成型機(jī)松弛比對(duì)濾棒膠孔的影響*

徐 冰，馬鵬舉，邵寶鑫，馬 群，蘇毓菡，石康中

(1 甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2 雙維伊士曼纖維有限公司，安徽 合肥 230601)

卷煙煙氣是由煙草燃燒、裂解和蒸餾產(chǎn)生的復(fù)雜混合物，其中的一些有害成分會(huì)嚴(yán)重影響消費(fèi)者的身體健康[1]。濾棒可以有效的截留煙氣中的有害成分，調(diào)節(jié)卷煙整體的抽吸阻力，甚至可以提升消費(fèi)者的舒適性和滿(mǎn)足感[2]。由于消費(fèi)者會(huì)直接吸食卷煙濾棒，因此，濾棒的質(zhì)量直接影響消費(fèi)者對(duì)卷煙優(yōu)劣的判斷[3]。

常見(jiàn)的濾棒質(zhì)量問(wèn)題有：吸阻波動(dòng)大、縮頭、異味和膠孔[4]。其中，膠孔是由于增塑劑三乙酸甘油酯局部過(guò)量施加而形成的孔洞[5]。它會(huì)直接影響消費(fèi)者的感官需求，功能上還會(huì)導(dǎo)致濾棒的硬度偏低，煙氣在濾棒中短路。常見(jiàn)濾棒膠孔形成的原因有三乙酸甘油酯施加量超標(biāo)且不均勻、上油方式與實(shí)際生產(chǎn)工藝不匹配、增塑劑上罩導(dǎo)流槽出現(xiàn)三乙酸甘油酯溢出、成型機(jī)局部區(qū)域發(fā)生飛花積聚[6]。

目前，針對(duì)膠孔的研究大多數(shù)集中在塑化劑三乙酸甘油酯霧化情況對(duì)膠孔的影響[7]，而關(guān)于絲束開(kāi)松松弛狀態(tài)對(duì)膠孔的影響鮮有研究。絲束的開(kāi)松松弛過(guò)程主要是對(duì)醋酸纖維素絲束進(jìn)行松散處理，從而更有利于塑化劑三乙酸甘油酯的施加和濾棒的填充。絲束的開(kāi)松松弛質(zhì)量會(huì)直接影響濾棒的吸阻、吸阻穩(wěn)定性(Std)、棒重以及三乙酸甘油酯施加的均勻性[8]。

本研究利用成型機(jī)的輸出輥(V3)和擴(kuò)展輥(V2)的輥速比(又稱(chēng)松弛比)來(lái)調(diào)節(jié)絲束寬度，進(jìn)而系統(tǒng)研究松弛比與濾棒膠孔數(shù)量、膠孔形成原因之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，我們用Minitab軟件統(tǒng)計(jì)與分析了松弛比和吸阻、吸阻Std及棒重的關(guān)系。該工作可以為研究濾棒膠孔形成提供新的視角，從而進(jìn)一步優(yōu)化成型機(jī)的開(kāi)機(jī)參數(shù)并提高濾棒的生產(chǎn)質(zhì)量。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

二醋酸纖維絲束3.0Y35000，雙維伊士曼纖維有限公司；三乙酸甘油酯，江蘇瑞佳化學(xué)有限公司；濾棒高透成型紙，民豐特紙；熱熔膠(凱林)等輔料。

ZL26C濾棒成型機(jī)組，中煙機(jī)械許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司；綜合測(cè)試臺(tái)，SODIMAX，法國(guó)索定公司；電子天平，梅特勒-托利多。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)成型機(jī)的示意圖如圖1所示，正常操作參數(shù)如表1所示。通過(guò)調(diào)整松弛比對(duì)絲束在三乙酸甘油酯霧化區(qū)的開(kāi)松寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)松弛比過(guò)低(小于0.70)或過(guò)高(大于0.80)時(shí)，單一的調(diào)節(jié)松弛比，成型機(jī)的參數(shù)不完全匹配容易產(chǎn)生纏輥等現(xiàn)象。為了單因子考察松弛比的影響，實(shí)驗(yàn)中松弛比分別設(shè)置為0.80，0.78，0.75，0.72和0.70。每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下，隨機(jī)抽取100支濾棒，用于測(cè)試濾棒吸阻，吸阻Std和棒重。同時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取3.7萬(wàn)支左右的濾棒，恒溫恒濕下固化24 h，用于后續(xù)的膠孔篩查。

