曹淑婉， 李 屹， 余振華， 宋云杉， 魯紅昌， 彭林才， 張俊華*

碳酸鈣顆粒尺寸對(duì)卷煙紙透氣度和包灰性能的影響

曹淑婉1， 李 屹2*， 余振華3， 宋云杉4， 魯紅昌4， 彭林才1， 張俊華1*

（1. 昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司 大理復(fù)烤廠，云南 大理 672100；3. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，云南 昆明 650231；4. 云南紅塔藍(lán)鷹紙業(yè)有限公司，云南 建水 654300）

以紡錘狀輕質(zhì)碳酸鈣為對(duì)象，分別就1.10、1.75和2.18 μm三種不同粒徑的碳酸鈣對(duì)卷煙紙的透氣度和煙支包灰性能的影響進(jìn)行了研究。同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像分析方法，從卷煙燃燒時(shí)的碳線整齊度、縮灰率、碳線寬度、掉灰情況、裂口率和彎曲程度6個(gè)方面，就碳酸鈣粒徑對(duì)煙支包灰性能的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，碳酸鈣的顆粒尺寸對(duì)卷煙紙透氣度具有較大的影響，顆粒尺寸越大，卷煙紙的透氣度越高，但過(guò)大的顆粒尺寸則會(huì)導(dǎo)致卷煙紙抗張強(qiáng)度的下降。且不同顆粒尺寸的碳酸鈣具有不同的包灰效果，碳酸鈣顆粒的尺寸越小，越有利于煙支包灰性能的提升，但對(duì)煙支的縮灰率及碳線整齊度會(huì)產(chǎn)生不利影響。

卷煙紙；紡錘狀輕質(zhì)碳酸鈣；顆粒尺寸；透氣度；包灰性能

卷煙產(chǎn)品的多元化發(fā)展，對(duì)煙草行業(yè)提出了新的要求，市場(chǎng)出現(xiàn)了不同樣式的新型卷煙，如薄荷風(fēng)味香煙[1]、中支煙[2]、細(xì)支煙等[3]等，滿足了消費(fèi)者在風(fēng)味與健康等方面的客制化需求，以及物理體驗(yàn)方面的隱性要求。比如卷煙的包灰性能，成為卷煙生產(chǎn)中一個(gè)重要的指標(biāo)[4]。

卷煙紙是煙支的一個(gè)重要組件，卷煙紙的燃燒性能不僅影響卷煙的燃燒速率與煙氣成分，同時(shí)也對(duì)煙支的包灰性具有直接關(guān)聯(lián)性[5-7]。其中，碳酸鈣作為卷煙紙的主要填料（占紙張總質(zhì)量的30%～40%），其顆粒形態(tài)和尺寸都會(huì)對(duì)卷煙紙的透氣度和包灰性能產(chǎn)生影響[8-9]。在雀靜等人的工作中，探討了碳酸鈣的顆粒形態(tài)與卷煙紙的透氣及包灰性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)橢圓狀輕質(zhì)碳酸鈣制備的卷煙紙具有最佳的包灰性能，而紡錘體狀輕質(zhì)碳酸鈣制備的卷煙紙透氣性能最好[10]。同時(shí)，有觀點(diǎn)認(rèn)為，紡錘狀碳酸鈣對(duì)成紙的透氣度、不透明度、白度均較有利，在高檔卷煙紙的生產(chǎn)方面更具有優(yōu)勢(shì)[11]。

基于以上，本文主要以紡錘體狀輕質(zhì)碳酸鈣為填料，研究其顆粒尺寸對(duì)卷煙紙的透氣性及包灰性能的影響。采用計(jì)算機(jī)圖像分析方法，對(duì)煙支燃燒時(shí)4個(gè)階段（包括：煙支點(diǎn)燃、燃燒1/3、燃燒2/3、燃燒結(jié)束）的碳線整齊度、縮灰率、碳線寬度、掉灰情況、裂口率和彎曲程度進(jìn)行了分析，對(duì)包灰性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。并模擬抽吸過(guò)程，對(duì)燃燒前后碳酸鈣的形貌特征，纖維素與碳酸鈣官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化特征等進(jìn)行對(duì)比分析，以明確碳酸鈣顆粒尺寸對(duì)煙支包灰性能的作用機(jī)理。本文的工作對(duì)于國(guó)產(chǎn)卷煙品牌提質(zhì)升級(jí)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料

