改善煙草薄片涂布率及其穩定性的研究

李永生 帖金鑫 潘凡達 李石頭 何文苗 張立立郝賢偉 陶 豐 劉崇盛 趙振杰，*

（1.浙江中煙工業有限責任公司技術中心，浙江杭州，310024；2.杭州利群環保紙業有限公司，浙江杭州，310018）

煙草薄片又稱再造煙葉，已成為中式卷煙配方的重要原料之一，在卷煙降焦減害、提高填充值、提高煙葉原料利用率等方面發揮了重要作用[1]。煙草薄片生產過程中，涂布率是影響煙草薄片品質的重要生產工藝指標[2-3]。前人研究表明，涂布率及其穩定性對煙草薄片的化學指標、物理指標、煙氣指標及卷煙感官品質等存在直接影響[4]。研究發現，涂布率在38%～46%時，感官質量會隨著涂布率升高而顯著提高[5]；也有研究表明，當煙草薄片涂布率相差≥2%時，感官評吸就能較為顯著地分辨出其中的差異[6]。因此，涂布率和穩定性對煙草薄片品質非常重要。

為提高煙草薄片工藝中涂布率的水平和穩定性，前人進行了一些研究，但是結論有限。張晴川等人[7]發現提高涂布輥間隙可以顯著提高涂布率，但涂布率的穩定性會受到影響；張林宵等人[8]利用碳酸氫鹽溶液處理基片以提高基片吸水性和煙草薄片涂布率，涂布率最高僅達35.08%；黃新民等人[6]通過提高基片與涂布液接觸時間來提高涂布率，但無法再通過增加接觸時間進一步提高涂布率，且涂布率最高只接近40%；這些研究結果在一定程度上提高了煙草薄片的涂布率及其穩定性，但是目前仍未發現對涂布工藝關鍵參數優化和涂布率穩定性提升的報道。

本研究對涂布工藝中主要參數開展實驗研究，基于單因素實驗結果，選取關鍵工藝參數進行正交優化實驗，確定涂布工藝中提升涂布率的最優參數組合。此外，通過對涂布液穩定性控制技術的研究，改進涂布液供料系統，提高涂布率穩定性。因此，本研究旨在通過優化工藝進而提升煙草薄片涂布率及其穩定性，為煙草薄片的生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

基片、涂布液由利群環保紙業有限公司提供。1880/200 型涂布機（上海高新造紙技術有限公司），DGG-9053A 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司），JX-DQ 型紙張定量切樣器（上海高新自動化儀器儀表公司），NDJ-79 型旋轉式黏度計（同濟大學機電廠），TDL-40B型小型離心機（上海安亭科學儀器廠）。

1.2 實驗方法

1.2.1 涂布率、黏度、渣含量測定

涂布率計算公式見式（1）[9]。

式中，T為涂布率；M0為基片質量；M1為煙草薄片質量；b 為煙草薄片含水率；a 為基片含水率；其中M0和M1所取樣品面積相等。

涂布液黏度由旋轉黏度計測定[6]。

渣含量測定：取涂布液絮沉后的上層清液60 g，放入離心機中以4000 r/min的轉速離心5 min，稱量濾渣并計算渣含量。

1.2.2 單因素實驗

涂布過程的工藝參數調整，對涂布率的提升具有重要意義。本實驗對涂布液濃度、涂布液溫度、基片與涂布液的接觸時間（以下簡稱接觸時間）、涂布輥壓力、渣含量、黏度等6 個工藝參數進行分析。其中，渣含量、涂布液黏度受涂布液濃度影響較大[10]。因此，渣含量、黏度等不作為考察對象。選取涂布液溫度、涂布液濃度、接觸時間、涂布輥壓力等4個主要參數進行單因素實驗。本研究以涂布液溫度45℃、涂布液濃度44%、接觸時間0.15 s、涂布輥壓力8 kN/m 為基礎實驗條件，通過每次改變一個參數水平分別進行單因素實驗。

