新型功能濾棒在卷煙降焦減害中的應(yīng)用研究

王嘉紹，董 露，趙怡凡，杜 赫，許艷冉，陳 晨，郭春生

(內(nèi)蒙古昆明卷煙有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著《煙草控制框架公約》履行以及社會(huì)對(duì)吸煙與健康問題的日益關(guān)注，降焦減害技術(shù)在國(guó)內(nèi)外卷煙產(chǎn)品上應(yīng)用日趨廣泛[1-3]。為滿足卷煙降焦減害的要求，卷煙濾嘴正從單一纖維濾嘴向異型結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)濾嘴發(fā)展。其中，異型結(jié)構(gòu)濾嘴充分利用獨(dú)特濾嘴結(jié)構(gòu)改變煙氣流動(dòng)的路徑和速度，增加焦油、有害成分的截留效率，達(dá)到降焦減害的效果[4-7]。隨著濾嘴制備工藝水平的提高，基于特殊結(jié)構(gòu)的新型功能復(fù)合濾嘴在卷煙中應(yīng)用將日益廣泛[8-10]。

本文將研究開發(fā)基于3D打印技術(shù)的降焦減害功能濾棒。首先，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)濾棒結(jié)構(gòu)參數(shù)及空腔、介孔等特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局，建立新型功能濾棒打印模型；再次，采用3D打印技術(shù)打印新型功能濾棒模型[11-12]，將功能濾棒與普通濾棒相接得到復(fù)合濾棒；最后，進(jìn)行煙支卷接裝，得到新型功能濾棒卷煙樣品。通過與對(duì)照樣品進(jìn)行對(duì)比，研究了新型功能濾棒對(duì)卷煙物理指標(biāo)、主流煙氣指標(biāo)、香味成分及多種有害成分釋放量的影響，探索了3D打印技術(shù)在卷煙降焦減害技術(shù)的應(yīng)用潛力。

1 試驗(yàn)方法

1.1 新型功能濾棒的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)基于空氣動(dòng)力學(xué)、氣溶膠沉積原理、連續(xù)性定理以及伯努利定理，設(shè)計(jì)開發(fā)了孔直吸柱型過濾結(jié)構(gòu)形式的降焦減害構(gòu)件。煙支燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，進(jìn)入孔直吸柱過濾裝置吸附單元；氣溶膠沿?zé)熤较蜻\(yùn)動(dòng)，在內(nèi)圓柱部分實(shí)現(xiàn)第一次撞擊，改變煙氣運(yùn)動(dòng)速度以及運(yùn)動(dòng)路徑，使煙氣氣溶膠進(jìn)行部分沉積，而氣溶膠沉積主要分布于外殼的內(nèi)壁上。內(nèi)壁是位于氣溶膠裝置的煙支徑向的最外側(cè)，接觸空氣面積部分最大，散熱環(huán)境最好，煙氣溫度下降最快的區(qū)域，極大促進(jìn)有害物質(zhì)的沉積。在內(nèi)圓柱上有兩個(gè)圓孔，改變煙氣的流通方向，同時(shí)改變主流煙氣流速，增加煙氣流動(dòng)的動(dòng)能，增打撞擊內(nèi)壁的慣性力，使煙氣氣溶膠在內(nèi)壁處進(jìn)行沉積。在經(jīng)過兩過濾孔后，煙氣通道部分存在短半徑 3 mm 和長(zhǎng)半徑 5 mm 的橢圓開口，增加降溫效果以及空氣的進(jìn)入量，保證煙氣溫度的降低以及煙氣的有效稀釋，達(dá)到氣溶膠截留效果，提升煙支抽吸輕松感。利用NX 12.0進(jìn)行建模如圖，同時(shí)，利用3D打印設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)。

1.2 新型功能濾棒卷煙的制備

將打印出的3D濾棒構(gòu)件通過濾棒復(fù)合技術(shù)制備新型功能濾棒。用于復(fù)合的普通醋纖濾棒規(guī)格為：絲束3.9Y-31000D；成型紙6000CU；定量 24 g/m2；寬度 26.2 mm；；圓周 23.9 mm；長(zhǎng)度 100 mm；吸阻 1900 Pa。

卷煙的卷接裝實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古昆明卷煙有限責(zé)任公司完成，試驗(yàn)卷煙為A牌號(hào)卷煙。將新型功能濾棒與同批次的普通醋酸纖維濾棒于同一卷接機(jī)組、同一原輔材料、同一卷接參數(shù)條件下卷接成煙支，得到不同濾棒模型的卷煙樣品和對(duì)照樣品。其中，對(duì)照樣、新型功能濾棒卷煙煙支規(guī)格：84 mm(25 mm+59 mm)×24.0 mm；卷煙紙32A70W 26.2 mm；接裝紙：64 mm 200CU。

1.3 主要儀器與檢測(cè)方法

本試驗(yàn)主要儀器如表1所示。

按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法對(duì)新型功能濾棒卷煙樣品和對(duì)照樣品的物理指標(biāo)以及主流煙氣中焦油、煙堿、CO、苯酚、苯并[α]聯(lián)芘、NNK、氨、氰化氫、巴豆醛及香味成分的釋放量進(jìn)行測(cè)定。所用卷煙實(shí)驗(yàn)前在溫度(22±1)℃、相對(duì)濕度60%±2%條件下平衡 48 h。每一樣品進(jìn)行三組平行檢測(cè)，取其平均值作為檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)項(xiàng)目如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型功能濾棒對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響

