噴涂技術(shù)在煙草薄片生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

薛洪龍 宋成劍 李新生

（上海煙草集團(tuán)太倉海煙煙草薄片有限公司，江蘇太倉，215433）

煙草薄片是以卷煙生產(chǎn)中的煙草廢棄物為原料，利用造紙工藝加工重組而成的煙草產(chǎn)品，其具有密度低、填充值高、可加工性優(yōu)良、產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)及風(fēng)格特征可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3]，因此在中式卷煙產(chǎn)品質(zhì)量提升的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，煙草薄片的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量得到快速發(fā)展，近年來已發(fā)展成為中式卷煙的重要原材料。

目前煙草薄片行業(yè)內(nèi)均采用“先分后合”的工藝，即煙草原料先經(jīng)熱水抽提實(shí)現(xiàn)固液分離，然后液相經(jīng)除雜、濃縮、加香后形成涂布液；固相經(jīng)制漿、加纖和加填、抄造形成基片；最后經(jīng)涂布工序（一般指浸漬方式）將涂布液涂布到基片上，再經(jīng)烘干、分切制備得到煙草薄片[3-4]。為賦予煙草薄片更優(yōu)的內(nèi)在品質(zhì)，行業(yè)內(nèi)一般采用相應(yīng)液相技術(shù)用于改變其中某類成分的含量，其中添加有機(jī)酸鉀鹽可有效提升煙草薄片的燃燒性能，進(jìn)而降低卷煙焦油釋放量[5-6]；目前煙草薄片行業(yè)內(nèi)大部分使用的是檸檬酸鉀[7]，其鉀離子具備降焦減害的作用，其檸檬酸根離子具備改善煙草薄片吸味的作用，是較為理想的煙草助燃添加劑[8-10]。

太倉海煙煙草薄片有限公司（以下簡稱太倉海煙公司）技術(shù)人員在日常生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，涂布液配制后體系含渣量較濃縮液升高，造成涂布液體系黏度升高，涂布液滲透性下降，使得涂布液性質(zhì)惡化，在涂布干燥后引起煙草薄片表面發(fā)黏、結(jié)塊等問題，進(jìn)而影響煙草薄片的可加工性和可儲(chǔ)存性。同時(shí)，回用涂布液離心凈化時(shí)香料成分?jǐn)y帶損失量增加，造成生產(chǎn)成本上升。經(jīng)進(jìn)一步研究表明，是因?yàn)闄幟仕徕浀募尤氪蚱屏送坎家后w系中多種酸堿平衡及沉淀溶解平衡[11]，相關(guān)有機(jī)酸與金屬離子之間的沉淀反應(yīng)加劇，體系內(nèi)產(chǎn)生了較多的檸檬酸鹽、蘋果酸鹽、草酸鹽等難溶或微溶的有機(jī)酸鹽，導(dǎo)致涂布液體系含渣量和黏度的升高。

為改善涂布液的使用性能，結(jié)合前期研究和調(diào)研情況，本研究立足煙草薄片質(zhì)量提升和降本增效工作，對(duì)涂布系統(tǒng)進(jìn)行了改造研究，新增噴涂裝置，使用噴涂工藝將檸檬酸鉀單獨(dú)涂布到基片上，可避免其與涂布液體系反應(yīng)，提高涂布液適用性的同時(shí)降低了香料成分損失。

1 涂布系統(tǒng)改造

1.1 原涂布系統(tǒng)

原涂布系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示，將制備完成的濃縮液、調(diào)制液按照配方要求的比例分別加入涂布液罐中攪拌一定時(shí)間，再按配方要求加入檸檬酸鉀攪拌后形成涂布液；然后涂布液泵入就地罐中，經(jīng)計(jì)量后泵入涂布機(jī)，按工藝要求的涂布量進(jìn)行基片涂布，涂布后經(jīng)烘箱干燥至設(shè)定水分后制得煙草薄片。

該工藝流程存在如下問題：①涂布液體系含渣量偏高，黏度偏高，影響涂布液滲透性等使用性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量；②離心凈化時(shí)，香料成分?jǐn)y帶損失量增加，生產(chǎn)成本上升；③涂布系統(tǒng)各罐體、管道結(jié)垢顯著，影響涂布液輸送，定期清潔造成人工成本上升；④結(jié)垢物質(zhì)進(jìn)入涂布機(jī)，造成涂布輥異常磨損，引發(fā)涂布量橫幅極差升高。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，偶發(fā)管道堵塞問題，造成生產(chǎn)停機(jī)；涂布輥使用周期縮短，在涂布量橫幅極差偏高時(shí)需更換涂布輥。

