物理參數(shù)對造紙法再造煙葉紙基熱降解和燃燒特性的影響

寧敏，周順，徐迎波，胡源，葛少林，王程輝，舒俊生，田振峰，王平軍，周明華，陶豐，何慶

1 安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，合肥市高新區(qū)天達(dá)路9號(hào) 230088;2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥市金寨路96號(hào) 230026;3 民豐特種紙股份有限公司，嘉興市甪里街70號(hào) 314033;4 杭州利群環(huán)保紙業(yè)有限公司，杭州市江干區(qū)杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)18號(hào) 310018

造紙法再造煙葉的生產(chǎn)工藝流程一般是將卷煙生產(chǎn)過程中的煙梗、煙末以及部分低次煙葉按造紙方法先加工處理成紙基，紙基經(jīng)涂布、烘干，最終制成接近天然煙葉的薄片[1-4]。再造煙葉作為卷煙的重要組成部分，其品質(zhì)很大程度上通過燃燒后產(chǎn)生的煙氣來反映。紙基作為再造煙葉的主要組成部分，是維持再造煙葉燃燒的重要載體，其物理特征和燃燒特性直接決定了再造煙葉的綜合品質(zhì)。王維勝和白曉莉均曾利用熱重分析儀（TG）和示差掃描量熱儀(DSC)研究過再造煙葉的熱降解行為[5-6]。但關(guān)于再造煙葉紙基熱降解和燃燒特性研究卻未見相關(guān)報(bào)道。本文首先利用掃描電鏡和萬能材料試驗(yàn)機(jī)研究了紙基物理參數(shù)和其微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的相關(guān)性。此外，利用熱重分析儀、微燃燒量熱儀和錐形量熱計(jì)考察了物理參數(shù)改變對紙基熱降解和燃燒特性的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 儀器與樣品

掃描電子顯微鏡(AMRAY1000B，北京中科科儀儀器有限公司)；微燃燒量熱儀(MCC-2型，美國哥馬克公司)；錐形量熱儀（SZL-1型，英國FTT 公司）；TGA Q5000 IR熱重/差熱綜合熱分析儀(美國TA 儀器公司)；萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)（LRX-plus 型，英國LLOYD公司）；Mettler Toledo AT26119 Delta Range電子天平(感量∶ 0. 00001 g，瑞士梅特勒公司)。

4種具有不同物理參數(shù)的紙基均由民豐特種紙股份有限公司提供（紙基具體物理參數(shù)列于表1）。樣品在實(shí)驗(yàn)前于22℃±1℃和相對濕度60%±2%的環(huán)境下平衡48 h。

表1 不同類型造紙法薄片紙基主要物理參數(shù)

1.2 拉力實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/T12655和YC171標(biāo)準(zhǔn)，對紙基進(jìn)行拉力試驗(yàn)，拉伸夾距80 mm，斷裂時(shí)拉伸時(shí)間小于5 s。每個(gè)樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。

1.3 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

將具有不同物理參數(shù)的紙基樣品截成兩小段，用導(dǎo)電性膠帶固定于樣品臺(tái)，在離子濺射儀上真空干燥、鉑噴鍍后于掃描電鏡上觀察，每小段紙基在相同放大倍數(shù)下取圖3張。電鏡工作電壓20 kV，放大倍數(shù)200～2000倍。

1.4 熱重實(shí)驗(yàn)

用TG的樣品坩堝稱取40-60毫克的紙基樣品，坩堝置于TG樣品室中，在10%的氧氣濃度氣氛下，從30℃起，以30℃/min的升溫速率，升溫至950℃，并保持5 s。每個(gè)樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。參比物：6.284 mg α-氧化鋁；載氣（高純氮?dú)猓┝魉伲?0 mL /min。

1.5 微燃燒量熱實(shí)驗(yàn)

稱取4-6 mg紙基樣品，在純氮?dú)鈿夥障路謩e以30℃/min的升溫速率從100℃升至650℃，熱解產(chǎn)物實(shí)時(shí)進(jìn)入溫度為900℃、氣氛為10%氧氣濃度的燃燒池內(nèi)燃燒。每個(gè)樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。

1.6 錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)

