研究了回流涂布液黏度升高的现象，找出悬浮物富集的原因，并提出回流涂布液的降黏方法。

1 实 验

1.1 材料

造纸法再造烟叶新鲜涂布液、回流涂布液，河南卷烟工业烟草薄片有限公司提供。分散剂聚乙二醇400（PEG 400）、硅酸钠、甘油、六偏磷酸钠（（Na⁃PO3）6）、十二烷基硫酸钠（SDS），均为分析纯，购于国药集团。

1.2 实验方法

1.2.1 烟草涂布液黏度测定

分别取100 mL 造纸法再造烟叶新鲜涂布液、回流涂布液、添加了0.1%不同分散剂的回流涂布液以及添加了0.05%、0.1%、0.3%、0.6%、1%、2%（相对于回流涂布液中固形物质量）PEG 400的回流涂布液，加蒸馏水稀释至质量分数为45 wt%，用高速分散机（IKA T18 ULTRA-TURRAX®，德国IKA 公司）高速（20000 r/min）分散均匀后置于60℃水浴锅中加热1 h，采用黏度计（DV2T，美国Brookfield公司）测定各涂布液黏度。

1.2.2 涂布液粒径分析

取30 mL新鲜涂布液、回流涂布液以及添加分散剂后的回流涂布液并稀释至质量分数为1 wt‰，用激光粒度仪（Zetasizer Nano ZS90，英国马尔文仪器有限公司）测定涂布液中固形物的粒径。

1.2.3 涂布液固形物形貌分析

首先，采用200目筛网对回流涂布液进行初步筛选，收集筛渣，用光学显微镜（DS-Fi2，尼康仪器（上海）有限公司）观察回流涂布液筛渣的形貌。在4℃条件下用冷冻离心机（TGL-16M，湖南湘仪仪器有限公司）离心处理（10000 r/min）新鲜涂布液、回流涂布液各15 min，离心后收集固形物。将离心固形物调配至质量分数为0.1 wt%，而后用冷冻干燥机（Alpha 1-2 LD plus，德国CHRIST 公司）冷冻干燥，最后用扫描电子显微镜（SEM，JSM-840，日本JEOL有限公司）观察干燥后粉末的形貌。

1.2.4 涂布液成分分析

将80 mL涂布液稀释至质量分数为45 wt%后，在4℃条件下用冷冻离心机离心处理（10000 r/min）15 min，分别收集上层清液和离心固形物，称量并计算涂布液固含量。将涂布液离心固形物置入烘箱中于105℃烘干5 h，再粉碎。称取5 g 粉碎后干燥粉末，用电烤炉高温炭化，而后在525℃的马弗炉中灼烧至质量恒定，称量并计算灰分。同时，将涂布液离心固形物冷冻干燥后，采用元素分析仪（Elementar vario EL cube，德国元素Elementar 公司）检测有机元素含量；将涂布液离心固形物调配至质量分数为0.5 wt%后，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，ICAP Q，Thermo，美国Waltham公司）检测无机元素含量；取高温灼烧后的1 g白色粉末（灰分）溶解于100 g盐酸溶液（1.0 mol/L），采用ICP-MS检测无机元素含量。

1.2.5 涂布烟草薄片物理性能测定

造纸法再造烟叶涂布段工艺流程如图1所示。新鲜涂布液上网涂布后从溢流口回流形成回流涂布液，然后回流涂布液经过净化后在混合塔中与浓缩涂布液混合并调配至合适浓度，最后经泵送上网涂布。将涂布后的烟草薄片置于105℃烘箱中干燥10 min。采用SEM观察涂布烟草薄片的表面形貌，并在恒温恒湿条件下测定涂布烟草薄片的定量、涂布量、松厚度、抗张指数等物理性能。

图1 造纸法再造烟叶涂布段工艺流程Fig.1 Coating technological process of papermaking reconstituted tobacco

2 结果与讨论

2.1 涂布液黏度及离心固形物分析

图2为涂布液离心固形物微观形貌图。由图2（a）和图2（b）可知，在显微镜下可观察到回流涂布液筛渣中有明显的大颗粒物质和细小纤维。从图2（c）可以看出，新鲜涂布液离心固形物主要以不规则的片状物质和微小颗粒为主，其中部分片状物质为碎烟末。由图2（d）可知，回流涂布液离心固形物中有明显的大颗粒物质和细小纤维，结合显微镜分析，可知其主要成分是涂布液中富集形成的大颗粒絮聚体、填料及细小烟末（源于基片表面的掉毛掉粉）等。由图2（e）可知，回流涂布液离心固形物灰分呈多孔蜂窝状，形态与沉淀碳酸钙相似。

