Estudio sobre la aplicación de hidroxipropilmetilcelulosa en adhesivo de hoja de tabaco aplicado en seco

Resumen: Con el fin de estudiar el valor de aplicación de la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) en la hoja de tabaco tendido en seco, se probó con tres adhesivos comunes 【goma guar, goma konjac y carboximetilcelulosa sódica (CMC)】 A modo de comparación, la prueba de viscosidad de la solución acuosa de diferentes sistemas adhesivos, la prueba de espectro infrarrojo de transformada de Fourier de película, el análisis de pirólisis a baja temperatura de 350 ℃ del adhesivo y la película delgada correspondiente y la prueba de resistencia a la tracción de la película delgada correspondiente. Los resultados muestran que: Solución acuosa de HPMC al 1% en peso 10 min Es soluble y puede ajustar la viscosidad de la solución de recubrimiento durante el procesamiento de hojas de tabaco; después de que HPMC se combina con los otros tres adhesivos, hay efectos físicos de entrecruzamiento tales como puentes de hidrógeno, lo que mejora la resistencia a la tracción longitudinal de las láminas de tabaco procesadas en seco preparadas por los adhesivos correspondientes. Intensidad, todas>0. 5kN/m; El 1% en peso de HPMC utilizado en la preparación de productos de pirólisis de hojas de tabaco de proceso seco contenía niveles bajos de sustancias tóxicas e irritantes, que eran 1,83% y 5,31%, respectivamente. La hoja de tabaco procesada en seco tiene mejores propiedades integrales y tiene un mejor valor de aplicación.

Palabras clave: hidroxipropilmetilcelulosa; viscosidad; propiedades termales; hoja de tabaco tendido en seco; resistencia a la tracción longitudinal

En la actualidad, la industria global del tabaco ha entrado en una era de innovación. Los cigarrillos Heat-not-Burn (HnB) tienen las características de no combustión a baja temperatura (alrededor de 350 °C), satisfaciendo la experiencia sensorial de los fumadores y bajos componentes nocivos en el humo. La hoja de tabaco procesada en seco es uno de los nuevos tipos de tabaco reconstituido. Se caracteriza por el uso de tecnología de formación de flujo de aire de proceso seco. Se compone principalmente de sustratos, polvo de tabaco, adhesivos, ahumadores y especias. Fabricado, secado y calandrado. Su producto tiene una estructura suelta y porosa, lo que conduce al defecto de poca resistencia a la tracción. El adhesivo es una parte importante en el proceso de preparación de la hoja de tabaco de proceso seco, su función es unir el polvo de tabaco y otros componentes, y mejorar la resistencia a la tracción de la hoja hasta cierto punto.

La hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) tiene una excelente solubilidad en agua, buenas propiedades de formación de películas, propiedades espesantes, propiedades de adhesión y propiedades de retención de agua. El material de película preparado tiene buena flexibilidad y propiedades mecánicas, lo que puede prolongar la vida útil de los alimentos. Además, en comparación con el coloide de un solo componente, el pegamento compuesto producirá un efecto sinérgico, mejorará la resistencia mecánica del producto y también mejorará la calidad de los alimentos procesados.

Para investigar el valor de la aplicación de HPMC en hojas de tabaco procesadas en seco, en este estudio se seleccionaron tres tipos de adhesivos, goma guar, goma konjac y carboximetilcelulosa sódica (CMC), y se prepararon diferentes hojas de tabaco procesadas en seco para compararlas. con HPMC. , investigó específicamente la regla de cambio de viscosidad de HPMC en el sistema simple/combinado de solución de agua/glicerol/propilenglicol, y llevó a cabo una prueba de craqueo térmico mediante cromatografía de gases de pirólisis-espectrometría de masas (Py-GC/MS), y estudió el cambio ley de resistencia a la tracción longitudinal tiene como objetivo aportar nuevas ideas para la parte adhesiva de la nueva hoja de tabaco.

1. Parte experimental

1.1 Materiales

HPMC, 28-30 % de metoxilo, 7-12 % de hidroxipropilo, KIMA CHEMICAL CO., LTD; goma guar de calidad alimentaria, Henan Unisite Food Co., Ltd.; goma konjac de calidad alimentaria, Xinxin Biotechnology Co., Ltd.; China Tobacco Hubei Company proporcionó CMC, polvo de humo (malla 500) y sustrato laminar colocado en seco; glicerina (glicerol), 99 %, Anhui Zesheng Technology Co., Ltd.; 1,2-, propilenglicol, 99%, SA En Chemical Technology Co., Ltd.; agua desionizada, hecho a sí mismo.

