α 海泡石制備卷煙濾嘴棒紙的初步研究

王 偉，高玉杰，龐春霞，田龍剛

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457)

吸煙影響人體的健康，降低卷煙煙氣中的有害物質(zhì)一直是煙草科技工作者的重點(diǎn)研究課題.卷煙濾嘴自從在20 世紀(jì)20年代出現(xiàn)以來(lái)經(jīng)歷了多次演變，現(xiàn)已成為改變煙草焦油及尼古丁輸送量的一種重要工具.目前使用的濾嘴過濾材料中，90%左右由醋酸纖維制成，主要通過機(jī)械過濾降低煙氣中的粒相物，在濾除大量有害成分的同時(shí)，仍會(huì)有相當(dāng)?shù)挠泻Τ煞直晃肴梭w.因此，研制低焦油安全型卷煙是國(guó)際卷煙產(chǎn)品的發(fā)展方向和變化趨勢(shì)，選擇合適的濾嘴材料，提高濾嘴的過濾效果是支持此發(fā)展方向的有效途徑.

α海泡石屬于礦物纖維，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)式為Mg8Si12O30(OH)4(H2O)4·8H2O，其中Si4+、Mg2+可以少量被其他離子替代，而且海泡石結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶水位于其孔道表面，結(jié)晶水分子易與進(jìn)入孔道的吸附質(zhì)形成氫鍵連接，并且優(yōu)先吸附極性分子[1].近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位對(duì)其在造紙中的性能進(jìn)行了有益的探索，但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)海泡石在造紙中的應(yīng)用研究尚處于起步階段.α,海泡石與植物纖維存在顯著的區(qū)別：纖維間的結(jié)合力低，細(xì)料多，原始打漿度較高，濾水性能較差，纖維的強(qiáng)度低，脆性大，且海泡石纖維與植物纖維之間結(jié)合困難.但是礦物海泡石對(duì)卷煙煙氣有良好的吸附作用，尤其易吸附煙氣中的極性化合物，因此可以利用其特性將其應(yīng)用于濾嘴材料中.

可以使用噴涂法或者混合法將海泡石應(yīng)用于卷煙濾嘴材料中.噴涂法是將海泡石噴涂在薄紙上起皺成型，或?qū)⒑Ｅ菔瘒娡吭诖姿崂w維、聚丙烯纖維上成型；混合法是將海泡石和紙漿混合制成紙張起皺成型[2].本研究是在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，將適度活化的α海泡石與植物纖維混抄制備卷煙濾嘴棒紙，旨在開發(fā)海泡石資源的新用途.

1 材料與方法

1.1 原料

α海泡石，白馬五金礦產(chǎn)有限公司；硫酸鹽針葉木漿，河南江河紙業(yè)有限公司；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)，固含量15%，天津奧東化工有限公司；羧甲基纖維素鈉(CMC)，白色粉末狀，2%水溶液黏度200～400,mPa·s，水分≤8.0%，NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤3%，pH 6.5～7.5，芬德纖維素有限公司；兩性淀粉，中國(guó)儲(chǔ)城興貿(mào)玉米開發(fā)有限公司.

1.2 設(shè)備與儀器

肖伯式打漿度測(cè)定儀，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；標(biāo)準(zhǔn)抄片器，Lab Tec 公司；Mark Vl 型PFI 磨，挪威制漿造紙研究院生產(chǎn)；200,mm 小型長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)，西德Kuster 公司；透氣度儀、厚度儀、白度儀、抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、970154 型漿料疏解器，瑞士Lorentzen &Wettre 公司.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 海泡石纖維與木漿纖維配抄卷煙濾嘴棒紙

將海泡石纖維按最佳改性方法處理后，與針葉木漿按一定配比混合后在不同條件下抄紙；按標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)成品紙的有關(guān)指標(biāo).

