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盒装卷烟包装系统阻隔性分析与测试

  众所周知,中国是世界烟草大国,除了吸烟人口约占世界总吸烟人口的25%外,卷烟产量也占世界总产量的32%。与此同时,每年因包装不善问题造成的烟草损失,也在逐年增长。盒装卷烟作为烟草最小的包装系统,是由外层透明烟膜、内衬以及卷烟纸构成,因其阻隔性导致的烟草损失问题尤为突出。
  1、盒装卷烟包装的阻隔性
  盒装卷烟包装的阻隔性,是指包装材料,如烟膜、内衬或卷烟纸,对特定渗透对象由其一侧(通常为高浓度侧)渗透通过到达另一侧(通常为低浓度侧)的阻隔性能,整个过程包括吸附、溶解、扩散、解吸四个部分。通常渗透对象多为氧气、水蒸气、空气、有机气体等,因此也称作阻氧性、阻湿性、阻气性等。阻隔性,是对包装材料关于某渗透对象渗透能力的评估,是影响卷烟贮藏质量的重要因素。
  2、烟膜和内衬的阻湿性能
  卷烟,是一种胶质毛细多孔材料,微孔容积比较高,对水分子具有较强的吸附能力。其内部含有大量的蛋白质、果胶、水溶性糖等亲水物质,能通过羟基等极性基团与水分子结合,进一步增强卷烟对水分子的吸附能力。因此,致使卷烟具有极其敏感的吸湿特性,其平衡含水率会随着环境湿度条件的变化而发生改变。相关研究表明,冬季保存一定时间的卷烟含水率降低约0.5%,而夏季则会略有增加。
  水分的变化会对卷烟的诸多物理性质、吸燃体验、保存状态造成影响。例如,卷烟水分过高会造成烟叶质量增加、霉菌繁殖、相关物质分解和外观颜色变深,感官质量变差。同时,卷烟水分的增加也会使得卷烟吸燃时空气透过量变少,燃烧能力差、香味淡、劲头不足,吸燃体验变差。因此,卷烟包装的阻湿能力一直是烟草研究的重点。
  在盒装卷烟包装系统中,外层透明烟膜和内衬纸的阻隔性是烟包系统阻湿效果的核心。外层烟膜一般采用双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP),该类材料具有高透明度和光泽度,虽然阻氧性能一般,但阻湿性能良好。卷烟内衬纸是隔离卷烟和外层烟膜的纸质材料,常用的有印刷纸、复合铝纸、镀铝纸还有无铝箔内衬纸。可以说,内衬纸是卷烟包装系统阻隔湿气的第二重屏障,一方面加强整个系统的阻湿性,同时也防止外层透明膜的破损。
  对于烟包材料的阻湿性,国家烟草专卖局于2008年发布了《YC/T266-2008烟用包装膜》,适用于以聚丙烯树脂为主要原料,采用共挤平膜法经双向拉伸制得的热封型双向拉伸聚丙烯薄膜的质量控制。采用其他原料和工艺生产的烟膜亦可参考使用。其中,对BOPP烟膜的透湿量有明确要求:透湿量≤2.0g/(m2·24h·0.1mm)。标准规定,透湿量按GB/T1037的方法进行测试。笔者借助W3/060水蒸气透过率测试系统对BOPP烟膜、内衬基纸及多种内衬纸进行了透湿量的测试。测试条件为38℃,90%RH。测试结果如表1。
  表1烟膜和内衬材料透湿量的测试结果
  虽然YC/T266-2008标准要求按照GB/T1037的方法测试透湿量,但需要注意的是,两个标准中对透湿量的定义不尽相同。YC/T266中的透湿量,是需先按GB/T1037测得材料的透湿量,再根据公式计算试验材料在0.1mm厚度时的透湿量。计算公式如下:
  WVTR=WVTR’×d/0.1
  式中:WVTR—材料厚度为0.1mm时透湿量,单位为g/(m2·24h·0.1mm);
  WVTR’—按GB/T1037测得的透湿量,单位为g/(m2·24h);
  d—试样厚度,单位为mm。
