提高煙草基片松厚度的研究進展

煙梗、煙末、碎煙葉等物質(zhì)作為煙草薄片的重要組分，其化學成分與形態(tài)特征的差異對基片性能影響較大。煙梗纖維含量較多，纖維粗度和寬度較大，半纖維素、木素含量高于煙葉，而煙末、煙葉等物質(zhì)纖維含量少，其成分主要為水溶性糖、煙堿等且雜細胞較多^[7]。研究表明，隨煙葉、煙梗配比的增加，基片松厚度、透氣度和 Cobb值均呈現(xiàn)上升的趨勢，但基片抗張指數(shù)逐漸下降^[8]。與煙梗相比，煙葉中纖維含量較少且含有雜細胞和碎片，阻礙了煙草纖維與植物纖維之間的結合。隨煙葉漿比例的增加，基片中纖維含量降低，各組分的結合程度下降，進而提高了基片的松厚度^[9]。當煙葉添加量從30%提升至60%時，基片的松厚度提高了2.3%^[10]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，松厚度隨著煙梗用量的增加而提升，原因可能是未添加植物纖維時，煙梗類占比增加，基片的結構疏松、孔隙增多，其物理性能表現(xiàn)為透氣度逐漸增大，松厚度值也逐步上升^[11]。

煙梗與煙葉作為煙草薄片的重要原材料，在煙草薄片的占比相對較大，對基片的物理性有著重要的影響。相對于外加植物纖維，煙草原料占比的提升，有利于基片物理性能與抽吸品質(zhì)的提升。然而，在梗葉配比方面，由于原料來源多樣、等級混雜、均質(zhì)化程度低，對基片松厚度的影響也不盡相同。所以，為了提升基片的松厚度，可在保證基片強度的前提下，提高梗葉在基片的比例。

由于煙草原料中纖維長度短且雜細胞較多，因此煙草薄片制備過程中通常需要添加植物纖維作為增強組分，賦予基片一定的強度，確?；某尚魏图垯C的運行性，同時滿足基片加工過程的強度要求^[12]。常用的外加植物纖維有針葉木、闊葉木、棉纖維等，纖維添加量在5%~20%。煙草薄片生產(chǎn)企業(yè)通常采用針葉木漿和闊葉木漿作為外加纖維。表1為基片中外加纖維的特點及其物理性能。由表1可知，針葉木漿纖維長且細，基片強度高，但對基片松厚度有不利影響；而闊葉木漿纖維粗且短，有利于改善松厚度^[21]；本色漿木素含量較高，對基片的松厚度有利，但會對卷煙的抽吸品質(zhì)產(chǎn)生影響，有強烈的刺激性，木質(zhì)氣味重，而且木素會在高溫條件下生成苯、苯酚、稠環(huán)芳烴等有害物質(zhì)^[22]。棉漿纖維長度較長，基片柔韌性好，產(chǎn)生的雜氣少，對卷煙抽吸品質(zhì)的影響小；此外，也有將茶葉、苦菜、小茴香、甘草等藥用纖維作為煙草薄片外加纖維，實現(xiàn)“增香降焦”的效果^[23]。

在植物纖維用量方面，羅沖等人^[13]的研究表明，隨著植物纖維用量的增加，煙草薄片的松厚度呈下降趨勢。當植物纖維配比為20%時，煙草薄片的松厚度相比于未添加植物纖維時下降了3.9%，當植物用量大于22%時，松厚度下降2%~3%之間^[24]。因此，降低植物纖維的添加量，并對其適度打漿，不僅可以滿足基片強度與松厚度要求，而且有利于降低煙草薄片木質(zhì)氣味，改善抽吸品質(zhì)。目前，我國煙草薄片中加入的植物纖維大多為進口的針葉木與闊葉木，價格較高。李文昱等人^[25]以甘蔗渣纖維為原料代替木材纖維，發(fā)現(xiàn)蔗渣纖維中含有的水溶性糖有利于降低煙草薄片的氯離子含量，減少產(chǎn)品的刺激性。同時以5%的蔗渣纖維替代5%的闊葉木纖維，發(fā)現(xiàn)基片的透氣度吸收性、松厚度指標基本相同。欒鵬程等人^[26]通過對蔗渣進行打漿處理，發(fā)現(xiàn)蔗渣纖維用量為20%時，隨著蔗渣纖維用量和打漿度的增加，基片松厚度逐漸下降，相比于未打漿的蔗渣纖維，添加打漿度為67°SR蔗渣纖維時，基片的松厚度下降了5%。

