黃原膠在低引燃傾向卷煙紙中的應用研究

楊 揚 王 浩 朝魯門 ，* 鄭 晗 白媛媛 謝 姣 王 萌 劉 文

（1.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；3.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，云南昆明，650231）

吸煙不僅危害人體健康，而且是引起火災事故的主要原因之一。近年來，為了降低卷煙引起火災的風險，世界上部分國家和地區(qū)（如美國、歐盟、加拿大、澳大利亞）相繼頒布低引燃傾向卷煙相關法律，要求在本地區(qū)生產和銷售的卷煙必須使用低引燃傾向卷煙紙。低引燃傾向（Lower Ignition Propensity，LIP或者Reduced Ignition Propensity, RIP）卷煙作為一種安全型卷煙，在非抽吸狀態(tài)下能夠自動熄滅，避免引燃其他物品，可以有效降低卷煙引起的火災風險。因此，低引燃傾向卷煙紙成為煙草行業(yè)重點關注和研究的方向之一。LIP 卷煙紙可以通過表面涂布阻燃帶、雙層卷煙紙及漿內加填等技術得以實現(xiàn)，目前主要是采用操作簡單、設置阻燃高效的阻燃帶方式實現(xiàn)LIP卷煙紙的生產[1-3]。含有阻燃帶的卷煙紙是在卷煙紙的部分區(qū)域表面涂布或印刷成膜性涂層，降低卷煙紙透氣性，有效阻隔氧氣透過，阻止卷煙紙繼續(xù)燃燒，從而降低卷煙引燃性。當卷煙燃燒至阻燃帶位置，吸煙者繼續(xù)抽吸卷煙能保持正常燃燒，不抽吸時卷煙則自動熄滅，從而降低引起火災的概率。理想的LIP 卷煙除滿足上述要求外，還需要盡量不影響煙支的外觀、抽吸品質及煙灰特性。目前，海藻酸鈉、阿拉伯膠等具有增稠、成膜特性的多糖類物質常用作LIP 卷煙的阻燃帶涂料，多糖類物質來源廣泛，既可以從動物、植物中獲取，也可以利用微生物發(fā)酵技術獲得，近年來，性能穩(wěn)定、優(yōu)質高效的微生物多糖受到人們的廣泛關注。黃原膠是目前生產規(guī)模最大、用途最廣的微生物多糖之一，黃原膠是以淀粉、蔗糖等碳水化合物為主要原料，利用野油菜黃單胞桿菌經好氧深層發(fā)酵制備的一種胞外微生物多糖。黃原膠在低濃度下具有較高的黏度，且具有良好的成膜性、穩(wěn)定性及與其他多種物質的相容性，目前廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品、石油工業(yè)等多個領域[4-5]。本研究以微生物多糖黃原膠為增稠成膜助劑，分別與2 種無機阻燃劑及1種有機阻燃劑復配制備阻燃涂料，涂覆在卷煙紙表面制得具有阻燃帶的卷煙紙，研究了涂布量、復配助劑等因素對卷煙紙阻燃性能的影響。同時，對該方法制備的阻燃卷煙的外觀和吸味進行評價，優(yōu)選出易于實現(xiàn)生產、阻燃高效、能夠滿足低引燃傾向卷煙要求的LIP卷煙紙。

1 實 驗

1.1 實驗原料

卷煙紙原紙，定量28.2 g/m2；黃原膠，河南豫興生物科技有限公司；無機阻燃劑1，阿拉丁試劑（上海）有限公司；無機阻燃劑2，取自中輕特種纖維材料有限公司，平均粒徑1.8 μm；有機阻燃劑，取自中輕特種纖維材料有限公司。

1.2 實驗儀器及設備

電動攪拌器，上海一恒科技有限公司；高速分散機，上海涂料工業(yè)機械廠；透氣度測量儀，中國科學院安徽光學精密機械研究所；轉鼓式干燥器，中國制漿造紙研究院有限公司；手動卷煙器；自制阻燃測試裝置；掃描電子顯微鏡，日本日立公司；白度測定儀，美國Technidyne公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 阻燃涂料的制備

