卷煙紙羅紋對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分的影響

黃朝章，張國強，張廷貴，李巧靈，張建平，黃華發(fā)，龔安達，沈妍，沈靖軒

1 福建中煙工業(yè)有限責任公司，廈門集美區(qū)濱水路298號 361012;2 云南瑞升煙草技術集團（有限）公司，云南省昆明市高新區(qū)海源北路1699號 650106

卷煙紙主要由植物纖維、碳酸鈣和微量助劑組成，是卷煙重要的材料之一，約占單支卷煙重量的5%左右[1-4]。在卷煙燃燒過程中，卷煙紙不僅是燃燒物之一，而且紙面結構空隙變化會影響空氣進入燃燒錐的速度及總量，因此，卷煙紙物理參數(shù)變化會影響煙支燃燒溫度，從而會影響卷煙煙氣成分釋放量[5-8]。透氣度、定量、灰分和羅紋是卷煙紙重要的物理參數(shù)，其中羅紋是卷煙紙受到絲紋輥作用后在紙頁上形成的條紋[9]。羅紋參數(shù)不同會造成卷煙紙的松厚度等方面發(fā)生改變，導致在燃燒過程中空氣與煙氣進行交換的路徑發(fā)生變化，進而對燃燒溫度產生變化，最終造成卷煙煙氣成分釋放量存在差異。以往卷煙紙羅紋研究主要集中于卷煙紙工藝參數(shù)等對羅紋的影響[10-11]，未涉及卷煙紙羅紋變化對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)指標的影響研究。

1957年以來科研人員開始嘗試卷煙燃燒溫度的研究，該方向成為卷煙科研中一個比較活躍的研究熱點。1975年，紅外傳導纖維光學探針首次被用于測量卷煙燃燒時的固相溫度[12]；此后紅外熱成像技術逐漸成為測試卷煙燃燒溫度的重要手段[13-14]。本文分析不同羅紋參數(shù)卷煙紙對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分的影響，并探討了燃燒溫度與煙氣常規(guī)成分的相關性；旨在為卷煙紙參數(shù)設計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 材料和儀器

采用同一配方卷煙煙絲、同一參數(shù)接裝紙（不打孔）和濾棒、同樣加工工藝參數(shù)以及同一卷煙設備，按照每次只變化一個卷煙紙設計參數(shù)、其它輔材設計參數(shù)固定的原則，制備試驗卷煙樣品。其中，卷煙紙透氣度設定為60 CU，定量設定為30 g/m2；含麻量設定為0；助燃劑為檸檬酸鉀，助燃劑含量設定為0.9%（以鉀計）；橫羅紋和豎羅紋的羅紋寬度為200 μm，間距為800 μm。試驗卷煙紙參數(shù)變化樣品的信息如表1所示。

表1 卷煙紙參數(shù)變化Tab.1 Variation of cigarette paper parameters

1.2 試驗方法

1.2.1 卷煙燃燒溫度測試方法

根據(jù)文獻方法[15]，將挑選重量和吸阻的煙支放置在調節(jié)環(huán)境（22℃±2℃，60%±5% RH）下平衡48小時后進行燃燒溫度測試，測試前在煙支卷煙紙上作標記，作為起始及終止測試標記，如圖1所示。