漂白針葉木漿板（北木牌，加拿大）；漂白闊葉木漿板（鸚鵡牌，巴西）；陽(yáng)離子瓜爾膠[0.4%（wt）]、非離子瓜爾膠[0.4%（wt）]以及固體輕質(zhì)碳酸鈣A、液體輕質(zhì)碳酸鈣B和C（工業(yè)級(jí)，均由云南紅塔藍(lán)鷹紙業(yè)有限公司提供）；檸檬酸鈉、檸檬酸鉀（工業(yè)級(jí)，山東宏仕德化工有限公司）；4種不同品牌的國(guó)產(chǎn)常規(guī)卷煙；煙絲（云煙珍品）。

1.1.2 儀器

自動(dòng)磨漿機(jī)（KRK-2511，熊谷理機(jī)工業(yè)株式會(huì)社）；纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器（GBJ-A，長(zhǎng)春市月明小型試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司）；紙頁(yè)成型器（ZQJ1-B-Ⅱ，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠）；快速紙頁(yè)干燥器（IMT-GZ01，英特耐森制漿造紙實(shí)驗(yàn)室設(shè)備平板式紙頁(yè)干燥器）；掃描電子顯微鏡（TESCAN MIRA4，泰思肯（中國(guó)）有限公司）；馬爾文激光粒徑分析儀（Mastersizer 3000，英國(guó)Malvern公司）、馬弗爐（SX2-4-10N，上海昕?jī)x儀器儀表有限公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet380，美國(guó)Thermo Nicolet公司）；卷煙器（HK-3，溫州浩克電器有限公司）；相機(jī)（M2011K2C，北京小米科技有限責(zé)任公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 漂白木漿前處理

分別取30 g針葉木和闊葉木絕干漿料浸泡3～4 h，放入纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器中疏解，隨后采用PFI打漿機(jī)進(jìn)行打漿（打漿濃度為10%），打漿后測(cè)定水分備用，針葉木漿打漿度控制在（90±2）oSR，闊葉木打漿度控制在（30±2）oSR，測(cè)定水分后待備用。

1.2.2 助劑前處理

稱取0.3%的非離子瓜爾膠粉末（相對(duì)絕干漿）和0.1%的陽(yáng)離子瓜爾膠粉末（相對(duì)絕干漿），在常溫下水化2 h后待用，此時(shí)瓜爾膠擁有相對(duì)較高的黏度。

1.2.3 抄片與施膠

抄片：設(shè)定卷煙紙定量為33 g/m2。稱取一定比例的碳酸鈣和纖維原料（纖維原料漿濃為10%～12%，針葉木纖維/闊葉木纖維＝2.5∶1），分別和3種碳酸鈣混合抄造，并在抄造過(guò)程中加入陽(yáng)離子瓜爾膠與非離子瓜爾膠助劑幫助提高紙張強(qiáng)度及碳酸鈣留著，抄造出濕紙頁(yè)后將其放入紙頁(yè)成形器中烘干。

施膠：模擬車間時(shí)所使用的浸透涂布施膠的方式，將不同規(guī)格抄造的紙頁(yè)裁剪為26.5 mm×55 mm的卷煙紙片，然后將卷煙紙片放入助燃劑溶液（助燃劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.4%的水溶液，其中檸檬酸鉀∶檸檬酸鈉＝1∶1）中浸泡5 s，之后將浸泡完成的卷煙紙放入快速紙頁(yè)干燥器105℃加熱烘干。將含有碳酸鈣A、B、C紙樣分別命名為1#卷煙紙、2#卷煙紙、3#卷煙紙。

1.2.4 填料留著率的測(cè)定

通過(guò)紙張中灰分含量來(lái)計(jì)算碳酸鈣的留著率，在抄片過(guò)程中，按照同樣的漿料比例抄造一份不加填料的空白對(duì)照紙張，分別將1#卷煙紙、2#卷煙紙、3#卷煙紙、相同質(zhì)量的絕干漿料和空白對(duì)照組放入575℃馬弗爐中煅燒處理4 h，并按照公式（1）測(cè)定填料留著率。

式中，為紙中填料留著率，A為卷煙紙樣的灰分，B為空白卷煙紙樣的灰分，C為漿料的灰分，D為碳酸鈣的煅燒質(zhì)量損失。

1.2.5 碳酸鈣顆粒尺寸和形貌分析

首先，將三種市售碳酸鈣放入真空冷凍干燥機(jī)中，冷凍干燥后，涂抹制片并噴金處理，通過(guò)掃描電鏡測(cè)試碳酸鈣形貌，并通過(guò)馬爾文粒徑分析儀對(duì)其粒徑進(jìn)行分析。

將手工卷好的煙支靜燃處理，剝離出外層的卷煙紙煙灰，將其制片后噴金，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）分析煙灰中殘存碳酸鈣的顆粒尺寸和形貌。