稱取一定量的水置于容器中，開啟電動攪拌，緩慢加入黃原膠使其溶解待用；將無機阻燃劑1配制成質量分數(shù)15%的溶液，取一定量配制好的無機阻燃劑1 與黃原膠溶液混合均勻，制備黃原膠-無機阻燃劑1涂料；用高速分散機制備固含量50%的無機阻燃劑2懸浮液，取一定量黃原膠溶液加入到無機阻燃劑2懸浮液中高速攪拌混合均勻，制備黃原膠-無機阻燃劑2涂料；有機阻燃劑材料用水溶解后，取一定量的黃原膠溶液與其混合，配制黃原膠-有機阻燃劑復合涂料。

1.3.2 涂布阻燃帶

每支卷煙設有2 個阻燃帶，2 個阻燃帶寬度均為5 mm，2 個阻燃帶之間的距離為20 mm，第1 個阻燃帶距離卷煙燃燒端15 mm。在阻燃帶以外的其他部位貼好阻隔膜，用實驗室涂布棒將涂料涂覆在阻燃帶位置處，涂布后的卷煙紙用鼓風干燥箱干燥。

除涂布阻燃帶外，用刮棒涂布滿幅卷煙紙樣，以用于測定涂布卷煙紙的透氣度及光學性能。

1.3.3 卷煙

稱取相同質量的煙絲，利用手動卷煙器將煙絲填充在涂布阻燃帶后的卷煙紙中并卷制成煙支。

1.4 性能檢測

1.4.1 阻燃性能測試

參照ASTM E2187—09 的標準方法，自制阻燃性能測試裝置，每次測試放置10 層濾紙，每組測試20支卷煙。將點燃的卷煙放置在濾紙上，觀察卷煙的燃燒特性，若卷煙燃燒至接裝紙?zhí)幭?，記為卷煙全長燃燒；若卷煙在任一阻燃帶處熄滅或在阻燃帶之后熄滅，記為自動熄滅。自動熄滅的卷煙數(shù)量占總點燃卷煙數(shù)量的百分比記為自動熄滅率，當自動熄滅率≥75%時，則該卷煙為低引燃傾向（LIP）卷煙。

1.4.2 感官質量評價

對含有阻燃帶的卷煙樣品內在質量進行打分并統(tǒng)計，主要是對卷煙的刺激性、諧調、香氣、雜氣、余味5 項指標進行綜合評價，設置分值范圍為0～10分，分值越高表明抽吸品質越好，阻燃帶對卷煙的影響越小。

1.4.3 涂層形貌觀察

選取涂布阻燃涂料后的卷煙紙粘貼在含有導電膠的測試臺上，進行噴金處理，利用掃描電子顯微鏡觀察其形貌。

1.4.4 透氣度測定

用透氣度儀測定涂布阻燃涂料后卷煙紙的透氣度。

1.4.5 光學性能測定

將阻燃涂料滿幅涂布在卷煙紙上，干燥后測定涂布前后卷煙紙的白度、色度和不透明度，分析阻燃涂料對卷煙整體外觀的影響。

2 結果與討論

2.1 黃原膠單獨用作阻燃涂料對卷煙紙阻燃性能的影響

用黃原膠涂布卷煙紙原紙，獲得不同涂布量的卷煙紙，測定涂布前后卷煙紙的透氣度、白度、L值、a值、b值及不透明度，測定含阻燃帶的卷煙紙的阻燃性能，涂布面在卷煙內側，結果如表1所示。

