卷煙表觀燃燒性能質量狀況分析

董 浩，王 澍，周明珠，徐羽鵬，李曉輝，林杰驊，邢 軍，劉 勇*，胡清源*

1.中國科學院合肥物質科學研究院，合肥市蜀山湖路350號 230031 2.中國科學技術大學，合肥市金寨路96號 230026 3.國家煙草質量監督檢驗中心，鄭州高新技術產業開發區翠竹街6號 450001 4.上海煙草集團有限責任公司上海卷煙廠，上海市長陽路733號 200082

卷煙是通過燃燒來完成消費過程的消費品，卷煙燃燒屬于固體可燃物的陰燃，產生煙霧并伴有溫度升高，但無可見火光［1］。消費者在卷煙燃燒的抽吸過程中主要通過味覺、嗅覺與視覺三種感官來評價卷煙質量，味覺、嗅覺感知的是煙氣質量，視覺感知的是煙支燃燒過程的外觀形貌，因此，卷煙燃燒過程表觀性能的評價對于卷煙產品質量和消費者體驗具有重要意義。基于消費者行為調查研究，卷煙燃燒過程的表觀性能主要包含以下評價指標：燃燒錐落頭、包灰顏色、包灰裂口率、包灰收縮率、燃燒碳線的寬度以及整齊度。圍繞卷煙燃燒過程的研究主要集中在卷煙燃燒的機理［2-3］、溫度［4-5］、裂解與煙氣的關系［6-7］等領域。卷煙燃燒過程表觀性能是行業近年來的研究熱點，針對燃燒錐落頭，已經開發了檢測設備［7-8］，形成了標準檢測方法［9-10］，開展了系統的影響因素分析研究［11-13］；基于計算機視覺方法對包灰性能進行檢測與分析的相關研究已逐漸出現，研究的熱點是方法開發［14-15］、原輔材料對包灰性能的影響［16-17］、包灰性能的表征［18］等。對卷煙表觀燃燒性能的研究，多是通過實證研究的模式，設計樣品，針對性地開展影響因素研究，隨著以數據科學為核心的科學研究的發展，通過數據挖掘方式從數據中提取見解成為一種新途徑［19］。因此，圍繞卷煙燃燒過程表觀性能的檢測與分析，參考固體燃燒相關文獻［20-21］，研究提出了表觀燃燒性能概念和指標體系，對行業近3年來主要規格的卷煙產品進行了表觀燃燒性能指標測試，基于測試結果和樣品關聯數據的挖掘，從產品設計參數、原輔材料參數、煙絲配方結構等角度分析了不同類型產品的表觀燃燒性能，旨在全面了解卷煙表觀燃燒性能質量狀況，為產品設計開發、原輔材料選擇提供技術依據，從而提高卷煙表觀燃燒質量，改善消費者消費體驗。

1 材料與方法

1.1 樣品

2019—2021年間市售卷煙樣品436個，包含國內19家卷煙工業企業的57個品牌，其中常規卷煙（圓周24.00～25.00 mm）319個（含長度74.0 mm的短支煙13個），中支卷煙（圓周20.00～22.00 mm）28個，細支卷煙（圓周16.00～17.00 mm）89個。樣品的卷煙紙、煙絲等信息如表1所示。

表1 樣品信息Tab.1 Cigarette sample information

1.2 方法

建立了表觀燃燒性能指標體系，分別以包灰顏色、外觀形貌、燃燒匹配性和燃燒錐落頭來表征消費者視覺感知到的燃燒過程參數，如圖1所示。表觀燃燒性能的測試均采用ISO抽吸方案，包灰顏色、外觀形貌、燃燒匹配性通過計算機視覺方法測定，采用色溫5 600～7 000 K的單一照明光源，視場范圍30 mm×150 mm，圖像分辨率518像素×874像素，每個規格測試30支，以30支樣品的算術平均值表示相應結果。卷煙質量、圓周、硬度、長度、卷煙紙透氣度、煙絲寬度的測定均采用相應標準測試方法［22-27］。

