接裝紙材質和激光打孔參數對卷煙的影響研究

徐培剛，潘茹茹，曾靜，張大波，劉丹，馬明

接裝紙材質和激光打孔參數對卷煙的影響研究

徐培剛1，潘茹茹1，曾靜1，張大波2，劉丹1，馬明3

（1.廣東中煙工業有限責任公司技術中心，廣州 510385；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001；3.中國煙草標準化研究中心，鄭州 450001）

研究不同材質接裝紙和激光打孔參數對在線激光打孔卷煙的影響。應用掃描電鏡檢測卷煙樣品的打孔微觀結構，包括紙的表面形貌、打孔的大小、孔間距等指標，對相應接裝紙的卷煙物理指標差異和煙氣指標差異以及相關性進行研究。激光打孔脈沖時間、打孔數量對激光打孔的微觀形態有較大影響，打孔脈沖時間和打孔數量與卷煙煙支吸阻呈線性負相關，與總通風率呈線性正相關。在相同激光打孔參數下，不同接裝紙材質紙張孔徑和孔間距明顯不同，單孔的形態差異較大；不同材質接裝紙對卷煙物理指標影響較小，對卷煙煙氣指標有一定影響。單孔打孔的高質量有利于提高卷煙物理指標和煙氣指標的穩定。不同材質接裝紙的在線激光打孔應用效果不同，可以根據煙支設計需要進行選擇接裝紙材質。

在線激光打孔；接裝紙；掃描電鏡

煙用接裝紙是用作香煙過濾嘴部分外包裝的卷煙包裝材料。隨著近年來煙草行業的卷制工藝的飛速發展，煙用接裝紙在功能和用途上有了很大創新，不再局限于單純的包裝功能，更注重外觀設計、印刷效果、打孔降焦等功能搭配[1-4]。

隨著接裝紙逐漸多樣化，接裝紙類型由普通型拓展到燙金、珠光、銀轉移、鐳射等多種類型；卷制新工藝、新材料在接裝紙上的廣泛應用，在增強接裝紙美觀的同時，接裝紙表面性能也發生了變化。煙支在線激光打孔，是煙支在卷接過程中利用光學手段在成型后的卷煙濾棒中部打上一圈/兩圈微孔，由于激光能量高且為脈沖式，從而完全將接裝紙、成形紙打穿并穿透濾棒一定深度；接裝紙性能不同可能對激光打孔的效果產生影響；目前，關于在線激光打孔不同打孔參數和打孔方式對卷煙濾嘴通風率，以及主流煙氣釋放量、有害成分釋放量、過濾效率等的影響的研究已經比較詳盡[5-10]，但關于接裝紙的材質對在線激光打孔結構或卷煙常規煙氣的影響鮮有報道。鑒于此，文中選擇不同材質接裝紙，通過在線激光打孔工藝試驗，對試驗樣品進行評價分析，以研究接裝紙材質和激光打孔參數對在線激光打孔應用效果影響。

1 試驗

1.1 主要材料與儀器

接裝紙制作：銀轉移紙、鐳射紙、普通紙采用相應接裝紙原紙涂布單色油墨方式制作，絨面紙采用普通紙表面涂布特殊油墨方式制作。

主要材料：銀轉移紙定量為39 g/m2，厚度為46.2 μm；鐳射紙定量為39 g/m2，厚度為40.8 μm；普通紙定量為39 g/m2，厚度為47.1 μm；絨面紙定量為39 g/m2，厚度為42.8 μm。

儀器：Hitachi S–3700N臺式掃描電鏡，SODIMAX 型全功能綜合測試臺。RM 20H轉盤式吸煙機（德國 Borgwalt KC 公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 卷煙樣品制作

