非木材纖維在卷煙工業(yè)用紙中的應(yīng)用

李桂珍 龔安達 劉潤昌 張國強

(1.福建中煙工業(yè)公司技術(shù)中心，福建廈門，361022;2.云南瑞升煙草技術(shù) (集團)有限公司，云南昆明，650106)

非木材纖維在卷煙工業(yè)用紙中的應(yīng)用

李桂珍1龔安達1劉潤昌2張國強1

(1.福建中煙工業(yè)公司技術(shù)中心，福建廈門，361022;2.云南瑞升煙草技術(shù) (集團)有限公司，云南昆明，650106)

詳細討論了近年來國內(nèi)外麻類纖維和煙草纖維制漿研究現(xiàn)狀及其在卷煙工業(yè)用紙中的應(yīng)用，并指出未來的重點開發(fā)方向以及實現(xiàn)工業(yè)化存在的問題。

麻類纖維;制漿;卷煙輔料

長期以來，麻類纖維和煙草纖維原料在非木材纖維制漿中占據(jù)著非常重要的地位。麻類纖維包括大麻、劍麻、紅麻、亞麻、黃麻、馬尼拉麻等;煙草纖維包括煙稈纖維、煙梗纖維和煙葉纖維。作為優(yōu)良的纖維原料，麻類作物的韌皮纖維一直備受重視，一方面其在性能上能很好地取代針葉木長纖維，另一方面，其本身又具有很多木材纖維所不能比擬的優(yōu)勢，如表面多孔性、纖維柔軟度高等。

在卷煙工業(yè)中，煙絲之外的輔材，無論“三紙一棒”(即卷煙紙、接裝紙、成型紙、煙用濾棒)還是包裝材料，均受到越來越多的重視。麻類纖維和煙草纖維越來越多地被用于研究和開發(fā)具備特殊功能的卷煙輔料中。本文中筆者著重討論麻類纖維和煙草纖維的制漿性能研究現(xiàn)狀及其在卷煙工業(yè)中的應(yīng)用。

1 制漿性能

1.1 大麻

大麻 (Cannabis sativa L.)是大麻科、大麻屬的唯一種類，莖稈由韌皮部、木質(zhì)部和髓部組成，韌皮部約占25%，木質(zhì)部約占70%。大麻原料各部分的性質(zhì)很不均一，韌皮部纖維細長、強韌;木質(zhì)部纖維則較短，長度與闊葉木纖維接近。大麻作為造紙原料，由于韌皮纖維和芯稈纖維完全不同，在工業(yè)應(yīng)用上存在一定的困難，如在成本較低下分離二者、收割后的存儲、農(nóng)業(yè)種植、原料穩(wěn)定性等［1］。Ranalli等［2］認(rèn)為應(yīng)該發(fā)展更具特色的大麻作物，深入了解大麻生長規(guī)律，控制其新陳代謝。

從纖維角度看，大麻纖維是優(yōu)良的造紙原料，但也因韌皮纖維和芯稈纖維的巨大差異，將兩者分離很有必要，同時也帶來了一些工業(yè)問題。因此，很多學(xué)者不僅研究韌皮纖維和芯稈纖維各自的制漿性能，還研究兩者混合時的制漿性能。

作為闊葉木化學(xué)漿的增強纖維，大麻纖維可以提高紙張的撕裂指數(shù)和松厚度［3］。在APMP制漿研究中［4］，大麻全稈制取APMP漿不能有效地發(fā)揮大麻韌皮部長纖維的作用;大麻芯稈APMP漿配入20%針葉木漂白硫酸鹽漿，所得紙張白度、不透明度和物理強度均可達到優(yōu)質(zhì)新聞紙的標(biāo)準(zhǔn);用大麻韌皮纖維制取的半漂硫酸鹽漿，配比1∶(2～3)的大麻芯稈APMP漿，亦可獲得優(yōu)質(zhì)新聞紙。針對大麻生產(chǎn)高質(zhì)量漿料時遇到樹脂沉積的問題，Gutiérrez等［5］用丙酮提取樹脂，分別采用GC和GC/MS，熱裂解-GC/MS分析了溶出物以及不溶物，認(rèn)為在生產(chǎn)過程中，由于消泡劑和多價離子的不適當(dāng)應(yīng)用引起了大麻抽提物的沉積，導(dǎo)致了樹脂障礙。

