卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響

張優茂 李旭華 黃翼飛 黃海群

(1.廣東中煙工業有限責任公司國家認定企業技術中心，廣東廣州，510145;2.云南瑞升煙草技術集團 (有限)公司，云南昆明，650106)

卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響

張優茂1李旭華1黃翼飛1黃海群2

(1.廣東中煙工業有限責任公司國家認定企業技術中心，廣東廣州，510145;2.云南瑞升煙草技術集團 (有限)公司，云南昆明，650106)

為探討卷煙燃燒峰值溫度對煙氣CO釋放量的影響，采用熱分析儀比較了卷煙紙在不同溫度下的失重情況，并采用掃描電鏡對卷煙紙的微觀形貌進行了比較。結果表明，卷煙燃燒峰值溫度越低，對應卷煙紙的失重起始溫度也越低，在相同溫度下，對應卷煙紙的透氣度也越大，主流煙氣CO的釋放量也隨著減少。

卷煙;CO釋放量;燃燒峰值溫度;失重溫度;透氣度

隨著人們對吸煙與健康問題的日益關注，卷煙消費者對卷煙低焦少害提出了更高的要求。CO作為煙氣中的一種有害氣體，其在主流煙氣中的含量也受到嚴格的控制 (每種卷煙的煙標上都明確標注了CO的含量)。降低煙氣中的CO釋放量，已是國內外眾多煙草科技工作者共同關注的焦點［1-4］。大量文獻表明，提高卷煙紙透氣度，在卷煙紙中添加燃燒調節劑［5-11］，提高濾棒成型紙與接裝紙的透氣度［12-14］，在煙絲中添加煙草薄片、梗絲、煙草添加劑［15-19］，增加濾棒的吸阻與長度，在濾棒中加入活性炭等吸附能力強的物質或催化劑［20-23］，對煙用二醋酸纖維進行改性等方法，均可以降低主流煙氣中CO的釋放量。但卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響，卻鮮有文獻報道，而卷煙燃燒峰值溫度對煙氣CO釋放量的影響機理更無相關文獻進行探討。

為分析卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響，本實驗采用7種不同的卷煙紙，在煙絲及其他卷煙材料均相同的條件下制成卷煙成品。比較了卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣中CO釋放量的影響。同時，采用熱分析儀分析了卷煙紙的熱失重情況，利用掃描電鏡對比了卷煙紙的微觀形貌，初步探討了卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響機理。

1 實驗

1.1 儀器與材料

儀器:HR-200型電子天平 (感量0.0001 g，日本AND公司);KBF240恒溫恒濕箱 (德國賓德公司);CERULEAN SM410吸煙機 (英國CERULEAN公司);NETZSCH STA 409 PC熱分析儀 (德國耐馳儀器制造有限公司);XL 30 ESEM-TMP掃描電鏡(荷蘭Philips-FEI公司);D23透氣度測定儀 (法國索定儀器公司)。RMl/PLUS單孔道吸煙機 (德國Borgwaldt);自制熱電偶溫度采集系統，含熱電偶(Ф 0.3 mm，300 mm)，熱電偶數字轉換器，計算機數據采集和處理系統。

材料:7種不同的卷煙紙，除卷煙紙助劑外，其他造紙材料均相同。卷煙紙透氣度為50 CU(Coresta Unit，簡稱CU，下同)，定量35 g/m2，編號分別為1#～7#(牡丹江恒豐紙業股份有限公司提供);A牌號煙絲 (廣東中煙有限責任公司技術中心提供);將上述7種卷煙紙與A牌號煙絲制成相同規格的卷煙樣品，對應卷煙樣品為1#～7#(廣東中煙有限責任公司技術中心制作)。

1.2 實驗方法

1.2.1 主流煙氣CO釋放量測試方法

按GB/T 16450—2004《常規分析用吸煙機 定義和標準條件》設定吸煙機抽吸條件，按GB/T 23356—2009《卷煙 煙氣氣相中一氧化碳的測定非散射紅外法》測定卷煙主流煙氣CO釋放量。

