新型涂布內(nèi)襯紙的性能與應用

陳宸，高韜，余贊，王曉輝，王濤，陳連芳

1鄭州煙草研究院，中國煙草標準化研究中心，鄭州市楓楊街2號 450001；

2 紅塔煙草（集團）有限責任公司，技術中心，玉溪市紅塔大道118號 653100；

3湖南省常德市武陵金德鐳射科技有限公司，常德市常德大道武陵工業(yè)園 415000

新型涂布內(nèi)襯紙的性能與應用

陳宸1，高韜2，余贊3，王曉輝2，王濤2，陳連芳1

1鄭州煙草研究院，中國煙草標準化研究中心，鄭州市楓楊街2號 450001；

2 紅塔煙草（集團）有限責任公司，技術中心，玉溪市紅塔大道118號 653100；

3湖南省常德市武陵金德鐳射科技有限公司，常德市常德大道武陵工業(yè)園 415000

新型涂布內(nèi)襯紙，是以水性丙烯酸酯樹脂和云母粉復合溶液為面層涂布液，瓊脂水溶液為背層涂布液，經(jīng)過背涂和面涂兩次涂布工序涂覆于原紙的兩側而制得。文中，對該涂布內(nèi)襯紙的阻氣性和阻濕性進行了測試，發(fā)現(xiàn)涂布內(nèi)襯紙的阻氣和阻濕性能與真空直接鍍鋁內(nèi)襯紙在同一水平，可以滿足卷煙包裝的需求；分析了涂布內(nèi)襯紙中揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和重金屬含量，含量均在較低水平，很好滿足有關行業(yè)標準要求；同時，對上機適用性進行了分析，該內(nèi)襯紙具有上機應用的普遍可行性；最后，分析指出了涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品的優(yōu)、劣勢。

涂布型內(nèi)襯紙；阻氣性；阻濕性；VOCs；上機適用性

煙用內(nèi)襯紙是襯于卷煙軟盒或硬盒內(nèi)層的包裝紙，是一類重要的卷煙包裝材料。一直以來，卷煙包裝普遍使用的是覆有鋁層的內(nèi)襯紙產(chǎn)品，主要類型有復合鋁箔內(nèi)襯紙、復合轉移內(nèi)襯紙、真空直接鍍鋁內(nèi)襯紙和轉移真空鍍鋁內(nèi)襯紙等。其中，復合鋁箔內(nèi)襯紙是傳統(tǒng)的產(chǎn)品類型，占有較大市場份額；真空鍍鋁型內(nèi)襯紙等是近年來迅速發(fā)展起來的產(chǎn)品，以其相對環(huán)保衛(wèi)生的優(yōu)勢獲得較廣泛使用[1]。

煙用內(nèi)襯紙作為卷煙的初始包裝層，最主要的功能是起到保香、保潤、遮光等阻隔作用，同時也可以展示出美觀特性。鋁箔紙具有很好的防護特性，特別是復合鋁箔內(nèi)襯紙，生產(chǎn)工藝特點決定了其鋁層較厚，達到6～7μm[2-4]，鋁分子特有的排布致密結構，可以很好地阻隔氣體和水分的透過，保證煙盒幾乎不吸收任何香氣物質(zhì)，其他材料如鍍（涂）金屬的紙或印刷紙難以達到相當?shù)谋Ｗo香氣的能力。復合鋁箔內(nèi)襯紙雖然阻隔性能好、對卷煙可以起到較好的保香保潤效果，但直接使用資源匱乏的有色金屬鋁材料；真空直接鍍鋁紙及真空鍍鋁轉移紙盡管大幅度降低了鋁材料的消耗，但其制造工藝復雜、工藝條件要求較高。

涂布型內(nèi)襯紙是用于卷煙包裝領域的新型包裝材料。本文主要研究一種新型涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品，該內(nèi)襯紙是以水性丙烯酸酯樹脂和云母粉復合溶液為面層涂布液，瓊脂水溶液為背層涂布液，經(jīng)過涂布方式分別涂覆于原紙的兩側而制得；與普通覆鋁內(nèi)襯紙相比，涂布型內(nèi)襯紙最大程度地降低了金屬鋁的消耗和環(huán)境污染。目前，涂布內(nèi)襯紙已逐漸在知名品牌卷煙上投入應用。文中簡要介紹了此種內(nèi)襯紙的結構、生產(chǎn)工藝，并對產(chǎn)品性能和應用可行性進行了分析。