在大麻芯稈硫酸鹽漿的漂白研究中，褚媛媛等［6］采用兩段中濃氧脫木素工藝脫除了蒸煮殘余木素的57.6%，漂后漿白度達60.1%，并有效減少了后續(xù)漂白段化學(xué)藥品的用量。齊紅等［7］研究了大麻全稈漿的氧漂性能，比較了氧脫木素、氧強化過氧化氫漂白以及過氧化氫強化氧脫木素的漂白效果，研究結(jié)果表明氧強化過氧化氫漂白效果最好。

Khristova等［8］以法國大麻漿為原料，進行TCF多段漂白，研究了四乙酰乙二胺 (TAED)、漿料超聲波預(yù)處理對漿料白度的影響，以及溫度、時間、化學(xué)藥品量、TAED與過氧化氫的比例、堿度等因素對高白度、高黏度漿的影響。在低溫或者低堿度情形下，TAED有利于活化過氧化氫，超聲預(yù)處理4 min能使?jié){料白度提高3%～4%，并有利于木素的進一步脫除。

1.2 紅麻

紅麻屬錦葵科木槿屬，俗稱洋麻、槿麻、葵麻等，是一種重要的可再生植物纖維資源及較優(yōu)良的非木材造紙纖維原料。通常紅麻全稈高約3～5 m，直徑1～4 cm，由韌皮部和木質(zhì)芯稈兩個部分組成。紅麻芯稈纖維短而粗，平均長0.51 mm;韌皮纖維長而細，平均長2.34 mm;紅麻全稈的纖維平均長度為1.22 mm，接近于針葉木纖維。從紅麻原料的結(jié)構(gòu)、木素含量、半纖維素組成與含量及與現(xiàn)有新型制漿工藝的銜接等方面看，紅麻是一種比較理想的生物制漿研發(fā)材料［9］。

紅麻作為造紙原料，對其全稈的研究比較多。徐俊等［10］的研究結(jié)果表明，紅麻全稈硫酸鹽法制漿較佳的工藝條件為:用堿量18%(以Na2O計)，硫化度25%，溫度165℃，保溫時間2 h，可在常規(guī)的草類制漿生產(chǎn)線上正常生產(chǎn)，得率為45%，卡伯值為22。在紅麻APMP制漿的研究中，楊汝男等［11］探索了紅麻全稈 (取自黑龍江大慶地區(qū))的制漿性能，并優(yōu)化了APMP制漿工藝條件。實驗結(jié)果表明，紅麻全稈制APMP漿是可行的，漿料經(jīng)漂白后能滿足一般文化用紙的要求。Villar等［12］利用紅麻全稈原料進行硫酸鹽法制漿，分析了韌皮漿和芯稈漿在造紙應(yīng)用上的優(yōu)缺點及互補性。紅麻韌皮漿質(zhì)量高，但卻大大降低了紅麻作物的利用率，芯稈漿各方面的性質(zhì)較差，但在抗張指數(shù)、耐破指數(shù)上卻優(yōu)于韌皮漿。與韌皮漿相比，紅麻混合漿具有更好的結(jié)合性能，但芯稈纖維比例太高會造成漿料濾水困難，成紙的撕裂強度較低，透氣度較差。綜合各方面的因素認(rèn)為，在混合漿中添加34%的紅麻芯稈纖維較為理想。

還有一些學(xué)者分別研究了紅麻韌皮和芯稈的制漿性能。韌皮和芯稈的制漿性能完全不同，因其化學(xué)組成差異較大，如熱水抽出物含量、木素含量及結(jié)構(gòu)、半纖維含量等［13］。對韌皮的研究中，Keshk等［14］用草酸銨、氫氧化鈉以及亞氯酸鹽處理紅麻韌皮，通過檢測所得漿料的纖維素、半纖維、木素、黏度、聚合度以及結(jié)晶指數(shù)，討論了各種不同處理順序?qū){料的影響。類似文獻中，日本學(xué)者［15］討論了高黏度紅麻韌皮漿的制備方法，用草酸銨、氫氧化鈉及次氯酸鈉，以不同的處理順序，在不同條件下處理紅麻韌皮，具體情況如表1所示。

表1 高黏度紅麻韌皮漿的制備方法

通過檢測發(fā)現(xiàn)，B號漿的平均纖維長度最長，而A號漿黏度較高，成紙物理性能較好。較之商品紅麻韌皮漿及木漿，上述3種漿的黏度和強度性能均較好。Guang等還進一步研究了上述3種高黏度紅麻韌皮纖維漿的物理結(jié)構(gòu)特性［16］。

