改善煙草薄片涂布率及其穩(wěn)定性的研究

李永生 帖金鑫 潘凡達(dá) 李石頭 何文苗 張立立郝賢偉 陶 豐 劉崇盛 趙振杰，*

（1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，浙江杭州，310024；2.杭州利群環(huán)保紙業(yè)有限公司，浙江杭州，310018）

煙草薄片又稱再造煙葉，已成為中式卷煙配方的重要原料之一，在卷煙降焦減害、提高填充值、提高煙葉原料利用率等方面發(fā)揮了重要作用[1]。煙草薄片生產(chǎn)過程中，涂布率是影響煙草薄片品質(zhì)的重要生產(chǎn)工藝指標(biāo)[2-3]。前人研究表明，涂布率及其穩(wěn)定性對(duì)煙草薄片的化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)、煙氣指標(biāo)及卷煙感官品質(zhì)等存在直接影響[4]。研究發(fā)現(xiàn)，涂布率在38%～46%時(shí)，感官質(zhì)量會(huì)隨著涂布率升高而顯著提高[5]；也有研究表明，當(dāng)煙草薄片涂布率相差≥2%時(shí)，感官評(píng)吸就能較為顯著地分辨出其中的差異[6]。因此，涂布率和穩(wěn)定性對(duì)煙草薄片品質(zhì)非常重要。

為提高煙草薄片工藝中涂布率的水平和穩(wěn)定性，前人進(jìn)行了一些研究，但是結(jié)論有限。張晴川等人[7]發(fā)現(xiàn)提高涂布輥間隙可以顯著提高涂布率，但涂布率的穩(wěn)定性會(huì)受到影響；張林宵等人[8]利用碳酸氫鹽溶液處理基片以提高基片吸水性和煙草薄片涂布率，涂布率最高僅達(dá)35.08%；黃新民等人[6]通過提高基片與涂布液接觸時(shí)間來提高涂布率，但無法再通過增加接觸時(shí)間進(jìn)一步提高涂布率，且涂布率最高只接近40%；這些研究結(jié)果在一定程度上提高了煙草薄片的涂布率及其穩(wěn)定性，但是目前仍未發(fā)現(xiàn)對(duì)涂布工藝關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化和涂布率穩(wěn)定性提升的報(bào)道。

本研究對(duì)涂布工藝中主要參數(shù)開展實(shí)驗(yàn)研究，基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定涂布工藝中提升涂布率的最優(yōu)參數(shù)組合。此外，通過對(duì)涂布液穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究，改進(jìn)涂布液供料系統(tǒng)，提高涂布率穩(wěn)定性。因此，本研究旨在通過優(yōu)化工藝進(jìn)而提升煙草薄片涂布率及其穩(wěn)定性，為煙草薄片的生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

基片、涂布液由利群環(huán)保紙業(yè)有限公司提供。1880/200 型涂布機(jī)（上海高新造紙技術(shù)有限公司），DGG-9053A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），JX-DQ 型紙張定量切樣器（上海高新自動(dòng)化儀器儀表公司），NDJ-79 型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)（同濟(jì)大學(xué)機(jī)電廠），TDL-40B型小型離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 涂布率、黏度、渣含量測定

涂布率計(jì)算公式見式（1）[9]。

式中，T為涂布率；M0為基片質(zhì)量；M1為煙草薄片質(zhì)量；b 為煙草薄片含水率；a 為基片含水率；其中M0和M1所取樣品面積相等。

涂布液黏度由旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定[6]。

渣含量測定：取涂布液絮沉后的上層清液60 g，放入離心機(jī)中以4000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，稱量濾渣并計(jì)算渣含量。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

涂布過程的工藝參數(shù)調(diào)整，對(duì)涂布率的提升具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)對(duì)涂布液濃度、涂布液溫度、基片與涂布液的接觸時(shí)間（以下簡稱接觸時(shí)間）、涂布輥壓力、渣含量、黏度等6 個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行分析。其中，渣含量、涂布液黏度受涂布液濃度影響較大[10]。因此，渣含量、黏度等不作為考察對(duì)象。選取涂布液溫度、涂布液濃度、接觸時(shí)間、涂布輥壓力等4個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。本研究以涂布液溫度45℃、涂布液濃度44%、接觸時(shí)間0.15 s、涂布輥壓力8 kN/m 為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件，通過每次改變一個(gè)參數(shù)水平分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果中選出的參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用極差分析法和方差分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 涂布液供料系統(tǒng)改進(jìn)

煙草薄片生產(chǎn)過程中，涂布液溫度易波動(dòng)，同時(shí)涂布機(jī)回流液內(nèi)殘留的細(xì)小纖維及CaCO3等物質(zhì)使涂布液密度、黏度產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致涂布率不易控制，容易出現(xiàn)斷紙、引紙困難等現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)中，增加設(shè)置臥式螺旋沉降機(jī)，凈化涂布機(jī)回流液，以期達(dá)到穩(wěn)定涂布液物理性能指標(biāo)和產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

