卷煙紙特性對細支煙主流煙氣指標的影響

李海鋒 楊 皓 宣潤泉 王 輝

(浙江中煙工業有限責任公司,浙江杭州,310024)

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·卷煙紙·

卷煙紙特性對細支煙主流煙氣指標的影響

李海鋒 楊 皓*宣潤泉 王 輝

(浙江中煙工業有限責任公司,浙江杭州,310024)

研究了不同透氣度、定量、助燃劑含量的卷煙紙對細支煙主流煙氣指標的影響。結果發現,在實驗設計的水平范圍內,卷煙紙助燃劑含量(以檸檬酸根計)、透氣度與細支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量具有顯著的負相關性；卷煙紙定量與細支煙主流煙氣CO量具有顯著的正相關性,與細支煙主流煙氣焦油量、煙堿量分別具有非顯著及顯著的負相關性。

細支煙;主流煙氣；卷煙紙；透氣度；定量；助燃劑

(*E-mail: torrison@163.com)

近年來,細支煙作為國內新興卷煙品類,產品規格和銷量出現了爆發式增長[1]。由于細支煙直徑較小,細支煙煙絲分布容易產生不均勻的現象,從而導致煙支吸阻控制難度大、產品質量波動較大的問題[2]。

卷煙紙因直接參與燃燒,對卷煙主流煙氣的釋放量有著至關重要的影響。截至目前,卷煙紙定量、透氣度、助燃劑含量對不同牌號常規卷煙主流煙氣的影響已有不少研究報道。胡群等人[3]研究了卷煙紙透氣度對卷煙物理性能及煙氣量的影響,馬靜等人[4]探討了卷煙紙定量對卷煙品質的影響,謝定海等人[5]探討了卷煙紙定量對卷煙燃燒溫度及煙氣指標的影響,謝蘭英等人[6]論述了卷煙紙在降低煙氣中CO量等方面的積極作用。龔安達等人[7]采用透氣度檢測、同步熱分析和卷煙煙氣檢測3種方法研究了助燃劑對卷煙紙及卷煙煙氣的影響。孫川等人[8]、王啟成等人[9]論述了卷煙紙燃燒調節劑對卷煙燃燒性能的影響,重點介紹了卷煙紙助燃劑在降低卷煙主流煙氣焦油量、CO量和側流煙氣中的作用。但卷煙紙物化參數對細支煙主流煙氣和燃燒性能的影響尚沒有系統的研究,因此,本課題研究了卷煙紙定量、透氣度、助燃劑含量對主流煙氣中焦油量、煙堿量、CO量的影響,旨在為細支煙煙氣水平穩定性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

卷煙紙樣品(中煙摩迪(江門)紙業有限公司),煙絲樣品(某中煙工業有限責任公司)。

XS204電子天平(感量：0.1 mg,梅特勒-托利多),恒溫恒濕箱(Binder公司),RM20H型20孔道吸煙機(德國Borgwaldt公司),Agilent 7890A氣相色譜儀。

1.2 卷煙紙特性的實驗設計方案

卷煙紙樣品以碳酸鈣為填料,且固定卷煙紙灰分(以碳酸鈣計)在(32±2)%的范圍內,以全檸檬酸鉀為助燃劑；控制因子包括卷煙紙定量、透氣度、助燃劑含量3個因子,取因子的2個不同水平進行2水平因子實驗設計,并設計水平的中心點樣品,共制作9個卷煙紙樣品進行實驗。卷煙的其他原輔料均固定,卷煙紙2水平因子實驗設計的因子和水平見表1,2水平因子實驗設計表(隨機化運行序)見表2,實驗的仿行數和中心點數均為2。

表1 2水平因子實驗設計的因子和水平

表2 2水平因子實驗設計表

2 結果與討論

本實驗采用主效應分析、柏拉圖、交互作用分析、數學模型預測及殘差分析4個方面分析3個因子對卷煙主流煙氣的影響；其中主效應表示一個因子在不同水平下的變化導致卷煙主流煙氣量的平均變化；柏拉圖用于篩選影響卷煙主流煙氣的顯著性因子；交互作用表示當改變其他因子的不同水平時,一個因子的水平的主效應有所改變,這種情況下因子間具有交互作用；模型預測用于預測主流煙氣與卷煙紙特性之間的數學關系式,并且只針對擬合優度R2>80%的煙氣指標,而標準化殘差分析用于診斷回歸效果,檢查模型是否滿足基本假定。