表1 單獨使用黃原膠涂布后卷煙紙的性能Table 1 Properties of cigarette paper coated with xanthan gum

從表1 可以看出，單獨使用黃原膠為涂料涂布卷煙紙，當涂布量≥6.4 g/m2時涂布阻燃帶的卷煙自動熄滅率＞75%，滿足LIP 卷煙的要求。涂布黃原膠阻燃涂料的卷煙全長燃燒和自動熄滅卷煙的狀態(tài)如圖1所示，從圖1可以看出黃原膠涂料對卷煙燃燒后煙灰外觀及包灰性能無明顯影響。涂布前后卷煙紙的SEM圖如圖2 所示，從圖2 可以看出，卷煙紙原紙表面能清晰地看到纖維交織及填料分布狀態(tài)，經涂布后黃原膠形成膜狀物質覆蓋在紙張表面，隨著涂布量的增加，黃原膠成膜的連續(xù)性越好，卷煙紙透氣度下降（如表1 所示），當涂布量達到6.4 g/m2時，卷煙紙表面大部分被膜狀物覆蓋，透氣度由卷煙紙原紙的59.4 CU 降至6.0 CU，卷煙紙表面的膜狀物能夠阻隔氧氣而使卷煙中斷燃燒、自動熄滅。

總之，儲備公司將不斷探索，努力提升管理水平，積極拓寬經營思路，在管好用好儲備土地方面走出新路子、創(chuàng)出新業(yè)績。

圖1 全長燃燒和自動熄滅卷煙照片F(xiàn)ig.1 Photos of full length burning and self extinguishing cigarettes

圖2 卷煙紙原紙及涂布黃原膠后部分卷煙紙的SEM圖Fig.2 SEM images of cigarette paper and xanthan gum coating

從表1 還可以看出，隨著黃原膠涂布量的增加，卷煙紙的白度降低，b值增加，這表明涂布黃原膠后卷煙紙變黃；涂布后卷煙紙的不透明度也有所降低。當涂布量達到能夠滿足LIP 卷煙要求時，涂布后卷煙紙的白度值和不透明度均分別降低了約3 個百分點。對涂布黃原膠的卷煙樣品進行感官質量評吸，發(fā)現(xiàn)隨著涂布量增加，對卷煙抽吸品質的影響增大。

綜上所述，單獨使用黃原膠用于LIP 卷煙的阻燃涂料，涂布量需達到6.4 g/m2以上才能滿足LIP 卷煙的要求，但是較高的涂布量會導致卷煙紙阻燃帶部位比其他部位顏色偏黃且透明，影響卷煙紙外觀。此外，黃原膠具有較高的黏度，即使在較低質量分數(shù)下其黏度也較大，因此黃原膠難以配制成高濃度的溶液，實際生產中利用較低濃度的黃原膠難以一次實現(xiàn)較高的涂布量，采用多次涂布的方式操作復雜。因此，考慮將黃原膠與其他阻燃劑復配，通過協(xié)同增效作用，制備適用于實際生產的LIP 卷煙紙。

2.2 黃原膠-無機阻燃劑1 復合涂料對卷煙紙阻燃性能的影響

無機阻燃劑1 為不可燃物質，加熱后會熔融成透明液體，形成玻璃或液態(tài)保護層，降低氧氣擴散和熱量傳遞，本實驗將無機阻燃劑1 與黃原膠混合復配，以期通過二者的協(xié)同作用提高阻燃效率。改變混合涂料中黃原膠與無機阻燃劑1的比例，測定不同涂布量時涂布卷煙紙的透氣度、白度、L值、a值、b值及不透明度，測定含阻燃帶卷煙紙的阻燃性能，涂布面在卷煙內側，結果如表2所示。

