等離子和靜電打孔接裝紙?zhí)匦约捌鋵頍熚锢砗统Ｒ?guī)煙氣指標的影響

曹伏軍，解曉翠，劉暢，嚴莉紅，石玉萍，楊瀟，何愛軍，王巍巍，鄭曉曼，周駿

上海煙草集團有限責任公司技術中心北京工作站，北京 101121

目前煙用接裝紙的預打孔方式有激光打孔、靜電打孔和等離子打孔。激光打孔和靜電打孔應用時間較長，靜電打孔從20世紀70年代開始應用，激光打孔從20世紀80年代開始應用，但是等離子打孔是近幾年新發(fā)展起來的一種打孔方式。采用不同打孔方式接裝紙卷制的卷煙煙氣釋放量和感官質量有一定差異[1-7]。激光打孔屬于可見孔，孔徑較大同時打孔數(shù)目較少，與可見孔相比，微孔通風效率更高，由濾嘴進入的氣流更均勻和平順，對主流煙氣的沖擊更小。微孔打孔還可以有效提高卷煙通風率和吸阻等指標的穩(wěn)定性[8-9]。靜電打孔和等離子打孔都屬于微孔，但是采用這兩種打孔方式的接裝特性及其對卷煙物理和常規(guī)煙氣化學指標影響的差別未見系統(tǒng)研究。

靜電打孔和等離子打孔的打孔原理和透氣度控制方式不同。靜電打孔是利用電極間高壓放電產(chǎn)生電火花將接裝紙擊穿實現(xiàn)打孔，等離子打孔是在惰性氣體保護下，高壓放電產(chǎn)生等離子體蒸發(fā)物料而產(chǎn)生微孔。靜電打孔通過調整電極針數(shù)量、功率、車速來調節(jié)接裝紙的透氣度，等離子打孔通過調整脈沖頻率、功率、車速來調節(jié)接裝紙的透氣度。由于是不規(guī)則打孔，二者的打孔密度和孔徑無法精準控制，因此有必要對兩種打孔方式對卷煙的各項指標的影響進行系統(tǒng)比較分析。本文通過對等離子打孔和靜電打孔接裝紙及其卷煙的系統(tǒng)測試，比較了兩種打孔方式接裝紙的特性及其對卷煙物理和常規(guī)煙氣化學指標的影響，旨在為新產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)品維護改造中接裝紙打孔方式選擇提供依據(jù)和支撐。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

等離子打孔接裝紙（60 mm）、靜電打孔接裝紙（60 mm）、混合型卷煙A配方煙絲（上海煙草集團北京卷煙廠有限公司）、活性炭醋纖二元復合濾棒（100 mm）、卷煙紙（34 g，60 CU）、PROTOS70卷煙機（常德煙草機械有限責任公司）、A-20接裝紙透氣度檢測儀（德國博格瓦特科技公司）、Sigma 300場發(fā)射掃描電鏡（德國卡爾蔡司公司）、OM-Ⅰ綜合測試臺（北京歐美利華科技有限公司）、ASM20全自動直線型吸煙機（北京歐美利華科技有限公司）、PI-214型電子天平（感量0.0001 g，美國Denver Instrument公司）、HP7890氣相色譜儀（美國安捷倫科技有限公司）、CLIMACELL707恒溫恒濕箱（德國MMM集團公司）、PDS-W11全自動煙支分選儀（北京歐美利華科技有限公司）、HNY-100D恒溫振蕩器（天津市歐諾儀器儀表有限公司）。

1.2 試驗方法

利用DOE實驗設計進行接裝紙的3因素混合2-3水平的田口設計，因素及水平選擇如表1所示。在設備的額定功率或頻率下，在保證生產(chǎn)效率的前提下，制作透氣度和打孔寬度不同的等離子和靜電打孔接裝紙，共18個樣品，Sigma 300場發(fā)射掃描電鏡觀察不同接裝紙的孔徑及打孔分布，用接裝紙透氣度檢測儀按照GB/T 23227-2018標準方法進行接裝紙透氣度的檢測[10]。用該接裝紙搭配相同的煙絲、濾棒和卷煙紙在PROTOS70卷煙機上卷制煙支質量一致的卷煙樣品，按照國標標準方法[11-15]對該卷煙樣品進行吸阻和通風率等物理指標檢測，進行卷煙常規(guī)煙氣指標檢測。試驗進行3次平行。

表1 打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）因素水平Tab. 1 Experiment levels of perforation type，porosity level and pore width

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Minitab對檢測數(shù)據(jù)進行方差分析和田口設計分析。