1 涂布內(nèi)襯紙的結構與生產(chǎn)工藝

1.1 涂布內(nèi)襯紙的結構

涂布內(nèi)襯紙區(qū)別于常規(guī)煙用內(nèi)襯紙的基本特征是不使用金屬鋁，內(nèi)襯紙的正、反面均無鋁層。其結構示意圖見圖1所示。

圖1 涂布內(nèi)襯紙的結構示意圖Fig.1 Structure of coated inner liner

內(nèi)襯紙原紙采用純木漿制備的無熒光白紙，定量一般在（48～60）g/m2范圍內(nèi)。面涂層是以水和水溶性（或水分散型）的丙烯酸酯類共聚物構成的乳液體系為主體，并添加云母粉、無機顏料等助劑形成涂布液，經(jīng)均勻涂布后烘干而成；背涂層是以食品級瓊脂的水溶液體系作為涂布液，進行均勻涂布烘干而成。

內(nèi)襯紙正面的主體丙烯酸酯類共聚物材料在特定成型工藝條件下可以形成致密的交聯(lián)結構，結合均勻分散其中的片狀結構的云母粉，能夠形成更為完善、致密的微區(qū)結構，這種結構能夠滲透至紙張的亞表層中；同時，紙張背面的瓊脂材料也能形成致密的高分子涂層。正、反面的高分子涂層可以大幅度提升內(nèi)襯紙產(chǎn)品對香氣、水分的阻隔性能，從而滿足卷煙保香、保潤的基本要求。其次，正面涂層中的云母粉等無機顏料可以為產(chǎn)品提供一定的色彩和光澤，增加了包裝的美學可修飾功能。

1.2 生產(chǎn)工藝

按照一定的比例將水性丙烯酸酯類共聚物、云母粉分散于水中，制成面層涂布液。同時按照一定的比例將瓊脂溶于水中，制成背層涂布液。通過涂布方式將涂布液涂覆到原紙的兩側，從而制備出涂布內(nèi)襯紙。其生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 涂布內(nèi)襯紙生產(chǎn)工藝示意圖Fig.2 Flow diagram of production of coated inner liner

與常規(guī)煙用內(nèi)襯紙相比，涂布內(nèi)襯紙的生產(chǎn)工藝較為簡單，對設備要求也沒有真空鍍鋁內(nèi)襯紙高。內(nèi)襯原紙通過多涂布頭的涂布機進行背涂和面涂處理，一次性成型。其中，背涂和面涂是兩個關鍵工序。

（1）背涂：根據(jù)背涂層干涂量厚度的設計要求、結合背涂液（瓊脂的水溶液）的粘度及固含量水平，選取適當目數(shù)和穴深的網(wǎng)紋輥，采用刮刀涂布的方式，通過網(wǎng)紋輥將背涂液均勻傳遞到紙張的背面。涂布過程網(wǎng)紋輥運轉方向與走紙方向一致，為正向涂布，如圖3-A所示。

（2）面涂：根據(jù)產(chǎn)品設計要求，選擇云母粉、親水性無機顏料與丙烯酸酯類共聚物的水溶液混勻調(diào)配而成的面涂液，通過微凹網(wǎng)輥均勻地傳遞到紙張正面。微凹網(wǎng)輥運轉方向與走紙方向相反，紙張與網(wǎng)輥逆向涂布，產(chǎn)生一定的相對摩擦，利于面涂液在紙張表面均勻鋪展，如圖3-B所示。微凹網(wǎng)輥的傳墨量較大，使面涂液能夠充分填充紙張纖維空隙及亞表面凹凸區(qū)域，形成致密的高分子交聯(lián)網(wǎng)絡結構。

圖3 背涂和面涂工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of coating process to both sides

