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烟粉粒径及其分布对稠浆法烟芯薄片性能的影响

  • 杨扬 1
  • 李朝建 2
  • 周成喜 3
  • 白媛媛 1
  • 刘文 1
  • 张晓艳 3
  • 王鹏飞 3 ✉
  • 朝鲁门 1 ✉
1. 中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102； 2. 江苏中烟工业有限责任公司， 江苏南京，210019； 3. 南通烟滤嘴有限责任公司，江苏南通，226014

中图分类号： TS76

最近更新：2024-01-20

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2024.01.008

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摘要

利用5组不同粒径的烟粉配制稠浆并制备烟芯薄片，研究单一粒径烟粉、连续级配混合烟粉对稠浆特性及烟芯薄片性能的影响规律，分析烟粉粒径分布对薄片性能的影响作用，优选出适宜的烟粉级配方案。结果表明，随着烟粉粒径的减小，稠浆黏度降低，薄片紧度、抗张强度增加，采用小粒径烟粉制备的薄片强度好但紧度过高，80目至≥200目4种粒径烟粉以0.2的级配系数混合时，制备的薄片各项性能较优，对比具有同等平均粒径、不同粒径分布的烟粉，较宽的粒径分布更利于薄片的强度，综合考虑稠浆及薄片性能，较优的烟粉混合条件为80目至≥200目4种粒径烟粉分别占比32.2%、13.0%、12.8%及42.0%，此时薄片紧度0.72 g/cm3，抗张强度可达0.549 kN/m。

新型烟草发展迅猛，加热不燃烧卷烟以抽吸感接近传统卷烟、有害成分和生物毒性低于传统卷烟的优势，成为新型烟草的重要发展方向[

1-3]。加热不燃烧卷烟所用的烟草材料主要为烟芯薄片，烟芯薄片的原料配方及加工工艺直接影响烟支的感官质量，进而影响消费者对卷烟产品的忠诚度，因此，烟芯薄片对加热不燃烧卷烟的品质起着关键作用。稠浆法制备烟芯薄片的过程主要是将烟末、烟梗等烟草原料粉碎后（烟粉）与水、胶黏剂及其他添加剂按一定比例混合并搅拌均匀，形成浆状物，均匀地铺在循环的金属带上，再进行干燥、铲剥[4-6]。

烟芯薄片需要具有一定的抗张强度和韧性，以满足后续的切条加工和烟支生产工艺要求，此外，为了保证薄片的烟碱及香气物质在低温不燃烧状态下的稳定释放，烟芯薄片结构需要具有适宜的疏松度和热传导效率，即要求薄片具有适宜的密度，薄片密度过高，不仅会导致烟支填充量增加、质量增加、成本提升，而且容易导致抽吸时前几口烟气感官质量较差。

烟粉作为烟芯薄片的主要原材料，对薄片性能发挥着举足轻重的作用。本研究主要探究了烟粉粒径、连续级配混合烟粉比例，以及粒径分布对稠浆特性及烟芯薄片强度等性能的影响规律，优化烟粉组成配方，为烟芯薄片的生产制粉及烟粉配方选择提供有效的理论支撑。基于本研究现有加热不燃烧卷烟产品及烟芯薄片生产线经验，在烟芯薄片能够有效碳化和保证烟雾量的前提下，拟定本研究制备的烟芯薄片需要满足抗张强度0.400~0.600 kN/m，烟芯薄片密度（即紧度）0.60~0.76 g/cm3的指标要求。

1 实验

1.1 原料及仪器

不同目数烟粉（60~80目、80~100目、100~140目、140~200目、≥200目）、黏合剂，南通烟滤嘴有限责任公司；丙三醇（甘油），国药集团化学试剂有限公司；阔叶木浆，印尼小叶牌。

电动搅拌器，德国IKA公司；旋转黏度计，美国Brookfield公司；电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；激光粒度仪、旋转流变仪，英国马尔文仪器公司；卧式电脑测控拉力仪，杭州纸邦自动化技术有限公司；厚度仪，杭州品享科技有限公司；柔软度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；肖伯尔打浆度仪，奥地利PTI公司；纤维分析显微镜，珠海华伦造纸科技有限公司；扫描电子显微镜（SEM），日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1　烟粉粒径及形态表征

