鹿洪亮，李躍鋒*，李易非，于德德，林 凱，鄭曉暉，林志平，李茂毅，范堅(jiān)強(qiáng)**

1.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市濱水路298 號(hào) 361021

2.西北大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，西安市環(huán)城南路216 號(hào) 710069

在造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中，對(duì)基片施加涂布液為關(guān)鍵工序，且涂布液吸收效果會(huì)直接影響產(chǎn)品的風(fēng)格、穩(wěn)定性及再造煙葉產(chǎn)品質(zhì)量。涂布率的改變還會(huì)影響到再造煙葉成品的物理指標(biāo)（如定量、厚度、松厚度、填充值、平衡含水率、抗張強(qiáng)度、橫向和縱向拉伸率等）。影響涂布液在造紙法再造煙葉基片吸收效果的因素很多，趙英良等［1］研究發(fā)現(xiàn)，涂布后與涂布前相比，紙基的定量、厚度和平衡含水率增加，填充值、松厚度和抗張強(qiáng)度下降；紙基的長(zhǎng)度和寬度均有所增加，橫向和縱向拉伸率都會(huì)發(fā)生不同程度的變化。王鳳蘭等［2］研究發(fā)現(xiàn)，涂布液流變性能以及涂布輥之間壓力對(duì)涂布影響較大，而在較低車速下涂布液溫度以及紙機(jī)車速對(duì)涂布率的影響則較小。邱曄等［3］、張林霄等［4］研究表明，碳酸氫鹽的應(yīng)用有助于提高再造煙葉涂布率，同時(shí)涂布率的提高對(duì)再造煙葉綜合品質(zhì)的提升有重要影響?；萁?quán)等［5］通過對(duì)不同涂布率的樣品進(jìn)行理化指標(biāo)、感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，確定造紙法再造煙葉涂布率的適宜范圍為45%～75%、最佳范圍為55%～65%。陳順輝［6］分析了波美度、溫度及涂布輥壓力對(duì)涂布率的影響，結(jié)果表明波美度和溫度對(duì)涂布率的影響顯著，而涂布輥壓力影響較小。目前評(píng)價(jià)涂布液滲透吸收規(guī)律方面的研究則鮮見報(bào)道。

接觸角是表面科學(xué)的重要參數(shù)之一，表征液體在固體表面的潤(rùn)濕性能，包括靜態(tài)潤(rùn)濕性能和動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能［7-8］。接觸角測(cè)試技術(shù)是從微觀角度測(cè)量液體對(duì)固體的接觸角，即液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性，有利于從微觀角度測(cè)量和揭示各種液體對(duì)不同固體材料的吸收滲透效果［9-10］。在潤(rùn)濕過程中，動(dòng)態(tài)接觸角隨潤(rùn)濕速度動(dòng)態(tài)變化［11-12］，更能連續(xù)、直觀地反映液體在固體表面滲透吸收的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能，具有快速、直觀、動(dòng)態(tài)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，適合于再造煙葉企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程質(zhì)量。因此，利用接觸角技術(shù)從微觀角度上分析再造煙葉涂布液在基片上的動(dòng)態(tài)吸收規(guī)律，確定影響涂布液吸收的關(guān)鍵因素，旨在改善涂布液在基片上的滲透吸收效果，進(jìn)而提升再造煙葉產(chǎn)品感官質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

造紙法再造煙葉實(shí)驗(yàn)基片、成品和A 級(jí)002 再造煙葉用涂布液（福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

68-76 型便攜式動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀（美國(guó)TMI公司）；LW350EC 型臥式螺旋差速離心機(jī)（象山海申機(jī)電總廠）；CR400 型色彩色差計(jì)（日本Konica公司）；DV2T 型黏度計(jì)（美國(guó)Brookfield 公司）；DMA4500M 型密度儀、Abbemat300 型密度折光儀（奧地利Anton Paar 公司）；AG104 型電子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 接觸角測(cè)試

1.2.1.1 接觸角測(cè)試原理

接觸角是指在固體水平平面上的液滴所形成的固體表面上的固-液-氣三相交界點(diǎn)處，其氣-液界面和固-液界面兩切線把液相夾在其中時(shí)所成的角（圖1）。接觸角主要用于評(píng)價(jià)液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性，通過測(cè)量各種液體對(duì)不同材料的接觸角可以評(píng)價(jià)液體在固體上的吸收滲透效果。當(dāng)接觸角小于90°時(shí)，液體具有親水性，能滲透至固體樣品中；當(dāng)接觸角大于90°時(shí)，液體具有疏水性，液體只能停留在固體樣品表面，不能滲透至固體樣品內(nèi)。

