再造煙葉實驗室輥壓法薄片裝置的開發及應用

劉興樂，張敦鐵，王吉利，楊俊鵬，朱 峰，夏 璠，王 昊，鄧 杰

（1.湖北中煙工業有限責任公司，武漢 430040；2.青島頤中科技有限公司，山東青島 266071）

近年來，加熱卷煙迅速發展，加熱卷煙主要是通過加熱器具對霧化基材進行加熱，加熱溫度（低于350 ℃）不會使霧化基材燃燒，相較于煙草燃燒產生的有害成分更少，降低了健康和安全風險［1］。市場在售的加熱卷煙按霧化基材分為再造煙葉類、煙絲類、煙草顆粒類。再造煙葉類能夠較好地保留煙草物料的原有品質，具有可擴展性較強、霧化劑承載較高等優點，再造煙葉類是目前加熱卷煙霧化基材使用的主要原料，根據加工工藝的不同又分為稠漿法、輥壓法、干法和造紙法。但干法負載的均勻性難以保證，厚度及定量的控制成本高；造紙法存在霧化劑負載量低、能耗高、木質氣息重等缺點。因此，目前稠漿法、輥壓法是國內外霧化基材使用比例較多的再造煙葉薄片工藝［2］。

薄片成型工藝與裝置是稠漿法、輥壓法再造煙葉加工的關鍵工藝和重要設備。由于國內研究起步較晚，其薄片特性［3，4］、傳熱與煙氣釋放［5-7］、加工工藝［8-12］等方面均處于起步階段。趙文濤等［13］設計了一種氣溶膠形成基材的輥壓成型裝置及成型系統。該輥壓成型裝置主要包括3 個壓輥組件，前2 個壓輥分別制備霧化片材和加香片材，然后通過第3 個壓輥將霧化片材和加香片材輥壓成型。王林寶等［14］設計了一種稠漿法再造煙葉逗號刮刀涂布成型裝置，設計的逗號刮刀可提高漿料的穩定性。劉義宏等［15］設計了一種稠漿薄片制作成型機及操作方法，設計了稠漿澆筑盒裝置和卵磷脂噴嘴裝置。王子維等［16］開發了一種稠漿法煙草薄片試制設備，將試制裝置設計為澆筑模盒移動、鋼帶固定的形式，能夠有效節約空間和減小體積，但與實際加工工藝相差較大。上述文獻表明，與稠漿成型工藝及設備相比，輥壓成型工藝具有技術較成熟、設備占地面積小、操作簡單方便等優點。

目前公布的輥壓成型設備多用于生產加工，實驗室輥壓成型的裝置較少。為了更好地推動加熱卷煙專用煙葉原料、特色香精、霧化體系等研究，參考生產線的輥壓成型設備，研發一款再造煙葉實驗室輥壓法薄片裝置。同時對實驗室干燥參數進行研究及優化，以期更好地控制及提升薄片質量。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇單等級煙葉原料，將煙葉原料樣品精磨至200～300 目，作為實驗室再造煙葉加工的煙葉原料。

1.2 儀器

先驅ZDJ-1S 型卡爾費休水分測定儀，北京先驅威鋒技術開發公司；FED260 型烘箱，德國BINDER公司；ME204/02 型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PURELAB Classic 純水發生器，英國ELGA LabWater 公司；Dispensette? S Organic 瓶口分液器，德國Brand 公司；HY-8A 型回旋振蕩器，常州華冠儀器制造有限公司。

1.3 試劑

自制去離子水，電阻率為18 MΩ·cm；甲醇，德國Merck 公司；AR 異丙醇、無吡啶卡爾·費休試劑，國藥集團化學試劑有限公司。

1.4 試驗方法

參考GB/T 23357—2009《煙草及煙草制品水分的測定卡爾費休法》對薄片樣品含水率進行測定［17］；再造煙葉感官評價由具有卷煙感官質量評吸資質的10 位評吸專家完成。按照湖北中煙工業有限責任公司的企業標準《電加熱卷煙感官技術要求》，對薄片的勁頭（10 分）、香味（30 分）、煙氣（20分）、余味（15 分）、刺激（15 分）、均勻性（10 分）6 個指標進行評價與打分，采用百分制，各項指標均以0.5分為記分單位，取10位評吸專家感官評價的平均值。

2 輥壓薄片試制設備開發與應用

2.1 實驗室輥壓法薄片裝置

2.1.1 結構與原理 實驗室輥壓法薄片裝置主要用于實驗室條件下輥壓薄片的成型，試制裝置主要包括輥壓模塊、厚度控制模塊、薄片剝離模塊、熱風干燥模塊，如圖1 所示。實驗室輥壓法薄片裝置的工作原理是按產品設計以及工藝配方，將煙葉、煙梗、碎片粉碎后與外加纖維、粘膠劑、霧化劑等充分混合，設置兩輥距離，將混合好的薄片漿料放置于輥壓機兩輥間，兩壓輥在電機的驅動下，產生差速擠壓轉動，將松散的物料擠出，由鏟刀鏟下再送至料斗，并重復上述過程，最終形成符合要求的薄片。

圖1 實驗室輥壓法薄片裝置結構示意圖

輥壓模塊主要包括移動輥、固定輥、薄片寬度控制板、軸承座、底座、皮帶和伺服電機，如圖2 所示。伺服電機通過皮帶驅動2 個壓輥轉動，獨立電機驅動，可以根據試驗需求設置移動輥、固定輥轉動速率，從而使擠壓出的薄片附著在固定輥上并帶出。兩輥中間有2 塊薄片寬度控制板，通過調整2 塊板的間距，實現指定寬度的薄片生產。