固定打孔位置，打孔脈沖時間從20、40、60、80 μs變化；打孔數量從10、14、18、22、26孔變化，考察打孔脈沖時間與打孔數量對卷煙煙支物理指標的影響。

按照僅變化接裝紙（不打孔）材質的方法、其他輔材設計參數固定的原則，制備試驗卷煙樣品。利用在線激光打孔設備（見圖1），分別制作孔排數為2、孔數為12、打孔位置（距離唇端）分別為12、13 mm的試驗卷煙樣品，在線激光打孔打孔脈沖均為40 μs條件下，以考察不同接裝紙材質在線激光打孔后對卷煙通風率及常規煙氣成分釋放量的影響。

圖1 在線激光打孔

1.2.2 掃描電鏡檢測方法

掃描電鏡樣品的前處理[11]：樣品臺上貼好導電膠帶，選取紙樣中具有代表性的區域，在不損傷污染紙面的情況下，剪取4 mm×6 mm的紙樣，撕下導電膠的背紙，將樣品直接與膠帶粘牢，為了平整和牢固把紙的四邊也用導電膠粘牢，但盡量少覆蓋紙的表面，然后噴鍍處理待測。噴金的參數為在真空度10Pa下，電流15 mA噴金50 s。

1.2.3 卷煙樣品檢測方法

依據GB/T 22838—2009《卷煙和濾棒物理性能的測定》對卷煙樣品進行檢測，獲取卷煙樣品的圓周、硬度和吸阻等物理指標數據；依據 GB/T 19609—2004《卷煙用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》對卷煙樣品氣相中的總粒相物和焦油進行測定[12]；依據GB/T 23356—2009《卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定非散射紅外法》對卷煙煙氣氣相中的一氧化碳進行測定[13]；依據GB/T 23355—2009《卷煙總粒相物中煙堿的測定氣相色譜法》對卷煙煙氣氣相中的煙堿進行測定[14]。依據GB/T 23203.1—2013《卷煙總粒相物中水分的測定第1部分：氣相色譜法》對卷煙煙氣氣相中的水分進行測定[15]。

2 結果與分析

2.1 不同激光打孔參數的打孔微觀結構分析

激光打孔是一種復雜的熱物理過程，影響激光打孔質量的因素很多，如激光脈沖、激光模式、聚焦條件等等；通過設定打孔脈沖時間和打孔數量來調節打孔的參數。由于煙支激光打孔所成型的孔均勻分布于在雙倍長煙支濾嘴的一圈，其非常小肉眼并不可見，可以通過掃描電鏡進行觀察和檢測分析。圖2和圖3分別為不同激光脈沖時間和不同打孔數量的打孔微觀結構。從圖2和圖3結果來看，激光打孔的孔徑隨打孔脈沖時間的增加會逐漸增加，孔的結構隨脈沖時間由近似圓形逐漸變為橢圓形，打孔孔徑隨打孔孔數的增加逐漸減少，孔數增多后，孔洞結構逐漸有拖尾的現象。脈沖時間和打孔數量需選擇一個組合，該組合使得孔被燒灼的邊緣干凈且又不燒進醋酸纖維過深。為保證打孔質量，脈沖時間和孔數的選擇均需控制在合理的范圍內，建議脈沖時間在20～60 μs；打孔數量選擇10～14孔。

2.2 不同材質接裝紙打孔微觀結構分析

激光打孔是用激光照射到紙張表面上開始加工的，紙張表面的狀態，對光的反射率有直接影響，表面越精細粗糙度越小，則反射率越大，激光打孔穩定性越困難。用掃描電鏡來觀察不同材質接裝紙樣品的打孔微觀結構，包括紙的表面形貌，打孔的大小、形貌、孔間距。各種類型的特種紙張的正面從電鏡檢測數據分析表明，見表1，絨面紙、銀轉移紙、鐳射紙、