1.2.6 卷煙紙?jiān)诓煌瑴囟忍幚砗蟮某煞址治?/p>

分別取施膠完成的卷煙紙50 mg，放入已經(jīng)恒重過(guò)后的坩堝中，并將其置于預(yù)先升溫的馬弗爐中，溫度分別設(shè)置為300、400、600、800和900℃，5 min后取出放入干燥器中冷卻，然后分別將處理后的卷煙紙進(jìn)行紅外光譜（FT-IR）分析，掃描范圍為650～4000 cm-1，掃描次數(shù)12次。

1.2.7 煙支的包灰性能評(píng)價(jià)

將施膠完成的卷煙紙與接裝紙、成形紙進(jìn)行粘接，之后用手動(dòng)卷煙器將其卷為手工煙，每個(gè)規(guī)格的卷煙紙各卷制3支。選用直徑、長(zhǎng)短相近，粘接狀況較好的煙支進(jìn)行燃燒分析。

將煙支放置在避風(fēng)的測(cè)試箱中，將煙支直立固定在測(cè)試箱中的煙支座上，并使煙支的搭口背對(duì)攝像機(jī)方向，點(diǎn)燃煙支，關(guān)閉測(cè)試箱，使煙支靜燃；將攝像機(jī)架在測(cè)試箱預(yù)留窗口，對(duì)煙支燃燒過(guò)程進(jìn)行全程錄像，燃燒結(jié)束后分別截取煙支點(diǎn)燃、燃燒1/3、燃燒2/3和燃燒完成4個(gè)階段的圖片，導(dǎo)入電腦，用圖像分析軟件ImageJ對(duì)圖片進(jìn)行分析處理，每種煙支分別進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，煙支包灰示意如圖1所示。

不同類型的煙支分別進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)并對(duì)煙柱包灰性能進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，煙支包灰性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括碳線寬度、碳線整齊度、縮灰率、裂口率、掉灰情況、彎曲程度。而各指標(biāo)的權(quán)重主要依據(jù)云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司對(duì)消費(fèi)者關(guān)于煙支包灰性能關(guān)注程度的市場(chǎng)調(diào)研進(jìn)行確定，調(diào)研結(jié)果顯示，消費(fèi)者對(duì)煙支的包灰性能關(guān)注程度由重到輕依次為：掉灰情況、裂口率、縮灰率、彎曲程度、碳線寬度和碳線整齊度，其中裂口率指卷煙紙灰分裂口后可能會(huì)形成外翻的灰片，從而造成灰柱不光滑；而碳線寬度和碳線整齊度作為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，表征煙絲和卷煙紙燃燒的匹配程度。因此，本文對(duì)這6個(gè)指標(biāo)的權(quán)重依次設(shè)置為：0.3、0.2、0.15、0.15、0.1和0.1。最終，根據(jù)不同品牌多種價(jià)位的煙支檢測(cè)樣本，分析各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的分布情況，確定各項(xiàng)指標(biāo)得分，并依據(jù)各單項(xiàng)指標(biāo)得分及相應(yīng)的權(quán)重對(duì)煙支的包灰性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并按照公式（2）計(jì)算得到卷煙的綜合包灰性能得分。

＝1×0.1＋2×0.1＋3×0.15

＋4×0.2＋5×0.3＋6×0.15 （2）

其中，為卷煙的綜合包灰性能得分，1為碳線寬度得分，2為碳線整齊度得分，3為縮灰率得分，4為裂口率得分，5為掉灰情況得分，6為彎曲程度得分。

圖1 煙支包灰示意

碳線寬度：煙支豎直靜燃并錄像，獲取卷煙燃燒1/3、燃燒2/3、燃燒結(jié)束三個(gè)階段的圖像，利用圖像分析軟件ImageJ量取碳線區(qū)的寬度，將作為碳線寬度，取三個(gè)燃燒階段碳線寬度的平均值。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所采用四種12支市售卷煙樣品所得出的碳線寬度計(jì)算結(jié)果，對(duì)范圍為（4%，5.5%）的煙支包灰性能進(jìn)行評(píng)分。碳線寬度評(píng)分時(shí)滿分100分，當(dāng)≤4%時(shí)，碳線寬度得分1為95分；4%＜≤4.5%，碳線寬度得分1為90；4.5%＜≤5%，碳線寬度得分1為85；5%＜≤5.5%，碳線寬度得分1為80；＞5.5%時(shí)，碳線寬度得分1為75分，具體計(jì)算如式（3）所示。

