非木材纖維在卷煙工業用紙中的應用

2011-11-22 01:57:06李桂珍龔安達劉潤昌張國強

中國造紙 2011年5期

李桂珍龔安達劉潤昌張國強

(1.福建中煙工業公司技術中心，福建廈門，361022;2.云南瑞升煙草技術 (集團)有限公司，云南昆明，650106)

非木材纖維在卷煙工業用紙中的應用

李桂珍1龔安達1劉潤昌2張國強1

(1.福建中煙工業公司技術中心，福建廈門，361022;2.云南瑞升煙草技術 (集團)有限公司，云南昆明，650106)

詳細討論了近年來國內外麻類纖維和煙草纖維制漿研究現狀及其在卷煙工業用紙中的應用，并指出未來的重點開發方向以及實現工業化存在的問題。

麻類纖維;制漿;卷煙輔料

長期以來，麻類纖維和煙草纖維原料在非木材纖維制漿中占據著非常重要的地位。麻類纖維包括大麻、劍麻、紅麻、亞麻、黃麻、馬尼拉麻等;煙草纖維包括煙稈纖維、煙梗纖維和煙葉纖維。作為優良的纖維原料，麻類作物的韌皮纖維一直備受重視，一方面其在性能上能很好地取代針葉木長纖維，另一方面，其本身又具有很多木材纖維所不能比擬的優勢，如表面多孔性、纖維柔軟度高等。

在卷煙工業中，煙絲之外的輔材，無論“三紙一棒”(即卷煙紙、接裝紙、成型紙、煙用濾棒)還是包裝材料，均受到越來越多的重視。麻類纖維和煙草纖維越來越多地被用于研究和開發具備特殊功能的卷煙輔料中。本文中筆者著重討論麻類纖維和煙草纖維的制漿性能研究現狀及其在卷煙工業中的應用。

1 制漿性能

1.1 大麻

大麻 (Cannabis sativa L.)是大麻科、大麻屬的唯一種類，莖稈由韌皮部、木質部和髓部組成，韌皮部約占25%，木質部約占70%。大麻原料各部分的性質很不均一，韌皮部纖維細長、強韌;木質部纖維則較短，長度與闊葉木纖維接近。大麻作為造紙原料，由于韌皮纖維和芯稈纖維完全不同，在工業應用上存在一定的困難，如在成本較低下分離二者、收割后的存儲、農業種植、原料穩定性等［1］。Ranalli等［2］認為應該發展更具特色的大麻作物，深入了解大麻生長規律，控制其新陳代謝。

從纖維角度看，大麻纖維是優良的造紙原料，但也因韌皮纖維和芯稈纖維的巨大差異，將兩者分離很有必要，同時也帶來了一些工業問題。因此，很多學者不僅研究韌皮纖維和芯稈纖維各自的制漿性能，還研究兩者混合時的制漿性能。

作為闊葉木化學漿的增強纖維，大麻纖維可以提高紙張的撕裂指數和松厚度［3］。在APMP制漿研究中［4］，大麻全稈制取APMP漿不能有效地發揮大麻韌皮部長纖維的作用;大麻芯稈APMP漿配入20%針葉木漂白硫酸鹽漿，所得紙張白度、不透明度和物理強度均可達到優質新聞紙的標準;用大麻韌皮纖維制取的半漂硫酸鹽漿，配比1∶(2～3)的大麻芯稈APMP漿，亦可獲得優質新聞紙。針對大麻生產高質量漿料時遇到樹脂沉積的問題，Gutiérrez等［5］用丙酮提取樹脂，分別采用GC和GC/MS，熱裂解-GC/MS分析了溶出物以及不溶物，認為在生產過程中，由于消泡劑和多價離子的不適當應用引起了大麻抽提物的沉積，導致了樹脂障礙。

在大麻芯稈硫酸鹽漿的漂白研究中，褚媛媛等［6］采用兩段中濃氧脫木素工藝脫除了蒸煮殘余木素的57.6%，漂后漿白度達60.1%，并有效減少了后續漂白段化學藥品的用量。齊紅等［7］研究了大麻全稈漿的氧漂性能，比較了氧脫木素、氧強化過氧化氫漂白以及過氧化氫強化氧脫木素的漂白效果，研究結果表明氧強化過氧化氫漂白效果最好。