Khristova等［17］采用蘇打-蒽醌法 (Soda-AQ)、堿性亞硫酸鹽-蒽醌法 (AS-AQ)、以及紅麻堿性亞硫酸鹽蒽醌甲醇法 (ASAM)對紅麻芯稈、韌皮以及全稈進行了蒸煮。根據(jù)對漿料得率、黏度、白度、物理強度等方面的比較，認(rèn)為AS-AQ較之Soda-AQ更適用于蒸煮紅麻全稈和韌皮，而ASAM則對木素的脫除更具選擇性，同時漿料得率較高、卡伯值較低、黏度、白度、強度較高。與紅麻純韌皮纖維漿相比，紅麻混合漿中含70%的芯稈纖維時，所得漿料的物理強度和光學(xué)性能較佳，這與Villar等［12］的結(jié)論相似。

原料的評價方面，Mazumder等［18］采用了較為新穎的研究方法。對生長時間分別為76天、116天、152天、185天以及226天的紅麻韌皮纖維先進行熱裂解，然后對裂解產(chǎn)物進行氣相色譜分析，發(fā)現(xiàn)紅麻韌皮纖維的木素含量到生長期152天后才不再增加。隨著成熟度的增加，紫丁香基裂解產(chǎn)物增加，愈瘡木基裂解產(chǎn)物減少，兩者的比例從1.86增加到3.16。定量裂解分析表明，生長5個月時的紅麻是一種較易脫除木素的原料。這給其他原料的評價提供了借鑒參考的依據(jù)。

1.3 亞麻、劍麻、馬尼拉麻

亞麻是純天然纖維，具有吸汗、透氣性良好、對人體無害等特點，同時也是油料作物。鑒于以上特點，亞麻在紡織工業(yè)中的開發(fā)應(yīng)用研究較多，而在造紙工業(yè)中，僅在某些特種紙的應(yīng)用中有研究，如卷煙紙。劍麻屬于龍舌蘭屬，多年生葉纖維作物，是用量最大的硬質(zhì)纖維，傳統(tǒng)上主要用于制作各種繩索等。馬尼拉麻也稱蕉麻，屬于芭蕉科，芭蕉屬多年生草本植物，屬硬質(zhì)纖維，主要用于制作繩索、麻布、包裝袋等。作為重要的天然纖維，對以上各種麻類纖維進行深入研究，挖掘并擴大其利用價值，具有重要的意義。

劍麻的親脂性抽出物含量較高，成分復(fù)雜，是制漿過程中的一個不利因素［19］。在堿性制漿中，劍麻木聚糖的側(cè)鏈基本全部被脫除，乙?；凰?，可有效提高漿料后續(xù) TCF或ECF漂白性能［20］。Marques等［21］以亞麻、劍麻以及馬尼拉麻為原料進行Soda-AQ制漿，并進行TCF和ECF漂白，采用氣相色譜-質(zhì)譜法分析了原料、未漂漿以及漂白漿中親脂性抽出物的變化規(guī)律。這一分析很好地指導(dǎo)了制漿及漂白工藝參數(shù)的制訂，有效地提高漿料質(zhì)量和性能。曾靖山等［22］通過對劍麻纖維原料爆破法處理，繼而進行燒堿法化學(xué)蒸煮，以研究劍麻纖維爆破-燒堿法的制漿性能。在低堿量、短時間的條件下，制得了高性能的劍麻化學(xué)漿，達到了高得率、高性能、高效率和低化學(xué)藥品用量的制漿目的。

1.4 煙草纖維

煙草纖維包括從煙葉采收到卷煙制造整個過程中產(chǎn)生的煙梗、碎葉、碎末等，還包括煙葉采收后存留下的煙稈。在煙梗、碎葉、碎末等的利用中，目前普遍采用的合理、經(jīng)濟、高效益的方法是利用其生產(chǎn)再造煙葉，即煙草薄片。造紙法再造煙葉生產(chǎn)是一項頗為成熟的技術(shù)，因此對煙梗、碎葉等制漿性能研究已經(jīng)較為深入。碎葉中基本不含纖維，煙梗中的纖維含量一般在5%左右，從煙草纖維構(gòu)成的化學(xué)物質(zhì)來看，木素含量較低，主要成分是糖類化合物，因此，一般不采用化學(xué)法制漿，直接進行磨漿處理。