利用激光粒度仪湿法测试烟粉粒径及粒径分布：将不同目数的烟粉加入水中配成质量分数10%的悬浮液，混合均匀，取少量悬浮液加入测试杯中进行测试；利用SEM观察烟粉形态：将少量烟粉撒于导电胶带上，导电胶带粘贴于测试台，进行喷金处理，然后置于样品仓进行测试，加速电压为5 kV。

1.2.2　浆料的制备

将阔叶木浆板用水浸泡，撕成碎片，利用Valley打浆机进行疏解和打浆处理，浆浓1.65%，打浆至65 °SR备用。

1.2.3　稠浆的制备

先将黏合剂溶解，然后将黏合剂、甘油、烟粉、纸浆和水混合，利用电动搅拌器在400 r/min转速下搅拌30 min，配制成均匀的稠浆。

1.2.4　稠浆性能的测定

用旋转黏度计测定配制好的稠浆黏度，测试前调整稠浆的温度为（25±2） ℃，测试转速为60 r/min；用旋转流变仪测定稠浆的流变特性，使用锥板-平板测量系统，锥板直径40 mm，测试温度25 ℃，加入样品后刮去锥板外多余的样品，在剪切速率0.1~1000 s-1范围内扫描，测得稠浆的黏度（η）随剪切速率（γ）变化趋势线。

1.2.5　烟芯薄片的制备

将配制的稠浆用刮棒涂布在钢板上，将烟芯薄片连同钢板一同置于100 ℃烘箱中干燥30 min，然后将烟芯薄片剥离待用，固定烟芯薄片定量为(175±5) g/m2，控制烟芯薄片的水分含量(8.0±1.0)%。

1.2.6　烟芯薄片性能的测定

烟芯薄片的定量按照GB/T 451.2—2002方法进行测定，紧度按照GB/T 451.3—2002方法进行测定，抗张强度按照GB/T 12914—2018方法进行测定，柔软度根据GB/T 8942—2016方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1　烟粉的粒径分析

不同目数烟粉的粒径如表1所示，粒径分布图如图1所示。表1中D50为中位粒径，常用来表示平均粒度，其物理意义是粒径低于该数值的颗粒体积占比50%，同理D10和D90表示粒径低于该数值的颗粒体积占比分别为10%和90%。烟粉筛分目数增加，烟粉颗粒越细，粒径数值越小。从图1可以看出，≥200目的烟粉粒径呈双峰分布，其他目数烟粉基本为单峰分布。相同放大倍数时不同目数烟粉的SEM图如图2所示。从图2可直观看出，不同目数烟粉粗细（大小）存在差异，观察图2中60~140目范围内的烟粉颗粒形态，可以看出烟粉呈不规则状，大部分为片状结构，少量块状和纤维杆状结构，烟粉表面粗糙有褶皱，有部分小粒径烟粉颗粒黏附在大粒径颗粒表面。

表1  不同目数烟粉的粒径
Table 1  Particle size of tobacco powder with different mesh sizes ( μm )
烟粉目数D10D50D90
60~80 37.25 356.8 622.1
80~100 28.36 277.6 521.7
100~140 20.23 185.8 351.9
140~200 11.55 74.52 178.8
≥200 5.24 30.42 90.26

图1  不同目数烟粉的粒径分布图

Fig. 1  Particle size distribution of tobacco powder with different mesh sizes

图2  不同粒径烟粉的SEM图

Fig. 2  SEM images of tobacco powder with different particle sizes

2.2　不同粒径烟粉对烟芯薄片性能的影响

2.2.1　稠浆性能

利用不同粒径烟粉与纸浆及其他助剂配制稠浆，测定稠浆的黏度及流变特性，结果分别如图3和图4所示。从图3可以看出，稠浆的黏度随着烟粉目数的增加（粒径的减小）而降低，这与张园园等[

7]、田永峰等[8]的研究结果一致。烟粉目数在140目以下时，稠浆黏度较大，测定的黏度值均高于8 Pa·s，烟粉目数为60~80目时稠浆黏度>10 Pa·s，稠浆流动性很差，当烟粉目数高于140目稠浆黏度急剧下降至3 Pa·s以下。稠浆黏度随烟芯粒径的增加呈增加的变化趋势，这可能与烟粉特殊的表面化学性质及稠浆复杂的组成有关。

图3  不同目数烟粉稠浆的黏度

Fig. 3  Viscosity of tobacco powder slurry with different mesh sizes

图4  不同目数烟粉稠浆剪切速率-黏度曲线

Fig. 4  Shear rate-viscosity curves of tobacco powder slurry with different mesh sizes