其中，β為碳線寬度，L1為卷煙紙到碳線上端的距離，L2為卷煙紙到碳線下端的距離，D為卷煙直徑。

碳線整齊度：煙支豎直靜燃并錄像，獲取煙支燃燒1/3、燃燒2/3、燃燒結(jié)束3個(gè)階段的圖像，利用圖像分析軟件量取豎直方向上碳線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的距離，將作為碳線整齊度，取三個(gè)燃燒階段碳線整齊度的平均值。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)卷煙樣品所得出的碳線整齊度計(jì)算結(jié)果，對(duì)范圍為（70%，85%）的煙支包灰性能進(jìn)行評(píng)分。碳線整齊度評(píng)分時(shí)滿分100分，≥85%時(shí)，碳線整齊度得分2為95分；80%≤＜85%，碳線整齊度得分為90；75%≤＜80%，碳線整齊度得分2為85；70%≤＜75%，碳線整齊度得分2為80；＜70%時(shí)，碳線整齊度的得分2為75分，具體計(jì)算如式（4）所示。

其中，為碳線整齊度，為燃燒線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的距離，為卷煙直徑。

縮灰率：煙支豎直靜燃并錄像，獲取煙支燃燒1/3、燃燒2/3、燃燒結(jié)束3個(gè)階段的圖像，利用圖像分析軟件ImageJ量取卷煙直徑和碳線上方灰柱的直徑，將作為縮灰率，取3個(gè)燃燒階段縮灰率的平均值，縮灰率數(shù)值越大，卷煙包灰越緊。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)卷煙樣品所得出的縮灰率計(jì)算結(jié)果，對(duì)范圍為（6%，12%）的煙支包灰性能進(jìn)行評(píng)分。縮灰率進(jìn)行評(píng)分時(shí)滿分100分，≥12%時(shí)，縮灰率得分3為95分；10%≤＜12%，縮灰率得分3為90；8%≤＜10%，縮灰率得分R3為85；6%≤＜8%，縮灰率得分3為80；＜6%時(shí)，縮灰率得分3為75分，具體計(jì)算如式（5）所示。

其中，為縮灰率，1為灰柱直徑，為卷煙直徑。

裂口率：煙支豎直靜燃并錄像，獲取卷煙燃燒結(jié)束階段的圖像，利用圖像分析軟件ImageJ量取卷煙灰柱投影總面積，將圖片處理后量取灰柱裂口總面積1，將作為裂口率，裂口率數(shù)值越小，裂口率越低。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)卷煙樣品所得出的裂口率計(jì)算結(jié)果，對(duì)范圍為（1.5%，3%）的煙支包灰性能進(jìn)行評(píng)分。裂口率進(jìn)行評(píng)分時(shí)滿分100分，≤1.5%時(shí)，裂口率得分4為95分，1.5%＜＜2%，裂口率得分4為90；2%≤＜2.5%，裂口率得分R4為85；2.5%≤＜3%，裂口率得分4為80，≥3%時(shí)，裂口率得分4為75分；具體計(jì)算如式（6）所示。

其中，為裂口率，1為灰柱裂口總面積，為卷煙灰柱投影總面積。

掉灰情況：煙支豎直靜燃至完全燃燒階段，收集平臺(tái)上掉落灰分稱量，平臺(tái)上灰分質(zhì)量與煙支質(zhì)量之比為卷煙掉灰情況，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)卷煙樣品所得出的掉灰情況進(jìn)行評(píng)分。當(dāng)無(wú)灰分掉落時(shí)，掉灰情況得分5為100分，當(dāng)≤0.5%時(shí)，掉灰情況得分5為90分，當(dāng)0.5%＜≤2%時(shí)，掉灰情況得分5為80分，當(dāng)2%＜≤5%時(shí)，掉灰情況得分5為70分，當(dāng)＞5%時(shí)，掉灰情況得分5為60分。

彎曲程度：煙支豎直靜燃至完全燃燒階段，獲取卷煙燃燒結(jié)束階段的圖像，利用圖像分析軟件量取卷煙灰柱頂端與煙支未燃燒部分的距離，將該數(shù)值與卷煙直徑的比值作為彎曲程度，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)卷煙樣品所得出的彎曲情況計(jì)算結(jié)果，對(duì)范圍為（30%，90%）的煙支包灰性能進(jìn)行評(píng)分。彎曲程度進(jìn)行評(píng)分時(shí)滿分100分，≤30%時(shí)，彎曲程度得分6為95分，30%＜≤50%，彎曲程度得分6為90；50%＜≤70%，彎曲程度得分6為85；70%＜ξ≤90%，彎曲程度得分6為80，＞90%時(shí)，彎曲程度得分6為75分，具體計(jì)算如式（7）所示。

其中，為彎曲程度，為卷煙灰柱頂端與煙支的距離，為卷煙直徑。

對(duì)于不同品牌的煙支各單項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果范圍可能存在一定差異，可按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整評(píng)分范圍。

