煙用無鋁內(nèi)襯紙成型度的影響因素研究

劉群華 劉 文 陳雪峰 何兆秋

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102;2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102;3.牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

煙用內(nèi)襯紙是卷煙小盒包裝的內(nèi)包裝紙，一般由鋁箔復合紙或噴鍍鋁紙制成，由于鋁箔復合紙或噴鍍鋁紙氣密性好、易于折疊封口，對煙盒中的煙支起到了保香保潤的隔離作用，一般被稱為內(nèi)襯紙。據(jù)了解，目前全國煙、酒、食品行業(yè)的包裝普遍使用鋁箔復合紙產(chǎn)品，每年消耗成品鋁箔20多萬t，若全部推廣使用新型可降解的環(huán)保材料，可對環(huán)境保護做出重大貢獻，也將為國家節(jié)約大量不可再生的礦物資源。我國是卷煙生產(chǎn)大國和消費大國，卷煙包裝材料消耗量很大，推動傳統(tǒng)復合鋁箔紙向煙用無鋁內(nèi)襯紙轉(zhuǎn)變意義重大，將是煙用內(nèi)襯紙領域一次影響深遠的技術(shù)變革。近年來，行業(yè)主管部門對卷煙包裝材料“綠色化”的推力明顯加強，政策引導效果已初見成效，煙草企業(yè)在綠色包裝、低碳發(fā)展方面已經(jīng)取得了共識，充分利用高科技、新工藝、新材料，有效減少包裝材料對環(huán)境的污染，已經(jīng)成為卷煙包裝材料發(fā)展的新方向。

紙張是彈塑性物體。彈塑性是指物體在外力施加的同時立即產(chǎn)生全部變形，而在外力解除時，只有一部分變形立即消失，其余部分變形在外力解除后卻永遠不會自行消失的性能。在彈塑性體的變形中，有一部分是彈性變形，其余部分是塑性變形。成型度是反映紙張經(jīng)外力施壓后反彈的程度。當壓力撤離后，紙張反彈的角度越小，說明成型度越小，紙張成型后的定型效果越好。紙張主要由纖維素和半纖維素組成，兩者均為高分子物質(zhì)，有一定的彈性，從而決定了紙張具有彈性;紙張內(nèi)部纖維相互交織，存在空氣，決定了紙張具有塑性［1］。需要考察漿料、填料、加工工藝等多種因素對紙張成型度的影響，以期降低紙張的彈性，提高紙張的塑性便于成型。

成型度是煙用內(nèi)襯紙的關鍵指標之一。為了滿足易于折疊封口從而起到保香保潤作用，內(nèi)襯紙需滿足成型度低、透氣度低的要求。鋁箔襯紙的成型度較低，約17°;進口萬寶路香煙推出了一款印刷型內(nèi)襯紙，即在內(nèi)襯紙一面涂布金色或銀色油墨，使其呈金箔或銀箔質(zhì)感，其成型度約40°，透氣度較低，基本能滿足使用要求;而國產(chǎn)鋁箔襯紙原紙的成型度高達46°，若不經(jīng)覆鋁箔或鍍鋁而直接用作卷煙的內(nèi)包裝用，在折疊后定型不好，反彈嚴重，在包裝時封口不嚴，對卷煙的保香保潤作用不強。故煙用內(nèi)襯紙要實現(xiàn)無鋁化，首先要使內(nèi)襯紙的成型度盡量降低，因此對無鋁內(nèi)襯紙成型度影響因素的研究具有現(xiàn)實的指導意義。

1實驗

1.1 原料

漿料:漂白硫酸鹽針葉木漿:加拿大北木牌(簡稱北木針)，中輕物產(chǎn)提供;南方松，中輕物產(chǎn)提供;思茅松，云南云景林紙股份有限公司;漂白硫酸鹽闊葉木漿:俄羅斯布拉茨克牌 (簡稱布闊)及巴西鸚鵡牌 (簡稱鸚鵡闊)，中輕物產(chǎn)提供;日照森博闊葉木漿 (簡稱森博闊)，山東日照森博漿紙有限公司;化機漿:闊葉木化機漿，萬邦集團提供。

