改性聚乳酸絲束的濾棒成型技術研究

岳保山，王濤，龔為民，詹建波，王浩，魏宏，李賡，桂永發，謝姣

（云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650000）

聚乳酸纖維的物理、化學性能與醋纖相似[1]，但較低的成本、良好的可降解性及優良的化學穩定性，加之與醋酸纖維濾嘴在卷煙上有著近似的煙氣和口感，使其成為可行的濾嘴材料替代品之一[2]。國內外的研究者對聚乳酸纖維制備方法、性能特征、成型工藝等進行了大量的研究[3-11]，但多集中在紡織行業，對聚乳酸纖維濾棒的研究多集中在專利[12-16]方面，開展的相關研究[1-2，17-19]沒有進行相關的卷煙生產試驗，缺乏濾棒成型工藝的詳細研究；很少考察聚乳酸絲束參數對濾棒質量的影響，難以保證濾棒質量的穩定；使用的增塑劑（膠黏劑）多有異味、易揮發，有些有毒性，不能滿足聚乳酸纖維濾棒成型的要求；濾棒硬度隨放置時間延長下降，煙支接裝困難。筆者根據改性聚乳酸絲束的性能特點，針對改性聚纖維濾棒生產工藝進行生產試驗，制定工藝流程、確定工藝參數、選定絲束規格，在保證改性聚乳酸絲束能夠在成型機上能夠生產出符合質量要求的濾棒的基礎上，實現改性聚乳酸纖維濾棒的工業化生產。

1 材料與方法

1.1 材料、設備

材料：改性聚乳酸纖維濾棒 醋酸纖維濾棒。

設備：濾棒成型機KDF2（德國Hauni公司）、濾棒發射機Filtromat-s 2A Nr.856（德國Hauni公司）、濾棒綜合測試臺Sodim 74Lin29（法國Sodim公司）。

1.2 方法

在絲束規格一定的情況下，輥速比、螺紋輥壓力、空氣噴嘴壓力及穩定輥壓力等參數對絲束穩定開松和成型起決定性作用[19]。由于改性聚乳纖絲束和醋纖絲束均具有可以被三乙酸甘油酯增塑的特點，借鑒醋纖濾棒加工工藝制訂了改性聚乳酸濾棒的生產工藝流程；為了研究濾棒成型工藝中開松輥壓力、開松速比、增塑劑施加量對絲束開松情況及濾棒物理參數的影響，通過單因素生產試驗開展上述幾個關鍵因素對絲束開松效果及濾棒性能的影響。

2 結果與討論

2.1 關鍵工序工藝技術研究

絲束開松、施加增塑劑、卷制成型及濾棒切割為改性聚乳酸纖維濾棒生產工藝流程中的關鍵工序。表1為醋纖及改性聚乳酸絲束兩種絲束物理指標。

表1 改性聚乳酸絲束的物理指標和醋纖絲束物理指標差異表Table 1 Physical index of modified polylactic acid tow and difference table of physical index of acetate fiber bundle

根據表1所示，由于兩種絲束的水分、斷裂強度、油劑的差異，對濾棒生產過程中絲束開松效果、增塑劑施加量有直接影響，對改性聚乳酸絲束開松及施加增塑劑關鍵工序的工藝技術參數進行研究。

2.2 開松工藝技術分析

開松工藝技術參數直接影響絲束的開松效果，濾棒的硬度、吸阻等物理指標和外觀質量。適合的開松工藝技術參數，可以使絲束得到有效分離，形成均勻的網狀結構，達到良好的開松效果，從而獲得符合質量要求的濾棒。

開松工藝參數主要包括開松速比和開松輥壓力。在絲束規格（3.6Y/45000）一定的情況下，開松輥壓力過小，絲束不能有效分離，造成開松不良，吸阻和硬度偏低，濾棒產生縮頭等質量問題；開松輥壓力過大，造成開松過度，吸阻和硬度反而降低；在絲束規格一定的情況下，開松速比過小，造成開松不良，產生縮頭，濾棒吸阻和硬度偏低；開松速比過大，造成開松過度，濾棒吸阻和硬度偏低。

2.2.1 開松輥壓力對絲束開松情況及濾棒性能的影響以3.6Y/45000絲束為試驗對象，研究了不同開松輥壓力對絲束開松情況的影響，發現當開松輥壓力在1.2～1.4 MPa時，開松不良有縮頭；在1.5～1.9 MPa時，開松良好無縮頭；在2.0～2.4 MPa時，開松過度。不同輥壓力下濾棒吸阻和硬度的關系圖分別見圖1和圖2。

圖1 濾棒硬度與開松輥壓力關系圖Fig.1 The relationship between the hardness of the filter bar and the pressure of the opening roll

圖2 濾棒吸阻與開松輥壓力關系圖Fig.2 The relationship between the suction resistance of the filter rod and the pressure of the opening roll

