镀铝接装纸上机适应性能表征及应用研究

陈 欣,黄华发

（福建中烟工业有限责任公司技术中心,福建 厦门 361021）

镀铝接装纸是近年来兴起的一种新型接装纸,其通过真空蒸镀将金属铝层复合到接装原纸表面,再进行油墨印刷、激光打孔等后续加工制作而成,表面呈现金属光泽,具有较强的视觉冲击效果。镀铝接装纸兼顾了包装与装饰功能,得到了市场和消费者的青睐,但因其印刷工艺复杂,采用镀铝接装纸卷制卷烟容易出现泡皱、漏气等质量问题。特别是随着镀铝接装纸在中细支卷烟产品的应用不断增多,提升镀铝接装纸上机适应性能日益迫切。

接触角是表面科学的重要参数之一,用于表征液体在固体表面的润湿性能,包括静态润湿性能和动态润湿性能[1-2]。根据烟草行业相关标准YC/T 424-2011的定义,接触角是指在液滴接触被测样品表面时,固、液、气三相交点的气/液接触面的切线与被测样品表面形成的夹角（θ）[3]。目前,接触角法广泛应用于各类材料的表面性能研究,特别是造纸行业[4-6]。本文通过尝试接触角法评价镀铝接装纸的表面润湿性能,分析卷烟异常质量问题成因并提出改进方案,为提高卷烟卷接质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

选用由A、B两家供应商提供的同一款镀铝接装纸（镀铝接装纸A、镀铝接装纸B）及对应两款原纸（原纸a、原纸b）,两款改进镀铝接装纸（改进样A1、改进样A2）（详情见表1）,去离子水（自制）,接装胶（某化学有限公司）。

表1 镀铝接装纸主要信息

Attension光学接触角测量仪（瑞典Biolin公司）,ZJ17卷烟机（常德烟机厂）。

1.2 方法

1.2.1 接触角测试

按照YC/T 424-2011《烟用纸表面润湿性能的测定接触角法》试验方法使用Attension光学接触角测量仪测试其接触角[2]。测试方法为座滴法,使用测试液体为去离子水,液滴体积为4μL,数据计算方法为杨拉普拉斯法。每个样品测试印刷面及非印刷面,每个测试面测试3组平行样,取平均值。数据采集从0秒开始,每隔0.07秒,记录一个接触角数据,总计时长5秒。每隔0.2秒计算接触角的变化值[6]。

1.2.2 烟支卷制

确保烟丝、滤棒、卷烟纸、接装胶及其他相关因素不变,采用上述镀铝接装纸在同一台ZJ17卷烟设备上以相同的设备运行条件进行烟支卷制试验。

1.2.3 上机适应性评价

在卷接过程中,记录设备运行状态、故障停机次数、设备调整参数及卷制过程接装纸状态。

1.2.4 烟支外观质量评价

根据GB/T 22838.12-2009的要求,对卷烟外观质量进行评价。

2 结果与讨论

2.1 镀铝接装纸评价

公司现有一款细支镀铝接装纸产品,分别由A、B两家供应企业提供。从表面润湿性能、上机适应性能两个方面入手对两款镀铝接装纸进行剖析。

2.1.1 表面润湿性能评价

从图1中可见,镀铝接装纸A印刷面及非印刷面接触角均比镀铝接装纸B高,即润湿性较差。两款产品印刷面5s内的接触角几乎不变,因此重点考察接装纸非印刷面的接触角。对于直接接触接装胶的接装纸非印刷面,镀铝接装纸A接触角均值达到101.9°,远高于镀铝接装纸B。由于ZJ17卷烟机从接装纸上胶到进入搓板到搓接完成所需时间约为1s,因此前2s时间是接装质量的关键。以0.2s为时间间隔,计算5s内接触角变化角度,接触角变化角度越大,接装纸吸水速率越快[7]。镀铝接装纸A及镀铝接装纸B变化趋势如图2,前2s时间内镀铝接装纸B吸水速率均高于镀铝接装纸A。同时,对两款接装纸原纸也进行了接触角的测试（如图3）。