圖1 卷煙表觀燃燒性能指標體系Fig.1 Index system for overall characteristics of combustion cone of lit cigarettes

1.2.1 落頭傾向

燃燒錐落頭傾向的測試參照煙草行業標準方法［10］，以每40支樣品落頭的比例表征，單位為%，中支卷煙的測試參數設置與細支卷煙相同。

1.2.2 包灰顏色、外觀形貌、燃燒匹配性

參照文獻［28］的方法測試包灰顏色、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度，測試區域為煙支非搭口區。

1.3 儀器

CFP800A卷煙燃燒錐落頭傾向測試儀、BACST600卷煙燃燒灰燼特征參數測量系統、CWT200煙絲寬度測量儀（合肥眾沃儀器技術有限公司）；OM-VL卷煙物理性能綜合測試臺（北京歐美利華科技有限公司）；A20透氣度測量儀（德國Borgwaldt公司）。

2 結果與分析

2.1 燃燒錐落頭

2.1.1 落頭位置

卷煙燃燒錐落頭后一般有兩種狀態：一種是燃燒錐不完全掉落，錐體與煙支似藕斷絲連，影響消費者抽吸感受，如圖2a、圖2b所示；一種是燃燒錐完全掉落，風險較大，如圖2c所示。當落頭不可避免出現時，落頭位置也會影響消費體驗，落頭位置主要受軸向煙絲密度分布均勻性、燃燒匹配性和燃燒速率的影響［9,11-13］，圖3是落頭位置的測試結果。常規煙和細支煙的落頭位置分布范圍較廣，從中位值看，常規煙的落頭多發于燃燒30 mm左右的中部靠上位置，細支煙的落頭多發于燃燒50 mm左右的偏下部位置，中支煙和短支煙均在中部靠下位置，細支煙燃燒錐落頭對于消費體驗的影響較小。

圖2 燃燒錐落頭的不同狀態Fig.2 Falling states of combustion cones

圖3 不同長度卷煙燃燒錐落頭位置Fig.3 Falling positions of combustion cones of cigarettes with different lengths

2.1.2 落頭傾向

落頭傾向的測試結果如表2所示，樣品總體落頭傾向1.58%。由表2可知，①從圓周來看，常規煙的落頭傾向低于細支煙，中支煙的落頭傾向較低。常規煙對于燃燒錐落頭的控制仍然好于細支煙，但差異不大，中支煙由于長度更接近常規煙，同時考慮樣品數量較少的原因，落頭傾向低于常規煙和細支煙。②從長度來看，長度最長的97.0 mm規格樣品的落頭傾向最高；90.0 mm長度的樣品一般為中支煙，落頭傾向較低；75.0 mm規格的樣品雖然只有13個，但落頭傾向高于總體，其設計和加工制造水平仍有提高空間。③從質量來看，質量較小的樣品基本為細支煙，落頭傾向略高，質量0.700 g左右的為中支煙，落頭傾向較低。④分析了樣品數量較多的細支、常規煙，為了便于分析，將每個類型分為高中低3個硬度范圍，結果表明，細支煙落頭傾向隨硬度增加明顯降低，硬度較大的常規煙落頭傾向也低于硬度較小的樣品。

表2 各類型卷煙落頭傾向Tab.2 Falling propensity of combustion cones of different types of cigarettes

2.1.3 原輔材料參數與落頭傾向

影響卷煙燃燒錐落頭傾向的原輔材料參數主要是卷煙紙設計指標和煙絲結構、煙絲寬度等，表3是不同設計參數卷煙的燃燒錐落頭傾向，主要分析了現有文獻中較少報道的卷煙紙透氣度、羅紋類型、煙絲寬度、煙絲結構等參數，樣品量較小的中支煙未參與分析。由表3可知，卷煙紙透氣度60 CU的樣品落頭傾向最低，橫羅紋卷煙紙樣品落頭傾向略低于豎羅紋卷煙紙樣品，煙絲寬度為0.8 mm的樣品落頭傾向最高，煙絲寬度1.1 mm的樣品落頭傾向最低，全葉絲樣品的落頭傾向低于含梗絲樣品。卷煙紙透氣度60 CU的樣品由于數量和產量較多，產品質量穩定性較好，落頭傾向最低，全葉絲樣品落頭傾向較低的原因是長絲率明顯高于含梗絲樣品，敲擊或彈擊時不易落頭［11,13］，但同時也應注意長絲率過高可能會引起燃燒錐體積過大，也會導致落頭傾向的增加，因此長絲率指標應在合適的范圍內，并非越大越好。

