ISO 12863 卷煙引燃傾向標準評價方法的改進

蔣佳磊，朱書秀，湯曉東，許高燕，陳曉水，趙攀攀，朱宏福，蘇 燕

浙江中煙工業有限責任公司技術中心，杭州市西湖區科海路118 號 310024

具有防火安全性能的卷煙被稱為低引燃傾向［Lower Ignition Propensity（LIP）或Reduced Ignition Propensity（RIP）］卷煙［1-3］。LIP卷煙主要是通過在卷煙紙上間隔涂布一層阻燃物質，從而減少氧氣的傳輸以達到卷煙自動熄滅的目的［4-7］。目前國際上普遍采用ISO 12863 或ASTM E 2187 標準（兩種標準方法的原理、過程和評價指標均完全一致）評價卷煙的引燃傾向［8-9］。其原理是在定制的測試柜中，重復測試40 支置于標準傳熱基質（10 層Whatman 2#濾紙）上的卷煙并使其產生足夠熱量以維持煙絲柱燃燒和引起明火的可能性，并采用不超過25%的全長燃燒百分比（Percent of Full Length Burn，P-FLB）作為LIP 卷煙合格的標準［10］。測試方法中使用的特定型號濾紙依賴單一進口生產商，1 000張/盒濾紙的售價在5 000 元左右，且不可重復使用，每個LIP 卷煙樣品需要至少400張Whatman 2#濾紙才能完成一個數據的采集，測試費用昂貴［11-12］。另外，該測試方法檢測時間較長，檢測1 支正常熄滅的LIP 卷煙需要15～20 min，如若遇到FLB，則會延長至20～25 min，完成1個樣品的檢測需要2個工作日，檢測效率低［12-13］。

美國國家標準和技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的一份研究報告［14］認為，可以采用在0.2 mm的302不銹鋼（可重復使用）上覆蓋一層Whatman 2#濾紙作為測試基質，并且可以獲得與ISO 12863標準方法中使用的10層濾紙基質相同的測試結果。有國內研究［11，15］比較了不同厚度、不同產地和不同材質的不銹鋼或鋁合金材料，結論與NIST 一致，表明0.2 mm 的302 不銹鋼上附一層Whatman 2#濾紙可以作為卷煙引燃傾向測試方法中的替代基質。ISO 的最新研究報告［16］中指出在濾紙的穩定性、檢測結果的重復性和再現性上，奧斯龍（Ahlstrom）、金佰利（Kimberly）和特爾瓦高（Tervakoski）3 家公司生產的濾紙可以作為Whatman 2#濾紙的替代產品。這些方法大大節省了濾紙的使用成本，但測試效率低的問題仍然沒有解決。李斌等［12］研究發現LIP 卷煙升溫速率與P-FLB存在較好的相關性，因此可以采用LIP卷煙升溫速率來評價卷煙的引燃傾向。馮茜等［13］提出了一種通過LIP 卷煙耗氧燃燒熱來評估卷煙引燃傾向的測試方法。這兩種方法雖然仍基于LIP卷煙設計的原理，但并未采用原標準方法中的卷煙-濾紙接觸傳熱模型，在一定程度上違背了卷煙與可燃基質接觸傳熱實物模型的初衷，且須配備專用的檢測設備，實際可操作性有所降低，難以推廣。潘曦等［17］認為陰燃長度比例（陰燃長度/卷煙紙長度）可以作為評價LIP卷煙引燃傾向的一種輔助參數，而蔣佳磊等［10］的研究顯示，點燃的卷煙除會因阻燃條的隨機出現而發生相同趨勢的隨機熄滅現象外，更容易熄滅在濾紙表面初始陰燃期間（煙絲端15～21 mm），表明陰燃長度比例指標可能并不可靠。因此，基于ISO 12863標準的原理和方法設計了一種結合樣品抽樣方案和統計學算法的新型卷煙引燃傾向評價方法，旨在降低測試費用，提高檢測效率，減少操作難度。