填料:滑石粉及填料級研磨碳酸鈣 (GCC)，廊坊特種纖維有限公司提供;沉淀碳酸鈣 (PCC)，都江堰鈣品股份有限公司;高性能硅酸鹽粉，中國制漿造紙研究院提供;石膏晶須，鄭州博凱利生態(tài)工程有限公司;膨潤土，宣化縣恒潤化工有限公司。

化工原料:PAE、AKD，石家莊冀亨助劑有限公司;陽離子松香膠，道純化工技術(shù)有限公司;乳液松香膠，杭州行化播磨造紙化學品有限公司;PVA1799，山西三維集團股份公司。

1.2 實驗設備

P40130Valley打漿機，奧地利PTI公司;95587打漿度測定儀，奧地利PTI公司;標準紙頁成形器，中國制漿造紙研究院自制;P40140.200壓榨儀，奧地利PTI公司;E-100鼓式干燥器，美國AMC公司;25FC-200E兩輥壓光機，日本KRK公司;手搖表膠機，中國制漿造紙研究院自制;03型電子天平，L＆W公司;DCP-HDY04紙張厚度儀，四川長江造紙儀器有限公司;DCP-HDY04電腦紙張拉力儀，四川長江造紙儀器有限公司;TQY-Ⅲ紙張透氣度儀，中國科學院安徽光學精密機械研究所;Cobb吸水性測定儀，PTI公司;箱式電阻爐，上海一恒科技有限公司;白度顏色測定儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司。

1.3 檢測方法

1.3.1 成型度

參照噴鍍鋁原紙成型度的測定方法。

1.3.1.1 使用儀器

壓塊:3個不銹鋼鋼塊，長90 mm，寬20 mm，高20 mm，每個質(zhì)量約300 g;刻度尺和量角器;秒表。

1.3.1.2 測試步驟

(1)將待測試樣切成規(guī)格為90 mm×120 mm的紙條 (測定縱向成型度時則將縱向切成120 mm;測定橫向成型度時則將橫向切成120 mm)。

(2)將切好的紙條未涂布面朝上平鋪在桌面上。

(3)將壓塊1放置在紙條上，其邊緣與紙條邊緣平齊 (即壓塊的長邊90 mm與紙條90 mm的邊緣始終是平齊的)。

(4)將紙條掀起，把壓塊2放置在桌面上，與紙條上的壓塊平行對齊。用兩手用力擠壓壓塊1和壓塊2，使其中的紙條夾緊。

(5)將紙條自然折向壓塊1的方向，然后將壓塊3放置在折曲后的紙條及壓塊1的上面，同時保證壓塊3的邊緣與壓塊1的邊緣對齊。

(6)放置壓塊3的同時使用秒表計時，8 s后將壓塊3取下，用量角器測量紙條反彈的角度 (3 s內(nèi)讀數(shù))，其結(jié)果即為成型度。

成型度測試示意圖見圖1。

圖1 成型度測試示意圖

1.3.1.3 成型度測試環(huán)境

執(zhí)行 GB/T 10739—2002，eqvISO187:1990，即溫度 (23±1)℃，濕度 (50±2)%。

1.3.2 其他指標的檢測

按照GB/T 451.2—2002測定定量，按照GB/T 451.3—2002測定厚度，按照GB/T 12914—2008測定抗張強度，按照GB/T 12655—1998測定透氣度，按照GB/T 7974—2002測定白度，按照GB/T 1540—2002測定Cobb吸水值，按照GB/T 742—2008測定灰分，按照GB/T 3332—2004測定打漿度。

表1 幾種主要卷煙內(nèi)襯紙的物理指標和纖維分析結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 幾種煙用內(nèi)襯紙的性能分析比較

對萬寶路香煙的印刷型無鋁內(nèi)襯紙、鋁箔襯紙、國產(chǎn)鋁箔襯紙原紙進行纖維分析和主要技術(shù)指標檢測，結(jié)果見表1。

由表1可見，雖然鋁箔襯紙原紙的成型度高達46°，但復合鋁箔后，鋁箔襯紙的成型度低至17°;萬寶路香煙印刷型無鋁內(nèi)襯紙的成型度約40°，比目前的鋁箔襯紙原紙的成型度低;此外，鋁箔襯紙和萬寶路香煙印刷型無鋁內(nèi)襯紙的透氣度較低，這有利于保香保潤和防潮;萬寶路香煙印刷型無鋁內(nèi)襯紙和國產(chǎn)鋁箔襯紙原紙的灰分達15%～20%，屬于中等加填量的紙張。

