卷煙陰燃完全性對常規(guī)煙氣指標(biāo)的影響

程傳玲牛婷婷穆 林趙怡凡王建民

(1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001；2. 貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550009)

卷煙燃燒分為動態(tài)燃燒和陰燃(靜態(tài)燃燒)，動態(tài)燃燒僅占煙支燃燒的1/3，另2/3的煙支則是在抽吸間隙陰燃的，而陰燃的穩(wěn)定性在一定程度上會影響卷煙燃燒速度、煙氣釋放量及卷煙包灰質(zhì)量[1-2]。荊熠[3]研究發(fā)現(xiàn)隨著膨脹梗絲比例增加，無論低引燃傾向卷煙和常規(guī)卷煙的陰燃速度均增加，焦油、煙堿含量均呈減少趨勢。吳宏偉等[4]研究鹽類添加劑可以降低卷煙燃燒熱分解活化能，從而提升卷煙燃燒速度,降低焦油含量。王啟成[5]、沈凱等[6]分別在卷煙紙中添加不同的助燃劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨助燃劑含量增加，鉀鈉比增加，靜燃速率增加；在煙絲中添加乙酸鉀可以有效降低卷煙燃燒最高溫度，并減少主流煙氣CO的釋放量。惲之瑜等[7]研究發(fā)現(xiàn)陰燃狀態(tài)下的亞硝胺釋放量與主流煙氣中的焦油、煙堿釋放量無明顯關(guān)系。王寧[8]、趙繼俊等[9]、沈慧[10]、高震宇等[11]分別對卷煙陰燃速率的測定做了不同的改進(jìn)及優(yōu)化。顏水明等[12]研究顯示卷煙燃燒低溫區(qū)域越大則主流煙氣中CO釋放量越多。

綜上所述，目前行業(yè)內(nèi)對卷煙陰燃的研究主要集中在燃燒速度和燃燒溫度方面，而對于卷煙陰燃完全性與煙氣指標(biāo)間的關(guān)系相關(guān)報道甚少。本研究擬通過分析中國50種不同牌號卷煙實際可燃率、自由燃燒速度對煙氣中TPM、煙堿、焦油、CO、CO2的影響，明確卷煙陰燃完全程度對不同煙氣成分釋放量的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

卷煙樣品：#1～#50種不同牌號。

異丙醇、無水乙醇：色譜級，天津市大茂化學(xué)試劑廠；

正十七烷：純度≥98.5%，北京百靈威科技有限公司；

煙堿：純度≥98%，鄭州煙草研究院；

純凈水：杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

恒溫恒濕箱：KBF240型，德國Binder公司；

電子天平：SQP型，感量0.000 1，德國Sartorius公司；

機(jī)械秒表：504型，北京星鉆秒表有限公司；

接嘴實驗機(jī)：SZJ型，國營平水機(jī)械廠；

轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)：RH20型，德國Borgwaldt公司；

氣相色譜儀：安捷倫7890型，美國Agilent公司；

恒溫回旋振蕩器：THZ-C型，江蘇太倉市華美生化儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 卷煙燃燒指標(biāo)檢測

(1) 樣品準(zhǔn)備：隨機(jī)選取兩盒成品卷煙，每個牌號分別測4組，每組4支，共16支，另有4支以備用。在溫度(22±1) ℃，相對濕度(60±3)%的環(huán)境下平衡48 h。煙絲剝離試驗時每個牌號20支，剔除空頭煙支，計算煙絲質(zhì)量均值。

(2) 煙支燃燒：煙支標(biāo)記如圖1所示，煙支前端標(biāo)記為a，距前端10 mm(根據(jù)煙支長度有所調(diào)整)處標(biāo)記為b，距前端50 mm(根據(jù)煙支長度有所調(diào)整)處標(biāo)記為c，ab之間距離記為L1，bc之間距離記為L2，ac之間距離記為L3。在b、c兩點處固定棉線，b處棉線斷裂開始計時，c處棉線斷裂終止計時，并即刻在c處沿卷煙軸向垂直剪下煙灰柱，收集并稱量L3段煙灰質(zhì)量記為m3，時間記為T。

圖1 卷煙燃燒指標(biāo)檢測示意圖

(3) 煙絲剝離：取相同煙支樣品，在計時啟動與終止的相同位置分別作標(biāo)記b、c，用SZJ接嘴機(jī)的切斷裝置將煙支在b、c標(biāo)記處切斷，然后用手術(shù)刀片將L1、L2段煙支的煙絲剝離并稱量，分別記為M1、M2，M3為二者之和。

(4) 自由燃燒速度：卷煙自由燃燒時燃燒區(qū)的前沿沿著卷煙軸向推進(jìn)的平均速度[13]，用V表示。

(1)