1.2 Equipos e instrumentos

Balanza electrónica BSA223S (sensibilidad 0,001 g, Sartorius Scientific Instruments (Beijing) Co., Ltd.); viscosímetro digital NDJ-8S (Instrumento de medición de precisión Deka (Shenzhen) Co., Ltd.); espectrómetro infrarrojo de Fourier IRPrestige-21 (FTIR, Shimadzu Corporation, Japón); cracker EGA/PY-3030D (Frontier Corporation, Japón); cromatografía de gases/espectrómetro de masas pq2010 (GC/MS, Tsushima Corporation, Japón); Máquina de ensayo de tensión SC-50N (Compañía Shensei).

1.3 Método

1.3.1 Preparación de diferentes sistemas de soluciones adhesivas y películas adhesivas

(1) Preparación de una solución acuosa de adhesivo de un componente: pese 2,5 g de HPMC en un recipiente, agregue 250 g de agua desionizada, revuelva hasta que las materias primas adhesivas se disuelvan por completo y obtenga una solución acuosa de adhesivo de un componente de HPMC. Se utilizó el mismo método para preparar soluciones acuosas de goma guar, goma konjac y CMC de un solo componente.

(2) Preparación de la solución acuosa de adhesivo compuesto de HPMC: pese 1,25 g de goma guar y 1,25 g de HPMC en el mismo recipiente, agregue 250 g de agua desionizada a 40 °C y revuelva hasta que las materias primas del adhesivo se disuelvan por completo para obtener HPMC/ Solución acuosa de adhesivo compuesto de goma guar. Siga los mismos pasos para preparar la solución acuosa de adhesivo compuesto HPMC/konjac y HPMC/CMC, respectivamente.

(3) Preparación de la solución acuosa mezclada de glicerina/1,2-propanodiol del adhesivo compuesto de HPMC: Pesar 1 g de goma guar y 1 g de HPMC respectivamente en 5 recipientes diferentes, agregar 200 g de agua desionizada a 40 °C y agitar hasta que el adhesivo esté crudo. Los materiales se disolvieron para obtener la solución acuosa del adhesivo compuesto de HPMC/goma guar. Agregue glicerina y 1,2-propanodiol con una proporción de masa de 40:0, 28:12, 20:20, 12:28 y 0:40 a la solución acuosa y revuelva hasta que la solución combinada se mezcle uniformemente para obtener HPMC/ guar Glue Compound Adhesivo Glicerina/Solución acuosa de 1,2-propanodiol. Siga el mismo procedimiento para preparar la solución acuosa de HPMC/goma konjac y adhesivo compuesto HPMC/CMC de glicerina/1,2-propanodiol.

(4) Preparación de la película adhesiva: Prepare una solución acuosa de adhesivo de acuerdo con el método anterior, pese 50 g de la solución adhesiva en una placa de Petri, introdúzcala en un horno a 80 °C durante 8 h, retírela del molde, y obtener una película adhesiva.

1. 3. 2 Preparación de hoja de tabaco de proceso seco

Preparar 101 g de una solución acuosa de adhesivo con una relación de masa de adhesivo a agua de 1:100 según los pasos mencionados anteriormente para preparar una solución acuosa de adhesivo; pesar 79 g de polvo de humo, agregar 150 g de agua desionizada y remover hasta que no quede polvo de humo en la lechada para obtener polvo de humo. suspensión de polvo; añadir 12 g de glicerina, 8 g de 1,2-propanodiol y una solución acuosa de adhesivo a la suspensión de humo en polvo y agitar mecánicamente hasta que la mezcla se mezcle uniformemente para obtener un líquido de recubrimiento; rocíe el líquido de recubrimiento en el lado positivo del sustrato varias veces. En el reverso, los sustratos utilizados en la preparación de muestras de película delgada con diferentes formulaciones adhesivas se producen todos en el mismo lote de acuerdo con el estándar de la empresa, y la resistencia a la tracción del sustrato en sí es constante y luego se seca (se rocía una vez y se secó una vez, 4 veces en total), y finalmente se obtuvieron muestras de hojas de tabaco secas.

1. 3. 3 Prueba de viscosidad de la solución adhesiva

Use un horno para estabilizar la temperatura de la solución a 30 °C, seleccione el rotor del viscosímetro y gire la perilla de elevación

Haga el rotor hasta que la línea grabada en el rotor esté al ras con la superficie del líquido, ajuste el nivel del instrumento, configure los parámetros para la prueba, después de que el valor sea estable, el valor del ángulo de apertura está entre 15% y 85%, y la viscosidad de se obtiene la solución acuosa del adhesivo a 30°C.