由圖1與圖2可以看出：① 當開松輥壓力在1.2～1.8 MPa之間時，濾棒硬度隨著輥壓力的增大而明顯增大，超過1.8 MPa時，濾棒硬度隨著輥壓力的增大而減小，濾棒硬度在輥壓力1.8 MPa達到最大值；② 當開松輥壓力在1.2～2.0 MPa之間時，濾棒吸阻隨著輥壓力的增大而呈增大的趨勢，超過2.0 MPa時，吸阻呈減小的趨勢；③ 綜合絲束開松情況以及聚乳酸纖維濾棒卷煙用濾棒吸阻（4160～4200 Pa）、硬度（83%～87%）指標要求，較佳的開松輥壓力為1.7～1.9 MPa，此時絲束開松良好無縮頭，濾棒吸阻和硬度能夠達到較理想的數值。

表2 增塑劑施加量對濾棒質量特性的影響Table 2 Effect of the amount of plasticizer on the quality of the filter rod

2.2.2 開松速比對絲束開松情況及濾棒性能的影響

以3.6Y/45000絲束為試驗對象，研究了不同開松速比對絲束開松情況的影響，發現當開松比小于0.66時，絲束開松不良；當開松比在0.66～0.79時，絲束開松良好；當開松比大于0.79時，開松過度。不同開松速比對濾棒吸阻、硬度的影響如圖3、4所示。

圖3 開松速比對濾棒吸阻的影響Fig.3 Influence of opening speed ratio on the resistance of filter rod

圖4 開松速比對濾棒硬度的影響Fig.4 Influence of opening speed ratio on the hardness of filter rod

由圖3與圖4可看出：① 當開松速比低于0.66時，濾棒吸阻和硬度隨著開松速比的增大而增大，但指標均偏低；② 當開松速比在0.66～0.73時，可獲得較高的濾棒吸阻和硬度；③ 當開松速比高于0.73時，濾棒吸阻和硬度隨著開松速比的增大而減小，指標均偏低；④ 聚乳酸纖維濾棒開松速比對濾棒硬度和吸阻的影響趨勢與醋酸纖維濾棒對兩個參數的影響趨勢類似[19]。綜合絲束開松情況以及濾棒吸阻、硬度指標要求，確定最佳開松速比為 0.66～0.73。

2.3 增塑劑施加工藝技術

聚乳酸纖維物理、化學性能與醋纖相似，根據改性聚乳酸絲束具有增塑的特點，使用煙用三乙酸甘油酯作為增塑劑，將其均勻施加（噴灑）到開松后的改性聚乳酸絲束上，使濾棒具有適當的硬度，以滿足卷煙工藝對濾棒硬度的要求。增塑劑的施加方式和生產醋纖絲束濾棒的施加方式相同，增塑劑經過增塑系統加壓、加溫，利用上膠刷輥均勻施加在開松好的絲束上。絲束發生增塑，使濾嘴棒具有一定的硬度，增塑劑施加量直接影響到濾棒的硬度。三乙酸甘油酯的施加量直接影響到濾棒的硬度指標，為保證生產出的濾棒質量符合卷煙要求，對施加量與濾棒硬度指標的關系進行研究。在絲束規格一定及開松速比、開松輥壓力、絲束填充量保持穩定的狀態下，進行三乙酸甘油酯施加量試驗。表2為三乙酸甘油酯施加量對濾棒硬度影響的研究結果。

不同施加量與濾棒重量、吸阻、硬度關系圖見圖 5～7。

表3 改性聚乳酸絲束特性曲線試驗數據Table 3 Experimental data on the characteristic curve of modified polylactic acid tow

圖5 濾棒重量與增塑劑施加量關系圖Fig.5 Relationship between the weight of the filter rod and the amount of the plasticizer

圖6 濾棒吸阻與增塑劑施加量關系圖Fig.6 Relationship between the suction resistance of filter bar and the quantity of the plasticizer

圖7 濾棒硬度與增塑劑施加量關系圖Fig.7 Relationship between the hardness of the filter bar and the quantity of the plasticizer

圖8 單支濾棒增塑劑含量Fig.8 Plasticizer content of single filter rod

由表2和圖5～7可看出：當三乙酸甘油酯施加量在20～65 mg/支時，濾棒重量、吸阻和硬度隨施加量增加而增加；施加量在65～80 mg/支，濾棒硬度指標隨施加量的增加反而有所下降。根據卷煙對濾棒硬度指標的要求，三乙酸甘油酯控制在 40～70 mg/支范圍之間較合適。通過計算三乙酸甘油酯在單支濾棒中的施加量，如圖8所示，三乙酸甘油酯在單支濾棒的施加量為3.80%～6.46%。

2.4 改性聚乳酸絲束特性曲線研究

不同規格的絲束具有不同的吸阻加工范圍，絲束特性曲線可以體現了濾棒吸阻與絲束重量之間的對應關系。通過特性曲線的試驗研究，可以確定不同規格絲束合理的加工范圍，計算出不同規格絲束所對應濾棒的理論出棒率。