从图4可以看出，不同目数烟粉配制的稠浆均符合剪切致稀型流体特征，即稠浆的黏度随着剪切速率的增加而降低，在低剪切速率下，不同目数烟粉稠浆的黏度差异明显，烟粉粒径越大黏度相对越高，当剪切速率增加，不同目数烟粉稠浆间的黏度差异在缩小，这是因为稠浆中烟粉颗粒之间的相互作用力相对较弱，在高剪切速率作用下，这种作用力极易被破坏。

2.2.2　烟芯薄片物理性能

将不同目数烟粉配制的稠浆制备成烟芯薄片，测定烟芯薄片的紧度、抗张强度、抗张能量吸收及柔软度，结果如图5~图8所示。从图5~图7可以看出，随着烟粉目数的增加（烟粉粒径的减小），烟芯薄片的紧度、抗张强度、抗张能量吸收均呈增加的趋势，且均是在140目以下时增长幅度相对较小，在140目以上时急剧增加且近乎呈线性增加趋势。

图5  不同目数烟粉对烟芯薄片紧度的影响

Fig. 5  Effect of tobacco powder with different mesh sizes on density of RTL

图6  不同目数烟粉对烟芯薄片抗张强度的影响

Fig. 6  Effect of tobacco powder with different mesh sizes on tensile strength of RLT

图7  不同目数烟粉对烟芯薄片抗张能量吸收的影响

Fig. 7  Effect of tobacco powder with different mesh sizes on tensile energy adsorption of RTL

图8  不同目数烟粉对薄片柔软度的影响

Fig. 8  Effect of tobacco powder with different mesh sizes on softness of RTL

烟粉目数<140目时烟芯薄片的紧度较低，均低于0.50 g/cm3，当烟粉目数≥200目时，烟芯薄片紧度高于1.00 g/cm3；烟粉目数<140目时烟芯薄片的强度很差，抗张强度均低于0.300 kN/m，≥200目烟芯薄片的抗张强度和抗张能量吸收分别高达0.867 kN/m和14.5 J/m2，是<140目的大粒径烟芯薄片抗张强度和抗张能量吸收数值的4倍多。

研究发现，140~200目烟粉以及≥200目烟粉稠浆制备的烟芯薄片成膜性、薄片质量明显好于其他。烟粉粒径越大，形成烟芯薄片时烟粉颗粒在烟芯薄片结构中的排列疏松，颗粒与颗粒之间的孔隙较大，所以制备的薄片松厚度较高、紧度较低，此外，大粒径烟粉稠浆的黏度很大，流动性差，制成烟芯薄片成膜性差，干燥后表面粗糙，裂纹、孔洞多且孔径大，在烟芯薄片拉伸过程中，这些裂纹及孔洞部位极易断裂，导致强度性能较差；而小粒径烟粉颗粒制备的稠浆黏度较低、流动性好、成膜性较好，且小颗粒在烟芯薄片结构中的排列紧密，形成的烟芯薄片表面相对光滑且大孔洞少，最终烟芯薄片的强度性能相对较高。图9为不同目数烟芯薄片的SEM图。从图9可直观看出，随着烟粉粒径的减小，烟芯薄片的结构更加致密、表面光滑、孔洞减少且孔径减小。

图9  不同目数烟粉制备的薄片SEM图

Fig. 9  SEM images of RTL prepared by tobacco powder with different mesh sizes

从图8可以看出，烟粉粒径对烟芯薄片柔软度的影响较小，不同目数烟芯薄片的柔软度均在1000 mN左右，整体来看，随着烟粉粒径的减小，柔软度稍有降低，≥200目烟芯薄片的柔软度略低，柔软性稍高于其他，可能是因为该目数烟芯薄片紧度大、厚度低，更易于弯曲。

综上所述，从烟芯薄片的强度性能及薄片表观质量考虑，采用≥140目的烟粉制备稠浆法烟芯薄片较适宜，抗张强度可达0.500 kN/m以上，能够满足产品后续加工所需的抗张强度及柔韧性要求，但是该目数烟粉制备的烟芯薄片紧度较大，均高于0.80 g/cm3，且目数为≥200目的烟粉稠浆黏度偏低（<2 Pa·s），生产不易操控，综合考虑稠浆及烟芯薄片的各项性能，若利用单一目数烟粉制备烟芯薄片，最适宜的烟粉目数为140~200目。但为了进一步优化烟芯薄片配方及操作工艺，提升烟芯薄片的使用性能，可以将不同目数的粗细烟粉混合级配，以下实验将针对混合烟粉对烟芯薄片性能的影响开展研究。