細小纖維與納米纖維素可以用作增強劑，彌補降低植物纖維用量造成的強度下降問題。細小纖維添加量增加，基片強度逐漸提高，但其松厚度與柔軟度降低，濾水性能下降。采用細小纖維替代部分木漿纖維有可能實現(xiàn)基片綜合性能的改善。有研究表明^[27]，當木漿添加量12%，細小纖維添加量1%時，相對于工廠原有配方（即20%木漿用量），基片松厚度可提高3.4%，柔軟性提高39.3%，基片物理性能得到了較大改善。細小纖維的纖維形態(tài)對基片的物理性能存在較大影響，王亮等人^[28]研究了不同長度的細小纖維對基片松厚度的影響。結果發(fā)現(xiàn)，隨著細小纖維平均長度的減小，基片的松厚度隨之下降。添加平均長度為0.350 mm的細小纖維相比添加0.812 mm的細小纖維，其基片松厚度下降了3.3%。隨著細小纖維長度的降低，比表面積增加，表面羥基更加豐富，纖維間的結合力增加，纖維網(wǎng)絡更致密，從而使基片的緊度增加，松厚度降低。

近年來，纖維素納米纖絲（Cellulose nanofibril, CNF）由于具有優(yōu)良的納米尺寸效應，較高的比表面積，豐富的表面羥基等，已成為造紙領域的研究熱點之一。納米纖維素表面豐富的羥基可賦予基片足夠的強度。因此，添加納米纖維素有利于降低植物纖維的用量，減少雜氣，達到改善基片物理性能的效果。研究表明^[29]，添加0.1%的CNF，木漿用量可由25%減少至16.7%，同時松厚度提升2.5%。劉雄利等人^[30]將3種納米纖維素，即纖維素納米晶體、羧基納米纖維素及未改性納米纖維素，添加到涂布液中以期改善基片的物理性能。結果發(fā)現(xiàn)，當3種納米纖維用量為0.1%時，與空白樣相比，煙草薄片松厚度可提升2.4%~7.7%。

添加一定比例的植物纖維，如漂白針葉木漿、漂白闊葉木漿與本色漿等，可為漿料體系結構提供強度骨架性網(wǎng)絡，保證紙機的正常運行。然而，植物纖維的加入不可避免的對基片抽吸性能產(chǎn)生一定的負面影響。所以開發(fā)利用新型的外加植物纖維，拓寬外加植物纖維來源，對于打破原料供應限制、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。近年來，農(nóng)業(yè)廢棄纖維（如甘蔗渣、麻漿等）與茶葉等藥用纖維逐漸應用于煙草薄片生產(chǎn)領域，這些植物纖維可以提高卷煙的內(nèi)在品質(zhì)，如提高香氣、減少雜氣、降低卷煙燃燒產(chǎn)生的焦油及自由基含量，拓寬了外加植物纖維的領域，提高了其應用價值。

在基片抄造過程中添加填料替代部分纖維不僅能夠提高煙草薄片松厚度和透氣度，改善卷煙的燃燒性能和抽吸品質(zhì)，還能降低企業(yè)生產(chǎn)成本^[31]。從成本、安全性考慮，輕質(zhì)碳酸鈣是目前廣泛使用的無機填料，其添加量一般在10%~20%。碳酸鈣的添加使基片中有機物減少，同時，其多孔結構可改變基片微觀結構，提高基片透氣度和松厚度，在一定程度上起到降低焦油和CO 釋放量的作用^[32]。

填料的種類與用量對基片的結構與性能具有較大影響^[33]。與其他填料相比，偏三角面體的輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）對基片的松厚度提升效果較為顯著。當填料添加量為15%時，添加PCC基片的松厚度相對于添加滑石粉、GCC基片的松厚度分別提高了2.32%和1.85%，相對于空白樣品提高了2.80%^[34]。當碳酸鈣添加量從10%增加至50%時，基片松厚度提高了5.5%，隨著填料添加量的提高，基片纖維層間的空隙被不同粒徑的碳酸鈣所填充，松厚度有較大提升。同時，基片的焦油與CO 釋放量分別下降了24.29%、10.75%^[35]。除了選擇碳酸鈣作為填料外，也有研究對比了硅藻土、二氧化鈦等填料對基片物理性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，添加硅藻土、二氧化鈦、輕質(zhì)碳酸鈣填料均可提高基片松厚度。但硅藻土與鈦白粉添加量低時基片性能較好，添加量在6%以內(nèi)對基片松厚度提升較大^[36]。