式中：

V——自由燃燒速度，mm/min；

L2——計時煙支長度，mm；

T——計時時間，min。

(5) 實際可然率：卷煙在自由燃燒時的質(zhì)量損失與燃燒前的初始質(zhì)量的比率[13]，用K表示。

(2)

式中：

K——實際可燃率，%；

M3——燃燒長度的煙絲質(zhì)量，mg；

m3—— 計時長度的煙灰質(zhì)量，mg。

(6) 可然率：卷煙中的煙絲在自由燃燒時被燒掉的速率[13]，用C表示。

(3)

式中：

C——可燃率，mg/min；

M2——計時長度的煙絲質(zhì)量，mg；

T——計時時間，min。

1.2.2 煙氣指標(biāo)檢測

(1) 樣品準(zhǔn)備：根據(jù)GB/T 19609—2004在溫度(22±1) ℃，相對濕度(60±3)%的環(huán)境下平衡48 h。

(2) 濾嘴替換：為保證不同牌號卷煙樣品濾嘴過濾效果一致，所有樣品替換為統(tǒng)一濾嘴。具體操作測量原樣品長度、接裝紙長度、濾棒長度，若接裝紙與濾棒長度之差<7 mm則截去原有濾棒長度，再接裝新的濾嘴(濾棒長度25 mm，接裝紙長度32 mm)，若接裝紙與濾棒之差>7 mm，則保留原有接裝紙剩余7 mm，然后接裝新的濾嘴。

(3) 煙氣指標(biāo)檢測：TPM、焦油、煙堿、水分分別按GB/T 19609—2004《卷煙 用常規(guī)分析用吸煙機(jī)測定總粒相物和焦油》、GB/T 23355—2009《卷煙 總粒相物中煙堿的測定 氣相色譜法》、GB/T 23203—2008《卷煙 總粒相物中水分的測定 第1部分：氣相色譜法》執(zhí)行。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，利用回歸方程分析卷煙陰燃完全性常規(guī)對煙氣成分的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 實際可燃率與自由燃燒速度、可燃率之間的關(guān)系

不同牌號卷煙陰燃狀況不同，所得實際可燃率、自由燃燒速度、可燃率結(jié)果不同。所測樣品實際可燃率范圍為83.025 2%～87.462 8%，平均為85.63%，變異系數(shù)為1.12%；自由燃燒速度范圍為4.405 0～6.408 7 mm/min，均值為5.17 mm/min，變異系數(shù)為9.55%；可燃率范圍為47.990 4～64.637 0 mg/min，均值為55.22 mg/min，變異系數(shù)7.34%。由變異系數(shù)可知中國常規(guī)卷煙的陰燃完全程度相差不大，燃燒速度有一定差別。

由表1可知，卷煙陰燃實際可燃率與自由燃燒速度在0.01水平呈極顯著負(fù)相關(guān)；與可燃率二者在0.01水平呈極顯著負(fù)相關(guān)；自由燃燒速度與可燃率在0.01水平呈極顯著正相關(guān)。卷煙陰燃程度受自由燃燒速度的影響，即燃燒速度慢，煙支陰燃越完全，殘留的煙灰灰分越少。

表1實際可燃率與自由燃燒速度、可燃率相關(guān)性分析結(jié)果?

Table1Analysisresultsofcorrelationbetweenactualflammabilityrateandfreeburningrateandflammabilityrate(n=50)

指標(biāo)實際可燃率自由燃燒速度可燃率實際可燃率 1.00自由燃燒速度-0.56??1.00可燃率 -0.53??0.93??1.00

? **. 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.2 卷煙陰燃完全性對煙氣指標(biāo)的影響

煙氣指標(biāo)檢測結(jié)果顯示不同牌號卷煙的常規(guī)煙氣成分釋放量不同。TPM變化范圍為11.18～16.72 mg，平均每支含量14.15 mg；煙堿范圍為0.76～1.23 mg/支，平均每支含量1.01 mg；焦油8.95～13.46 mg/支，平均每支含量11.16 mg；抽吸口數(shù)5.16～7.11，平均每支含量6.05口；CO含量變化范圍為10.45～13.87 mg/支，平均每支含量12.05 mg。水分變異系數(shù)>20%，煙堿變異系數(shù)為11.57，其他指標(biāo)變異系數(shù)均<10%。

2.2.1 相關(guān)性結(jié)果分析 由表2可知，根據(jù)Pearson相關(guān)分析實際可燃率與TPM、煙堿、焦油均是正相關(guān)關(guān)系，其中TPM、焦油受影響程度大于煙堿；自由燃燒速度與TPM、煙堿、焦油均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中TPM、焦油與自由燃燒速度的相關(guān)較強(qiáng)；可燃率與TPM、煙堿、焦油負(fù)相關(guān)，且對TPM、焦油的影響最大。由分析結(jié)果知相關(guān)系數(shù)均<0.7，這是因為影響卷煙煙氣成分含量的因素不僅僅有燃燒特性，不同卷煙的配方不同，卷煙煙氣成分也會有差異。

表2 燃燒指標(biāo)與煙氣指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果?

