2種有機(jī)酸鉀鹽卷煙紙助劑對(duì)卷煙熱解性能的影響

段瑞海，李紅娟，馮俊杰，李 雕，丁 發(fā)，周 濤

(云南養(yǎng)瑞科技集團(tuán)有限責(zé)任公司研究院基礎(chǔ)技術(shù)中心，云南 昆明 650011)

【研究意義】煙用材料主要包括:卷煙紙、接裝紙、成型紙、濾嘴棒，俗稱(chēng)“三紙一棒”。3種材料的組合決定了煙支的外觀、燃燒及煙氣等有害物質(zhì)的過(guò)濾，從而對(duì)卷煙的口感、指標(biāo)的控制起到?jīng)Q定性的作用[1-3]。近年來(lái)，人們對(duì)煙用材料的研究深度不斷拓展[4-7]，在降焦減阻的道路上不斷開(kāi)拓，在研究卷煙紙方面取得大量的成果[5-9]。【前人研究進(jìn)展】卷煙紙參與煙支燃燒，對(duì)卷煙整體性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他組分。研究表明，卷煙紙?zhí)砑觿┑氖褂脤?duì)卷煙的靜燃速率、抽吸口數(shù)、煙氣組分等產(chǎn)生一定的影響[10]。隨著卷煙紙功能化需求的不斷擴(kuò)張，卷煙紙助劑的研究已成為熱點(diǎn)。楊占軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)助燃劑的加入，提高了紙的燃燒溫度和速度。從卷煙紙助燃劑對(duì)主流煙氣7種有害成分釋放量的影響研究中，發(fā)現(xiàn)助燃劑的總量及鉀鈉比能影響CO的釋放量[12]。研究表明，有機(jī)酸鉀鹽的添加對(duì)抽吸效果，有害物質(zhì)的降低有明顯作用，并且促進(jìn)卷煙紙纖維的裂解，降低反應(yīng)活化能[13-16]。研究表明在添加硝酸鉀后卷煙在燃燒時(shí)釋放的CO、尼古丁等有害物質(zhì)含量降低[17]。鄭琴等研究發(fā)現(xiàn)卷煙中有害成分不同程度降低與有機(jī)酸鉀、鈉混合物的用量有關(guān)[18]。崔凌等研究顯示不同比例的檸檬酸等堿金屬混合助劑，可以減少卷煙中焦油和CO的生成[19]。【本研究切入點(diǎn)】鉀和鈉的有機(jī)酸金屬鹽常作為卷煙紙的助燃劑。在相同酸根離子下的鉀鹽和鈉鹽，性質(zhì)相似，但實(shí)際效果卻區(qū)別很大，鉀鹽性質(zhì)活潑，助燃效果優(yōu)于鈉鹽[20]。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究采用同步熱分析、主流煙氣檢測(cè)及感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，研究不同濃度的碳酸鉀和檸檬酸鉀對(duì)卷煙紙熱解性能的影響，卷煙紙熱失重過(guò)程中參數(shù)的變化，煙氣中焦油量，CO釋放量等因素，篩選出有害物質(zhì)釋放量低及其它條件最優(yōu)的碳酸鉀和檸檬酸鉀添加濃度，開(kāi)發(fā)性能最優(yōu)的卷煙紙助劑。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

卷煙紙(空白對(duì)照)；添加不同濃度助燃劑的卷煙紙；碳酸鉀(TSK，食品級(jí)，江蘇科倫多食品配料有限公司)，設(shè)置8個(gè)添加濃度，分別為0.5%、1.5%、2.0%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、8.0%；檸檬酸鉀(N06，食品級(jí)，江蘇科倫多食品配料有限公司)，設(shè)置8個(gè)添加濃度，分別為0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、8.0%。

同步熱分析儀(型號(hào)：NETZSCH STA 409 PC/PG，德國(guó))。轉(zhuǎn)盤(pán)式吸煙機(jī)(型號(hào)：RM20H，德國(guó))，恒溫恒濕箱(型號(hào)：KBF,德國(guó))，GC-MS(型號(hào)：7890B-5977A，美國(guó))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 主流煙氣成分檢測(cè) 參照《GB/T16450—2004，常規(guī)分析用吸煙機(jī)》[21]標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行抽吸測(cè)試；按照《GB/T23356—2009，卷煙·煙氣氣相中一氧化碳的測(cè)定》[22]標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行主流煙氣中CO含量的檢測(cè)；按照《GB/T19609—2004，卷煙·用常規(guī)分析用吸煙機(jī)測(cè)定總粒相物和焦油》[23]標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)焦油釋放量。

1.2.2 熱分析檢測(cè) 熱分析所需樣品含量是10～20 mg，自然填充于熱重分析儀的氧化鋁坩堝內(nèi)，為模擬真實(shí)的煙支燃燒，以75 mL·min-1的速率注入空氣，以10 K·min-1的速率進(jìn)行升溫，最終溫度設(shè)為900 ℃，由熱重分析儀記錄熱解過(guò)程中樣品的熱重變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度N06及TSK對(duì)卷煙紙熱失重的影響

