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卷烟接装纸的液体动态渗透性能研究

  • 张琪 1
  • 王云霞 2
  • 吕萱 2
  • 李洁 2
  • 王红素 2
  • 王高升 1 ✉
  • 张正健 1
  • 王玉峰 1
1. 天津科技大学轻工科学与工程学院，天津，300457； 2. 张家口卷烟厂有限责任公司，河北张家口，075000

中图分类号： TS761.2

最近更新：2022-12-21

DOI：DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2022.12.005

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EN 引
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摘要

在对比分析接装纸印刷面和非印刷面表面结构及性能的基础上，通过动态接触角法和动态渗透法，分析了接装纸印刷面和非印刷面的表面润湿和渗透性能，系统研究了液体在接装纸两面上的动态渗透过程。结果表明，接装纸的两面差异性导致了印刷面和非印刷面液体润湿和渗透的差异，动态渗透曲线的3个特征参数（tmax、t95和Ab）可以表征不同来源接装纸的润湿和渗透性能。在0.5 s时，接装纸的非印刷面和印刷面接触角降低值的差值在8°以内，可以获得较好的上机适用性。

接装纸作为重要的纸类卷烟包装材料，其作用是将滤嘴与烟支卷接起来，同时影响消费者对烟支的整体观感和品吸体验[

1]。近年来，由于消费者对卷烟外观的日益关注，卷烟企业对烟用接装纸更加注重其装饰性与美观性，外观从质朴向华丽转变[2-3]。接装纸新品种不断出现，如高光接装纸、转移接装纸、口味接装纸和触感接装纸等[4]。接装纸是以专用的接装原纸为承印材料，经过单面印刷和印后处理等工序加工而成一种特种纸[5]。接装纸的两面性差异除了与原纸性能有关之外，还与所用的印刷和印后工艺密切相关[6]。

在接装纸搓接时，依靠接嘴胶将烟支、滤嘴和接装纸3个部分粘结在一起，其中接嘴胶的干燥速度除了受到胶本身的性能及施胶量影响外，还受接装纸渗透性以及设备操作条件等因素的影响。当卷烟接装纸的渗透性较好时，接嘴胶渗透速率快、容易干燥；反之，当卷烟接装纸的渗透性较差时，接嘴胶渗透速率慢，不易干燥。若干燥速度过快会使部分位置粘结不够，出现烟支漏气的现象；如果干燥速度过慢会导致粘结强度低，接装纸与滤棒受外力作用时发生位移从而出现泡皱问题[

7]。因此，接装纸的上机适用性与其渗透性能密切相关。不同接装纸表面特性及渗透特性存在较大差异，不同厂家的接嘴胶对同一接装纸渗透性也不尽相同[8]。根据卷烟企业实际生产反馈，不同供应商提供的相同卷烟品牌接装纸，其外观无差别，但在上机适性方面差异较大，易出现褶皱、泡皱、翘边、漏气等问题，影响卷烟生产效率和产品质量。然而，仅通过液体透过时间和静态接触角来分析接装纸的液体渗透性能，难以精确分析不同样品之间差异，不能有效控制产品质量。

因此，对卷烟接装纸的液体动态渗透性能进行研究，不但可以及时分析解决生产现场出现的问题，而且可以将液体动态渗透性能的关键参数作为接装纸入厂检验指标，提高接装纸的上机适用性，提升生产效率。本研究根据接装纸两面差异大的特点，在对比分析卷烟厂现用4种接装纸印刷面和非印刷面的表面结构和性能的基础上，通过动态接触角法和动态渗透法表征接装纸的动态接触角和动态渗透参数，系统研究其印刷面和非印刷面的液体动态渗透性能，探讨了影响接装纸粘结性能主要指标，为企业制订接装纸上机适用性标准提供依据。

1 材料与方法

1.1　实验材料

实验所用4种接装纸由卷烟企业提供，依次用A、B、C和D表示，其中接装纸B在实际生产中发生了粘结不牢的问题。4种接装纸由不同的供货商制造，采用的印刷工艺有所差异，其中A和B采用五色凹版印刷和两色烫金，C采用四色凹版印刷和两色烫金，D采用三色凹版印刷和两色烫金。4种样品最后一色皆采用光油印刷完成上光，D没有经过珠光油墨印刷。