1.2.3 正交實驗

根據單因素實驗結果中選出的參數進行正交實驗，并運用極差分析法和方差分析對實驗結果進行統計分析。

1.3 涂布液供料系統改進

煙草薄片生產過程中，涂布液溫度易波動，同時涂布機回流液內殘留的細小纖維及CaCO3等物質使涂布液密度、黏度產生波動，導致涂布率不易控制，容易出現斷紙、引紙困難等現象。

本實驗中，增加設置臥式螺旋沉降機，凈化涂布機回流液，以期達到穩定涂布液物理性能指標和產品品質的目的。

實施方案：①使用臥式螺旋沉降機去除回流液體中殘留的細小纖維及CaCO3等物質，將涂布機回流液凈化為凈化液，凈化液進入儲液罐，儲液罐設置液位計防止液體滿溢。②將凈化液按設定流量泵入調節控制罐，新鮮涂布液同樣按設定流量泵入調節控制罐，與凈化液充分攪拌混合。③在調節控制罐內，在線密度計控制加水量，調節涂布液密度；溫控系統調整涂布液溫度，從而得到密度、溫度、黏度等物理指標更加穩定的涂布液。具體實施工藝流程圖如圖1所示。

1.4 感官質量評價

將煙草薄片樣品切絲卷制后進行感官質量評價。參考YC/T 498—2014 煙草薄片（造紙法）感官評價方法并結合企業自身需求制定評價指標，由9名評吸專家采用對比評吸方法進行感官質量評價[11]。

1.5 數據處理

實驗數據采用SPSS 19.0統計軟件進行分析。

圖1 涂布液供料系統改進工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 涂布液溫度與涂布率的關系

在涂布工藝中，溫度的提升有利于涂布液向基片的滲透，同時影響涂布液的黏性，因此溫度是影響涂布率的一個重要因素[10]。不同溫度對涂布率的影響見圖2。由圖2 可知，當涂布液溫度為35 ～60℃時，涂布率最高為39.9%。當溫度低于45℃時，隨溫度提高，煙草薄片涂布率有一定程度的上升，這可能與溫度影響了涂布液的滲透速率有關。當溫度大于45℃時，涂布率存在下降趨勢，這可能是涂布過程受到涂布液黏性降低的影響。因此涂布液溫度的正交水平選擇為40、45、50℃。

圖2 涂布液溫度對煙草薄片涂布率的影響

2.1.2 涂布液濃度與涂布率的關系

涂布液濃度是影響涂布率的重要參數。不同涂布液濃度對煙草薄片涂布率的影響見圖3。由圖3可知，隨著涂布液濃度的增加，涂布率逐漸上升。在其他工藝參數固定的情況下，當涂布液濃度大于44%時，涂布率達到38%以上。當涂布液濃度為50%時，涂布率達到最高41.1%。然而，在實際生產中，涂布液濃度受萃取液設備濃縮能力和生產條件的限制，降低涂布液濃度也是控制成本的重要因素之一[12]。此外，在一定范圍內，涂布液濃度升高會導致其黏度的急劇增大，成品出現白芯[10,13]。因此，綜合考慮，該參數的正交水平選擇44%、46%、48%。

2.1.3 接觸時間與涂布率的關系

接觸時間主要與涂布液液位有關，涂布液位高度越高，接觸時間越長，涂布液滲透越充分。在其他參數固定的情況下，煙草薄片涂布率與接觸時間的關系如圖4 所示。由圖4 可以看出，涂布率與接觸時間呈正相關。然而，接觸時間越長涂布率上升趨勢變緩，0.30 s 時涂布液已經完全滲透基片，涂布率達到最大。但是考慮到實際生產中液位設置的限制，因此，接觸時間正交水平選取0.15、0.20、0.25 s。

2.1.4 涂布輥壓力與涂布率的關系

圖3 涂布液濃度對煙草薄片涂布率的影響

圖4 接觸時間對煙草薄片涂布率的影響

圖5 涂布輥壓力對煙草薄片涂布率的影響

圖5 為涂布輥壓力對煙草薄片涂布率的影響。由圖5 可知，隨著涂布輥壓力的增大涂布率降低。這主要是因為基片受到更大的壓力進而被壓縮，使得煙草薄片涂布率減少。當涂布液壓力降低時涂布液與基片充分接觸，涂布率上升。然而由于生產條件的限制，涂布輥壓力水平選取為8、10、12 kN/m。