圖2 輥壓模塊示意圖

輥壓厚度控制模塊通過調節壓輥間隙來控制薄片厚度，采用精密絲杠傳動，絲杠采用伺服電機驅動，如圖3 所示。輥壓厚度控制模塊主要包括伺服電機、絲杠、壓力傳感器、移動軸承座、移動輥、固定輥和固定軸承座。為了控制兩側推移壓力，添加壓力傳感器，可根據兩側壓力值大小，判斷壓輥是否傾斜以及壓輥間隙。根據設定厚度與測定厚度，實時調節厚度參數，通過調節伺服電機來帶動減速機構，再通過精密絲桿帶動軸承座，實現移動輥的前后移動。移動輥兩端各設置一套伺服驅動調整系統，可對移動輥兩端同時進行調節，也可單獨對其中一端進行調節，確保薄片厚度和均勻性的穩定。

圖3 輥壓厚度控制模塊示意圖

薄片剝離模塊是將薄片剝離下來，剝離的效果直接影響薄片成型的完整性，是影響輥壓質量的關鍵工序。薄片剝離模塊主要包括刮刀軸座、刮刀軸、刮刀架、氣缸調整機構和刀片，如圖4 所示。

圖4 薄片剝離模塊示意圖

為更好地完成薄片從輥壓模塊上剝離，本研究設計了初級干燥模塊，主要包括熱風槍、彎頭和扁嘴，如圖5 所示。熱風槍可以設定需要的溫度，扁嘴長度和壓輥長度保持一致，可以對輥壓模塊上的薄片進行初級干燥處理，利于快速剝離。

圖5 初級干燥模塊結構示意圖

2.1.2 技術特點 根據生產線輥壓成型工藝與裝備，研制了實驗室輥壓法薄片裝置，滿足實驗室對加熱卷煙輥壓法薄片成型的需求，其具有以下技術特點。①能夠對混合后的物料進行多次輥壓成型，薄片厚度為0.1～0.4 mm，可調可控，厚度均勻，厚度偏差為±0.02 mm；②煙粉原料需求少，單個樣品處理能力強，能夠滿足小量樣品的制樣需求；③鏟刀與壓輥貼合度高，薄片剝離效果好；④主體結構尺寸為860 mm×630 mm×1 000 mm，占地面積小、試驗能耗低，實現了實驗室輥壓法工藝裝備的小型化；⑤壓輥轉速可調可控，制樣時間短。

2.2 干燥參數優化

薄片干燥工藝是薄片加工工藝的核心，實驗室環境下采用烘箱模擬薄片干燥工藝，研究干燥參數對試制薄片質量的影響。采用實驗室輥壓法薄片裝置制備再造煙葉。其中，發煙劑（丙三醇）占比30%、外加纖維占比3%、粘合劑占比3%，水占比50%，不添加香精；輥壓成型，厚度為（0.20±0.02）mm，熱風溫度為65 ℃。

2.2.1 工藝參數水平的確定 以干燥溫度和干燥時間為自變量，通過單因素試驗確定自變量的取值范圍。在保證原輔材料、輥壓成型條件不變的情況下，研究干燥溫度、干燥時間對薄片含水率、感官質量的影響。

由表1 可知，干燥溫度、干燥時間的變化能夠影響薄片含水率和感官質量的評分。含水率過高會影響后續切絲效果、煙氣溫度以及煙氣釋放等；含水率過低會導致在后續加工薄片時易造碎，結合感官質量評價，最優的干燥工藝條件為干燥溫度95 ℃、干燥時間180 s。

表1 單因素試驗

2.2.2 正交試驗方案與結果 在工藝參數水平確定的基礎上，利用正交試驗法來對影響因子及其交互作用進行評價，確定最佳的工藝水平［18-21］。以烘箱干燥溫度（A）和干燥時間（B）為考察對象，選取3 個水平進行試驗，采用L9（32）正交表進行正交試驗設計（表2），研究干燥溫度和干燥時間對薄片感官質量的影響，找出最優的工藝參數組合。

表2 正交因素與水平

由表3 可知，干燥溫度比干燥時間對薄片的感官質量影響更大，結果表明，實驗室最佳干燥工藝條件為干燥溫度95 ℃、干燥時間180 s，輥壓法薄片感官質量評分為84.95 分。按照干燥溫度95 ℃、干燥時間180 s 進行3 次平行試驗，切絲效果好，口腔無明顯灼熱感，感官質量評分為84.95 分，因此該參數為實驗室輥壓薄片最佳干燥工藝參數。

表3 正交設計試驗及結果

3 小結

為更好地推動加熱卷煙專用煙葉原料、特色香精、霧化體系等研究，參考生產線的輥壓成型設備，研發了實驗室輥壓薄片裝置，該裝置主要包括輥壓模塊、厚度控制模塊、薄片剝離模塊、熱風干燥模塊，具有薄片厚度可調可控、厚度均勻、煙粉原料需求少、占地面積小、制樣時間短等優點。

實驗室環境下采用烘箱模擬薄片干燥工藝，研究干燥參數對試制薄片質量的影響，通過單因素分析、正交試驗分析及試驗驗證發現，干燥溫度比干燥時間對輥壓法薄片的感官質量影響更大。實驗室最佳干燥工藝條件為干燥溫度95 ℃、干燥時間180 s，輥壓法薄片感官質量評分最高。