圖1 卷煙燃燒起止線標記Fig.1 The start and stop marks of tobacco burning

測量時，將煙支置于專用捕集器上，按相關標準采用SM410型直線型吸煙機進行卷煙抽吸。用FLIR-SC660型紅外熱成像儀對卷煙的燃燒錐進行測溫拍攝，窗口尺寸為3.2 cm*2.4 cm，像素大小為640*240，最小分辨尺寸 150 μm*150 μm，焦距設置為7.5 cm，幀頻設置為30 Hz。紅外熱像儀置于電動位移平臺上，平臺移動與煙支保持平行；平臺移動速度與卷煙燃燒速度相匹配，從而使煙支燃燒錐在抽吸過程中始終位于熱像儀視窗中；采集每一幀畫面出現(xiàn)的最高溫作為燃燒溫度參考溫，并連續(xù)記錄，通過FLIR-R&D軟件輸出最高溫-時間曲線圖和全系列溫度數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析軟件對所有采集數(shù)據(jù)分析處理，得到代表卷煙抽吸溫度的單幀最高抽吸溫度結果。采用5組指標作為評價卷煙燃燒溫度的指標，其中最高溫指燃燒錐固相溫度的最高值；抽吸最高溫平均溫度指全部抽吸段的最高溫度平均值；抽吸平均溫度指全部抽吸段的溫度平均值；陰燃平均溫度指卷煙陰燃段的溫度平均值；峰值平均值指全部抽吸峰值的平均溫度值。同一樣本進行10支卷煙的平行測定。

1.2.2 卷煙煙氣常規(guī)成分測試方法

依據(jù)GB/T 19609—2004《卷煙用常規(guī)分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》[16]對卷煙樣品氣相中的總粒相物和焦油進行測定；依據(jù)GB/T 23356-2009《卷煙 煙氣氣相中一氧化碳的測定 非散射紅外法》[17]對卷煙煙氣氣相中的一氧化碳進行測定；依據(jù)YC/T156—2001《卷煙 總粒相物中煙堿的測定 氣相色譜法》[18]對卷煙煙氣氣相中的煙堿進行測定；依據(jù)YC/T157—2001《巷煙 總粒相物中水分的測定 氣相色譜法》[19]對卷煙煙氣氣相中的水分進行測定。

2 結果和分析

2.1 紅外熱像測溫平臺分析卷煙燃燒溫度

根據(jù)行業(yè)標準方法（抽吸2 s/min，間隔58 s/min），通過紅外熱像測溫平臺分析卷煙燃燒全過程中溫度的變化，圖2是卷煙抽吸前后的溫度變化圖。可以看出，對比卷煙抽吸前后，抽吸過程中的卷煙燃燒錐溫度紅外圖（圖b）中顏色發(fā)亮的面積最大，其原因是抽吸過程時大量空氣進入到煙體中，燃燒錐內部發(fā)生劇烈的化學放熱反應，所以燃燒溫度急速上升。

圖2 卷煙燃燒紅外熱像圖Fig.2 Infrared thermography of cigarette burning

文獻[20]記錄了單支卷煙燃燒最高溫度隨時間變化圖（圖3）。從圖3可以看出，在卷煙抽吸的2 s中，燃燒錐的最高溫從750℃左右急速上升到1100℃左右，溫度曲線形成一尖峰；卷煙陰燃的58 s內最高溫維持在750℃左右，曲線形狀相對平緩；卷煙每口抽吸的最高溫度值略有差異，該現(xiàn)象可能是煙絲在煙柱前后的分布有差異導致。

圖3 卷煙燃燒最高溫與抽吸時間記錄圖Fig.3 Record chart of maximum burning temperature and pumping time of cigarettes

采用方差分析分別對不同羅紋參數(shù)卷煙樣品組的溫度測試數(shù)據(jù)進行分析，考察5類樣品組溫度數(shù)據(jù)的差異，結果列于表2。從分析結果可以看出，絕大部分F值>4.10（臨界值）、P<0.05，說明5類樣品的組內溫度數(shù)據(jù)是具有統(tǒng)計學意義上的顯著性差異。

表2 不同羅紋參數(shù)卷煙樣品組的溫度差異性分析Tab.2 Difference analysis of temperature of cigarette samples with different spiral marking of cigarette paper

2.2 卷煙紙羅紋形式對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分的影響

常見的卷煙紙羅紋形式主要有豎羅紋和橫羅紋之分。在本試驗中，選擇常見的豎羅紋、橫羅紋作為研究對象，同時采用不壓紋（無羅紋）作為對照樣本。結果如圖4、5所示。①從圖4試驗結果可以看出，羅紋形式對卷煙燃燒溫度有一定影響；在其它參數(shù)不變的情況下，采用無羅紋或橫羅紋卷煙紙，卷煙的最高溫、抽吸最高溫平均溫度、抽吸平均溫度、陰燃平均溫度、峰值平均值均高于采用豎羅紋卷煙紙的樣本。②從圖5可以看出，羅紋形式對卷煙煙氣中的焦油、煙堿和CO有一定影響；采用豎羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO較高，采用無羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO較低。③相關研究表明卷煙燃燒溫度越高，煙支燃燒越充分且燃燒速度越快，因此焦油、煙堿和CO會下降[21]；此外造成CO下降的原因還可能是：在高溫條件下CO2還原成CO的概率會下降[22]。