表1 ZL26C濾棒成型機(jī)的開(kāi)機(jī)參數(shù)

(2)使用濾棒綜合測(cè)試臺(tái)(SODIMAX)對(duì)濾棒的吸阻、棒重進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算出吸阻的Std值用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。為了進(jìn)一步計(jì)算三乙酸甘油酯在濾棒中的施加量，在每個(gè)松弛比的參數(shù)下各取100支干、濕棒，干棒的質(zhì)量標(biāo)記為m1，濕棒的質(zhì)量標(biāo)記為m2。濾棒中三乙酸甘油酯的含量可由公式(1)[9]算出。

(1)

(3)當(dāng)松弛比降低后，三乙酸甘油酯區(qū)域絲束可能會(huì)與限寬柱摩擦，導(dǎo)致絲束上的三乙酸甘油酯在限寬柱上聚集。為了進(jìn)一步研究三乙酸甘油酯區(qū)域絲束開(kāi)松寬度與限寬柱的關(guān)系，我們?cè)谙迣捴习粚游图垼诓煌沙诒鹊臈l件下，成型機(jī)以600 m/min的速度運(yùn)行2 min。運(yùn)行前吸油紙的重量為m3，運(yùn)行后的吸油紙的重量為m4。吸油紙上三乙酸甘油酯的含量可由公式(2)算出。

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 松弛比與絲束開(kāi)松寬度和膠孔棒的關(guān)系

通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)得到的P值為0.001，小于等于0.05(α=0.05為一般假設(shè)性檢驗(yàn)顯著性水平)[10]，可以從整體上判斷回歸方程是顯著有效的。從圖2a松弛比與絲束開(kāi)松寬度的擬合線(xiàn)圖可知，在松弛比為0.70～0.80之間，絲束開(kāi)松寬度隨松弛比的增加而減少，相關(guān)系數(shù)(R-Sq)達(dá)到98.1%，說(shuō)明松弛比會(huì)直接影響絲束在三乙酸甘油酯霧化區(qū)的開(kāi)松寬度。為了防止絲束過(guò)寬而導(dǎo)致的濾棒質(zhì)量問(wèn)題，在成型機(jī)三乙酸甘油酯霧化室的后面增加了限寬柱(如圖1所示)。限寬柱寬度可在25～28 cm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)將限寬柱的寬度設(shè)定在26 cm。

圖2 松弛比與絲束開(kāi)松寬度和濾棒膠孔關(guān)系圖(P=0.001)

圖2b是成型機(jī)松弛比與膠孔棒數(shù)量的關(guān)系圖。由圖2可知，隨著松弛比的下降，絲束的開(kāi)松寬度和膠孔棒的數(shù)量顯著增加。當(dāng)松弛比為0.80時(shí)，絲束的開(kāi)松寬度為22 cm，在抽查3.7萬(wàn)根濾棒的過(guò)程中，并未發(fā)生膠孔。當(dāng)松弛比降低至0.75時(shí)，絲束的開(kāi)松寬度為25 cm，三乙酸甘油酯霧化區(qū)域的絲束偶爾會(huì)和限寬柱發(fā)生摩擦，在濾棒抽查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了1支膠孔棒。進(jìn)一步降低松弛比，絲束開(kāi)松寬度逐步提升，并和成型機(jī)松弛區(qū)的限寬柱有明顯的碰撞。當(dāng)松弛比為0.70時(shí)，由于限寬柱的存在，三乙酸甘油酯霧化區(qū)域絲束的寬度仍然為26 cm，但是由于絲束和限寬柱之間存在明顯的摩擦現(xiàn)象，使得在抽查的3.7萬(wàn)支濾棒中出現(xiàn)19根膠孔棒。

