煙用內(nèi)襯紙中VOCs殘留量的控制方法

胡宏旗，杜 威，邢連成，周 順

1.滁州卷煙材料廠，安徽省滁州市清流東路1436號 239000 2.安徽中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，合肥市高新區(qū)天達路9號 230088

煙用內(nèi)襯紙是由內(nèi)襯原紙與轉移膜或鋁箔復合后，經(jīng)過版輥涂布涂色、烘箱烘干、卷取分切等工序制作而成，在生產(chǎn)過程中因使用油墨及有機溶劑而容易導致?lián)]發(fā)性有機化合物（VOCs）殘留，從而影響卷煙的吸食品質(zhì)［1-4］。為此，行業(yè)標準YC 264—2014［5］對煙用內(nèi)襯紙的溶劑殘留量進行了規(guī)定，要求溶劑殘留總量（除乙醇）≤10 mg/L，溶劑雜質(zhì)苯≤0.02 mg/L，苯系物≤0.5 mg/L。但在實際生產(chǎn)中由于缺少標準化的控制方法，仍然存在內(nèi)襯紙中VOCs殘留量超標的問題。湯德芳等［6］研究表明，不同內(nèi)襯紙中VOCs殘留量存在顯著差異，其中油墨的使用量與VOCs殘留量呈正相關。呂勇等［7］以鐳射紙為例，通過分析影響卷煙包裝紙中VOCs殘留量的相關因素，提出降低復合機運行速度、延長烘干時間、采用階梯式控制烘箱溫度等方法可以降低VOCs殘留量。但是目前關于控制內(nèi)襯紙中VOCs殘留量的研究則鮮見報道。為此，基于煙用內(nèi)襯紙的生產(chǎn)工藝流程，確定內(nèi)襯紙中VOCs的主要來源，并利用單因素實驗法和正交實驗法分析生產(chǎn)過程中影響VOCs殘留量的關鍵因素，以期為有效控制VOCs殘留量提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

材料：10‰PET轉移膜（規(guī)格460 mm，江蘇博大包裝材料有限公司）；內(nèi)襯原紙（規(guī)格460 mm，定量85 g/m2，牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司）；水性涂色膠（主要成分為丙烯酸樹脂，南京淵遠印刷材料有限公司）。

試劑：苯、甲苯、間－二甲苯、對－二甲苯、鄰－二甲苯、乙苯、丙酮、環(huán)己酮、4-甲基-2-戊酮、丁酮、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、乙酸乙酯、乙酸異丙酯、乙酸正丙酯、2-乙氧基乙基乙酸酯、丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、2-乙氧基乙醇、苯乙烯、乙酸正丁酯混合標準液（中國煙草標準化研究中心）；三乙酸甘油酯（純度99%，英國Alfa Aesar公司）。

儀器：7890A/5975C氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（含7694E頂空進樣器和20 mL頂空瓶，美國Agilent公司）；LE204E型電子天平［精度0.000 1 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司］；BFY-650W型多功能鋁箔復合機（由原紙和轉移膜放卷系統(tǒng)、涂膠系統(tǒng)、烘箱、卷取系統(tǒng)4部分構成，西安黑牛機械有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 內(nèi)襯紙原料及成品中VOCs殘留量測定

保持生產(chǎn)環(huán)境溫度為（25±5）℃，相對濕度為（50±5）%。依據(jù)YC/T 207—2014［8］的方法對內(nèi)襯原紙、轉移膜及內(nèi)襯紙成品進行抽樣和裁剪，并利用7890A/5975C氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀測定VOCs殘留量。依據(jù)GB/T 6680—2003［9］的方法對涂色膠進行采樣，并測定VOCs殘留量。分別取內(nèi)襯原紙、內(nèi)襯紙成品、轉移膜、涂色膠樣品各50個，分為10組，每組測定5次，計算平均值。剔除相對標準偏差（RSD）＞10%的無效數(shù)據(jù)，取剩余數(shù)據(jù)的平均值作為內(nèi)襯紙原料及成品的VOCs殘留量并進行比較。

1.2.2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

采用BFY-650W型多功能鋁箔復合機完成內(nèi)襯紙的復合、涂布、烘干等工序，其中涂布時的版輥參數(shù)和烘干時的烘箱溫度、復合機運行速度均會對VOCs殘留量產(chǎn)生影響。

1.2.2.1 版輥參數(shù)的確定

生產(chǎn)過程中內(nèi)襯原紙和轉移膜的用量固定，但涂色膠用量（涂布量）則會受到版輥參數(shù)（網(wǎng)線數(shù)、深度、網(wǎng)穴形狀）的影響［10-11］。涂布量不合適會產(chǎn)生飄彩或漏涂等問題，進而影響印刷效果。為保證印刷時色彩均勻，需要對版輥參數(shù)進行優(yōu)化。采用單因素實驗（固定版輥深度為45μm，網(wǎng)穴形狀為45°菱形，版輥網(wǎng)線數(shù)60～80線/cm）考察印刷效果最佳時的涂布量范圍，再根據(jù)表1進行三因素三水平正交實驗，確定最佳版輥參數(shù)。其中，涂布量為印刷前后復合紙的定量差值，復合紙定量依據(jù)GB/T 451.2—2002［12］采用LE204E型電子天平進行測定。