1.2　实验方法

1.2.1　样品处理

依据GB/T 10739—2002的规定，测试前，将样品在温度（23±1）℃和相对湿度（50±2）%标准环境条件下平衡处理4 h以上。

1.2.2　印刷面表面张力测定

每种接装纸分别抽取10张（50 mm×50 mm），采用34、35、36、37、38、40、42表面张力的达因笔，从小到大，依次在接装纸表面进行划线，记录每次线条的铺展情况。将2 s内能够铺展、不收缩的达因笔数值，记为接装纸印刷面的表面张力。

1.2.3　动态接触角测定

按照烟草行业标准YC/T 424—2011《烟用纸表面润湿性能的测定：接触角法》，每组接装纸分别抽取10张，以去离子水作为测试液体，使用接触角测定仪（VCA optima型，美国AST公司）测量接装纸动态接触角，并记录5 s内的接触角数值，计算0.5、1、2 s时的接触角降低值以及0.5 s时印刷面和非印刷面接触角降低值的差值。

1.2.4　动态渗透测定

针对4种接装纸分别裁取10张（60 mm×80 mm）待测样品，使用动态渗透分析仪（PDA C02型，德国Emtec公司），在超声波频率为2 MHz条件下，使用去离子水作为测试液体，分别测试接装纸印刷面和非印刷面的动态渗透情况。

1.2.5　扫描电子显微镜分析

首先，将导电胶贴在样品台上，选取接装纸中间部位，在不损伤和污染纸面的情况下，剪取5 mm×5 mm的纸样并将其粘贴在导电胶上，进行喷金处理后用扫描电子显微镜（SEM，JSM-IT300LV型，日本JEOL电子公司）在放大500倍时观察接装纸正反面并拍照。

1.2.6　施胶度测定（液体渗透法）

针对4种接装纸分别裁取10张（50 mm×50 mm）待测样品，参照国家标准GB/T 460—2008《纸施胶度的测定（液体渗透法）》的规定进行，接装纸印刷面和非印刷面分别接触测试液体，以标准溶液透过纸张所需要的时间（s）来评价纸张的抗水性能，透过时间越长，施胶度越大。

1.2.7　物理性能测定

依据GB/T 451.2—2002和GB/T 451.3—2002，对接装纸的定量和厚度进行测定。采用别克平滑度测定仪（12445-001型，美国TMI有限公司）对接装纸的平滑度进行测定。采用粗糙度和透气度测定仪（SE 115型，瑞典L&W公司）对接装纸的透气度进行测定。

2 结果与分析

2.1　接装纸的性能分析

首先，对4种接装纸的定量、厚度、透气度、平滑度、透过时间（施胶度）和表面张力等指标进行测试分析，结果如表1所示。

表1  卷烟接装纸的主要性能
Table 1  Basic properties of cigarette tipping papers
接装纸定量/g·m-2厚度/μm透气度/μm·(Pa·s)-1平滑度/s透过时间/s表面张力/mN·m-1
A 印刷面 42.7 39 0.01 453 128 37
非印刷面 131 33
B 印刷面 42.5 41 0.14 321 14 38
非印刷面 135 11
C 印刷面 39.4 43 0.15 207 13 38
非印刷面 79 8
D 印刷面 38.3 40 0.05 189 16 37
非印刷面 99 13

接装纸作为重要的卷烟材料之一，其物理指标直接影响到卷烟外观、卷制质量和内在质量[

9]。由表1可知，4种接装纸的定量相差不大，均在40 g/m²附近，定量的大小与所采用接装纸原纸的定量及印刷工艺有关。4种接装纸的厚度在40 μm左右，相差不大。接装纸的印刷面和非印刷面表面张力差异较大，4种接装纸印刷面的表面张力均为37或38 mN/m，远低于非印刷面（大于72 mN/m），印刷面较小的表面张力使其具有良好的疏水性能。接装纸两面表面张力的差异将在接装纸接嘴时对胶黏剂在纸面上的浸润产生较大的影响，接装胶在高表面张力的非印刷面容易铺展，在相对于非印刷面表面张力较低的印刷面铺展较慢。为使接嘴胶在印刷面表现出较好的铺展性能，需要匹配表面张力较小的接嘴胶。此外，人的唾液中含有多种无机离子、糖蛋白和黏液素等，表面张力比水小些，一般在58~65 mN/m之间[10]，由于接装纸印刷面表面张力较低，因此唾液不易在其表面铺展，利于提升消费者体验效果。

