卷煙設計參數(shù)對鐘形抽吸曲線下煙氣稀釋作用的影響

顏水明，李 斌，謝國勇，顏清萍，銀董紅，朱 震，王 兵*

1．湖南中煙工業(yè)有限責任公司技術研發(fā)中心，長沙市勞動中路426號 410007

2．湖南師范大學化學化工學院，長沙市麓山路36號 410081

3．中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

4．中國科學院合肥物質科學研究院，合肥市蜀山湖路350號 230031

卷煙設計參數(shù)對鐘形抽吸曲線下煙氣稀釋作用的影響

顏水明1,2，李 斌3，謝國勇*1，顏清萍1,2，銀董紅1，朱 震4，王 兵*3

1．湖南中煙工業(yè)有限責任公司技術研發(fā)中心，長沙市勞動中路426號 410007

2．湖南師范大學化學化工學院，長沙市麓山路36號 410081

3．中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

4．中國科學院合肥物質科學研究院，合肥市蜀山湖路350號 230031

為研究卷煙設計參數(shù)對煙氣稀釋作用的影響，設計了一套ISO鐘形抽吸模式下卷煙煙氣擴散的測量裝置，建立了全支（不點燃時的煙支）、燃燒錐（燃燒時的煙支）、切割煙支（在不點燃煙支的情況下，將燃燒時煙灰長度相同的煙支切割掉后剩余的煙支）3種狀態(tài)下煙氣稀釋率的測量方法，考察了卷煙材料特性（卷煙紙透氣度、濾嘴通風度和未燃煙支長度）在3種狀態(tài)下對煙氣稀釋作用的影響規(guī)律。結果表明：①當卷煙紙透氣度在30～70CU范圍時，全支、燃燒錐和切割煙支3種狀態(tài)下煙氣稀釋率均隨卷煙紙透氣度的增加而增加。其中，全支狀態(tài)下的空氣稀釋率最大，為5．97%～12．16%。②濾嘴通風度在0～50．8%時，濾嘴端煙氣稀釋率為0～59．81%。基于ISO鐘形抽吸模式下的濾嘴煙氣稀釋率檢測結果高于GB/T 22838．15—2009恒速抽吸模式下濾嘴通風率的檢測結果。③未燃煙支長度同樣對煙氣稀釋具有影響，煙支端稀釋作用隨著未燃煙支長度的增加而增加，當未燃煙支長度在0～30mm變化時，煙氣稀釋率為0～12．58%。

卷煙材料；煙氣稀釋；卷煙紙透氣度；濾嘴通風度；抽吸條件

卷煙材料及設計參數(shù)對卷煙燃吸過程中煙氣成分的生成與遞送有較大影響，近年來，研究者針對卷煙材料及設計參數(shù)對煙氣常規(guī)成分和有害成分釋放量的影響進行了大量的研究工作。于川芳等［1-2］研究了卷煙材料“三紙一棒”參數(shù)對卷煙煙氣中焦油、煙堿、CO等指標的影響以及對感官質量的影響趨勢。李斌等［3-4］建立了“三紙一棒”參數(shù)對濾嘴通風度、焦油、煙堿和CO釋放量的預測模型，并在此基礎上，開發(fā)了卷煙材料輔助設計軟件。在文獻［5-12］中，研究了卷煙材料設計參數(shù)對卷煙煙氣中7種有害成分釋放量的影響，并有針對性地建立了預測模型。在文獻［13-16］中，考察了低引燃卷煙材料特性、卷煙紙透氣度、助燃劑含量等對卷煙燃吸過程中溫度分布特征的影響，從卷煙燃吸溫度分布的角度闡述了卷煙材料對燃吸過程的影響，在此基礎上，建立了卷煙溫度分布特征與煙氣中7種有害成分釋放量的關系。綜上研究可以發(fā)現(xiàn)，卷煙材料的改變，將對煙氣中化學成分的釋放量產生影響。利用卷煙紙和成型紙的通風稀釋作用來降低煙氣中有害成分仍然是減害技術的重要手段，并已成為減害領域的研究熱點［17］。目前，煙氣稀釋率主要在抽吸流速恒定或煙支未燃條件下檢測得到［18］，而在ISO抽吸模式下，抽吸流速呈現(xiàn)鐘形變化，這會使煙氣稀釋率測定結果出現(xiàn)誤差。因此，在鐘形抽吸曲線條件中，研究卷煙紙和成型紙的擴散稀釋作用十分必要［17,19-22］。為此，采用自行設計的卷煙煙支氣相擴散檢測裝置，在ISO抽吸模式下，以卷煙紙和成型紙透氣度為研究對象，對卷煙燃吸過程中進入煙支端的氣體量進行測量，并計算得到卷煙煙支各空間位置的進氣量，以期獲得煙支在抽吸過程中的空氣擴散規(guī)律，為進一步指導卷煙材料研究、卷煙燃吸機制分析和卷煙材料設計提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