從表2 可以看出，當涂料中黃原膠-無機阻燃劑1的比例為2∶1 時，涂布量達到10.5 g/m2才能滿足LIP卷煙的阻燃要求，僅使用黃原膠時涂布量6.4 g/m2即能達到LIP 卷煙要求；混合涂料中無機阻燃劑1 占比的增加不利于阻燃效果，混合涂料中無機阻燃劑1占比50%以上，涂布量達到10.0 g/m2以上仍不能滿足LIP 卷煙的要求。這可能是因為混合涂料中黃原膠占比的下降，導致涂料在卷煙紙表面的成膜性變差，圖3為黃原膠-無機阻燃劑1涂布后卷煙紙的SEM 圖。圖3 結合表2 可以看出，在相同涂布量（6.0～7.0 g/m2）時，混合涂料比單獨黃原膠涂料涂布后卷煙紙的透氣度高且成膜性差。盡管無機阻燃劑1能夠降低卷煙紙的燃燒速率，但成膜性變差對阻燃的負面影響作用更大，導致黃原膠-無機阻燃劑1 復合涂料的阻燃效果較差。

圖3 涂布黃原膠-無機阻燃劑1復合涂料后部分卷煙紙的SEM圖Fig.3 SEM images of cigarette papers coated with xanthan gum/inorganic flame retardant 1 composite coating

表2 黃原膠-無機阻燃劑1復合涂料涂布后卷煙紙的性能Table 2 Properties of cigarette papers coated with xanthan gum/inorganic flame retardant 1 composite coating

黃原膠-無機阻燃劑1 復合涂料對卷煙紙光學性能的影響與單獨黃原膠涂布的卷煙紙類似，隨著涂布量的增加，卷煙紙白度和不透明度降低；黃原膠-無機阻燃劑1 比例為2∶1，涂布量為10.5 g/m2時，白度和不透明度分別比卷煙紙原紙降低了2.5和3.4個百分點。涂布量和無機阻燃劑1占比增加均不利于卷煙的抽吸品質。此外，當涂料中無機阻燃劑1占比較高且涂布量較高時，卷煙阻燃帶部位燃燒后的煙灰呈黑色，影響煙灰的美觀，圖4 為涂布黃原膠-無機阻燃劑1 復合涂料卷煙全長燃燒圖，由圖4 可以看出，卷煙阻燃帶部位的煙灰較為挺硬，這是因為無機阻燃劑1 加熱熔融，經冷卻后會固化為不透明的玻璃狀物質。

圖4 涂布黃原膠-無機阻燃劑1復合涂料卷煙燃燒后的狀態(tài)圖Fig.4 Photo of cigarette after burning with xanthan gum/inorganic flame retardant 1 composite coating

2.3 黃原膠-無機阻燃劑2 復合涂料對卷煙紙阻燃性能的影響

無機阻燃劑2 是一種環(huán)保填充型阻燃劑，主要依靠受熱時發(fā)生化學分解吸熱和釋放出熱容較大的水而起到阻燃的作用。實驗采用黃原膠與無機阻燃劑2復配，改變混合涂料中二者的比例及涂布量，測定涂布后卷煙紙的透氣度、白度、L值、a值、b值及不透明度，測定含阻燃帶卷煙紙的阻燃性能，涂布面在卷煙內側，結果如表3所示。

圖5 涂布黃原膠-無機阻燃劑2復合涂料后部分卷煙紙的SEM圖Fig.5 SEM images of cigarette papers coated with xanthan gum/inorganic flame retardant 2 composite coating

表3 黃原膠-無機阻燃劑2復合涂料涂布卷煙紙的性能Table 3 Properties of cigarette papers coated with xanthan gum/inorganic flame retardant 2 composite coating

此外，由于所用無機阻燃劑2 的白度較高，當涂布量較高時卷煙阻燃帶部位白度和不透明度較高，從表3 的光學性能指標也可以看出，隨著涂布量的增加，卷煙紙的白度、不透明度均增加，肉眼觀察也較為明顯，影響卷煙的外觀狀態(tài)。

2.4 黃原膠-有機阻燃劑復合涂料對卷煙紙阻燃性能的影響

實驗所用有機阻燃劑材料無毒無味，具有良好的延展性、穩(wěn)定性和成膜性。改變混合涂料中二者的比例及涂布量，測定涂布后卷煙紙的透氣度、白度、L值、a值、b值及不透明度，測定含阻燃帶卷煙紙的阻燃性能，涂布面在卷煙內側，結果如表4所示。