但煙稈作為管控作物的廢棄物，長期以來都是采用焚燒的方法來處理，不僅造成大氣污染，還給土壤帶來不利影響。煙稈纖維雜細胞含量較多，纖維較短，強度較低。Shirley等［23］探討了煙稈的工業(yè)利用性能，采用蒸汽爆破法進行制漿，通過兩段化學(xué)預(yù)處理，提高了漿料白度、得率以及強度性能，纖維長度分布較好。梁虎南等［24］通過正交實驗探索了煙稈APMP漿的最佳工藝條件并探討了磨漿盤磨間隙、煙稈除髓對漿料質(zhì)量的影響，獲得了性能較好的漿料。Shinya等［25］用酶對煙株進行轉(zhuǎn)基因抑制，改變木素組成和結(jié)構(gòu)，研究表明，處理過的煙稈的木素脫除效率、選擇性更高，漿料得率較高，漿料的漂白性能更好，漂白化學(xué)品用量較低，對紙張的物理性能和光學(xué)性能沒有負(fù)面影響。如果這一研究在提高煙稈制漿性能的同時，保持煙葉性能不受影響且穩(wěn)定，甚至更佳，將具有非常重要的經(jīng)濟價值。

2 在卷煙輔料中的應(yīng)用

2.1 卷煙紙

卷煙紙作為一種重要的卷煙輔料，約占煙支總質(zhì)量的5%。卷煙紙直接參與煙支的燃燒，不僅影響煙支燃燒速率，還對卷煙感官抽吸質(zhì)量、主流/測流煙氣成分以及卷煙包灰效果具有重要的影響。

纖維是卷煙紙的主要組成部分，約占卷煙紙絕干質(zhì)量的60%～70%。木漿纖維在燃燒過程中會釋放一些對卷煙吸味產(chǎn)生負(fù)面影響的物質(zhì)，產(chǎn)生類似木質(zhì)氣的雜氣。麻類纖維在燃燒過程中產(chǎn)生的木質(zhì)雜氣較少，使卷煙更體現(xiàn)香氣的本來特征。目前，無論是在國內(nèi)還是國外，麻類纖維中的亞麻纖維、大麻纖維均較多地被應(yīng)用于卷煙紙的生產(chǎn)中。有學(xué)者對不同原料的卷煙紙進行熱裂解產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn)，針葉木漿、闊葉木漿的主要裂解產(chǎn)物為醛酮類化合物，在較高溫度下，產(chǎn)生大量對卷煙吸味有貢獻的呋喃類及酮類物質(zhì)，但麻漿纖維熱裂解的產(chǎn)物種類較少，不產(chǎn)生對卷煙吸味有負(fù)面作用的小分子有機酸等［26］。孫川等［27-29］用熱失重、熱裂解-氣質(zhì)聯(lián)用等方法對麻漿卷煙紙進行了熱裂解行為研究，分析得出了麻類纖維熱裂解行為規(guī)律，所產(chǎn)生的有益及有害物質(zhì)含量變化趨勢，并探討了產(chǎn)生這種變化的可能原因。

這些方法同樣可以應(yīng)用于研究其他纖維原料或添加物在卷煙紙中的作用，對卷煙輔料工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。例如，以上述方法為評價手段，對已有的煙草纖維作為纖維原料應(yīng)用于卷煙紙中，生產(chǎn)出彩色卷煙紙并應(yīng)用于中高端卷煙中，不僅對卷煙吸味有保持作用，還在外觀、原料利用等方面具有創(chuàng)新意義。

2.2 成型紙及絲束

成型紙又稱濾嘴棒紙，在卷煙濾嘴中包裹醋酸纖維絲束，分為普通型和高透型。高透成型紙在嘴棒成型機上使用時既需要具有較好的表面強度、不掉粉，又需要有足夠的抗水性，對原料要求較高，與成紙纖維的平均長度、粗度、微纖絲角等有密切的關(guān)系。麻類纖維纖細的纖維形態(tài)，較大的微纖絲角等特征，使得以麻漿為原料的紙張具有較好的松厚度和透氣度，這些特征較好地滿足了高透成型紙的制造。在國外，已有較多的成型紙以劍麻纖維等為原料進行加工，生產(chǎn)出高質(zhì)量濾棒成型紙。