圖1 涂布液在基片吸收時(shí)接觸角示意圖Fig.1 Schematic diagram of contact angle of coating solution with base sheet during absorption

接觸角測(cè)試儀是基于視頻技術(shù)的質(zhì)量測(cè)試儀器，儀器內(nèi)置的壓縮泵泵出的液滴可以精確到0.5 μL，通過內(nèi)置的高速攝像頭連續(xù)捕捉液滴在樣品表面滲透吸收過程中的一系列圖像，可以測(cè)量和計(jì)算在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)“平衡”或動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕過程中液滴的靜態(tài)接觸角（圖2）。

圖2 涂布液在基片吸收時(shí)接觸角隨時(shí)間變化情況Fig.2 Variation of contact angle of coating solution with base sheet during absorption

相同時(shí)間內(nèi)，相同體積的液滴在樣品表面剩余液體的接觸角越小，說明被吸收的液體量越大，液滴在該樣品上的滲透吸收效果越好。也可以用樣品表面未吸收液滴的體積、高度及接觸面積來表征涂布液在基片上的滲透吸收效果。接觸角技術(shù)可以快速測(cè)試液滴落下后，液滴隨時(shí)間變化在固體樣品表面吸收過程中的連續(xù)變化規(guī)律。

1.2.1.2 接觸角測(cè)試方法

將基片于溫度（22±1）℃，相對(duì)濕度（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48 h。

將涂布液裝入樣品儲(chǔ)存管內(nèi)，打開接觸角測(cè)定儀的操作軟件，設(shè)定樣品體積為2 μL，啟動(dòng)抽樣泵使儀器管路充滿待測(cè)涂布液。將測(cè)試基片放置在接觸角測(cè)定儀下面，通過高速相機(jī)鏡頭顯示的圖像選擇基線水平的位置作為測(cè)試位置。啟動(dòng)設(shè)備開始測(cè)試，做3 組平行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)連續(xù)拍攝到的液滴圖像接觸角變化數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)該樣品的吸收性能。

1.2.2 色差測(cè)試

將色彩色差計(jì)開機(jī)預(yù)熱20 min 后，將采集窗口放置在樣品平坦位置進(jìn)行L*（明度值）、a*（紅綠值）、b*（黃藍(lán)值）測(cè)定，使用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件分析樣品顏色差異。

1.2.3 黏度測(cè)試

待測(cè)樣品溫度調(diào)節(jié)至55 ℃后，將轉(zhuǎn)子浸入樣品中至轉(zhuǎn)子桿上的凹槽刻痕處，選擇0#轉(zhuǎn)子，黏度＜10 cP 時(shí)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min，黏度＞10 cP 時(shí)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為60 r/min，待數(shù)值穩(wěn)定后，記錄樣品的黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 離心凈化前后的涂布液在基片上吸收效果

在造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中，涂布工序一般采用浸涂方式，但涂布過程中基片快速通過涂布液時(shí)，基片中的填料（碳酸鈣）、細(xì)小纖維等物質(zhì)會(huì)脫落于涂布液中。長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)使用涂布液時(shí)，涂布液中的顆粒和細(xì)小纖維會(huì)不斷累積，涂布液的黏度、含渣量和密度均不斷增大，會(huì)影響到涂布液在基片中的吸收速率，進(jìn)而影響到再造煙葉成品的涂布率和感官質(zhì)量。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用臥式螺旋差速離心機(jī)對(duì)循環(huán)使用的涂布液進(jìn)行離心處理，由處理結(jié)果可知，離心前的涂布液黏度為12.7 cP，離心后的涂布液黏度為8.5 cP，凈化效果明顯。

分別將2 μL 離心凈化前后涂布液通過接觸角測(cè)定儀滴于基片表面，操作軟件高速拍攝液滴在基片表面滲透吸收過程照片，計(jì)算液滴表面與基片之間的切線夾角（接觸角）、基片上方未吸收液滴的體積、高度及液滴與基片接觸面積，進(jìn)而評(píng)價(jià)涂布液在基片上的吸收效果。接觸角、基片上方未吸收液滴的體積、高度及液滴與基片接觸面積測(cè)定結(jié)果見圖3。