1.3.2 紙頁(yè)物理性能的測(cè)定[3]

紙頁(yè)按照GB/T 10739—2002《紙漿、紙和紙板試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣》中相關(guān)規(guī)定經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕處理4,h 后，根據(jù)GB/T 453—2002《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定法(恒速加荷法)》進(jìn)行抗張指數(shù)測(cè)定；按照GB/T 742—2008《紙漿灰分的測(cè)定》進(jìn)行填料留著率測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 α海泡石與木漿纖維配抄卷煙濾嘴棒紙

采用海泡石纖維與木漿纖維混合配抄，制備濾嘴棒紙.所制備的卷煙濾嘴棒紙借助海泡石優(yōu)良的選擇吸附性，對(duì)煙氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行選擇性吸附，同時(shí)不影響或較少地影響吸煙的味覺.由于目前卷煙濾嘴棒紙還沒有相關(guān)的國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)所抄紙頁(yè)的性能考察以半皺紋過濾嘴紙的技術(shù)指標(biāo)[4]作為參考，詳見表1.

表1 半皺紋過濾嘴紙的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameters of half wrinkles filter paper

2.1.1 纖維配比對(duì)紙頁(yè)性能的影響

配抄的目的是利用α海泡石優(yōu)良的吸附性改善卷煙濾嘴棒紙的性能.但α海泡石纖維長(zhǎng)度較短，纖維間結(jié)合力及單根纖維的強(qiáng)度較低，因此α海泡石的加入量將對(duì)紙張性能有較大影響.參照前期工作[5]，選取木漿打漿度為16,°SR，不添加任何助劑，考察α海泡石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(占總絕干漿的百分比)對(duì)紙頁(yè)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2 及圖1.

表2 纖維配比對(duì)紙頁(yè)性能的影響Tab.2 Effect of fiber composition on paper properties

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用α海泡石與針葉木漿混合配抄的卷煙濾嘴棒紙，由于α海泡石的白度低于木漿白度，同時(shí)纖維間結(jié)合力較低，隨著α海泡石用量的增加，成紙白度有所下降，紙頁(yè)緊度有所降低.

圖1 纖維配比對(duì)紙頁(yè)透氣度和強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of fiber composition on the porosity and strength of paper

由圖1 可以看出，隨著漿料中α海泡石纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，所抄紙頁(yè)的透氣度下降較多，尤其當(dāng)α海泡石質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%提高到20%這一區(qū)間時(shí)，所抄紙頁(yè)的透氣度下降50%以上.由于α海泡石纖維短，細(xì)料多，當(dāng)配抄量加大時(shí)，會(huì)在一定程度上填充紙頁(yè)纖維間的孔隙，從而宏觀上表現(xiàn)為紙頁(yè)透氣度有較大的下降.因透氣度可表示紙層中間含有孔隙的程度，同時(shí)因?qū)嶋H應(yīng)用的需要，卷煙濾嘴棒紙對(duì)透氣度要求很高，所以僅從透氣度這個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，用α海泡石與針葉木漿配抄時(shí)應(yīng)考慮α海泡石的加入量不可過多.

從圖1 還可以看出：海泡石與木漿纖維配抄時(shí)，抗張指數(shù)隨著α海泡石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸下降.這是由于α海泡石纖維強(qiáng)度較低，當(dāng)海泡石纖維的加入量逐漸提高時(shí)，會(huì)在一定程度上妨礙植物纖維間的氫鍵結(jié)合，導(dǎo)致紙頁(yè)的抗張指數(shù)有所下降.當(dāng)α海泡石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%上升到20%時(shí)，所抄紙頁(yè)的抗張指數(shù)有較明顯的降低，由于目前關(guān)于α海泡石紙質(zhì)濾嘴的研究還很少，而且在本實(shí)驗(yàn)中針葉木纖維主要是作為α海泡石的載體并提供所抄紙頁(yè)的強(qiáng)度，同時(shí)考慮到所抄紙頁(yè)主要是利用α海泡石具有強(qiáng)的吸附性的特點(diǎn)，隨著α海泡石加入量的增多，其吸附卷煙煙氣的能力也就越強(qiáng)，但α海泡石所加的量也不是越多越好，最好是使α海泡石與針葉木漿纖維的比例需求達(dá)到平衡，使成紙既能有濾除有害物的基本能力，又有足夠的強(qiáng)度[6].因此選取α海泡石纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%及40%兩種情況來(lái)討論.