2 結果與討論

18種接裝紙的孔徑和孔密度檢測數(shù)據(jù)如表2所示。18種接裝紙對應的卷煙的物理指標檢測數(shù)據(jù)如表3，卷煙煙氣指標檢測結果如表4。

表2 接裝紙孔徑和孔密度檢測指標Tab. 2 Pore diameter and pore density of tipping paper

表3 接裝紙搭配方案及卷煙物理指標檢測Tab. 3 Matching scheme of tipping paper and test of cigarette physical indicators

表4 接裝紙搭配方案及卷煙常規(guī)煙氣指標檢測Tab. 4 Matching scheme of tipping paper and test of regular smoke indicators of cigarette

2.1 不同打孔方式、透氣度和孔帶寬度接裝紙的孔徑和孔密度分布

部分接裝紙的電鏡圖如圖1所示，從圖中可以直觀看出，等離子打孔和靜電打孔接裝紙的孔徑和孔密度有差異。

圖1 等離子和靜電打孔接裝紙電鏡圖Fig.1 SEM of plasma and electrostatic perforation tipping papers

對接裝紙的孔徑和孔密度與打孔類型、透氣度和孔帶寬度進行方差分析，結果顯示，兩種打孔方式不同透氣度和不同孔帶寬度的接裝紙的孔徑和孔密度有顯著差異（P＜0.05）。從表5孔密度和孔徑的均值響應表可以看出，在透氣度和孔帶寬度一定的情況下，靜電打孔比等離子打孔的孔密度更高、孔徑更小，試驗范圍內，靜電打孔的平均孔密度為5.3個/mm2，平均孔徑為31.5 μm，等離子打孔的平均孔密度為3.5個/mm2，平均孔徑為39.2 μm。隨著接裝紙透氣度的增加，打孔密度和孔徑都增大。接裝紙透氣度從200 CU增加到600 CU，孔密度由3.8個/mm2增加到5.3個/mm2，孔徑由28.5 μm增大到41.9 μm。增加打孔寬度，打孔密度和孔徑減小。孔帶寬度由3 mm增加到7 mm，孔密度由5.3個/mm2減少到3.4個/mm2，孔徑由40.0 μm減小到31.3 μm。

表5 不同打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）下接裝紙打孔密度和孔徑的均值響應表Tab. 5 Mean pore density and pore diameter of tipping paper under different perforation types，porosity levels and pore widths

2.2 不同打孔方式、透氣度和孔帶寬度對接裝紙透氣度穩(wěn)定性的影響

以接裝紙透氣度變異系數(shù)（CV）對接裝紙透氣度穩(wěn)定性進行評價，對接裝紙透氣度變異系數(shù)與打孔類型、透氣度和孔帶寬度進行方差分析，結果顯示，兩種打孔方式不同孔帶寬度的接裝紙的透氣度穩(wěn)定性沒有顯著差異（P＞0.05），即打孔類型和孔帶寬度對接裝紙透氣度的穩(wěn)定性沒有顯著影響。透氣度對接裝紙透氣度的穩(wěn)定性有顯著影響（P=0.038）。從表6接裝紙透氣度變異系數(shù)的均值響應表可以看，隨著透氣度的增加，透氣度變異系數(shù)降低，說明透氣度越高接裝紙的透氣度穩(wěn)定性越高。

表6 不同打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）下接裝紙透氣度變異系數(shù)的均值響應表 %Tab. 6 Mean variable coefficient of porosity level of tipping paper under different perforation types, porosity levels and pore widths

2.3 不同打孔方式、透氣度和孔帶寬度對煙支吸阻穩(wěn)定性的影響

以吸阻變異系數(shù)對煙支吸阻穩(wěn)定性進行評價，對吸阻變異系數(shù)與打孔類型、透氣度和孔帶寬度進行方差分析，結果顯示（表7），兩種打孔方式不同透氣度和不同孔帶寬度的卷煙的吸阻穩(wěn)定性沒有顯著差異（P＞0.05），即接裝紙的打孔類型、透氣度和孔帶寬度對卷煙吸阻的穩(wěn)定性沒有顯著影響。

表7 不同打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）下煙支吸阻變異系數(shù)的均值響應表 %Tab. 7 Mean variable coefficient of suction resistance of cigarette under different perforation types,porosity levels and pore widths

2.4 不同打孔方式、透氣度和孔帶寬度對煙支總通風率穩(wěn)定性的影響

以總通風率變異系數(shù)對煙支總通風率穩(wěn)定性進行評價，對總通風率變異系數(shù)與打孔類型、透氣度和孔帶寬度進行方差分析，結果顯示，兩種打孔方式不同孔帶寬度的卷煙的總通風率穩(wěn)定性沒有顯著差異（P＞0.05），即接裝紙的打孔類型和孔帶寬度對卷煙總通風率的穩(wěn)定性沒有顯著影響。透氣度對卷煙總通風率的穩(wěn)定性有顯著影響（P=0.004）。從表8總通風率變異系數(shù)的均值響應表可以看出，隨著接裝紙透氣度增加，煙支總通風率變異系數(shù)降低，即采用高透氣度接裝紙的低焦油卷煙總通風率穩(wěn)定性更好。