2.2 松弛比與膠孔棒的卡方分析

膠孔棒由操作員從待檢的濾棒中篩選出，濾棒有無(wú)膠孔屬于典型的二項(xiàng)分布[11]。在實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)?種不同松弛比的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了膠孔棒的篩選和檢查。膠孔棒檢查記錄與卡方檢驗(yàn)分析如表2所示，濾棒的總數(shù)由檢查濾棒的總重除以100支濾棒的平均重量得出。借助卡方檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不同松弛比情況下膠孔棒的數(shù)量是否存在差異性，P值小于0.05，表明在不同松弛比下生產(chǎn)的濾棒膠孔數(shù)量有明顯的差異，由此可見(jiàn)，松弛比是濾棒膠孔的關(guān)鍵影響因素。并且濾棒膠孔數(shù)量隨著松弛比的增加而明顯減小，因此為了避免在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的膠孔風(fēng)險(xiǎn)，在工藝允許的情況下可適當(dāng)提高松弛比。

表2 膠孔棒檢查記錄與卡方檢驗(yàn)

2.3 松弛比與濾棒吸阻的關(guān)系

濾棒吸阻是評(píng)價(jià)濾棒物理指標(biāo)的一個(gè)重要因素。在卷煙濾棒設(shè)計(jì)與加工過(guò)程中，需要密切關(guān)注濾棒的吸阻。當(dāng)濾棒吸阻超出控制線(xiàn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致濾棒的廢棄。圖3是松弛比與濾棒吸阻的關(guān)系圖。從圖3a的單因子方差分析可知，p值為0.934大于0.05，說(shuō)明不同松弛比下的濾棒吸阻無(wú)明顯差異。圖3b是不同松弛比下濾棒吸阻均值的箱線(xiàn)圖。不同松弛比下的吸阻均值無(wú)異常的游離點(diǎn)，整體數(shù)值分布正常，說(shuō)明在松弛比為0.70～0.80之間的濾棒吸阻無(wú)明顯差異，吸阻均值均在2 700 Pa左右。

圖3 松弛比與濾棒吸阻的關(guān)系圖

2.4 松弛比與濾棒吸阻穩(wěn)定性的關(guān)系

圖4是成型機(jī)松弛比和濾棒吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差(Std)之間的關(guān)系圖。從圖4a的單因子方差分析可知，由于P值為0.833大于0.05，說(shuō)明不同松弛比條件下抽檢的濾棒吸阻Std并無(wú)明顯差異。松弛比在0.70～0.80的范圍內(nèi)，僅調(diào)節(jié)成型機(jī)的松弛比對(duì)濾棒的吸阻穩(wěn)定性無(wú)明顯影響，吸阻Std的均值在55～60之間。

圖4 松弛比與濾棒吸阻Std的關(guān)系圖

2.5 松弛比與增塑劑和濾棒棒重的關(guān)系

松弛比的差異本質(zhì)上是V3和V2輥速比的差異，進(jìn)而導(dǎo)致成型機(jī)在不同工段的開(kāi)松程度和絲束運(yùn)行速度的差異。絲束運(yùn)行速度的差異會(huì)使絲束在三乙酸甘油酯霧化區(qū)的停留時(shí)間發(fā)生變化。圖5是不同松弛比下濾棒三乙酸甘油酯的含量變化柱狀圖，三乙酸甘油酯的計(jì)算方法如公式1所示。隨著松弛比的降低，V3輥的輥速降低，使絲束在三乙酸甘油酯霧化區(qū)的停留時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致三乙酸甘油酯含量出現(xiàn)一定幅度的上升。在松弛比為0.80時(shí)，三乙酸甘油酯含量為7.21%；當(dāng)松弛比降低至0.70時(shí)，三乙酸甘油酯含量上升至7.78%。但不同松弛比下濾棒的三乙酸甘油酯含量均在6%～10%之間，屬于正常范圍[12]。