表3 不同設計參數卷煙落頭傾向Tab.3 Falling propensity of combustion cones of cigarettes with different design parameters

2.2 包灰顏色

卷煙包灰顏色反映的是燃燒后卷煙紙灰分的整體顏色特征，感知的物體顏色由物體反射的光的性質決定，燃燒錐反射的是沒有顏色的單色光，其唯一屬性是亮度，因此，可以用從黑到白的數值范圍，即灰度級來表征，一般以0～255級灰度表征圖像從黑到白［29］。圖4是所有樣品的灰度值累積分布，90%左右的樣品灰度均在124～152范圍內，呈灰白色，對比圖1中實際的包灰圖像，由于卷煙灰柱表面有大量的裂口，因此，人眼視覺感知到的灰色會比實際測試的灰色偏白。表4和表5分別為各圓周類型和各類設計參數卷煙的包灰顏色、外觀和燃燒匹配性，細支煙的包灰顏色最白、其次是中支煙，常規煙顏色最深；橫羅紋細支煙的包灰顏色比豎羅紋細支煙白，煙絲結構、煙絲寬度、卷煙紙透氣度對包灰顏色的影響無明顯規律。

表4 各圓周類型卷煙燃燒錐顏色、外觀和燃燒匹配性Tab.4 Color,appearance and combustion compatibility of combustion cones of different types of cigarettes

圖4 包灰顏色灰度值累積分布Fig.4 Cumulative distribution of ash color of cigarettes denoted by gray level

2.3 燃燒錐外觀

2.3.1 裂口率

灰柱裂口是造成抽吸時煙灰飛散的主要原因，裂口率越低，包灰效果越好，圖5是所有樣品的裂口率累積分布，80%左右的樣品裂口率分布范圍在3.1%～9.8%。裂口率10%以內表明包灰性能較好，裂口率主要受卷煙紙燃燒性能的影響［16,18］。從表4可以看出，細支煙裂口率最低，中支煙次之，常規煙最高。從表5可以看出，常規煙和細支煙受各參數的影響規律一致，細支煙裂口率低于常規煙；卷煙紙橫羅紋樣品裂口率較低；全葉絲樣品的裂口率低于含梗絲樣品；卷煙紙透氣度高的樣品裂口率相對較低。綜合文獻報道［14-18,30］和表4結果來看，裂口率受各種因素的交互作用影響，細支煙由于燃燒表面積小，陰燃速率高，切絲寬度小且多為全葉絲樣品，因此裂口率較低。豎羅紋樣品裂口率顯著高于橫羅紋主要是由于包灰裂口多為豎向，豎羅紋的存在引起的豎向表面不均勻性加劇了燃燒時裂口的產生。

圖5 包灰裂口率累積分布Fig.5 Cumulative distribution of ash crack rate

表5 不同設計參數卷煙燃燒錐顏色、外觀和燃燒匹配性Tab.5 Color,appearance and combustion compatibility of combustion cones of cigarettes with different design parameters

2.3.2 縮灰率

縮灰率表征的是卷煙燃燒后的收縮程度，縮灰率低的卷煙燃燒后較為緊致。圖6是縮灰率的累積分布，80%的樣品縮灰率在75.5%～87.3%之間。不同的文獻對于縮灰率對包灰效果的影響權重理解不同，尚未形成一致觀點。縮灰率主要受卷煙孔隙率和孔隙分布的影響，孔隙率高，大孔多的樣品縮灰率較低，因此縮灰率與卷煙紙參數關系較小，從表4和表5可以看出，中支煙和常規煙的縮灰率均低于細支煙，細支煙一方面由于葉絲比例高，另一方面直徑較小，縮灰率略高，卷煙紙橫羅紋樣品縮灰率略高于卷煙紙豎羅紋樣品，煙絲結構、煙絲寬度、卷煙紙透氣度對縮灰率沒有明顯的規律性影響。

