綠色低碳概念在卷煙包裝材料中的應用

李雪，張建棟，廖宇，張恒偉，竇海成，馬永峰

煙包新材料與數字化

綠色低碳概念在卷煙包裝材料中的應用

李雪1，張建棟1，廖宇2，張恒偉1，竇海成1，馬永峰1

（1.甘肅煙草工業有限責任公司，技術研發中心，蘭州 730050； 2.湖北中煙工業有限責任公司，技術中心，武漢 430030）

綠色低碳卷煙材料的應用是助力煙草工業企業向節能減碳型企業轉型的重要途徑，也是向消費者傳達綠色低碳概念的“紐帶”。介紹煙草工業企業在降重減碳、降解材料減排、循環減排、印刷工藝減排以及智能化綠色設計減排5個方面的應用。用減重、材料替換和V槽工藝減少生物基碳使用，利用豐富的可降解資源減少木材使用，用環保材料替代不可降解材料，讓煙箱和香煙固棄物循環再利用，優化紙張效果替代印刷工序和油墨，通過數字化平臺打造讓設計高效、碳足跡可視、綠色低碳概念，從設計源頭到產品輸出滲透到卷煙包裝材料中的各個環節。未來，還需聚焦于紙基功能材料和其他行業在“雙碳”目標中的新舉措，納米纖維素、木質纖維素、非木材纖維和可食性材料的開發與應用，碳交易、碳信用、碳捕捉材料等應用，以及不斷在科技創新和基礎研究中融入AI概念，不斷解放科研人員去做創意性工作，提升創新效率。

綠色；低碳；卷煙；包裝材料

碳達峰、碳中和作為國家發展戰略中的重要目標，實現碳達峰、碳中和，是貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求，具有重大的現實意義和深遠的歷史意義[1]。在綠色、環保、低碳的生活方式倡導下，對低碳環保材料的重視程度也越來越高[2]。輕量化包裝、無墨印刷、碳中和產品、碳足跡追蹤等新詞匯開始在包裝中出現，消費者的關注目光也逐漸轉向低碳、環保、可持續產品。

煙草工業企業是煙草行業實現“雙碳”目標的踐行者，致力于卷煙低碳綠色材料的研究，通過降重減碳、降解材料減排、循環減排、印刷工藝減排以及智能化綠色設計減排的應用，助力工業企業向節能減碳型企業轉型[3]。

1 降重減碳技術應用

1.1 商標紙減重

經統計，標準支和細支商標紙白卡紙定量[4]集中在225 g/m2，中支白卡紙定量集中在225、230、240、250 g/m2。由于中支較標準支和細支版式寬，選用225 g/m2的白卡紙作為底紙的商標紙，在包裝成型后會出現“凹陷”問題，所以，大部分企業在使用該定量紙張時，選用雙框架結構來提升煙包外觀。蘭州品牌針對產銷量大的標準支產品，在確保外觀及上機適應性的基礎上，對以轉移紙為基材的白卡紙定量進行微降。如表1所示，215、220 g/m2紙張通過了測試，最終，實現紙張定量降低了10 g/m2。依據印刷廠拼版情況，紙幅為740 mm× 600 mm，可拼版18個小盒或4個條盒。降重前，1 t紙可生產蘭州標準支商標紙48箱，原紙每降低10 g/m2，可多生產2箱產品。按照此規模，43萬箱左右產量的產品可節約紙張380 t。

1.2 煙箱減重

煙箱減重主要采用瓦楞紙原紙配置低定量，雙瓦楞向單瓦楞轉變的2種方式[5]。一般地，單瓦楞紙箱采用180 g/m2原紙，雙瓦楞紙采用150 g/m2原紙，夾層為130 g/m2的中夾紙。在玖龍和理文紙業開始相繼推出120、90 g/m2超低定量原紙后，工業企業開始使用超低定量單瓦楞煙箱。同時，蘭州產品將原有一類煙使用雙瓦楞煙箱的標準，改為手工盒采用雙瓦楞（2款），其余都采用單瓦楞的標準。雙瓦楞煙箱使用量減少了90%。