接装纸透气度的大小可以反映其内部孔隙程度。由表1可知，4种样品的透气度不同，按照C、B、D、A的顺序减小，除了原纸对其透气性影响外，接装纸的印刷方式也有很大的影响[

11]，透气度的大小会导致接装纸的渗透性能存在较大的差异。滤嘴通风技术是实现降焦减害的常用方法之一，滤嘴通风不仅稀释了烟气，而且影响卷烟燃烧温度的变化[12]。接装纸的透气度低，会对烟气的稀释不充分，烟气气相量和粒相量高，影响消费者身体健康，对透气度低的接装纸常采用局部电火花打孔、静电打孔、激光打孔等方法来提高透气性[13]。

图1为4种接装纸的印刷面和非印刷面的微观形貌图。接装纸表面主要由植物纤维及纤维之间的细小颗粒组成，这些颗粒为接装纸原纸抄造过程中所添加的填料，一般是沉淀碳酸钙，可以提高原纸的匀度、透气性、不透明度，增加白度等外观性能，改善其印刷性能[

14]。从图1（b）可以看出，接装纸非印刷面的表面凹凸不平，平滑度远低于印刷面。

图1  接装纸SEM图

Fig. 1  SEM images of tipping papers

对于印刷面，4种接装纸由于采用的印刷工艺不同，表面形态差异较大。接装纸A采用第一色满版白印刷工艺，表面的细小颗粒为白色油墨中的二氧化钛，具有很强的遮盖能力，形成致密的油墨层，颗粒之间和表面附着印刷光油，从而使接装纸A印刷面孔隙较少，严密结实，平滑度高而透气度小。接装纸B与C印刷面结构相似，表面多为密集颗粒堆积，结构不够致密，有空隙存在，因而透气度较大。接装纸D与A表面结构相似，光油量大，但接装纸D无珠光油墨，对比其他3种接装纸无明显片状颗粒存在，表面存在部分孔隙，因而较接装纸A透气度大、平滑度低。根据SEM观察到的接装纸表面结构与纸张主要性能指标的趋势具有一致性，但并不能直接判断渗透性能的好坏。

采用液体渗透法测得液体透过纸张的时间，可以反映接装纸的防水性能，透过时间越短，说明接装纸的渗透性能越好，4种接装纸的液体透过时间如表1所示。由表1可见，印刷面接触液体时的透过时间均高于非印刷面接触液体所用时间，这说明印刷面有较高的防水性能。接装纸A印刷面的透过时间达到128 s，非印刷面的透过时间也达到33 s，而接装纸B、C、D无论印刷面还是非印刷面透过时间均小于20 s，液体穿透纸张的速度较快。刘文婷等人[

15]通过质构仪测定了6种接装纸的剥离力，建立了吸湿特性与剥离力的关系，认为剥离力主要受接装纸非印刷面吸湿性能的影响，吸湿性越好，剥离力越大；接装纸的疏水印刷面不利于水溶性胶黏物的吸收，降低了剥离力。

然而，接装纸A比接装纸B的透过时间大很多，吸湿性差，但在实际生产中表现粘结良好，而吸湿性好的接装纸B在实际生产中却表现不良，因此，不能仅通过透过时间来判断接装纸上机适用性的好坏，在上机生产过程中接嘴胶在接装纸表面发生润湿及有限渗透更重要。

综上，为了进一步了解液体在接装纸表面的动态渗透性能，采用接触角测定仪和动态渗透测定仪对接装纸的动态渗透过程进行了进一步表征。

2.2　动态接触角的变化规律

接触角是表征固液界面润湿程度的重要参数，其值>90°为不润湿，其值<90°为润湿，数值越小表明润湿性能越好。接装纸的表面润湿性能对卷烟接装影响很大，并受纸张表面张力、吸水性、平滑度和印刷油墨的影响[

16]。图2为水在4种接装纸的印刷面与非印刷面接触角随时间的变化过程。

图2  接装纸的动态接触角

Fig. 2  Dynamic contact angle of tipping papers

由图2可知，4种接装纸印刷面的初始接触角差别较大，在90°~120°的范围内，说明接装纸印刷面不易被润湿，接装纸C印刷面接触角最大，接近120°，而接装纸D印刷面接触角最小，略大于90°，接装纸B和A介于二者之间，接装纸之间初始接触角差异主要受印刷面最外层所用光油的疏水性以及表面微观粗糙度的影响。