實(shí)施方案：①使用臥式螺旋沉降機(jī)去除回流液體中殘留的細(xì)小纖維及CaCO3等物質(zhì)，將涂布機(jī)回流液凈化為凈化液，凈化液進(jìn)入儲(chǔ)液罐，儲(chǔ)液罐設(shè)置液位計(jì)防止液體滿溢。②將凈化液按設(shè)定流量泵入調(diào)節(jié)控制罐，新鮮涂布液同樣按設(shè)定流量泵入調(diào)節(jié)控制罐，與凈化液充分?jǐn)嚢杌旌?。③在調(diào)節(jié)控制罐內(nèi)，在線密度計(jì)控制加水量，調(diào)節(jié)涂布液密度；溫控系統(tǒng)調(diào)整涂布液溫度，從而得到密度、溫度、黏度等物理指標(biāo)更加穩(wěn)定的涂布液。具體實(shí)施工藝流程圖如圖1所示。

1.4 感官質(zhì)量評(píng)價(jià)

將煙草薄片樣品切絲卷制后進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)。參考YC/T 498—2014 煙草薄片（造紙法）感官評(píng)價(jià)方法并結(jié)合企業(yè)自身需求制定評(píng)價(jià)指標(biāo)，由9名評(píng)吸專家采用對(duì)比評(píng)吸方法進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

圖1 涂布液供料系統(tǒng)改進(jìn)工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 涂布液溫度與涂布率的關(guān)系

在涂布工藝中，溫度的提升有利于涂布液向基片的滲透，同時(shí)影響涂布液的黏性，因此溫度是影響涂布率的一個(gè)重要因素[10]。不同溫度對(duì)涂布率的影響見圖2。由圖2 可知，當(dāng)涂布液溫度為35 ～60℃時(shí)，涂布率最高為39.9%。當(dāng)溫度低于45℃時(shí)，隨溫度提高，煙草薄片涂布率有一定程度的上升，這可能與溫度影響了涂布液的滲透速率有關(guān)。當(dāng)溫度大于45℃時(shí)，涂布率存在下降趨勢，這可能是涂布過程受到涂布液黏性降低的影響。因此涂布液溫度的正交水平選擇為40、45、50℃。

圖2 涂布液溫度對(duì)煙草薄片涂布率的影響

2.1.2 涂布液濃度與涂布率的關(guān)系

涂布液濃度是影響涂布率的重要參數(shù)。不同涂布液濃度對(duì)煙草薄片涂布率的影響見圖3。由圖3可知，隨著涂布液濃度的增加，涂布率逐漸上升。在其他工藝參數(shù)固定的情況下，當(dāng)涂布液濃度大于44%時(shí)，涂布率達(dá)到38%以上。當(dāng)涂布液濃度為50%時(shí)，涂布率達(dá)到最高41.1%。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，涂布液濃度受萃取液設(shè)備濃縮能力和生產(chǎn)條件的限制，降低涂布液濃度也是控制成本的重要因素之一[12]。此外，在一定范圍內(nèi)，涂布液濃度升高會(huì)導(dǎo)致其黏度的急劇增大，成品出現(xiàn)白芯[10,13]。因此，綜合考慮，該參數(shù)的正交水平選擇44%、46%、48%。

2.1.3 接觸時(shí)間與涂布率的關(guān)系

接觸時(shí)間主要與涂布液液位有關(guān)，涂布液位高度越高，接觸時(shí)間越長，涂布液滲透越充分。在其他參數(shù)固定的情況下，煙草薄片涂布率與接觸時(shí)間的關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可以看出，涂布率與接觸時(shí)間呈正相關(guān)。然而，接觸時(shí)間越長涂布率上升趨勢變緩，0.30 s 時(shí)涂布液已經(jīng)完全滲透基片，涂布率達(dá)到最大。但是考慮到實(shí)際生產(chǎn)中液位設(shè)置的限制，因此，接觸時(shí)間正交水平選取0.15、0.20、0.25 s。

2.1.4 涂布輥壓力與涂布率的關(guān)系

圖3 涂布液濃度對(duì)煙草薄片涂布率的影響

圖4 接觸時(shí)間對(duì)煙草薄片涂布率的影響

圖5 涂布輥壓力對(duì)煙草薄片涂布率的影響

圖5 為涂布輥壓力對(duì)煙草薄片涂布率的影響。由圖5 可知，隨著涂布輥壓力的增大涂布率降低。這主要是因?yàn)榛艿礁蟮膲毫M(jìn)而被壓縮，使得煙草薄片涂布率減少。當(dāng)涂布液壓力降低時(shí)涂布液與基片充分接觸，涂布率上升。然而由于生產(chǎn)條件的限制，涂布輥壓力水平選取為8、10、12 kN/m。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)，將優(yōu)選出影響涂布率變化的因素，即涂布液溫度、涂布液濃度、接觸時(shí)間、涂布輥壓力進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，其水平表見表1。其中，涂布機(jī)的基片定量、基片水分恒定，設(shè)定涂布液溫度、涂布液濃度、接觸時(shí)間、涂布輥壓力，按表1所列的涂布工藝將涂布液送至涂布機(jī)進(jìn)行基片涂布，并計(jì)算煙草薄片涂布率。