從圖3 可以看出：①離心后涂布液在基片中的吸收速度明顯快于離心前涂布液，離心后涂布液在0.7 s 時(shí)的接觸角為51.2°，與離心前涂布液在1.0 s 時(shí)的接觸角51.9°接近，說明離心后比離心前涂布液在基片中吸收速度快了大約0.3 s，滲透效率提高了30%；而在120 m/min 的生產(chǎn)車速下，紙基在涂布液中浸泡時(shí)間約0.8 s，超過該時(shí)間后紙基已離開涂布槽，涂布液未完全吸收，所以未離心涂布液在紙基中的吸收時(shí)間不足。離心后涂布液吸收快了0.3 s，對(duì)品質(zhì)影響就顯得尤為重要。②涂布液剛接觸基片時(shí)吸收速度較快，這與基片內(nèi)部吸收空間充足有關(guān)系，隨著吸收空間慢慢飽和，涂布液在基片中的吸收速度變慢。③在0.9～1.0 s時(shí)，吸收速度突然加快，這與該時(shí)間段內(nèi)涂布液滴與基片接觸面積達(dá)到最大是一致的，所以同等體積的液滴吸收速率與接觸面積成正比關(guān)系。④涂布液未吸收體積和高度所顯示的規(guī)律與接觸角一致，均可以作為評(píng)價(jià)吸收性能的指標(biāo)。⑤吸收超過1 s 后，涂布液吸收接近飽和，也超過了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)紙基浸入涂布液時(shí)間，所以實(shí)驗(yàn)選擇有代表性的0.3、0.6、0.9、1.0 s 4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的接觸角評(píng)價(jià)涂布液的吸收性能。

圖3 離心前后涂布液在基片上的接觸角、體積和高度Fig.3 Contact angle, volume and height of coating solution on base sheet before and after centrifugation

2.2 基片正反面涂布液吸收效果

再造煙葉生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)基片涂布后正反兩面存在顏色差異（圖4），而正反面的色差反映了涂布液的吸收效果。

圖4 再造煙葉正反面涂布顏色差異圖Fig.4 Color difference between right and wrong sides of reconstituted tobacco after coating

為了考察基片正反面對(duì)涂布液吸收效果的影響，采用同一涂布液在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)同一基片的正反面開展了接觸角測(cè)試，結(jié)果見圖5。從圖5 可以看出，涂布液在基片正反面上開始吸收時(shí)的速度差異較大，達(dá)到了0.2 s；隨著吸收時(shí)間增加，涂布液在基片正反面上吸收接近飽和，滲透吸收速率差異變小?；嬖?.5 s 時(shí)的接觸角為66.2°，與0.3 s 時(shí)基片反面的接觸角66.5°接近，反面達(dá)到同樣吸收效果的時(shí)間比正面快了0.2 s；而基片正面在0.9 s 時(shí)的接觸角為55.8°，與0.8 s 時(shí)基片反面的接觸角相同，反面達(dá)到同樣吸收效果的時(shí)間比正面快了0.1 s。

圖5 再造煙葉基片正反面的涂布液吸收接觸角變化圖Fig.5 Variations of contact angle of coating solution on right and wrong sides of base sheet

涂布液在基片上涂布后的正反兩面存在色差主要是由于漿料在紙基抄造成型時(shí)，細(xì)小纖維、填料在濾水過程中較多地沉降在靠近濾網(wǎng)一面（反面），造成紙基上表面（正面）的長(zhǎng)纖維較多，而下表面（反面）的短纖維和填料較多；涂布液在上表面（正面）由于長(zhǎng)纖維分絲帚化不完全而導(dǎo)致涂布液滲透吸收較慢，使再造煙葉成品正面的顏色較淺。而在下表面（反面）短纖維較多，分絲帚化相對(duì)充分，造成涂布液滲透吸收較快，使再造煙葉成品反面的顏色較深。

2.3 正反面涂布差異對(duì)色差的影響

采用色彩色差儀采集再造煙葉成品正反面的色差數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。不同色差區(qū)間與視覺感覺色差程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。從表1、表2 可以看出：正面色差值為52.21，反面色差值為54.65，二者相差2.44，為視覺“可察覺”范圍上限，已可看出較明顯色差。

表1 再造煙葉成品正反面色差檢測(cè)結(jié)果①Tab.1 Test results of color difference between right and wrong sides of reconstituted tobacco

表2 色差區(qū)間與視覺感覺色差程度對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.2 Relationship between color difference interval and visual perception

正反面的色差值也反映了正反面涂布液的吸收效果差異，與接觸角測(cè)試結(jié)果一致，涂布液吸收不均勻也會(huì)造成感官質(zhì)量波動(dòng)。

2.4 涂布液關(guān)鍵控制指標(biāo)的確定

目前，涂布液控制指標(biāo)較多，包括折光指數(shù)、密度、黏度、固含量、pH 值等，各指標(biāo)的測(cè)試方法不同，測(cè)試周期較長(zhǎng)，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控過程質(zhì)量，因此篩選涂布液的關(guān)鍵控制指標(biāo)對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制至關(guān)重要。