從表4 可以看出，當復合涂料中黃原膠與有機阻燃劑的比例為1∶1，涂布量達到5.5 g/m2時，涂有阻燃帶的卷煙自動熄滅率為85%，滿足LIP 卷煙要求。當復合涂料中有機阻燃劑占比＞50%時，涂布量降低至4.0 g/m2以下也能滿足LIP 卷煙要求，這表明有機阻燃劑對含有黃原膠涂料的阻燃卷煙紙具有增效作用，這是因為有機阻燃劑的成膜性優(yōu)于黃原膠，與黃原膠混合使用能夠進一步提升涂料在卷煙紙表面的覆蓋，圖6 為黃原膠-有機阻燃劑復合涂料涂布后卷煙紙的SEM 圖，結合圖2 及表1、表4 中的透氣度數(shù)值可知，與單獨使用黃原膠涂料相比，在相同涂布量（3.0～4.0 g/m2）時，涂布復合涂料卷煙紙的透氣度較低，黃原膠-有機阻燃劑復合涂料在紙張表面的成膜性更好，所以復合涂料能夠在涂布量低于4.0 g/m2時有效阻隔氧氣，達到阻燃的目的。

圖6 涂布黃原膠-有機阻燃劑復合涂料后部分卷煙紙的SEM圖Fig.6 SEM images of cigarette papers coated with xanthan gum/organic flame retardant composite coating

從表4 的光學性能數(shù)據(jù)可以看出，黃原膠-有機阻燃劑復合涂料阻燃帶對卷煙紙白度、色度和不透明度的影響較小，由表1 和表4 可知，僅使用黃原膠涂布，涂布量5.0 g/m2左右時，卷煙紙不透明度為72.6%，而黃原膠-有機阻燃劑混合涂料在相同涂布量下，卷煙紙不透明度均＞74.0%，且復合涂料涂布的卷煙紙未呈現(xiàn)單獨黃原膠涂料阻燃帶部位偏黃的現(xiàn)象，復合涂料對卷煙外觀影響較小。對黃原膠-有機阻燃劑復合涂料卷煙進行感官質量評價，在達到LIP 要求的涂布量（＜4.0 g/m2）時，抽吸品質與卷煙紙原紙相當，復合阻燃涂料不會增加卷煙的雜氣和刺激性氣味，且對卷煙的香氣風格無明顯影響。

表4 黃原膠-有機阻燃劑復合涂料涂布后卷煙紙的性能Table 4 Properties of cigarette papers coated with xanthan gum/organic flame retardant composite coating

2.5 阻燃帶涂布在卷煙紙的正面或反面對阻燃效果的影響

以黃原膠-有機阻燃劑復合涂料按阻燃帶規(guī)格涂布卷煙紙原紙，固定黃原膠和有機阻燃劑比例為1∶2，涂布量2.0～5.0 g/m2，分別將阻燃涂料涂覆在卷煙紙原紙的正面（卷成煙支后阻燃帶位于卷煙外側）、反面（卷成煙支后阻燃帶位于卷煙內側）以及正反兩面（正面和反面涂布量相同，涂布位置一致，卷成煙支后卷煙內外兩側均有阻燃帶），測定阻燃帶分別位于卷煙外側、內側及兩側時卷煙紙的阻燃性能，并觀察涂布后卷煙的外觀形態(tài)及燃燒后的煙灰狀態(tài)，結果如表5所示。

從表5 可以看出，當涂布量為3.3 g/m2時，阻燃帶涂料涂布在外側和兩側均能滿足LIP 要求，阻燃效果優(yōu)于內側。通過觀察阻燃帶涂料在不同位置時卷煙的燃燒狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)復合涂料在卷煙外側會影響燃燒熄滅后卷煙的表面狀態(tài)，與涂料在內側相比，阻燃帶部位會出現(xiàn)較大面積發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖7所示，影響卷煙的外觀。

