卷煙紙關鍵指標對烘烤后卷煙紙 透氣度及纖維形態的影響研究

作者簡介：李海鋒"，高級工程師；主要從事卷煙材料研究。

關鍵詞：卷煙紙；卷煙主流煙氣；碳化區域；透氣度；纖維形態 中圖分類號：TS76；TS49 文獻標識碼： DOI： 10.11980/j.issn.0254-508X.2025.08.013

Effect of Key Cigarette Paper Parameters on Baking Cigarete Paper's Air Permeability and Fiber Morphology

LI Haifeng' XIAO Cuicui2LUO Dong2 XUAN Runquan'LIANG Weifeng2 WANG Xiaoping2* （1.China Tobacco Zhejiang IndustrialCo.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang Province，310000; 2. China Tobacco Mauduit （Jiangmen）Paper Industry Co.，Ltd.， Jiangmen，Guangdong Province，529085） （*E-mail： wangxiaoping@ct-pdm.com）

Abstract：Bakingigaretepapeoanctrictermostaticotplateasusedtoivesigateteectsofthreeeyparametesfcirete paper（airpermeability，ombustionadditivecontentcalculatedbythemassfractionofcitrateion，andcombustionaditivetype）ontheair permeabilityandfermorphologofteakingigareepaper.Itiedtoredicttheairpemabilityndfibermorphologofcigarteppercharedregionobuingcigarete，providingevdencetathowcigaretepapeafectsthemainstreamsmokedeliveryofcigaresThe resultsshowedtatbingcgareepaper’sirpabilityexdaliearincreasingtredwitnicreaeofcigareepapeirpeability，risingfrom19.3～180.2CUto89.2～51.8CU.Meanwhile，thefiberlengthdecreasedfrom0.562～0.661mmto0.339～ 0.375mm.Withanincreaseofcombustionaditivecontentincigaretepaper，bakingcigaretepaper’sairpermeabilitygaduallyincreasedfrom57.0～59.9CUto72.7～213.0CU，thefiberlengthdecreasedfrom0.60lmmto0.33～0.387mm.Atthesamecombustion additivecontentakingcigaretepaper’irpermeablityandfiberngthductioatewithpotassicitrateere2.37CUand 0.5～8.6 percentage points higher than these of sodium citrate cigarette paper.

Key words：cigarete paper;mainstreamsmokedeliveryofcigaretes；charredregion;airpermeability;fibermorphology

卷煙通風技術可將空氣導人主流煙氣中，是一種能夠直接降低主流煙氣中有害成分釋放量的有效方法2。實現卷煙通風技術有2種手段，一是濾嘴通風，通過在濾嘴上打孔改變濾嘴通風率，進而調節卷煙總通風率及其分布；二是卷煙紙通風，通過調整卷煙紙透氣度改變卷煙紙通風率，進而調節卷煙總通風率及其分布。

已有研究表明，卷煙燃燒過程中卷煙紙碳化區域 透氣度會發生變化[45]，通過調節卷煙紙碳化區域透氣 度，可有效調整卷煙紙通風率和總通風率，進而調控 主流煙氣有害成分釋放量。目前，關于卷煙紙設計參 數對卷煙紙碳化區域透氣度的影響已有若干研究報 道。尹升福等研究了不同金屬鹽對卷煙紙碳化區域 透氣度的影響，結果表明，添加醋酸鈣、醋酸鋅、氯 化鈣、氯化鋅的卷煙紙會使卷煙紙碳化區域透氣度均 明顯降低。劉源等考察了助燃劑K/Na比對卷煙紙裂 解致孔及主流煙氣氫氰酸釋放量的影響，結果表明， 提高卷煙紙助燃劑K/Na比可促進纖維的裂解致孔作 用，增大卷煙紙碳化區域透氣度。陳澤亮等考察了 碳酸鈣粒徑及含量對卷煙紙碳化區域微孔結構的影 響，結果表明，適當增加碳酸鈣粒徑和含量均可提升 卷煙紙碳化區域透氣度。

