碳酸鈣形態對卷煙紙透氣性能和凝灰性能的影響

雀 靜 魯紅昌 劉 明 范 敏 宋云杉 張永鑫 李冬雪 許 康

（云南紅塔藍鷹紙業有限公司，云南建水，654300）

輕質碳酸鈣是卷煙紙的重要填料，約占卷煙紙總質量的30%～40%，碳酸鈣的形態和質量直接影響卷煙紙質量。目前，國內卷煙紙生產使用的碳酸鈣晶體形狀主要為紡錘體，對其他形態的碳酸鈣研究相對較少。球狀、橢圓狀和花瓣狀碳酸鈣可在碳酸鈣碳化加工過程中通過調整生產工藝和參數制備得到。卷煙產品多元化和多功能化，對卷煙紙的性能也提出了較高要求，通過研究不同形態碳酸鈣對卷煙留著率、透氣度及卷煙凝灰性能的影響進而優化卷煙紙質量，對國產卷煙品牌提質升級具有重要意義。

1 實驗原料與儀器

1.1 實驗原料

北木牌漂白針葉木漿（以下簡稱“針葉木漿”）；鸚鵡牌漂白闊葉木漿（以下簡稱“闊葉木漿”）；橢圓狀輕質碳酸鈣、球狀輕質碳酸鈣、花瓣狀輕質碳酸鈣、紡錘體狀輕質碳酸鈣由彌勒甸溪鈣業有限公司提供；宏仕德牌檸檬酸鉀；質量分數0.4%非離子瓜爾膠；云煙（珍品）卷煙煙絲。

1.2 主要儀器

23L實驗室標準Vally打漿機；OMEC LS-POP（9）型激光粒度分析儀；水果榨汁機；XWY-V1型光學纖維鏡；掃描電子顯微鏡（SEM）；手工卷煙器。

2 實驗方案

2.1 漂白木漿的處理

取200 g（絕干漿）針葉木漿加入Vally打漿機中，加水到規定液位進行打漿，打漿機負重3 kg，打漿時間90 min，最終打漿度控制在80～90°SR；闊葉木漿不打漿，測量水分后直接用于抄片。

2.2 抄片和施膠

取0.7 g紙漿（絕干質量，針葉木漿∶闊葉木漿（質量比）=2.5∶1）和不同形態輕質碳酸鈣混合抄造，抄片時加入非離子瓜爾膠增強碳酸鈣和細小纖維的留著，制備得到不同形態輕質碳酸鈣抄片，定量35 g/m2。

模擬車間機內浸透涂布施膠的方式，將不同形態輕質碳酸鈣抄片裁剪成長26.2 mm×寬55 mm規格，在燒杯內配制質量分數1.5%的檸檬酸鉀溶液。把裁剪好的不同形態輕質碳酸鈣抄片在檸檬酸鉀溶液中浸泡5 s后取出，用抄紙機干燥部加壓干燥5 min。將施膠后含有橢圓狀輕質碳酸鈣、球狀輕質碳酸鈣、紡錘體狀輕質碳酸鈣、花瓣狀輕質碳酸鈣的紙樣分別命名為1#卷煙紙、2#卷煙紙、3#卷煙紙、4#卷煙紙。

2.3 手工卷煙和燃燒驗證

通過手工卷煙器用卷煙紙卷制手工煙，每個規格各卷3支，通過直立燃燒對比卷煙的凝灰效果，對比時應篩選卷煙長短、直徑接近的一組，減少實驗誤差。

3 結果與討論

3.1 不同形態碳酸鈣形貌和粒徑分布

圖1為不同形態輕質碳酸鈣的SEM圖及粒徑分布圖。從圖1可以看出，橢圓狀和球狀輕質碳酸鈣的形狀較為接近，橢圓狀輕質碳酸鈣絮聚較為明顯，紡錘體狀和花瓣狀輕質碳酸鈣形狀較為接近，但花瓣狀輕質碳酸鈣形狀更為規則。

表1為不同形態輕質碳酸鈣粒徑分布情況。觀察表1和圖1可以看出，4種不同形態輕質碳酸鈣的粒徑分布均較為集中，主要集中在1.839～4.101μm，說明不同形態碳酸鈣分布均較為均勻；4種不同形態輕質碳酸鈣的中位粒徑（D50）分別為2.740、2.853、3.120、3.074μm，D50最大的紡錘體狀輕質碳酸鈣和D50最小的橢圓狀輕質碳酸鈣相差0.38μm，表示4種輕質碳酸鈣的粒徑較為接近。

圖1 不同形態輕質碳酸鈣的SEM圖及粒徑分布圖Fig.1 SEM images and particle size distribution of different forms of light calcium carbonate

表1 不同形態輕質碳酸鈣粒徑分布情況Table 1 Particle size distribution of different forms of light calcium carbonate

