細支卷煙用R型截面二醋酸纖維素絲束的應用性能

崔春，馮曉民，田海英，紀朋，孟祥士，楚文娟，胡少東，顧亮，李明哲，高明奇

河南中煙工業有限責任公司技術中心，河南鄭州經開區第三大街8號 450000

細支卷煙具有節約資源、低焦低害的優勢，近年來，細支卷煙已逐漸成為煙草行業新的增長極，在常規卷煙銷量增長乏力的情況下，細支卷煙仍保持逆勢高速增長。與常規卷煙相比，細支卷煙煙氣的生成、過濾截留等發生較大變化，常規卷煙輔材設計技術已不能完全適用于細支卷煙。當前，國產細支卷煙絲束選擇余地過窄，絲束截面形狀皆為Y型，且規格相對單一，存在濾棒壓降高、適用范圍窄和過濾效率不匹配等不足，一定程度上導致細支卷煙出現“煙氣濃度小、滿足感差、輕松感不足”等問題。細支卷煙新型絲束和濾棒的開發，已成為細支卷煙輔材設計研究和提升細支卷煙質量的關鍵。濾棒設計參數是影響卷煙感官質量和煙氣狀態的關鍵因素。魏玉玲等[1]考察了卷煙材料組合搭配對主流煙氣釋放量及過濾效率的影響，結果表明濾嘴長度及吸阻、接裝紙透氣度是影響過濾效率的高度顯著因素，絲束規格是影響過濾效率的顯著因素。劉鎮等[2]分析了絲束規格對特性曲線的影響和絲束規格與濾嘴過濾效率的相關關系，提出了在濾嘴設計中選擇絲束規格的具體思路，即首先根據濾嘴過濾的設計要求，選擇適合的絲束規格范圍，再根據濾嘴的吸阻要求及絲束的特性曲線，確定最適合的絲束規格。絲束的單旦、總旦、截面以及卷曲參數都影響煙氣焦油、有害成分的釋放量[3]。絲束單旦越小，絲束表面積越大，焦油吸附能力越強。降低單旦，有利于降焦減害[4-6]。高明奇等[7]評價了5種不同規格細支卷煙用二醋酸纖維素絲束的成型能力，繪制了其成型能力特性曲線，并將不同規格絲束成型為不同壓降細支濾棒，卷接為細支卷煙，以煙堿為目標物，考察了不同規格二醋酸纖維素絲束細支濾棒的過濾能力，結果變化趨勢與常規絲束基本一致[2,4-6]。同時，醋纖絲束截面的形狀不同，其比表面積不同，也影響卷煙濾棒的過濾效率。通常醋纖絲束橫截面的形狀有：Y型、X型、I型和R型，單旦相同的條件下，不同橫截面形狀的絲束，以Y型絲束的比表面積最大，成型后濾棒的過濾效率也最高[8]。楊占平[9]指出單絲截面異形度對煙用濾棒的吸阻、煙氣的過濾效果等有直接的影響。堵勁松[10]研究表明濾嘴的過濾效率可以通過增加濾嘴壓降、采用不同單絲旦數的絲束、對絲束進行化學改性以及在濾嘴成型過程中加入液體添加劑的方法得到提高。當絲束總旦與濾棒質量一定時，單旦越低，單絲根數越多，煙氣在運動中與纖維的碰撞機會增多，濾棒過濾效率越高[11]。Christopher MB等[12]研究了適用于細支濾棒的高單旦、低總旦醋纖絲束卷曲加工工藝，但其成型的細支濾棒吸阻變異系數在4%～7%，遠高于常規濾棒吸阻變異2.0%～2.5%的水平。

近年來，國內各卷煙工業企業圍繞細支卷煙的質量控制[13]、制絲工藝[14]、卷煙設計[15]、煙機的研制與改造[16-19]等方面積極開展了技術攻關與研究，但有關細支濾棒及絲束方面的研究仍較少。綜合文獻可看出，卷煙濾棒壓降、絲束截面形狀、絲束規格及濾嘴通風等是影響卷煙吸阻、煙氣及感官質量的關鍵因素。當前，國內細支卷煙所采用醋纖絲束截面形狀皆為Y型，存在吸阻高、匹配范圍窄等問題。本文在前期研究[7]的基礎上，打破傳統思維，設計使用非Y型（R型）截面形狀卷煙用醋纖絲束成型為與煙絲段適配的低壓降、低過濾細支濾棒，進而為優化細支卷煙煙支吸阻、提升煙氣濃度、增強滿足感提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

