卷煙紙組分和羅紋對卷煙主流煙氣常規成分的影響

黃朝章 張國強 黃勝翰 龔安達 李華杰張廷貴 黃華發 張建平 錢繼春

（1.福建中煙工業有限責任公司，福建廈門，361022；2.龍巖煙草工業有限責任公司，福建龍巖，364000）

卷煙紙作為卷煙生產的基本輔材，盡管所占比例很小，但它對卷煙的燃燒速率、通風度、抽吸口數、主（側）流煙氣和灰分等都有較大影響，這些指標都直接影響到卷煙的煙氣成分、燃燒、包灰效果和卷煙的吸味[1-3]。許多科研工作者都致力于卷煙紙對卷煙質量的影響研究，但絕大部分側重于考察卷煙紙物理參數變化（如透氣度、定量、灰分等指標）對卷煙質量的影響，極少涉及到卷煙紙填料配方和羅紋設計變化產生的影響。近年來，一些學者開始對卷煙紙的纖維[4-8]、填料[9]、助劑[10-15]進行了摸索，但是缺乏系統研究。因此，本研究擬從碳酸鈣性狀及用量、助燃劑類型、助留劑用量、羅紋類型等方面探討卷煙紙特性參數對卷煙常規煙氣成分的影響，旨為卷煙生產企業的產品質量控制提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 卷煙樣品制備

卷煙紙由杭州華豐紙業有限公司制備；濾棒由龍巖煙草工業有限責任公司制備。采用同一配方的卷煙煙絲、同一參數接裝紙（不打孔）和濾棒、同樣加工工藝參數以及同一卷煙設備，按照每次只變化一個卷煙紙設計因素、其他輔材設計參數固定的原則，在龍巖煙草工業有限責任公司完成卷煙樣品的制備。其中，卷煙紙透氣度設為60 CU，定量設為30 g/m2；碳酸鈣為輕質碳酸鈣；助燃劑為檸檬酸鉀（除助燃劑類型實驗外），助燃劑含量設定為0.9%（以鉀計）；實驗卷煙紙樣品信息如表1 所示。其他輔材設計參數：成型紙透氣度6000 CU、接裝紙透氣度0、絲束規格為3.0 Y/35000、濾棒長度為144 mm、濾棒吸阻為4200 Pa、增塑劑施加量為9.0%。試制卷煙煙支長度為84 mm、圓周為24.1 mm、煙支質量為0.89 g。

表1 卷煙紙樣品信息

1.2 實驗儀器

RM200全自動吸煙機（德國Borgwaldt公司）；非散射紅外分析儀（與全自動吸煙機配套）；KBF720恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；SSL1數控圓周震蕩搖床（英國Stuart公司）；6890氣相色譜儀（美國安捷倫公司）。

1.3 分析方法

依據GB/T 19609—2004《卷煙用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》對卷煙樣品氣相中的總粒相物和焦油進行測定；依據GB/T 23356—2009《卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定非散射紅外法》對卷煙煙氣氣相中的一氧化碳進行測定；依據YC/T156—2001《卷煙總粒相物中煙堿的測定氣相色譜法》對卷煙煙氣氣相中的煙堿進行測定；依據YC/T157—2001《卷煙總粒相物中水分的測定氣相色譜法》對卷煙煙氣氣相中的水分進行測定。