圖1 原涂布系統(tǒng)工藝流程

1.2 新涂布系統(tǒng)

鑒于原涂布系統(tǒng)存在諸多問題，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸鉀是造成結(jié)垢的主要因素，因此決定使用噴涂裝置單獨(dú)涂布檸檬酸鉀，避免其與涂布液體系長時(shí)間接觸引發(fā)沉淀和結(jié)垢。圖2所示為新涂布系統(tǒng)工藝流程。即在原有流程基礎(chǔ)上：①增加檸檬酸鉀單獨(dú)溶解供液系統(tǒng)，在涂布機(jī)與烘箱間增加噴涂裝置，形成檸檬酸鉀噴涂系統(tǒng)；②更換檸檬酸鉀加入點(diǎn)，將其單獨(dú)溶解后，噴涂到涂布后的濕薄片（進(jìn)入烘箱前）上。噴涂裝置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)示意圖見圖3。

圖2 新涂布系統(tǒng)工藝流程

圖3 噴涂裝置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)示意圖

改造后，檸檬酸鉀與涂布液接觸時(shí)間大幅降低，涂布液體系中溶解平衡不受檸檬酸鉀的影響，涂布液使用性能得到提升。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

通過涂布液性質(zhì)、煙草薄片（以下簡稱薄片）物理質(zhì)量、化學(xué)質(zhì)量、感官質(zhì)量的變化分析，對(duì)比涂布系統(tǒng)改造前后生產(chǎn)的穩(wěn)定性及薄片質(zhì)量情況。生產(chǎn)條件為：紙機(jī)幅寬2640 mm，生產(chǎn)車速95 m/min，檸檬酸鉀用量1.90%（相對(duì)絕干產(chǎn)品），總涂布量（浸涂和噴涂總和）為（36.0±1.0）%，基片定量（58.0±2.0）g/m2。分析所用薄片樣品取自烘箱干燥后，分析所用液體樣品取自涂布液罐。

2.2 性能測(cè)試

測(cè)試前按照GB/T 16447—2004，將薄片放在溫度（22.0±2.0）℃、相對(duì)濕度（60.0±5.0）%的環(huán)境條件平衡48 h后，測(cè)定各項(xiàng)性能指標(biāo)。

2.2.1 涂布液性質(zhì)檢測(cè)

（1）黏度測(cè)試

按照GB/T 10247—2008利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（LVDVII+P，美國BROOKFIELD）測(cè)定涂布液黏度，測(cè)試溫度（35.0±0.1）℃。

（2）含渣量測(cè)試

按照GB/T 21496—2008 利用高速離心機(jī)（TDL-5-A，上海安亭科學(xué)儀器廠）測(cè)定涂布液含渣量，測(cè)試條件為：溫度（23.0±0.5）℃，轉(zhuǎn)數(shù)3000 r/min，時(shí)間5 min。含渣量計(jì)算見公式（1），結(jié)果為5 次測(cè)量的平均值。

式中，W1為離心后上清液的質(zhì)量，g；W2為離心前液體質(zhì)量，g；W為離心后沉淀物占比，又稱含渣量，%。

（3）滲透性測(cè)試

依據(jù)文獻(xiàn)中煙草薄片對(duì)涂布液吸收性能測(cè)試方法[12]，使用光學(xué)接觸角測(cè)試儀（DSA100，德國KRUSS）測(cè)試涂布液的滲透性能。

2.2.2 樣品物理指標(biāo)檢測(cè)

（1）定量測(cè)定

按照GB/T 451.2—2002 使用電子天平（PL602-L，瑞士METTLER TOLEDO）測(cè)定薄片定量。

（2）涂布率測(cè)定

涂布率計(jì)算見公式（2）。

式中，X1為基片絕干定量，g/m2；X2為薄片絕干定量，g/m2；Y為涂布率，%。

（3）填充值測(cè)定

按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 152—2001 使用填充度儀（D51，德國BORGWALDT）測(cè)定薄片填充值。