1 材料與方法

1.1 材料、設備與儀器

利群A、B、C 3 種LIP 卷煙（浙江中煙工業有限責任公司）；Whatman 2#濾紙（廈門精誠行科技有限公司代購）。

PT 100恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；IP 10卷煙引燃傾向檢測儀（德國伯格瓦特KC公司）。

1.2 方法

1.2.1 測試支數動態調節算法

按目前國際上對卷煙引燃傾向檢測的普遍要求，P-FLB 不超過25%［即1 組樣品40 支卷煙中有75%（30 支）沒有在濾紙表面完全燃燒（含前15 mm內熄滅的情況）］時就表明通過該項測試。若將40支待測LIP卷煙分成4份，每份10支，設每份卷煙中不發生FLB的比例為p，要保證4份卷煙的總體合格率大于等于75%，按照統計學原理其合格率p的計算方式為：≥0.75，即p=0.931。

更一般的，若設1組待測樣品實際測試數量為n支（n=1,2,3…），實際合格支數為m，m 取整后為mz，實際P-FLB為P-FLBnew，則：

1.2.2 LIP卷煙引燃傾向測試

采用測試支數動態調節算法進行LIP 卷煙引燃傾向測試，計算新方法的全長燃燒百分比P-FLBnew；按照ISO 12863 標準方法進行LIP 卷煙引燃傾向測試，計算標準方法的全長燃燒百分比P-FLBstd。

1.2.3 全長燃燒支數的二項分布置信度計算

若某一LIP 卷煙引燃傾向測試的P-FLB 為1-p，則按照二項分布，該LIP卷煙引燃傾向測試過程中有k支發生全長燃燒的置信度F（k）為：

式中：k=0，1，2…；n=12，17，21，24，27，30，33，35，37，39，40（本文方法），或n=40（ISO標準方法）；k=n-mz=（1-p）n。

2 結果與討論

2.1 測試支數動態調節算法結果

按照1.2.1 的方法計算p、m、mz、k 和P-FLBnew，結果見表1。由表1 可知，當n=1～12 時，k=0；當n=13～17 時，k=1；當n=18～21 時，k=2；，當n=22～24時，k=3；，當n=25～27 時，k=4；，當n=28～30 時，k=5；，當n=31～33 時，k=6；，當n=34～35 時，k=7；當n=36～37 時，k=8；當n=38～39 時，k=9；當n=40 時，k=10。由于在同一區間內全長燃燒支數k相同，為確保合格，對相同的k，測試支數n取區間的最大值，此時P-FLBnew=k/nmax。

2.2 卷煙引燃傾向評價方法的改進

為保證卷煙樣品的代表性，按照表1結果設計抽樣原則：在實際生產過程中，按照批次生產量的多少，均勻地從流水線上取12包，并按照時間順序給每包煙編號（1#～12#）。取樣完成后送到實驗室進行溫濕度平衡，平衡前給每包煙中的20支卷煙按照煙包號碼進行編號（如1#煙包中的20 支卷煙均編為1#，其他同理）。

表1 p、m、mz、k和P-FLBnew值Tab.1 p, m, mz, k values and corresponding P-FLBnew

測試過程基于ISO 12863標準方法進行，但按順序1#～12#每個編號的卷煙均只隨機選擇1 支。12支一輪測試結束后，若檢測未能確定結果，則繼續重復上述過程直到完成檢測，具體流程如圖1所示。由圖1可知，若LIP卷煙引燃傾向檢測過程中連續12支沒有發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=0；若檢測了17 支有1 支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=5.88%；若檢測了21支有2 支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=9.52%；若檢測了24 支有3 支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=12.5%；若檢測了27支有4支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=14.81%；若檢測了30 支有5 支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=16.67%；若檢測了33支有6支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=18.18%；若檢測了35 支有7 支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=20%；若檢測了37支有8支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且P-FLBnew=21.62%。若檢測了39支有9支發生FLB，則認為該批試樣檢測合格，且須繼續檢測第40 支，若第40 支沒有發生FLB，則P-FLBnew=23.08%，若第40 支發生FLB，則P-FLBnew=25%。當檢測過程中超過10 支發生FLB 時，則按正常ISO標準方法完成檢測，并計算得到P-FLBstd。