图1 镀铝接装纸A及镀铝接装纸B印刷面与非印刷面接触角对比

图2 镀铝接装纸A及镀铝接装纸B非印刷面接触角变化趋势图

图3 原纸a和原纸b印刷面与非印刷面接触角对比

2.1.2 上机适应性及烟支外观质量评价

镀铝接装纸A及镀铝接装纸B的卷接过程评价如表2所示,因镀铝接装纸A上机适应性能不佳引起的停机或泡皱等质量问题次数远高于镀铝接装纸B。

表2 镀铝接装纸A及镀铝接装纸B上机卷制情况

2.2 缺陷成因分析

烟支卷制过程中,使用的接装胶为水基胶,其作用原理是通过接装胶中水分的挥发形成胶膜来达到粘接效果。因此,接装胶干燥速度与卷烟机上胶并完成搓接速度的匹配是保证接装纸粘接性能的关键。而接装胶干燥速度的快慢除与卷烟设备有关外,最重要的影响因素是接装纸非印刷面的润湿性能及吸水速率。通过对镀铝接装纸A和B的接触角的测量可知,镀铝接装纸A非印刷面的润湿性及前2s内吸水速率均低于镀铝接装纸B,在上胶后其无法在短时间内吸收接装胶中的水分,导致接装胶干燥速度过慢[8]。当进入搓接过程时,接装胶仍无法产生足够的粘接强度,在外力作用下滤棒与接装纸发生相对位移而出现泡皱问题。

2.3 改进措施及效果分析

镀铝接装纸由于表面采用了铝层转移及印刷等工艺,极易造成接装纸正反两面张力不均,必须进行背涂处理。通过两款接装纸原纸的分析,可以发现镀铝接装纸A非印刷面接触角均高于原纸a,而镀铝接装纸B非印刷面的接触角与原纸b较为接近（图1、图3）。根据2.2缺陷成因分析,从改进非印刷面润湿性能及吸水速率出发,提出两种缺陷样改进方案：（1）维持原纸a不变,改进背涂工艺,降低背涂液固含量,即提升镀铝接装纸非印刷面的润湿性能及吸水速率；（2）选用与镀铝接装纸B相同的原纸b,其余原辅材料及印刷工艺不变。

对改进样A1及改进样A2非印刷面进行接触角测量（图4）,接触角均比镀铝接装纸A非印刷面接触角有大幅下降,润湿性能有显著提升。其中,改进样A2润湿性能优于改进样A1。由图5可以看到前2s时间内改进样A1非印刷面接触角变化值高于改进样A2,但2.2s以后改进样A2接触角变化值反而高于改进样A1。

图4 改进样非印刷面接触角对比

图5 改进样A1及改进样A2非印刷面接触角变化趋势图

将两款改进样品于相同时间,相同设备条件下进行卷制,结果见表3。虽然改进样A2非印刷面润湿性能更好,但因其在2s内接触角变化角度低于改进样A1,其泡皱情况较镀铝接装纸A有所改善,但不如改进样A1。反观改进样A1虽后3s时间内其变化角度小于改进样A2,但因前2s内接触角变化角度显著,其卷制质量相较镀铝接装纸A有较大改善,也更优于改进样A2。可见,除了非印刷面润湿性能应在一定范围,确保接装纸非印刷面在前2s内的吸水速率适宜,使胶水干燥速度与卷烟机搓接速度相匹配,是解决泡皱问题更关键的因素。

表3 改进样A1及改进样A2上机卷制情况

3 结论

通过接触角法对正常镀铝接装纸与缺陷镀铝接装纸表面润湿性能及其随时间变化情况进行分析,探索泡皱问题产生原因及改进方案。针对镀铝接装纸非印刷面润湿性能及吸水速率两项指标进行改进。实际卷制效果说明,仅仅对接装纸非印刷面润湿性能高低的评价并不能完全衡量镀铝接装纸上机适应性能,而非印刷面在前2s内吸水速率的匹配性则是更关键的因素。该方法将为企业实际生产过程中质量问题的解决提供参考依据。