1.3.4 Prueba de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)

La película adhesiva adopta una transmisión infrarroja total, la resolución es de 4 cm-1, el rango de prueba es de 650-4000 cm-1 y el número de escaneos es de 32 veces.

1. 3. 5 Prueba de pirólisis

Pesar 0,1 mg de muestra en el craqueador, la temperatura inicial es de 50 °C, se calienta a 350 °C, la velocidad de calentamiento es de 10 °C/ms y se mantiene durante 25 s. Se seleccionó helio a una velocidad de flujo de 70 ml/min como gas portador del producto craqueado y luego se transfirió al análisis GC/MS. Se utilizó una columna cromatográfica HR-35MS (30 mx 250 μm x 0,25 μm). El rango de exploración del espectro de masas es de 20~400 m/z, la velocidad de exploración es de 500 Da/s y se busca en la biblioteca espectral NIST-14.

1. 3. 6 Prueba de resistencia a la tracción de la hoja de tabaco

El método de prueba de resistencia a la tracción se refiere a la norma GB/T 12914-2008 Determinación de la resistencia a la tracción de papel y cartón. La muestra es una muestra rectangular con una longitud de 200 mm y un ancho de 15 mm, y la velocidad de tracción es de 20 mm/min.

2. Resultados y Discusión

2.1 Propiedades de disolución de HPMC y su compuesto adhesivo

Prepare cada solución acuosa adhesiva de acuerdo con la operación anterior y disuélvala agregando agua al recipiente que contiene el adhesivo y observe las características de disolución de la materia prima del polvo adhesivo.

Se puede ver que bajo las mismas condiciones de disolución, el compuesto de igual volumen de HPMC/goma konjac y la goma konjac de un solo componente tienen el tiempo de disolución más corto, y el compuesto de igual volumen de HPMC/CMC y el CMC de un solo componente tienen la disolución más larga. tiempo. Muestra que el tiempo de disolución completa del adhesivo compuesto está determinado principalmente por los componentes con un tiempo de disolución largo.

Factores como el contenido, la distribución y las características del polvo de los grupos hidrofílicos en la estructura molecular del polisacárido afectarán significativamente su proceso de disolución. La dispersabilidad de HPMC y el polvo de goma konjac es mejor, y los grupos hidrófilos se distribuyen principalmente en la superficie del polvo de caucho, y cuando el polvo de caucho se encuentra con el agua, absorbe rápidamente el agua y se hincha, por lo que el tiempo de disolución es más corto; La distribución de grupos hidrófilos en la superficie es relativamente pequeña, por lo que durante el proceso de disolución, la capa más externa del grupo de polvo de caucho difícil de dispersar absorbe agua después de entrar en contacto con el agua.

Se absorbe una gran cantidad de agua para formar un bloque de goma con una gran cantidad de polvo de goma en el interior, lo que evita que las moléculas de agua entren en el interior del bloque de goma, lo que requiere mucho tiempo de disolución. Comparado con los otros 3 adhesivos, HPMC tiene la ventaja de una rápida disolución.

2.2 Comparación de viscosidad de soluciones acuosas de diferentes sistemas HPMC

2. 2. 1 Comparación de viscosidad entre HPMC y otros adhesivos de un componente y soluciones acuosas compuestas

A partir de los diagramas de viscosidad de los adhesivos de un solo componente y las soluciones de adhesivo compuesto de HPMC, la relación de masa de adhesivo a agua es 1 ∶ 100, la relación de adhesivo compuesto es 1 ∶ 1 y la temperatura de prueba es de 30 °C. De mayor a menor, son goma guar, goma konjac, HPMC y CMC. Entre ellos, el valor de viscosidad de la solución acuosa de goma guar alcanzó 13218 mPa·S, mientras que el valor de viscosidad de la solución acuosa de CMC fue de solo 1108 mPa·S; bajo el mismo contenido de adhesivo, en comparación con la solución acuosa de adhesivo de un solo componente, la goma guar y el konjac. Después de combinar el pegamento y la HPMC, la viscosidad de la solución acuosa mezclada disminuyó significativamente en comparación con la viscosidad de la solución acuosa de un solo componente; y después de combinar CMC y HPMC, la viscosidad de la solución acuosa mezclada aumentó ligeramente en comparación con la viscosidad de la solución acuosa de un solo componente.