表8 不同打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）下煙支總通風率變異系數(shù)的均值響應表 %Tab. 8 Mean variable coefficient of total ventilation of cigarette under different perforation types, porosity levels and pore widths

2.5 不同打孔方式、透氣度和孔帶寬度對煙支濾嘴通風率穩(wěn)定性的影響

以濾嘴通風率變異系數(shù)對煙支濾嘴通風率穩(wěn)定性進行評價，對濾嘴通風率變異系數(shù)與打孔類型、透氣度和孔帶寬度進行方差分析，結果顯示，接裝紙的打孔類型、透氣度和孔帶寬度對卷煙濾嘴通風率的穩(wěn)定性有顯著影響（P=0.044，0.047和0.047）。從表9濾嘴通風率變異系數(shù)的均值響應表可以看出，靜電打孔卷煙濾嘴通風率變異系數(shù)小于等離子打孔卷煙，說明靜電打孔卷煙濾嘴通風率的穩(wěn)定性整體優(yōu)于等離子打孔卷煙。隨著透氣度和孔帶寬度的增加，卷煙濾嘴通風率的變異系數(shù)減小，穩(wěn)定性提高。接裝紙透氣度從200 CU增加到600 CU，卷煙濾嘴通風率的變異系數(shù)由6.1%降到5.0%，接裝紙孔帶寬度由3 mm增加到7 mm，卷煙濾嘴通風率的變異系數(shù)由6.1%將到4.9%。

表9 不同打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）下煙支濾嘴通風率變異系數(shù)的均值響應表 %Tab. 9 Mean variable coefficient of cigarette filter ventilation under different perforation types, porosity levels and pore widths

2.6 不同打孔方式、透氣度和孔帶寬度對常規(guī)煙氣指標的影響

分別對常規(guī)煙氣化學指標中的焦油量、煙氣煙堿量和一氧化碳量與打孔類型、孔帶寬度和透氣度進行方差分析，考察打孔類型、孔帶寬度和透氣度對常規(guī)煙氣指標的影響。方差檢驗結果顯示，兩種打孔類型卷煙的焦油量、煙氣煙堿量和一氧化碳量沒有顯著差異（P＞0.05），即等離子打孔和靜電打孔接裝紙對卷煙各項常規(guī)煙氣指標的影響趨于一致。接裝紙的透氣度和孔帶寬度對卷煙的焦油量、煙氣煙堿量和一氧化碳量有顯著影響（P＜0.05）。從表10卷煙常規(guī)煙氣指標的均值相應表可以看出，增加接裝紙透氣度可以顯著降低焦油量、煙氣煙堿量和一氧化碳量等各項煙氣成分釋放量。接裝紙透氣度從200 CU增加到600 CU，焦油、煙堿和一氧化碳釋放量分別從6.4、0.53和7.4 mg/支降到4.3、0.39和4.6 mg/支。隨著打孔寬度的增加，各項常規(guī)煙氣指標降低，這主要是因為增加打孔寬度可以提高空氣的通過效率。孔帶寬度從3 mm增加到7 mm，焦油、煙堿和一氧化碳釋放量分別從5.5、0.47和6.3 mg/支降到5.1、0.45和5.7 mg/支。

表10 不同打孔類型（A）、透氣度（B）和孔帶寬度（C）下卷煙常規(guī)煙氣指標的均值響應表 （mg/支）Tab. 10 Mean release amount of tar, nicotine and carbon monoxide from cigarette under different perforation types, porosity levels and pore widths

3 結論

對18個打孔寬度和透氣度不同的等離子和靜電打孔接裝紙樣品進行電鏡掃描和卷煙試驗，結果顯示：試驗條件下，靜電打孔比等離子打孔的孔密度更高、孔徑更小；在相同孔帶寬度和接裝紙透氣度下，靜電打孔和等離子打孔卷煙的吸阻穩(wěn)定性、總通風率穩(wěn)定性和常規(guī)煙氣成分釋放量無顯著差異，靜電打孔卷煙濾嘴通風率的穩(wěn)定性優(yōu)于等離子打孔；增加打孔寬度可提高卷煙濾嘴通風率的穩(wěn)定性，可降低焦油量、煙氣煙堿量和一氧化碳量等常規(guī)煙氣指標。從煙支物理特性及降低焦油、煙堿和一氧化碳的角度，等離子打孔和靜電打孔可以實現(xiàn)等同應用，應盡量增加打孔密度，減小打孔孔徑，并增加打孔寬度。