接装纸非印刷面的接触角大小主要与接装纸原纸的生产工艺有关，印刷加工作用于接装纸原纸的印刷面，对非印刷面影响小。当然，印刷时，为了解决接装纸的卷曲问题，有时在非印刷面采用背涂工艺[

17]。接装纸B、C、D的非印刷面初始接触角数值均小于印刷面，初始接触角均低于90°，液体在纸张非印刷面能够较好的润湿。接装纸A与其他3种接装纸相反，非印刷面初始接触角大于印刷面，非印刷面初始接触角大于90°，与其所用原纸施胶度或背涂时的涂料性能有关。

由图2还可以看出，4种接装纸无论印刷面还是非印刷面，接触角均随时间延长而减小。印刷面的接触角随时间的变化，减小幅度较小，而非印刷面接触角随时间的变化减小幅度较大。当水滴到纸面上，由于纸的多孔性和纤维素纤维的亲水性，在润湿纸面后，会向四周和纸张内部扩散、渗透，表现为水被纸张吸收，根据接触角的变化速率可判断纸张的吸收特性，单位时间内接触角变化越快，纸张吸收性能越好[

18]。目前国内卷烟行业多使用高速卷烟机，从接装纸上胶到进入搓接一般只有0.4~0.6 s，当卷烟从搓板出来后基本可以判断接装纸粘结是否牢固，从而决定卷烟是否漏气，因此可以认为接装纸从上胶到进入搓板时间为决定接装质量的窗口期[19]。

表2为接触角降低值随时间的变化。由表2可以看出，在一定的时间内，印刷面接触角的降低值远小于非印刷面，说明接装纸印刷面的油墨阻碍了对水的吸收。对于非印刷面，接触角在0.5 s内降低速率较大，说明非印刷面纸张的吸收性能好。虽然在一定时间内，4种接装纸的印刷面及非印刷面接触角降低值差异大，但印刷面和非印刷面接触角降低值的差值，接装纸A、C和D相近，接装纸B的最大，反映了接装纸B的印刷面和非印刷面的液体吸收性差异大。对于同品牌2种接装纸A和B，在0.5 s时印刷面接触角降低值相似，而非印刷面接触角降低值相差较大，接装纸B是A的2倍多，说明接装纸B非印刷面吸收性大，这导致在实际生产中，当使用同一种接装胶时，接装纸B由于两面吸收性不均衡，出现接装纸粘结不良现象。因此接装纸两面接触角降低值的差值可以作为判断接装纸上机适用性好坏的指标，在0.5 s时，非印刷面和印刷面接触角降低值的差值小于8°时，接装纸具有良好的粘结性能。

表2  接触角降低值随时间的变化
Table2  Variation of contact angle reduction value with time
接装纸印刷面降低值/(°)非印刷面降低值/(°)差值/(°)
0.5 s1 s2 s0.5 s1 s2 s
A 0.6 1.3 3.3 7.3 11.9 13.9 6.7
B 0.5 1.0 2.5 15.7 21.6 24.6 15.2
C 2.7 4.7 5.4 10.6 13.6 18.5 7.9
D 2.3 3.0 3.9 9.0 12.5 14.8 6.7

注   差值为0.5 s时印刷面和非印刷面接触角降低值之差。

2.3　动态渗透过程

为了更好地理解接装纸的渗透过程，使用PDA动态渗透仪分析了4种接装纸印刷面与非印刷面的动态渗透特性，得到了如图3所示的动态渗透曲线。从图3可以看出，4种接装纸的动态渗透特性具有明显差异，每种接装纸的印刷面和非印刷面动态渗透特性也有较大差异。

图3  接装纸动态渗透曲线

Fig. 3  Dynamic penetration method of tipping paper

由于超声波在空气、液体、纸张中传播强度不同，在液体与纸张接触的短时间内纸张表面被液体润湿，超声波强度随纸张表面空隙的填充而逐渐增加。当测试时间超过超声波强度最大值时，纸张中纤维因易吸水润胀导致纤维间空隙扩张[

20]，使得超声波强度下降，吸水速度越快，超声波强度下降就越快；纸张中的空隙趋于稳定，超声波强度也达到稳定值。因此，通过液体渗透曲线可以直观地表示出液体渗透的快慢[8]。