2.2 正交實驗

2.2.1 正交實驗設計

根據單因素實驗，將優選出影響涂布率變化的因素，即涂布液溫度、涂布液濃度、接觸時間、涂布輥壓力進行正交實驗，其水平表見表1。其中，涂布機的基片定量、基片水分恒定，設定涂布液溫度、涂布液濃度、接觸時間、涂布輥壓力，按表1所列的涂布工藝將涂布液送至涂布機進行基片涂布，并計算煙草薄片涂布率。

表1 正交實驗單因素水平表

2.2.2 正交實驗結果

正交實驗結果與極差分析見表2，方差分析見表3。

從表2 中的極差R 可以看出，在實驗所選的水平范圍內4個工藝參數對煙草薄片涂布率影響的主次順序為：B＞C ＞D ＞A，即涂布液濃度＞接觸時間＞涂布輥壓力＞涂布液溫度。煙草薄片涂布率工藝參數的最優組合為A3B3C2D1，即涂布液溫度50℃、涂布液濃度48%、接觸時間0.20 s、涂布輥壓力8 kN/m。

表3 中 工 藝 參 數B 的P ＜0.01，C 和D 的P ＜0.05，因此涂布液濃度對涂布率具有極顯著影響，接觸時間和涂布輥壓力對涂布率具有顯著影響。

表2 涂布率正交實驗結果和極差分析

表3 涂布率正交實驗的方差分析

表4 涂布液供料系統改進前后涂布率、涂布液溫度、黏度、渣含量的變化

表5 煙草薄片感官評價結果

2.3 涂布液供料系統的改進

采用改進的涂布液供料系統，按照上述正交設計中的最佳工藝參數進行涂布實驗，對涂布率、涂布液的物理性能進行測定和數據分析，結果見表4。由表4可知，涂布液供料系統改造前，涂布回流液未經臥式螺旋沉降機凈化處理，其涂布率、涂布液罐內的涂布液物理指標波動相對較大。涂布液供料系統改造后，涂布率及涂布液溫度、黏度、渣含量的穩定性有所提升。因此，改進后的涂布液供料系統減少了由于涂布液物理性能波動造成涂布率的波動，能夠在一定程度上達到涂布液溫度、濃度、黏度、渣含量的穩定控制。

2.4 煙草薄片涂布率變化及感官質量分析

為了確定工藝參數優化及涂布液供料系統改進措施對煙草薄片涂布率和感官質量的影響，將煙草薄片進行切絲卷制。其中對照樣為本研究基礎實驗條件下、供料系統改進前樣品。實驗樣為正交實驗優化參數后、供料系統改進后的樣品，具體感官評價結果和涂布率分別見表5 和表6。由表5 可知，與對照樣相比，實驗樣煙草薄片的香氣質、香氣量、柔和性等指標均有所提升。由表6可以看出，經工藝參數優化及涂布液供料系統改進后，煙草薄片涂布率提升13.1%，涂布率穩定性有顯著改善。

表6 煙草薄片涂布率

3 結 論

本研究對煙草薄片涂布工藝中主要參數進行了研究，基于單因素實驗結果，選取關鍵工藝參數進行正交優化實驗，確定涂布工藝中提升涂布率的最優參數組合，并對涂布液供料系統進行了改進，提高了煙草薄片涂布率的穩定性。

3.1 通過研究，影響煙草薄片涂布率的工藝參數由大到小的順序為：涂布液濃度＞接觸時間＞涂布輥壓力＞涂布液溫度；最優的工藝參數為：涂布液溫度50℃、涂布液濃度48%、接觸時間0.20 s、涂布輥壓力8 kN/m。

3.2 通過改進涂布液供料系統，涂布率、涂布液濃度、溫度、渣含量等指標的穩定性均有一定的提升。

3.3 工藝參數優化和供料系統改進后，煙草薄片感官品質較未優化和未改進的煙草薄片明顯提升，涂布率提升13.1%，涂布率穩定性有顯著改善。