輥涂型卷煙接嘴膠動態(tài)流變性能對其上機適用性的影響

輥涂型卷煙接嘴膠動態(tài)流變性能對其上機適用性的影響夏平宇;施敏;張鑫;吳芬霞;譚新良;易浩;黃凱兵【摘要】為了解決煙用水基膠上機運行時常出現(xiàn)煙支質(zhì)量及運行質(zhì)量不佳的問題,采用非牛頓流體的Ostwald-deWale幕律方程模型，對HAUNIProtos2-2適用輥涂型接嘴膠的動態(tài)流變檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計算出非牛頓指數(shù)n值,考察不同接嘴膠的動態(tài)流變性能.研究了輥涂型接嘴膠動態(tài)流變性能對煙支卷接質(zhì)量、生產(chǎn)運行質(zhì)量的影響?試驗結(jié)果表明:①輥涂型接嘴膠的動態(tài)流變性能對涂膠量以及滲透行為產(chǎn)生影響，非牛頓指數(shù)n值過大及過小均影響接嘴膠的實際上機使用效果?②非牛頓指數(shù)n值越大，涂膠量越大，干燥速度越慢,易出現(xiàn)接裝紙皺紋;反之,干燥速度越快，易出現(xiàn)空隙性接裝紙泡皺及掉頭.③非牛頓指數(shù)n值越大，接嘴膠實際黏度越高,切刀、吸紙輪、搓接鼓輪、搓板等部位粘附的膠垢越多,被動停機保養(yǎng)次數(shù)增加,生產(chǎn)效率受到影響.對于本實驗中所用的Protos2-2型超高速卷煙機設(shè)備狀態(tài)和所用的接裝紙而言，其適配的接嘴膠非牛頓指數(shù)在0.825~0.866區(qū)間時可獲得較為理想的上機適用性.期刊名稱】《煙草科技》年(卷),期】2018(051)009【總頁數(shù)】6頁(P73-78)【關(guān)鍵詞】輥涂型;接嘴膠;動態(tài)流變性能;非牛頓流體;上機適用性;涂膠量;質(zhì)量缺陷【作者】夏平宇;施敏;張鑫;吳芬霞;譚新良;易浩;黃凱兵【作者單位】湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,長沙市雨花區(qū)勞動中路386號410007;湖南省環(huán)保水基膠粘材料工程技術(shù)研究中心,長沙市寧鄉(xiāng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)龍燈坡路228號410600;長沙樂遠(yuǎn)化工科技有限公司,長沙市芙蓉區(qū)五一大道309號利迅大廈A棟401房410011;湖南大學(xué)數(shù)學(xué)與計量經(jīng)濟(jì)學(xué)院，長沙市岳麓區(qū)麓山南路麓山門410082;湖南省環(huán)保水基膠粘材料工程技術(shù)研究中心,長沙市寧鄉(xiāng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)龍燈坡路228號410600;長沙樂遠(yuǎn)化工科技有限公司,長沙市芙蓉區(qū)五一大道309號利迅大廈A棟401房410011；湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,長沙市雨花區(qū)勞動中路386號410007;湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,長沙市雨花區(qū)勞動中路386號410007;湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙市岳麓區(qū)麓山南路麓山門410082【正文語種】中文【中圖分類】TS452煙用水基膠屬煙用材料之一，主要用于卷煙搭口處、卷煙接嘴處、濾棒中線處、條盒和小盒包裝處的黏合［1］。經(jīng)過半個世紀(jì)，卷煙膠從最初的淀粉、糊精類天然膠黏材料［2］逐步發(fā)展為合成材料聚醋酸乙烯膠黏劑（白乳膠）［3］，目前可滿足高速運行要求的VAE（醋酸乙烯-乙烯共聚乳液）膠黏劑體系也已投入使用［4-5］。