然而，目前尚缺乏關于卷煙紙關鍵指標對卷煙燃燒過程中卷煙紙碳化區域影響的系統性研究。鑒于此，本研究采用電熱恒溫電熱板烘烤卷煙紙的方法，研究卷煙紙透氣度、助燃劑含量（以卷煙紙中檸檬酸根離子的質量分數計）和助燃劑類型3個關鍵指標對烘烤后卷煙紙透氣度和纖維形態的影響，推測卷煙燃燒過程中卷煙紙碳化區域透氣度和纖維形態的變化情況，探討卷煙紙影響卷煙主流煙氣釋放的原因，為卷煙降焦減害提供參考。

1實驗

1. 1 實驗原料及試劑

14種卷煙紙樣品，均為混合木漿，相同的纖維配比，由中煙摩迪（江門）紙業有限公司提供，卷煙紙的具體特征參數見表1～表3。 1000mg/L 檸檬酸根離子標準液（O2SI）、超純水（電阻率 ≥18.2MΩ?cm. 、異丙醇（分析純）、濃硫酸（質量分數 98% ，阿拉丁試劑（上海）有限公司。

表1不同透氣度卷煙紙特征參數

Table1 Characteristic parameters of cigarette paperwith differentair permeability

1.2 實驗儀器及設備

7890A氣相色譜儀（美國Agilent）；XS204-IC電子天平（感量 0.1mg ，瑞士MettlerToledo）；恒溫恒濕箱（德國Binder）；D23透氣度測試儀（法國So- ）；761CompactIC離子色譜儀（瑞士Metrohm）；漿板疏解機（奧地利PTI）；纖維質量分析儀（法國MorfiNeo）；LC-DB-XAB不銹鋼電熱恒溫電熱板（上海力辰儀器科技有限公司）。

Table2 Characteristic parameters of cigarette paper with differentcombustionadditivecontent

表2不同助燃劑含量卷煙紙特征參數

Table3 Characteristic parameters of cigarette paper with differentcombustionadditive type

表3不同助燃劑類型卷煙紙特征參數

1.3 實驗方法

1. 3.1 卷煙紙理化性能的測定

所有卷煙紙樣品測試前均在溫度 （22±1） ℃、相對濕度 （60±3）% 的環境中平衡 ^48h 。參考GB/T451.2—2023《紙和紙板第2部分：定量的測定》測定卷煙紙定量；參考GB/T23227—2018《卷煙紙、成形紙、接裝紙、具有間斷或連續透氣區的材料以及具有不同透氣帶的材料透氣度的測定》測定卷煙紙透氣度；參考YC/T275—2008《卷煙紙中檸檬酸根離子、磷酸根離子和醋酸根離子的測定離子色譜法》檢測卷煙紙檸檬酸根、鉀離子和鈉離子含量。

1.3.2卷煙燃燒過程中卷煙紙碳化區域模擬

采用電熱恒溫電熱板直接烘烤卷煙紙的方法，模擬卷煙燃燒過程中卷煙紙碳化區域的狀態。根據以往的熱重分析研究結果，卷煙紙在 320^°C 附近質量損失最為明顯；因此，采用恒溫電熱板在 320^°C 下烘烤待測卷煙紙，在烘烤60s后取出，自然降至室溫并密封保存，此時卷煙紙的顏色最接近卷煙紙碳化區域的顏色（圖1），且紙張強度滿足卷煙紙透氣度的檢測條件。

1.3.3 卷煙紙纖維形態檢測

所有卷煙紙樣品測試前均在溫度 （22±1 ）℃、相對濕度 （60±3）% 的環境中平衡 48h 。取待測卷煙紙樣品各 1.0g （絕干），采用漿板疏解機對紙張進行充分疏解，采用纖維質量分析儀對疏解后的漿液纖維形態進行檢測。

1.3.5纖維長度下降率

采用纖維質量分析儀檢測烘烤前后卷煙紙纖維 長度。烘烤前后卷煙紙纖維長度下降率采用式（2） 計算。

式中， ΔL 表示纖維長度下降率； L₁ 表示烘烤前卷煙紙纖維長度， mm ； L₂ 表示烘烤后卷煙紙纖維長度， mm 。

圖1烘烤后卷煙紙與卷煙紙碳化區域顏色對比 Fig.1Color contrast between baked cigarette paper and the charred region of cigarette paper