表1 不同白卡紙定量對應的卷煙包裝性能結果

Tab.1 Results of cigarette package corresponding to the weight of paper

表2 降低定量前后1 t紙可做商標紙數量對比

注：1套商標紙為10個小盒和1個條盒，1箱為250套。

1.3 類硬質化包裝

類硬質化包裝是從紙張原料和V槽工藝2種途徑實現。1）利用高定量白卡紙替代手工盒雙層灰板，實現直角折疊，從而達到手工盒的方正度和類硬質感。2）借鑒蘋果手機包裝盒“6秒滑落”工藝[6]中獨創的低定量紙的V槽工藝，對蘭州產品盒型進行了90°開槽，替代傳統耗能高的激光V槽工藝。同時，將原有300 g/m2黑卡紙降為230 g/m2，實現包裝輕量化，產品外觀棱角分明，檔次感明顯提升（圖1）。

2 降解材料減排技術應用

2.1 可降解高阻隔保潤材料的應用

1）無機礦物質高阻隔材料的應用。利用我國資源豐富、潤脹性好的高嶺土、陶土、膨潤土等天然基碳無機礦物質作為阻隔涂料替代化學碳涂料。張恒偉等[7]、楊繼等[8]研究了陶土、陶瓷涂覆包裝材料對煙支的防潮保潤效果，發現涂陶材料具有雙向調節的保潤性能，涂陶介質紙中的金屬鋁層與涂陶材料的結合能有效阻隔空氣中水分子。

圖1 低定量紙張V槽技術

2）可降解高阻隔聚合物材料的開發與應用。通過對高分子材料進行改性共聚制備復合材料涂布于包裝材料。吉笑盈等[9]采用聚乙烯醇為機體，利用天然油脂進行改性，開發了高阻隔可降解商標紙涂料，較普通卷煙產品的總失水量降低了16.81%。李雪[10]以鈉基膨潤土進行有機改性作為原料，以丙烯酸為單體，通過水溶液聚合法，制備出納米礦物保潤涂料（圖2），在西北干燥地區，煙支水分在10 d內可保持在12%左右。

圖2 納米礦物保潤涂料

2.2 可降解環保材料的應用

環保效果主要通過使用可降解材料或減少不易降解材料的使用這2種方式實現?；姆矫?，利用玉米淀粉的來源廣泛、綠色環保、可塑性好、強度大等特點[11]，替代紙基材料中木材纖維。采用玉米淀粉、聚乙烯醇共混[12]制備綠色可降解手工盒胚，替代原有雙層灰板對裱結構。玉米淀粉盒胚（圖3）具有可降解、保濕、保潤性能，采用玉米胚糊盒的產品外觀，外形方正，棱角分明，各邊及面無拱起。對比紙胚材料貼成的成品，玉米淀粉胚提升了產品的外觀質量，在翻折20次測試中未產生外觀質量問題。生產方面，從傳統人工糊盒改為機器糊盒，從原有的7道生產工序減少為3道，損耗從5%降為1.5%，提升了生產效能。在質量上，每條增加105.5 g，每箱將增加2.64 kg。由于玉米胚的質地堅硬，放進去的煙支在運輸過程中的搖晃與碰撞，造成端部落絲現象較多。另外，在不同溫濕度條件下，玉米淀粉盒胚未發生變形。在太陽下暴曬一個月，未發現變形，如表3所示，玉米胚受溫濕度影響較小，只有在極限溫度以及60、100 ℃時會出現開膠，在正常自然溫度下不會。因此，玉米淀粉胚是一種替代紙胚來提升產品外觀質量和生產效能的可降解材料。如表3所示，硬質玉米胚的使用提高了煙包外觀質量。油墨方面，油墨分為酯溶性和醇溶性油墨，酯溶性為傳統包裝油墨，主要成分為硝化棉體系加以含醇、酯、醚類溶劑和檸檬酸類助劑調配而成，干燥快、成本低[13]。醇溶性又叫水性油墨，主要成分為水性聚丙烯酸樹脂和有機胺、無機胺類助劑調配而成，環保、安全衛生、無污染、零排放，其流平性差、飽和度不夠、上機適應性不好的問題現已基本上解決，成為現在煙草包裝印刷油墨的趨勢，代替酯溶性油墨[14]。內襯紙方面，從復合鋁箔到轉移到真空鍍鋁內襯紙，都是在不斷降低鋁的用量來達到環保效果，鋁層的存在雖然對煙包的保濕、保潤、遮光起到了重要的作用[15]，但始終是不可降解和分離的部分，可降解阻隔涂層的應用推動了無鋁內襯紙的應用。張瑩等[16]綜述了無鋁內襯紙的涂層構成，軟水中加入聚乙烯醇，再加入納米纖維制備PVOH涂料、食品級微晶蠟、聚偏二氯乙烯等。向乾等[17]以水性雙組分聚氨酯樹脂溶液作為涂布液，將涂布液分2次涂布于內襯紙表層，達到保潤保濕效果。四川中煙已對10元以下產品進行了應用，上機適應性良好。