從表3看出，與對(duì)照樣相比，新型功能濾棒卷煙的單支克重、吸阻高于對(duì)照樣，總通風(fēng)率低于對(duì)照樣。新型功能濾棒對(duì)A牌號(hào)卷煙的圓周、長(zhǎng)度、硬度物理指標(biāo)影響不大。單支質(zhì)量升高的原因是由于濾嘴中的3D打印構(gòu)件的質(zhì)量高于醋纖濾棒。

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

表2 新型功能濾棒卷煙樣品檢測(cè)項(xiàng)目

表3 對(duì)照樣、新型功能濾棒卷煙的物理指標(biāo)比較

2.2 新型功能濾棒對(duì)卷煙降焦減害效果評(píng)價(jià)

表4為對(duì)照樣、新型功能濾棒卷煙的主流煙氣常規(guī)成分檢測(cè)結(jié)果。與對(duì)照樣品相比，新型功能濾棒卷煙D的總粒相物、焦油、煙堿均出現(xiàn)一定幅度的降低，降低率分別為29.0%、32.1%、37.1%，降低作用顯著。CO釋放量變化不明顯。抽吸口數(shù)略有升高，平均每支卷煙抽吸口數(shù)升高0.4口。

表4 對(duì)照樣、新型功能濾棒卷煙的主流煙氣成分檢測(cè)結(jié)果

對(duì)新型功能濾棒卷煙、對(duì)照樣主流煙氣中的多種有害成分釋放量進(jìn)行檢測(cè)，研究了新型功能濾棒對(duì)常規(guī)卷煙危害性成分的影響作用，結(jié)果如表5所示。與對(duì)照樣品相比，新型功能濾棒卷煙樣品主流煙氣中的氫氰酸、苯并[α]聯(lián)芘、苯酚、巴豆醛、NNK均明顯降低，降低率均達(dá)20%以上。其中苯酚降低最為顯著達(dá)65.1%；苯并[α]聯(lián)芘、NNK、氫氰酸、巴豆醛降低率分別達(dá)58.3%、44.0%、31.0%、24.6%；氨降低幅度較小，降低率為17.9%。苯酚、苯并[α]聯(lián)芘、NNK降低率高于焦油降低率。危害性評(píng)價(jià)指數(shù)由10.8降低至7.0，降低率為35.2%。

2.3 新型功能濾棒對(duì)卷煙煙氣香味成分的影響

通過對(duì)新型功能濾棒卷煙、對(duì)照樣的主流煙氣香味成分進(jìn)行檢測(cè)，研究了多種結(jié)構(gòu)的新型功能濾棒對(duì)常規(guī)卷煙主流煙氣香味成分的影響作用，結(jié)果如表6所示。

表5 對(duì)照樣、新型功能濾棒卷煙的主流煙氣有害成分檢測(cè)結(jié)果

表6 新型功能濾棒卷煙和對(duì)照樣主流煙氣香味成分對(duì)比分析

表6(續(xù))

表6(續(xù))

從表6看出，新型功能濾棒對(duì)卷煙的主流煙氣香味成分影響較大，香味成分總量由2275.66μg/支降低至1820.75μg/支，降低率為19.99%，低于焦油降低率(32.1 %)與危害性指數(shù)降低率(35.2%)。主流煙氣香味成分1，2-丙二醇、糠醇、5-甲基呋喃醛、3-甲基環(huán)戊烷-1，2-二酮、2，3-二氫-3，5二羥基-6-甲基-4(H)-吡喃-4-酮、5-羥甲基糠醛等含量均出現(xiàn)不同程度降低。多種成分如4-(3-羥基丁基)-3，5，5-三甲基-2-環(huán)己烯-1-酮、4-叔丁基-2，6-二甲基乙酰苯、(6R，7E，9R)-9-羥基-4，7-巨豆二烯-3-酮、1-萘酚等物質(zhì)降低至未檢出。另外，如4-乙基苯酚、1，3-苯二醇單乙酸酯、2，4-二甲基-3-乙?；秽群肯啾绕胀ù桌w濾棒出現(xiàn)增高，這主要是因?yàn)槠胀ù桌w濾棒截流主要依靠醋纖絲束與氣溶膠顆粒的吸附作用，說明醋纖絲束對(duì)氣溶膠顆粒中這幾種物質(zhì)具有非常強(qiáng)的選擇性吸附作用，而構(gòu)件濾棒主要依靠空氣動(dòng)力學(xué)與氣溶膠沉淀原理來實(shí)現(xiàn)截流，同時(shí)也反映了構(gòu)件濾棒對(duì)其他絕大多數(shù)物質(zhì)的截流效果明顯優(yōu)于普通醋纖濾棒，具有降焦保香的效果。

3 結(jié)論

利用3D打印技術(shù)將新型功能濾棒應(yīng)用于常規(guī)卷煙中，對(duì)所制備的卷煙樣品中的物理指標(biāo)、主流煙氣指標(biāo)、常規(guī)化學(xué)成分和7種有害成分進(jìn)行分析。主流煙氣中的焦油、煙堿、氫氰酸、苯并[α]聯(lián)芘、苯酚、巴豆醛、NNK等顯著降低。其中，焦油降低率為32.1%，危害性指數(shù)降低率為35.2%。新型功能濾棒的應(yīng)用可有效地降低卷煙煙氣各種有害成分，具有顯著的降焦減害效果。新型功能濾棒對(duì)常規(guī)卷煙的主流煙氣香味成分影響較大，香味成分總量降低率為19.9%。多種香味成分含量均出現(xiàn)不同程度降低，部分香味成分降低至未檢出，香味成分總量的降低率低于焦油降低率與卷煙危害性指數(shù)降低率。