細支溝槽濾棒的設計開發及對卷煙煙氣的影響

楊天，郭軍亮，高鑫，秦昌峰，唐偉

(1.江蘇中煙工業有限責任公司，江蘇南京210011； 2.南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇南通226001)

細支卷煙作為中式卷煙的新品類，越來越受到人們的關注。隨著低焦油卷煙的發展，消費者對細支卷煙的需求越來越多，煙草企業對細支煙用特殊結構濾棒的開發越來越重視。通過特殊結構和功能設計，濾嘴不僅可以有效截留煙氣中的有害成分，還可以提升卷煙的感官效果和客戶體驗[1-4]。

溝槽濾棒是由二醋酸纖維素絲束、專用纖維素紙和濾棒成型紙制成，是國內卷煙產品中廣泛應用的特種濾棒之一。在二醋酸纖維素絲束與濾棒成型紙之間增加一層帶有連續或間斷溝槽形狀壓紋的纖維素紙，能夠增強濾嘴煙氣過濾效果，同時使濾嘴外型結構獨特新穎，彰顯卷煙品牌的個性[5-7]。

溝槽濾棒作為一種開發應用較為成熟的特種濾棒，有必要在細支卷煙上進行推廣應用，以滿足消費者的個性化需求[8-10]。目前國內關于細支溝槽濾棒及其應用的研究較少。因此，本課題組在常規溝槽濾棒成型機構和輔材的基礎上，研究適用于細支溝槽濾棒的纖維素紙的規格，設計細支溝槽壓紋裝置，并考察細支溝槽濾棒對卷煙煙氣的影響規律，為其在細支卷煙上的應用提供一定借鑒和參考數據。

1 實驗材料與方法

實驗原料包括：二醋酸纖維素絲束(南通醋酸纖維有限公司生產)，規格6.0/17 000；二醋酸纖維素絲束(德國索爾維公司生產)，規格8.0/15 000；纖維素紙(韓國國一制紙株式會社生產)，寬度15.0 mm，定量60、70、80 g/m2；成型紙，寬度17 mm，定量28 g/m2。

實驗設備包括：RM20H轉盤式吸煙機(德國Borgwaldt KC公司制造)；SODIMAX全功能綜合測試臺(法國Sodim Instrumentation公司制造)；6890A氣相色譜儀(美國Agilent公司制造)；電子天平(日本島津公司制造，精度0.000 1 g)；KBF型恒溫恒濕箱(德國Binder公司制造)。

細支溝槽濾棒及對照樣均由南通煙濾嘴有限責任公司在同一細支溝槽濾棒成型機上采用相同成型紙統一成型，濾棒長度為120 mm，圓周為16.70 mm。

試驗共有10個細支溝槽樣品，分3組進行分析。A、B、C組樣品的絲束規格分別為8.0/15 000、6.0/17 000、8.0/15 000。A、B組濾棒壓降中心值分別為3 400 Pa和4 500 Pa。C組濾棒為相同絲束填充量條件下不同結構的細支溝槽濾棒樣品。濾棒溝槽排列結構具體見表1。細支卷煙樣品在同一卷接機組上，采用同一批次的煙絲、相同規格的接裝紙及卷煙紙卷制得到。

表1 細支溝槽濾棒特征參數

卷煙樣品的分析在GB/T16447—2004[11]規定的條件下平衡48 h，采用轉盤式吸煙機在標準條件下抽吸，按照文獻[12—15]的方法測定煙氣總粒相物、焦油、煙堿、CO和水分。

2 細支溝槽濾棒用纖維素紙

濾棒的溝槽是通過一對或多對壓紋輥對纖維素紙進行連續或間斷擠壓形成的，纖維素紙對溝槽濾棒的外觀、齒形有重要影響。普通溝槽濾棒用纖維素紙的寬度通常為22.20 mm，按普通溝槽濾棒與細支溝槽濾棒的圓周比例，同比計算細支溝槽濾棒用纖維素紙的寬度為15.3 mm。根據纖維素紙分切生產實際及批量生產質量要求，選取15.5 mm和15.0 mm寬度的纖維素紙進行試驗。

常規溝槽紋輥成型機成型試驗發現，采用寬度為15.5 mm纖維素紙的細支溝槽濾棒的圓周、圓度和外觀指標較差，采用15.0 mm的纖維素紙外觀較好。原因是纖維素紙寬度略寬，在濾棒成型時，纖維素紙兩邊搭好并包裹好絲束后，纖維素紙略寬的部分沒有被包裹起來，纖維素紙本身又厚又硬，導致外層的成型紙在濾棒表面凸起，濾棒表面有褶皺，影響濾棒外觀。

分別采用寬度為15.0 mm的3種定量的纖維素紙進行上機適用性試驗，為細支溝槽濾棒纖維素紙選型提供參考。試驗結果見表2。可以看出，應選用15.0 mm×80 g/m2的纖維素紙進行后續試驗。

表2 纖維素紙的上機適用性

3 細支溝槽濾棒用壓紋裝置

濾棒的溝槽是由壓紋裝置對纖維素紙擠壓成型的，如圖1所示。溝槽濾棒的溝槽特征和布局由壓紋輥的齒形、纖維素紙的走向、壓紋裝置與纖維素紙的相對位置等因素決定。壓紋裝置是由一對轉向相反、表面凹凸不平的的壓紋輥構成[16—20]。壓紋輥主要參數為齒高h、齒距p和齒角度α，如圖2所示。