圖1 方法流程圖Fig.1 Flow chart of the improved method

2.3 方法的準確性和重復性

采用本文方法測定A、B、C 3種高、中、低不同引燃能力的LIP卷煙樣品的重復性，并與ISO 12863標準方法進行比較，結果見表2。從方法的準確性看，通過均值的獨立樣本t 檢驗顯示兩種方法對樣品A（P=0.715）、樣品B（P=0.984）和樣品C（P=0.241）的重復性檢測結果均無顯著性差異（P＞0.05）。從方法的重復性看，該方法對A、B、C 3 種樣品的標準偏差和極差均略小于ISO 方法，表明該方法的重復性與ISO 方法相當；但從相對標準偏差和極差的數值上看，對3 種樣品兩種方法的相對標準偏差均超過15%，其中樣品C均超過100%，表明兩種方法重復性均不佳，且P-FLB 越小的樣品，相對標準偏差越大；對3種樣品兩種方法的極差同樣較大，其中樣品A極差均超過10%，且P-FLB 越小的樣品，極差同樣越小。

表2 方法的準確性和重復性Tab.2 Accuracy and repeatability of the new method （%）

許多研究表明P-FLB 作為ISO 12863 標準方法的唯一評價指標，其本身穩定性不高［11-13］，檢測數據的重復性較差（偏差10%～20%）［12］。生產過程中卷煙圓度、濾紙物性參數穩定性、卷煙或濾紙平直度、煙絲填充性和測試時第一口的點燃狀態等隨機性差異引入的外部不確定性因素，均對測試結果存在一定的影響［11，15］。P-FLB是一個較為矛盾的指標，若認為P-FLB是表征LIP卷煙引燃傾向的一種特征數據，則其應是一個相對穩定的值，但從計算方式上看卻是一種統計學概率指標，則必然存在置信區間和置信度。通過二項分布計算不同P-FLBstd的置信度F，結果見表3。

由表3 可知，當ISO 12863 標準方法中P-FLBstd合格的取值為0、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%和25%時，其對應的置信度水平分別為77.8%、37.3%、27.8%、23.3%、20.6%、18.8%、17.4%、16.4%、15.6%、15.0%和14.4%，表明P-FLBstd僅是置信區間中置信度最大的一點，且不同P-FLBstd下的置信度均不高。除P-FLBstd=0 時置信度達到77.8%外，其余均未超過40%，且隨著P-FLBstd的升高置信度不斷下降，遠未達到統計學意義上的可信水平，表明P-FLB 并不是一個穩定的指標。ASTM 的早期研究中也曾嘗試采用陰燃長度、陰燃時間、陰燃速度和LIP 卷煙陰燃時在濾紙上留下的碳線長度等指標來評價卷煙的引燃傾向，但其重復性和再現性結果均難以滿足要求［18］。

表3 不同P-FLBstd的二項分布置信度①Tab.3 Confidence F of binomial distribution at different P-FLBstd （%）

99%、95%和F≥5% 3 種置信度水平下，不同P-FLBstd時的置信區間和最大偏差分布的計算結果見表4。由表4可知，隨著P-FLBstd的增大，不同置信度水平下的置信區間和最大偏差均逐漸增大，且在全燃支數為20支時達到最大。不同置信度下最大偏差分別為20%、15%和10%，理論計算結果與表2 實際測試結果和文獻報道結果均較為一致［12］。

表4 ISO方法不同P-FLBstd時的置信區間和最大偏差分布Tab.4 Confidence interval and maximum deviation distribution at different P-FLBstd tested by the ISO method

