應用接觸角技術評價再造煙葉涂布液的動態吸收性能

鹿洪亮，李躍鋒*，李易非，于德德，林 凱，鄭曉暉，林志平，李茂毅，范堅強**

1.福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市濱水路298 號 361021

2.西北大學生命科學與醫學部藥學院，西安市環城南路216 號 710069

在造紙法再造煙葉生產過程中，對基片施加涂布液為關鍵工序，且涂布液吸收效果會直接影響產品的風格、穩定性及再造煙葉產品質量。涂布率的改變還會影響到再造煙葉成品的物理指標（如定量、厚度、松厚度、填充值、平衡含水率、抗張強度、橫向和縱向拉伸率等）。影響涂布液在造紙法再造煙葉基片吸收效果的因素很多，趙英良等［1］研究發現，涂布后與涂布前相比，紙基的定量、厚度和平衡含水率增加，填充值、松厚度和抗張強度下降；紙基的長度和寬度均有所增加，橫向和縱向拉伸率都會發生不同程度的變化。王鳳蘭等［2］研究發現，涂布液流變性能以及涂布輥之間壓力對涂布影響較大，而在較低車速下涂布液溫度以及紙機車速對涂布率的影響則較小。邱曄等［3］、張林霄等［4］研究表明，碳酸氫鹽的應用有助于提高再造煙葉涂布率，同時涂布率的提高對再造煙葉綜合品質的提升有重要影響。惠建權等［5］通過對不同涂布率的樣品進行理化指標、感官質量評價，確定造紙法再造煙葉涂布率的適宜范圍為45%～75%、最佳范圍為55%～65%。陳順輝［6］分析了波美度、溫度及涂布輥壓力對涂布率的影響，結果表明波美度和溫度對涂布率的影響顯著，而涂布輥壓力影響較小。目前評價涂布液滲透吸收規律方面的研究則鮮見報道。

接觸角是表面科學的重要參數之一，表征液體在固體表面的潤濕性能，包括靜態潤濕性能和動態潤濕性能［7-8］。接觸角測試技術是從微觀角度測量液體對固體的接觸角，即液體對固體的浸潤性，有利于從微觀角度測量和揭示各種液體對不同固體材料的吸收滲透效果［9-10］。在潤濕過程中，動態接觸角隨潤濕速度動態變化［11-12］，更能連續、直觀地反映液體在固體表面滲透吸收的動態潤濕性能，具有快速、直觀、動態連續等優點，適合于再造煙葉企業實時監控生產過程質量。因此，利用接觸角技術從微觀角度上分析再造煙葉涂布液在基片上的動態吸收規律，確定影響涂布液吸收的關鍵因素，旨在改善涂布液在基片上的滲透吸收效果，進而提升再造煙葉產品感官質量的穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

造紙法再造煙葉實驗基片、成品和A 級002 再造煙葉用涂布液（福建中煙工業有限責任公司提供）。

68-76 型便攜式動態接觸角測試儀（美國TMI公司）；LW350EC 型臥式螺旋差速離心機（象山海申機電總廠）；CR400 型色彩色差計（日本Konica公司）；DV2T 型黏度計（美國Brookfield 公司）；DMA4500M 型密度儀、Abbemat300 型密度折光儀（奧地利Anton Paar 公司）；AG104 型電子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 測試方法

1.2.1 接觸角測試

1.2.1.1 接觸角測試原理

接觸角是指在固體水平平面上的液滴所形成的固體表面上的固-液-氣三相交界點處，其氣-液界面和固-液界面兩切線把液相夾在其中時所成的角（圖1）。接觸角主要用于評價液體對固體的浸潤性，通過測量各種液體對不同材料的接觸角可以評價液體在固體上的吸收滲透效果。當接觸角小于90°時，液體具有親水性，能滲透至固體樣品中；當接觸角大于90°時，液體具有疏水性，液體只能停留在固體樣品表面，不能滲透至固體樣品內。

