再造煙葉實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置的開發(fā)及應(yīng)用

劉興樂(lè)，張敦鐵，王吉利，楊俊鵬，朱 峰，夏 璠，王 昊，鄧 杰

（1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢 430040；2.青島頤中科技有限公司，山東青島 266071）

近年來(lái)，加熱卷煙迅速發(fā)展，加熱卷煙主要是通過(guò)加熱器具對(duì)霧化基材進(jìn)行加熱，加熱溫度（低于350 ℃）不會(huì)使霧化基材燃燒，相較于煙草燃燒產(chǎn)生的有害成分更少，降低了健康和安全風(fēng)險(xiǎn)［1］。市場(chǎng)在售的加熱卷煙按霧化基材分為再造煙葉類、煙絲類、煙草顆粒類。再造煙葉類能夠較好地保留煙草物料的原有品質(zhì)，具有可擴(kuò)展性較強(qiáng)、霧化劑承載較高等優(yōu)點(diǎn)，再造煙葉類是目前加熱卷煙霧化基材使用的主要原料，根據(jù)加工工藝的不同又分為稠漿法、輥壓法、干法和造紙法。但干法負(fù)載的均勻性難以保證，厚度及定量的控制成本高；造紙法存在霧化劑負(fù)載量低、能耗高、木質(zhì)氣息重等缺點(diǎn)。因此，目前稠漿法、輥壓法是國(guó)內(nèi)外霧化基材使用比例較多的再造煙葉薄片工藝［2］。

薄片成型工藝與裝置是稠漿法、輥壓法再造煙葉加工的關(guān)鍵工藝和重要設(shè)備。由于國(guó)內(nèi)研究起步較晚，其薄片特性［3，4］、傳熱與煙氣釋放［5-7］、加工工藝［8-12］等方面均處于起步階段。趙文濤等［13］設(shè)計(jì)了一種氣溶膠形成基材的輥壓成型裝置及成型系統(tǒng)。該輥壓成型裝置主要包括3 個(gè)壓輥組件，前2 個(gè)壓輥分別制備霧化片材和加香片材，然后通過(guò)第3 個(gè)壓輥將霧化片材和加香片材輥壓成型。王林寶等［14］設(shè)計(jì)了一種稠漿法再造煙葉逗號(hào)刮刀涂布成型裝置，設(shè)計(jì)的逗號(hào)刮刀可提高漿料的穩(wěn)定性。劉義宏等［15］設(shè)計(jì)了一種稠漿薄片制作成型機(jī)及操作方法，設(shè)計(jì)了稠漿澆筑盒裝置和卵磷脂噴嘴裝置。王子維等［16］開發(fā)了一種稠漿法煙草薄片試制設(shè)備，將試制裝置設(shè)計(jì)為澆筑模盒移動(dòng)、鋼帶固定的形式，能夠有效節(jié)約空間和減小體積，但與實(shí)際加工工藝相差較大。上述文獻(xiàn)表明，與稠漿成型工藝及設(shè)備相比，輥壓成型工藝具有技術(shù)較成熟、設(shè)備占地面積小、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。

目前公布的輥壓成型設(shè)備多用于生產(chǎn)加工，實(shí)驗(yàn)室輥壓成型的裝置較少。為了更好地推動(dòng)加熱卷煙專用煙葉原料、特色香精、霧化體系等研究，參考生產(chǎn)線的輥壓成型設(shè)備，研發(fā)一款再造煙葉實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室干燥參數(shù)進(jìn)行研究及優(yōu)化，以期更好地控制及提升薄片質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇單等級(jí)煙葉原料，將煙葉原料樣品精磨至200～300 目，作為實(shí)驗(yàn)室再造煙葉加工的煙葉原料。

1.2 儀器

先驅(qū)ZDJ-1S 型卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀，北京先驅(qū)威鋒技術(shù)開發(fā)公司；FED260 型烘箱，德國(guó)BINDER公司；ME204/02 型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PURELAB Classic 純水發(fā)生器，英國(guó)ELGA LabWater 公司；Dispensette? S Organic 瓶口分液器，德國(guó)Brand 公司；HY-8A 型回旋振蕩器，常州華冠儀器制造有限公司。