图2 涂布液离心固形物微观形貌图Fig.2 Micromorphology images of centrifuged solid content in coating liquid

新鲜涂布液和回流涂布液的性能对比如表1 所示。由表1 可知，回流涂布液黏度为426 mPa·s，远高于新鲜涂布液（200 mPa·s）；回流涂布液离心固形物平均粒径为0.332µm，相较于新鲜涂布液离心固形物粒径（0.149µm）增大了124.5%。这一方面是因为在涂布过程中烟草基片表面颗粒物的脱落；另一方面是因为在浸渍涂布过程中，可溶性物质易渗透到烟草基片内部，而颗粒物不易进入基片内部，除部分被基片表面所携带外，大多数颗粒物则进入回流涂布液中，颗粒物不断富集而絮聚，造成离心固形物粒径变大。

表1 2种涂布液性能对比Table 1 Performance comparition of two different coating liquids

新鲜涂布液及回流涂布液的离心固形物含量分别为33.36%和46.57%。因此，涂布过程中回流涂布液黏度的增大主要是因为离心固形物含量的增加。2种涂布液离心固形物的灰分均大于20%。较高的灰分证明，涂布液颗粒物中含有较多的无机物。

2.2 涂布液成分分析

新鲜涂布液和回流涂布液离心后的上层清液及离心固形物的有机元素含量如表2 所示。由表2 可知，新鲜涂布液和回流涂布液上层清液与离心固形物中的C、N、H、S 元素的含量相近，且均以C 元素为主。由此可知，涂布液中溶解组分主要为多糖类物质，固形物以含碳类物质为主。

表2 2种涂布液有机元素含量Table 2 Organic element contents of two different coating liquids

2种涂布液离心固形物及其灰分的无机元素（K、Ca、Na、P、Si）含量如表3 所示。从表3 可以看出，2 种涂布液离心固形物及其灰分的Ca 元素含量最高，其次为K元素，其中回流涂布液离心固形物灰分的Ca和K 元素含量为37.10%和21.60%，高于新鲜涂布液离心固形物灰分（Ca 35.30%，K 19.70%），二者均含有少量的Na、P 和Si 元素。此外，在进行ICP-MS 分析时，使用1.0 mol/L盐酸溶解灰分，该过程中观察到灰分完全溶解，并释放出气泡，结合固形物灼烧后灰分的SEM图，可判断灰分中有CaCO3等存在。证明新鲜涂布液和回流涂布液中Ca 元素以水不溶的沉淀钙盐为主，其颗粒和较大密度的特性使其留存于离心固形物中。

表3 2种涂布液离心固形物及其灰分的无机元素含量Table 3 Inorganic element contents of two different coating liquids and their ashes

综上所述，回流涂布液中含有较多的细小组分和较高的Ca 含量是造成涂布液黏度增大和颗粒物絮聚的原因。细小组分主要来源于涂布过程中烟草基片的掉毛掉粉，而烟草原料本身以及基片未结合紧密的CaCO3是造成回流涂布液中Ca 元素含量较高的原因，大量的钙盐沉积导致回流涂布液中大颗粒絮聚。

2.3 分散剂在再造烟叶涂布中的应用

2.3.1 分散剂种类对回流涂布液性能的影响

为探究分散剂对回流涂布液黏度和平均粒径的影响，选择几种不同分散原理的分散剂——甘油、PEG 400、硅酸钠、SDS、（NaPO3）6应用于回流涂布液，结果如图3 所示。由图3 可知，分散剂添加量为0.1%时，甘油、PEG 400、硅酸钠、SDS、（NaPO3）6均能有效降低回流涂布液的黏度和平均粒径。且添加分散剂后的回流涂布液黏度相近，依据平均粒径降低程度，PEG 400、SDS、硅酸钠和（NaPO3）6效果较好。但是，SDS 存在毒性，（NaPO3）6含有磷元素，而回流涂布液中添加硅酸钠后偏碱性，长时间处理易造成颗粒物富集，故从安全生产以及降黏效果等多方面考虑，PEG 400 的效果较好，添加后回流涂布液的黏度由416.4 mPa·s 降至 243.5 mPa·s，平均粒径由 0.339 µm降至0.116µm。