卷煙樣品參數(shù)設計如表1所示。卷煙紙（30、40、50、60和70 CU）（民豐特種紙股份有限公司實驗樣品）、成型紙（0、50、250、500和700 CU）（自制樣品）。選用某牌號同批次配方煙絲、同規(guī)格醋酸纖維濾棒（湖南中煙工業(yè)有限責任公司提供），在同一機臺卷包的卷煙樣品。

表1 卷煙樣品物理特性數(shù)據(jù)表

DT-5卷煙綜合測試儀（德國Borgwaldt KC公司）；SML100單孔道吸煙機（中國科學院合肥物質科學研究所）。

1.2 卷煙煙氣氣相擴散裝置

卷煙燃吸過程中的空氣擴散原理見圖1。如圖1所示，在卷煙抽吸過程中，空氣可從3個區(qū)域進入主流煙氣，分別為濾嘴成型紙（Ⅰ）、卷煙紙（Ⅱ）和卷煙燃燒錐（Ⅲ）。以此為基礎設計煙支氣相擴散檢測裝置（圖2）。在如圖2所示的煙支隔離線附近設置密封部件（3），通過氣氛控制器（4）和流量檢測裝置（7），可以獲得從燃燒錐進入的抽吸氣體流量V2，而煙氣的總吸入量V已知（ISO模式下的抽吸容量V為35mL），根據(jù)物料平衡可以計算出通過濾嘴端（Ⅰ）和卷煙紙（Ⅱ）進入煙支的氣體流量V1（V1=V－V2），并且通過改變?yōu)V嘴通風度可獲得外界空氣通過卷煙紙部分進入主流煙氣的量VP、和通過濾嘴部分進入主流煙氣中的量VF。通過隔離線的移動來調節(jié)隔離線和參考線的距離，以獲得卷煙煙支燃燒錐、未燃卷煙紙和濾嘴端空氣擴散量。

圖1 卷煙抽吸過程中的空氣擴散原理示意圖

圖2 卷煙煙支氣相擴散檢測裝置的實物圖（a）和結構示意圖（b）

1.3 煙氣稀釋率的計算

圖3 卷煙的全支（A）、燃燒錐（B）和切割煙支（C）3種不同狀態(tài)

在本實驗中，設置了卷煙的3種不同狀態(tài)：全支（不點燃時的煙支）、燃燒錐（燃燒時的煙支）、切割煙支（在不點燃煙支的情況下，將燃燒時煙灰長度相同的煙支切割掉后剩余的煙支）。在全支狀態(tài)下，通過移動隔離線處的密封裝置（3），測量從密封部分進入的抽吸流量V2；在燃燒錐狀態(tài)下，當煙支靜燃至距離隔離線3 mm時，將氣氛控制器（4）封閉并將煙支悶滅，測量V2；在不點燃煙支的情況下，為考察煙支長度對氣體擴散的影響，移動圖1中隔離線，將隔離線左側距離點燃端3mm處［燃燒錐（對應）最右端到達隔離線的距離］，進行相應切割后，即為切割煙支狀態(tài)，然后測量V2。圖3分別顯示實驗中設置的卷煙3種狀態(tài)：A全支；B燃燒錐；C切割煙支。實驗中均采用ISO模式對卷煙進行抽吸操作，卷煙紙端（Ⅱ）和濾嘴端（Ⅰ）的流量之和V1=V-V2，即35.0mL-V2，定義V1為抽吸過程中的煙氣稀釋量，煙氣稀釋率AD按公式（1）計算：