圖4 卷煙紙羅紋形式對卷煙燃燒溫度的影響Fig.4 Effect of spiral marking form of cigarette paper on cigarettes burning temperature

圖5 卷煙紙羅紋形式對卷煙常規(guī)煙氣成分的影響Fig.5 Effect of spiral marking form of cigarette paper on the conventional components of mainstream smoke

2.3 卷煙紙羅紋深度對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分的影響

羅紋深度是雕印機在卷煙紙表面所壓印痕凹凸程度的立體表現(xiàn)，卷煙紙羅紋的深度已由淺羅紋逐步發(fā)展成為中等深度羅紋、深羅紋和超深羅紋。本試驗采用反壓（常用方式）的方式，分析了常見的淺羅紋和深羅紋卷煙紙對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分釋放量的差異，結果如圖6、7所示：①從圖6試驗結果可以看出，在不同羅紋形式下，羅紋深度對燃燒溫度影響一致；采用淺羅紋的卷煙紙，卷煙的最高溫、抽吸最高溫平均溫度、抽吸平均溫度、陰燃平均溫度、峰值平均值較高；②從圖7可以看出，羅紋深淺對卷煙煙氣中的焦油、水分和CO有一定影響；在豎羅紋形式下，采用淺羅紋的卷煙紙，卷煙煙氣中的焦油、水分和CO較低；在橫羅紋形式下，采用淺羅紋的卷煙紙，卷煙煙氣中的水分和CO略低。③不同羅紋形式下，淺羅紋卷煙紙所受機械擠壓小，紙張疏松度好且紙張中的自然空隙（微孔）保留較多，可能受熱后其纖維熱解速率快且致孔效率高[23]，一方面有利于更多空氣中的氧氣擴散進入燃燒錐，加劇煙支燃燒程度，提高卷煙燃燒溫度；另一方面有利于氣相物的擴散；因此采用淺羅紋卷煙紙的煙氣水分和CO較低。

圖6 卷煙紙羅紋深度對卷煙燃燒溫度的影響Fig.6 Effect of spiral marking depth of cigarette paper on cigarettes burning temperature

圖7 卷煙紙羅紋深度對卷煙常規(guī)煙氣成分的影響Fig.7 Effect of spiral marking depth of cigarette paper on the conventional components of mainstream smoke

2.4 卷煙紙羅紋壓紋方式對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分的影響

卷煙紙壓紋方式分為正面壓紋和反面壓紋兩種；反面壓紋是紙幅的反面接觸絲紋輥，而正面壓紋是紙幅的正面接觸絲紋輥。本試驗在羅紋深度一致的條件下，考察卷煙紙壓紋方式對卷煙燃燒溫度和煙氣常規(guī)成分釋放量的影響情況，結果如圖8、9所示：①從圖8試驗結果可以看出：采用正壓的卷煙紙，卷煙的最高溫、抽吸最高溫平均溫度、抽吸平均溫度、陰燃平均溫度、峰值平均值較高。②采用正壓的卷煙紙，煙氣中的焦油和CO較低。其原因可能是：（1）在卷煙紙抄造過程中，紙幅正面堆積數(shù)量相同的長短纖維，填料碳酸鈣均勻分布于纖維之間，此層面較為松厚；紙幅反面留有網子脫水的痕跡，細小纖維在此面多數(shù)流失，填料碳酸鈣裸露出紙面，所以反面凹凸不平。（2）當絲紋輥壓力作用于正面時，松厚的長短纖維層有足夠的間隙變形；當絲紋輥壓力作用于反面時，作用力主要壓在長纖維和填料顆粒上，纖維發(fā)生形變的空間小[9]。（3）要實現(xiàn)同一羅紋深度，卷煙紙在反壓方式下受到的機械作用力要大，因此其紙頁疏松度較差且自然空隙保留較少；一方面不利于氧氣擴散進入燃燒錐，降低了卷煙燃燒溫度，另一方面不利于煙氣氣粒相的擴散。