El grupo hidroxilo en la cadena principal de CMC es relativamente el menor, la interacción intermolecular es pequeña y la viscosidad de la solución acuosa es relativamente mínima; el grupo hidroxilo en la cadena molecular de HPMC es relativamente mayor, el enlace de hidrógeno entre las moléculas es más fuerte y la viscosidad de la solución acuosa es moderada; mientras que la goma guar es similar a la goma konjac, la cadena principal larga contiene una gran cantidad de grupos hidrófilos, y los enlaces de hidrógeno intramoleculares y las diferentes cadenas moleculares están entrelazados, lo que da como resultado una mayor viscosidad de la solución acuosa; después de que HPMC se combina con goma guar, goma konjac y CMC, la fuerza intermolecular cambia, lo que hace que el compuesto cambie la viscosidad de la solución.

La adición de HPMC cambió la distribución de otras moléculas adhesivas en la solución y la fuerza intermolecular, cambiando así la viscosidad de la solución acuosa adhesiva. Por lo tanto, HPMC puede desempeñar un papel en el ajuste de la viscosidad del líquido de recubrimiento durante el procesamiento de hojas de tabaco.

2.2.2 Comparación de la viscosidad de la solución acuosa de glicerina/1,2-propanodiol compuesta por HPMC y otros adhesivos

La glicerina y el 1,2-propanodiol son los principales atomizadores de la hoja de tabaco (agentes de humo), así que use un viscosímetro para probar la viscosidad de HPMC y la solución acuosa adhesiva de glicerina/1,2-propanodiol combinada con otros adhesivos. La viscosidad de la solución acuosa, donde la relación de masa de adhesivo a agua es de 1:100 y la temperatura de prueba es de 30°C.

Puede verse que la adición de glicerol o 1,2-propanodiol afectará la viscosidad de HPMC y su solución acuosa del sistema compuesto. Entre ellos, la viscosidad de HPMC de un solo componente, HPMC y goma konjac, y la solución acuosa compuesta de HPMC y CMC no cambió mucho después de la adición de glicerina y 1,2-propilenglicol; La viscosidad del pegamento compuesto de goma guar y HPMC disminuyó ligeramente y la adición de 1,2-propanodiol puro aumentó mucho la viscosidad.

Tanto la glicerina como el 1,2-propanodiol tienen grupos hidroxilo en las moléculas, que formarán enlaces de hidrógeno con algunos grupos en la molécula adhesiva, y la adición de 1,2-propanodiol puede hacer que la solución del compuesto HPMC/goma guar forme una mezcla dispersa. región monofásica local hace que la viscosidad de la solución adhesiva compuesta aumente considerablemente.

Además, la densidad de hidroxilo de las moléculas de glicerol es mayor que la del 1,2-propanodiol y las fuerzas intermoleculares son más fuertes. La manifestación macroscópica es que la viscosidad de la glicerina es mayor. Después de agregar glicerol solo, su propia fuerza intermolecular era fuerte y no se formó ninguna nueva fuerza intermolecular con moléculas de HPMC o moléculas de goma guar. Por el contrario, la adición de glicerol destruyó el entrelazamiento de la cadena molecular original y el enlace de hidrógeno entre los dos adhesivos, haciendo que las largas cadenas moleculares de HPMC y la goma guar cambiaran del estado entrelazado cruzado original al estado estirado, lo que resultó en una disminución de la viscosidad del sistema. .

Por lo tanto, después de mezclar diferentes soluciones acuosas de adhesivo y después de agregar glicerina, 1,2-propanodiol o la mezcla de ambos nuevamente, la viscosidad de la solución cambiará. Pero el efecto en diferentes formulaciones también es diferente, lo que está relacionado con la compatibilidad entre las moléculas de cada componente en la solución de mezcla.

La viscosidad del líquido de recubrimiento tiene una gran influencia en la calidad del recubrimiento de las hojas de tabaco reconstituidas y el ajuste de la viscosidad del líquido de recubrimiento por medios apropiados puede mejorar efectivamente la calidad de las hojas de tabaco reconstituidas. Por lo tanto, cambiar la viscosidad de la solución de recubrimiento agregando HPMC, glicerol o 1,2-propanodiol puede mejorar la calidad de las hojas de tabaco preparadas correspondientes.