1.2.2 卷煙燃燒溫度測試方法

使用自制熱電偶溫度測定儀，在標準抽吸條件下［24］(35 mL的抽吸容量，抽吸時間為2 s)，首先將待測卷煙插入單孔道吸煙機孔道上，并使其保持在水平位置。然后在熱電偶數據接口插入熱電偶數字轉化器，將熱電偶探針垂直刺入煙支，并精確調整熱電偶探針插入煙支的深度。最后，固定熱電偶和煙支位置，點燃卷煙進行卷煙燃燒溫度測試。在卷煙燃燒碳化線接近熱電偶時，啟動數據采集和處理系統。測試速率為15次/s，測定卷煙抽吸最高溫度，每個樣品重復測定10次，計算平均值。

1.2.3 熱分析方法

熱分析測試的卷煙紙樣品用量為10～20 mg，置于氧化鋁坩堝內，同步熱分析過程中的環境為空氣氣氛，注入流速為75 mL/min。實驗采用程序升溫，起始溫度為40℃，升溫速率為10℃/min，終溫900℃，記錄每個溫度下的剩余卷煙紙質量，計算出剩余卷煙紙所占的質量分數。

1.2.4 掃描電鏡觀察卷煙紙

采用掃描電鏡觀察卷煙紙的微觀形貌，掃描電鏡的工作條件為，電壓:20.0 kV;束流:30～40 μA;真空度:10－8Pa;分辨率:3.5 nm。

1.2.5 卷煙紙透氣度測定

卷煙紙的透氣度按照國家標準 GB/T 23227—2008《卷煙紙、成形紙、接裝紙及具有定向透氣帶的材料 透氣度的測定》進行測定，每個樣品重復測定10次，計算平均值。

2 結果與討論

2.1 卷煙燃燒峰值溫度對煙氣CO釋放量的影響

在標準抽吸條件下，采用吸煙機測定7種卷煙樣品的CO總釋放量和抽吸口數，同時采用熱電偶測定卷煙燃燒峰值溫度。實驗測試結果如表1所示。從表1可知，隨著卷煙燃燒峰值溫度的升高，卷煙的燃燒速率越慢，卷煙抽吸口數越多，CO的總釋放量越大。

表1 卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響

根據卷煙抽吸口數與CO的總釋放量，計算卷煙抽吸時每口CO平均釋放量與卷煙燃燒峰值溫度的關系，結果如圖1所示。從圖1可知，卷煙燃燒峰值溫度與每口CO平均釋放量存在一定的線性關系，卷煙燃燒峰值溫度升高，相應地每口CO平均釋放量也隨之增大。

圖1 卷煙燃燒峰值溫度對單口CO釋放量的影響

由文獻 ［24-26］可知，卷煙燃燒時煙氣中CO的產生主要有3種途徑:①在燃燒區內，由于氧氣分布不均勻，某些煙草化學成分在貧氧高溫區的不完全燃燒產生CO(放熱);②煙草組分受熱分解產生CO(吸熱);③煙氣中的部分CO2在高溫時能被含碳類物質還原成CO(吸熱)。

根據卷煙煙氣中CO產生的原理，可推測卷煙燃燒峰值溫度對煙氣CO釋放量的影響。卷煙燃燒時，卷煙紙和煙絲中的含碳物質生成CO、CO2等氧化物，而燃燒區域的O2則來自空氣，由于卷煙紙包裹煙絲，因此，燃燒區域的O2含量受卷煙紙透氣度的影響。卷煙燃燒時卷煙紙的透氣度越小，卷煙燃燒區域的O2含量也越小，更容易造成燃燒區域貧氧而使主流煙氣中CO的釋放量增大。因此，可推測卷煙燃燒峰值溫度越低，卷煙燃燒時卷煙紙的透氣度也越大。與此同時，卷煙燃燒峰值溫度較低，主流煙氣中的CO2在高溫時被含碳類物質還原成為CO可能性降低。由此可見，通過改變卷煙紙助劑種類及助劑的含量可調節卷煙燃燒的峰值溫度，而通過調節卷煙燃燒的峰值溫度又可以調節CO的釋放量。