1.3.4透氣度上升百分比

采用透氣度測試儀檢測烘烤前后卷煙紙的透氣 度。烘烤前后卷煙紙透氣度上升百分比采用式（1） 計算。

式中， ΔP 表示透氣度上升百分比； P₁ 表示烘烤前卷煙紙透氣度，CU； P₂ 表示烘烤后卷煙紙透氣度，CU。

2結果與討論

2.1卷煙紙關鍵指標對烘烤后卷煙紙透氣度的影響

2.1.1卷煙紙透氣度對烘烤后卷煙紙透氣度的影響

圖2為烘烤前后卷煙紙透氣度變化情況。由圖2 可知，烘烤后卷煙紙透氣度會出現較大提升，原因是 卷煙紙的骨架結構由植物纖維搭建而成，而植物纖維 在 320^°C 下會發生纖維素和半纖維素裂解，骨架結構 受到破壞，使得烘烤后卷煙紙透氣度增大[-10]

同時，由圖2還可知，烘烤前卷煙紙透氣度在19.3～180.2CU時，隨卷煙紙透氣度逐漸增大，烘烤后卷煙紙透氣度呈線性增大趨勢（斜率為2.95），由19.3～180.2CU增大到 89.2-551.8CU 。原因是烘烤前卷煙紙透氣度越大，其纖維骨架結構中的孔隙就越大；烘烤過程中，纖維素和半纖維素裂解進一步擴大孔隙，從而使烘烤后透氣度增加越多。此外，當烘烤前卷煙紙透氣度達到70CU后，烘烤后卷煙紙透氣度上升百分比基本保持不變，但烘烤后卷煙紙透氣度仍保持顯著增長趨勢；結合鄔志峰等的研究可知，卷煙紙碳化區域透氣度大小直接影響卷煙逐口通風率，卷煙紙透氣度 gt;70 CU時，抽吸時卷煙總通風率越高，可進一步稀釋主流煙氣，從而降低主流煙氣的釋 放量。

因此，提高卷煙紙透氣度可降低卷煙主流煙氣釋放量，這一特性在中支、細支、低焦卷煙新牌號開發中可發揮一定的作用，實際應用中可結合卷煙整體設計參數進行優化選擇。

2.1.2助燃劑含量對烘烤后卷煙紙透氣度的影響

圖3為不同助燃劑含量對烘烤后卷煙紙透氣度及透氣度上升百分比的影響。由圖3可知，在卷煙紙助燃劑含量 0.10%～4.27% 范圍內，隨助燃劑含量升高，烘烤后卷煙紙透氣度及透氣度上升百分比先增大后基本保持不變。烘烤后卷煙紙透氣度由57.0～59.9CU增大到 72.7～213.0CU 。原因是助燃劑對卷煙紙纖維的裂解具有正向催化作用[12]，隨著助燃劑含量提高，纖維裂解程度更大，烘烤后卷煙紙透氣度上升程度更高。同時，當卷煙紙助燃劑含量超過 2.0% 后，烘烤后卷煙紙透氣度基本保持不變，原因是過量檸檬酸鹽在裂解過程釋放的大量 CO₂ 會降低氧氣擴散效率[13]，從而阻礙氧氣接觸纖維，限制了纖維中纖維素和半纖維素的進一步裂解。

鄔志峰等研究表明，當助燃劑含量不超過 2.0% 時，提高卷煙紙助燃劑含量，可以通過提高卷煙紙碳化區透氣度的方式稀釋主流煙氣釋放量。當助燃劑含量超過 2.0% 后，卷煙紙碳化區透氣度基本保持不變，無法通過繼續增大卷煙紙助燃劑含量的方式來進一步降低主流煙氣釋放量，同時，過量添加助燃劑可能會引發阻燃效應，從而使卷煙主流煙氣釋放量增加。

本節通過實驗研究驗證了助燃劑降低卷煙煙氣的原因，并間接解釋了實際應用中，卷煙紙助燃劑含量最高選擇 2.0% 的原因。

2.1.3 助燃劑類型對烘烤后卷煙紙透氣度的影響

圖4為助燃劑類型對烘烤后卷煙紙透氣度及透氣度上升百分比的影響。由圖4可知，當助燃劑含量相同時，添加檸檬酸鉀的卷煙紙樣品，烘烤后卷煙紙透氣度及透氣度上升百分比均高于檸檬酸鈉卷煙紙樣品；原因是金屬鹽類助燃劑（如檸檬酸鉀、檸檬酸鈉）通過離解為 K⁺ 、 ΔNa⁺ 吸附于纖維表面而催化纖維素分子斷裂和分解[14，而檸檬酸鉀對卷煙紙纖維的催化裂解作用更強[15]，可顯著降低卷煙紙纖維熱解活化能，加速分解速率，從而使纖維更易裂解[16-7]。此外，鉀原子還原性強于鈉原子，其與氧氣的競爭性結合更強，使得檸檬酸鉀及承載檸檬酸鉀的纖維骨架更易發生裂解反應。