Khristova等［8］以法國大麻漿為原料，進行TCF多段漂白，研究了四乙酰乙二胺 (TAED)、漿料超聲波預處理對漿料白度的影響，以及溫度、時間、化學藥品量、TAED與過氧化氫的比例、堿度等因素對高白度、高黏度漿的影響。在低溫或者低堿度情形下，TAED有利于活化過氧化氫，超聲預處理4 min能使漿料白度提高3%～4%，并有利于木素的進一步脫除。

1.2 紅麻

紅麻屬錦葵科木槿屬，俗稱洋麻、槿麻、葵麻等，是一種重要的可再生植物纖維資源及較優良的非木材造紙纖維原料。通常紅麻全稈高約3～5 m，直徑1～4 cm，由韌皮部和木質芯稈兩個部分組成。紅麻芯稈纖維短而粗，平均長0.51 mm;韌皮纖維長而細，平均長2.34 mm;紅麻全稈的纖維平均長度為1.22 mm，接近于針葉木纖維。從紅麻原料的結構、木素含量、半纖維素組成與含量及與現有新型制漿工藝的銜接等方面看，紅麻是一種比較理想的生物制漿研發材料［9］。

紅麻作為造紙原料，對其全稈的研究比較多。徐俊等［10］的研究結果表明，紅麻全稈硫酸鹽法制漿較佳的工藝條件為:用堿量18%(以Na2O計)，硫化度25%，溫度165℃，保溫時間2 h，可在常規的草類制漿生產線上正常生產，得率為45%，卡伯值為22。在紅麻APMP制漿的研究中，楊汝男等［11］探索了紅麻全稈 (取自黑龍江大慶地區)的制漿性能，并優化了APMP制漿工藝條件。實驗結果表明，紅麻全稈制APMP漿是可行的，漿料經漂白后能滿足一般文化用紙的要求。Villar等［12］利用紅麻全稈原料進行硫酸鹽法制漿，分析了韌皮漿和芯稈漿在造紙應用上的優缺點及互補性。紅麻韌皮漿質量高，但卻大大降低了紅麻作物的利用率，芯稈漿各方面的性質較差，但在抗張指數、耐破指數上卻優于韌皮漿。與韌皮漿相比，紅麻混合漿具有更好的結合性能，但芯稈纖維比例太高會造成漿料濾水困難，成紙的撕裂強度較低，透氣度較差。綜合各方面的因素認為，在混合漿中添加34%的紅麻芯稈纖維較為理想。

還有一些學者分別研究了紅麻韌皮和芯稈的制漿性能。韌皮和芯稈的制漿性能完全不同，因其化學組成差異較大，如熱水抽出物含量、木素含量及結構、半纖維含量等［13］。對韌皮的研究中，Keshk等［14］用草酸銨、氫氧化鈉以及亞氯酸鹽處理紅麻韌皮，通過檢測所得漿料的纖維素、半纖維、木素、黏度、聚合度以及結晶指數，討論了各種不同處理順序對漿料的影響。類似文獻中，日本學者［15］討論了高黏度紅麻韌皮漿的制備方法，用草酸銨、氫氧化鈉及次氯酸鈉，以不同的處理順序，在不同條件下處理紅麻韌皮，具體情況如表1所示。

表1 高黏度紅麻韌皮漿的制備方法

通過檢測發現，B號漿的平均纖維長度最長，而A號漿黏度較高，成紙物理性能較好。較之商品紅麻韌皮漿及木漿，上述3種漿的黏度和強度性能均較好。Guang等還進一步研究了上述3種高黏度紅麻韌皮纖維漿的物理結構特性［16］。