圖3 玉米淀粉內胚材料

表3 玉米淀粉內胚在溫濕度變化時成品外觀質量影響

Tab.3 Impact of temperature and humidity changes on corn starch appearance quality

注：未出現測試項目中的問題，打“×”，出現了測試項目中的問題，打“√”；極限溫度交替測試為將玉米淀粉胚成品在?20 ℃環境下放1 d，立刻轉入60 ℃環境下放1 d；極限濕度交替測試為將玉米淀粉胚成品在相對濕度0%的環境下放1 d，立刻轉入相對濕度100%的環境下放1 d。

2.3 低碳新概念技術的應用

“碳交易”和“智慧碳”將低碳新理念融入包裝材料中，在消費環保新理念上更加吸引消費者。例如，造紙企業在“雙碳”賽道上，不斷優化紙張生產工藝，降低廢棄廢水排放的同時，對不能通過碳減排項目減少的碳排放量，以碳交易的形式[18]，自愿購買國家核準的減排量，來抵消產品碳排放，實現“碳中和”和“零碳”產品?！疤贾泻桶卓ā笔莵喬?023年新推出的一種零碳白卡品種。另外，達能中國出了一款名為“智慧碳”的飲料瓶，源于一種“碳捕捉”包裝材料生產技術，將富碳起源中的一氧化碳和二氧化碳通過微生物直接轉化為生產PET瓶身所需的關鍵原料，來減少石油的使用和碳排放對環境的影響。如圖4所示，瓶身“made from CO2”表達了低碳理念。卷煙材料中BOPP降解的難題可以借鑒“智慧碳”瓶的概念。

圖4 “智慧碳”瓶設計

3 循環減排技術應用

3.1 可循環煙箱的應用

可循環煙箱主要分為塑料煙箱的循環和紙箱的循環應用。

1）塑料可循環煙箱的推廣。自2013年以來，煙草行業在物流領域有序推進卷煙包裝箱循環利用、卷煙托盤聯運、新能源汽車推廣應用等重點工作，以實際行動踐行了綠色發展、循環發展和低碳發展理念。2018年起，各煙草工業企業開始通過對材料不斷優化增加可循環次數、對標識簡化實現共享共用、擴大適用范圍實現全規格全流程包裝箱可循循機制來推動塑料循環煙箱的應用。與傳統紙箱相比，塑料煙箱以食品級共聚性聚丙烯為原料，由PP塑料中空板連接成箱，在運輸、入庫、倉儲及分揀過程中不易變形、質量穩定，可循環利用次數大大增加，便于工商間的循環使用。少生產一只紙質煙箱意味著可節約1.2 kg紙、0.024 m3水，減少廢氣排放4.2 kg。2022年，1～8月份，行業商業企業累計向同?。▍^、市）工業企業返還卷煙包裝箱5 127.76萬只，返還比例為63.33%。

2）傳統紙箱可循環創新。傳統煙箱印刷階段需要印刷、開槽、壓線、釘箱或糊箱工藝，運輸至煙廠，實現煙箱的利用。借鑒榫卯的穩定結構（圖5），將傳統煙箱改造成榫卯組裝煙箱，正背面實現統一品規的雙面印刷。其優勢在于：節能降耗，省去了釘箱或糊箱的工序；節約糊箱材料和封箱膠帶使用；減少原材料使用，增加可循環次數，其中一片破損，不用報廢整個煙箱，只需對破損的部分進行替換，煙箱還能夠正常使用；榫卯結構無尖銳部分，運用突出部分咬合，增大摩擦力，受力均勻，不會在運輸過程中因尖角碰撞而導致產品或煙箱破損；打包運輸方便，同樣大小的煙箱組件進行封裝，比傳統煙箱堆疊更平整，最大化利用運輸空間。