2.2 卷煙紙熱失重分析

為探討卷煙燃燒峰值溫度對主流煙氣CO釋放量的影響，實驗采用熱分析儀對上述7種卷煙紙進行熱失重分析。實驗采用熱分析儀測定了7種卷煙紙從40℃至900℃的升溫過程中，卷煙紙的剩余質量與溫度的關系。對加熱升溫過程中的每個溫度對應的卷煙紙質量進行測定，計算剩余卷煙紙質量占初始質量的質量分數，實驗結果如圖2所示。

圖2 溫度與卷煙紙剩余質量的關系

從圖2可知，卷煙紙在加熱升溫過程中，卷煙紙的質量不斷降低，其失重過程可分為5個階段，第1階段為失重初始階段，溫度為40～250℃，卷煙紙失重質量較小，卷煙紙質量變化不大，失重曲線為一平臺;第2階段為第一次加速失重階段，溫度從250℃升至500℃，在該過程中，卷煙紙失重速率最快，其剩余質量從95%迅速降至40%左右;第3階段為緩慢失重過程，溫度為500～700℃，在該過程中，卷煙紙失重速率緩慢，剩余的卷煙紙質量基本保持在40%左右;第4階段為第2次加速失重階段，溫度從700℃升至750℃，卷煙紙失重速率明顯加快，但低于第2階段;第5階段為恒重階段，溫度為750～900℃，在該過程中，卷煙紙剩余質量幾乎不發生變化，7種卷煙紙的剩余質量均為30%左右。

從圖2還可發現，在上述5個階段中，除第2階段失重曲線差異較大外，7種卷煙紙的其余階段的失重曲線均非常類似。在第2階段，卷煙紙的失重速率最快，以卷煙紙剩余質量為95%為第2階段的起點，剩余質量為40%(約為500℃)為第2階段的終點，則平均失重速率達到 (0.21% ～0.29%)/℃。對于1#～4#卷煙紙，其失重的起始溫度為245～260℃;對于5#～7#卷煙紙，其失重的起始溫度為300～309℃。而在終點處的卷煙紙的剩余質量與對應的溫度都非常接近。

卷煙紙受熱失重時，伴隨著復雜的化學反應，卷煙紙中的纖維素發生裂解，纖維素的聚合度發生變化，某些共價鍵斷裂，并釋放出某些小分子化合物，卷煙紙中的孔洞增加，增大了卷煙紙的透氣度。因此，當采用該卷煙紙卷制成卷煙樣品后，卷煙燃吸時，卷煙紙受熱后，透氣度增大，從而使空氣中的氧氣更容易與主流煙氣接觸，進而將CO氧化成CO2，減少了主流煙氣中CO的釋放量。

對比上述卷煙紙，1#～4#卷煙紙，其失重起始溫度為245～260℃;而5#～7#卷煙紙，其失重的起始溫度為300～309℃。由于1#～4#卷煙主流煙氣CO釋放量低于5#～7#卷煙的主流煙氣CO的釋放量，這表明，卷煙燃燒峰值溫度較低，該卷煙對應的卷煙紙具有較低的失重起始溫度。由此可推測，在相同的溫度(卷煙紙失重過程中的溫度)下，失重起始溫度越低的卷煙紙對應透氣度要大于失重起始溫度較高的卷煙紙透氣度。即在相同溫度下，1#～4#卷煙紙透氣度高于5#～7#卷煙紙的透氣度。

2.3 卷煙紙透氣度測試及微觀形貌觀察

為證實1#～4#卷煙紙的透氣度在相同溫度下高于5#～7#卷煙紙的透氣度，實驗將上述7種卷煙紙在烘箱里于260℃下烘30 min，然后按照標準中規定的方法測定7種卷煙紙的透氣度。透氣度測定結果如表2所示。