圖7 涂布量4.8 g/m2阻燃涂料涂在不同位置時卷煙燃燒后的狀態(tài)圖Fig.7 Photos of cigarette after burning with flame retardant coating applied at different positions when coating weight was 4.8 g/m2

表5 涂布位置對黃原膠-有機阻燃劑復合涂料涂布后卷煙紙阻燃性能的影響Table 5 Effect of coating position on flame retardancy of cigarette paper coated with xanthan gum/organic flame retardant composite coating

2.6 黃原膠-有機阻燃劑復合阻燃涂料中試試驗

在備料罐中配制黃原膠-有機阻燃劑復合涂料，利用凹版印刷機對卷煙紙原紙進行印刷，共開展2次中試試驗，黃原膠和有機阻燃劑的比例分別為1∶4、1∶8，其他試驗條件一致。凹版印刷機運行車速60～70 m/min，幅寬1000 mm；阻燃帶寬度6 mm，間距20 mm，阻燃涂料印刷在卷煙原紙的反面（最終卷在卷煙內側靠近煙絲端）。阻燃涂料印刷完成后，對帶有阻燃帶的卷煙紙進行分切、卷煙，測定阻燃效果，結果如表6所示。復合阻燃涂料中黃原膠與有機阻燃劑比例為1∶4 時，利用凹版印刷機印刷卷煙紙上料，涂布量較低，卷制成卷煙后不能滿足LIP 卷煙要求，當黃原膠與有機阻燃劑比例為1∶8，涂布量為4.5 g/m2時，卷制成卷煙的自動熄滅率＞75%，可以滿足LIP 要求，且對卷煙的吸味無明顯影響，這與實驗室結果相符。制備的LIP 卷煙在第1 個阻燃帶位置自動熄滅后，繼續(xù)抽吸仍能持續(xù)燃燒，燃燒至第2個阻燃帶位置時再次自動熄滅，如圖8所示，且燃燒后的煙灰與卷煙紙原紙無差別，無變黑現(xiàn)象。

圖8 中試試驗制備的LIP卷煙燃燒狀態(tài)圖Fig.8 Combustion photo of LIP cigarette prepared in pilot test

表6 黃原膠-有機阻燃劑復合阻燃涂料涂布后卷煙紙的中試試驗Table 6 Pilot test of cigarette paper with xanthan gum/organic flame retardant composite coating

3 結 論

3.1 黃原膠單獨用作阻燃涂料，當涂布量≥6.4 g/m2時涂布阻燃帶的卷煙紙卷煙后自動熄滅率＞75%，滿足低引燃傾向卷煙紙的阻燃要求，但涂布量較高時卷煙紙阻燃帶處偏黃且不透明度降低，影響外觀。

3.2 黃原膠-無機阻燃劑1復合涂料、黃原膠-無機阻燃劑2復合涂料涂布后卷煙紙的阻燃效果較差，尤其當復合涂料中黃原膠占比較低時，涂有阻燃帶的卷煙難以達到低引燃傾向卷煙紙的要求。

3.3 黃原膠-有機阻燃劑復合涂料涂布后卷煙紙的阻燃效果較好，當黃原膠與有機阻燃劑的比例為1∶2，涂布量≥3.9 g/m2即能夠達到低引燃傾向卷煙紙的要求；復合涂料中有機阻燃劑比例越大，阻燃效率越高；當涂布量較低時，阻燃涂料涂布在卷煙外側阻燃效果優(yōu)于涂布在卷煙內側，但涂料在外側會使卷煙熄滅部位大面積變黑，一定程度上影響外觀狀態(tài)。

3.4 利用黃原膠-有機阻燃劑復合阻燃涂料進行中試試驗，采用凹版印刷機將阻燃涂料印刷在卷煙紙原紙上形成阻燃帶，當黃原膠與有機阻燃劑比例為1∶8，涂布量4.5 g/m2時，中試阻燃卷煙紙卷煙測試能夠達到低引燃傾向卷煙紙的要求。