Khristova等［17］采用蘇打-蒽醌法 (Soda-AQ)、堿性亞硫酸鹽-蒽醌法 (AS-AQ)、以及紅麻堿性亞硫酸鹽蒽醌甲醇法 (ASAM)對紅麻芯稈、韌皮以及全稈進行了蒸煮。根據對漿料得率、黏度、白度、物理強度等方面的比較，認為AS-AQ較之Soda-AQ更適用于蒸煮紅麻全稈和韌皮，而ASAM則對木素的脫除更具選擇性，同時漿料得率較高、卡伯值較低、黏度、白度、強度較高。與紅麻純韌皮纖維漿相比，紅麻混合漿中含70%的芯稈纖維時，所得漿料的物理強度和光學性能較佳，這與Villar等［12］的結論相似。

原料的評價方面，Mazumder等［18］采用了較為新穎的研究方法。對生長時間分別為76天、116天、152天、185天以及226天的紅麻韌皮纖維先進行熱裂解，然后對裂解產物進行氣相色譜分析，發現紅麻韌皮纖維的木素含量到生長期152天后才不再增加。隨著成熟度的增加，紫丁香基裂解產物增加，愈瘡木基裂解產物減少，兩者的比例從1.86增加到3.16。定量裂解分析表明，生長5個月時的紅麻是一種較易脫除木素的原料。這給其他原料的評價提供了借鑒參考的依據。

1.3 亞麻、劍麻、馬尼拉麻

亞麻是純天然纖維，具有吸汗、透氣性良好、對人體無害等特點，同時也是油料作物。鑒于以上特點，亞麻在紡織工業中的開發應用研究較多，而在造紙工業中，僅在某些特種紙的應用中有研究，如卷煙紙。劍麻屬于龍舌蘭屬，多年生葉纖維作物，是用量最大的硬質纖維，傳統上主要用于制作各種繩索等。馬尼拉麻也稱蕉麻，屬于芭蕉科，芭蕉屬多年生草本植物，屬硬質纖維，主要用于制作繩索、麻布、包裝袋等。作為重要的天然纖維，對以上各種麻類纖維進行深入研究，挖掘并擴大其利用價值，具有重要的意義。

劍麻的親脂性抽出物含量較高，成分復雜，是制漿過程中的一個不利因素［19］。在堿性制漿中，劍麻木聚糖的側鏈基本全部被脫除，乙?；凰?，可有效提高漿料后續 TCF或ECF漂白性能［20］。Marques等［21］以亞麻、劍麻以及馬尼拉麻為原料進行Soda-AQ制漿，并進行TCF和ECF漂白，采用氣相色譜-質譜法分析了原料、未漂漿以及漂白漿中親脂性抽出物的變化規律。這一分析很好地指導了制漿及漂白工藝參數的制訂，有效地提高漿料質量和性能。曾靖山等［22］通過對劍麻纖維原料爆破法處理，繼而進行燒堿法化學蒸煮，以研究劍麻纖維爆破-燒堿法的制漿性能。在低堿量、短時間的條件下，制得了高性能的劍麻化學漿，達到了高得率、高性能、高效率和低化學藥品用量的制漿目的。

1.4 煙草纖維

煙草纖維包括從煙葉采收到卷煙制造整個過程中產生的煙梗、碎葉、碎末等，還包括煙葉采收后存留下的煙稈。在煙梗、碎葉、碎末等的利用中，目前普遍采用的合理、經濟、高效益的方法是利用其生產再造煙葉，即煙草薄片。造紙法再造煙葉生產是一項頗為成熟的技術，因此對煙梗、碎葉等制漿性能研究已經較為深入。碎葉中基本不含纖維，煙梗中的纖維含量一般在5%左右，從煙草纖維構成的化學物質來看，木素含量較低，主要成分是糖類化合物，因此，一般不采用化學法制漿，直接進行磨漿處理。