8.6R13 000規格二醋酸纖維素絲束（美國伊士曼公司）；8.0Y15 000規格二醋酸纖維素絲束（德國羅地亞公司）；6.0Y17 000規格二醋酸纖維素絲束（南通醋酸纖維有限公司）；KDF2濾棒成型機（沈陽飛機制造公司）；G-ProX臺式掃描電子顯微鏡（荷蘭Phenom公司）；ML204型電子分析天平（感量：0.1 mg，瑞士Mettler公司）；SODIMAX全功能綜合測試臺、濾棒物理指標綜合測試臺（法國Sodim Instrumentation公司）；KBF型恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；SM450–PC107 直線型吸煙機（英國Cerulean公司）；6890A氣相色譜儀（美國Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 二醋酸纖維素絲束成型特性曲線繪制

二醋酸纖維素絲束成型特性曲線繪制要固定成型機臺和操作人員，在停止施加增塑劑、中線膠后將增塑劑施加系統清理干凈，并將成型機調整至正常運行狀態，制備目標絲束的最小棒（不斷降低絲束填充量至濾棒端面凹陷約1 mm的濾棒）和最大棒（不斷增加絲束填充量至濾棒臨近出現爆口的濾棒），檢測最小棒和最大棒樣品的壓降、圓周、含水率等指標。分別稱量100支無成型紙最小棒和最大棒絲束的質量，以壓降為縱坐標，100支無成型紙濾棒絲束的質量為橫坐標，繪制絲束成型特性曲線。

1.2.2 細支濾棒及卷煙樣品制備

參照所繪制的絲束成型特性曲線，將不同截面形狀二醋酸纖維素絲束成型為不同壓降細支濾棒，濾棒樣品質量要求見表1。固定濾棒之外的其它卷煙材料和配方煙絲，保持濾嘴通風率為零，將濾棒卷接成細支卷煙，卷煙樣品質量要求見表2。為保證后續試驗的準確性，所檢測細支卷煙樣品均為按照壓降在（設計值±100）Pa、質量在（設計值±0.02）g范圍內進行篩選后獲得。

表1 細支濾棒樣品要求Tab.1 Physical parameters of super slim filter rod samples

表2 細支卷煙樣品要求Tab.2 Physical parameters of super slim cigarette samples

1.2.3 二醋酸纖維素絲束細支濾棒及卷煙的化學指標檢測

采用GB/T 16447—2004的條件平衡卷煙樣品和濾棒樣品。按照GB/T 22838—2009的方法檢測濾棒物理性能。按照GB/T 19609—2004的方法測定卷煙主流煙氣和濾嘴中的總粒相物、焦油和水分。按照GB/T 23355—2009的方法測定主流煙氣中的煙堿。按照YC/T 154—2001的方法測定濾嘴中的煙堿。按照GB/T 16450—2004的條件抽吸卷煙。按照文獻[20]中的方法測算卷煙樣品濾嘴對主流煙氣中煙堿的過濾效率。

2 結果與討論

2.1 二醋酸纖維素絲束結構形貌表征

采用掃描電子顯微鏡對所研究二醋酸纖維素絲束（8.6R13 000、6.0Y17 000、8.0Y15 000）濾嘴橫截面的結構形貌進行了表征，結果如圖1所示。從圖1可看出，6.0Y17 000和8.0Y15 000兩種規格絲束截面形狀均為典型的“Y型”，8.6R13 000規格絲束截面形狀為不規則圓形，且傳統Y型截面絲束具有分布均勻、縱橫交錯的立體結構，該結構促使絲束具有較好的通透性和較大的比表面積，進而實現對煙氣的截留和過濾。R型截面絲束立體結構空隙少于Y型絲束，進而導致表面積減小和過濾截留能力下降。

圖1 不同規格二醋酸纖維素絲束掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of cellulose diacetate tow of different specifications

2.2 8.6R13000規格絲束的成型特性曲線

按照1.2.1所述方法，固定濾棒長度為120 mm、圓周為16.9 mm，以濾棒壓降和絲束質量為坐標，繪制二醋酸纖維素絲束成型特性曲線，進而獲得所研究絲束適宜成型的濾棒壓降范圍。按照1.2.1方法固定操作人員，將KDF2/ AF2濾棒成型機調整至絲束正常開松、運行狀態穩定時，制備所研究二醋酸纖維素絲束的最大棒和最小棒樣品，檢測結果見表3。從表中數據可以看出，三種絲束規格所成型濾棒的壓降覆蓋范圍較寬（1 447～7 250 Pa），明顯大于目前行業在用細支濾棒的壓降范圍。

表3 最大棒及最小棒檢測數據Tab.3 Test data of maximum and minimum rods made of cellulose diacetate tow of different specifications

圖2 不同規格二醋酸纖維素絲束特性曲線Fig.2 Characteristic curves of cellulose diacetate tow of different specifications

