周利軍，鄭力文，李洪濤，關(guān)欣，張東，李高坡，朱波，王新輝，王銀龍

1 山東中煙工業(yè)有限責任公司青島卷煙廠，青島市嶗山區(qū)株洲路137號 266100；

2 山東中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，青島市嶗山區(qū)株洲路137號 266100

梗絲具有較強的填充性和良好的燃燒性[1-2]，能改善卷煙燃燒性能，降低卷煙主流煙氣釋放量等[3-5]。目前主要是通過煙梗預(yù)處理或利用現(xiàn)有切絲設(shè)備進行制梗絲[6-7]，而制得梗絲形態(tài)多為片狀，在卷煙摻配均勻性方面存在一些問題，因此，必須使梗絲的物理形態(tài)盡可能地接近葉絲。陳景云等[8]通過對比直接切梗絲法和壓梗切梗絲法兩種工藝研究得出，復(fù)切式制梗絲工藝能有效提高梗絲摻配后在各煙支段及卷煙煙絲柱中的分布均勻性，卷煙產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量穩(wěn)定，煙支吸阻和煙氣焦油量降低。許衡等[9]通過在預(yù)處理工段將煙梗加工成絲狀梗絲，并攙兌到卷煙中，結(jié)果表明：絲狀梗絲有效利用率、卷煙卷制質(zhì)量和穩(wěn)定性提高，煙氣質(zhì)量穩(wěn)定性得到提高。丁美宙等[10]對微波膨脹煙梗進行兩次切絲，制成微波條狀梗絲，并摻配到卷煙中進行應(yīng)用效果評價，結(jié)果表明：采用微波膨脹制得條狀梗絲，整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)更均勻，總糖和還原糖高，摻配卷煙后煙支單支質(zhì)量標準偏差較小，吸阻標準偏差較大，抽吸口數(shù)較少，主要煙氣指標產(chǎn)量降低，燃燒性好，能顯著改善口感特性。由于梗絲與煙葉差異較大，采用現(xiàn)有切絲設(shè)備進行復(fù)切不利于成絲，行業(yè)內(nèi)對煙葉的物理特性有所研究[11]，而梗片復(fù)切適應(yīng)性加工及設(shè)備研究較少。基于此，本文首先研究不同形變參數(shù)制得梗片的加工特性，然后對比分析現(xiàn)有切絲機（SD5 輥刀式）和新型復(fù)切設(shè)備（軋切式）對絲狀梗絲物理質(zhì)量的影響，為梗片復(fù)切工藝及設(shè)備研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：某牌號配方煙梗。

試劑：正己烷（AR，西隴化工股份有限公司），洗滌劑，高純氮氣（99.999%，西隴化工股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

PL203 型電子天平（梅特勒～托利多儀器（上海）有限公司）；KBF 型恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；GDS～410 型梗絲填充值檢測儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；抗破碎儀；YB-3 型煙絲振動分選篩；ZD-T25 篩分儀（德國Haver&Boecker 公司）；智能煙絲彈性測定儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；UltraPYC1200e 真密度分析儀（美國Quantachrome 公司）；TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀（英國Stable Micro System公司）；CWT200 煙絲寬度測定儀（中國科學院安徽光學精密機械研究所）；青島卷煙廠制梗線生產(chǎn)線，軋切式梗絲復(fù)切設(shè)備（自主研制）。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

①首先，物料經(jīng)浸梗、貯梗后分別進行壓梗和未壓梗試驗（壓梗厚度0.8 mm、切絲厚度為0.13 mm）；然后在未壓梗處理條件下，進行切絲試驗，根據(jù)設(shè)備要求，設(shè)置切絲厚度為0.13 mm、0.15 mm、0.17 mm，物料流量2800 kg/h，均采用滾筒干燥，蒸汽流量245 kg/h。②取壓梗試驗后樣品，分別采用切絲機（SD5）和軋切設(shè)備進行復(fù)切，切絲寬度為1.0 mm，物料流量為300 kg/h。待設(shè)備參數(shù)運行穩(wěn)定時，分別在梗絲干燥設(shè)備和復(fù)切設(shè)備出口進行取樣，將樣品置于相對濕度（60±2）%、溫度（22±1）℃的環(huán)境中平衡48 h 備用。

1.3.2 測試方法

（1）梗絲填充值、彈性和結(jié)構(gòu)測定：按照文獻[12-14]測定樣品填充值、彈性和結(jié)構(gòu)。

（2）梗片密度測定：取平衡后樣品自然堆積在體積和重量恒定的容器中，待樣品平鋪滿時稱取容器總質(zhì)量，堆積密度計算如公式（1）所示：

其中：V0為容積體積，單位cm3，M0和M1分別為容器鋪滿樣品前后的重量，單位為g，ρ 為堆積密度，單位為g/cm3；

表觀密度和真密度按照文獻[15]測定。

（3）梗片力學特性測定：選取大小均勻，結(jié)構(gòu)完整的梗片，并進行固定，采用質(zhì)構(gòu)儀恒速下壓法測定梗片剪切強度和穿透力，下降速率為30 mm/min，重復(fù)3 次取平均值；按照文獻[16-17]測定梗片柔軟度抗破碎性。