2.1.2 針葉木漿打漿度對(duì)紙頁(yè)性能的影響

由于α海泡石的原始打漿度已經(jīng)較高，因此抄紙前只對(duì)海泡石纖維進(jìn)行必要的疏解.而對(duì)木漿進(jìn)行打漿，通過調(diào)整木漿打漿度來(lái)改善紙頁(yè)的勻度和強(qiáng)度，同時(shí)考慮對(duì)紙頁(yè)透氣度的影響，木漿的打漿度亦需維持在較低的水平.實(shí)驗(yàn)考察了m(α海泡石)∶m(針葉木漿纖維)＝20∶80 以及40∶60 兩種配比的情況下木漿打漿度的變化對(duì)紙頁(yè)性能的影響，結(jié)果見表3和圖2.

表3 不同木漿打漿度對(duì)紙頁(yè)性能的影響Tab.3 Effects of beating degree of wood pulp on paper properties

由表3 可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著針葉木漿打漿度的提高，所抄紙頁(yè)的緊度有所升高，紙頁(yè)的白度變化不大.

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α海泡石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，在不加入任何增強(qiáng)劑的情況下，欲抄造定量為36,g/m2或較低的紙頁(yè)比較困難.這主要是紙頁(yè)在抄片器上成形后太薄，濕紙頁(yè)間的結(jié)合力不大，從而造成紙頁(yè)的轉(zhuǎn)移比較難，因此實(shí)驗(yàn)中將抄造的紙頁(yè)定量提高到40,g/m2.

圖2 打漿度對(duì)抗張指數(shù)和透氣度的影響Fig.2 Effects of beating degree on tensile index &porosity of paper

由圖2 可以看出，不論α海泡石與木漿的配比是多少，所抄紙頁(yè)都是隨著木漿打漿度的增加，抗張指數(shù)不斷升高，透氣度下降較多.這主要是因?yàn)殡S著木漿打漿度的提高，有利于促進(jìn)纖維間的氫鍵結(jié)合，使纖維間結(jié)合力不斷上升，減少了紙頁(yè)中的孔隙，因此使抗張指數(shù)逐漸升高，透氣度不斷下降.實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，盡管α海泡石纖維本身濾水比較困難，但即使α海泡石纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)，與木漿混合抄紙時(shí)濾水還是較快的.綜合考慮成紙的透氣度和抗張指數(shù)等因素，確定當(dāng)m(α海泡石)∶m(針葉木漿)＝20∶80 時(shí)選取木漿的打漿度為16,°SR；m(α海泡石)∶m(針葉木漿)=40∶60 時(shí)取木漿的打漿度為14,°SR.

2.2 長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)抄紙性能

根據(jù)手抄片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇適宜的纖維配比進(jìn)行小型長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)抄紙實(shí)驗(yàn)，對(duì)海泡石纖維與不同打漿度的針葉木漿纖維配抄的造紙?zhí)匦赃M(jìn)行進(jìn)一步探討.

針葉木漿經(jīng)過充分疏解、打漿(控制較低的打漿度及較高的濕重)，漿料中加入活化好的α海泡石纖維，同時(shí)加入適量的CPAM、CMC 及淀粉等，混合均勻后抄紙.抄紙工藝條件為：車速1.1,m/min，抄寬200,mm；上網(wǎng)濃度0.3%；固定m(α海泡石)∶m(針葉木漿)=20∶80；針葉木漿打漿度16,°SR；α海泡石打漿度57.5,°SR.考察不同定量時(shí)α海泡石纖維與木漿纖維配抄紙頁(yè)的性能.同時(shí)從改善紙張勻度和強(qiáng)度的角度出發(fā)，進(jìn)一步探討了在此纖維配比下針葉木漿打漿度為20,°SR 時(shí)的小長(zhǎng)網(wǎng)抄紙?zhí)匦?