2.2 填料對成型度的影響

2.2.1 填料種類的影響

由2.1節(jié)可知，萬寶路香煙印刷型無鋁內(nèi)襯紙和鋁箔襯紙原紙的灰分達15%～20%，故首先從填料的種類著手研究其對成型度的影響。

常用的造紙?zhí)盍现饕谢?、GCC、PCC，新興的造紙?zhí)盍嫌信驖櫷?、硅酸鹽、石膏晶須、天然沸石、硅藻土等［2-10］?？紤]到金和鋁的成型度與硬度關系較大，故在填料的選擇中參考此性質(zhì)，并同時兼顧填料的粒度影響?，F(xiàn)將幾種主要造紙?zhí)盍系牧６燃捌渌迷牧吓c成型度較低的金屬的密度、摩氏硬度列于表2。

表2 幾種填料的原材料與成型度較低的金屬的密度和摩氏硬度比較

由表2可見，黃金的摩氏硬度最低，故其延展成型性最好;鋁的摩氏硬度較低，其延展成型性亦較好;在幾種常用及新興無機填料原材料中，硅酸鹽的密度最大，其他幾種材料的密度與鋁接近;滑石粉和石膏晶須的摩氏硬度較低，甚至比鋁還低。在選用的幾種常用及新興填料中，石膏晶須為纖維狀，粒度最大，其次是滑石粉，粒度最小的是PCC。

此節(jié)實驗暫時選用的漿料配比為:布闊∶北木針=8∶2(混合打漿度40°SR);填料用量30%(以絕干漿料計);PAE用量0.3%;壓榨、烘干條件相同;分別檢測壓光前、后的紙張指標。具體實驗方案和檢測結(jié)果見表3和圖2。

表3 幾種填料加填紙壓光前后紙張性能

由表3、圖2可見，添加填料能明顯降低紙張的成型度，但透氣度相應有所上升，抗張力下降;在打漿度40°SR下比較幾種填料對加填紙成型度的影響，得出硅酸鹽、GCC、PCC、膨潤土加填紙壓光前后的成型度相對較低。

由表3和表2比較可見，經(jīng)過壓光后，添加石膏晶須和滑石粉的紙張成型度較高，添加PCC、硅酸鹽、膨潤土的紙張成型度較低，這與填料的粒度有關，隨著填料粒度的增大，壓光后紙張的成型度呈下降趨勢;紙張成型度與填料所用材質(zhì)的摩氏硬度和密度無關。

圖2 幾種填料加填紙成型度和透氣度比較

2.2.2 填料用量的影響

填料GCC、硅酸鹽及滑石粉在不同用量下對成型度的影響見表4。助劑用量:PAE 0.3%，AKD 0.2%;壓光方式:干冷壓;成本核算:漿料按5200元/t，滑石粉按500元/t、GCC按400元/t、高性能硅酸鹽按800元/t。

由表4可見，隨著填料用量從30%增加到40%，添加GCC和滑石粉的紙張成型度基本不變，添加硅酸鹽的紙張成型度呈下降趨勢，故成型度變化與填料用量沒有統(tǒng)一的規(guī)律，而與填料的種類有關;在相同用量下，添加滑石粉的紙張灰分最低，添加硅酸鹽的紙張和GCC的紙張灰分較高;硅酸鹽紙張的白度較高;從掉粉和手感情況可知，在硅酸鹽用量高達40%情況下亦不掉粉，而且手感細膩，紙質(zhì)白凈，而GCC的用量須小于30%;若GCC用量為30%，其成本在4300元/t以上;硅酸鹽用量為40%，其成本約4130元/t;故從成型效果、透氣度、成本、強度等方面考慮，添加硅酸鹽的紙張性價比更高。

2.3 漿料對成型度的影響研究

2.3.1 漿料種類的影響

將幾種有代表性的常用漿料打漿至約48°SR，研究漿料種類對成型度的影響。助劑用量:PAE 0.3%，壓榨、烘干條件相同。壓光條件:干冷壓。實驗結(jié)果見表5。