1.3 試劑

自制去離子水，電阻率為18 MΩ·cm；甲醇，德國(guó)Merck 公司；AR 異丙醇、無(wú)吡啶卡爾·費(fèi)休試劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.4 試驗(yàn)方法

參考GB/T 23357—2009《煙草及煙草制品水分的測(cè)定卡爾費(fèi)休法》對(duì)薄片樣品含水率進(jìn)行測(cè)定［17］；再造煙葉感官評(píng)價(jià)由具有卷煙感官質(zhì)量評(píng)吸資質(zhì)的10 位評(píng)吸專家完成。按照湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電加熱卷煙感官技術(shù)要求》，對(duì)薄片的勁頭（10 分）、香味（30 分）、煙氣（20分）、余味（15 分）、刺激（15 分）、均勻性（10 分）6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)與打分，采用百分制，各項(xiàng)指標(biāo)均以0.5分為記分單位，取10位評(píng)吸專家感官評(píng)價(jià)的平均值。

2 輥壓薄片試制設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)與原理 實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置主要用于實(shí)驗(yàn)室條件下輥壓薄片的成型，試制裝置主要包括輥壓模塊、厚度控制模塊、薄片剝離模塊、熱風(fēng)干燥模塊，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置的工作原理是按產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工藝配方，將煙葉、煙梗、碎片粉碎后與外加纖維、粘膠劑、霧化劑等充分混合，設(shè)置兩輥距離，將混合好的薄片漿料放置于輥壓機(jī)兩輥間，兩壓輥在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生差速擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)，將松散的物料擠出，由鏟刀鏟下再送至料斗，并重復(fù)上述過(guò)程，最終形成符合要求的薄片。

圖1 實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置結(jié)構(gòu)示意圖

輥壓模塊主要包括移動(dòng)輥、固定輥、薄片寬度控制板、軸承座、底座、皮帶和伺服電機(jī)，如圖2 所示。伺服電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)2 個(gè)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置移動(dòng)輥、固定輥轉(zhuǎn)動(dòng)速率，從而使擠壓出的薄片附著在固定輥上并帶出。兩輥中間有2 塊薄片寬度控制板，通過(guò)調(diào)整2 塊板的間距，實(shí)現(xiàn)指定寬度的薄片生產(chǎn)。

圖2 輥壓模塊示意圖

輥壓厚度控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)壓輥間隙來(lái)控制薄片厚度，采用精密絲杠傳動(dòng)，絲杠采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖3 所示。輥壓厚度控制模塊主要包括伺服電機(jī)、絲杠、壓力傳感器、移動(dòng)軸承座、移動(dòng)輥、固定輥和固定軸承座。為了控制兩側(cè)推移壓力，添加壓力傳感器，可根據(jù)兩側(cè)壓力值大小，判斷壓輥是否傾斜以及壓輥間隙。根據(jù)設(shè)定厚度與測(cè)定厚度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)厚度參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)來(lái)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，再通過(guò)精密絲桿帶動(dòng)軸承座，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)輥的前后移動(dòng)。移動(dòng)輥兩端各設(shè)置一套伺服驅(qū)動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，可對(duì)移動(dòng)輥兩端同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可單獨(dú)對(duì)其中一端進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保薄片厚度和均勻性的穩(wěn)定。

圖3 輥壓厚度控制模塊示意圖

薄片剝離模塊是將薄片剝離下來(lái)，剝離的效果直接影響薄片成型的完整性，是影響輥壓質(zhì)量的關(guān)鍵工序。薄片剝離模塊主要包括刮刀軸座、刮刀軸、刮刀架、氣缸調(diào)整機(jī)構(gòu)和刀片，如圖4 所示。

圖4 薄片剝離模塊示意圖

為更好地完成薄片從輥壓模塊上剝離，本研究設(shè)計(jì)了初級(jí)干燥模塊，主要包括熱風(fēng)槍、彎頭和扁嘴，如圖5 所示。熱風(fēng)槍可以設(shè)定需要的溫度，扁嘴長(zhǎng)度和壓輥長(zhǎng)度保持一致，可以對(duì)輥壓模塊上的薄片進(jìn)行初級(jí)干燥處理，利于快速剝離。

