沉頭濾棒關鍵成型工藝技術研究與應用

張 源，徐 嵐，葉惠民，吳 釗，吉德祥*

1.上海白玉蘭煙草材料有限公司，上海市浦東新區(qū)張江路1406弄49號 201210

2.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733號 201315

隨著卷煙與濾棒成型技術的日益發(fā)展，通過濾棒個性化設計，改善卷煙香吸味，增加卷煙防偽功能，已成為濾棒發(fā)展的新領域［1-3］。采用高克重成型紙卷制成型的端面可見且以中空形式呈現(xiàn)的沉頭濾棒，具有多種特殊功能：①沉頭空心部分可有效避免嘴唇與過濾材料的接觸，減少過濾材料中焦油等有害物質(zhì)對人體的危害；②沉頭濾棒采用復合成型方式，增加了濾棒設計的可選擇性，為卷煙的增香減害提供了新途徑；③沉頭濾棒的中空部分可使煙氣聚攏而不發(fā)散，從而可改善卷煙吸味［4］；④沉頭濾棒由于其特殊的外觀和成型工藝，不僅增加了卷煙的個性化設計元素，而且可賦予卷煙特定的防偽功能［5-7］。目前，在國外應用沉頭濾棒的卷煙品牌主要有“PARLIAMENT”“KLASIK”“VICEROY”和“LARK”等，沉頭卷煙已然成為“PARLIAMENT”卷煙品牌的象征。但在國內(nèi)各大卷煙品牌中，常規(guī)尺寸沉頭卷煙仍沒有開發(fā)上市。

近年來，國內(nèi)多家中煙公司先后引進了ITM公司的Solaris多元復合濾棒成型機組，該設備可滿足二元/三元復合濾棒的試制和生產(chǎn)需要，且具備沉頭及空腔濾棒的生產(chǎn)功能，但目前國內(nèi)對沉頭濾棒的開發(fā)經(jīng)驗尚淺，現(xiàn)有條件仍不具備沉頭濾棒的生產(chǎn)能力。較常規(guī)濾棒，沉頭濾棒生產(chǎn)過程中面臨著因高克重成型紙定量較大而引發(fā)的搭口不牢和易爆口等問題，也面臨著濾棒圓周、圓度控制困難問題，同時沉頭濾棒空腔處的硬度也需達到卷煙應用要求［8-11］。本研究中通過對沉頭濾棒熱熔膠、成型紙的材料特性和基棒圓周設計、沉頭部分長度設計的關鍵成型工藝技術研究，旨在進一步提高沉頭濾棒搭口牢固度、圓周圓度穩(wěn)定性、空腔處硬度和外觀效果，滿足批量生產(chǎn)和卷煙應用需求。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

Henkel 399B熱熔膠［漢高（中國）有限公司］；HM-8229C熱熔膠［富樂（中國）黏合劑有限公司］；成型紙（26 g/m2×26.5 mm、90 g/m2×26.5 mm、100 g/m2×26.5 mm、110 g/m2×26.5 mm、125 g/m2×26.5 mm，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司）；醋纖基棒（圓周分別為23.35、23.50、23.70、23.85 mm，上海白玉蘭煙草材料有限公司）。

INSTRON紙張拉力儀（英斯特朗試驗設備貿(mào)易有限公司）；ProGage厚度儀（普利賽斯國際貿(mào)易有限公司）；INSIZE搭口粘結(jié)強度檢測儀（蘇州英示測量科技有限公司）；QTM綜合測試臺（英國CERULEAN公司）；Solaris復合濾棒成型機（荷蘭ITM公司）。

1.2 方法

為研究濾棒的關鍵成型工藝技術，在Solaris復合濾棒成型機上完成了以下沉頭濾棒樣品（見表1）的制作，沉頭濾棒的結(jié)構如圖1所示。其中，RⅠ-1～4用于沉頭濾棒熱熔膠選型研究，RⅠ-5～8用于沉頭濾棒基棒圓周設計研究，RⅠ-9～12用于沉頭濾棒成型紙定量選型研究，RⅠ-9～10、RⅡ-1～2用于沉頭部分長度設計研究。