將涂布液靜置24 h 后，分別將涂布液濃縮20%、10%，稀釋10%、20%、30%制備樣品，所測(cè)得的折光指數(shù)、密度、黏度、固含量、pH 值結(jié)果見表3。從表3 數(shù)據(jù)可以看出：①將涂布液濃縮20%時(shí)，其黏度發(fā)生了突變，與濃縮10%的樣品黏度14.20 cP 相比，其黏度快速增加到了27.78 cP；②將涂布液分別按濃縮20%、10%，稀釋10%、20%、30%制備樣品，所測(cè)得的折光指數(shù)、pH、密度差異不明顯，無法及時(shí)反映涂布液的品質(zhì)變化；而黏度、固含量對(duì)涂布液的品質(zhì)變化反映明顯，涂布液物理性質(zhì)發(fā)生細(xì)小變化時(shí)黏度變化更加明顯；另外，固含量檢測(cè)時(shí)間大約為150 min，而黏度檢測(cè)時(shí)間大約為10 min，所以采用黏度指標(biāo)監(jiān)控涂布液品質(zhì)滿足車間實(shí)時(shí)監(jiān)控過程穩(wěn)定的要求。結(jié)合不同黏度涂布液對(duì)基片吸收效果影響測(cè)試結(jié)果，確定黏度作為監(jiān)控涂布液品質(zhì)變化的關(guān)鍵指標(biāo)。

表3 不同稀釋比例的涂布液指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test results of indexes of coating solution at different dilution rates

2.5 涂布液黏度對(duì)基片吸收效果的影響

涂布液在連續(xù)生產(chǎn)過程中，其密度、固含量、雜質(zhì)等均會(huì)不同程度地升高，這幾個(gè)指標(biāo)均與黏度直接相關(guān)。為考察不同黏度涂布液對(duì)基片吸收效果的影響，將2.4 節(jié)中不同黏度的涂布液在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)同一基片開展了接觸角測(cè)試，結(jié)果見表4。

表4 不同黏度涂布液吸收性能測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of absorption of coating solution with different viscosities

從表4 中數(shù)據(jù)可以看出：隨著黏度的增加，涂布液在基片上的吸收速度變慢。濃縮20%樣品明顯慢于其他樣品，濃縮20%樣品1 s 的接觸角為60.4°，與原樣0.6～0.7 s 的接觸角接近，吸收速度降低了30%～40%；而濃縮10%樣品0.6 s 的接觸角為67.2°，與稀釋10%樣品的0.3 s 的接觸角67.3°接近，涂布液黏度太大會(huì)附著于基片表面影響其在基片中的進(jìn)一步吸收。適當(dāng)降低涂布液黏度可以提高其滲透吸收效果，黏度比以往生產(chǎn)車間關(guān)注的固含量、密度和含渣率等指標(biāo)更能有效反映涂布液品質(zhì)和滲透吸收效果。

3 結(jié)論

①高速離心處理有助于提升涂布液在基片中的吸收速度，離心處理后涂布液的滲透吸收速度明顯快于離心前，離心后涂布液在0.7 s 時(shí)的接觸角為51.2°，與離心前涂布液在1 s 時(shí)的接觸角為51.9°接近，吸收速率提高30%。②確定了涂布液黏度作為影響涂布質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，涂布液黏度對(duì)基片吸收效果影響明顯，適當(dāng)降低涂布液黏度可以提高其滲透吸收效果。③漿料在抄造成型時(shí)，紙基上層的長(zhǎng)纖維較多，而下層短纖維和填料較多；涂布液在上表面（正面）由于長(zhǎng)纖維分絲帚化不完全而導(dǎo)致涂布液滲透吸收較慢，再造煙葉成品顏色較淺，而在下表面（反面）短纖維較多，分絲帚化相對(duì)充分，造成涂布液滲透吸收較快，再造煙葉成品顏色較深。④再造煙葉成品的正面色差值為52.21，反面色差值為54.65，差值為2.44，達(dá)到視覺“可察覺區(qū)間”上限，存在較明顯色差，也反映出涂布液在基片正反面的吸收效果存在差異。采用接觸角測(cè)試技術(shù)評(píng)價(jià)涂布液在基片上的動(dòng)態(tài)吸收性能，具有快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)連續(xù)、樣品量少且無損等優(yōu)點(diǎn)。