1.2.8 卷煙包灰性能各指標(biāo)方差分析

1）卷煙包灰性能各指標(biāo)組間平均和計(jì)算方法如式（8）所示：

2）卷煙包灰性能各指標(biāo)組內(nèi)平均和計(jì)算方法如式（9）所示：

3）值的計(jì)算如式（10）所示：

臨界查表可知，其中(2, 6)＝5.14，當(dāng)F值大于臨界時(shí)，則認(rèn)為該指標(biāo)在碳酸鈣顆粒尺寸變化過(guò)程中存在顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試方法的可行性

分別取國(guó)內(nèi)4家中煙公司生產(chǎn)的常規(guī)規(guī)格烤煙型卷煙樣品4種，零售價(jià)格在5～100元/包之間，每種樣品分別重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每支煙支進(jìn)行包灰性能的綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯环N樣品包灰性能綜合評(píng)分的相對(duì)偏差介于0.57%～2.35%，可見結(jié)果具有較好的精密度、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

表1 不同品牌煙支包灰性能的測(cè)定

2.2 碳酸鈣顆粒尺寸對(duì)卷煙紙透氣度的影響

圖2為三種紡錘體狀輕質(zhì)碳酸鈣的SEM圖，它們的粒徑分布及形態(tài)總結(jié)見表2。可以看出，碳酸鈣A粒徑主要集中在1.71～3.09 μm，中值粒徑為2.18 μm；碳酸鈣B則主要集中在1.28～2.30 μm，中值粒徑為1.75 μm；碳酸鈣C的粒徑主要集中在0.82～1.48 μm，中值粒徑為1.10 μm。其中碳酸鈣A粒徑分布最分散，顆粒尺寸跨度最大；碳酸鈣C的顆粒分布最集中，顆粒尺寸跨度最小。

表2 三種碳酸鈣的粒徑分布情況

圖2 三種碳酸鈣的顆粒形貌及粒徑分布

卷煙紙為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有多孔性，碳酸鈣填充在纖維縫隙，其粒徑大小影響碳酸鈣在纖維間的位置[12]。當(dāng)粒徑較小時(shí)，碳酸鈣與纖維之間位置的關(guān)系以填充為主；當(dāng)粒徑較大時(shí)，碳酸鈣與纖維之間位置的關(guān)系則以擴(kuò)充為主（圖3），而該位置關(guān)系會(huì)對(duì)卷煙紙的相關(guān)性能產(chǎn)生顯著影響[13-14]。由表3可以看出，隨著碳酸鈣粒徑的增加，其紙張的透氣度逐漸增加。當(dāng)碳酸鈣粒徑由1.10 μm（碳酸鈣C）增加到2.18 μm時(shí)（碳酸鈣A），紙樣的透氣度由309 CU增加到645 CU，增幅達(dá)到108.7%。同時(shí)，增加碳酸鈣粒徑有助于其與纖維發(fā)生搭橋作用，提高留著率[15-17]?？梢钥闯?，當(dāng)碳酸鈣的粒徑由1.10 μm增加到2.18 μm時(shí)，碳酸鈣的留著率由69.5%增加到76.3%。而隨著碳酸鈣留著率的增加，紙頁(yè)中纖維間的結(jié)合力降低，導(dǎo)致紙頁(yè)的機(jī)械強(qiáng)度由0.508 kN/m下降到0.461 kN/m。

圖3 卷煙紙張中填料與纖維的關(guān)系示意圖

表3 不同粒徑碳酸鈣卷煙紙的性能

2.3 碳酸鈣顆粒尺寸對(duì)卷煙紙包灰性能的影響

進(jìn)一步，對(duì)3種不同碳酸鈣制備的煙支進(jìn)行包灰性能測(cè)試，每組重復(fù)三次如圖4所示?？梢钥闯?，在煙支燃燒過(guò)程中9個(gè)煙支樣品均保持完整，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。分別從煙支點(diǎn)燃、燃燒1/3、燃燒2/3、燃燒結(jié)束4個(gè)階段的碳線整齊度、縮灰率、碳線寬度、掉灰情況、裂口率和彎曲程度進(jìn)行分析，綜合各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)包灰性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表4。

圖4 碳酸鈣顆粒尺寸對(duì)卷煙紙包灰性能影響

表4 碳酸鈣顆粒尺寸對(duì)卷煙紙包灰性能的影響

可以看出，卷煙紙的縮灰率受碳酸鈣尺寸影響較大，這主要是由于碳酸鈣分解產(chǎn)生的CaO顆粒與助燃劑中的鉀、鈉離子形成團(tuán)聚粘連，使得灰柱質(zhì)地緊致收縮。當(dāng)碳酸鈣尺寸較小時(shí)，分解產(chǎn)生的CO2會(huì)在無(wú)孔CaO層和CaO層內(nèi)孔擴(kuò)散，使煙柱較寬，縮灰率降低（3#卷煙紙，縮灰率均值為8.90%）[18-19]。