2 涂布內(nèi)襯紙的性能測試

2.1 阻氣性測試

按照GB/T 1038-2000[5]進行制樣和測試，分別對涂布內(nèi)襯紙、復合鋁箔內(nèi)襯紙、真空直鍍內(nèi)襯紙樣品進行氣體透過量測試。

2.2 阻濕性測試

按照GB/T 1037-1988[6]進行制樣和測試，分別對涂布內(nèi)襯紙、復合鋁箔內(nèi)襯紙、真空直鍍內(nèi)襯紙樣品進行水蒸氣透過量測試。

2.3 揮發(fā)性有機化合物（VOCs）測試

按照YC/T 207-2006[7]對涂布內(nèi)襯紙中揮發(fā)性有機化合物進行測試。

2.4 重金屬含量測試

按照YC/T 316-2009[8]對涂布內(nèi)襯紙中砷、鉛、鎘、鉻、鎳、汞等重金屬元素的含量進行測試。

2.5 定量

選取定量為58g/m2涂布內(nèi)襯紙、62.5g/m2壓紋復合內(nèi)襯紙、61g/m2復合內(nèi)襯紙、62.5g/m2壓紋真空鍍鋁內(nèi)襯紙4種內(nèi)襯紙產(chǎn)品，按照GB/T 451.2-2002[9]對樣品進行測試。

2.6 厚度及厚度變異系數(shù)

選取規(guī)格為0.055mm、0.057mm、0.058mm的三種涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品，按GB/T 451.3-2002[10]進行厚度測定并計算厚度變異系數(shù)。如公式1所示：

3 結果與討論

3.1 涂布內(nèi)襯紙的阻隔性能分析

3.1.1 阻氣性能評價分析

本文收集40個涂布內(nèi)襯紙樣品，涵蓋多個批次、不同規(guī)格，按照方法標準的要求[5]，測試40個樣品的氣體透過量指標。同時，為衡量涂布內(nèi)襯紙的在包裝卷煙方面的阻氣性水平，通過與市場上廣泛使用的其他類型內(nèi)襯紙產(chǎn)品進行對比，進而直觀體現(xiàn)涂布內(nèi)襯紙的性能；復合鋁箔內(nèi)襯紙和真空直鍍內(nèi)襯紙分別作為市場的主流產(chǎn)品和新興產(chǎn)品，其阻隔性水平應具有較好的代表性，因此，收集了不同廠家和規(guī)格的復合鋁箔內(nèi)襯紙產(chǎn)品和真空直鍍內(nèi)襯紙產(chǎn)品各10個，同樣按照方法標準的要求[5]進行制樣測試。氣體透過量的具體檢測數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 氣體透過量檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Results of gas permeability capacity cm3/m2·d·Pa

從數(shù)據(jù)分布情況可以看出，涂布內(nèi)襯紙氣體透過量基本在（2100～3000）cm3/m2·d·Pa范圍內(nèi)，復合鋁箔內(nèi)襯紙的氣體透過量在(40～80)cm3/m2·d·Pa范圍內(nèi)，真空直鍍內(nèi)襯紙基本在(2000～3100)cm3/m2·d·Pa 范圍內(nèi)。

復合鋁箔內(nèi)襯紙的氣體透過量數(shù)值較涂布內(nèi)襯紙和真空直鍍內(nèi)襯紙低得多，存在數(shù)量級的差別，反映出復合鋁箔紙的阻氣性強、保香性能好；而事實上，復合鋁箔內(nèi)襯紙具有較厚的鋁層（一般在6～7μm），真空直鍍內(nèi)襯紙通過特殊真空工藝生產(chǎn)，耗鋁量極少，鋁層也較薄（一般在0.02～0.04μm）[2-4]，鋁層厚度上差異決定了兩者氣體透過量數(shù)值的差距。