（4）陰燃速率測(cè)定

按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 197—2005 使用陰燃儀（FT-30V，北京澳普樂科技公司）測(cè)定薄片陰燃速率。

（5）含水率測(cè)定

按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 31—1996 使用烘箱（VENTICELL111，德國MMM）測(cè)定薄片含水率。

2.2.3 樣品化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)

根據(jù)煙草行業(yè)對(duì)于樣品化學(xué)指標(biāo)的界定，按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159—2002（水溶性糖）、YC/T 160—2002（總植物堿）、YC/T 217—2007（鉀）利用化學(xué)分析儀（AA3，德國SEAL）分別對(duì)樣品水溶性糖、總植物堿、鉀含量進(jìn)行測(cè)試。

2.2.4 樣品感官質(zhì)量評(píng)價(jià)

依據(jù)太倉海煙公司內(nèi)部感官質(zhì)量評(píng)價(jià)方法（得分差異≤1.0 分，認(rèn)為無顯著差異），組織感官評(píng)吸小組（至少8 人參加）對(duì)樣品進(jìn)行了對(duì)比評(píng)吸，結(jié)果取平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 涂布液性質(zhì)對(duì)比

涂布液的黏度和含渣量影響涂布效果，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，涂布液黏度越低，越利于涂布液滲透進(jìn)基片，否則涂布液惡化后將有部分涂布液停留在基片表面，干燥后引起薄片發(fā)黏，造成結(jié)塊等問題。具體涂布液性質(zhì)如圖4 和圖5 所示。對(duì)比樣為原涂布系統(tǒng)樣品，噴涂樣為新涂布系統(tǒng)樣品。

圖4 涂布液黏度與含渣量變化

由圖4 可見，新涂布技術(shù)中改變檸檬酸鉀加入點(diǎn)，涂布液黏度由對(duì)比樣的13.5 mPa·s下降到噴涂樣的11.1 mPa·s，下降了17.78%；涂布液含渣量由對(duì)比樣的1.55%下降到噴涂樣的1.17%，下降了24.52%；下降原因是噴涂樣涂布液中無檸檬酸鉀，涂布液體系酸堿平衡及沉淀溶解平衡保持穩(wěn)態(tài)，未有沉淀反應(yīng)發(fā)生，涂布液性質(zhì)惡化問題得到緩解。

由圖5 可見，噴涂樣涂布液較對(duì)比樣涂布液具有更優(yōu)地滲透性能，在初始液體同為8 μL 時(shí)，涂布液涂布基片1.0 s 后，對(duì)比樣涂布液剩余6.21 μL，滲透速率約為1.79 μL/s；噴涂樣涂布液剩余5.04 μL，滲透速率約為2.96 μL/s，滲透速率較對(duì)比樣提高了65.36%；涂布液涂布基片2.0 s后，對(duì)比樣涂布液剩余3.57 μL，滲透速率約為2.22 μL/s；噴涂樣涂布液剩余2.47 μL，滲透速率約為2.77 μL/s，滲透速率較對(duì)比樣提高了24.77%。實(shí)際生產(chǎn)中，在相同涂布量下，滲透速率越快，表明涂布液越容易進(jìn)入基片內(nèi)部，其停留于基片表面的可能性就越低，進(jìn)而涂布干燥后薄片表面攜帶的涂布液就越少，薄片表面發(fā)黏的風(fēng)險(xiǎn)降低，其裝箱后產(chǎn)生結(jié)塊等問題的風(fēng)險(xiǎn)減少。

圖5 涂布液滲透性變化

3.2 薄片物理指標(biāo)對(duì)比

薄片物理指標(biāo)是用于衡量產(chǎn)品加工性和燃燒性是否符合客戶需求的重要參數(shù)，具體指標(biāo)如表1 所示。由表1 可見，噴涂樣在涂布率、填充值、陰燃速率、含水率等相關(guān)指標(biāo)上與對(duì)比樣基本一致，均符合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求。結(jié)果表明，新涂布系統(tǒng)的應(yīng)用不會(huì)改變產(chǎn)品現(xiàn)有物理質(zhì)量指標(biāo)。