卷煙生產(chǎn)過程中，卷煙質(zhì)量及生產(chǎn)運行狀態(tài)受煙用水基膠、紙張、設(shè)備、環(huán)境等多因素影響。特別是煙用水基膠，時常出現(xiàn)入廠檢驗時指標(biāo)合格，但上機使用后仍會出現(xiàn)卷煙質(zhì)量以及設(shè)備運行不穩(wěn)定的情況，造成人力及物力消耗增加。煙用水基膠上機適用性的提前判定是各卷煙生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的難題。目前行業(yè)內(nèi)對煙用水基膠上機適用性能的研究尚處起步階段，尚無相關(guān)文獻(xiàn)展開深入探討。為此，以輥涂型超高速卷煙機HAUNIProtos2-2設(shè)備為例，采用非牛頓流體的Ostwald-deWale幕律方程模型，研究可量化表征輥涂型接嘴膠動態(tài)流變性能的非牛頓指數(shù)n值，及其對煙支卷接質(zhì)量、生產(chǎn)運行質(zhì)量的影響，旨在探討輥涂型接嘴膠的動態(tài)流變性能，預(yù)判其上機適用性。煙用水基膠的內(nèi)部構(gòu)成和動態(tài)流變性能目前國內(nèi)外主流的煙用水基膠均為醋酸乙烯-乙烯共聚乳液（VAE）膠黏劑體系，由VAE乳液、水溶性聚乙烯醇（PVA）、消泡劑、pH調(diào)節(jié)劑、防腐劑等成分組成。涂膠時，在剪切力的作用下，煙用水基膠的表觀黏度呈現(xiàn)出隨剪切速率（轉(zhuǎn)速）增大而降低的趨勢，即俗稱的剪切變稀現(xiàn)象，因此煙用水基膠為假塑性流體［6］，如圖1所示。由于高速剪切作用，剪切變稀現(xiàn)象在輥涂型卷煙設(shè)備上表現(xiàn)尤為明顯。剪切速率較低時，聚合物內(nèi)部無規(guī)纏繞雖會被破壞，但因破壞速率大致等于生成速率，表觀黏度基本不變，為第一牛頓區(qū)；剪切速率逐漸增大，無規(guī)纏繞及輕度交聯(lián)的破壞與生成平衡被打破，高聚物內(nèi)部纏結(jié)點越來越少，高分子長鏈段沿剪切方向發(fā)生取向，表觀黏度逐漸下降；剪切速率進(jìn)一步加快，分子鏈無規(guī)則纏繞完全被破壞，分子取向達(dá)到極限狀態(tài)，表觀黏度呈現(xiàn)出最低的恒定黏度狀態(tài)，為第二牛頓區(qū)假塑區(qū)內(nèi)流體呈現(xiàn)非牛頓狀態(tài)，因此重點研究了假塑區(qū)間內(nèi)卷煙膠的非牛頓特性及其對輥涂型接嘴膠上機適用性的影響。在假塑區(qū)內(nèi)，卷煙膠內(nèi)部VAE乳膠粒子表面的羥基、羧基等極性基團(tuán)與PVA分子鏈段上的羥基具有較強的氫鍵作用，形成微交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。氫鍵作用越強，卷煙膠的穩(wěn)定性［7］和耐剪切性能越好，動態(tài)流變性能越穩(wěn)定。圖1流體表觀黏度隨剪切速率（轉(zhuǎn)速）的變化曲線Fig.1Curvesoffluidapparentviscosityvaryingwithcuttingvelocity（RPM）材料與方法材料、設(shè)備和儀器蒸發(fā)剩余物含量為52.6%、pH為4.8、不同梯度動態(tài)流變性能的卷煙接嘴膠（5個平行樣品）、卷煙搭口膠（長沙樂遠(yuǎn)化工科技有限公司）；自透氣型接裝紙（湖南鶴翔包裝有限公司）；濾棒（自產(chǎn)）；卷煙紙（牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司）。Protos2-2型超高速卷接機組（最高接裝速度為16000支/min、德國HAUNI公司）；CAP2000+錐板黏度計、DV-2T多功能連續(xù)感應(yīng)黏度計（美國Brookfield公司）；XP204型電子天平（精度0.001g，瑞士Mettle-Toledo公司）。