真空直鍍內(nèi)襯紙與涂布內(nèi)襯紙的氣體透過量數(shù)值范圍基本一致，可認為涂布內(nèi)襯紙與真空直鍍內(nèi)襯紙的阻氣性能在同一水平。而真空直鍍內(nèi)襯紙產(chǎn)品已在行業(yè)推廣、應用多年，市場應用情況良好，其阻氣性能可以滿足卷煙保香的基本要求。因此，可以判斷新型涂布內(nèi)襯紙的阻氣、保香性能雖不及復合鋁箔內(nèi)襯紙，但也可以滿足卷煙包裝的市場應用需求。

3.1.2 阻濕性能分析

針對相同的40個涂布內(nèi)襯紙樣品、10個復合鋁箔內(nèi)襯紙樣品和10個真空直鍍內(nèi)襯紙樣品，按照標準的要求[6]進行制樣和測試，水蒸氣透過量數(shù)據(jù)對比見表2。

對比三類樣品的數(shù)值可以看出，涂布內(nèi)襯紙的水蒸氣透過量基本在(490～762)g/m2·24h范圍內(nèi)、真空直鍍內(nèi)襯紙在(496～670)g/m2·24h范圍內(nèi)，而復合鋁箔內(nèi)襯紙在(12～27)g/m2·24h之間。復合鋁箔內(nèi)襯紙的水蒸氣透過量遠小于涂布內(nèi)襯紙和真空直接鍍鋁內(nèi)襯紙；真空直鍍內(nèi)襯紙數(shù)值整體范圍基本一致，兩者整體上在同一水平。根據(jù)真空直鍍內(nèi)襯紙產(chǎn)品良好應用的市場現(xiàn)狀，判斷涂布型內(nèi)襯紙的阻濕、保潤性能亦可以滿足卷煙市場的應用需求。

3.2 VOCs和重金屬含量水平分析

涂布內(nèi)襯紙的原紙是純木漿制成，正、反面的涂布液是以純水為溶劑或分散介質(zhì)，將瓊脂、丙烯酸酯類、云母粉等溶解、分散而形成，完全不引入其他有機溶劑，在原料使用上符合煙草行業(yè)的有關許可要求。涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品在生產(chǎn)流程和原料角度分析應是安全衛(wèi)生的。

3.2.1 VOCs含量分析

為考察涂布內(nèi)襯紙的VOCs水平，選取了34個不同規(guī)格和批次的樣品進行檢測分析。檢測結果見表3。

表2 水蒸氣透過量檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Test value of water vapor transmission capacity g/m2·24h

表3 涂布內(nèi)襯紙中VOCs測定結果Tab.3 VOCs of coated inner liners mg/m2

續(xù)表3

揮發(fā)性有機化合物檢測項目包括苯、苯系物、酮類、醇類、酯類5類，對表3數(shù)據(jù)進行分析可以看出：a）苯在所有規(guī)格涂布內(nèi)襯紙樣品中均未檢出；b) 甲苯、乙苯均未檢出，二甲苯有個別樣品中檢出，含量為0.01 mg/m2；c) 酮類物質(zhì)檢出的主要為丙酮和丁酮，個別規(guī)格樣品檢出環(huán)己酮，酮類總量在（0.04～0.22）mg/m2之間；d）醇類物質(zhì)檢出的主要為甲醇、丙二醇甲醚，個別樣品檢出正丁醇、異丙醇，醇類物質(zhì)總量在（0.06～0.91）mg/m2之間；e）酯類物質(zhì)檢出的主要是乙酸乙酯和乙酸正丙酯，酯類物質(zhì)總量在（0～0.65）mg/m2之間。五項揮發(fā)性有機化合物含量均在較低水平，完全符合行業(yè)標準的要求[11]。

各類揮發(fā)性有機化合物極低的含量水平，主要取決于內(nèi)襯紙原紙、正反面涂布液原料和生產(chǎn)工藝：原紙是由純木漿制備，不引入任何有機溶劑；正、反面涂布液均以純水為溶劑或分散介質(zhì)，云母粉、丙烯酸酯類和瓊脂的衛(wèi)生性均良好，不會引入揮發(fā)性有機物；生產(chǎn)工藝過程亦簡單，在面涂和背涂工序之后僅需通過烘箱烘干即可，不涉及其他復雜工序。因此，原料和生產(chǎn)工序流程保證產(chǎn)品中揮發(fā)性有機化合物可以得到最大限度控制。