2.1 卷煙紙物化參數對卷煙主流煙氣焦油量的影響

圖1所示為卷煙紙特性對主流煙氣焦油量影響的主效應圖。由圖1可以看出,隨卷煙紙定量增加,卷煙主流煙氣焦油量呈下降趨勢,但并不明顯；而隨著卷煙紙透氣度和助燃劑含量的增加,主流煙氣焦油量顯著下降。圖2所示為卷煙紙特性對主流煙氣焦油量影響的柏拉圖,由圖2可以看出,助燃劑含量、透氣度、定量與透氣度的交互作用是影響焦油量的顯著性因子。

圖1 卷煙紙特性對主流煙氣焦油量影響的主效應圖

圖2 卷煙紙特性對主流煙氣焦油量影響的柏拉圖

圖3所示為卷煙紙特性對主流煙氣焦油量影響的交互作用圖。由圖3可以看出,在設計水平范圍內,定量與透氣度、定量與助燃劑含量對主流煙氣焦油量的影響均存在交互作用,由此可以說明,當采用單因子實驗設計方法分析卷煙紙特性對卷煙主流煙氣的影響時,單個因子變化對結果的影響可能并非是單個因子引起的,而極有可能是其他因子在該因子的變化下引起最終的結果變化；由此可見,采用2水平因子實驗設計法更能系統性考慮卷煙紙特性對卷煙主流煙氣的影響情況。

圖3 卷煙紙特性對主流煙氣焦油量影響的交互作用圖

采用2水平因子實驗設計方法建立的焦油量簡化模型為：焦油量=7.58-0.1856×透氣度-0.4894×助燃劑含量+0.1331×定量×透氣度。回歸項的P值(假設檢驗α=0.05)及顯著性見表3,擬合優度R2=93.02%。

表3 主流煙氣焦油量簡化模型回歸項的P值及顯著性

模型預測準確度的診斷圖見圖4。由圖4可知,主流煙氣焦油量擬合值與實測值的標準化殘差在±2范圍內,且均勻分布在0兩側,屬于一種滿意的形態,說明模型預測滿足基本假定。

圖4 主流煙氣焦油量的回歸效果診斷圖

2.2 卷煙紙物化參數對卷煙主流煙氣煙堿量的影響

圖5所示為卷煙紙特性對主流煙氣煙堿量影響的主效應圖。由圖5可以看出,隨卷煙紙定量、透氣度和助燃劑含量的增加,主流煙氣煙堿量均顯著下降。圖6所示為卷煙紙特性對主流煙氣煙堿量影響的柏拉圖。由圖6可以看出,助燃劑含量、透氣度、定量、定量與透氣度的交互作用是影響煙堿量的顯著性因子。在設計水平范圍內,由圖7可以看出,定量、透氣度、助燃劑含量之間對煙堿量的影響不存在明顯的交互作用。

圖5 卷煙紙特性對主流煙氣煙堿量影響的主效應圖

圖6 卷煙紙特性對主流煙氣煙堿量影響的柏拉圖

圖7 卷煙紙特性對主流煙氣煙堿量影響的交互作用圖

采用2水平因子實驗設計方法建立的煙堿量簡化模型為：煙堿量=0.73-0.01875×定量-0.01875×透氣度-0.055×助燃劑含量+0.015×定量×透氣度。回歸項的P值(假設檢驗α=0.05)及顯著性見表4,擬合優度R2=95.41%。

表4 主流煙氣煙堿量簡化模型回歸項的P值及顯著性

模型預測準確度的診斷圖見圖8所示。由圖8可知,主流煙氣煙堿量擬合值與實測值的標準化殘差在±2范圍內,且均勻分布在0兩側,屬于一種滿意的形態,說明模型預測滿足基本假定。