圖5 基于榫卯結構的雙面可循環利用煙箱

3.2 高附加值固棄物循環應用

廢煙頭固棄物循環利用。煙頭主要成分是醋酸纖維，可被織成酷似真絲面料，也可被織成醫用無紡布，屬于高級醫用材料[19]。有日本公司以每公斤十幾塊到上百塊不等的價格收購廢煙頭，印度公司以每公斤250美元高價回收煙頭，將醋酸纖維蓬松處理后，填充高檔毛絨玩具。另外，煙頭還被用來制備黏土磚[20]、瀝青混凝土[21]、纖維素紙漿[22]、腐蝕抑制劑[23]、吸音材料[24]、超疏水吸附劑[25]、生物膜載體[26]、纖維素納米晶體[27]和碳材料[28]等。除了醋酸纖維，煙頭還殘留了尼古丁、茄尼醇等化學物質，尼古丁可以入藥，可以做殺蟲劑。在國際市場上，高純度的尼古丁售價達到10萬美元/t。茄尼醇可以用來合成輔酶Q10和維生素K2，是治療心臟病的關鍵藥物成分。

4 印刷工藝減排技術應用

4.1 油墨減排技術應用

油墨減排技術是通過減少大量印刷油墨使用或不用油墨印刷來實現降低能耗（烘干油墨需要高溫）的效果[28]。一種是依靠紙張紋理效果采用壓紋或凹凸工藝來減少油墨的印刷。如圖6a所示，采用凹凸工藝，實現象棋棋盤效果，包裝減少80%的油墨印刷；如圖6b所示，采用壓紋起凸工藝，用鋼印版輥直接壓印出文字和圖案。另一種是新興的無墨印刷技術，利用激光、全息、電子束、電化學等技術，在轉移紙表面形成微納米結構，通過光的折射、衍射、反射、散射等表現包裝顏色[29]，實現一種科技、時尚、自然的風格（圖6c）。

4.2 工藝減排技術應用

工藝減排技術的主要思路是規整印刷工藝，減少印刷工序和材料使用。如圖7a所示，利用專版工藝替代全息和絲印、凹凸效果，省去3道印刷工序（凹凸、絲印、燙金）和減少了全息材料、絲印油墨的使用。如圖7b所示，利用膠印逆向光油替代傳統的絲印，減少了絲印工序，油墨用量小，油墨厚度薄。如圖7c所示，利用紙張仿燙金效果，高亮銀底紙的金屬質感，替代了燙金工序。該技術目標就是在不改變設計和包裝效果的基礎上，對印刷工藝進行精簡，利用紙張、專版、設計代替印刷材料的使用，達到減碳效果。

圖6 油墨減排技術應用

圖7 工藝減排技術應用

5 智能化綠色設計減排技術應用

5.1 智能化綠色包裝設計平臺應用

讓綠色“更有溫度”，利用現代技術打造煙草行業以品牌設計、展示、對標、元素庫等功能為一體的數字化包裝設計平臺。以蘭州和黃鶴樓品牌為例（圖8），采用PC端和PAD端雙線運行模式，重點聚焦于核心技術和產品研發，助力卷煙包裝綠色設計智能化。內容包括：行業內包裝設計展示平臺，避免重復設計，提升效率；構建基于品牌云設計功能，可編輯的盒型結構、設計元素的2D平面設計與3D效果預覽，實時同步分享與協作的功能，一鍵生成渲染效果圖，輸出保存刀模圖和效果圖，實現“所見即所得”的包裝新交付模式；以蘭州品牌元素基因、色彩基因、紋樣基因的采集、分類、組合及再創為特色，對基因的重組與編輯打造煙用材料全方位設計平臺；最終，實現減少人員和時間成本。時間成本可降低60%，從設計源頭選擇綠色低碳煙用材料，并進行仿真效果呈現，減少了制樣、試機消耗。