濾嘴棒通過成型紙包裹絲束成型后，對煙氣中的有害成分有物流截留和化學(xué)吸附等作用。絲束的主要成分是醋酸纖維素，是源于天然植物的纖維素通過醋化后溶解在丙酮中再進行紡絲制成的。目前，用于制造醋酸纖維素的原料主要是木漿和棉漿。來源于不同植物纖維原料的纖維素的化學(xué)反應(yīng)性能以及制得的變性纖維素性能也有所不同，麻類纖維除了在制造卷煙紙時表現(xiàn)出其獨特的性能外，在制造醋纖絲束時是否也會表現(xiàn)出其獨特的性能，值得探討。

2.3 煙用外包裝材料

煙用外包裝材料包括內(nèi)襯紙、煙包卡紙以及條盒包裝紙板等，在煙支的物理及化學(xué)保護、卷煙營銷等過程中起到至關(guān)重要的作用。目前，使用的內(nèi)襯紙通過鋁箔復(fù)合，起保持煙支水分和香味成分不散失的作用，但成本較高且不利于環(huán)境保護。嘗試用特殊纖維生產(chǎn)致密的內(nèi)襯紙，不僅能起到保持煙支水分和香味的作用，還可避免使用鋁箔，減少工序，節(jié)約成本。目前，市場上已有未經(jīng)鋁箔復(fù)合的煙用內(nèi)襯紙。煙包卡紙作為高檔包裝紙，面層和里層一直用價格較高的針葉木和闊葉木漂白硫酸鹽漿等進行抄造，嘗試用其他非木材纖維進行部分替代，不失為一種節(jié)約成本，同時又較好保證質(zhì)量的方法。

3 結(jié)語

無論是在卷煙輔料生產(chǎn)中，還是在其他紙和紙板生產(chǎn)中，麻類纖維和煙草纖維都將持續(xù)發(fā)揮巨大的作用。目前的研究，一方面拓展了原料的范圍，即發(fā)掘新纖維原料，另一方面也對某種原料進行較為深入的開發(fā)。但同時也存在著很多無論是研究中還是實踐中應(yīng)該考慮的問題。

首先是清潔制漿技術(shù)的深入研究。草類原料的傳統(tǒng)化學(xué)制漿本身存在較嚴(yán)重的污染問題，化學(xué)藥品消耗量較大，利用率低，藥品回收困難，木素等副產(chǎn)品利用困難。因此，新型環(huán)保、清潔制漿技術(shù)需要更進一步的開發(fā)，如蒸汽爆破法、有機溶劑法以及化學(xué)機械法制漿等。

其次，針對特殊卷煙輔料的開發(fā)。植物纖維屬天然纖維，利用植物纖維本身的特性，研究開發(fā)特殊卷煙輔料，一方面發(fā)揮植物纖維本身的性能優(yōu)勢，另一方面需要針對各種輔料特定的要求進行專門的研究。如在卷煙紙開發(fā)研究中，通過制漿工藝和通過化學(xué)手段，來減少或消除一些對煙氣有害的物質(zhì)或成分等。

最后，工業(yè)應(yīng)用時原料的保障。麻類纖維和煙草纖維，從纖維種類到生長區(qū)域，從生長期到氣候條件，都將影響其纖維的化學(xué)組成及物理性能，這就大大影響了漿料以及后續(xù)半成品、成品的質(zhì)量穩(wěn)定性。尤其在要求嚴(yán)格的卷煙紙及卷煙輔料方面，如果不能有效地對原料進行保障，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化則將任重道遠。

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Application of Non-wood Fiber Materials in the Papers Used in Tobacco Industry

LI Gui-zhen1GONG An-da1LIU Run-chang2，*ZHANG Guo-qiang1
(1．China Tobacco Fujian Industrial Corporation，R＆D Center，Xiamen，F(xiàn)ujian Province，361022;2．Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan Province，650106)

The non-wood fiber materials will still play a very important role in the foreseeable future in the pulp and paper industry of China．Non-wood fibers are widely used in tobacco industry as raw materials of cigarette auxiliary parts，such as cigarette paper，plug wrapper，filter tow，inner backing paper and packet．This paper provides a summary of currently available knowledge in the area of pulping and paper making with non-wood fiber materials．This paper also discusses the potential application of non-wood fibers in tobacco industry，especially bastfibers，and also discusses the problems in its commercialization．

non-wood fiber;bast-fiber;pulping;auxiliary material of cigarette

TS721+.3

A

0254-508X(2011)05-0069-05

(*E-mail:liurunchang@reascend．com)

李桂珍女士，工程師;主要研究方向:煙用材料設(shè)計與研究。

2011-03-07(修改稿)

(責(zé)任編輯:陳麗卿)