表1 薄片物理指標(biāo)對(duì)比

3.3 薄片化學(xué)指標(biāo)對(duì)比

薄片化學(xué)指標(biāo)是用于衡量產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)和吸味是否符合客戶需求的重要參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。由表2可見，噴涂樣在總植物堿、水溶性糖、鉀含量等相關(guān)指標(biāo)上與對(duì)比樣基本一致，均符合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求。結(jié)果表明，新涂布系統(tǒng)的應(yīng)用不會(huì)改變產(chǎn)品現(xiàn)有化學(xué)質(zhì)量指標(biāo)。

同時(shí)，為驗(yàn)證噴涂裝置運(yùn)行穩(wěn)定性情況，在紙機(jī)橫幅均勻裁取12點(diǎn)，進(jìn)行了鉀含量測(cè)試，每隔2 h測(cè)試1 次以評(píng)價(jià)噴涂裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，具體數(shù)據(jù)如圖6所示。

表2 薄片化學(xué)指標(biāo)對(duì)比 %

圖6 鉀含量橫幅分布情況對(duì)比

由圖6 可見，因涂布輥易受涂布液中結(jié)垢物質(zhì)影響造成異常磨損，原涂布系統(tǒng)生產(chǎn)中涂布率存在橫幅極差問題，取樣測(cè)試其鉀含量橫幅極差，對(duì)比樣為0.73%；而噴涂樣中，檸檬酸鉀由噴涂裝置單獨(dú)涂布，不受涂布輥影響，其4組橫幅極差均值為0.23%，相比對(duì)比樣下降了68.49%。同時(shí)4組噴涂樣中，縱向極差平均值為0.13%（范圍0.05%～0.23%），表明系統(tǒng)處于較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 薄片感官質(zhì)量對(duì)比

檸檬酸鉀的加入有助于薄片產(chǎn)品燃燒性能的改善，其加入量及加入方式可能造成感官質(zhì)量的變化，具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 薄片感官質(zhì)量對(duì)比

由表3 可見，噴涂樣在感官質(zhì)量上與對(duì)比樣基本一致，均符合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行不足

新涂布系統(tǒng)中噴涂裝置目前自控水平偏低，在紙機(jī)斷紙期間無法自動(dòng)切斷檸檬酸鉀溶液供給，造成溶液浪費(fèi)；且噴涂裝置沒有設(shè)置回流管道，長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行后易于盲端造成雜質(zhì)積累或結(jié)晶，導(dǎo)致噴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)上升；噴涂裝置運(yùn)行周期內(nèi)未能定量檢驗(yàn)出其對(duì)管道結(jié)垢、涂布輥磨損等問題的緩解情況。筆者下一步將推進(jìn)噴涂裝置自控水平的提升，設(shè)置回流管道避免盲端雜質(zhì)積累，為噴涂裝置更好地應(yīng)用于煙草薄片生產(chǎn)提供支撐。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)煙草薄片涂布系統(tǒng)進(jìn)行了改造，新增噴涂裝置，使用噴涂工藝將檸檬酸鉀單獨(dú)涂布到基片上。噴涂技術(shù)的應(yīng)用緩解了涂布液性質(zhì)惡化對(duì)煙草薄片生產(chǎn)中的影響，杜絕了其對(duì)涂布液體系酸堿平衡及沉淀溶解平衡的影響。

4.1 相比原涂布工藝，新涂布工藝涂布液黏度下降了17.78%，含渣量下降了24.52%。

4.2 新涂布工藝提高了涂布液滲透性，相比原涂布工藝，涂布液涂布基片1.0 s 時(shí)，滲透速率增加了65.36%。

4.3 新涂布工藝制備的煙草薄片物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、感官質(zhì)量均符合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求，且與原涂布工藝產(chǎn)品無差。鉀含量不受浸漬涂布影響，相比原涂布工藝，煙草薄片橫幅極差下降了68.49%，改善了鉀含量分布的均勻性。

4.4 由于當(dāng)前新涂布系統(tǒng)仍處于完善階段，其自控水平偏低，部分管道設(shè)置不合理，生產(chǎn)過程中仍需操作人員關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行情況，使用噴涂裝置的優(yōu)越性并未完全發(fā)揮出來，未來將繼續(xù)優(yōu)化噴涂裝置自控能力，優(yōu)化管道布置，使噴涂系統(tǒng)具備高效、便捷、節(jié)約等特點(diǎn)。