2 結果與討論

2.1 卷煙煙支氣相擴散裝置的穩(wěn)定性檢測

應用圖2所示的卷煙煙支氣相擴散檢測裝置，于A狀態(tài)在ISO模式下測量3號卷煙樣品的燃燒錐端（Ⅲ）在抽吸期間流速隨時間的變化情況，進行5次平行實驗，結果如圖4所示。由圖4可知，在ISO抽吸模式下，從燃燒錐進入的空氣量呈鐘形變化，5次平行實驗的平均抽吸流量為35.01mL，標準偏差為0.022。說明該裝置的檢測結果穩(wěn)定性較高。

圖4 卷煙樣品在ISO抽吸模式下的氣體流量檢測結果界面

2.2 卷煙紙透氣度對煙氣稀釋的影響規(guī)律

考察了濾嘴通風度為0和25.1%時，卷煙紙透氣度對煙氣稀釋率的影響。表2為通風度為0時，3種卷煙狀態(tài)（全支、燃燒錐、切割煙支）在不同透氣度條件下的V2測量結果，以及計算獲得的V1和稀釋率AD數(shù)據(jù)。3種狀態(tài)下隔離線與參考線的距離L（圖1和圖3）為20 mm。從表2中數(shù)據(jù)可知，3種狀態(tài)下，煙氣稀釋率AD隨卷煙紙透氣度的增加均呈現(xiàn)線性增加的趨勢，該線性擬合直線的斜率按全支、切割煙支和燃燒錐的順序呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，其斜率分別為0.148 6、0.078 9和0.064 4。從表2還可以看出，在相同煙支條件下，燃燒錐比切割煙支的稀釋率低。說明卷煙紙透氣度的增加逐步增加了空氣的稀釋率，而燃燒形成的燃燒錐盡管與切割煙支部分長度相同，但由于環(huán)繞卷煙燃燒錐的卷煙紙經(jīng)過燃燒加熱，透氣度劇烈增加［20］，從而導致了空氣沿燃燒錐邊緣處進入卷煙紙的流量增加，空氣沿燃燒錐部分（Ⅲ）進入的空氣量增加。同時還可以看出，在30～70 CU的變化區(qū)間內，在隔離線距參考線的距離為20 mm，通風度為0時，空氣稀釋率在2.99%～6.31%范圍內遞增。

表2 濾嘴通風度為0時卷煙紙透氣度對煙氣稀釋率的影響

表3為通風度為25.1%時，3種卷煙狀態(tài)（全支、燃燒錐、煙支切割）及不同卷煙紙透氣度條件下的V2測量值，以及計算獲得的V1和稀釋率AD數(shù)據(jù)。3種狀態(tài)下隔離線與參考線的距離L為20 mm。從表中數(shù)據(jù)可知，3種狀態(tài)下，煙氣稀釋率隨卷煙紙透氣度的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢，該線性擬合直線的斜率按全支、切割煙支、燃燒錐依次為0.088 8、0.058 6和0.059 5，由于濾嘴的通風作用，其斜率均比通風度為0時略低，且相互的差異逐漸縮小。