由表5可知，在相同打漿度下，就成型度而言，漂白闊葉木漿成紙的平均成型度比漂白針葉木漿成紙的低，闊葉木化機漿成紙的成型度最大;就透氣度而言，針葉木漿成紙的透氣度比闊葉木漿成紙的低，闊葉木化機漿成紙的透氣度最大。此外，闊葉木化機漿成紙的強度較差?；瘷C漿成紙強度較低主要原因是化機漿中的木素含量比較高，由于木素具有疏水性，所以存在于漿料纖維表面的木素會阻止纖維素分子間氫鍵的形成，從而導致成紙強度低;化機漿成紙的成型度和透氣度較高的原因主要是由于化機漿中木素含量高，漿料纖維較挺硬，纖維間結(jié)合不緊密，成紙松厚度較大，難以折疊彎曲，折疊后反彈較大，從而使得成型度和透氣度較大。

表4 填料用量對紙張性能的影響

表5 幾種主要漿料對紙張成型度的影響

2.3.2 漿料配比的影響

將北木針 (48°SR)、思茅松 (48°SR)和布闊(48°SR)或鸚鵡闊 (48°SR)按不同比例進行配抄實驗，實驗結(jié)果見表6。PAE用量0.3%，壓榨、烘干條件相同。壓光條件:干冷壓。

表6 漿料配比對紙張成型度的影響

由表6可知，隨著闊葉木漿用量的增加，成型度有降低趨勢，而透氣度呈上升趨勢;雖然布闊∶思茅松=8∶2時的成型度較低，但添加填料后，抗張力下降很明顯，透氣度也有所上升，加之思茅松漿供應難保證，故暫時不選擇此種配比。就成型度而言，對于該紙種選擇布闊∶北木針=8∶2較適宜，而且抗張力能滿足使用要求，后續(xù)實驗采用此配比。

2.3.3 漿料打漿度的影響

2.3.3.1 未加填混合漿料

采用漿料配比布闊∶北木針=8∶2來研究未加填漿料的打漿度對成型度的影響。打漿方式為混合打漿，PAE用量0.3%。壓光:干冷壓。實驗結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 壓光前后漿料打漿度對紙張成型度的影響

圖4 壓光前后漿料打漿度對紙張透氣度的影響

由圖3、圖4可知，隨著打漿度的上升，紙張成型度有上升趨勢，透氣度下降明顯;通過超級壓光，成型度有所降低，透氣度降低明顯。

2.3.3.2 加填后的混合漿料

加填后混合漿料打漿度對成型度的影響見表7。混合漿料配比布闊∶北木針=8∶2，打漿方式為混合打漿。PAE用量0.3%，填料用量為30%硅酸鹽，壓光:干冷壓。

表7 加填后漿料打漿度對紙張成型度和透氣度的影響

由表7可知，紙張經(jīng)過加填，打漿度的增加對成紙的成型度影響不大，但透氣度呈下降趨勢。這是由于加填后，填料降低了纖維間的氫鍵結(jié)合，抵消了漿料打漿度對成型度的影響，使得成紙的柔軟性增加，紙張易于折疊成型，成型度較低。

2.4 表面浸膠對成型度的影響

為了減少填料在用量較大情況下的掉粉現(xiàn)象，可選擇表面浸膠方式解決。實驗采用成膜性較好、又不影響損紙回抄的PVA處理紙張，浸漬膠液質(zhì)量分數(shù)3%;浸膠前后紙張的壓光條件:干冷壓。實驗結(jié)果見表8。

表8 表面浸膠對紙張成型度的影響

由表8可見，紙張經(jīng)表面浸膠后，觀察掉粉情況有所改善，但成型度上升約4°～7°，主要原因是表面浸膠后，紙張挺度大幅提高，紙張折疊后反彈較大，導致成型度較大。

2.5 漿內(nèi)施膠劑對紙張成型度的影響

采用針闊混合漿，打漿度48°SR;PAE用量0.3%，漿內(nèi)施膠劑用量0.5%;壓光條件:干冷壓。實驗結(jié)果見表9。

表9 不同施膠劑對紙張成型度的影響

由表9可知，就成型度和透氣度而言，3種施膠劑的效果接近;在0.5%用量下，AKD的施膠效果明顯優(yōu)于兩種松香膠，而兩種松香膠的施膠效果接近;兩種松香膠紙的抗張力高于AKD紙的。