圖5 初級(jí)干燥模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 技術(shù)特點(diǎn) 根據(jù)生產(chǎn)線輥壓成型工藝與裝備，研制了實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置，滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)加熱卷煙輥壓法薄片成型的需求，其具有以下技術(shù)特點(diǎn)。①能夠?qū)旌虾蟮奈锪线M(jìn)行多次輥壓成型，薄片厚度為0.1～0.4 mm，可調(diào)可控，厚度均勻，厚度偏差為±0.02 mm；②煙粉原料需求少，單個(gè)樣品處理能力強(qiáng)，能夠滿足小量樣品的制樣需求；③鏟刀與壓輥貼合度高，薄片剝離效果好；④主體結(jié)構(gòu)尺寸為860 mm×630 mm×1 000 mm，占地面積小、試驗(yàn)?zāi)芎牡?，?shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室輥壓法工藝裝備的小型化；⑤壓輥轉(zhuǎn)速可調(diào)可控，制樣時(shí)間短。

2.2 干燥參數(shù)優(yōu)化

薄片干燥工藝是薄片加工工藝的核心，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用烘箱模擬薄片干燥工藝，研究干燥參數(shù)對(duì)試制薄片質(zhì)量的影響。采用實(shí)驗(yàn)室輥壓法薄片裝置制備再造煙葉。其中，發(fā)煙劑（丙三醇）占比30%、外加纖維占比3%、粘合劑占比3%，水占比50%，不添加香精；輥壓成型，厚度為（0.20±0.02）mm，熱風(fēng)溫度為65 ℃。

2.2.1 工藝參數(shù)水平的確定 以干燥溫度和干燥時(shí)間為自變量，通過(guò)單因素試驗(yàn)確定自變量的取值范圍。在保證原輔材料、輥壓成型條件不變的情況下，研究干燥溫度、干燥時(shí)間對(duì)薄片含水率、感官質(zhì)量的影響。

由表1 可知，干燥溫度、干燥時(shí)間的變化能夠影響薄片含水率和感官質(zhì)量的評(píng)分。含水率過(guò)高會(huì)影響后續(xù)切絲效果、煙氣溫度以及煙氣釋放等；含水率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致在后續(xù)加工薄片時(shí)易造碎，結(jié)合感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，最優(yōu)的干燥工藝條件為干燥溫度95 ℃、干燥時(shí)間180 s。

表1 單因素試驗(yàn)

2.2.2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果 在工藝參數(shù)水平確定的基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)法來(lái)對(duì)影響因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最佳的工藝水平［18-21］。以烘箱干燥溫度（A）和干燥時(shí)間（B）為考察對(duì)象，選取3 個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，采用L9（32）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表2），研究干燥溫度和干燥時(shí)間對(duì)薄片感官質(zhì)量的影響，找出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

表2 正交因素與水平

由表3 可知，干燥溫度比干燥時(shí)間對(duì)薄片的感官質(zhì)量影響更大，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室最佳干燥工藝條件為干燥溫度95 ℃、干燥時(shí)間180 s，輥壓法薄片感官質(zhì)量評(píng)分為84.95 分。按照干燥溫度95 ℃、干燥時(shí)間180 s 進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，切絲效果好，口腔無(wú)明顯灼熱感，感官質(zhì)量評(píng)分為84.95 分，因此該參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室輥壓薄片最佳干燥工藝參數(shù)。

表3 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果

3 小結(jié)

為更好地推動(dòng)加熱卷煙專用煙葉原料、特色香精、霧化體系等研究，參考生產(chǎn)線的輥壓成型設(shè)備，研發(fā)了實(shí)驗(yàn)室輥壓薄片裝置，該裝置主要包括輥壓模塊、厚度控制模塊、薄片剝離模塊、熱風(fēng)干燥模塊，具有薄片厚度可調(diào)可控、厚度均勻、煙粉原料需求少、占地面積小、制樣時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用烘箱模擬薄片干燥工藝，研究干燥參數(shù)對(duì)試制薄片質(zhì)量的影響，通過(guò)單因素分析、正交試驗(yàn)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，干燥溫度比干燥時(shí)間對(duì)輥壓法薄片的感官質(zhì)量影響更大。實(shí)驗(yàn)室最佳干燥工藝條件為干燥溫度95 ℃、干燥時(shí)間180 s，輥壓法薄片感官質(zhì)量評(píng)分最高。