填料的粒徑對基片松厚度影響也較大。王浩雅等人^[37]研究了不同目數(shù)（300、600、1250、2000目）的碳酸鈣對基片物理性能的影響，隨著碳酸鈣目數(shù)的提高，粒徑逐漸降低，基片的抗張強度、填充值呈上升趨勢，松厚度有所下降?；曳忠欢〞r，碳酸鈣的粒徑越小，越容易填充在紙張孔隙中，導致基片松厚度和透氣度下降，不利于降低CO和焦油釋放量。綜合考慮基片各項性能，碳酸鈣的目數(shù)不宜超過600目。此外，較大粒徑的填料有利于改善基片松厚度，由于硅藻土粒徑較大，不僅可提高填料留著率，而且其自身的高孔隙率特點有利于降低有害物質(zhì)的釋放量；相對于PCC，不同粒徑硅藻土可使基片松厚度提升2.7%～13.1%，且粒徑越大對基片松厚度的提升越明顯^[38]。

除了對填料種類、用量及粒徑進行優(yōu)化外，填料改性也是提高填料留著、改善基片性能的有效有段^[39]。俞海軍等人^[40]研究了3種碳酸鈣改性方式（淀粉與助留劑混合加入、淀粉改性、煙梗纖維-淀粉改性）對基片的影響。與直接添加淀粉和填料相比，3種改性方式制備的基片填料留著率依次增加，松厚度分別提升5.85%、8.78%、10.73%，且降低了基片CO與焦油釋放量。納米纖維素具有高的比表面積、機械強度以及生物可降解性，在預絮聚、顆粒的留著及紙基強度的增強等領域研究廣泛。Guan等人^[41]將CNF用作絮凝劑，研究了CNF與PCC的復合及對紙張性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，PCC及CNF的復合填料能使填料留著達到90%。在填料含量相同時，制備出的基材強度性能好。填料留著的提高，減輕了白水處理的壓力，且絮聚后的填料擁有較大的粒徑，能夠改善基片的松厚度。Liu等人^[42]使用陽離子納米纖維素（CCNF）絮聚PCC，發(fā)現(xiàn)CCNF能夠改善PCC的絮聚與再絮聚性能。與未添加CCNF相比，添加0.4%（相對于絕干煙草漿）的CCNF后，PCC的留著率及漿料留著率分別提高了6.8%和41.8%，煙草薄片的松厚度和透氣性分別提升了6.8%和41.8%，抗張強度略有下降。當CCNF添加量在7%（相對于PCC的添加量）時，PCC的留著率從32.7%提升到44.7%，煙草薄片透氣度、柔軟度、松厚度分別提升了15.1%、28.0%、3.6%^[43]。

填料在煙草薄片的應用中存在2個問題，一是填料粒徑較小，留著率較低；二是填料保留在基片中干擾纖維的結合，降低紙張的強度性能。目前，填料的種類、用量、粒徑以及填料改性等方面已經(jīng)做了諸多研究，未來將可降解、環(huán)保、無毒的高分子材料與填料進行復合應用到煙草薄片，改善填料的留著和基片強度是該領域的重要方向之一。

煙草廢棄料如煙梗、煙末等材料，經(jīng)過粉碎機處理后，可得到尺寸大小不一且形狀不規(guī)則的顆粒狀物質(zhì)。因其形態(tài)、尺寸類似于造紙?zhí)盍?，但又屬于煙草組分，可稱之為“類填料”。研究表明，將煙梗粉碎、篩分后，獲得的梗顆粒可提高基片的松厚度與透氣度。大粒徑的梗顆粒對松厚度的提升尤為明顯。與未添加梗顆粒的基片相比，添加4種尺寸（＞60、60～80、80～120、120～200目）的梗顆粒，其松厚度分別提升8.31%、6.31%、5.98%、2.99%^[44]。除煙梗顆粒影響外，不同尺寸的煙末也可作為類填料，對煙草薄片性能產(chǎn)生影響。當煙末尺寸降低時，過多的煙末填充在纖維交織的網(wǎng)絡里，導致松厚度降低。當煙末尺寸為120~200目時，相比添加60~80、80~120目的煙末尺寸，基片的松厚度分別下降7.65%和5.10%^[45]。