但煙稈作為管控作物的廢棄物，長期以來都是采用焚燒的方法來處理，不僅造成大氣污染，還給土壤帶來不利影響。煙稈纖維雜細胞含量較多，纖維較短，強度較低。Shirley等［23］探討了煙稈的工業利用性能，采用蒸汽爆破法進行制漿，通過兩段化學預處理，提高了漿料白度、得率以及強度性能，纖維長度分布較好。梁虎南等［24］通過正交實驗探索了煙稈APMP漿的最佳工藝條件并探討了磨漿盤磨間隙、煙稈除髓對漿料質量的影響，獲得了性能較好的漿料。Shinya等［25］用酶對煙株進行轉基因抑制，改變木素組成和結構，研究表明，處理過的煙稈的木素脫除效率、選擇性更高，漿料得率較高，漿料的漂白性能更好，漂白化學品用量較低，對紙張的物理性能和光學性能沒有負面影響。如果這一研究在提高煙稈制漿性能的同時，保持煙葉性能不受影響且穩定，甚至更佳，將具有非常重要的經濟價值。

2 在卷煙輔料中的應用

2.1 卷煙紙

卷煙紙作為一種重要的卷煙輔料，約占煙支總質量的5%。卷煙紙直接參與煙支的燃燒，不僅影響煙支燃燒速率，還對卷煙感官抽吸質量、主流/測流煙氣成分以及卷煙包灰效果具有重要的影響。

纖維是卷煙紙的主要組成部分，約占卷煙紙絕干質量的60%～70%。木漿纖維在燃燒過程中會釋放一些對卷煙吸味產生負面影響的物質，產生類似木質氣的雜氣。麻類纖維在燃燒過程中產生的木質雜氣較少，使卷煙更體現香氣的本來特征。目前，無論是在國內還是國外，麻類纖維中的亞麻纖維、大麻纖維均較多地被應用于卷煙紙的生產中。有學者對不同原料的卷煙紙進行熱裂解產物分析發現，針葉木漿、闊葉木漿的主要裂解產物為醛酮類化合物，在較高溫度下，產生大量對卷煙吸味有貢獻的呋喃類及酮類物質，但麻漿纖維熱裂解的產物種類較少，不產生對卷煙吸味有負面作用的小分子有機酸等［26］。孫川等［27-29］用熱失重、熱裂解-氣質聯用等方法對麻漿卷煙紙進行了熱裂解行為研究，分析得出了麻類纖維熱裂解行為規律，所產生的有益及有害物質含量變化趨勢，并探討了產生這種變化的可能原因。

這些方法同樣可以應用于研究其他纖維原料或添加物在卷煙紙中的作用，對卷煙輔料工業的發展具有重要的意義。例如，以上述方法為評價手段，對已有的煙草纖維作為纖維原料應用于卷煙紙中，生產出彩色卷煙紙并應用于中高端卷煙中，不僅對卷煙吸味有保持作用，還在外觀、原料利用等方面具有創新意義。

2.2 成型紙及絲束

成型紙又稱濾嘴棒紙，在卷煙濾嘴中包裹醋酸纖維絲束，分為普通型和高透型。高透成型紙在嘴棒成型機上使用時既需要具有較好的表面強度、不掉粉，又需要有足夠的抗水性，對原料要求較高，與成紙纖維的平均長度、粗度、微纖絲角等有密切的關系。麻類纖維纖細的纖維形態，較大的微纖絲角等特征，使得以麻漿為原料的紙張具有較好的松厚度和透氣度，這些特征較好地滿足了高透成型紙的制造。在國外，已有較多的成型紙以劍麻纖維等為原料進行加工，生產出高質量濾棒成型紙。

濾嘴棒通過成型紙包裹絲束成型后，對煙氣中的有害成分有物流截留和化學吸附等作用。絲束的主要成分是醋酸纖維素，是源于天然植物的纖維素通過醋化后溶解在丙酮中再進行紡絲制成的。目前，用于制造醋酸纖維素的原料主要是木漿和棉漿。來源于不同植物纖維原料的纖維素的化學反應性能以及制得的變性纖維素性能也有所不同，麻類纖維除了在制造卷煙紙時表現出其獨特的性能外，在制造醋纖絲束時是否也會表現出其獨特的性能，值得探討。