3.2 不同形態碳酸鈣抄片實驗

表2為不同形態輕質碳酸鈣卷煙紙組成及性能。從表2可以看出，針葉木漿和闊葉木漿與不同形態輕質碳酸鈣混合抄片，填料留著率差異不明顯，球狀輕質碳酸鈣和橢圓狀輕質碳酸鈣的留著率較高，其中球狀輕質碳酸鈣留著率最高，為60.6%；紡錘狀輕質碳酸鈣和花瓣狀輕質碳酸鈣留著率較低，花瓣狀最低，為45.5%；從透氣度表現來看，在定量和灰分差異不明顯的情況下，橢圓狀輕質碳酸鈣和球狀輕質碳酸鈣卷煙紙明顯低于紡錘狀輕質碳酸鈣和花瓣狀輕質碳酸鈣卷煙紙，橢圓狀輕質碳酸鈣卷煙紙透氣度最低為64.38 CU，紡錘狀輕質碳酸鈣卷煙紙透氣度最高為138.21 CU。

表2 不同形態輕質碳酸鈣卷煙紙組成及性能Table 2 Composition and performance of different forms of light calcium carbonate

通過上述分析可知，橢圓狀輕質碳酸鈣和球狀輕質碳酸鈣形狀較規則，在和植物纖維結合的過程中能均勻分布在纖維表面和孔隙中，從而整體降低了卷煙紙的透氣性能；橢圓狀輕質碳酸鈣和球狀輕質碳酸鈣更容易絮聚于纖維表面并相互吸附，所以橢圓狀輕質碳酸鈣和球狀輕質碳酸鈣留著率均高于紡錘狀輕質碳酸鈣和花瓣狀輕質碳酸鈣。

3.3 不同形態碳酸鈣凝灰性能比較

（1）不同形態碳酸鈣凝灰效果對比

使用制備的1#卷煙紙～4#卷煙紙和云煙（珍品）品牌煙絲卷制煙支，分別對比煙絲開始燃燒、燃燒1/3、燃燒2/3和燃燒結束4個時段的卷煙凝灰性能，結果如表3所示。

根據煙支燃燒狀態，從卷煙碳化線均勻性、碳化線細度、灰塊厚實情況、掉灰現象綜合評價卷煙凝灰性能，結果如表4所示。

通過表3和表4可以看出，煙支燃燒過程中，4個煙支樣品均保持完整，未發生斷裂現象。1#卷煙紙制備的煙支和2#卷煙紙制備的煙支在燃燒過程中未發生紙灰掉落現象，3#卷煙紙制備的煙支和4#卷煙紙制備的煙支均出現煙灰掉落現象，4#卷煙紙制備的煙支掉落最多。4個樣品碳化線均較黑，燃燒均勻性差異不明顯。綜合卷煙灰色、灰塊掉落情況、卷煙裂紋等，含有橢圓狀輕質碳酸鈣的1#卷煙紙制備的煙支凝灰效果最好，灰塊緊密厚實，含有花瓣狀輕質碳酸鈣的4#卷煙紙制備的煙支凝灰效果最差，灰塊炸裂較多；含有橢圓狀輕質碳酸鈣和球狀輕質碳酸鈣的卷煙紙制備的煙支凝灰效果總體優于紡錘狀和花瓣狀輕質碳酸鈣。

表3 不同卷煙紙制備煙支燃燒凝灰效果圖Table 3 Different cigarette paper making cigarette burning ash effect diagram

表4 卷煙凝灰性能評價Table 4 Evaluation of cigarette ash coagulation performance

4 結論

本研究主要對橢圓狀、球狀、紡錘體狀和花瓣狀輕質碳酸鈣的表面形貌、粒徑進行分析，并將其添加到卷煙紙中，主要探討了卷煙紙的透氣性能和凝灰性能。

4.1 與紡錘體狀和花瓣狀相比，橢圓狀和球狀輕質碳酸鈣粒徑范圍集中，在紙張上分布均勻，能有效填充纖維間孔隙，留著率較高，更容易吸附植物纖維，其中橢圓狀碳酸鈣性能最好。

4.2 紙張定量和灰分接近時，含有橢圓狀和球狀輕質碳酸鈣的卷煙紙透氣度明顯低于含有紡錘體狀和花瓣狀輕質碳酸鈣，其中含有紡錘體狀輕質碳酸鈣的卷煙紙透氣性能最好。

4.3 定量、灰分接近，工藝相同時，含有橢圓狀和球狀輕質碳酸鈣的卷煙紙在燃燒過程中，灰塊厚實、掉灰較少、灰色較白，凝灰性能較好，其中橢圓狀碳酸鈣性能最好。

4.4 在實際生產應用過程中，可根據卷煙紙性能要求選擇不同形態的輕質碳酸鈣，對卷煙凝灰性能要求較高時選擇橢圓狀或球狀輕質碳酸鈣，對卷煙紙透氣性能要求較高時，選擇紡錘體狀和花瓣狀輕質碳酸鈣。