普通紙的孔徑和孔間距明顯不同，在相同激光打孔參數下，銀轉移紙孔徑最大，鐳射紙孔徑最小。為便于了解各種紙張在線激光打孔后孔洞的表面形態，將圖像放大500倍后（圖4—7）發現，絨面紙打孔處有油墨片狀剝離且孔有拖尾現象，銀轉移紙打孔處較為規整，鐳射紙打孔處有油墨片狀剝離且孔有拖尾現象，普通紙打孔處較規整且孔呈橢圓，不同材質紙張打孔單孔的形態差異較大，這可能與紙張的墨層厚度有關。銀轉移紙表面有鍍鋁，墨層和鋁層疊加厚度大；絨面紙表面涂布觸感油，上墨量高，墨層較厚；普通紙涂布珠光油墨和光油，墨層也較厚；鐳射紙，為體現鐳射效果，墨層較薄，因此，在線激光打孔后，銀轉移紙孔徑最大，鐳射紙孔徑最小。為了盡可能得到均勻的孔型，在產品開發設計過程中，可以對不同材質激光打孔參數進行調整。

2.3 不同激光打孔參數對卷煙物理指標影響

固定打孔位置，考察了不同打孔脈沖時間、打孔數量對物理指標的影響，結果見圖8。通過回歸分析，得出了在線激光打孔數量與卷煙煙支吸阻和總通風率的關系方程，卷煙煙支吸阻與在線激光打孔數量呈負相關，回歸方程為=1 450?27.00；卷煙煙支總通風率與在線激光打孔數量成正相關，回歸方程為=33.82+ 1.278。固定打孔孔數，通過回歸分析，得出了在線激光打孔脈沖時間與卷煙煙支吸阻和總通風率的關系方程，卷煙煙支吸阻與在線激光打孔打孔脈沖時間呈負相關，=1 694?5.875；卷煙煙支總通風率與在線激光打孔脈沖時間成正相關，回歸方程為=26.51+ 0.276 3。綜上所述，卷煙煙支吸阻隨打孔脈沖時間和打孔數量增加而減少；卷煙煙支總通風率隨打孔脈沖時間和打孔數量增加而增加。通過調整在線打孔脈沖時間和打孔數量，達到目標的卷煙吸阻和總通風率指標。

圖2 不同打孔脈沖時間在線激光打孔掃描電鏡照片

圖3 不同打孔數量在線激光打孔掃描電鏡照片

表1 不同接裝紙材質的掃描電鏡檢測數據

圖4 絨面紙在線激光打孔掃描電鏡照片

圖5 銀轉移紙在線激光打孔電鏡照片

圖6 鐳射紙在線激光打孔電鏡照片

圖7 普通紙在線激光打孔電鏡照片

圖8 在線激光脈沖時間和打孔數量與卷煙煙支吸阻、總通風率的回歸分析圖

2.4 不同材質接裝紙對卷煙物理指標的影響

在線激光打孔打孔脈沖均為40 μs的條件下，采用細支卷煙參數、不同材質接裝紙分別進行實驗。卷煙樣品質量、吸阻、圓周、硬度其結果見表2。從表2中可以看出，卷煙樣品的物理指標參數略有差異，硬度從56.1%到57.7%之間變化，鐳射紙卷煙硬度略有升高；總通風率在40.1%到40.7%之間變化。

2.5 不同材質接裝紙對卷煙煙氣指標的影響

卷煙樣品煙氣指標見表3。從表3中可以看出，卷煙樣品煙氣指標數據差異不明顯，抽吸口數方面差異較小，僅在個別指標上有微弱差異。對于普通紙在線打孔卷煙，焦油量和一氧化碳量有所降低，水分含量有所降低，這與普通紙孔的結構有一定關系，普通紙打孔孔形保持較好，不存在拖尾現象，抽吸過程有利于空氣進入煙支中，從而起到稀釋煙氣，降低焦油量和一氧化碳量的效果。同等接裝紙參數條件下，接裝紙的不同材質對煙氣指標有一定影響。通過調節激光打孔，保持好的打孔形狀，對后續卷煙煙氣指標穩定性有較大影響。