2.4.1 特性曲線的繪制和計算分析

針對用于相應品牌卷煙的吸阻要求和濾棒規格的要求，選取3.0Y/35000、3.3Y/40000、3.6Y/45000和4.0Y/48000等四個規格的改性聚乳酸絲束進行試驗分析。通過試驗和計算，分別得出最大棒和最小棒的絲束凈重量和吸阻，如表3所示。

圖9 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（3.0Y/35000）Fig.9 Characteristic curve of modified polylactic acid tow

根據表3及表4試驗數據及加工點計算公式繪制各規格絲束的特性曲線，如圖9 ～ 12所示：

根據行業內對濾棒加工范圍的選定慣例，濾棒最低可加工點必須保證絲束填充量滿足濾棒不縮頭的外觀質量要求，這個加工點通常在20%左右，當加工點超過80%時，絲束填充量較高，造

表4 改性聚乳酸絲束特性曲線試驗數據Table 4 Experimental data on the characteristic curve of modified polylactic acid tow

圖10 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（3.3Y/40000）Fig.10 Characteristic curve of modified polylactic acid tow（3.3Y/40000）

2.4.2 不同絲束規格的分析比較

圖11 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（3.6Y/45000）Fig.11 Characteristic curve of modified polylactic acid tow（3.6Y/45000）

圖13 改性聚乳酸各規格絲束加工點對應吸阻Fig.13 Corresponding draw resistance of modified polylactic acid tow at different processing sites

圖14 改性聚乳酸各規格絲束加工點對應硬度Fig.14 Corresponding hardness of modified polylactic acid tow at different processing sites

圖12 改性聚乳酸絲束特性曲線圖（4.0Y/48000）Fig.12 Characteristic curve of modified polylactic acid tow（4.0Y/48000）

本文確定以特性曲線的30%～50%為絲束的最佳加工區域，并在該區域內進行了5個節點的試驗。成濾棒變形?？紤]濾棒質量的穩定性及出棒率情況，加工范圍一般在絲束特性曲線20%～80%，而最佳加工范圍在絲束特性曲線30%～50%。

圖13與圖14結果表明：四種規格絲束在最佳加工區域內濾棒吸阻范圍為3257～4553 Pa；當吸阻在3700 Pa以下時，濾棒硬度低于80%；3.0Y/35000規格絲束生產出濾棒硬度均在80%以下，無法達到卷煙生產及濾棒工藝要求；硬度指標在80%以上的有 3.3/40000、3.6Y/45000、4.0Y/48000 三種規格絲束。綜合考慮濾棒的吸阻和硬度指標及經濟效益，按40%位置計算絲束出棒率，結果見表5。

通過表5出棒率情況分析，3.0Y/35000、3.3Y/40000、3.6Y/45000、4.0Y/48000絲 束 出棒率為165.4萬支/1000 kg、158.7萬支/1000 kg、151.1萬支 /1000 kg、137.2萬支 /1000 kg。3.0Y/35000絲束的出棒率較高，但濾棒硬度較低，4.0Y/48000規格絲束生產的濾棒出棒率較低，不適于大規模生產應用。經綜合分析，3.3Y/40000、3.6Y/45000兩種規格絲束應用效果要優于3.0Y/35000、4.0Y/48000兩種規格絲束，可以用于大規模的濾棒成型生產。

表5 各絲束規格的出棒率、吸阻、硬度Table 5 Rod rate, suction resistance and hardness of different tow specifications

表6 各絲束規格的濾棒抽樣檢驗表Table 6 Filter bar sampling checklist of different specifications

2.5 質量穩定性

本文對3.3Y/40000、3.6Y/45000兩個規格絲束進行了上機適應性考察，分別經過3個班次24小時連續生產濾棒，生產過程中對濾棒產品進行隨機質量抽樣檢測（每20分鐘抽樣一次），檢測結果見表6，數據表明：3.3Y/40000、3.6Y/45000兩個規格絲束生產的濾棒質量穩定、設備運行正常，均能滿足濾棒成型生產要求。

3 結論

（1）研究了絲束開松工藝中開松壓力、開松速比、增塑劑施加量對絲束開松情況及濾棒物理參數的影響，最終確定較佳工藝參數：開松壓力1.7～1.9 MPa，開松速比 0.66～0.73，增塑劑施加量為 40～70 mg/支；

（2）獲得了四個規格改性聚乳酸絲束的特性曲線，根據濾棒的硬度指標及出棒率，最終確定3.3Y/40000、3.6Y/45000規格絲束效果優于3.0Y/35000、4.0Y/48000規格絲束；

（3）3.3Y/40000、3.6Y/45000兩個規格絲束連續生產的濾棒質量穩定、設備運行正常，均能滿足濾棒成型生產要求。