2.3　连续级配的混合烟粉对烟芯薄片性能的影响

选用80~100目、100~140目、140~200目及≥200目烟粉进行连续级配，参考连续级配经典理论方程Dinger-Funk方程（如式(1)所示），确定不同粒径烟粉颗粒的级配配比[

9-10]，根据2.1中图1不同目数烟粉的粒径分布图可确定方程中的Dp、Dmax和Dmin，通过改变级配系数n值为0.1~0.5，获得5组不同配比的连续级配方案，具体各目数烟粉的质量比如表2所示。

U(Dp)=Dpn-DminnDmaxn-Dminn×100% （1）

式中，U（Dp）为累积粒子百分比，%；Dp为颗粒实测粒径，μm；Dmax为实测最大颗粒粒径，μm；Dmin为实测最小颗粒粒径，μm；n为级配系数。

表2  不同目数烟粉连续级配烟粉质量占比
Table 2  Continuous grading scheme of tobacco powder with different mesh sizes ( % )
n80~100目100~140目140~200目≥200目
0.1 26.2 11.8 12.4 49.6
0.2 32.2 13.0 12.8 42.0
0.3 38.3 14.1 12.8 34.8
0.4 44.4 14.9 12.2 28.5
0.5 50.2 15.0 11.9 22.9

根据表2方案配制具有不同混合比例的连续级配烟粉，将混合烟粉与纤维浆料及其他助剂混合制备稠浆及烟芯薄片，测定稠浆黏度以及烟芯薄片的性能，结果如图10~图13所示。考虑到烟粉粒径对烟芯薄片柔软度的影响不明显，连续级配混合烟粉实验中均未具体开展柔软度的测试。

图10  级配系数对稠浆黏度的影响

Fig. 10  Effect of value of n on slurry viscosity

图11  级配系数对烟芯薄片紧度的影响

Fig. 11  Effect of value of n on density of RTL

图12  级配系数对烟芯薄片抗张强度的影响

Fig. 12  Effect of value of n on tensile strength of RTL

图13  级配系数对薄片抗张能量吸收的影响

Fig. 13  Effect of value of n on tensile energy adsorption of RTL

从图10可以看出，稠浆黏度随着级配系数的增加呈增加的趋势，随着级配系数的增加，混合烟粉中大粒径烟粉的占比增加，大粒径烟粉会使稠浆黏度增加。从图10还可以看出，当级配系数≥0.3时稠浆黏度明显增加，且高于4 Pa·s，级配系数从0.1增加至0.2，黏度增加了9.19%，当级配系数从0.2增加至0.3稠浆黏度增加了37.9%，增幅更为明显。

从图11~图13可以看出，烟芯薄片的紧度、抗张强度和抗张能量吸收均随着级配系数的增加呈不同程度的降低趋势。从表2可以看出，随着级配系数的增加，80~100目及100~140目2种粒径较大的烟粉占比增加，烟芯薄片结构中大粒径烟粉的占比高于小粒径烟粉，使得烟芯薄片相对较为疏松，孔隙率高，烟芯薄片的紧度和强度性能降低。从图12可以看出，级配系数低于0.3时烟芯薄片抗张强度下降不明显，当级配系数高于0.3时，烟芯薄片的抗张强度明显降低，级配系数为0.5时，烟芯薄片抗张强度低于0.400 kN/m，比级配系数0.3时，烟芯薄片的抗张强度降低了30.6%。从图13可以看出，当级配系数为0.5时烟芯薄片的抗张能量吸收比级配系数为0.4时明显降低，降幅达30.4%。

从强度性能来看，制备具有较高强度的烟芯薄片适宜的级配系数为0.1~0.3，该范围内烟芯薄片的抗张强度为0.500~0.600 kN/m，级配系数继续增加，烟芯薄片强度下降幅度较大，考虑到级配系数为0.1时烟芯薄片的紧度较高（>0.75 g/cm3），级配系数为0.3时稠浆的黏度较高（>4 Pa·s），因此级配系数为0.2更为适宜，此时，混合烟粉中80~100目、100~140目、140~200目及≥200目烟粉的质量占比分别为32.2%、13.0%、12.8%及42.0%，稠浆黏度为3089×10-3 Pa·s，制备的烟芯薄片紧度为0.72 g/cm3，抗张强度0.549 kN/m，抗张能量吸收6.93 J/m2，紧度和强度均能满足拟定指标要求。