（4）梗絲寬度、長度：每個樣品取30 根，采用煙絲寬度測量儀對樣品寬度和長度進行測定。其中，將寬度1.0 mm、厚度0.15 mm、形態(tài)近似葉絲的梗絲定義為絲狀梗絲。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS、Origin 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓梗工序?qū)ζ瑺罟＝z加工性能的影響

（1）梗絲物理指標

表1 為壓梗處理樣品主要物理指標對比檢測結(jié)果。由表1 可知，與未壓梗相比，梗絲結(jié)構(gòu)方面，壓梗處理后梗片整絲率、長絲率和碎絲率分別降低3.31%、8.88%和0.24%，中絲率和短絲率分別增加5.58%和3.55%；彈性降低6.85 百分點；而真密度和表觀密度稍有增加，堆積密度變化不大。煙梗受到外界機械力的作用，切絲后宏觀上煙梗形態(tài)變化較大，后序加工過程中梗片韌性降低，烘后梗片物理質(zhì)量下降。同時在一定程度上破壞了煙梗內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成內(nèi)孔體積減小，真密度和表密度增加。

表1 壓梗處理梗絲物理指標測定結(jié)果Tab. 1 Results of physical indexes of cut stem in stem rolling process

（2）力學特性

對樣品進行主要力學特性測定，結(jié)果見圖1 和圖2。從圖1 可以看出，與未壓梗處理相比，壓梗處理后梗片剪切力、穿透力和柔軟度分別降低8.64%、4.23%和4.6%，表明壓梗處理后梗片的剪切性和穿透性減小，柔軟性增加，其中柔軟度值和柔軟性呈負相關(guān)關(guān)系，柔軟度值越小柔軟性越好。而柔軟性的增加可能是由于外力破壞了煙梗內(nèi)部纖維組織結(jié)構(gòu)。圖2 為壓梗處理樣品梗片抗破碎性檢測結(jié)果和擬合曲線圖。由圖2 可知，壓梗處理梗片破碎前后特征尺寸為2.58 mm、2.45 mm，分別較未壓梗處理梗片低0.27 mm、0.28 mm，而破碎度增加0.55 個百分點，達到4.90%，表明采用壓梗處理制得梗片形態(tài)相對偏小，抗破碎性降低，耐加工性稍弱。

圖1 壓梗處理梗片力學特性柱狀圖Fig. 1 Bar graph of mechanical properties of flake cut stem in stem rolling process

圖2 壓梗處理梗片抗破碎性擬合曲線圖Fig. 2 Fitting curves of crush resistance of flake cut stem in stem rolling process

2.2 切梗厚度對片狀梗絲加工性能的影響

（1）梗絲物理指標

不同切梗厚度處理后梗片主要物理指標檢測結(jié)果見表2。由表2 可知，隨著切梗厚度增加，梗絲結(jié)構(gòu)方面整絲率和長絲率升高，短絲率和碎絲率降低，但變化不明顯；彈性變化無明顯規(guī)律，當切梗厚度為0.13 mm 時梗片彈性最高，達到49.30%。梗片表觀密度和真密度均增加，分布在0.94～1.07 g/cm3和1.27～1.30 g/cm3之間，堆積密度變化不明顯。

表2 不同切梗厚度處理梗絲物理指標測定結(jié)果Tab. 2 Results of physical indexes of flake cut stem with different cutting thickness

（2）梗片力學特性

不同切梗厚度處理后梗片力學特性測定結(jié)果見圖3、圖4。由圖3 可以看出，試驗范圍內(nèi)，隨著切梗厚度增加，梗片剪切力和穿透力呈現(xiàn)增加趨勢，表明梗片越厚，抗剪切能力和穿透力越強，而梗片柔軟度值呈先降后升趨勢；由圖4 可知，梗片破碎前后的特征尺寸先增加后降低，當切梗厚度為0.15 mm 時柔軟性和抗破碎性最好，破碎度為4.02%，表明梗片的耐加工性好。

圖3 不同切梗厚度處理梗片力學特性柱狀圖Fig. 3 Bar graph of mechanical properties of flake cut stem with different cutting thickness

2.3 不同成絲方式對梗絲質(zhì)量的影響

根據(jù)上述梗片力學特性研究，本研究采用自主研制新型復(fù)切設(shè)備（見圖5）與常規(guī)切絲設(shè)備（SD5 輥刀式）對梗片進行復(fù)切，對比分析不同復(fù)切方式對片狀梗絲成絲效果的影響。

（1）梗絲結(jié)構(gòu)