方法膠樣準(zhǔn)備將被測接嘴膠樣品盛裝于500mL廣口玻璃瓶中，密封擰緊瓶塞，完全浸入25工的恒溫循環(huán)水浴槽中，恒溫2h后，倒入500mL燒杯待測，溫度保持為（25.0±0.5）°C,樣品應(yīng)均勻、無氣泡、無膠凝與結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。黏度測試以DV-2T多功能連續(xù)感應(yīng)黏度計為檢測儀器。開啟DV-2T多功能連續(xù)感應(yīng)黏度計校零，完成后選擇64#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速設(shè)定為5r/min，記錄穩(wěn)定后的讀數(shù)，重復(fù)檢測3次，取有效結(jié)果的平均值。動態(tài)流變性能測試及非牛頓指數(shù)計算以CAP2000+錐板黏度計為檢測儀器。安裝03#轉(zhuǎn)子，采用標(biāo)準(zhǔn)礦物油進(jìn)行儀器校驗。校驗完成后選擇外部控制模式，取0.1~0.5mL樣品置于錐板上，在Capcalc軟件中提前設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)［溫度為（25.0±0.5）C,03#轉(zhuǎn)子］，自0r/min加速，采點間隔為20r/min，最高轉(zhuǎn)速1000r/min，每個轉(zhuǎn)速下運行30s，自動運行檢測即可得到樣品在不同轉(zhuǎn)速下的動態(tài)黏度變化數(shù)據(jù)，重復(fù)檢測3次，取有效結(jié)果的平均值。將動態(tài)流變測試結(jié)果代入非牛頓流體的Ostwald-deWale幕律方程模型，計算出各接嘴膠的非牛頓指數(shù)n及稠度系數(shù)K。卷煙卷制試驗分別以5個接嘴膠樣品（樣品a、b、c、d、e）卷制卷煙，測試并記錄卷煙接裝紙泡皺、掉頭數(shù)量，漏氣剔除率，吸紙輪、切刀、搓板等位置膠垢情況，考察動態(tài)流變性能對卷接質(zhì)量、卷接過程的影響。結(jié)果與討論動態(tài)流變性能對上機適用性的影響機理輥涂型卷煙機通過膠水輥（控膠輥）及涂膠輥（上膠輥）的相互輥軋完成膠膜的涂布。卷煙設(shè)備運行時，控膠輥在膠缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)，膠液涂滿控膠輥表面及凹槽，并轉(zhuǎn)移至上膠輥表面，繼而與接裝紙貼合后完成整個涂膠過程，如圖2所示。卷煙膠內(nèi)部分子間作用力越強，黏度越大，膠水流動性越差。黏度越大，控膠輥旋轉(zhuǎn)帶起的膠層越厚，膠液填滿膠槽，在強分子間作用力的影響下，轉(zhuǎn)移涂膠量越多黏度越小，膠液流動性越好，控膠輥表面沿切線轉(zhuǎn)離膠缸液面時，因高速旋轉(zhuǎn)的離心作用，膠槽可能出現(xiàn)未填滿的情況，轉(zhuǎn)移涂膠量越少。行業(yè)內(nèi)各卷煙生產(chǎn)企業(yè)對煙用水基膠制定了各自的入廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)，理化指標(biāo)均包括黏度、蒸發(fā)剩余物含量（固含量）、pH3項。其中黏度指標(biāo)采用旋轉(zhuǎn)式黏度計（BrookfieldDV-2+、BrookfieldRVT等型號），通常在12~60r/min轉(zhuǎn)速范圍測定，與卷煙設(shè)備實際運行速度相差甚遠(yuǎn)，對膠水實際上機使用的指導(dǎo)意義不強圖2輥涂型卷煙機轉(zhuǎn)移涂膠方式示意圖Fig.2Schematicdiagramoftransfergluingofcigarettemaker工況條件下膠水的實際黏度對涂膠量的大小以及涂膠瞬間膠液在紙張表面的滲透行為兩方面產(chǎn)生影響。