從表2可知，與室溫下卷煙紙透氣度50 CU相比，1#～4#卷煙紙在260℃下的透氣度明顯升高，增長幅度達83.7% ～93.7%;而5#～7#卷煙紙的透氣度也比室溫下的透氣度增加，增長幅度為8.4%～24.3%，但明顯低于1#～4#卷煙紙透氣度的增長幅度。卷煙紙升溫失重過程中，發生復雜的化學反應，伴隨著纖維素共價鍵的斷裂，釋放出小分子化合物，這就造成了卷煙紙結構疏松，孔洞增多，從而提高了卷煙紙的透氣度。表2的實驗結果證明了上述推測，這表明在卷煙紙升溫失重過程中，卷煙紙起始失重溫度越低，在相同的溫度下，其透氣度就越大。

表2 260℃下各卷煙紙的透氣度 CU

為驗證上述結論，選取1#和7#卷煙紙作為實驗樣品，將這兩種卷煙紙用烘箱在260℃下烘30 min，然后采用掃描電鏡觀察它們的微觀形貌。兩種卷煙紙在260℃下烘后的電鏡掃描情況如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可知，對于7#卷煙紙樣品，260℃下烘30 min后，卷煙紙中纖維結構較為完整，并無明顯的孔洞;而對于1#卷煙紙樣品，卷煙紙中的纖維結構則存在較多大小不一的孔洞，纖維結構沒有7#卷煙紙樣品完整。由于1#卷煙紙樣品纖維結構中的孔洞較多，增加了卷煙紙透氣度，從而增加了卷煙燃燒區域的O2含量，故卷煙燃吸時CO釋放量低于7#卷煙紙樣品，這與上述推論結果相吻合。

以上結果表明，卷煙燃燒峰值溫度越低，主流煙氣中CO的釋放量也越低，這是由該卷煙對應的卷煙紙的熱失重起始溫度決定的。卷煙紙的熱失重起始溫度越低，在熱失重過程中，它在較低的溫度下就會發生裂解，釋放出小分子化合物，從而使卷煙紙纖維中的孔洞增多，提高了卷煙紙的透氣度，進而使空氣中的氧氣更易與主流煙氣接觸，使CO的釋放量降低;同時，由于卷煙燃燒峰值溫度較低，減少了煙氣中的部分CO2在高溫時能被含碳類物質還原成為CO的可能性。

3 結論

3.1 卷煙燃燒峰值溫度越低，主流煙氣中CO的釋放量也越低。

3.2 卷煙紙在熱失重過程中，隨著溫度的升高，其纖維結構發生變化，纖維中的孔洞增多，卷煙紙的透氣度也隨著增加;卷煙紙失重起始溫度越低，在相同的溫度下，其透氣度越大，所對應卷煙的主流煙氣的CO釋放量也越低。

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The Influence of Cigarette Burning Peak Temperature on the CO Content in Mainstream Smoke

ZHANG You-mao1，*LI Xu-hua1HUANG Yi-fei1HUANG Hai-qun2
(1．State-accredited Enterprise Technology Center，China Tobacco Guangdong Industrial Co．，Ltd．，Guangzhou，Guangdong Province，510145;2．Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)，Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan Province，650106)
(*E-mail:zhyoum@163．com)

In order to study the influence of burning peak temperature of cigarette on the content of CO in mainstream smoke，the weight loss of cigarette paper at different temperature was compared with thermal analyzer，and surface morphology of cigarette paper was investigated by SEM．The results indicated that the initial weight loss temperature of cigarette paper is lower，when the burning peak temperature of cigarette lowered．At the same temperature the content of CO in mainstream smoke is lower，when the permeability of cigarette paper increases．

cigarette;content of CO;burning peak temperature;temperature of weight loss;air permeability

TS761.2

A

0254-508X(2011)09-0039-05

2011-02-15

張優茂先生，碩士;主要從事卷煙材料的研究與分析工作。

(責任編輯:趙旸宇)