2.2.1 針葉木漿打漿度為16 °SR 時(shí)的紙頁(yè)性能

針葉木漿打漿度為16,°SR 時(shí)所抄紙頁(yè)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表4 及圖3.從表4 可以看出，隨著紙頁(yè)定量的增加，緊度有所上升，抗張指數(shù)(表中數(shù)據(jù)為縱橫向平均值)隨之升高.圖3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在小型長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)上抄造的紙頁(yè)透氣度隨著定量的增加而有所降低.當(dāng)紙頁(yè)的定量在35.6,g/m2時(shí)，透氣度為58.4,μm/(Pa·s)，與前面實(shí)驗(yàn)中手抄片所抄紙頁(yè)的透氣度相差不大，基本上能滿足卷煙過濾嘴紙對(duì)透氣度的要求.

表4 實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)抄造α海泡石濾嘴棒紙性能Tab.4 The performance of paper with α sepiolite using fourdrinier

圖3 定量對(duì)紙頁(yè)透氣度的影響Fig.3 Effects of grammage on the porosity of paper

2.2.2 針葉木漿打漿度為20,°SR 時(shí)的紙頁(yè)性能

針葉木漿打漿度為20,°SR 時(shí)所抄紙頁(yè)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表5 及圖4.

表5 長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)抄造α 海泡石紙張性能Tab.5 The performance of paper with α sepiolite using fourdrinier

圖4 定量對(duì)紙頁(yè)透氣度的影響Fig.4 Effects of grammage on the porosity of paper

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在針葉木漿打漿度為20,°SR 時(shí)，當(dāng)紙頁(yè)的定量為 40.4,g/m2時(shí)，抗張指數(shù)達(dá)到15.2,N·m/g，強(qiáng)度指標(biāo)可滿足要求；當(dāng)所抄紙頁(yè)的定量為34.8,g/m2時(shí)，紙頁(yè)的透氣度為31.6,μm/(Pa·s)，與針葉木漿打漿度為16,°SR，同樣在小長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)上抄造出的紙頁(yè)的透氣度相比下降很多，不能滿足要求.由此可見，針葉木漿的打漿度對(duì)紙頁(yè)的透氣度影響很大.

2.2.3,α海泡石抄紙留著率分析

實(shí)驗(yàn)分析了采用實(shí)驗(yàn)室小型長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)抄造α海泡石卷煙濾嘴棒紙時(shí)的海泡石纖維留著情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示.

圖5 定量對(duì)α泡石留著率的影響Fig.5 Effects of grammage on retention of α sepiolite

由圖5 可以看出，α海泡石的留著率隨著紙頁(yè)定量的升高而有較大的提高，當(dāng)紙頁(yè)的定量為35.6,g/m2時(shí)，α海泡石的留著率僅為39.1%，當(dāng)紙頁(yè)定量為50,g/m2時(shí)，α海泡石的留著率已達(dá)63%左右.海泡石抄紙時(shí)在紙中的留著機(jī)理與一般的造紙?zhí)盍项愃疲瑱C(jī)械過濾與吸附效應(yīng)同時(shí)存在.海泡石礦在粉碎、加工、提純等過程中會(huì)產(chǎn)生較多的細(xì)料，α海泡石晶體中的OH+活性基團(tuán)、金屬陽(yáng)離子等會(huì)與帶負(fù)電荷的纖維產(chǎn)生親和效應(yīng)而有利于留著；同時(shí)剛性的礦物晶纖與柔性的木材纖維構(gòu)成了相互穿插的網(wǎng)絮狀三維結(jié)構(gòu)，并相互制約從而表現(xiàn)出了良好的懸浮性[7].當(dāng)然，隨著定量的增大，會(huì)截留更多的海泡石纖維及細(xì)料，填充了纖維間孔隙，會(huì)對(duì)紙頁(yè)的透氣度有所影響.