表3 濾嘴通風度為25.1%時卷煙紙透氣度對煙氣稀釋率的影響

圖5是以卷煙紙透氣度30 CU時的數(shù)據(jù)為基礎，計算獲得的卷煙紙透氣度增量與煙氣稀釋率增量間的關系。由圖5可以看出：①在無濾嘴通風的情況下，3種狀態(tài)煙氣稀釋率增量變化明顯，3者稀釋率增量之差最大為3.45%，切割煙支和燃燒錐之間稀釋率增量之差最大可達1.30%，卷煙紙透氣度變化能夠導致煙氣稀釋率的變化，而切割煙支和燃燒錐加熱所帶來的通風度變化也可以導致煙氣稀釋率的變化。②相比之下，當濾嘴通風度為25.1%時，濾嘴通風明顯降低了卷煙紙透氣度增量所引起的煙氣稀釋的變化，3種狀態(tài)下煙氣稀釋率增量最大差值為1.29%。而在切割煙支和燃燒錐狀態(tài)下，由于煙支切割和燃燒錐加熱所導致的透氣度變化對煙氣稀釋率的增量并沒有明顯的影響，在整個卷煙紙透氣度范圍內（30～70 CU），兩者對煙氣稀釋率增量的影響一致。

圖5 卷煙紙透氣度增量與煙氣稀釋率增量的關系

2.3 濾嘴通風度對煙氣稀釋的影響

由表1中數(shù)據(jù)可知，當成型紙透氣度分別為0、50、250、500和700 CU時，濾嘴通風率分別為0、6.5%、25.1%、41.3%和50.8%。設計距離L分別為20 mm（表4）和0 mm（表5），卷煙紙透氣度為60 CU，在3種卷煙狀態(tài)及不同濾嘴通風度條件下分別測量V2，并通過計算獲得V1和稀釋率AD數(shù)據(jù)。由表4中數(shù)據(jù)可以看出，當距離L為20 mm時，在全支、燃燒錐和切割煙支3種狀態(tài)下，煙氣稀釋率隨濾嘴通風度的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢，三者線性擬合直線的斜率分別為0.981 9、0.971 0和 0.979 5，差異不明顯。當距離L為0時，如表5所示，在3種卷煙狀態(tài)下，煙氣稀釋率隨濾嘴通風度的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢，3種狀態(tài)下的斜率分別為1.106 8、0.971 3和0.957 2，按全支、切割煙支和燃燒錐的順序呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。這是因為燃燒錐的形成有助于空氣從燃燒錐及附近進入主流煙氣中，從而減弱了濾嘴通風度對煙氣稀釋的影響。同時，從表5還可以發(fā)現(xiàn)，在全支狀態(tài)下，對比于在恒速條件下應用DT-5卷煙綜合測試儀測得的濾嘴通風率，在ISO鐘形抽吸曲線下測得的煙氣稀釋率明顯變大。

圖6顯示出以濾嘴通風度0時的數(shù)據(jù)為基礎，計算獲得的濾嘴通風率增量與煙氣稀釋率增量間的關系。由圖6可以看出：①在距離L為20mm的情況下，3種狀態(tài)的煙氣稀釋率增量變化基本一致，三者稀釋率增量之差最大為1.54%。②相比之下，當距離L為0mm時，距離L的降低增加了全支狀態(tài)下濾嘴通風對煙氣稀釋的影響，而切割煙支和燃燒錐加熱所導致的透氣度變化，未使煙氣稀釋率的增量產生明顯的變化，3種狀態(tài)對煙氣稀釋率影響最大差值為9.57%。

表4 L=20mm時濾嘴通風度對煙氣稀釋率的影響①

表5 L=0mm時濾嘴通風度對煙氣稀釋率的影響①

圖6 煙氣稀釋率增量與濾嘴通風度增量的關系

2.4 未燃燒煙支長度（距離L） 對煙氣稀釋率的影響

在無濾嘴通風及卷煙紙透氣度為60 CU的條件下，考察了距離L對煙氣稀釋率的影響，結果見表6。從表6中數(shù)據(jù)可知，3種狀態(tài)下，煙氣稀釋率隨距離L的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢，其斜率分別為0.314 8、0.454 0和0.356 4，依據(jù)全支、切割煙支和燃燒錐狀態(tài)的順序遞升。3種狀態(tài)的線性關系斜率的遞升表明，隨著距離L的增加，3種狀態(tài)的煙氣稀釋率將趨于接近。