2 結果與討論

2.1 碳酸鈣變化對卷煙主流煙氣常規成分的影響

碳酸鈣是卷煙紙中第二大組分，應用于卷煙紙中可有效提高卷煙紙的透氣度、不透明度、白度，改善燃燒性能，同時也影響著卷煙紙羅紋的清晰程度；其質量的優劣直接影響著成紙質量，進而影響卷煙燃燒時主流煙氣常規成分的釋放量[16]。實驗考察了不同碳酸鈣形態、碳酸鈣粒徑和碳酸鈣用量對卷煙主流煙氣常規成分的影響情況，結果如圖1 所示。從圖1 可以看出，①碳酸鈣形態對主流煙氣常規成分有一定影響，與固態碳酸鈣卷煙紙相比，采用液態碳酸鈣卷煙紙的卷煙樣品煙氣中焦油、煙堿、水分和CO 分別降低0.2、0.05、0.04 和0.1 mg/支。②碳酸鈣粒徑對主流煙氣常規成分影響較小，采用大粒徑碳酸鈣可降低主流煙氣中焦油和CO 0.1 mg/支左右。③碳酸鈣用量對焦油、水分和CO 的影響規律一致，采用高用量的碳酸鈣一定程度上可以降低主流煙氣中的焦油、水分和CO釋放量，降低范圍為0.1～0.4 mg/支。

碳酸鈣在卷煙紙中的用量一般為26.0%～36.0%，目前，固態碳酸鈣和液態碳酸鈣在國內各卷煙紙廠均有使用。其中固態碳酸鈣運輸成本低；而液態碳酸鈣由于沒有經過干燥工序、機械摩擦和撞擊，充分保留了自然形成的晶型，其形態和大小更趨于一致，因此成紙更加柔軟、松厚、燃燒性能提高[16]；有助于氣相物的擴散和降低卷煙抽吸口數，因此相應卷煙主流煙氣常規成分的釋放量下降。大粒徑碳酸鈣的比表面積較小，在紙中形成的自然孔隙大，有利于提高氣相物和粒相物的擴散；小粒徑碳酸鈣的比表面積較大，覆蓋能力強，容易阻塞自然孔隙，不利于煙氣成分的擴散[8]。卷煙紙中碳酸鈣用量增大，會增加炭化線附近卷煙紙微孔的孔容，使完全裂解區域與未完全裂解區域內卷煙紙的微孔數目均明顯增多，因此可促進主流煙氣常規成分向側流煙氣中擴散[17]。

圖1 碳酸鈣變化對主流煙氣常規成分的影響

2.2 羅紋變化對卷煙主流煙氣常規成分的影響

卷煙紙羅紋參數包括了羅紋形式、羅紋深淺和壓紋方式。常見的卷煙紙羅紋形式主要有縱向紋（豎羅紋）和橫向紋（橫羅紋），還有斜紋、波浪紋、寬羅紋等；羅紋深淺是雕印機在卷煙紙表面所壓印痕凹凸程度的立體表現，卷煙紙羅紋的深度已由淺羅紋逐步發展成為中等深度羅紋、深羅紋和超深羅紋；壓紋方式分為正面壓紋和反面壓紋兩種，正面壓紋是紙幅的正面接觸絲紋輥，而反面壓紋是紙幅的反面接觸絲紋輥。實驗考察了不同羅紋形式、羅紋深淺和壓紋方式對卷煙主流煙氣常規成分的影響情況，結果如圖2所示。從圖2可以看出，①羅紋形式對卷煙煙氣中的焦油、煙堿和CO 是有一定影響；采用豎羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO 較高，采用無羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO 較低，其中二者CO 的差異達到8.7%；煙氣水分基本不變。②羅紋深淺對卷煙煙氣中的焦油、水分和CO 是有一定影響，與深羅紋卷煙紙相比，采用淺羅紋卷煙紙的卷煙煙氣中的焦油、水分和CO 分別降低2.5%、7.6%和5.8%。③羅紋深淺對卷煙煙氣中的焦油和CO 有小幅影響；采用正壓的卷煙紙，煙氣中的焦油和CO較低。