圖5 不同松弛比下濾棒三乙酸甘油酯含量

圖6a是不同松弛比與棒重的單因子方差分析圖。由圖可知，P值等于0.639遠(yuǎn)大于0.05，說(shuō)明不同松弛比下的濾棒棒重?zé)o明顯差異。棒重是濾棒吸阻的重要影響因素之一。如果棒重發(fā)生變化，吸阻會(huì)發(fā)生明顯的變化。而不同松弛比下濾棒的棒重均值在62 g/100支左右，這與圖3不同松弛比下濾棒的吸阻無(wú)明顯差異的結(jié)論具有一致性。

圖6 松弛比與濾棒棒重的關(guān)系圖

2.6 松弛比與限寬柱增塑劑截留量的關(guān)系

膠孔通常是由于三乙酸甘油酯局部過(guò)量施加導(dǎo)致的。由前面的實(shí)驗(yàn)分析可知，不同的松弛比將會(huì)影響三乙酸甘油酯絲束開(kāi)松的寬度，當(dāng)絲束開(kāi)松寬度在成型機(jī)上達(dá)到26 cm后，絲束會(huì)和限寬柱摩擦，部分三乙酸甘油酯會(huì)通過(guò)絲束與限寬柱摩擦而在限寬柱上積聚。為了對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行研究，我們?cè)谙迣捴习粚游图?，?dāng)絲束開(kāi)松寬度過(guò)寬時(shí)，絲束摩擦吸油紙，吸油紙會(huì)粘上一定量的三乙酸甘油酯，從而使吸油紙的重量發(fā)生變化。

圖7是不同松弛比下吸油紙重量的增加量。由圖可知，松弛比的變化與吸油紙上三乙酸甘油酯的重量增加量具有明顯的相關(guān)性。當(dāng)松弛比為0.80時(shí)，絲束的寬度為22 cm，開(kāi)松后的絲束并未與限寬柱接觸，我們發(fā)現(xiàn)吸油紙的重量沒(méi)有明顯變化。隨著松弛比的降低，吸油紙上三乙酸甘油酯的重量明顯增加，當(dāng)松弛比降低至0.72時(shí)，開(kāi)松絲束與限寬柱有明顯的碰撞，吸油紙的重量增加8.36%，絲束與吸油紙的碰撞過(guò)程中，吸油紙上三乙酸甘油酯的含量明顯增加。當(dāng)松弛比降至0.70時(shí)，開(kāi)松絲束同樣撞擊限寬柱，吸油紙的三乙酸甘油酯重量增加量仍在9.2%左右。

圖7 不同松弛比下的吸油紙重量增加量

不同松弛比下，吸油紙上三乙酸甘油酯重量的增加量與膠孔棒的數(shù)量具有明顯的一致性。在松弛比較低的情況下，三乙酸甘油酯霧化區(qū)域的開(kāi)松絲束開(kāi)松寬度較大，與限寬柱發(fā)生了明顯摩擦碰撞。在碰撞的過(guò)程中，三乙酸甘油酯會(huì)在限寬柱上積聚，當(dāng)積聚到一定程度后，會(huì)重新吸附在絲束上，導(dǎo)致局部三乙酸甘油酯過(guò)量施加，從而產(chǎn)生膠孔。為了提高濾棒的合格率，在實(shí)際生產(chǎn)中我們更建議將松弛比設(shè)置為0.80，從而避免開(kāi)松區(qū)域的絲束與限寬柱碰撞進(jìn)而產(chǎn)生膠孔的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

本文對(duì)比不同松弛比條件下的ZL26C成型機(jī)絲束寬度與膠孔棒以及濾棒物理指標(biāo)的關(guān)系，并用Minitab軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)論如下：在0.70～0.80的松弛比范圍內(nèi)，松弛比會(huì)直接影響三乙酸甘油酯霧化區(qū)域的絲束寬度及膠孔棒的數(shù)量；但對(duì)濾棒的吸阻、吸阻Std和棒重的影響不明顯。在一定范圍內(nèi)，提高松弛比，避免絲束與限寬柱的物理摩擦碰撞是降低濾棒膠孔的一種有效途徑。