99%、95%和F≥5% 3 種置信度水平下，不同P-FLBnew時的置信區間和最大偏差分布計算結果見表5。與ISO 標準方法不同，雖然隨著P-FLBnew的增大，置信區間也在緩慢擴大，但最大偏差卻并非單調增加。通過配對t 檢驗兩種方法的最大偏差發現（表6），當全燃支數較小時（k=0～4），除95%置信度水平外，本文方法的最大偏差顯著大于ISO 方法（P＜0.05）；當全燃支數較大時（k=5～10），本文方法的最大偏差均顯著小于ISO 方法（P＜0.05）；而當將兩者合并考慮時，兩種方法的最大偏差無顯著性差異（P ＞0.05）。上述結果表明兩種方法的穩定性整體上并沒有差異，但當P-FLB 較小時，ISO 方法更穩定，當P-FLB 較大時，本文方法更穩定，這與表2 的實際測試結果相一致。而實際測試過程中，考慮到LIP卷煙產品的安全性，檢驗人員往往更關注P-FLB較大的情況，此時使用本文方法得出的結果將更為可靠。

表5 本文方法不同P-FLBnew時的置信區間和最大偏差分布Tab.5 Confidence interval and maximum deviation distribution at different P-FLBnew tested by this method

表6 兩種方法最大偏差配對t檢驗Tab.6 Maximum deviation by paired t-test of the two methods

由上述分析結果可知，使用本文方法或ISO 12863 標準方法測試時產生的P-FLB 評價指標置信度普遍不高，從而導致不同人員，不同時間，不同地點，或不同儀器所測得的P-FLB 有一個較大的浮動區間，并最終可能導致對同種LIP卷煙樣品的判定結果產生不一致的情況。如由表4和表5可知，在95%置信度水平下，當兩種方法的全燃支數均超過6 支時，則存在發生判定結果不一致的可能，表明該LIP卷煙產品的防火安全性能存在潛在的風險，有必要考慮作一定的優化調整。

2.4 實際樣品檢測結果

采用本文方法和ISO 標準方法跟蹤了2018—2019年生產的80批次不同LIP卷煙的引燃傾向測試結果（見圖2）。通過最小二乘回歸擬合P-FLBnew與P-FLBstd，結果表明在95%置信度下回歸方程顯著（P＜0.01），方程的擬合斜率為1.035，相關系數R 為0.941，均接近于1；95%置信度下所有80批次數據點（部分點重合）均落在回歸方程的置信區間內；P-FLBnew與P-FLBstd的最大偏差和平均偏差均較小，分別為5%和1.41%。上述結果表明采用本文方法與ISO 12863標準方法測定結果基本一致。

圖2 FLBnew與FLBstd的關系Fig.2 Relationship between FLBnew and FLBstd

采用本文方法后，測試所需的卷煙支數明顯降低，80 批次的平均檢測支數為16.14 支，且有55%為檢測12支時即可完成（見圖3）。這是由于大多數市售LIP 卷煙阻燃條的阻燃效果均十分顯著，在10 層濾紙上的P-FLB大多低于10%，且接近于0［17］。綜上所述，與ISO 12863 標準方法相比，采用本文方法在保證數據準確性的前提下，使卷煙平均檢測支數降低了一半以上，使一個樣品的平均檢測時間和專用濾紙使用量均下降了（40-16.14）/40=59.65%，節約開支和提高效率效果顯著。

圖3 采用本文方法檢測所需的卷煙支數Fig.3 Tested cigarette number required by this method

3 結論

①結合樣品抽樣方案設計和統計學算法建立了一種測試支數動態調節的卷煙引燃傾向評價方法。②P-FLB僅是二項分布的置信區間中置信度最高的一點，但其置信度仍然較低，導致理論上可產生10%～20%的最大偏差；③當P-FLB 較小時，ISO 方法更穩定，當P-FLB 較大時，本文方法更穩定，且當全長燃燒支數超過6 支時，卷煙產品的防火安全性能存在潛在風險，有必要考慮作一定的優化調整。④本文方法與ISO 12863 標準方法的準確性和重復性基本一致，通過80個LIP樣品檢測發現，本文方法比ISO方法平均檢測時間和專用濾紙使用量均下降了59.65%，取得了較好的節支和提效效果，且操作簡單，不需要使用額外的儀器。