表1 不同關鍵成型工藝的沉頭濾棒樣品Tab.1 Recess filter rod samples with different forming technologies

圖1 沉頭濾棒結(jié)構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of a recess filter

2 結(jié)果與討論

2.1 搭口熱熔膠材料的選擇

比較漢高公司的Henkel 399B及富樂公司的HM-8229C兩種熱熔膠，檢測了其在不同溫度下的黏度，結(jié)果如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，熱熔膠的黏度逐漸降低。比較發(fā)現(xiàn)，HM-8229C在175 ℃時的黏度與Henkel 399B在130 ℃的黏度基本相同，Henkel 399B、HM-8229C的建議使用溫度分別為130～140 ℃、170～180 ℃。

表2 富樂HM-8229C與Henkel 399B黏度數(shù)據(jù)Tab.2 Viscosity of HM-8229C and Henkel 399B（mPa·s）

比較了HM-8229C熱熔膠在160、170及180 ℃使用溫度下的應用效果，并與Henkel 399B在使用溫度135 ℃下的應用效果進行對比，所得濾棒樣品經(jīng)固化24 h后，檢測搭口粘結(jié)強度，檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 富樂HM-8229C與Henkel 399B應用數(shù)據(jù)對比Tab.3 Application data comparison between HM-8229C and Henkel 399B

通過對RⅠ-1～4試驗過程上機情況與表3檢測數(shù)據(jù)的分析可得：①根據(jù)實驗上機情況發(fā)現(xiàn)，使用Henkel 399B和HM-8229C（使用溫度160 ℃）熱熔膠的濾棒均存在搭口部分部位粘接不牢的情況，整條膠線并不能夠完全撕毛，且使用Henkel 399B熱熔膠的濾棒在成型過程中易出現(xiàn)因爆口而導致的設備跑條停機現(xiàn)象。②根據(jù)實驗上機情況發(fā)現(xiàn)，使用富樂HM-8229C（使用溫度170、180 ℃）濾棒的搭口粘結(jié)較好，設備運轉(zhuǎn)正常，未發(fā)現(xiàn)因濾棒爆口而導致的設備停機現(xiàn)象。③根據(jù)表3檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用HM-8229C（使用溫度180 ℃）時沉頭濾棒的搭口粘結(jié)強度最高，達到45.05 N；使用HM-8229C（使用溫度170 ℃）時沉頭濾棒的搭口粘結(jié)強度次之，但遠超Henkel 399B（使用溫度135 ℃）和HM-8229C（使用溫度160 ℃）熱熔膠。

綜合上機情況和檢測數(shù)據(jù)，沉頭濾棒搭口熱熔膠宜選擇使用溫度為180 ℃的高熔點熱熔膠。

2.2 沉頭濾棒復合用基棒圓周的設計

利用ProGage厚度儀檢測了恒豐公司不同定量成型紙的厚度，結(jié)果如表4所示。由表4中數(shù)據(jù)可知，高克重成型紙厚度比普通成型紙厚，因此應用于常規(guī)復合濾棒的基棒圓周設計規(guī)律已不能滿足沉頭濾棒設計要求。

表4 不同定量成型紙的厚度Tab.4 Thickness of plug wrappers with different grammages

RⅠ-5～8試驗利用圓周分別為23.35、23.50、23.70、23.85 mm的4種常規(guī)醋纖基棒（基棒成型紙使用26 g/m2普通紙），制作目標圓周為24.25 mm的沉頭復合濾棒，研究不同圓周的基棒對沉頭濾棒制作過程的影響。沉頭基棒及復合濾棒的檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