2.3 Análisis de espectroscopia infrarroja de HPMC y sus películas delgadas

El análisis infrarrojo se llevó a cabo en la película monocomponente de HPMC y su película compuesta con otros tres adhesivos. La luz infrarroja específica y el pico característico en 3741 cm-1 corresponden a la vibración de estiramiento de -OH, y la amplia banda de absorción alrededor de 3392 cm-1 es la vibración de estiramiento del agua cristalina en la película. El pico característico de 2916 cm-1 está relacionado con la vibración de estiramiento de ángulo variable de CH3, CH2 y CH. El pico característico a 1648 cm-1 es causado por el carbonilo en la unidad de glucosa de celulosa. El pico característico en 1 es la vibración de cizallamiento de C-O-C. En el espectrograma de la película compuesta de HPMC y CMC, el pico característico a 1608 cm-1 tiene un desplazamiento azul obvio en comparación con el de la película de HPMC, que es causado por el enlace de hidrógeno formado entre los dos. Además, existe una diferencia en la intensidad máxima entre el espectro de la película adhesiva compuesta y el espectro de HPMC a 1041 cm-1, lo que indica que existe cierto entrecruzamiento físico entre HPMC y los otros tres adhesivos.

Por lo tanto, HPMC y los otros tres adhesivos tienen efectos físicos de entrecruzamiento tales como enlaces de hidrógeno intramoleculares e intermoleculares y entrelazamiento de cadenas moleculares en la película compuesta. El enlace de hidrógeno y la reticulación pueden reconstruir la estructura de red de las moléculas adhesivas, mejorar las propiedades mecánicas de la película y mejorar aún más la resistencia mecánica de la hoja de tabaco correspondiente.

2.4 Prueba de resistencia a la tracción longitudinal y análisis de rebanadas finas procesadas en seco preparadas por HPMC

Se prepararon hojas de tabaco tendido en seco con diferentes formulaciones adhesivas de acuerdo con el proceso de preparación de hojas de tabaco tendido en seco. La solución acuosa de adhesivo estaba compuesta por: adhesivo: agua = 1 ∶ 100, la relación de cada adhesivo en el adhesivo compuesto era 1 ∶ 1, y el peso de la lámina se controló en 200 g. / m²

(±20), y la resistencia a la tracción longitudinal de la lámina preparada se probó mediante una máquina de prueba de tracción.

Puede verse a partir de los resultados que después de combinar HPMC con los otros tres adhesivos, la resistencia a la tracción longitudinal de la hoja de tabaco tendido en seco correspondiente ha mejorado hasta cierto punto. Después de combinar con goma guar, goma konjac y CMC, en comparación con HPMC de un solo componente, la resistencia a la tracción de la lámina aumentó en un 2%, 12% y 16%, respectivamente, y el valor de resistencia> 0,5 kN/m. Esto corresponde a los resultados del análisis infrarrojo, lo que indica que después de combinar HPMC con los otros tres adhesivos, la interacción entre los adhesivos mejora la resistencia a la tracción de la hoja de tabaco procesada en seco correspondiente.

2.5 Análisis de productos de craqueo térmico de HPMC y su preparación de hoja de tabaco de proceso seco

Con el fin de explorar más a fondo si HPMC se puede aplicar en hojas de tabaco procesadas en seco, los productos de pirólisis de HPMC a baja temperatura (350 ° C) se analizaron cuantitativamente mediante cromatografía de gases de pirólisis-espectrometría de masas (Py-GC/MS).

Según los resultados del análisis de Py-GC/MS, hay 61 tipos de productos de craqueo térmico en HPMC, que representan el 93,04 % del total de productos de craqueo, correspondientes a la preparación de láminas de tabaco de proceso seco, hay 143 tipos de productos térmicos productos de craqueo, que representan el 90,33% del total de productos de craqueo. %

El análisis encontró que los productos de craqueo térmico de HPMC a 350 °C incluyen ácidos, ésteres, alcoholes, aminas, cetonas, aldehídos y éteres, etc., que representan el 53,74% del total de productos de craqueo, de los cuales el contenido de aldehídos es el más alto, alcanzando el 16%. . 94%; Los productos de pirólisis de la hoja de tabaco de proceso seco preparada por HPMC a 350°C incluyen ácidos, ésteres, alcoholes, aminas, cetonas, aldehídos, éteres, alquenos e hidrocarburos, etc., que representan el 50,73 % del total de productos de pirólisis. %, entre los cuales el contenido de alquenos es el más elevado, alcanzando el 14,83%.

Además, se resumieron los productos de craqueo térmico, a partir de las sustancias generadoras de aroma, sustancias irritantes y tóxicas y sus contenidos relativos en HPMC y sus correspondientes hojas de tabaco tendido en seco. En el producto, no hay sustancias idénticas en las sustancias irritantes, los contenidos son 3,82% y 7,96% respectivamente; no hay partes idénticas en las sustancias tóxicas, los contenidos son 5,31% y 1,83% respectivamente. Por lo tanto, el contenido relativo de productos de pirólisis de HPMC en los correspondientes productos de pirólisis de hojas de tabaco procesadas en seco es muy pequeño.