卷煙燃燒錐形態參數測定及與燃燒速度間的關系

穆林，惠建權，陶世春，劉舒暢，梁淼，馮亞婕，王建民*，牛婷婷

1 貴州中煙工業有限責任公司技術中心,貴陽市小河區開發大道96號 550009;

2 鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，鄭州高新技術產業開發區科學大道136號 450001

卷煙的燃燒是煙絲與卷煙紙配合完成并產生煙氣的過程，也是消費卷煙的過程，這決定了卷煙燃燒性能的重要性。對卷煙燃燒性能的基本要求是不熄火，而提高卷煙的自由燃燒速度、降低燃燒溫度已然成為降焦減害的重要手段和卷煙燃燒性能研究的重要內容[1-2]。隨著卷煙包灰性能日益受到關注，相關研究成果不斷涌現[3-6]，進一步豐富了卷煙燃燒性能的內涵、擴大了研究領域。

燃燒錐是卷煙燃燒過程中形成的碳化錐形體，燃燒錐的形態，如錐長、錐面積、傾斜度等是煙絲、卷煙紙、煙支卷制特性及燃燒過程綜合作用的結果，通過燃燒錐形態及其與燃燒性能間的關系研究，則可能從新的視角探索影響卷煙燃燒性能的因素及規律性，為全面優化卷煙燃燒性能提供更充分的依據。近年來，國內圍繞卷煙燃燒錐的研究已經取得了一些成果，如李斌等[7]開展了卷煙燃燒錐受力分析研究、并建立了落頭傾向檢測方法，趙秋榮等[8]研究了煙絲結構對卷煙燃燒錐掉落率的影響，以上研究關注的重點是卷煙抽吸過程中的燃燒錐脫落，即“掉火頭”問題。在燃燒錐形態研究方面，李斌、劉昌民、崔曉夢等[9-11]在建立卷煙燃吸過程中溫度分布檢測系統基礎上，開展了卷煙燃燒錐溫度分布的表征方法、燃燒錐區域特征分析等方面的研究，試圖從溫度變化角度表征燃燒錐的形態。此外，劉峰、王瓊等[12-13]發明了用于測量燃燒錐錐長及碳線寬度的方法，何沛[14]等發明了一種卷煙燃燒錐截面積測量裝置，用于測定燃燒錐面積。

綜上所述，目前關于卷煙燃燒錐形態的研究主要集中在形態參數的測量及表征方面，且未形成公認的標準化方法；而關于不同卷煙燃燒錐形態參數間的差異性、影響因素，以及燃燒錐形態與相關燃燒性能間關系方面的研究則少見報道。為此，本文建立了一種基于圖像處理技術的卷煙燃燒錐形態多指標綜合測量方法，對國內40余種不同牌號卷煙的燃燒錐形態參數進行了測量及統計分析，并探討了卷煙自由燃燒速度與燃燒錐形態參數間的關系。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

48種不同中煙公司、不同檔次的市售烤煙型卷煙樣品，長度均為84mm，圓周為24.2～24.5mm之間，零售價格介于5～100元/包，分別用1#～48#表示，其中1#～27#屬于一類煙，28#～34#屬于二類煙，35#～46#為三類煙，47#、48#為四類煙。

主要實驗儀器包括煙支燃燒性能測試箱（自制）；KBF240恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；佳能EOS70D數碼相機。圖片處理軟件為ImageJ、Abode Photoshop CC 2105；數據處理與分析軟件為Spss 17.0。

1.2 實驗方法

1.2.1 卷煙燃燒錐形態參數測定方法

卷煙燃燒錐形態參數的測定主要包括樣品準備、燃燒錐制作、錐形態圖片獲取及參數測定四個部分。

（1）樣品準備

隨機選取待測樣品15支，每3支為一組分為5組，置于溫度（22±1） ℃，相對濕度（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48h備用。在距離接裝紙5mm、10mm位置處分別劃線作為標記，其中5mm位置用作圖片分析時的標尺距離，10mm位置為煙支燃燒高度標記。

（2）燃燒錐制作

點燃煙支并豎直放置于卷煙燃燒性能測試箱內的煙支架上，待煙支靜燃至距離接裝紙10mm處時立即使用試管從煙支燃燒端往下蓋住卷煙，使其與外部空氣隔絕，從煙支架上取下已熄滅的煙支，使用吸耳球輕輕、勻速吹去燃燒錐表面的煙灰，待到沒有浮灰落下時視為卷煙燃燒錐已制作好。