圖1 溝槽的壓紋原理示意圖

圖2 壓紋輥的齒形示意圖

根據細支溝槽濾棒的壓紋原理，推算壓紋輥的齒高h的公式(h=K1H)、齒距p的公式(p=K2B/N)、齒角度α的公式(α=2arccot [K2B/(2K1HN)])。公式中B為細支溝槽濾棒用纖維素紙的寬度，H為溝槽的深度，N為溝槽的數量，K1、K2為修整系數。常規溝槽濾棒的圓周為24.20 mm，細支溝槽濾棒的圓周為16.70 mm，細支溝槽濾棒的圓周為常規溝槽濾棒圓周的0.69倍，細支溝槽壓紋輥參數按此比例設計研究，并進行試驗驗證。

普通溝槽濾棒用壓紋輥的齒間距為1.4 mm、齒高為0.8 mm、齒夾角為55°。根據普通溝槽濾棒與細支溝槽濾棒的圓周比例，計算細支溝槽濾棒用壓紋輥的齒間距為1.0 mm、齒高為0.55 mm、齒夾角為38°。因纖維素紙為純木漿纖維成分，具有一定彈性，經過溝槽壓紋輥后，纖維素紙形成的溝槽齒距、溝槽齒高、溝槽齒角度與理論計算有一定的變化。在保持其他參數不變的情況下，分別進行了不同壓紋輥齒距、齒高、齒角度的上機試驗，具體結果分別見表3—5。

表3 溝槽壓紋輥齒間距試驗結果

表4 溝槽壓紋輥齒高試驗結果

表5 溝槽壓紋輥齒夾角試驗結果

根據理論計算結合溝槽壓紋輥實際上機驗證結果，確定細支溝槽壓紋輥的3個主要參數分別是齒距0.9 mm、齒高0.55 mm、齒角度45°。此時，濾棒外觀較好，滿足工藝要求。

4 細支溝槽濾棒對卷煙煙氣的影響

根據前面介紹的細支溝槽濾棒分組試驗方法接裝卷煙，煙氣分析數據見表6—8。對于A組細支溝槽濾棒卷煙，由表6可以看出：①不同結構的卷煙樣品抽吸口數變化不大；②溝槽結構的加入對總粒相物、焦油、煙堿有明顯影響；③溝槽長度變化及同一溝槽長度下不同溝槽位置對CO量影響不明顯；④A1樣比A0樣總粒相物下降1.26 mg/支，水分下降0.16 mg/支，煙堿量下降0.13 mg/支，焦油量下降0.97 mg/支。

表6 A組細支溝槽濾棒卷煙常規煙氣指標

表7 B組細支溝槽濾棒卷煙常規煙氣指標

表8 C組細支溝槽濾棒卷煙常規煙氣指標

B組細支溝槽濾棒接裝卷煙，隨著濾棒壓降升高，絲束填充量增加，絲束規格由8.0/15 000改為6.0/17 000。由表7可以看出，B組濾棒過濾效果比A組好，總粒相物、焦油、煙堿指標較A組低。采用溝槽結構的B1樣比無溝槽結構的B0樣總粒相物下降1.28 mg/支，水分下降0.09 mg/支，煙堿量下降0.16 mg/支，焦油量下降1.03 mg/支。原因是細支溝槽濾棒中溝槽段長度對濾棒過濾效果作用明顯，溝槽段越長，煙氣與纖維素紙接觸面積越大，過濾效果越好。溝槽濾棒的溝槽段里面為纖維素紙包裹的醋酸纖維絲束，外面為纖維素紙形成的溝槽空腔結構，里外側存在壓差，導致煙氣沿濾棒流動時，會穿過纖維素紙向空腔低阻力區流動，纖維素紙對煙氣中總粒相物、煙堿起到機械截留作用。如圖3所示。

圖3 煙氣經過溝槽濾棒路徑

圖4為溝槽濾棒吸附焦油的截面效果圖，溝槽濾棒中溝槽段纖維素紙顏色明顯比醋纖段深，焦油過濾效果好。在無溝槽結構的平滑段，焦油主要集中在中間部位，以醋酸纖維絲束發揮作用為主，纖維素紙發揮作用較小。

(a)溝槽段(b)醋纖段

圖4纖維素紙截留焦油效果圖

由圖1、表6和表8可以看出，雖然C2樣濾棒壓降比A1樣高約500 Pa，但A1樣的過濾效果要比C2樣強。這里A樣和C2樣的溝槽長度分別為20 mm和15 mm。可見在溝槽濾棒中，溝槽段越長過濾效果較好。

雖然，A1樣溝槽段總長度和C1樣溝槽段長度都是20 mm，從數據看A1樣的降焦效果比C1好。原因是溝槽濾棒中纖維素紙的壓紋段和非壓紋段的結合面對焦油產生界面吸附作用，A1樣為雙溝槽結構，比C1樣多1個結合面，從而過濾效果更好。界面吸附作用示意圖見圖5。可見，在溝槽段和非溝槽段的結合面，顏色更深，攔截焦油效果明顯。

圖5 纖維素紙界面降焦油效果圖

5 結語

1)采用15.00 mm×80 g/m2規格的纖維素紙制備的細支溝槽濾棒溝槽齒形清晰，設備連續性好，不易斷紙停機。

2)當壓紋裝置齒距為0.9 mm、齒高為0.55 mm、齒角度為45°時，細支溝槽濾棒外觀滿足工藝要求。

3)細支溝槽濾棒的溝槽長度對主流煙氣總粒相物、焦油量、煙堿有明顯影響，溝槽長度和溝槽位置對CO無明顯影響。

4)濾嘴中溝槽段總長相同時，雙溝槽結構比單段溝槽結構焦油過濾效果好。