2.3 煙用外包裝材料

煙用外包裝材料包括內襯紙、煙包卡紙以及條盒包裝紙板等，在煙支的物理及化學保護、卷煙營銷等過程中起到至關重要的作用。目前，使用的內襯紙通過鋁箔復合，起保持煙支水分和香味成分不散失的作用，但成本較高且不利于環境保護。嘗試用特殊纖維生產致密的內襯紙，不僅能起到保持煙支水分和香味的作用，還可避免使用鋁箔，減少工序，節約成本。目前，市場上已有未經鋁箔復合的煙用內襯紙。煙包卡紙作為高檔包裝紙，面層和里層一直用價格較高的針葉木和闊葉木漂白硫酸鹽漿等進行抄造，嘗試用其他非木材纖維進行部分替代，不失為一種節約成本，同時又較好保證質量的方法。

3 結語

無論是在卷煙輔料生產中，還是在其他紙和紙板生產中，麻類纖維和煙草纖維都將持續發揮巨大的作用。目前的研究，一方面拓展了原料的范圍，即發掘新纖維原料，另一方面也對某種原料進行較為深入的開發。但同時也存在著很多無論是研究中還是實踐中應該考慮的問題。

首先是清潔制漿技術的深入研究。草類原料的傳統化學制漿本身存在較嚴重的污染問題，化學藥品消耗量較大，利用率低，藥品回收困難，木素等副產品利用困難。因此，新型環保、清潔制漿技術需要更進一步的開發，如蒸汽爆破法、有機溶劑法以及化學機械法制漿等。

其次，針對特殊卷煙輔料的開發。植物纖維屬天然纖維，利用植物纖維本身的特性，研究開發特殊卷煙輔料，一方面發揮植物纖維本身的性能優勢，另一方面需要針對各種輔料特定的要求進行專門的研究。如在卷煙紙開發研究中，通過制漿工藝和通過化學手段，來減少或消除一些對煙氣有害的物質或成分等。

最后，工業應用時原料的保障。麻類纖維和煙草纖維，從纖維種類到生長區域，從生長期到氣候條件，都將影響其纖維的化學組成及物理性能，這就大大影響了漿料以及后續半成品、成品的質量穩定性。尤其在要求嚴格的卷煙紙及卷煙輔料方面，如果不能有效地對原料進行保障，實現產業化則將任重道遠。

［1］ Bowyer J．Industrial Hemp(Cannabis sativa L．)as a Papermaking Raw Material in Minnesota:Technical，Economic，and Environmental Considerations［D/OL］．http://marijuanau．com/books/jemp．pdf，2001．

［2］ Ranalli P，Venturi．Hemp as a raw material for industrial applications［J］．Euphytica，2004，140:1．

［3］勞保嘉．用大麻化學漿作為闊葉木APMP的增強纖維［J］．紙和造紙，2005，24(4):60．

［4］王立鵬，張運展，梁富政．大麻APMP制新聞紙的實驗［J］．中國造紙，2003，22(3):23．

［5］ Gutiérrez A，Río J．Chemical characterization of pitch deposits produced in the manufacturing of high-quality paper pulps from hemp fibers［J］．Bio-resource Technology，2005，96:1445．

［6］褚媛媛，陳克復，徐峻，等．大麻芯稈硫酸鹽漿兩段中濃氧脫木素［J］．紙和造紙，2006，25(6):18．

［7］齊紅，黃英華，羅少初．全稈大麻氧漂探討［J］．紙和造紙，2007，26(6):41．

［8］ Khristova P，Tomkinson G，Jones L，et al．Multistage peroxide bleaching of French hemp［J］．Industrial Crops and Products，2003，18:101．

［9］張運雄，劉正初．紅麻生物制漿研究進展［J］．中國造紙學報，2005，20(2):174．

［10］徐峻，陳克復，田英姿．紅麻全稈硫酸鹽法制漿工藝的優化［J］．紙和造紙，2007，26(5):5．

［11］楊汝男，王巖，李士勇．紅麻全稈制APMP的探討［J］．中國造紙學報，2007，22(4):47．

［12］ Villar J，Revilla N，Gómez．Improving the use of kenaf for kraft pul-ping by using mixtures of bast and core fibers［J］．Industrial Crops and Products，2009，29:301．

［13］ Ohtani Y，Mazumder．Influence of the chemical composition of kenaf bast and core on the alkaline pulping response［J］．Journal of Wood Science，2001，47:30．