圖1 涂布液在基片吸收時接觸角示意圖Fig.1 Schematic diagram of contact angle of coating solution with base sheet during absorption

接觸角測試儀是基于視頻技術的質量測試儀器，儀器內置的壓縮泵泵出的液滴可以精確到0.5 μL，通過內置的高速攝像頭連續捕捉液滴在樣品表面滲透吸收過程中的一系列圖像，可以測量和計算在每個時間點“平衡”或動態潤濕過程中液滴的靜態接觸角（圖2）。

圖2 涂布液在基片吸收時接觸角隨時間變化情況Fig.2 Variation of contact angle of coating solution with base sheet during absorption

相同時間內，相同體積的液滴在樣品表面剩余液體的接觸角越小，說明被吸收的液體量越大，液滴在該樣品上的滲透吸收效果越好。也可以用樣品表面未吸收液滴的體積、高度及接觸面積來表征涂布液在基片上的滲透吸收效果。接觸角技術可以快速測試液滴落下后，液滴隨時間變化在固體樣品表面吸收過程中的連續變化規律。

1.2.1.2 接觸角測試方法

將基片于溫度（22±1）℃，相對濕度（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48 h。

將涂布液裝入樣品儲存管內，打開接觸角測定儀的操作軟件，設定樣品體積為2 μL，啟動抽樣泵使儀器管路充滿待測涂布液。將測試基片放置在接觸角測定儀下面，通過高速相機鏡頭顯示的圖像選擇基線水平的位置作為測試位置。啟動設備開始測試，做3 組平行實驗，根據連續拍攝到的液滴圖像接觸角變化數據評價該樣品的吸收性能。

1.2.2 色差測試

將色彩色差計開機預熱20 min 后，將采集窗口放置在樣品平坦位置進行L*（明度值）、a*（紅綠值）、b*（黃藍值）測定，使用SPSS 統計分析軟件分析樣品顏色差異。

1.2.3 黏度測試

待測樣品溫度調節至55 ℃后，將轉子浸入樣品中至轉子桿上的凹槽刻痕處，選擇0#轉子，黏度＜10 cP 時的轉速設定為30 r/min，黏度＞10 cP 時的轉速設定為60 r/min，待數值穩定后，記錄樣品的黏度。

2 結果與討論

2.1 離心凈化前后的涂布液在基片上吸收效果

在造紙法再造煙葉生產過程中，涂布工序一般采用浸涂方式，但涂布過程中基片快速通過涂布液時，基片中的填料（碳酸鈣）、細小纖維等物質會脫落于涂布液中。長時間循環使用涂布液時，涂布液中的顆粒和細小纖維會不斷累積，涂布液的黏度、含渣量和密度均不斷增大，會影響到涂布液在基片中的吸收速率，進而影響到再造煙葉成品的涂布率和感官質量。

在生產現場采用臥式螺旋差速離心機對循環使用的涂布液進行離心處理，由處理結果可知，離心前的涂布液黏度為12.7 cP，離心后的涂布液黏度為8.5 cP，凈化效果明顯。

分別將2 μL 離心凈化前后涂布液通過接觸角測定儀滴于基片表面，操作軟件高速拍攝液滴在基片表面滲透吸收過程照片，計算液滴表面與基片之間的切線夾角（接觸角）、基片上方未吸收液滴的體積、高度及液滴與基片接觸面積，進而評價涂布液在基片上的吸收效果。接觸角、基片上方未吸收液滴的體積、高度及液滴與基片接觸面積測定結果見圖3。