通過測定接嘴膠動態(tài)流變性能，可預(yù)估其實際黏度，對卷煙膠上機適用性能的判定具有實際意義。黏度、動態(tài)流變性能測試結(jié)果采用DV-2T型黏度計在轉(zhuǎn)速為5r/min下測定5個樣品的黏度值，結(jié)果如表1所示。經(jīng)計算，各樣品黏度值之間的變異指數(shù)為2.41%，均一性較好，無明顯差異表1各接嘴膠樣品黏度檢測值Tab.1Testresultsofviscosityoftippingglues接嘴膠樣品abcde黏度/（mPa?s）57655467570056545472動態(tài)流變性能檢測結(jié)果如圖3所示。檢測結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速增加（剪切速率增大），各接嘴膠樣品的黏度值均呈現(xiàn)降低的趨勢，初始下降較快，后趨平緩。以涂膠輥線速度折算，Protos2-2型卷煙機的正常工作區(qū)間對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間約為500~700r/min，該范圍內(nèi)各接嘴膠黏度下降幅度約為40%至73%，各樣品間存在較大差異。不同接嘴膠樣品的非牛頓指數(shù)計算圖3不同接嘴膠樣品動態(tài)流變曲線Fig.3Dynamicrheologicalcurvesofdifferenttippingglues卷煙膠的黏度是反映其性能的重要指標(biāo)之一，由于剪切變稀現(xiàn)象導(dǎo)致卷煙膠在實際運行時黏度下降，實時黏度與上機適用性的關(guān)聯(lián)更具探討意義。對于卷煙膠這類假塑性流體，非牛頓指數(shù)是表征其非牛頓特性的重要指標(biāo)［6］。通過錐板黏度計檢測了25°C時，卷煙接嘴膠在不同剪切速率下的實時黏度，采用非牛頓流體的Ostwald-deWale幕律方程模型［6］,對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計算出對應(yīng)接嘴膠樣品的非牛頓指數(shù)n值，以考察不同樣品的非牛頓特性。Ostwald-deWale幕律方程模型：式中：t為剪切應(yīng)力（Pa）;K為稠度系數(shù)（Pa?s）；Y為剪切速率（s-1）;n為非牛頓指數(shù)（常數(shù)）。則表觀黏度與剪切速率關(guān)系式為：式中：n為表觀黏度（Pa?s）。對(2)式兩邊取對數(shù)：以lgY為橫坐標(biāo)，以lgn為縱坐標(biāo),(3)式為線性方程，n-1為該線性方程對應(yīng)作圖直線的斜率,lgK為縱坐標(biāo)上的截距。測得N組實驗數(shù)據(jù)［ni、Yi，i=1,2,3,...,N］,依據(jù)最小二乘法，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合分析，得到幕律流體的流變指數(shù)n和稠度系數(shù)K。根據(jù)3.2節(jié)動態(tài)流變性能檢測結(jié)果，通過線性擬合計算出輥涂型接嘴膠的非牛頓指數(shù)n和稠度系數(shù)K,計算結(jié)果如表2所示。由非牛頓指數(shù)計算結(jié)果可知，各樣品偏離牛頓流體程度即剪切變稀程度由大到小排序為：樣品e＞樣品d＞樣品c＞樣品b＞樣品a。結(jié)果表明，接嘴膠因非牛頓指數(shù)n不同，動態(tài)流變性能存在差異，即使初始檢測黏度較為一致，實際表觀黏度在工況條件下出現(xiàn)較大偏差，最終出現(xiàn)上機適用性與檢測結(jié)果存在對應(yīng)性不佳的情況。非牛頓指數(shù)n為卷煙膠的固有特性，通過卷煙膠非牛頓指數(shù)n以及上機表現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系，可為動態(tài)流變性能提供量化的判定依據(jù)。