［14］ Keshk S，Suwinarti W，Sameshima K．Physicochemical characterization of different treatment sequences on kenaf bast fiber［J］．Carbohydrate Polymers，2006，65:202．

［15］ Suwinarti W，Wang Yu，Sameshima K．Production Methods of High Viscosity Kenaf Bast Pulp for Papermaking［J］．Japan TAPPI Journal，2005，59(6):889．

［16］ Guang Fan Jin，Akiko，Katsuyoshi S．Chemical characteristics and kraft pulping response of Hibiscus cannabinus bast［J］．Journal of the Japan Wood Research Society，2006，52(2):107．

［17］ Khristova P，Kordsachia．Alkaline pulping with additives of kenaf from Sudan［J］．Industrial Crops and Products，2002，15:229．

［18］ Bibhuti B，Mazumder，Nakgawa-izumi，et al．Evaluation of harvesting time effects on kenaf bast lignin by pyrolysis-gas chromatography［J］．Industrial Crops and Products，2005，21:17．

［19］ Gutiérrez A，Rodríguez，Río J．Chemical composition of lipophilic extractives from sisal(Agave sisalana)fibers［J］．Industrial Crops and Products，2008，28(1):81．

［20］ Marques G，Gutiérrez A，Río J．Acetylated heteroxylan from Agave sisalana and its behavior in alkaline pulping and TCF_ECF bleaching［J］．Carbohydrate Polymers，2010，81(3):517．

［21］ Marques G，Río J，Gutiérrez A．Lipophilic extractives from several nonwoody lignocellulosic crops(flax，hemp，sisal，abaca)and their fate during alkaline pulping and TCF/ECF bleaching［J］．Bio-resource Technology，2010，101(1):260．

［22］曾靖山，梁云，胡健．劍麻纖維爆破-燒堿法制漿［J］．紙和造紙，2006，25(增刊):44．

［23］ Shirley A，Maekawa，Suzuki K．Industrial utilization of tobacco stalks in preparation and characterization of tobacco pulp by steam explosion pulping［J］．Journal of Wood Science，2000，46:222．

［24］梁虎南，劉秉越．煙稈制堿性過氧化氫機械漿［J］．黑龍江造紙，2003(3):5．

［25］ Shinya K，Ishifuji，Hiroshi O．Improvement in pulping and bleaching properties of xylem from transgenic tobacco plants［J］．Journal of the Science of Food and Agriculture，2002，82(10):1216．

［26］羅麗莉，黃海群，楊紹文，等．卷煙紙常用纖維原料熱裂解產物分析［J］．中國造紙，2008，27(4):47．

［27］彭建新，孫川，張碰元，等．卷煙紙用麻漿熱解行為研究［J］．應用化工，2009，38(11):1609．

［28］孫川，桂永發，繆明明．麻漿卷煙紙熱裂解產物的氣相色譜/質譜分析［J］．應用化學，2008，25(12):1478．

［29］孫川，桂永發，陸舍銘，等．麻漿卷煙紙熱裂解行為研究［J］．質譜學報，2008，29(4):237．

Application of Non-wood Fiber Materials in the Papers Used in Tobacco Industry

LI Gui-zhen1GONG An-da1LIU Run-chang2，*ZHANG Guo-qiang1
(1．China Tobacco Fujian Industrial Corporation，R＆D Center，Xiamen，Fujian Province，361022;2．Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan Province，650106)

The non-wood fiber materials will still play a very important role in the foreseeable future in the pulp and paper industry of China．Non-wood fibers are widely used in tobacco industry as raw materials of cigarette auxiliary parts，such as cigarette paper，plug wrapper，filter tow，inner backing paper and packet．This paper provides a summary of currently available knowledge in the area of pulping and paper making with non-wood fiber materials．This paper also discusses the potential application of non-wood fibers in tobacco industry，especially bastfibers，and also discusses the problems in its commercialization．

non-wood fiber;bast-fiber;pulping;auxiliary material of cigarette

TS721+.3

0254-508X(2011)05-0069-05