而卷煙紙的裂口率隨著碳酸鈣粒徑的增加而增加。卷煙紙產(chǎn)生裂口主要體現(xiàn)在卷煙紙灰分向外發(fā)生外翻，當(dāng)卷煙紙灰分的收縮速度與煙絲灰分的收縮速度不匹配，煙絲灰分的收縮速度過(guò)快兩者之間產(chǎn)生間隙及卷煙紙各部位收縮速度不一致均會(huì)導(dǎo)致煙支灰柱產(chǎn)生裂口，同時(shí)還會(huì)造成掉灰、灰柱彎曲明顯的情況產(chǎn)生[20-21]。由表4可知，用粒徑為1.10 μm的碳酸鈣制得的卷煙紙裂口率最低（3#卷煙紙，裂口率均值為1.33%）。

另外，卷煙紙燃燒時(shí)的碳線整齊度和碳線寬度隨著碳酸鈣粒徑的增加而增加，而碳線整齊度越高，樣品均勻性越好。但過(guò)高的碳線寬度不利于卷煙的包灰?？傮w來(lái)看，1#卷煙紙卷制的煙支碳線整齊度及縮灰率較好，但裂口率較高同時(shí)在燃燒過(guò)程中存在少量掉灰情況且彎曲程度較高；2 #卷煙紙卷制的煙支存在微量掉灰情況；3#卷煙紙卷制的煙支在燃燒過(guò)程中未發(fā)生煙灰掉落，燃燒時(shí)具有較窄的碳線寬度、較低的裂口率，且燃燒過(guò)程中煙柱未發(fā)生明顯彎曲，包灰性能較好。

針對(duì)碳酸鈣顆粒尺寸的不同，分別對(duì)卷煙紙的包灰性能中各單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表5所示。各單項(xiàng)指標(biāo)的值＞(2, 6)＝5.14的臨界值，且單因素方差＜0.01, 說(shuō)明含有不同碳酸鈣顆粒尺寸的煙支的包灰指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)上有顯著差異, 可以確認(rèn)顆粒尺寸在統(tǒng)計(jì)上對(duì)煙支的各包灰指標(biāo)性能有顯著相關(guān)。

對(duì)三種碳酸鈣燃燒后的形貌及顆粒尺寸進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，煙支靜燃后，三種碳酸鈣的顆粒尺寸均下降并發(fā)生團(tuán)聚（圖5）。其中，碳酸鈣C呈球形，被大量分解，其顆粒尺寸由1.10 μm降低到0.63 μm；碳酸鈣B部分分解；而碳酸鈣A仍保持紡錘狀，未發(fā)生大量分解，顆粒尺寸由2.18 μm降低到1.54 μm（表6）。結(jié)果表明，CaCO3的尺寸越小，其比表面積越大，從而有利于CaCO3熱分解，故顆粒尺寸最小的碳酸鈣C分解程度最高，這與盧尚青等人的研究結(jié)果一致[22]。

表5 包灰各單項(xiàng)指標(biāo)的方差分析

圖5 三種碳酸鈣燃燒后形貌及粒徑分布

表6 不同顆粒碳酸鈣燃燒后的物理性質(zhì)

對(duì)不同溫度煅燒后的卷煙紙樣品的FT-IR分析，見圖6。隨著溫度升高，卷煙紙中的纖維素逐漸分解。與對(duì)照組相比，當(dāng)溫度升高到600℃時(shí)，纖維素在3379 cm-1處的O-H伸縮振動(dòng)、2902 cm-1處的甲基C-H伸縮振動(dòng)，以及1169、1141和1046 cm-1處的C-O特征吸收峰消失；僅留下1462 cm-1處碳酸鈣的C-O伸縮振動(dòng)，891 cm-1和711 cm-1處CO32-的面內(nèi)彎曲振動(dòng)和面外彎曲振動(dòng)，說(shuō)明纖維素被完全分解。

同時(shí)，由于纖維素裂解生成了醛和酯類化合物，導(dǎo)致2519和1793 cm-1處的C=O吸收峰強(qiáng)度增 加[23-25]。當(dāng)處理溫度大于600℃時(shí)，其1462 cm-1處C-O伸縮振動(dòng)的吸收峰強(qiáng)度明顯降低，同時(shí)在 3643 cm-1處產(chǎn)生Ca-O吸收峰，且該處的吸收峰峰強(qiáng)隨處理溫度的增加而逐漸增大，表明卷煙紙紙樣中CaCO3開始分解并生成CaO和CO2，且CaCO3分解程度隨著處理溫度的增加而增大。當(dāng)處理溫度達(dá)到900℃時(shí)，卷煙紙樣中各吸收峰強(qiáng)度均減弱，僅有Ca-O吸收峰強(qiáng)度增加，說(shuō)明煙支中的纖維素完全分解，而CaCO3分解為CaO[26-27]。而CaO可以與助燃劑中的鉀、鈉離子形成團(tuán)聚粘連，從而達(dá)到卷煙完全燃燒的同時(shí)灰片不散落，提高了煙支的包灰效果[28]。