5.2 智能化碳足跡可視化平臺應用

2018年，倫敦帝國學院環境政策中心對全球煙草在整個供應鏈中的碳足跡進行了評估[30]。據計算（圖9），在全球500家工廠中，共有530萬hm2的土地上種植了3 240萬t綠煙葉，生產了648萬t干煙葉，用于制造6萬億支香煙；材料投入總量達到2 720萬t，能源投入超過6 200萬J，水資源投入超過2.2萬t，煙草制品運輸量達到245億t；除6萬億支香煙外，總產量還包括2 500萬t固體廢物、近2.2億t水（其中5 500萬t是加工和制造階段的廢水）、近8 400萬t二氧化碳當量。如表4所示，廣東中煙[31]和湖北中煙（圖10）參考國際通用的相關LCA生命周期評價、碳足跡標準與規范指南，對卷煙產品的碳足跡進行研究，打造煙草行業的智能化碳足跡可視化平臺，包括評價范圍、數據搜集、分配、取舍規則、結果計算、指標評價、報告等方面內容；確定卷煙產品碳排放的核算邊界，形成卷煙產品碳排放數據鏈，通過產品碳排放數據量化分析，為產品綠色低碳生產轉型提供數據支撐，實現碳排放數據動態可視化。

圖8 智能化綠色包裝設計平臺應用

圖9 全球煙草整個供應鏈的碳足跡

圖10 智能化碳足跡可視化平臺應用

表4 某國產卷煙產品生命周期碳排放清單[31]

Tab.4 Carbon emission list of cigarette of Brand S in a life cycle[31]

6 結語

當下，煙草工業企業正在通過不同的方式來踐行“綠色、低碳、環?！崩砟?，通過降重減排技術、降解減排技術、循環減排技術、工藝減排技術等大量應用技術進行研究。通過數字化構建了卷煙產品碳足跡評價模型，建立了綠色低碳評價指數，構建了可視化碳足跡平臺。針對低碳綠色材料的應用，從原紙的“碳中和”“碳交易”概念到數字化的“碳足跡”平臺，再到材料的“無墨印刷”“無鋁內襯”“碳捕集材料”的開發，一步步開展了綠色基礎研究和實現材料應用的成果轉化。

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Application of Green and Low Carbon Concept in Cigarette Packaging Materials

LI Xue1, ZHANG Jiandong1, LIAO Yu2, ZHANG Hengwei1, DOU Haicheng1, MA Yongfeng1

(1. Technology R&D Center, Gansu Tobacco Industrial Co., Ltd., Lanzhou 730050, China; 2. Technology Center, China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430030, China)

The application of green and low carbon cigarette materials is an important way to help tobacco industry enterprises transform into energy-saving and carbon-reducing, and also a "link" to convey the concept of green and low carbon to consumers. The application of tobacco industry enterprises in five aspects was introduced: weight reduction and carbon reduction, degradation material reduction, recycling reduction, printing process reduction, and intelligent green design reduction. Weight reduction, material replacement, and V-groove technology were used to reduce the use of bio-based carbon, abundant degradable resources were utilized to reduce wood use, non degradable materials were replaced with friendly materials, cigarette boxes and cigarette waste were recycled, paper effects were optimized to replace printing processes and ink, and a digital platform was created to make designs efficient and carbon footprint visible and permeate the concept of green and low carbon to every aspect of cigarette packaging materials from the design source to product output. In the future, it is necessary to focus on new initiatives of paper-based functional materials and other industries in the "reduce carbon" strategy, the development and application of nano cellulose, lignocellulose, non-wood fiber and edible materials, the application of carbon emission trading, carbon credit, carbon capture materials, and the integration of AI concept into innovation and basic research, so that researchers have time to engage in creative work and improve innovation efficiency.

green; low carbon; cigarette; packaging materials

TS851.6

A

1001-3563(2024)05-0109-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.013

2023-06-20

中國煙草總公司重點研發項目工業綠色低碳技術（110202202031）；中國煙草實業發展中心科技項目（ZYSY-2021-12）；甘肅煙草工業有限責任公司科技項目（KJXM-2021-19）