從表1～2可見(jiàn)，隨著TSK和N06濃度的升高，熱失重的起始溫度逐漸降低。結(jié)合圖1～4熱分析曲線發(fā)現(xiàn)添加不同濃度的N06和TSK后，卷煙紙?jiān)谏郎爻跗谑е厮俣燃笆е亓康脑黾优c添加濃度基本對(duì)應(yīng)，隨著濃度的增加，失重量和失重速率也加快，說(shuō)明鉀含量越多，卷煙紙裂解反應(yīng)越快，說(shuō)明鉀含量對(duì)卷煙紙熱失重初期有催化作用。

表1 不同濃度的N06對(duì)卷煙紙熱失重的影響

表2 不同濃度的TSK對(duì)卷煙紙熱失重的影響

2.2 不同添加量的N06和TSK對(duì)卷煙主流煙氣指標(biāo)的影響

從表3中可見(jiàn)，隨著在卷煙紙上N06添加量的增加，抽吸口數(shù)逐漸降低，煙堿含量和焦油含量也在逐漸減少，添加濃度高于3%時(shí)，下降幅度減小；卷煙主流煙氣中CO釋放量隨N06添加量的增加呈先降低后升高趨勢(shì)，在添加量為3%時(shí)降幅最大。隨著在卷煙紙上TSK添加量的增加，抽吸口數(shù)先逐漸降低后以緩慢上升趨勢(shì)變化，煙堿含量和焦油含量也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，添加量為3.5%，煙堿量的釋放量最少，煙支抽吸口數(shù)最少；濃度為2.5%時(shí)，CO釋放量最低。

表3 不同添加量的N06和TSK對(duì)卷煙主流煙氣指標(biāo)的影響

2.3 不同添加量的N06和TSK對(duì)卷煙的降焦及降CO效率

由表4可見(jiàn)，N06添加濃度在8%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙焦油降幅最大，為21.53%；在添加濃度3%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙CO降幅最大，達(dá)30.87%。從單口焦油和CO的釋放量來(lái)看，N06的添加對(duì)單口焦油釋放量有負(fù)面作用，而添加濃度為1.5%、2.5%和3%時(shí)，單口CO均有不同程度的降低。

表4 不同添加量的N06和TSK對(duì)單口焦油、CO降幅的影響

TSK添加量為4.5%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙焦油降幅最大，達(dá)27.02%；添加濃度為2.5%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙CO下降最明顯，降幅為26.55%。

3 討 論

有機(jī)酸鉀鹽能有效提升卷煙抽吸品質(zhì)、降低有害物質(zhì)含量的釋放[24-25]，戴亞等研究表明鉀鹽的加入提升了卷煙紙的燃燒速率[26]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)2種有機(jī)酸鉀鹽進(jìn)行熱分析及主流煙氣等檢測(cè)，證實(shí)了鉀鹽能加速催化煙支燃燒，降低焦油和CO的量。檢測(cè)煙氣結(jié)果與卷煙紙熱失重結(jié)果有所差異，究其原因：卷煙紙中的纖維素在助燃劑添加后加速了熱解作用，高濃度助劑的阻礙熱解后的氣體擴(kuò)散，造成了煙氣結(jié)果與熱失重結(jié)果的差異性。

總之，加入卷煙助劑會(huì)改變卷煙紙起始失重的溫度點(diǎn)及升溫初始階段的失重速率及失重量，鉀鹽的催化作用強(qiáng)于其他金屬鹽，總體趨勢(shì)是催化作用隨鉀含量的升高而增強(qiáng)，同步熱分析與卷煙紙樣品的制備、取樣、進(jìn)樣量、升溫速率等因素有關(guān)，實(shí)驗(yàn)存在一定的誤差。

4 結(jié) 論

(1)卷煙紙助劑的使用能催化卷煙紙的熱裂解進(jìn)程，改變煙絲的狀態(tài)，導(dǎo)致主流煙氣中的焦油和CO含量降低，影響卷煙的感官質(zhì)量。

(2)結(jié)合卷煙感官質(zhì)量及煙氣指標(biāo)分析，卷煙紙助劑N06和TSK都能明顯改善卷煙口感，N06隨濃度的增加，卷煙抽吸口數(shù)逐漸減少；TSK濃度為3.5%，煙支的抽吸數(shù)最低，抽吸口數(shù)隨添加量的增加呈緩慢上升趨勢(shì)。

(3)N06添加濃度在8%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙焦油降幅最大，而在添加濃度3%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙CO降幅最大；TSK添加量為4.5%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙焦油降幅最大，添加濃度為2.5%時(shí)，與對(duì)照相比每只煙CO下降最明顯。