2.6 涂布對成型度的影響

選用合適的顏料和膠乳，配置定型后不易反彈的涂料進行單面涂布，實驗結(jié)果見表10。

由表10可知，由于特殊涂料具有定型后不易反彈的特性，經(jīng)過單面涂布后，紙張的成型度下降明顯。

表10 涂布對紙張成型度的影響

2.7 壓光對成型度的影響

打漿度40°SR的混合漿料 (布闊∶北木針 =8∶2)，實驗了不同壓光壓力對紙張成型度和透氣度的影響。實驗結(jié)果見表11。

表11 不同壓光壓力對紙張成型度和透氣度的影響

由表11可知，30 kgf(1 kgf=9.8 N)壓光紙比75 kgf壓光紙的成型度稍低，透氣度稍高。紙張經(jīng)過適度壓光，能增加紙張的柔軟性和塑性，易于成型;但過度壓光，緊度過大時，紙張纖維和填料結(jié)合非常緊密，紙張中空氣很少，降低了紙張的塑性，使紙張的彈性增加，受外力折疊變形后反彈較大，成型度較高。

2.8 紙張水分對成型度的影響

2.8.1 壓光時紙張水分的影響

采用回濕后冷壓 (濕冷壓)、干態(tài)冷壓 (干冷壓)、干態(tài)熱壓 (干熱壓，熱壓溫度為70～80℃)3種壓光方式。濕冷壓前紙張水分:11.7%，成型度檢測時紙張水分7.4%;干冷壓、干熱壓前紙張水分(6.0±1.0)%，成型度檢測時紙張水分5.0% ～6.0%。比較這3種壓光方式對紙張成型度和透氣度的影響，紙張定量約65 g/m2。實驗結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5、圖6可見，3種壓光方式中，濕冷壓的成型度比常用的干冷壓的成型度低9°～13°;干冷壓的成型度比干熱壓的成型度普遍低些。這主要是由于壓光前紙張水分較高或壓光過程中水分損失較少，壓光后紙張殘留的水分就較多，使得在成型時易于定型，成型度較低。濕冷壓和干熱壓都更有利于透氣度的降低，而且兩者效果接近。

2.8.2 檢測環(huán)境濕度的影響

在前期研究中發(fā)現(xiàn)，隨著天氣濕度的變化，紙張成型度的測定結(jié)果有一定波動，故每批次檢測都是在同一環(huán)境中檢測。實驗所用紙張為2.2.1節(jié)抄造的部分未壓光紙張。實驗結(jié)果見圖7。

圖5 壓光水分對成型度的影響

圖6 壓光水分對透氣度的影響

圖7 不同檢測環(huán)境濕度下紙張的成型度

由圖7可見，環(huán)境濕度約85%時，紙張的成型度明顯低于在環(huán)境濕度為50%下的成型度。故在檢測成型度時，要在恒溫恒濕的條件下進行。

3 結(jié)論

煙用無鋁內(nèi)襯紙需要滿足成型度低、透氣度低的要求。通過對紙張成型度的影響因素進行實驗研究，得出如下結(jié)論。

3.1 紙張水分是最好的成型劑。研究發(fā)現(xiàn)，增加壓光前紙張水分，使壓光后的紙張殘留的水分較多，紙張的成型度較低，透氣度亦較低。

3.2 采用抄紙時添加粒度較小的填料的方式，能有效降低成型度，而透氣度根據(jù)填料種類的不同有不同程度的增加。

3.3 闊葉木硫酸鹽漿成紙的成型度一般比針葉木硫酸鹽漿成紙的成型度低。

3.4 漿料的打漿度對成型度有一定影響。未加填紙張，隨著打漿度的上升，成型度有升高趨勢;紙張加填后，打漿度對成型度的影響不明顯，但對透氣度影響明顯。

3.5 采用適宜的壓光壓力對成型度的降低有利。

3.6 采用合適的涂料進行單面涂布能降低紙張成型度。但表面浸膠則顯著增加紙張的成型度，要避免采用。

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