根據(jù)RⅠ-5～8試驗過程的上機情況和表5的檢測數(shù)據(jù)可知：①當基棒圓周為23.35 mm時，沉頭復合濾棒壓降的實測值比理論值低146 Pa，表明基棒與成型紙之間存在空隙，從而影響卷煙煙氣過濾效率。此外，當應用23.35 mm圓周基棒試制24.25 mm圓周沉頭濾棒時，調(diào)整煙腔復合濾棒圓周為23.97 mm，無法達到24.25 mm的目標要求。因此，23.35 mm圓周的基棒因圓周過小而無法滿足復合要求。②當基棒圓周為23.50 mm時，復合后濾棒壓降實測值仍小于理論壓降，比理論值低43 Pa，表明基棒與成型紙之間也存在空隙。因此，23.50 mm圓周的基棒仍無法滿足要求。③當基棒圓周為23.70 mm時，復合后壓降實測值比理論值大112 Pa，符合常規(guī)復合濾棒復合后壓降的實測值比理論值略高50 Pa左右的要求［12］，且濾棒成型過程順暢，復合濾棒成型紙與基棒間無空隙，該圓周基棒可有效保障復合濾棒的物理指標和外觀要求。④當基棒圓周為23.85 mm時，復合后壓降實測值比理論值大350 Pa左右，遠超過常規(guī)復合過程壓降變化的經(jīng)驗規(guī)律，且剝開復合濾棒外側(cè)成型紙后發(fā)現(xiàn)基棒出現(xiàn)因擠壓過度引發(fā)的褶皺，表明23.85 mm圓周基棒因圓周較大而不適宜沉頭式復合。

表5 不同圓周基棒試制的沉頭濾棒物理指標Tab.5 Physical indexes of recess filters made of base rods with different circumferences

綜合上機情況和檢測數(shù)據(jù)，沉頭濾棒基棒的圓周設計參照表如表6所示。

表6 沉頭濾棒基棒的圓周設計參照表①Tab.6 Circumference design of base rods for recess filters

2.3 高克重成型紙定量的選擇

沉頭濾棒由于其端面中空的特殊結(jié)構，為保證濾棒近嘴端的堅挺狀態(tài)，須選用高克重的成型紙。目前市場上應用于空腔/沉頭濾棒的高克重成型紙定量范圍為80～130 g/m2。對恒豐公司90、100、110及125 g/m24種不同定量的成型紙進行了原材料檢測分析，結(jié)果見表7。由表7中數(shù)據(jù)可知，高克重成型紙的厚度在0.120～0.182 mm范圍內(nèi)，抗張強度在6.82～7.71 kN/m范圍內(nèi)，抗張能量吸收在65.50～114.00 J/m2范圍內(nèi)。與26 g/m2普通成型紙相比，高克重成型紙的厚度、抗張強度、抗張能量吸收值均較大，可保證成型過程中不易斷紙，且能有效提高空腔處的挺度。

表7 不同規(guī)格高克重成型紙的性能數(shù)據(jù)Tab.7 Performance data of plug wrappers with different grammages

RⅠ-9～12試驗分別選用恒豐公司90、100、110、125 g/m2不同定量的成型紙，進行沉頭濾棒樣品的制作，所得樣品經(jīng)固化24 h后，檢測各樣品圓周、圓度及空腔處的硬度值。檢測結(jié)果如表8所示。

表8 不同規(guī)格高克重成型紙的沉頭濾棒物理指標Tab.8 Physical indexes of recess filters with plug wrappers of different grammages

根據(jù)表8檢測數(shù)據(jù)可知：①隨著成型紙定量的增加，沉頭復合濾棒在空腔處的硬度逐漸增大。采用90 g/m2成型紙沉頭濾棒空腔處的硬度均值為83.2%，低于常規(guī)濾棒企業(yè)標準“硬度≥84%”的要求［13］，而100、110及125 g/m2紙的濾棒硬度分別為86.3%、88.7%和91.7%，均可滿足卷煙接裝要求。②隨著成型紙定量的增加，復合濾棒的圓度逐漸增大，125 g/m2成型紙的濾棒圓度均值最大，且濾棒搭口處因圓度控制困難造成外觀較差，雖然可通過調(diào)整煙腔得到可滿足技術要求的樣品，但增加了濾棒批量生產(chǎn)時質(zhì)量控制的難度。