表2不同輥涂型接嘴膠的非牛頓指數(shù)及稠度系數(shù)Tab.2Non-Newtonianindexandconsistencycoefficientofdifferenttippingglues接嘴膠樣品abcde非牛頓指數(shù)n0.8830.8660.8250.7740.741稠度系數(shù)/(mPa?s)7186.216788.907687.028186.537945.11動態(tài)流變性能對卷接質(zhì)量的影響在卷煙生產(chǎn)過程中，泡皺［8］、掉頭、漏氣為常見的卷接質(zhì)量缺陷。以上質(zhì)量缺陷不僅與設(shè)備參數(shù)設(shè)定、紙張質(zhì)量波動相關(guān)，受卷煙膠參數(shù)質(zhì)量影響更為明顯。分別以各種膠樣品為接嘴膠卷制卷煙，卷接設(shè)備為Protos2-2，生產(chǎn)機速為15000支/min，考察非牛頓指數(shù)不同的接嘴膠對卷接質(zhì)量的影響。煙支樣本量為200支，由取樣器每5min自動取樣10支；煙支掉頭情況按嘴棒和煙條軸向旋轉(zhuǎn)90°考察。試驗結(jié)果見表3。表3動態(tài)流變性能對卷接質(zhì)量的影響Tab.3Influencesofdynamicrheologicalpropertiesonfilterassemblingquality注：①“☆”數(shù)量表示紙張剝離破壞程度，“☆"越多，破壞程度越大。接嘴膠樣品煙支泡皺數(shù)量/支煙支掉頭數(shù)量/支abcde30021900018漏氣剔除率/%0.110.020.010.060.24紙張剝離破壞程度①☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆根據(jù)輥涂型卷煙機的涂膠機理，接嘴膠非牛頓指數(shù)越大，剪切變稀程度越輕微，工況條件下實際黏度值越高，乳膠分子間作用力越強，在膠槽深度一定的前提下，膠液轉(zhuǎn)移量越大，導(dǎo)致涂膠量與卷煙膠的實時表觀黏度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系。本組接嘴膠平行樣品的涂膠量由大到小排序為：樣品a＞樣品b＞樣品c＞樣品d＞樣品e。通過觀察樣品a、樣品d、樣品e泡皺煙支外觀，發(fā)現(xiàn)樣品d及樣品e泡皺部位的接裝紙與濾棒成型紙間存在明顯空隙，樣品a泡皺部位無空隙，但呈現(xiàn)皺紋狀，皺紋處粘接緊密；樣品d、樣品e煙支紙張破壞不明顯，樣品a煙支接裝紙可整張分層剝離，破壞嚴(yán)重。表明一方面，樣品d、樣品e的涂膠量相對較?。涣硪环矫?，低黏度膠液更易滲透進(jìn)接裝紙內(nèi)部，導(dǎo)致粘接部位紙面間膠層減薄，干燥速度偏快，無法形成足夠的粘接強度，空隙型泡皺嚴(yán)重，漏氣剔除率高。樣品a的涂膠量超出設(shè)備理想運行狀態(tài)所需的涂膠量，膠水干燥速度偏慢，搓接時因煙支未完全干燥，在搓板周向應(yīng)力的作用下，接裝紙發(fā)生滑移，導(dǎo)致嘴皺及漏氣剔除率上升綜合評價，樣品b和樣品c卷接的煙支質(zhì)量最優(yōu)。所有接嘴膠樣品的上機表現(xiàn)與動態(tài)流變曲線及非牛頓指數(shù)對應(yīng)性較為一致。動態(tài)流變性能對設(shè)備運行清潔情況的影響煙支生產(chǎn)過程中，切刀、吸紙輪、搓接鼓輪、搓板等部位粘附的膠水易形成膠垢，導(dǎo)致出現(xiàn)搓板堵塞、接裝紙皺紋等質(zhì)量缺陷［9］，對煙支質(zhì)量及生產(chǎn)效率均產(chǎn)生不良影響。將各接嘴膠持續(xù)運行2h，觀察運行清潔情況，停機后，收集吸紙輪表面、切刀表面及搓板處膠垢并稱量，結(jié)果如表4所示。