采用未壓梗處理制得梗片為樣品，不同復(fù)切設(shè)備處理后梗絲結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果見圖6。從圖6 中可以看出，與復(fù)切前梗片相比，復(fù)切后梗絲結(jié)構(gòu)變化較大，尺寸減小，主要表現(xiàn)在整絲率和長絲率大幅降低，中絲率、短絲率和碎絲率明顯增加。采用軋切式復(fù)切后梗絲整絲率、中絲率較輥切式（SD5）復(fù)切梗絲均增加15個百分點以上，且碎絲率由25.55%降低至7.06%，兩者長絲率和短絲率差別不大，可以看出軋切式復(fù)切后梗絲整絲率的提高主要是由于中絲率的增加造成。因此，梗絲經(jīng)復(fù)切后片狀形態(tài)梗絲減少，絲狀形態(tài)梗絲增加，長絲率減少，而采用軋切式復(fù)切，可以有效改善梗絲結(jié)構(gòu)，降低整絲率，提高中絲率。

圖4 不同切梗厚度處理梗片抗破碎性擬合曲線圖Fig. 4 Fitting curves of crush resistance of flake cut stem with different cutting thickness

圖5 軋切式復(fù)切設(shè)備示意圖Fig. 5 Schematic diagram of crush re-cutting equipment

（2）梗絲填充值和彈性

不同復(fù)切設(shè)備處理后梗絲填充值和彈性檢測結(jié)果見圖7。由圖7 可知，采用軋切式復(fù)切的絲狀梗絲填充值和彈性均高于輥刀式（SD5）復(fù)切方式處理。其中，填充值增加0.25 cm3/g，達到6.30 cm3/g，梗片彈性提高3.28 個百分點。采用軋切式復(fù)切加工強度小，有利于提高梗絲的填充能力。

（3）梗絲寬度和特征長度

采用圖像法對兩種復(fù)切后絲狀梗絲寬度和特征長度進行測量，結(jié)果見表3。由表3 可知，兩種復(fù)切方式制得絲狀梗絲寬度均符合工藝要求（1.0 mm±0.1 mm），形態(tài)接近于葉絲；采用軋切式復(fù)切設(shè)備制得絲狀梗絲的特征長度稍大于常規(guī)切絲設(shè)備（SD5 輥刀式），且梗絲寬度均勻性較好。

表3 兩種復(fù)切方式梗絲寬度和特征長度測定結(jié)果Tab. 3 Results of thickness and characteristic length of cut stem under different re-cutting methods

2.4 生產(chǎn)驗證

圖6 兩種復(fù)切方式梗絲結(jié)構(gòu)對比柱狀圖Fig. 6 Bar graph of structure of filamentous cut stem under different re-cutting methods

圖7 不同復(fù)切方式處理梗絲填充值和彈性對比圖Fig. 7 Bar graph of filling value and elasticity of filamentous cut stem under different re-cutting methods

根據(jù)前期研究，輥切式復(fù)切梗絲出絲率為33.45%，采用軋切式復(fù)切設(shè)備進行多批次物料生產(chǎn)驗證，流量設(shè)置為400 kg/h，設(shè)備運行情況及梗絲質(zhì)量見表4。由表4 可知，生產(chǎn)過程中軋切式復(fù)切設(shè)備穩(wěn)定性較好，連續(xù)無故障率達到98.04%，梗絲寬度合格率和出絲率分別為99.4%和68.68%，出絲率較輥切式復(fù)切提高一倍以上。

表4 軋切式復(fù)切設(shè)備生產(chǎn)驗證結(jié)果Tab. 4 Results of production verification of crush re-cutting equipment

3 結(jié)論

①與壓梗相比，未壓梗處理后梗片整絲率、長絲率和碎絲率稍有增加，中絲率和短絲率稍低，表觀密度和真密度降低，剪切力和穿透力強，柔軟度好和抗破碎性較好。②試驗范圍內(nèi)，隨著切梗厚度的增加，梗片整絲率增加，短絲率和碎絲率降低，表觀密度、真密度以及力學特性指標整體上呈現(xiàn)為增加的趨勢，當切梗厚度為0.15 mm 時耐加工性較強。③復(fù)切后絲狀梗絲結(jié)構(gòu)變化明顯，尺寸減小，主要表現(xiàn)為整絲率和長絲率大幅降低，短絲率和碎絲率大幅增加；與常規(guī)切絲（SD5 輥切式）復(fù)切相比，軋切式復(fù)切制得絲狀梗絲具有較高的填充值和彈性，梗絲寬度均勻性較好。④生產(chǎn)驗證表明：軋切式復(fù)切設(shè)備運行可靠性和穩(wěn)定性較好，梗絲質(zhì)量達到要求，其中，設(shè)備連續(xù)無故障率達到98.04%，絲狀梗絲出絲率為68.68%。因此，采用未壓梗、切梗厚度0.15 mm 制得梗片進行軋切式復(fù)切，絲狀梗絲成絲特性較優(yōu)。目前在片狀梗絲物理特性檢測方面主要是執(zhí)行煙葉的相關(guān)檢測方法，而且絲狀梗絲的添加對卷煙質(zhì)量會有一定地影響。因此，有必要進行關(guān)于片狀梗絲相關(guān)物理指標檢測標準以及絲狀梗絲對卷煙綜合質(zhì)量的研究，以此提高絲狀梗絲在卷煙中的應(yīng)用效果。