图3 不同分散剂对回流涂布液黏度和平均粒径的影响Fig.3 Effects of different dispersants on viscosity and average particle size of reflux coating liquid

2.3.2 PEG 400添加量对回流涂布液性能的影响

本研究选取PEG 400为回流涂布液分散剂，探究其添加量对回流涂布液性能的影响，结果如图4 所示。由图4（a）可以看出，添加0.1%的PEG 400 能够有效降低回流涂布液的黏度。当PEG 400添加量大于0.1%时，回流涂布液黏度急剧增大。这是因为添加过多的分散剂，体系中会形成大量的泡沫，稳定性降低。

从图4（b）可以看出，添加PEG 400 后立即（0 h）检测回流涂布液平均粒径可知，当添加0.3%的PEG 400 时，回流涂布液平均粒径最小；当其添加量大于0.3%时，平均粒径增大，这是因为过多的分散剂会产生大量的泡沫。添加PEG 400 3 h 后检测回流涂布液平均粒径可知，当PEG 400 添加量为0.6%时，其平均粒径最小。结合黏度降低效果可知，添加0.1%的PEG 400 能有效降低回流涂布液的黏度和平均粒径。此外，添加0.1%PEG 400 的回流涂布液静置3 h后，与瞬时平均粒径相比，其平均粒径反而减小。这是因为PEG 400刚加入至回流涂布液时，还未完全起分散作用所致。随着延长静置时间，PEG 400的分散效果达到最佳，因此回流涂布液平均粒径减小。

图4 PEG 400添加量对回流涂布液黏度和平均粒径的影响Fig.4 Effect of PEG 400 dosage on viscosity and average particle size of reflux coating liquid

因此，添加分散剂既能有效抑制回流涂布液中微小颗粒的絮聚，又能有效降低其黏度。大颗粒固形物含量的减少有利于涂布过程中微小颗粒进入烟草基片孔隙或滞留在烟草基片表面。

2.3.3 PEG 400对涂布烟草薄片物理性能的影响

添加PEG 400对涂布烟草薄片物理性能的影响如表4 所示。由表4 可知，添加0.1%的PEG 400 对涂布烟草薄片的物理性能并无明显影响。

表4 添加PEG 400对涂布烟草薄片物理性能的影响Table 4 Effect of PEG 400 addition on physical properties of coated tobacco sheets

添加PEG 400对涂布烟草薄片表面微观形貌的影响如图5 所示。从图5 可以看出，回流涂布液添加PEG 400后经涂布得到的再造烟草薄片表面平整，颗粒物分散均匀，无明显颗粒絮聚体。由此可知，添加分散剂有利于烟草基片的涂布。

图5 涂布烟草薄片表面SEM图Fig.5 SEM images of coating tobacco sheet surface with or without PEG 400

3 结 论

对造纸法再造烟叶涂布过程中涂布液进行黏度测定并分析涂布液离心固形物化学成分，研究了回流涂布液黏度升高的现象，找出悬浮物富集的原因，并提出回流涂布液的降黏方法。结果表明，回流涂布液中的离心固形物主要以碎烟叶和填料等颗粒物质为主，灰分高达26.61%。元素分析结果显示，涂布液中有机元素以C 元素为主，灰分中主要以Ca 和K 元素为主，其中回流涂布液中的Ca 和K 元素含量分别为37.10%和21.60%，高于新鲜涂布液（Ca 35.30%，K 19.70%）。造成回流涂布液黏度增大的主要原因是，涂布时烟草基片的掉毛掉粉及涂布液中Ca 元素含量较高。本研究通过添加分散剂阻碍颗粒物聚集，从而达到降低回流涂布液黏度的目的。综合考虑回流涂布液黏度和平均粒径，选择聚乙二醇400作为再造烟叶回流涂布液分散剂，当其添加量为0.1%时，回流涂布液的降黏、减小颗粒物粒径和分散效果较好，黏度由 416.4 mPa·s 降 低 至 243.5 mPa·s， 平 均 粒 径 由0.339µm降低至0.116µm。