將4種具有不同物理參數(shù)的紙基剪裁成長寬分別為100 mm ×100 mm的尺寸，然后裝入鋁箔內(nèi)，保留頂面露置。外部輻射熱通量設(shè)定為100 kW/m2（該熱通量對應(yīng)溫度約為950℃，接近于卷煙燃吸最高溫度）。每個(gè)樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。

2 結(jié)果

2.1 紙基力學(xué)特性

表2 4種不同物理參數(shù)紙基力學(xué)性能測試結(jié)果

表2給出了4種不同物理參數(shù)紙基的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率數(shù)據(jù),可看出，紙基PB-1的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率均明顯低于其他紙基樣品。紙基PB-3具有最大的抗張強(qiáng)度，而斷裂伸長率和PB-2及PB-4差別不大。通過比較PB-1和PB-3的物理參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，PB-3的透氣度遠(yuǎn)小于PB-1，而其他參數(shù)保持一致，這說明透氣度可能是影響紙基抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率的主要原因。和PB-3相比，PB-4的透氣度和定量都較大，這使得其抗張強(qiáng)度有所降低，而斷裂伸長率卻沒有變化，這可能是由于煙草漿料比例的升高提高了紙基的柔韌性。

圖1 不同物理參數(shù)紙基掃描電鏡圖

圖1給出了4種不同物理參數(shù)紙基掃描電鏡(SEM)照片。比較圖(a)、(c)、(e)和(g)可以發(fā)現(xiàn)，紙基微觀結(jié)構(gòu)主要是由寬長纖維和細(xì)短且卷曲的纖維組成，且隨著木漿含量的增加，細(xì)短且卷曲纖維所占的比例有較大升高。比較圖(b)和（f）可以發(fā)現(xiàn)，隨著紙基透氣度的增大，紙基表面平整程度下降且空洞數(shù)量明顯升高，這可能是導(dǎo)致其力學(xué)性能下降的主要原因。

2.2 紙基熱穩(wěn)定性

圖2 不同物理參數(shù)紙基熱重和微分熱重曲線

圖2給出了不同物理參數(shù)紙基熱重（TG）和微分熱重（DTG）曲線。根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，具有不同物理參數(shù)的紙基熱降解過程均主要由5個(gè)階段組成。第1階段是從起始溫度到210℃左右，這一階段主要是由于紙基中的游離水和小分子揮發(fā)性物質(zhì)的損失所致；第2個(gè)熱降解階段主要發(fā)生在210℃-290℃范圍內(nèi)，這一階段主要是由于纖維素的部分解聚、半纖維素和果膠熱降解所致[5，7]；290℃以后，紙基中的纖維素和淀粉組分開始劇烈降解，導(dǎo)致紙基在345℃左右形成最大熱失重[8]；420℃以后，DTG曲線上出現(xiàn)了一個(gè)寬而弱的熱降解階段，這主要是由于前期紙基熱降解殘留物的進(jìn)一步焦炭化所引起；最后一個(gè)階段發(fā)生在760℃以后，歸結(jié)于紙基炭層的高溫裂解。比較PB-3和PB-1的TG曲線可以發(fā)現(xiàn)，140℃以后，在相同溫度下，PB-3在相同溫度下的殘留質(zhì)量均較PB-1高，這表明PB-3的熱穩(wěn)定性明顯高于PB-1。此外，由DTG曲線可以看出，PB-3的最大熱失重速率也較PB-1低。這說明紙基透氣度的降低有利于提高其熱穩(wěn)定性。需要注意的是，在較低溫度下，4種紙基的熱穩(wěn)定性差別不大，但PB-4的熱穩(wěn)定性在360℃、350℃和316℃以后分別較PB-1、PB-2和PB-3明顯降低。通過比較4種紙基的物理參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，這種熱穩(wěn)定性上的差異可能是由于木漿纖維相對含量升高引起的。