表6 距離L對煙氣稀釋率的影響①

3 結論

煙氣稀釋率隨卷煙紙透氣度的增加而呈增加趨勢，在卷煙透氣度為30～70 CU范圍內，煙氣稀釋率為5.97%～12.16%；濾嘴通風度對空氣稀釋率影響顯著，在濾嘴通風度為0～50.8%范圍內，空氣稀釋率為0～59.81%，在ISO鐘形曲線抽吸條件下，濾嘴端煙氣稀釋率高于國標測試值（恒定速率狀態(tài)下）；煙氣稀釋率隨煙支長度的減少而降低，當卷煙長度為0～30 mm時，卷煙紙位置煙氣稀釋率為0～12.58%；3種狀態(tài)的煙氣稀釋率呈遞減趨勢：全支＞切割煙支＞燃燒錐。

［1］于川芳，羅登山，王芳，等.卷煙“三紙一棒”對煙氣特征及感官質量的影響（一）［J］.中國煙草學報，2001，7（2）：1-7.

［2］于川芳，羅登山，王芳，等.卷煙“三紙一棒”對煙氣特征及感官質量的影響（二）［J］.中國煙草學報，2001，7（3）：6-10.

［3］李斌，于川芳，楊述元，等.卷煙材料對煙氣特征的預測模型［J］.煙草科技，2005（9）：3-5.

［4］李斌，洪軼群，徐建榮，等.卷煙材料計算機輔助設計系統(tǒng)的開發(fā)與應用［J］.煙草科技，2007（1）：19-22.

［5］謝國勇，李斌，顏水明，等.卷煙紙?zhí)匦詫頍煙煔?種有害成分的影響［J］.湖南師范大學自然科學學報，2013,36（5）：51-58.

［6］趙樂，彭斌，于川芳，等.基于卷煙輔助材料參數(shù)的卷煙煙氣有害成分預測模型［J］.煙草科技，2012（5）：35-39.

［7］趙樂，彭斌，于川芳，等.輔助材料設計參數(shù)對卷煙7種煙氣有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2012（10）：46-50.

［8］彭斌，孫學輝，尚平平，等.輔助材料設計參數(shù)對烤煙型卷煙煙氣焦油、煙堿和CO釋放量的影響［J］.煙草科技，2012（2）：61-65.

［9］龐永強，黃春暉，陳再根，等.通風稀釋對卷煙燃燒溫度及主流煙氣中主要有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2012（11）：29-32.

［10］周春平.卷煙紙?zhí)匦詫頍熤髁鳠煔獬煞值挠绊懷芯浚跠］.廣州：華東理工大學，2011.

［11］黃朝章，李桂珍，連芬燕，等.卷煙紙?zhí)匦詫頍熤髁鳠煔?種有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2011（4）：29-32.

［12］鄭琴，程占剛，李會榮，等.卷煙紙對卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2010（12）：9-51.

［13］Li B,Pang H R,Xing J,etal.Effect of reduced ignition propensity paper bands on cigarette burning temperatures［J］.Thermochimica Acta.2014，579：93-99.

［14］連芬燕，李斌，黃朝章.濾嘴通風對卷煙燃燒溫度及主流煙氣中七種有害成分的影響［J］.湖北農業(yè)科學，2014，53（17）：4074-4078.

［15］謝國勇，李斌，銀董紅，等.卷煙燃吸溫度分布與主流煙氣中7種有害成分釋放量的關系［J］.煙草科技，2013, 46（11）67-72.

［16］江威，李斌，于川芳，等.卷煙紙透氣度對卷煙燃燒錐溫度分布的影響［J］.煙草科技，2007（9）：5-9.