（3）錐形態圖片采集

將制作好的燃燒錐重新置于煙支架上，采用數碼相機拍照，測試箱內照明條件良好。相機鏡頭距離煙支架距離為215mm，參數設定為：感光度400，對焦500，光圈5.6，照明條件為白熾燈，曝光模式選擇AV（光圈優先自動曝光），單點伺服對焦。

（4）燃燒錐形態參數測定

啟動ImageJ軟件并打開圖片，采用標尺工具設定比例尺，即測量標記距離（5mm）的像素長度，進而通過像素比轉換為實際長度；使用長度測量工具測定燃燒錐錐長L；選用角度測量工具以煙支外輪廓的兩側為切邊、錐面外邊緣的兩邊為臨邊測量燃燒錐的左右邊角，并計算角差，用以表征卷煙燃燒錐的偏離程度，以下稱作偏離角ɑ[15]，如圖1所示。

啟動Photoshop軟件打開圖片，選用標尺工具測量標記位置距離的像素長度，記為X，使用“魔法棒”功能調節容差并扣除圖片背景，選用“磁性套索”工具截選錐形態，點擊“記錄測量”得到卷煙燃燒錐像素面積（如圖2），記為Y，運用公式（1）計算得到燃燒錐實際面積M。

圖1 錐長、錐角測量示例圖Fig.1 Sample graph of cone length and cone angle measurement

1.2.2 卷煙燃燒速度測定方法

參照文獻[16-17]，采用棉線法進行卷煙自由燃燒速度測定，實驗開始前將煙樣于恒溫恒濕箱中平衡48h。各牌號隨機選取16支，取16支測定結果的平均值表示牌號卷煙自由燃燒速度V。

1.3 統計方法

運用正態性檢驗（Kolmogorov-Smirnov）、單因素方差分析、LSD及SNK多重比較、多元回歸等方法對測量結果進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同卷煙燃燒錐形態參數及自由燃燒速度的描述統計

1#～48#卷煙的燃燒錐形態參數及自由燃燒速度測定結果與描述統計結果如表1所示。①錐長、錐面積、偏離角及自由燃燒速度的Kolmogorov-Smirnov檢驗結果均不顯著（p值分別為0.228、0.182、0.115、0.688），表明四項指標均呈隨機、正態分布。②不同卷煙的燃燒錐錐長介于6.604～14.017mm間，平均為9.243mm；錐面積介于38.729～92.825mm2間，平均為48.870mm2；偏離角介于2.778～7.636°間，平均為4.574°；自由燃燒速度介于4.405～6.377mm·min-1間，平均為5.146 mm·min-1。

圖1 錐長、錐角測量示例圖Fig.1 Sample graph of cone length and cone angle measurement

對48種不同牌號卷煙的燃燒錐形態各參數進行單因素方差分析，結果表明，錐長、錐面積及偏離角均呈極顯著差異性（p值分別為0.000、0.000和0.002）。

表1 卷煙燃燒錐形態參數及自由燃燒速度測定結果Tab 1.Determination results of burning cone shape parameters and free burning rate of cigarette

續表1

2.2 卷煙燃燒錐形態測定方法的重復性及靈敏度

2.2.1 方法的重復性

如表1所示，48種卷煙燃燒錐錐長的RSD介于2.7%～10.1%間，平均值為6.07%；錐面積的RSD介于1.1%～10.1%間，平均值為5.99%；偏離角的RSD介于12.0%～78.3%間，平均值為43.89%。錐長及錐面積兩項指標的平均RSD均明顯低于對應指標的樣品間RSD，說明利用所建方法測定這兩項指標時，測量結果的重復性較好，而不同樣品的RSD的差異較大，主要是由樣品自身的均勻程度不同造成的。燃燒錐偏離角的平均RSD明顯高于該指標的樣品間RSD，說明利用所建方法測定該項指標時，測量結果的重復性較差。