圖6 包灰縮灰率累積分布Fig.6 Cumulative distribution of ash shrink rate

2.4 燃燒匹配性

2.4.1 碳線寬度

碳線寬度能夠表征卷煙燃燒時卷煙紙和煙絲的匹配性，一般認為，碳線寬度小的樣品，燃燒匹配性較好。圖7是碳線寬度的累積分布，碳線寬度的分布較分散，超過1.0 mm寬度的樣品約占10%左右，寬度低于1.0 mm時視覺上不會有明顯差異。由于碳線區域并不是黑白界限分明，而是有一定程度的顏色過渡，因此碳線寬度的測量結果受算法分割閾值的影響較大，測試結果會略小于實際視覺效果。從表4和表5可以看出，細支煙的碳線寬度低于常規煙，卷煙紙橫羅紋樣品的碳線寬度略低于卷煙紙豎羅紋樣品，卷煙紙透氣度、煙絲結構、煙絲寬度對碳線寬度沒有明顯的規律性影響。

圖7 燃燒錐碳線寬度累積分布Fig.7 Cumulative distribution of burn line width of combustion cone

2.4.2 碳線整齊度

碳線整齊度能夠同時表征卷煙燃燒時卷煙紙和煙絲的匹配性以及燃燒線的均勻性，碳線整齊度低的樣品燃燒匹配性和均勻性較好。圖8是碳線整齊度的累積分布，可見碳線整齊度分布較為分散，半數樣品的碳線整齊度大于2.0 mm，視覺效果較為明顯。從表4和表5可以看出，碳線整齊度隨圓周的減小明顯變小，細支和中支煙的碳線整齊度均小于常規煙；卷煙紙豎羅紋樣品的碳線整齊度較小；全葉絲樣品的燃燒均勻性比含梗絲樣品好，碳線整齊度較小；煙絲寬度越小，燃燒的均勻性越好，碳線整齊度越小；卷煙紙透氣度高的樣品燃燒時氧氣量更加充足，燃燒線區域碳化程度低，碳線整齊度較小。

圖8 燃燒錐碳線整齊度累積分布Fig.8 Cumulative distribution of burn line uniformity of combustion cone

3 結論

①所挑選的436個市售卷煙樣品總體燃燒錐落頭傾向1.58%，中支煙落頭傾向最低，細支煙最高，煙支硬度越大落頭傾向越低，卷煙紙透氣度60 CU的樣品落頭傾向最低，橫羅紋卷煙紙樣品落頭傾向略低于豎羅紋卷煙紙樣品，煙絲寬度為0.8 mm的樣品落頭傾向最高，煙絲寬度1.1 mm的樣品落頭傾向最低，全葉絲樣品的落頭傾向明顯低于含梗絲樣品。常規煙落頭多發于中部靠上位置，細支煙的落頭多發于偏下部位置，中支煙和短支煙均在中部靠下位置，細支煙燃燒錐落頭位置對于消費體驗影響較小。②細支煙的包灰顏色最白，常規煙包灰顏色最深；橫羅紋細支煙的包灰顏色比豎羅紋細支煙白。③細支煙包灰裂口率最低，常規煙最高，卷煙紙橫羅紋、煙絲寬度小和卷煙紙透氣度高的樣品包灰裂口率較低，包灰效果較好。④中支煙縮灰率最低，細支煙最高，卷煙紙橫羅紋縮灰率較高，包灰較緊致。⑤細支和中支煙的燃燒匹配性均比常規煙好，卷煙紙透氣度高、全葉絲、煙絲寬度較小的樣品燃燒匹配性較好。