圖6 卷煙紙不同溫度下FT-IR圖譜

3 結(jié)論

本文就平均粒徑分別為1.10、1.75和2.18 μm的三種紡錘狀輕質(zhì)碳酸鈣，對(duì)卷煙紙透氣度和包灰性能的影響進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）較大粒徑有助于提高填料的留著率和紙張的透氣度，但會(huì)影響紙張的抗張強(qiáng)度。

2）碳酸鈣在卷煙燃燒時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生CaO，且其粒徑越小就越利于分解。而分解產(chǎn)生的CaO可與助燃劑中的鉀、鈉離子形成團(tuán)聚粘連，從而提升煙支的包灰性能；但小粒徑的碳酸鈣對(duì)煙支的碳線整齊度和縮灰率有負(fù)面影響。

3）在卷煙紙生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)卷煙紙所需性能要求來(lái)選擇碳酸鈣粒徑。其中，較大的粒徑有利于提升卷煙紙的透氣度；而較小的粒徑則對(duì)卷煙紙的包灰性能有利。

[1] 李景權(quán), 何昱軒, 孫文軒. 卷煙薄荷香型微膠囊顆粒的制備及其應(yīng)用研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2020, 41(20): 194-199.

[2] 朱伯和, 黎禮麗, 張強(qiáng), 等. 國(guó)產(chǎn)中支卷煙發(fā)展現(xiàn)狀與市場(chǎng)前景分析[J]. 商場(chǎng)現(xiàn)代化, 2019(11): 1-2.

[3] 程生博, 余翔, 岳華峰, 等. 國(guó)內(nèi)細(xì)支卷煙研發(fā)成果與展望[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2021(9): 238-241.

[4] 趙文平. 基于專利視角的煙草企業(yè)包裝領(lǐng)域技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)分析[D]. 華南理工大學(xué), 2015.

[5] 鐘家威, 毛多斌, 黃朝章, 等. 卷煙紙?zhí)妓徕}變化對(duì)卷煙抽吸溫度及煙氣常規(guī)成分的影響[J]. 廣東化工, 2017, 44(22): 47-48.

[6] 張瑩, 詹建波, 繆明明, 等. 卷煙紙對(duì)卷煙凝灰性能的影響分析[J]. 中國(guó)造紙, 2017, 36(7): 44-47.

[7] 張永鑫, 字建祥, 李冬雪, 等. 幾種闊葉木漿在卷煙紙生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)造紙, 2020, 39(11): 78-82.

[8] 顏鑫, 文明春. 卷煙紙專用PCC平均粒徑及粒度分布控制技術(shù)[J]. 紙和造紙, 2011, 30(1): 39-42.

[9] SHEN J, LI J S, QIAN X R,. A review on the engineering of cellulosic cigarette paper to reduce carbon monoxide delivery of cigarettes[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 101: 769-775.

[10] 雀靜, 魯紅昌, 劉明, 等. 碳酸鈣形態(tài)對(duì)卷煙紙透氣性能和凝灰性能的影響[J]. 中國(guó)造紙, 2021, 40(10): 128-132.

[11] 李洪艷. 碳酸鈣在卷煙紙生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 造紙化學(xué)品, 2008(4): 42-44.

[12] GULLICHSEN J, PAULAPURO H. Papermaking science and technology book 4: Papermaking chemistry[M]. Helsinki: Finnish Paper Engineers’ Association and TAPPI, 1999.

[13] 呂曉慧, 陽(yáng)路, 劉文波. 紙張的孔隙及其結(jié)構(gòu)性能[J]. 中國(guó)造紙, 2016, 35(3): 64-70.

[14] 李琳. 填料聚集體形態(tài)與分布特征對(duì)紙張性能的影響及其調(diào)控機(jī)制[D]. 陜西科技大學(xué), 2019.

[15] 胡永明. 卷煙紙專用碳酸鈣的碳化工藝及控制[J]. 華東紙業(yè), 2012, 43(6): 36-39.

[16] 崔麗娟. 紙張層間加填工藝及成紙機(jī)理的研究[D]. 陜西科技大學(xué), 2012.