2.6 不同批次在線激光打孔卷煙物理指標和煙氣指標穩定性評價

采用細支卷煙參數、普通接裝紙分別進行實驗，在線激光打孔打孔脈沖均為（40±3）μs條件下，其物理指標和煙氣指標見表4。從表4中可以看出，批次2、3的卷煙指標波動性稍大，經過對激光打孔的孔形狀進行微調后，批次4和5卷煙樣品吸阻、總通風率、焦油量、煙氣煙堿量、一氧化碳均具有較好的重現性。

表2 不同材質接裝紙卷煙樣品煙支物理指標分析

Tab.2 Analysis of physical indexes of cigarette samples made by tipping paper of different materials

表3 不同材質接裝紙卷煙樣品煙氣指標分析

Tab.3 Analysis of smoke indexes of cigarette samples made by paper of different materials

表4 不同批次卷煙樣品物理指標和煙氣指標分析

Tab.4 Analysis of physical indexes and smoke indexes of different batches of cigarette samples

3 結語

通過上述試驗和結果分析，得到結論如下。

1）激光打孔脈沖時間、打孔數量對激光打孔的微觀形態有較大影響，激光打孔的孔徑隨打孔脈沖時間的增加會逐漸增加，打孔孔徑隨打孔孔數的增加逐漸減少。為保證打孔質量，脈沖時間和孔數的選擇均需控制在合理的范圍內，建議脈沖時間在20～60 μs；打孔數量選擇10～14孔。針對具體的機臺，我們分別建立了打孔脈沖時間和打孔數量與卷煙煙支吸阻、總通風率回歸方程，可根據卷煙吸阻和總通風率的設計值選擇合適的激光打孔參數。

2）在相同激光打孔參數下，不同接裝紙材質紙張孔徑和孔間距明顯不同，單孔的形態差異較大。銀轉移紙孔徑最大，鐳射紙孔徑最小。不同材質接裝紙對卷煙物理指標影響較小，對卷煙煙氣指標有一定影響。為使不同材質的接裝紙滿足卷煙設計需要，需選擇得到均勻的孔型的激光打孔參數，這樣后續卷煙樣品物理指標和化學指標均具有較好的重現性。

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Effect of Tipping Paper Materrials and Laser Punching Parameters on Cigarette

XU Pei-gang1,PAN Ru-ru1,ZENG Jing1,ZHANG Da-bo2,LIU Dan1,MA Ming3

(1. Technical Center of China Tobacco Guangdong Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510385, China; 2. Zhengzhou Research Institute of China National Tobacco Corporation, Zhengzhou 450001, China; 3. China Tobacco Standardization Research Center, Zhengzhou 450001, China)

The work aims to investigate the effect of tipping paper of different materials and laser punching parameters on the cigarette made by online laser punching. The punching microstructure of cigarette sample was detected by scanning electron microscope, including the surface shape of paper, the size of punching and hole spacing. The differences in physical indexes and smoke indexes of cigarette sample made by corresponding tipping paper were studied and the correlation was explored. Laser punching pulse duration and hole number had great effect on the micro-morphology of laser punching. The punching pulse duration and the number of holes had a linear negative correlation with the cigarette draw resistance and a linear positive correlation with the total ventilation rate. The size and spacing of tipping paper of different materials were obviously different, and the morphology of single hole was also different. Different materials had little effect on physical indexes of cigarette, but had a certain effect on the smoke indexes. The high quality of single hole was beneficial to improving the stability of physical indexes and smoke indexes of cigarette. The application effect of online laser punching of tipping paper of different materials is different, but the material of tipping paper can be selected according to the design of cigarette.

online laser punching; tipping paper; scanning electron microscope

TS452

A

1001-3563(2022)17-0249-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.033

2022–05–22

廣東中煙科研項目（粵煙工[2019]科字第005號）

徐培剛（1984—），本科，工程師，主要研究方向為煙草工藝。

劉丹（1982—），博士，高級工程師，主要研究方向為煙用材料。

責任編輯：曾鈺嬋