卷煙紙的羅紋是通過機械作用使紙面形成清晰、美觀的細條紋。在卷煙紙生產過程中，卷煙紙的羅紋參數設置不同，卷煙紙受到壓紋輥的壓力不同，卷煙紙厚度或緊度等方面會發生改變。因此，在卷煙燃燒時煙氣透過卷煙紙與空氣進行交換過程中路徑會發生改變，緊度小時，煙氣透過卷煙紙可能走直線；而緊度大時，煙氣透過卷煙紙可能走曲線。所以造成煙氣擴散及時性有差異，最終造成卷煙主流煙氣常規成分釋放量存在差異。采用無羅紋卷煙紙/淺羅紋卷煙紙/正壓羅紋卷煙紙，煙氣中焦油和CO 較低，可能是因為3種類型卷煙紙表面經過機械擠壓強度低，紙張中的自然空隙保留較多，有利于煙氣成分的擴散，因此相應的卷煙煙氣氣相物和粒相物釋放量較低。

2.3 助燃劑類型對卷煙主流煙氣常規成分的影響

檸檬酸鹽、蘋果酸鹽、乳酸鹽和酒石酸鹽是卷煙紙企業常用的助燃劑，不同的卷煙紙助劑的助燃效果各異，因此會對煙氣有害成分釋放量產生影響。比較了4種鉀鹽型卷煙紙添加劑對煙氣有害成分釋放量的影響，結果如圖3 所示。從圖3 可以看出，①卷煙紙助燃劑酸根種類對卷煙常規煙氣成分有影響，其中對水分和CO 的釋放量有較顯著影響。②卷煙紙助燃劑酸根種類對焦油、煙堿、水分和CO 的影響規律不一致；相比常用的檸檬酸卷煙紙，蘋果酸卷煙紙的焦油、煙堿和CO 上升；酒石酸卷煙紙的焦油、煙堿、水分和CO 下降；乳酸卷煙紙的水分下降，但其他指標相當。

助燃劑主要是改變卷煙紙的燃燒性能，不僅影響卷煙紙的擴散率[18]，對卷煙的燃燒速率也有影響[19]，不同助燃劑的酸根種類、陽離子種類、含量變化都會對卷煙的煙氣成分釋放量造成較大影響，進而影響到卷煙的感官質量。

2.4 助留劑用量對卷煙主流煙氣常規成分的影響

圖2 羅紋變化對主流煙氣常規成分的影響

圖3 助燃劑類型對主流煙氣常規成分的影響

由于卷煙紙的厚度較小，需要加入一定量的助留劑和增強劑，以減少纖維、填料的流失并提高成紙強度。本實驗采用瓜爾膠作為助留劑，比較了兩種助留劑用量（0.5%和0.8%）對卷煙主流煙氣常規成分釋放量的影響，結果如表2所示。從表2可以看出，助留劑用量對主流煙氣常規成分無明顯影響，兩種助留劑用量下，焦油、煙堿、水分和CO 的釋放量偏差＜4%。卷煙紙助留劑主要是起到助留、助濾和增強效果，本試驗采用的助留劑瓜爾膠是碳水化合物，其化學組分為聚半乳糖甘露糖，不會改變卷煙燃燒狀態；且其占卷煙紙成品的含量低，自身熱解產物對煙氣成分的貢獻度極小。因此在考察的范圍內，瓜爾膠用量對煙氣常規成分無影響。

表2 卷煙紙助留劑用量對卷煙主流煙氣常規成分的影響

3 結 論

本研究制備了8 種不同參數卷煙紙并制成卷煙，考察卷煙紙中的碳酸鈣參數、羅紋參數和助劑參數對卷煙主流煙氣常規成分的影響。

3.1 采用液態碳酸鈣、大粒徑碳酸鈣、高用量的碳酸鈣有利于降低卷煙常規煙氣中的焦油和CO，煙氣焦油和CO降低量為0.1～0.4 mg/支。

3.2 采用無羅紋、淺羅紋和正壓羅紋的卷煙紙，均有助于降低卷煙常規煙氣中的焦油和CO，其中CO降幅最高可達8.7%。

3.3 使用酒石酸鉀作為助燃劑的卷煙紙，卷煙常規煙氣中焦油和CO 較低；助留劑含量對卷煙主流煙氣常規成分無顯著影響。