液体的渗透曲线可以用3种特征参数描述，分别是润湿性特征参数tmax 、吸收性Ab和t95。tmax是指超声波信号强度达到最高时的时间，可以用来表示纸张表面被润湿的难易程度。吸收性Ab代表纸张在一定时间内的吸收能力，与反映纸对液体吸收能力的Cobb值相当，而接装纸Cobb值检测过程中存在着透水问题使测试结果不够准确[

21]，所以Cobb值法不适用于定量50 g/m²以下的低施胶度纸张。t95是超声波强度下降到最大值95%时的时间，可以描述纸张内部孔隙及结构变化。如果tmax值小，说明纸张表面易被液体润湿，纤维和毛细管对液体的吸收能力强，这会导致液体很快把毛细管充满。此外，由于纸张纤维润胀，纸张毛细管扩张的速率大于毛细管对液体吸收的速率，从而使超声波强度逐渐下降。动态渗透曲线的超声波能量达到最大值后，纸张中纤维润胀导致空隙逐渐增加，超声波能量开始降低，t95值越大，意味着纸张润胀能力弱，吸液速率低。

4种接装纸的动态渗透特征参数如表3所示，接装纸印刷面的tmax、t95和Ab均大于非印刷面的相应值，这是由于印刷操作，纸面的平滑度、表面张力、孔隙率、抗水性均发生了变化，从而使得液体渗透难度增大。

表3  动态渗透主要特征参数
Table 3  Main characteristic parameters of dynamic penetration
接装纸tmax/st95/sAb
A30A60A120
印刷面 A 78.23 在测试时间内未测出，>120 5.82 7.68 11.32
B 13.63 27.95 11.47 17.03 23.60
C 11.90 23.03 12.87 17.27 22.33
D 12.25 53.14 4.17 7.20 14.49
非印刷面 A 0.57 1.82 13.60 14.82 17.22
B 0.16 0.25 16.62 22.83 26.29
C 0.18 0.33 14.55 15.90 18.81
D 0.16 0.27 14.33 16.02 19.32

由图2可知，4种接装纸印刷面的初始接触角均大于90°，属于疏水表面，不易润湿。由表3可知，接装纸A印刷面的tmax和t95值均最大，说明该接装纸印刷面液体渗透难度大，这与表面平滑度高、严密结实、透气度小、抗水性强的性能是一致的。接装纸D印刷面的tmax与接装纸B、C印刷面的tmax值相似，但是t95远大于接装纸B、C，说明接装纸D印刷面易于润湿，这与接装纸D印刷面接触角小一致，但由于比较致密的结构使得液体渗透困难，从而使Ab值较小，与接装纸A相近，小于接装纸B和C。接装纸B和C印刷面渗透参数值相近，液体的渗透性能好。接装纸C印刷面虽然具有较大的接触角，但表现出较好的动态渗透性能，其tmax值和t95值最小，因此表面接触角并不是影响液体渗透的唯一因素，接触角大不一定意味着液体渗透困难，液体在纸张的渗透扩散还受纸张表面结构、纤维吸收及毛细管作用等因素影响。

对于接装纸非印刷面，接装纸A的tmax值和t95值最大，说明接装纸A的非印刷面液体渗透难度大，这与该面具有较大的接触角是一致的，相较于其他接装纸，抗水性好。而接装纸B的tmax值和t95值最小，说明该接装纸易润湿和渗透，从Ab值看出，A30、A60和A120在4种接装纸中是最大的，说明接装纸B的非印刷面吸水性最好，这与表2的结果一致。

3 结 论

3.1 不同来源的接装纸有不同的动态渗透曲线，动态渗透曲线的3个特征参数（tmax、t95和Ab）可以表征不同来源的接装纸润湿和渗透性能。印刷加工导致接装纸具有较大两面差异性，使得印刷面和非印刷面动态渗透曲线有较大差异，印刷面的tmax、t95和Ab均大于非印刷面的相应值，印刷面液体渗透难度增大，使得印刷面和非印刷面液体渗透性能差别增大。

3.2 通过动态接触角研究接装纸两面的润湿和吸收性能表明，一定时间内的接装纸两面接触角降低值的差值可作为判断接装纸粘结性能的主要指标，在0.5 s时，接装纸的非印刷面和印刷面接触角降低值的差值在8°以内可以获得较好的上机适用性。由于在上机卷接过程中，接嘴胶在接装纸表面发生润湿及有限渗透，初始接触角及表征抗水性的透过时间并不能作为影响接装纸粘结性能的主要指标。

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