表4各接嘴膠運行2h后的設(shè)備清潔情況Tab.4Cleanlinessofcigarettemakerafterrunningfor2hourswithdifferenttippingglues接嘴膠樣品被動停機保養(yǎng)次數(shù)/次abcde吸紙輪膠垢量/g0.6390000.294切刀膠垢量/g5.7183.8021.6911.2050.833搓板膠垢量/g0.6420.2090.1630.187020000樣品a實際運行黏度最大，涂膠量最大，總體膠垢量最多。接裝紙涂膠直至卷制卷煙后，粘膠面膠層未干燥完全。切刀切割接裝紙時，膠液附著切刀刀刃位置，膠垢積累較多，影響卷煙卷接質(zhì)量。另外，在吸紙輪等輥輪的負(fù)壓作用下，多余膠液由紙張纖維間、纖維與碳酸鈣等填料［10-11］間的微孔及接裝紙搭口處溢出，對MAX傳動組件、搓板等部位造成污染。樣品e實際運行黏度最小，在吸紙輪負(fù)壓作用下，膠液最易滲透紙張纖維，污染吸紙輪，但因總體涂膠量偏低，干燥偏快，切刀及搓板上并無大量膠垢。實驗結(jié)果表明，輥涂型接嘴膠非牛頓指數(shù)過大或過小均對上機適用性產(chǎn)生不利影響，接嘴膠最佳的非牛頓指數(shù)區(qū)間隨所用的接裝紙性能和設(shè)備狀態(tài)（膠輥間隙、張力、涂膠包角、烘干溫度等）變化而變化；對于本實驗中所用的Protos2-2型超高速卷煙機設(shè)備狀態(tài)和所用的接裝紙而言，其適配的接嘴膠非牛頓指數(shù)n值在0.825~0.866區(qū)間時可獲得較為理想的上機適用性。結(jié)論（1）對輥涂型超高速卷煙接嘴膠進(jìn)行了動態(tài)流變性能研究，并采用非牛頓流體的Ostwald-deWale幕律方程模型，擬合計算出各接嘴膠樣品的非牛頓指數(shù)值，作為對應(yīng)動態(tài)流變性能的量化表征參數(shù)。對于卷煙膠而言，非牛頓指數(shù)n值越小，實際黏度與初始黏度偏離越大。過大或過小均可能影響接嘴膠的實際上機使用效果。（2）接嘴膠動態(tài)流變性能同輥涂型卷煙設(shè)備涂膠量的大小具有較高的關(guān)聯(lián)性：非牛頓指數(shù)n值越大，涂膠量越大，干燥速度越慢，易出現(xiàn)皺紋狀嘴皺；反之，干燥速度越快，易出現(xiàn)空隙性泡皺及掉頭。（3）非牛頓指數(shù)n值越大，接嘴膠實際黏度越高，切刀、吸紙輪、搓接鼓輪、搓板等部位粘附的膠垢越多，被動停機保養(yǎng)次數(shù)增加，生產(chǎn)效率受到影響。針對本實驗中所用的Protos2-2型超高速卷接機組和接裝紙而言，其適配的接嘴膠非牛頓指數(shù)n值在0.825-0.866區(qū)間時，可獲得較為理想的上機適用性。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】劉珊珊，劉巖順，李中皓，等.HS-GC/MS法測定煙用水基膠中揮發(fā)性有機物[J]?煙草科技，2017，50(6)：40-46.LIUShanshan，LIUYanshun，LIZhonghao，etal.Determinationofvolatilecompoundsinwater-basedcigaretteadhesivesbyheadspace-gaschromatography/massspectrometry[J].TobaccoScience&Technology，2017，50(6)：40-46.[2]楊寶武?卷煙膠漫筆[J]?中國膠粘劑，1999,8(4):30-35.YANGBaowu.Essayofcigaretteadhesives[J].ChinaAdhesives，1999，8(4)：30-35.[3]杜郢，董艷艷，王海青?卷煙膠的發(fā)展與展望[J]?粘接，2015(3):88-91.DUYing,DONGYanyan，WANGHaiqing.Developmentandprospectofcigaretteadhesives[J] 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