圖8 卷煙紙羅紋壓紋方式對卷煙燃燒溫度的影響Fig.8 Effect of the embossing mode of spiral marking of cigarette paper on cigarettes burning temperature

圖9 卷煙紙羅紋壓紋方式對卷煙常規(guī)煙氣成分的影響Fig.9 Effect of the embossing mode of spiral marking of cigarette paper on the conventional components of mainstream smoke

2.5 卷煙燃燒溫度與煙氣常規(guī)指標的關系分析

將5個特征溫度值逐一與相對應的卷煙煙氣常規(guī)指標進行相關性分析，分析結果列于表3。相關系數(shù)顯著性的T（皮爾遜積矩相關系數(shù)）檢驗表明：煙氣焦油和CO釋放量、抽吸口數(shù)與抽吸燃燒錐最高溫平均值呈現(xiàn)顯著負相關關系，其它指標間無相關關系。卷煙紙羅紋參數(shù)變化，影響卷煙抽吸時的燃燒錐溫度，進而影響抽吸口數(shù)，從而改變煙氣中的焦油和CO釋放量，本文研究結果與文獻[14]報道結論相似。

表3 卷煙燃燒溫度與煙氣常規(guī)指標的簡單相關分析Tab.3 Simple correlation analysis between cigarette burning temperature and conventional index of mainstream smoke

3 討論

在生產過程中，羅紋參數(shù)設置不同（在同一卷煙紙配方的前提下），卷煙紙受到壓紋輥的壓力不同，其厚度或緊度等方面會發(fā)生改變；緊度小時，氣體透過卷煙紙可能走直線；而緊度大時，氣體透過卷煙紙可能走曲線。因此卷煙紙羅紋參數(shù)變化會導致煙氣和空氣的擴散、交換及時性存在差異性，進而對卷煙燃燒錐溫度和主流煙氣常規(guī)指標產生影響。

無羅紋/淺羅紋/正壓羅紋3種羅紋類型的卷煙紙表面經過機械擠壓強度低，紙張松厚度好、緊度小，紙頁的自然空隙保留較多，一方面有利于空氣中氧氣通過擴散、交換形式進入燃燒錐，從而加劇燃燒錐熱反應程度和范圍，提升了卷煙燃燒溫度；另一方面會提高煙氣氣粒相物在燃燒區(qū)和傳遞過程中與外界空氣的擴散和交換作用。

4 結論

（1）卷煙紙羅紋變化對卷煙燃燒溫度有不同程度影響；無羅紋、橫羅紋卷煙紙卷煙在吸燃和陰燃時的溫度要高于豎羅紋卷煙紙；淺羅紋卷煙紙卷煙在吸燃和陰燃時的溫度要高于深羅紋卷煙紙；正壓羅紋卷煙紙卷煙在吸燃和陰燃時的溫度要高于反壓羅紋卷煙紙。

（2）卷煙紙羅紋變化對卷煙常規(guī)煙氣成分釋放量也有一定影響；采用豎羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO較高；采用淺羅紋的卷煙紙，煙氣中水分和CO較低；采用正壓的卷煙紙，煙氣中的焦油和CO較低。

（3）不同羅紋參數(shù)卷煙紙的微觀結構有一定差異，會影響卷煙燃燒溫度，進而會影響卷煙煙氣常規(guī)指標；系統(tǒng)掌握卷煙紙羅紋變化對煙氣成分的影響規(guī)律，調整和優(yōu)化卷煙紙工藝，使之在理化方面與煙絲協(xié)同作用，將是卷煙紙未來基礎研究的重要方向。