表1 正交實(shí)驗(yàn)單因素水平表

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與極差分析見表2，方差分析見表3。

從表2 中的極差R 可以看出，在實(shí)驗(yàn)所選的水平范圍內(nèi)4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)煙草薄片涂布率影響的主次順序?yàn)椋築＞C ＞D ＞A，即涂布液濃度＞接觸時(shí)間＞涂布輥壓力＞涂布液溫度。煙草薄片涂布率工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為A3B3C2D1，即涂布液溫度50℃、涂布液濃度48%、接觸時(shí)間0.20 s、涂布輥壓力8 kN/m。

表3 中 工 藝 參 數(shù)B 的P ＜0.01，C 和D 的P ＜0.05，因此涂布液濃度對(duì)涂布率具有極顯著影響，接觸時(shí)間和涂布輥壓力對(duì)涂布率具有顯著影響。

表2 涂布率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析

表3 涂布率正交實(shí)驗(yàn)的方差分析

表4 涂布液供料系統(tǒng)改進(jìn)前后涂布率、涂布液溫度、黏度、渣含量的變化

表5 煙草薄片感官評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 涂布液供料系統(tǒng)的改進(jìn)

采用改進(jìn)的涂布液供料系統(tǒng)，按照上述正交設(shè)計(jì)中的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行涂布實(shí)驗(yàn)，對(duì)涂布率、涂布液的物理性能進(jìn)行測定和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果見表4。由表4可知，涂布液供料系統(tǒng)改造前，涂布回流液未經(jīng)臥式螺旋沉降機(jī)凈化處理，其涂布率、涂布液罐內(nèi)的涂布液物理指標(biāo)波動(dòng)相對(duì)較大。涂布液供料系統(tǒng)改造后，涂布率及涂布液溫度、黏度、渣含量的穩(wěn)定性有所提升。因此，改進(jìn)后的涂布液供料系統(tǒng)減少了由于涂布液物理性能波動(dòng)造成涂布率的波動(dòng)，能夠在一定程度上達(dá)到涂布液溫度、濃度、黏度、渣含量的穩(wěn)定控制。

2.4 煙草薄片涂布率變化及感官質(zhì)量分析

為了確定工藝參數(shù)優(yōu)化及涂布液供料系統(tǒng)改進(jìn)措施對(duì)煙草薄片涂布率和感官質(zhì)量的影響，將煙草薄片進(jìn)行切絲卷制。其中對(duì)照樣為本研究基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件下、供料系統(tǒng)改進(jìn)前樣品。實(shí)驗(yàn)樣為正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)后、供料系統(tǒng)改進(jìn)后的樣品，具體感官評(píng)價(jià)結(jié)果和涂布率分別見表5 和表6。由表5 可知，與對(duì)照樣相比，實(shí)驗(yàn)樣煙草薄片的香氣質(zhì)、香氣量、柔和性等指標(biāo)均有所提升。由表6可以看出，經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化及涂布液供料系統(tǒng)改進(jìn)后，煙草薄片涂布率提升13.1%，涂布率穩(wěn)定性有顯著改善。

表6 煙草薄片涂布率

3 結(jié) 論

本研究對(duì)煙草薄片涂布工藝中主要參數(shù)進(jìn)行了研究，基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定涂布工藝中提升涂布率的最優(yōu)參數(shù)組合，并對(duì)涂布液供料系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了煙草薄片涂布率的穩(wěn)定性。

3.1 通過研究，影響煙草薄片涂布率的工藝參數(shù)由大到小的順序?yàn)椋和坎家簼舛龋窘佑|時(shí)間＞涂布輥壓力＞涂布液溫度；最優(yōu)的工藝參數(shù)為：涂布液溫度50℃、涂布液濃度48%、接觸時(shí)間0.20 s、涂布輥壓力8 kN/m。

3.2 通過改進(jìn)涂布液供料系統(tǒng)，涂布率、涂布液濃度、溫度、渣含量等指標(biāo)的穩(wěn)定性均有一定的提升。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化和供料系統(tǒng)改進(jìn)后，煙草薄片感官品質(zhì)較未優(yōu)化和未改進(jìn)的煙草薄片明顯提升，涂布率提升13.1%，涂布率穩(wěn)定性有顯著改善。