從圖3 可以看出：①離心后涂布液在基片中的吸收速度明顯快于離心前涂布液，離心后涂布液在0.7 s 時的接觸角為51.2°，與離心前涂布液在1.0 s 時的接觸角51.9°接近，說明離心后比離心前涂布液在基片中吸收速度快了大約0.3 s，滲透效率提高了30%；而在120 m/min 的生產車速下，紙基在涂布液中浸泡時間約0.8 s，超過該時間后紙基已離開涂布槽，涂布液未完全吸收，所以未離心涂布液在紙基中的吸收時間不足。離心后涂布液吸收快了0.3 s，對品質影響就顯得尤為重要。②涂布液剛接觸基片時吸收速度較快，這與基片內部吸收空間充足有關系，隨著吸收空間慢慢飽和，涂布液在基片中的吸收速度變慢。③在0.9～1.0 s時，吸收速度突然加快，這與該時間段內涂布液滴與基片接觸面積達到最大是一致的，所以同等體積的液滴吸收速率與接觸面積成正比關系。④涂布液未吸收體積和高度所顯示的規律與接觸角一致，均可以作為評價吸收性能的指標。⑤吸收超過1 s 后，涂布液吸收接近飽和，也超過了生產現場紙基浸入涂布液時間，所以實驗選擇有代表性的0.3、0.6、0.9、1.0 s 4 個時間點的接觸角評價涂布液的吸收性能。

圖3 離心前后涂布液在基片上的接觸角、體積和高度Fig.3 Contact angle, volume and height of coating solution on base sheet before and after centrifugation

2.2 基片正反面涂布液吸收效果

再造煙葉生產過程中，發現基片涂布后正反兩面存在顏色差異（圖4），而正反面的色差反映了涂布液的吸收效果。

圖4 再造煙葉正反面涂布顏色差異圖Fig.4 Color difference between right and wrong sides of reconstituted tobacco after coating

為了考察基片正反面對涂布液吸收效果的影響，采用同一涂布液在相同實驗條件下對同一基片的正反面開展了接觸角測試，結果見圖5。從圖5 可以看出，涂布液在基片正反面上開始吸收時的速度差異較大，達到了0.2 s；隨著吸收時間增加，涂布液在基片正反面上吸收接近飽和，滲透吸收速率差異變小。基片正面在0.5 s 時的接觸角為66.2°，與0.3 s 時基片反面的接觸角66.5°接近，反面達到同樣吸收效果的時間比正面快了0.2 s；而基片正面在0.9 s 時的接觸角為55.8°，與0.8 s 時基片反面的接觸角相同，反面達到同樣吸收效果的時間比正面快了0.1 s。

圖5 再造煙葉基片正反面的涂布液吸收接觸角變化圖Fig.5 Variations of contact angle of coating solution on right and wrong sides of base sheet

涂布液在基片上涂布后的正反兩面存在色差主要是由于漿料在紙基抄造成型時，細小纖維、填料在濾水過程中較多地沉降在靠近濾網一面（反面），造成紙基上表面（正面）的長纖維較多，而下表面（反面）的短纖維和填料較多；涂布液在上表面（正面）由于長纖維分絲帚化不完全而導致涂布液滲透吸收較慢，使再造煙葉成品正面的顏色較淺。而在下表面（反面）短纖維較多，分絲帚化相對充分，造成涂布液滲透吸收較快，使再造煙葉成品反面的顏色較深。

2.3 正反面涂布差異對色差的影響

采用色彩色差儀采集再造煙葉成品正反面的色差數據，結果見表1。不同色差區間與視覺感覺色差程度的對應關系見表2。從表1、表2 可以看出：正面色差值為52.21，反面色差值為54.65，二者相差2.44，為視覺“可察覺”范圍上限，已可看出較明顯色差。

表1 再造煙葉成品正反面色差檢測結果①Tab.1 Test results of color difference between right and wrong sides of reconstituted tobacco

表2 色差區間與視覺感覺色差程度對應關系表Tab.2 Relationship between color difference interval and visual perception