  从表1的测试数据可知,BOPP烟膜的透湿量大幅低于除铝箔复合内衬纸外的内衬材料的透湿量,这是由于BOPP薄膜分子排列紧密、结晶度高,对水蒸气的阻隔性优于纸基内衬材料。由此可推断,BOPP烟膜在烟包系统中承担着主要的阻湿重任。几种内衬材料的透湿量相比,空白纸基的透湿量最大,经印刷后得到的印刷纸的阻湿性略有提升,而两种工艺的真空镀铝纸内衬材料的透湿量仅是空白纸基的3.75%和2.98%。
  压延铝箔复合内衬纸和真空镀铝内衬纸是目前使用最多的内衬材料。前者生产工艺简单,由铝箔、基纸和胶黏剂制成,其中铝箔层较厚约为7-9μm,因此在上述试验中表现了最优的阻湿能力。但因铝材消耗量大、环保性差和成本较高等问题,除了部分高档卷烟仍使用该种内衬材料外,越来越多的烟草企业更倾向于采用铝层较薄的真空镀铝内衬纸。虽然其透湿量高于铝箔复合内衬纸,但从耗铝量、安全性和回收性方面考虑,也不失为一个不错的选择。
  3、卷烟纸的透气性能
  卷烟纸,用于包裹烟草的材料,虽然质量仅占84mm长的烟支总质量的5%,但其对卷烟整体质量和抽吸体验的影响却是不可忽视的。吸烟最主要的危害在于烟气中一氧化碳和焦油量。焦油是卷烟中有机物质在缺氧条件下不完全燃烧产生的,与一氧化碳一样同属致癌物。
  卷烟纸透气性的不同,将会直接影响上述有害物质的释放量。卷烟处于抽吸状态时,随着卷烟纸的透气量的提高,烟丝的燃烧速度加快,每次抽吸燃烧的烟段变长,如此便减少了烟支的抽吸次数,相应的一氧化碳和焦油的释放量也就相应降低[4]。而另一方面,卷烟在阴燃状态时,空气透过卷烟纸的自然孔隙进入烟支内部,卷烟纸透气性的增加会加速这一渗透进程,利于烟丝的充分燃烧,产生的一氧化碳量减少。同时,主流烟气也能通过卷烟纸孔隙大量逸出,减少有害物质吸入体内。
  由此可见,卷烟纸具有较高的透气量更有利于调节烟支的燃烧速率、降低烟气中对人体有害的成分。透气度是衡量卷烟纸透气量的重要参数,根据GB/T23227-2008《卷烟纸、成形纸、接装纸及具有定向透气带的材料透气度的测定》的定义,指的是在1kPa的测量压力条件下,通过1cm2的被测样品表面的空气流量(cm3/min),单位为cm3/cm2·min·kPa,也有用CU表示,测量原理和测试方法如图1、图2。相关测试研究表明,卷烟纸透气度由20CU提升至40CU,每只卷烟一氧化碳释放量降低了16.42%,焦油量降低了6.15%;当透气度由40CU提升至60CU,以及由60CU提升至80CU,每只卷烟一氧化碳释放量和焦油量的降幅大体上呈减缓趋势,分别为4.45%、0.87%和4.66%、11.23%;当透气度提升至80CU以上时,每只卷烟一氧化碳释放量和焦油量的降幅可忽略不计。
  图1.透气度测试原理图
  基于卷烟纸透气性对卷烟抽吸品质的诸多影响,行业内众多技术专家和学者对卷烟纸透气性的改进做了大量研究,相关方法主要集中在:
  1、保证卷烟纸原料的质量。原料的透气度、戊糖含量、纤维粗度、细胞壁厚的变化会直接影响成纸透气度的稳定性。
  2、合理控制打浆浓度以提高透气性。不同的浆种对应合适的打浆浓度,纤维被切断均匀并且细纤维化程度高,纤维交织紧密,形成大量微孔,利用气体的渗透。一般针叶木打浆度控制在85°SR,阔叶木35°SR为宜。
  3、提高抄纸工艺水平,包括正确控制上网打浆度、适当提高上网浆水温度和降低上网浓度等。
  4、选择合适的填料。卷烟纸透气性是由其孔隙度决定,而孔隙是通过纤维间良好组织结构和填料的良好覆盖而产生的。沉淀碳酸钙是目前使用良好的一种填料,建议选用粒径为4.0~4.2μm纺锤体状结晶碳酸钙。