參照文獻[2]研究結論，固定濾棒質量和絲束總旦，絲束單旦越小，濾棒壓降越大；當要保持所成型濾棒的壓降不變時，濾棒質量的變化趨勢要與醋纖總旦的變化一致。根據所制備最大棒和最小棒檢測數據，繪制不同規格二醋酸纖維素絲束的成型特性曲線（圖2）。從圖中可看出，在細支濾棒長度和圓周不變的情況下，所研究的三種規格二醋酸纖維素絲束的成型能力存在顯著差異，進一步驗證絲束規格是影響細支濾棒壓降的關鍵因素。從圖中可以看出，對于R型截面二醋酸纖維素絲束（8.6R13 000）而言，可成型細支濾棒壓降范圍為1 447 Pa～6 428 Pa，細支濾棒壓降獲得進一步降低，明顯低于當前煙草行業主要采用的6.0Y17000規格二醋酸纖維素絲束適宜成型的壓降范圍（4 000 Pa以上），與后期采用的適用于低壓降細支濾棒的8.0Y15 000規格二醋酸纖維素絲束相比，細支濾棒壓降也得到再次降低。

根據研究，對于不同規格二醋酸纖維素絲束而言，既要考慮其適宜成型濾棒壓降范圍，還應兼顧絲束出棒率、濾棒指標要求及質量穩定性、成型設備狀況等因素，在成型特性曲線上綜合選擇理想的加工點。如加工點選擇過低，會導致濾棒中絲束填充量不足，出現濾棒壓降穩定性差、“縮頭”、硬度偏低、過濾效率偏低、熱塌陷等質量問題；如加工點選擇過高，濾棒中絲束填充量過多，濾棒的壓降穩定性變差。表4為不同絲束濾棒樣品壓降的檢測結果。從表中不同加工點（特性曲線位置）所對應濾棒壓降數據可看出，對于同一規格絲束，加工點選擇過高或過低，會導致所成型細支濾棒壓降穩定性變差。

2.3 不同截面二醋酸纖維素絲束濾棒過濾效率

按照文獻[20]方法，分別檢測不同截面形狀絲束、不同壓降濾棒卷煙樣品的主流煙氣中煙堿釋放量及濾嘴中的煙堿截留量，計算濾嘴對煙堿的過濾效率，結果見表5。根據表中數據，繪制出三種絲束不同壓降濾棒與主流煙氣煙堿的過濾效率關系趨勢圖（圖3）。從檢測數據及趨勢圖中可看出：①對于8.6R13 000規格二醋酸纖維素絲束所成型細支濾棒，隨著濾棒壓降升高，濾棒對煙堿的過濾效率增加；②對于不同截面形狀二醋酸纖維素絲束而言，絲束單旦和總旦相差不大時（8.6R13 000和8.0Y15 000），R型截面絲束所成型的細支濾棒對主流煙氣的過濾效率明顯降低。在實際產品研發中，可通過采用R型截面二醋酸纖維素絲束成型濾棒，進一步降低細支卷煙煙支吸阻和主流煙氣過濾效率，提升細支卷煙煙氣濃度和滿足感，從而實現卷煙的設計目標。

表4 濾棒樣品壓降檢測數據Tab.4 Test data of pressure drop of filter rod samples

表5 不同規格二醋酸纖維素絲束卷煙主流煙氣及過濾效率檢測數據Tab.5 Test data of mainstream smoke and nicotine removal efficiency of cigarettes with filters made of cellulose diacetate tow of different specifications

圖3 不同規格二醋酸纖維素絲束過濾效率Fig.3 Nicotine removal efficiency of cigarettes with filters made of cellulose diacetate tow of different specifications

3 結論

R型截面二醋酸纖維素絲束（8.6R13 000）成型能力特性曲線與Y型截面二醋酸纖維素絲束相比存在顯著差異，可成型濾棒壓降范圍從1447Pa到6 428Pa，覆蓋范圍明顯增大，且適用于更低壓降細支濾棒。將所成型不同截面形狀絲束、不同壓降濾棒應用于細支卷煙，卷煙濾嘴對煙氣煙堿的過濾效率為13.8%～17.6%，與Y型截面二醋酸纖維素絲束對比，R型截面絲束所成型細支濾棒的過濾效率明顯降低，且兩種截面絲束均為隨著濾棒壓降升高，濾嘴對卷煙主流煙氣煙堿的過濾效率升高，與常規卷煙規律一致。采用R型截面二醋酸纖維素絲束可進一步增強細支濾棒壓降、過濾效率與卷煙產品的適配性，進而提升細支卷煙的抽吸輕松感和滿足感，為進一步突顯細支卷煙風格特色提供支撐。