采用“類填料”作為煙草薄片的組分，明顯提升了基片的松厚度，同時對基片的抽吸品質(zhì)影響較小。在后續(xù)的研究中，可以進一步探究原料粒徑、形貌及比表面積對基片物理性能的影響。

造紙法基片生產(chǎn)中所用助劑的選擇必須要求天然、無毒，同時具有良好的助留助濾和增強等性能。煙草薄片產(chǎn)品的特殊性導致我國所使用的添加劑種類較少，對所選用的添加劑加入后所造成的產(chǎn)品品質(zhì)是否改變?nèi)狈θ娴难芯俊Ｒ虼?，要結合實際生產(chǎn)，在保證無化學品危害下，合理使用添加劑。

有研究發(fā)現(xiàn)添加殼聚糖助劑后基片的松厚度高，當殼聚糖用量在0.6%時，較未添加助劑的基片松厚度可以提高8%左右^[46]。這是因為添加助劑，提高了填料的留著率，因而增加了基片的松厚度，但也降低了基片的結合強度^[47]。孫德平等人^[48]對比了2種不同的助劑瓜爾膠和殼聚糖，當二者用量相同（0.6%）時，添加殼聚糖的基片松厚度更高。因為殼聚糖的助留效果要優(yōu)于瓜爾膠，且具有增強效果，當殼聚糖添加量增加時，其增強和助留的綜合作用，導致基片松厚度和抗張強度進一步增加。為了提高殼聚糖的使用效果，徐曼等人^[49]進一步研究了3種不同分子質(zhì)量的殼聚糖對基片物理性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著殼聚糖添加量的增加，基片的松厚度呈先上升后下降的趨勢，殼聚糖的添加量在0.4%以內(nèi)對基片松厚度提升最大。

煙梗中果膠、木質(zhì)素、單寧等大分子物質(zhì)含量較高，不僅影響煙梗纖維的疏解，而且會影響煙草薄片的燃燒性能及產(chǎn)品品質(zhì)，因此可對煙梗進行一些預處理，以達到調(diào)控煙草薄片產(chǎn)品物理結構和化學組成的目的。除采用常規(guī)洗梗預處理方式外，還有加酶萃取^[56]、微生物發(fā)酵^[57]和疏解萃取等技術^[58]。王鳳蘭等人^[59]通過化學萃取銨堿法對煙梗纖維進行預處理，即采用尿素［CO(NH₂)₂］和堿性化合物（KOH）協(xié)同處理，改善煙草薄片物理性能。在最優(yōu)條件下，與未預處理煙梗纖維所抄造的基片相比，所得基片的抗張指數(shù)、松厚度和柔軟性能分別提高了9.3%、16.5%和27.4%。采用銨堿法處理原料可使煙梗中的木素、半纖維素等高分子物質(zhì)和果膠等大分子物質(zhì)發(fā)生降解，從而改善煙梗的細胞壁結構，使基片的松厚度與未預處理的基片相比有一定程度的提高。此外，也有對比研究水熱、乙醇水溶液和堿性離子液體預處理煙梗對基片物理性能的影響。相對于熱水抽提和乙醇水溶液處理，經(jīng)堿性離子液體處理后，煙梗中的部分木質(zhì)素去除，纖維的潤脹和分絲帚化得到改善，纖維間的氫鍵增加，纖維結合力提高，從而提高了基片的抗張強度，松厚度與透氣度略有下降，松厚度較未處理時下降了約7.1%^[60]。胡念武等人^[61]發(fā)明了一種采用碳酸氫鈉提高基片松厚度的方法，其原理是在漿池加入食品級乙酸和碳酸氫鈉溶液，反應產(chǎn)生的二氧化碳氣體增加纖維間的距離，從而使纖維在網(wǎng)部成形過程中保持較大間距。該方法制備的基片松厚度可提高6%以上，但碳酸氫鈉可能會進一步加重廢水處理的困難，對抽吸品質(zhì)造成負面影響。