2.3 紙基燃燒特性

圖3給出了不同物理參數(shù)紙基微燃燒量熱曲線，相關(guān)測試數(shù)據(jù)詳見表3。根據(jù)圖3和表3可以看出，PB-1、PB-2、PB-3和PB-4紙基分別從227℃、231℃、236℃和256℃開始熱解釋放可燃?xì)怏w，并分別在331℃、333℃、331℃和338℃達(dá)到最大值，之后又分別在423℃、413℃、412℃和410℃時(shí)可燃?xì)怏w釋放完畢。結(jié)合DTG曲線可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)燃燒溫度區(qū)間主要集中在紙基的第2和第3個(gè)熱降解階段，這說明紙基可燃?xì)怏w的釋放主要是由于纖維素、果膠和淀粉等碳水化合物熱解引起的。需要說明的是，最大熱失重溫度和點(diǎn)燃溫度非常接近但并不一致，這主要是由于紙基在最大熱失重時(shí)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w所占的比重并未達(dá)到極值。

圖3 不同物理參數(shù)紙基微燃燒量熱曲線

表3 不同物理參數(shù)紙基MCC測試結(jié)果

易燃性指的是材料被點(diǎn)燃的難易程度，而燃燒性通常指材料被點(diǎn)燃后的燃燒能力。在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中，通常用熱釋放速率的大小來衡量材料易燃性，熱釋放速率越高，則材料越易燃。熱釋放量可用來評價(jià)材料燃燒性，一般來說熱釋放量愈大，燃燒性愈好。根據(jù)表3，紙基PB-4的熱釋放量、最大熱釋放速率和點(diǎn)燃溫度均較其他紙基高，這說明其具有較好的易燃性和燃燒性?？赡艿脑蚴牵环矫?，紙基PB-4具有更高的定量，從而具有更多的燃燒基質(zhì)；此外，其所含的較高的木漿纖維比重也使其具有更好的易燃性。比較PB-1和PB-3的PHRR值發(fā)現(xiàn)，在定量相同的情況下，透氣度的降低能夠輕微減弱紙基的易燃性和燃燒性。值得注意的是，PB-2的透氣度雖遠(yuǎn)小于PB-1，但其PHRR值和HRC值均稍大于PB-1，這主要是由于PB-2具有更高的定量所致。

圖4 不同物理參數(shù)紙基的SPR曲線（a）和CO生成速率曲線（b）

煙氣釋放是燃燒過程中的一個(gè)重要現(xiàn)象，錐形量熱儀能夠?qū)崟r(shí)測定煙氣釋放速率（SPR）以及煙氣中CO釋放速率[9-10]。圖4給出了不同物理參數(shù)紙基SPR變化曲線和CO生成速率曲線。由圖4(a)可以看出，在紙基的有焰燃燒階段（錐形量熱儀測試結(jié)果顯示紙基有焰燃燒維持時(shí)間為4 s），SPR迅速增大，并達(dá)到其峰值。進(jìn)入陰燃階段后，SPR值迅速降低并在較小幅度內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化。比較而言，在有焰燃燒階段，PB-4的SPR峰值明顯大于其他紙基。比較PB-1和PB-3的SPR變化曲線可以看出，在整個(gè)燃燒階段，PB-3的SPR值相對于PB-1都較低。圖4(b)分別給出了不同物理參數(shù)紙基在燃燒過程中CO生成速率變化曲線。由圖4(b)可以看出，在陰燃狀態(tài)下的CO釋放速率都明顯高于有焰燃燒階段。比較而言，PB-1的CO釋放速率最大，這說明透氣度的增大會(huì)加快紙基燃燒過程中CO的釋放。

3 結(jié)論

紙基微觀結(jié)構(gòu)主要是由寬長纖維和卷曲的細(xì)短纖維組成，且隨著木漿含量的增加，卷曲的細(xì)短纖維所占的比例有較大升高。隨著紙基透氣度的增大，紙基表面平整程度下降且空洞數(shù)量明顯升高，這可能是導(dǎo)致其抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率降低的主要原因。紙基熱降解過程主要由5個(gè)階段組成，紙基透氣度的降低有利于提高其熱穩(wěn)定性。在定量相同的情況下，透氣度的降低能夠輕微減弱紙基的易燃性和燃燒性。透氣度的升高會(huì)使得紙基在被點(diǎn)燃后具有更快速的煙氣釋放速率，并在燃燒過程中具有較大的CO釋放速率。

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