? **. 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.2.2 回歸結(jié)果分析 以卷煙常規(guī)煙氣指標(biāo)為因變量，自由燃燒速度、實際可燃率、可燃率、煙支重量、煙支長度為自變量進(jìn)行多元回歸分析，方差分析結(jié)果可知除水分外，檢測指標(biāo)TPM、焦油、抽吸口數(shù)、煙堿、CO、CO2回歸方程的P值均<0.01，說明預(yù)測模型能通過0.01水平的顯著性檢驗。

由表3可知：① TPM主要受自由燃燒速度、實際可燃率、煙支長度的影響，決定系數(shù)R2為0.620；TPM與自由燃燒速度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與實際可燃率、煙支長度呈極顯著正相關(guān)；由標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可知，3個自變量對TPM的影響順序為實際可燃率>自由燃燒速度>煙支長度，即實際可燃率對TPM的影響最大。② 焦油和煙堿主要受自由燃燒速度、實際可燃率、煙支長度的影響，決定系數(shù)R2分別為0.66和0.50；焦油和煙堿與自由燃燒速度極顯著負(fù)相關(guān)，與實際可燃率、煙支長度極顯著正相關(guān)；影響順序為自由燃燒速度>實際可燃率>煙支長度。③ 卷煙燃燒抽吸口數(shù)也受此三者的影響，決定系數(shù)為0.71；抽吸口數(shù)與自由燃燒速度負(fù)相關(guān)，與實際可燃率、煙支長度呈正相關(guān)；煙支長度的影響最大，其次為自由燃燒速度和實際可燃率。④ CO、CO2主要受自由燃燒速度和煙支長度呈的影響，決定系數(shù)分別為0.15和0.55；二者與自由燃燒速度呈負(fù)相關(guān)，與實際可燃率呈正相關(guān)，且自由燃燒速度的影響作用大于煙支長度。由以上分析可知，回歸模型對檢測的50種不同牌號卷煙的TPM、焦油、煙堿、抽吸口數(shù)、CO2指標(biāo)的回歸系數(shù)均>0.5，抽吸口數(shù)預(yù)測的決定系數(shù)最高為0.71。

綜合以上分析可以看出，卷煙陰燃完全性對常規(guī)煙氣指標(biāo)的影響一致，即卷煙陰燃越完全，常規(guī)煙氣成分釋放量越高。這是因為卷煙陰燃的完全性直接影響卷煙的自由燃燒速度，陰燃完全程度越高，卷煙的燃燒速度越慢，相應(yīng)的抽吸口數(shù)就會增加，進(jìn)而導(dǎo)致常規(guī)煙氣成分釋放量升高。卷煙的陰燃完全性是煙支燃燒時的質(zhì)量損失率與初始煙絲質(zhì)量的比率，故而還與卷煙燃燒煙灰殘余量有關(guān)，卷煙陰燃越完全，相應(yīng)的煙灰灰分越少，更多的燃燒物質(zhì)揮發(fā)進(jìn)入煙氣，導(dǎo)致常規(guī)煙氣成分釋放量增加。

3 結(jié)論

(1) 50種不同牌號中國卷煙燃燒完全性達(dá)85.63%左右，自由燃燒速度約為5.17 mm/min，達(dá)不到完全燃燒的狀態(tài)。且卷煙越易燃，自由燃燒速度越快，燃燒越不完全。

(2) 卷煙燃燒完全程度對煙氣中的TPM、煙堿、焦油、抽吸口數(shù)均有不同程度的影響，且隨著燃燒越完全，煙支燃燒產(chǎn)生的總粒相物、焦油含量越高，相應(yīng)的燃燒速度變慢，抽吸口數(shù)增加。

表3 多元回歸分析結(jié)果

此研究的不足之處：① 按此方法所得得出的卷煙燃燒完全性，包含一部分碳化的燃燒錐，因此實際可燃率有一定偏差；② 卷煙陰燃與動態(tài)抽吸有一定差異，燃燒狀態(tài)也有所不同，因此燃燒完全性也不盡相同。要解決以上問題，應(yīng)盡可能模仿消費者抽煙模式，排除不完全燃燒燃燒錐的影響。