［17］Shen J,Li J,Qian X,etal.A review on engineering of cellulosic cigarette paper to reduce carbon monoxide delivery of cigarettes［J］.Carbohydrate Polymers，2014, 101：769-775.

［18］GB/T22838.15—2009卷煙和濾棒物理性能的測定第15部分：卷煙通風的測定定義和測量原理［S］.

［19］YIN Donghong，LUO Wei，DING Duo，etal.Effect of pore structure characteristics of cigarette paper on carbon monoxide release in mainstream smoke during cigarette burning process［C］//Canada：CORESTA，2014.

［20］Rostam i A A,Hajaligol MR.Modeling the diffusion of carbon monoxide and other gases from the paper wrapper of a cigarette during puffing［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2003，66（1/2）：263-280.

［21］Durocher D F,Mattina C F,Selke W A.Diffusion of gaseous components through the w rapper of a cigarette［J］.Beitr?ge zur Tabakforschung，1978，9（4）：201-207.

［22］Owen W C,Reynolds ML.The diffusion of gases through cigarette paper during smoking［J］.Tobacco Science，1967，11（2）：14-20.

責任編輯 周雅寧

Effects of Cigarette Material Parameters on Cigarette Smoke Dilu tionUnder Bell-shaped Puff Profile

YAN Shuim ing1,2,LI Bin3,XIE Guoyong*1,YAN Qingping1,2,YIN Donghong1,ZHU Zhen4,and WANG Bing*3

1．Technology Center,China Tobacco Hunan Industrial Co.,Ltd.,Changsha 410007,China

2．College of Chem ical Engineering,Hunan Normal University,Changsha 410081,China

3．Key Laboratory of Tobacco Processing Technology of CNTC,Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001,China

4．Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academ y of Sciences,Hefei 230031,China

In order to study the effects of cigarette material parameters on cigarette smoke dilution,a device for measuring cigarette smoke diffusion was established under ISO bell-shaped puff profile. Methods for measuring the dilution rate of cigarette smoke under three conditions(unlighted full length cigarette,combustion cone,burnt cigarette rods of different remaining lengths)were developed.The effects of cigarette material parameters(cigarette paper permeability,filter ventilation rate and the remaininglength of burnt cigarette)on the dilution rate of cigarette smoke under the three conditions were investigated.The results showed that：1)The dilution rate of cigarette smoke under the three conditions increased with the increase of cigarette paper permeability within the range of 30-70 CU,it was 5.97%-12.16%for unlighted full length cigarette,the largest among the three conditions.2)The dilution rate of cigarette smoke at the filter end of cigarette was 0-59.81%within the filter ventilation rate of 0-50.8%, which was higher under ISO bell-shaped puff profile than under GB/T22838.15—2009 constant velocity puff profile.3)The dilution rate of cigarette smoke at the tobacco end increased with the increase of the remaining length of burnt cigarette,it was 0-12.58%while the remaining length of burnt cigarette ranged from 0 to 30 mm.

Cigarette material;Smoke dilution;Cigarette paper permeability;Filter ventilation rate; Smoking condition

TS761.2

A

1002-0861（2015）09-0062-07

10.16135/j.issn1002-0861.20150911

2015-01-28

2015-06-11

湖南中煙工業(yè)有限責任公司科技項目“卷煙燃燒狀態(tài)與一氧化碳釋放量的關系研究”（KY 2012JC0001）。

顏水明（1989—），在讀碩士研究生，研究方向：煙草化學。E-mail：ysmhnsd@163.com；*

謝國勇，E-mail：xie_guoyong@163.com；王兵，E-mail：wangbing6696@126.com

顏水明，李斌，謝國勇，等.卷煙設計參數(shù)對鐘形抽吸曲線下煙氣稀釋作用的影響［J］.煙草科技，2015，48（9）：62-68.

YAN Shuiming,LI Bin,XIE Guoyong,etal.Effects of cigarettematerial parameters on cigarette smoke dilution under bell-shaped puff profile［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（9）：62-68.