正反面的色差值也反映了正反面涂布液的吸收效果差異，與接觸角測試結果一致，涂布液吸收不均勻也會造成感官質量波動。

2.4 涂布液關鍵控制指標的確定

目前，涂布液控制指標較多，包括折光指數、密度、黏度、固含量、pH 值等，各指標的測試方法不同，測試周期較長，不利于實時監控過程質量，因此篩選涂布液的關鍵控制指標對生產過程質量控制至關重要。

將涂布液靜置24 h 后，分別將涂布液濃縮20%、10%，稀釋10%、20%、30%制備樣品，所測得的折光指數、密度、黏度、固含量、pH 值結果見表3。從表3 數據可以看出：①將涂布液濃縮20%時，其黏度發生了突變，與濃縮10%的樣品黏度14.20 cP 相比，其黏度快速增加到了27.78 cP；②將涂布液分別按濃縮20%、10%，稀釋10%、20%、30%制備樣品，所測得的折光指數、pH、密度差異不明顯，無法及時反映涂布液的品質變化；而黏度、固含量對涂布液的品質變化反映明顯，涂布液物理性質發生細小變化時黏度變化更加明顯；另外，固含量檢測時間大約為150 min，而黏度檢測時間大約為10 min，所以采用黏度指標監控涂布液品質滿足車間實時監控過程穩定的要求。結合不同黏度涂布液對基片吸收效果影響測試結果，確定黏度作為監控涂布液品質變化的關鍵指標。

表3 不同稀釋比例的涂布液指標檢測結果Tab.3 Test results of indexes of coating solution at different dilution rates

2.5 涂布液黏度對基片吸收效果的影響

涂布液在連續生產過程中，其密度、固含量、雜質等均會不同程度地升高，這幾個指標均與黏度直接相關。為考察不同黏度涂布液對基片吸收效果的影響，將2.4 節中不同黏度的涂布液在相同實驗條件下對同一基片開展了接觸角測試，結果見表4。

表4 不同黏度涂布液吸收性能測試結果Tab.4 Test results of absorption of coating solution with different viscosities

從表4 中數據可以看出：隨著黏度的增加，涂布液在基片上的吸收速度變慢。濃縮20%樣品明顯慢于其他樣品，濃縮20%樣品1 s 的接觸角為60.4°，與原樣0.6～0.7 s 的接觸角接近，吸收速度降低了30%～40%；而濃縮10%樣品0.6 s 的接觸角為67.2°，與稀釋10%樣品的0.3 s 的接觸角67.3°接近，涂布液黏度太大會附著于基片表面影響其在基片中的進一步吸收。適當降低涂布液黏度可以提高其滲透吸收效果，黏度比以往生產車間關注的固含量、密度和含渣率等指標更能有效反映涂布液品質和滲透吸收效果。

3 結論

①高速離心處理有助于提升涂布液在基片中的吸收速度，離心處理后涂布液的滲透吸收速度明顯快于離心前，離心后涂布液在0.7 s 時的接觸角為51.2°，與離心前涂布液在1 s 時的接觸角為51.9°接近，吸收速率提高30%。②確定了涂布液黏度作為影響涂布質量的關鍵指標，涂布液黏度對基片吸收效果影響明顯，適當降低涂布液黏度可以提高其滲透吸收效果。③漿料在抄造成型時，紙基上層的長纖維較多，而下層短纖維和填料較多；涂布液在上表面（正面）由于長纖維分絲帚化不完全而導致涂布液滲透吸收較慢，再造煙葉成品顏色較淺，而在下表面（反面）短纖維較多，分絲帚化相對充分，造成涂布液滲透吸收較快，再造煙葉成品顏色較深。④再造煙葉成品的正面色差值為52.21，反面色差值為54.65，差值為2.44，達到視覺“可察覺區間”上限，存在較明顯色差，也反映出涂布液在基片正反面的吸收效果存在差異。采用接觸角測試技術評價涂布液在基片上的動態吸收性能，具有快速、準確、動態連續、樣品量少且無損等優點。