2.2.4 海泡石濾嘴棒紙吸附性能預(yù)測(cè)與分析

吸附材料質(zhì)量的優(yōu)劣主要由比表面積指標(biāo)來(lái)體現(xiàn).表6為國(guó)內(nèi)外幾種常用的卷煙過濾材料比表面積的測(cè)試結(jié)果.

表6 幾種吸附材料的比表面積Tab.6 The specific surface area of several adsorbent materials

結(jié)果表明，海泡石經(jīng)提純和改性處理后，與醋酸纖維相比，其比表面積指標(biāo)具有很大的優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的吸附能力.同時(shí)，海泡石與醋酸纖維或活性炭相比，對(duì)危害人體健康的腈、丙酮、丙烯醛等有選擇性吸附作用[9]，無(wú)異味，成本低，完全可以應(yīng)用于卷煙過濾材料領(lǐng)域.

由于條件的限制，目前沒有進(jìn)行吸附焦油的實(shí)際指標(biāo)測(cè)試.崔國(guó)治等[8]以醋酸纖維為基料，在濾嘴棒的生產(chǎn)過程中復(fù)合卷入2%～10%的活化海泡石，成為醋酸纖維/海泡石復(fù)合濾嘴，與純醋酸纖維濾嘴相比，可使每支香煙焦油吸附量增加17.65%.定性預(yù)測(cè)和分析，若抄紙時(shí)在植物纖維中配加20%的經(jīng)良好活化的海泡石，以50%的留著率計(jì)，完全可以達(dá)到或超過此焦油吸附量，從而有效降低焦油對(duì)人體健康的危害，同時(shí)可以提高卷煙的檔次，替代成本較高的醋酸纖維.

3 結(jié)論

(1)利用α海泡石纖維與針葉木纖維配抄卷煙濾嘴棒紙，隨著α海泡石配比的逐漸增多，所抄紙頁(yè)的強(qiáng)度、透氣度有一定程度的下降.綜合考慮成紙的透氣度和強(qiáng)度等因素，確定m(α海泡石)∶m(針葉木漿)＝20∶80 時(shí)為宜；針葉木漿的打漿度不可過高，以16 °SR 左右為宜.

(2)α海泡石纖維抄紙時(shí)在紙中的留著機(jī)理與一般的造紙?zhí)盍项愃?，機(jī)械過濾與吸附效應(yīng)同時(shí)存在.抄紙過程、木漿纖維的打漿度、抄紙定量等對(duì)海泡石的留著均有重要影響.

(3)α海泡石經(jīng)提純和改性處理后具有很強(qiáng)的吸附能力.分析預(yù)測(cè)自行研制的海泡石濾嘴棒紙，若抄紙時(shí)在植物纖維中配加20%的經(jīng)良好活化的α海泡石纖維，可大大提高焦油吸附程度，有效降低焦油對(duì)人體健康的危害.

［1］王雪琴，李珍，楊友生.海泡石的改性及應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2003(3)：11–14.

［2］董金泉，黃忠祥.強(qiáng)吸附海泡石香煙過濾嘴復(fù)合型材料的制作方法：中國(guó)，93101429.8 [P].1993–07–28.

［3］石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測(cè)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

［4］郝蕓田，鄧文學(xué)，牟云飛.半皺紋過濾嘴紙的生產(chǎn)方法：中國(guó)，95111820.X [P].1997–04–09.

［5］李靜.海泡石制作汽車尾氣凈化器襯墊及香煙過濾嘴紙的研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2004：61–64.

［6］趙璜.活性炭過濾紙[J].紙和造紙，2003(1)：72–74.

［7］陳波.礦物短纖維在造紙中的應(yīng)用[J].中華紙業(yè)，2002，23(6)：52–53.

［8］崔國(guó)治，張高科.海泡石卷煙過濾材料的研究[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，1999(6)：15–16.

［9］吳敏，李勝榮.礦物材料應(yīng)用于香煙過濾嘴降害的研究現(xiàn)狀與展望[J].巖石礦物學(xué)雜志，2007，26(2)：171–176.