圖8 主流煙氣煙堿量的回歸效果診斷圖

2.3 卷煙紙物化參數對卷煙主流煙氣CO量的影響

圖9 卷煙紙特性對主流煙氣CO量影響的主效應圖

圖10 影響CO量顯著項的柏拉圖

圖11 卷煙紙特性對主流煙氣CO量影響的交互作用圖

圖9所示為卷煙紙特性對主流煙氣CO量影響的主效應圖。由圖9可以看出,在設計范圍內,隨卷煙紙定量增加,主流煙氣CO量顯著增加；而隨著透氣度、助燃劑含量的增加,主流煙氣煙堿量均顯著下降。圖10所示為卷紙特性對主流煙氣CO量影響的柏拉圖,由圖10可以看出,助燃劑含量、透氣度、定量、定量與助燃劑含量的交互作用是影響CO量的顯著性因子。在設計水平范圍內,由圖11可以看出,定量、透氣度、助燃劑含量之間對主流煙氣CO量的影響不存在明顯的交互作用。

采用2水平因子實驗設計方法建立的CO量簡化模型為：CO量=6.20+0.1944×定量-0.2556×透氣度-0.6106×助燃劑含量-0.1469×定量×助燃劑含量。回歸項的P值(假設檢驗α=0.05)及顯著性見表5,擬合優度R2=96.96%。

表5 CO量簡化模型回歸項的P值及顯著性

模型預測準確度的診斷圖如圖12所示,由圖12可知,主流煙氣CO量擬合值與實測值的標準化殘差在±2范圍內,且均勻分布在0兩側,屬于一種滿意的形態,說明模型預測滿足基本假定。

圖12 煙氣CO量的回歸效果診斷圖

此外,結合以上3個煙氣指標的預測模型,可通過Minitab響應優化器優化煙氣指標；假設焦油量望目值=8 mg/支,煙堿量望目值=0.8 mg/支,CO量望目值=8 mg/支,利用Minitab響應優化器對煙氣焦油量、煙堿量和CO量進行優化。當卷煙紙定量=33 g/m2,透氣度=40 CU,助燃劑含量=1.0%,預測焦油值=8.14 mg/支,煙堿值=0.77 mg/支,CO值=7.28 mg/支。即在不改變卷煙其他設計時,可通過卷煙紙參數的適當調節實現卷煙煙氣指標的調整,再結合其他參數的調節,可最終實現目標煙氣。

3 結 論

本課題探索卷煙紙助燃劑含量、透氣度、定量3個參數對細支煙主流煙氣焦油量、煙堿量和CO量的影響,以期通過卷煙紙參數來調整細支煙的主流煙氣。

3.1 在實驗設計的水平范圍內,卷煙紙助燃劑含量(以檸檬酸根計)與細支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量具有顯著的負相關性。且定量與透氣度、定量與助燃劑含量對煙氣焦油量的影響均存在交互作用。卷煙紙透氣度與細支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量也具有顯著的負相關性。卷煙紙定量與細支煙主流煙氣CO量具有顯著的正相關性,與卷煙主流煙氣焦油量具有非顯著的負相關性，與卷煙主流煙氣煙堿量具有顯著著的負相關性。

3.2 卷煙紙助燃劑含量、透氣度、定量與細支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量均有一定程度的負相關性。卷煙紙物理參數對細支煙和常規卷煙主流煙氣影響的關系基本一致。

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(責任編輯：劉振華)

Influence of Cigarette Paper Characteristics on the Mainstream Smoke of Slim Cigarettes

LI Hai-feng YANG Hao*XUAN Run-quan WANG Hui

(ChinaTobaccoZhejiangIndustrialCo.,Ltd.,Hangzhou,ZhejiangProvince, 310024)

The influences of air permeability, basis weight and burning additive content of cigarette paper on the mainstream smoke of slim cigarettes were studied. The results showed that burning additive content and air permeability of cigarette paper had significant negative correlation with the contents nicotine, tar and carbon monoxide of mainstream smoke. Basis weight of cigarette paper had highest positive correlation with carbon monoxide content of mainstream smoke, while had negative correlation with the contents of nicotine and tar of mainstream smoke.

slim cigarettes; mainstream smoke; cigarette paper; air permeability; basis weight; burning additive

2017- 02- 07(修改稿)

李海鋒先生,碩士；主要從事“三紙一棒”等煙用材料的研究工作。

TS761.2;TS411.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.06.008

*通信作者：楊 皓,碩士；主要從事“三紙一棒”等煙用材料的研究工作。