綜合檢測數(shù)據(jù)和外觀效果，沉頭濾棒的成型紙定量選用100～110 g/m2。

2.4 沉頭濾棒沉頭部分長度的設計

沉頭濾棒沉頭部分的長度影響著中空部分的挺度，“PARLIAMENT”卷煙的沉頭長度多為5 mm。白玉蘭Solaris復合濾棒成型機可制備沉頭濾棒的規(guī)格有R-FF1、R-FF2兩種，單個沉頭濾嘴中沉頭部分長度分別為5 mm和8 mm。RⅠ-9～10、RⅡ-1～2試驗分別利用R-FF1、R-FF2規(guī)格試制了沉頭長度分別為5 mm和8 mm的兩種沉頭濾棒樣品，在相同定量成型紙條件下，研究沉頭部分長度對濾棒中空部位挺度的影響。實驗數(shù)據(jù)如表9所示。

由表9數(shù)據(jù)可知：①在相同成型紙和相同復合濾棒圓周控制條件下，沉頭部分長度為5 mm濾棒在空腔處硬度值均大于沉頭部分為8 mm濾棒的硬度值，且沉頭部分長度為8 mm濾棒空腔處的硬度值均低于84%，已低于醋纖濾棒的企業(yè)標準中的硬度要求［13］。②根據(jù)濾棒的上機情況發(fā)現(xiàn)，當沉頭部分長度為8 mm時（即復合濾棒中空腔部分長度為16 mm），濾棒空腔處由于沒有基棒支撐，該搭口處常出現(xiàn)2～3 mm翹起的搭口粘結(jié)不牢現(xiàn)象，搭口質(zhì)量控制難度較高。

綜合上機情況和檢測數(shù)據(jù)，沉頭濾棒基棒的復合結(jié)構選用R-FF1（5+12+8），即沉頭部分長度為5 mm。

3 應用效果

根據(jù)以上研究結(jié)果，進行了沉頭濾棒的應用效果驗證。沉頭濾棒復合結(jié)構選用R-FF1（5+12+8），搭口熱熔膠選用使用溫度為180 ℃的高熔點熱熔膠，高克重成型紙定量選擇100 g/m2，基棒圓周選用23.70 mm，試制目標圓周為24.25 mm的不同基材的沉頭濾棒樣品，并進行濾棒檢測分析，結(jié)果如表10所示。

表9 不同沉頭部分長度的沉頭濾棒物理指標Tab.9 Physical indexes of recess filters with recess section of different lengths

由表10中數(shù)據(jù)可知：①沉頭濾棒圓周均在標準范圍之內(nèi)，圓周SD值在0.03 mm左右，達到常規(guī)醋纖濾棒“圓周SD≤0.042 mm”的水平。②沉頭濾棒的圓度控制較常規(guī)醋纖濾棒困難，均值在0.3 mm左右，最大值在0.5 mm左右，仍可達到“圓度≤0.6 mm”的技術標準要求，以上濾棒均已完成卷煙的順利接裝，能夠滿足卷煙的接裝要求。③沉頭濾棒空腔處的硬度均值為88%左右，達到常規(guī)濾棒的企業(yè)標準［13］“硬度均值≥84%”要求。④沉頭濾棒的壓降SD值在60～80 Pa之間波動，已滿足常規(guī)卷煙的應用需求。

表10 不同基材的沉頭濾棒物理指標Tab.10 Physical indexes of recess filters matched with different materials

4 結(jié)論

①選用使用溫度為180 ℃左右的高熔點熱熔膠，沉頭濾棒的搭口粘結(jié)強度最高，可有效解決沉頭濾棒易爆口問題。②隨著高克重成型紙定量的增加，沉頭濾棒空腔處硬度逐漸增大，濾棒圓度亦逐漸增大，沉頭濾棒高克重成型紙定量選用100～110 g/m2。③針對目標圓周為24.25 mm的沉頭濾棒，其基棒圓周控制在23.60～23.70 mm時，沉頭濾棒的圓周、壓降指標可滿足標準要求。④沉頭部分長度為5 mm的沉頭濾棒在空腔處硬度均大于沉頭部分為8 mm的硬度，沉頭濾棒的復合結(jié)構選用R-FF1（5+12+8），即沉頭部分長度為5 mm。應用試驗結(jié)果表明，采用上述參數(shù)的沉頭濾棒的物理指標（圓周、圓度、壓降、空腔處硬度等）均已達到卷煙生產(chǎn)要求。