2.4　粒径分布对烟芯薄片性能的影响

综上所述，烟粉平均粒径越小，制备的烟芯薄片强度性能越好，但是平均粒径相近、粒径分布不同的烟粉制备的烟芯薄片性能可能会有所差异，本节主要讨论具有同等平均粒径的烟粉、不同粒径分布对烟芯薄片强度性能的影响。

140~200目烟粉的平均粒径为74.5 μm，80~100目烟粉与≥200目烟粉按质量比 3∶7混合烟粉的平均粒径为69.9 μm，二者的平均粒径相近，粒径分布图如图14所示。从图14可以看出，140~200目烟粉粒径分布相对较窄且为单峰，80~100目烟粉与≥200目烟粉按质量比3∶7混合烟粉的粒径分布宽且呈3峰。100~140目烟粉与级配系数0.4的混合烟粉平均粒径分别为185.8和176.6 μm，平均粒径相近，粒径分布图如图15所示。从图15可以看出，100~140目烟粉粒径分布较窄且单峰，另一种混合烟粉的粒径分布相对较宽。不同粒径分布的烟芯薄片性能如表3所示。从表3可以看出，在同等平均粒径时，具有宽粒径分布的混合烟芯薄片的强度更高，不同粒径分布烟芯薄片之间的强度差异对于较大粒径烟粉更为明显，表3中编号4#的烟芯薄片的抗张强度是编号3#烟芯薄片抗张强度的2倍多，编号2#混合烟芯薄片抗张强度比编号1#烟芯薄片的抗张强度增加了8.18%。

图14  同等粒径不同粒径分布的小粒径烟粉粒径分布图

Fig. 14  Particle size distribution of small tobacco powder with equal average particle size

图15  同等粒径不同粒径分布的大粒径烟粉粒径分布图

Fig. 15  Particle size distribution of large tobacco powder with equal average particle size

表3  不同粒径分布烟芯薄片的性能
Table 3  Properties of RTL with preparation of different particle size distribution
编号烟粉方案平均粒径D50/μm紧度/（g·cm-3）抗张强度/（kN·m-1）抗张能量吸收/（J·m-2）
1# 140~200目烟粉 74.5 0.82 0.538 6.63
2# 80~100目烟粉与≥200目烟粉按质量比3∶7混合 69.9 0.78 0.582 10.9
3# 100~140目烟粉 185.8 0.51 0.216 1.83
4# 80~100目、100~140目、140~200目及≥200目烟粉按级配系数0.4混合 176.6 0.70 0.451 5.89

上述结果表明，≥200目的小粒径烟粉对烟芯薄片强度有明显的改善作用，同等粒径时，小粒径烟粉占比越多，烟芯薄片强度越高，较宽的粒径分布有利于烟芯薄片强度改善；粒径分布对大粒径烟芯薄片的强度性能的影响更为显著。因此，具有宽粒径分布的混合烟粉更适于制备烟芯薄片。

3 结论

3.1 利用5组不同粒径的烟粉配制稠浆并制备烟芯薄片，随着烟粉粒径的减小，稠浆的黏度降低，烟芯薄片的紧度、抗张强度及抗张能量吸收增加，薄片的柔软度值变化不明显，>140目的小粒径烟粉制备的烟芯薄片强度明显高于大粒径烟粉，采用单一目数的烟粉时，140~200目的烟粉更适于制备烟芯薄片，但其紧度偏高。

3.2 利用80目至≥200目不同粒径的烟粉混合进行连续级配，改变级配系数，发现随着级配系数的增加，大粒径烟粉占比增加，稠浆黏度增加，烟芯薄片紧度、抗张强度和抗张能量吸收均不同程度有所降低。综合考虑各项性能，级配系数0.2时为最佳混合方案，此时各目数烟粉占比分别为32.2%、13.0%、12.8%及42.0%，制备的薄片紧度为0.72 g/cm3，抗张强度为0.549 kN/m。

3.3 对比分析平均粒径相近但粒径分布不同的烟芯薄片性能，发现具有宽粒径分布的混合烟芯薄片的强度高于窄粒径分布的单一目数烟芯薄片，不同粒径分布烟芯薄片之间的强度差异对于较大粒径烟粉更为明显。

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