表1 涂布過程影響因素水平表Tab.1 Levels of influencing factors in coating process

1.2.2.2 烘干參數(shù)的確定

固定復合機運行速度為60 m/min，設定烘箱溫度為80～110℃，對同一批次原料加工的涂布內(nèi)襯紙進行烘干，考察內(nèi)襯紙中VOCs殘留量隨烘干溫度的變化趨勢；固定烘箱溫度為100℃，運行速度為40～80 m/min，對同一批次原料加工的涂布內(nèi)襯紙進行烘干，考察內(nèi)襯紙中VOCs殘留量隨運行速度的變化趨勢。根據(jù)表2設計二因素三水平正交實驗確定內(nèi)襯紙最佳烘干參數(shù)。

表2 烘干過程影響因素水平表Tab.2 Levels of influencing factors in drying process

2 結果與分析

2.1 內(nèi)襯紙成品中VOCs來源的確定

由圖1可見，涂色膠中VOCs殘留量遠高于轉移膜和內(nèi)襯原紙，故生產(chǎn)時添加的涂色膠是內(nèi)襯紙中殘留VOCs的主要來源。內(nèi)襯紙中VOCs殘留量在11.3~12.9 mg/m2之間，明顯低于涂色膠中的殘留量，這是因為生產(chǎn)中VOCs受熱揮發(fā)導致殘留量降低，但仍高于YC 264—2014［5］中內(nèi)襯紙溶劑殘留量≤10 mg/m2的規(guī)定。因此，需要對后續(xù)生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，通過減少涂色膠用量以及提高烘干過程中VOCs的揮發(fā)量來減少VOCs殘留量。

圖1 內(nèi)襯紙原料及成品中VOCs殘留量Fig.1 Residues of VOCs in inner liner and its raw materials

2.2 版輥參數(shù)對涂布量及VOCs殘留量的影響

由表3可知，在保持版輥深度和網(wǎng)穴形狀不變的前提下，涂布量和VOCs殘留量隨版輥網(wǎng)線數(shù)的升高而降低。網(wǎng)線數(shù)在65～75線/cm范圍時能夠滿足基本印刷要求，此時涂布量為4.4～5.4 g/m2，VOCs殘留量為13.5～16.2 mg/m2。分析可見，涂布量為4.9 g/m2時，印刷效果最佳且可有效減少VOCs殘留量?？紤]到實際生產(chǎn)，最終將涂布量確定為5.0 g/m2。

表3 版輥網(wǎng)線數(shù)對印刷效果、涂布量及VOCs殘留量的影響①Tab.3 Effects of plate roller net line on printing effect,coating amount and VOC residues

由表4正交實驗結果可知，版輥參數(shù)中影響涂布量的順序為深度＞網(wǎng)線數(shù)＞網(wǎng)穴形狀，其中網(wǎng)穴形狀對涂布量幾乎無影響。為保證最佳印刷效果，確定最優(yōu)版輥參數(shù)為網(wǎng)線數(shù)70線/cm，深度45 μm，網(wǎng)穴形狀不做要求。

表4 版輥參數(shù)影響涂布量的正交實驗結果Tab.4 Orthogonal test results of plate roller parameters influencing coating amount

由圖2a可見，當復合機運行速度一定時，內(nèi)襯紙中殘留的VOCs隨烘干溫度的升高而降低；在100～110℃范圍內(nèi)，VOCs殘留量的下降趨勢變緩?？紤]到煙用內(nèi)襯紙的穩(wěn)定性和抗張性，生產(chǎn)過程中烘干溫度不宜過高，因此烘箱溫度應控制在（100±5）℃。由圖2b可見，當烘干溫度恒定時，內(nèi)襯紙中殘留的VOCs隨運行速度的提高呈上升趨勢；當運行速度超過70 m/min時，VOCs殘留量會超過規(guī)定標準。因此，烘干過程中復合機運行速度應控制在50～70 m/min。

圖2 烘干溫度（a）和運行速度（b）與VOCs殘留量的關系Fig2.Relationships of drying temperature（a），running speed（b）with VOC residues

2.3 烘干參數(shù)對內(nèi)襯紙VOCs殘留量的影響

由表5可見，烘干參數(shù)中影響VOCs殘留量的順序為運行速度＞烘干溫度。其中，溫度因素第二水平與第三水平（D2與D3）數(shù)值較為接近，速度因素第一水平與第二水平（E1與E2）數(shù)據(jù)差異較小，且D3E1組合在生產(chǎn)中代表烘干溫度偏高和運行速度偏低。結合實際情況，涂布內(nèi)襯紙的最佳生產(chǎn)條件為烘干溫度（100±5）℃，運行速度（60±5）m/min。在該條件下，VOCs殘留量為6.69 mg/m2，與工藝參數(shù)優(yōu)化前相比降低44.7%。

表5 烘干參數(shù)影響VOCs殘留量的正交試驗結果Tab.5 Orthogonal test results of drying parameters influencing VOC residues

3 結論

分別對與煙用內(nèi)襯紙生產(chǎn)密切相關的原料、生產(chǎn)工藝參數(shù)等進行了研究，并根據(jù)行業(yè)標準要求建立了降低VOCs殘留量的控制方法。結果表明：①通過對原料進行VOCs定量分析，確定內(nèi)襯紙中殘留的VOCs主要來源于生產(chǎn)中所使用的涂色膠；②版輥網(wǎng)線數(shù)為70線/cm，深度為45μm時，涂色膠用量適宜，約為5.0 g/m2，印刷效果最佳并有效減少了VOCs殘留量；③烘干溫度為（100±5）℃，復合機運行速度為（60±5）m/min時，VOCs殘留量為6.69 mg/m2，與工藝參數(shù)優(yōu)化前相比降低44.7%，能夠滿足行業(yè)標準規(guī)定。