3.2.2 重金屬含量分析

鑒于涂布內(nèi)襯紙的正面涂布液中需加入云母粉及少量無機顏料來賦予紙張一定色澤，對34個樣品的重金屬元素也進行了考察。結果如表4所示。

表4 涂布內(nèi)襯紙中金屬元素測定結果Tab.4 Content of heavy metal elements in coated inner liners mg/kg

從表4可以看出，全部樣品均不含有鉻、鎘、汞元素，鎳、砷、鉛元素的含量水平也均在1.0 mg/kg以內(nèi)；該結果完全符合煙用接裝紙產(chǎn)品行業(yè)標準[12]的要求。煙用內(nèi)襯紙作為包裝材料，達到了口觸材料接裝紙的要求，應足以保證其安全衛(wèi)生性。

3.3 定量與厚度常規(guī)指標分析

由于涂布內(nèi)襯紙和常規(guī)的覆鋁內(nèi)襯紙的加工方式完全不同，定量和厚度兩個指標的控制水平主要取決于涂布工藝水平，而這兩個指標也決定產(chǎn)品最基本的使用性能，故選取這兩個物理指標進行了初步考察。

3.3.1 定量指標

選取定量為58g/m2涂布內(nèi)襯紙、62.5g/m2壓紋復合內(nèi)襯紙、61g/m2復合內(nèi)襯紙、62.5g/m2壓紋真空鍍鋁內(nèi)襯紙4個不同類型的內(nèi)襯紙產(chǎn)品，按照GB/T 451.2—2002[9]對4種規(guī)格樣品進行了定量測試,測定結果見表5。

同時，將4種內(nèi)襯紙定量的標稱值與測定值的偏差進行了統(tǒng)計，繪制柱狀圖如圖4所示?？梢钥闯觯坎純?nèi)襯紙的定量測定結果的RSD僅為1.22%，同時測定值與標稱值的絕對偏差也基本控制在1mg/m2以內(nèi)。4種定量在同一水平的不同類型內(nèi)襯紙中，涂布內(nèi)襯紙的測定結果相對標準偏差和絕對偏差均小于其他3個樣品。

表5 不同類型煙用內(nèi)襯紙定量測定結果Tab.5 Basis weight results of different inner liners

圖4 不同類型內(nèi)襯紙定量偏差Fig.4 Basis weight deviation in different types of inner liners

3.3.2 厚度及厚度變異系數(shù)

選取規(guī)格為0.055mm、0.057mm、0.058mm的三種涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品，按GB/T 451.3—2002[10]的規(guī)定進行厚度測定并計算厚度變異系數(shù)，測定結果如表6所示：

從表6可以看出，各不同規(guī)格涂布內(nèi)襯紙厚度的20次測定結果與設計值之間的偏差均在0.005mm以內(nèi)，厚度變異系數(shù)在3.5%以內(nèi)，均能達到煙用內(nèi)襯紙行業(yè)標準[11]要求的控制水平。

表6 不同厚度規(guī)格涂布內(nèi)襯紙厚度及厚度變異系數(shù)測定結果Tab.6 The results of thickness and thickness variation coefficient in different types of coated inner liner

3.4 上機適用情況

滿足正常的上機生產(chǎn)是煙用內(nèi)襯紙產(chǎn)品的前提要求，為考察涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品的適用性，在行業(yè)內(nèi)4家卷煙工業(yè)企業(yè)的5個生產(chǎn)廠分別開展了樣品的上機適用性驗證工作。各單位使用不同規(guī)格的涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品進行了不少于10件卷煙樣品的上機試驗，上機適用性驗證情況見表7?？梢钥闯?，在不同生產(chǎn)廠、不同卷包機型上的上機運行情況良好。

表7 涂布內(nèi)襯紙的上機試驗情況Tab.7 Test results of coated inner liner's applicability to machine