2.2.2 區分樣品間差異性的靈敏度

不同牌號間的單因素方差分析結果似乎說明，利用所建方法的測定結果區分不同樣品間的差異性時，三項指標均具有較高的靈敏度，但進一步分析發現并非如此。采用LSD多重比較法進行樣品間的兩兩比較、并統計達到顯著差異的樣品間的最小均值差，結果如表2所示，①達到極顯著差異（p＜0.01）的樣品間錐長、錐面積、偏離角的最小均值差分別為0.597mm、4.154mm2和2.209°，分別占三項指標48種樣品間極差的8.05、7.68和45.47%；②達到顯著差異（p＜0.05）的樣品間錐長、錐面積、偏離角的最小均值差分別為0.442mm、2.689mm2和1.830°，分別占三項指標48種樣品間極差的5.96、4.97和37.67%。最小均值差越小、一定程度說明方法的靈敏度越高，用三項指標的最小均值差除以各自的極差以消除量綱的影響后可以看出，利用本方法測量結果區分不同樣品的錐長和錐面積時的靈敏度明顯高于偏離角。另外，由SNK多重比較結果可以更直觀的看出（見表3），48種樣品按照錐長和錐面積的差異性分別被分成了15個組別，而偏離角僅被分成了2個組別，且其中只有2#和4#樣品表現為顯著差異，其余牌號均無顯著性差異。可見，所建方法用于區分樣品間燃燒錐錐長及錐面積時具有較高的靈敏度，而區分偏離角時的靈敏度較差，這主要是因為偏離角測量結果的重復性較差造成的。

表2 錐形態各參數均值差及顯著性結果Tab.2 The result of the mean difference of the shape parameters of the burning cone

表3 燃燒錐各參數的SNK多重比較結果①Tab.3 SNK multiple comparison results of various shape parameters of the burning cone

續表3

綜上所述，所建方法在測量卷煙燃燒錐錐長和錐面積時，具有較好的重復性，利用測量結果區分樣品間差異性時具有較高的靈敏度。

2.3 卷煙燃燒錐形態參數與自由燃燒速度間的相關性

各項指標間的簡單相關分析結果見表4，自由燃燒速度與錐長、錐面積均呈極顯著的正相關關系。這可能是因為燃燒錐越長、面積越大，與空氣的接觸面積就越大、陰燃時的氧氣供應更充足所致。

以自由燃燒速度為因變量，錐長（L）和錐面積（M）為自變量進行多元回歸分析，結果見表5、6。①自由燃燒速度與錐長和錐面積均呈極顯著的二次方關系，且兩者間存在極顯著的交互作用。②回歸方程的復相關系數為0.751，大于自由燃燒速度與錐長和錐面積各自的簡單相關系數；且由標準化回歸系數的絕對值可以看出，兩者間交互作用的影響最大，其次是錐面積和錐長。可見，自由燃燒速度是錐長和錐面積綜合作用的結果，而考慮到燃燒錐過長有可能增加“掉火頭”傾向，通過控制錐長、增大錐面積來提升卷煙的自由燃燒速度或許是更好的選擇。③回歸方程的決定系數只有0.564，說明除了燃燒錐形態之外，還存在影響自由燃燒速度的其它關鍵因素，如煙絲自身燃燒性、煙支卷制特性等。

綜上所述，通過增加燃燒錐錐長或錐面積有利于提高自由燃燒速度、減少抽吸口數，進而達到降焦減害的目的。因此，有必要進一步開展卷煙燃燒錐形態及影響因素研究。

表4 燃燒錐形態與自由燃燒速度相關關系②Tab.4 Correlation between burning cone shape parameters and free burning rate

表5 多元回歸分析結果Tab.5 Results of multiple regression analysis

表6 回歸模型概述表Tab.6 The overview table of regression model

3 結論

（1）建立了一種基于圖像處理技術的卷煙燃燒錐錐長、錐面積和偏離角等形態參數的測定方法，該方法測量燃燒錐長度和面積時的重復性較好、區分樣品間差異性的靈敏度較高。

（2）對48種不同牌號卷煙的燃燒錐形態參數進行了測量和統計分析，結果表明，錐長、錐面積和偏離角三項指標分別介于6.604～14.017mm、38.729～92.825mm2、2.778～7.636°之間。方差分析結果表明不同牌號卷煙的燃燒錐形態存在極顯著差異性。

（3）燃燒錐錐長和錐面積與卷煙自由燃燒速度間存在極顯著相關關系，隨著錐長和錐面積增大，自由燃燒速度加快。