[17] 陳澤亮, 羅瑋, 劉又年, 等. 碳酸鈣粒徑與含量對(duì)卷煙紙微孔結(jié)構(gòu)及主流煙氣CO釋放量的影響[J]. 煙草科技, 2015, 48(5): 41-46.

[18] 李騰, 張瑩, 潘文, 等. 黃斑污染物對(duì)卷煙紙熱解燃燒特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 中國(guó)造紙, 2023, 42(1): 86-92.

[19] 鄭豐, 肖翠翠, 王小平, 等. 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)卷煙靜態(tài)包灰性能的影響[J]. 煙草科技, 2020, 53(3): 82-88.

[20] 李歡, 王建民, 王豪禮, 等. 卷煙紙參數(shù)對(duì)卷煙持灰能力的影響[J]. 食品與機(jī)械, 2021, 37(6): 207-212.

[21] 王孝峰, 張勁, 鄭豐, 等. 卷煙燃燒灰分形成機(jī)制研究[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào), 2022, 28(2): 14-26.

[22] 盧尚青, 吳素芳. 碳酸鈣熱分解進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(8): 2895-2902.

[23] 張國(guó)強(qiáng), 黃朝章, 羅靖, 等. 熱裂解/固相微萃取-氣質(zhì)法分析卷煙紙漿料的熱裂解物[J]. 中國(guó)造紙, 2017, 36(1): 20-23.

[24] ZHOU S, WANG X F, HE Q,. Thermal degradation and flammability of low ignition propensity cigarette paper[J]. Tobacco Science & Technology, 2014, 110: 24-33.

[25] 彭曉萌, 王健, 田振峰, 等. 利用熱重分析法測(cè)定卷煙紙中碳酸鈣的含量[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù), 2019, 38(5): 31-35.

[26] 黃華, 戴路, 周煒, 等. 水松紙透氣度對(duì)中支卷煙主流煙氣及燃燒溫度的影響[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2022, 48: 1-6.

[27] 戴路, 湯曉東, 張立立, 等. 卷煙紙鉀鹽對(duì)卷煙燃吸過(guò)程的影響[J]. 煙草科技, 2021, 54(12): 73-80.

[28] 馬保國(guó), 徐立, 李相國(guó), 等. 有機(jī)酸對(duì)碳酸鈣熱分解過(guò)程的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008(4): 29-31.

Effect of Grain Size of Calcium Carbonate on Air Permeability and Ash Setting Properties of Cigarette Paper

CAO Shuwan1, LI Yi2*, YU Zhenhua3, SONG Yunshan4,LU Hongchang4, PENG Lingcai1, ZHANG Junhua1*

（1. Faculty of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Dali Branch of Yunnan Leaf Tobacco Redrying Co., Ltd., Dali 650202, China;3. Technology Center of Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming 650231, China;4. Yunnan Hongta Blue Eagle Paper Co., Ltd., Jianshui 654300, China）

In this study, the effects of fusiform light calcium carbonate with different particle sizes of 1.10, 1.75 and 2.18 μm on the air permeability and ash retention of cigarette paper were studied. And the influence of the particle size of calcium carbonate on the ash retention performance of cigarette was analyzed from the aspects of carbon line uniformity, ash shrinkage rate, carbon line width, ash drop, crack rate and bending degree based on the computer image analysis method. The results reveal that the grain size of light calcium carbonate greatly influenced the breathability of cigarette paper. The larger the grain size, the higher the breathability of cigarette paper. However, excessive grain size led to a decrease in the tensile strength of cigarette paper. Moreover, calcium carbonate with different particle sizes has different ash condensation effects, the smaller grain size improved the ash condensation performance of cigarettes in aspects of burn line width, ash crack rate, ash loss, and degree of the crook, but it was not good for the ash shrink rate and burn line uniformity of cigarettes.

cigarette paper; fusiform light calcium carbonate; grain size; air permeability; ash condensation

2023-11-28

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技開發(fā)項(xiàng)目（No: 2021539200340270）；紅塔藍(lán)鷹紙業(yè)有限公司科技開發(fā)項(xiàng)目（No: HTBE/FWHT2023-005）。

曹淑婉（1997～），女，碩士；研究方向：卷煙材料開發(fā)。caoshuwan1997@163.com

李屹（1982～），男，碩士，工程師；研究方向：打葉復(fù)烤工藝管理、設(shè)備管理。122205999@qq.com

張俊華（1979～），男，博士，教授；研究方向：生物質(zhì)能源化工與綠色催化、卷煙材料開發(fā)與品質(zhì)分析。zhangjh@kust.edu.cn

TS727.2

A

1004-8405(2023)04-0039-10

10.16561/j.cnki.xws.2023.04.08