4 涂布內(nèi)襯紙的優(yōu)、劣勢分析

新型涂布內(nèi)襯紙的綜合性能可以達到常規(guī)覆鋁內(nèi)襯紙的要求，能夠滿足卷煙包裝的基本需求，在卷煙包裝機生產(chǎn)應用上也具有推廣的可行性。涂布型內(nèi)襯紙在資源節(jié)約、環(huán)保衛(wèi)生、清潔生產(chǎn)等方面具有顯著優(yōu)勢：

首先，不再使用不可再生的有色金屬鋁作為原材料。第二，涂層材料主要是丙烯酸酯類共聚物和瓊脂，在自然環(huán)境下可以實現(xiàn)完全降解。相比之下，復合鋁箔內(nèi)襯紙鋁層較厚、在自然環(huán)境中鋁層無法降解，真空鍍鋁內(nèi)襯紙用鋁量大量減少、但在生產(chǎn)及使用廢棄環(huán)節(jié)仍會產(chǎn)生一定程度的污染。第三，生產(chǎn)使用的涂布液是完全水性化的，在生產(chǎn)過程中完全杜絕了有機溶劑及膠粘劑的使用，終端產(chǎn)品在揮發(fā)性有機化合物(VOCs）等指標上降低到較低水平，保證產(chǎn)品的安全衛(wèi)生品質(zhì)；同時，生產(chǎn)環(huán)節(jié)無有機溶劑揮發(fā)，可以有效保障一線員工健康，做到無“三廢”排放，達到“清潔生產(chǎn)”的目的。第四，生產(chǎn)工藝便捷，實際操控相對簡單，通過一次工序，正、反面兩次涂布即可完成產(chǎn)品生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；同時，由于工藝簡單、涂層的原材料和原紙成本均在合理價格區(qū)間內(nèi)，涂布內(nèi)襯紙產(chǎn)品的成本也可以得到很好控制，一般情況下比真空直接鍍鋁內(nèi)襯紙等更具經(jīng)濟性。

涂布內(nèi)襯紙相比覆鋁內(nèi)襯紙也存在一定的不足：內(nèi)襯紙的正面雖然有少量的云母粉和無機顏料賦予其一定色澤，但缺乏金屬質(zhì)感，無金屬亮眼的光澤。同時，涂布內(nèi)襯紙的延展性比之復合鋁箔內(nèi)襯紙也略差，在前期研究中發(fā)現(xiàn)對涂布內(nèi)襯紙進行壓紋處理后，由于其延展性不足而在包裝機上出現(xiàn)問題，影響生產(chǎn)效率；因而一般不宜對涂布內(nèi)襯紙進行壓紋處理，從而使產(chǎn)品的外觀表現(xiàn)較為單一、包裝效果偏樸實一些。

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Properties of novel coated innerliner and its application

CHEN Chen1,GAO Tao2,YU Zan3,WANG Xiaohui2,WANG Tao2,CHEN Lianfang1
1.Zhengzhou Tobacco Research Institute,CNTC,Zhengzhou 450001,China
2 Technology Center,Hongta Tobacco (Group) Co.,Ltd.,Yuxi 653100,Yunnan,China
3 Hunan Wuling Jinde Laser Technology Co.,Ltd.,Changde 415000,China

Coated inner liner,as new packing material,was composed of raw paper and coating on both sides.The front side of raw paper is coated with mixture of water-based acrylic resin and mica.While the aqueous solution of agar was used as coating liquid for the back side.Coated inner liner structure and production process were investigated.Compared with vacuum aluminum-metallized paper,gas barrier properties and moisture resistance of coated inner liner were well-matched.Content of volatile organic compounds and heavy metal was controlled at low level.Its applicability and advantages and disadvantages were analyzed.

coated innerliner; gas barrier properties; moisture resistance; VOCs; applicability

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.007

TS761.2 文獻標志碼：A 文章編號：1004-5708（2014）06-0041-08

國家煙草專賣局標準項目(2012B049)

陳宸（1983—），碩士,工程師，主要研究方向為煙草標準化 ,Tel：0371-67672763，Email：chenchen763@163.com

陳連芳（1962—）本科,研究員，主要研究方向為煙草標準化 ,Tel：0371-67672671，Email：chen6228800@sina.com）

2014-03-30