當助燃劑含量相同時，檸檬酸鉀相較于檸檬酸鈉使卷煙紙碳化區域透氣度更大（高20.3～37.3CU），使空氣對主流煙氣的稀釋效果更強，是檸檬酸鉀降低主流煙氣釋放量效果優于檸檬酸鈉的原因之一[18]。

2.2卷煙紙關鍵指標對烘烤后卷煙紙纖維形態的影響

2.2.1卷煙紙透氣度對烘烤后卷煙紙纖維形態的影響

表4為不同透氣度卷煙紙烘烤前后的纖維形態。由表4可知，卷煙紙烘烤后纖維長度變短，由 0.562～ 0.661mm 下降到 0.339～0.375mm ，而纖維寬度和粗度變大，原因是植物纖維經高溫烘烤熱解，結晶區分子鏈間氫鍵被破壞，結晶區變小，無定形區增大，從而更容易吸水潤脹，使得纖維寬度和粗度變大[19]。

圖5為不同透氣度卷煙紙烘烤前后不同長度纖維占比的變化情況。由圖5可知，卷煙紙烘烤前，纖維長度分布在 0.20～0.84mm 的占比為 56.4%～65.6% ，0.84～1.49mm 占比為 31.6%～40.4% ， 1.49～2.13mm 占比為 2.4%～3.0% ；卷煙紙烘烤后，纖維長度在 0.20～0.84mm 占比為 95.8%～98.2% ， 0.84～1.49mm 占比為1.80%～4.0% ， 1.49～2.13mm 占比為 0～0.2% ?？梢姴煌笟舛染頍熂堅诤婵竞?，分布在 0.84～1.49mm 和1.49～2.13mm 的纖維顯著減少， 0.20～0.84mm 的纖維顯著增加。原因是植物纖維經高溫烘烤時，纖維素、半纖維素等主要成分發生裂解，纖維分子內部結構產生變化，聚合度下降，從而使得長纖維裂解為短纖維。

圖3助燃劑含量對烘烤后卷煙紙透氣度及透氣度上升百分比的影響

Fig.3Efctofcombustionadditivecontentonair permeabilityofbaked cigarette paperand its increasepercentage

表4不同透氣度卷煙紙烘烤前后纖維形態

Table 4Fiber morphology of cigarette paper with different air permeability before and after baking

注纖維長度為算術平均值。

圖6為卷煙紙透氣度對烘烤前后卷煙紙纖維長度下降率的影響。烘烤前卷煙紙透氣度為19.3～180.2CU，由圖6可知，隨烘烤前卷煙紙透氣度增大，纖維長度下降率變化不大。原因是卷煙紙的骨架結構由植物纖維搭建而成，植物纖維在烘烤時發生裂解變短，而透氣度不會影響單根纖維的裂解，因此在卷煙紙植物纖維配比基本一致的情況下，纖維平均長度下降率也保持不變。

圖6卷煙紙透氣度對烘烤后卷煙紙纖維長度下降率的影響 Fig.6Effect of air permeability of cigarette paper on reduction rate of fiber length in baked cigarette paper

2.2.2助燃劑含量對烘烤后卷煙紙纖維形態的影響

表5為不同助燃劑含量卷煙紙烘烤前后的纖維形態。由表5可知，卷煙紙在烘烤后，纖維長度變短，由 0.601mm 下降到 0.333～0.387mm ，纖維寬度和粗度變大，這一現象的產生機理與2.2.1節所述的裂解效應一致。

圖7為助燃劑含量對烘烤后卷煙紙纖維長度下降率的影響。由圖7可知，當卷煙紙助燃劑含量在 0.1%～ 2.0% 范圍內變化時，纖維長度下降率隨助燃劑含量增加而變大，但當卷煙紙助燃劑含量達 2.0% 后，纖維長度下降率基本保持不變。原因是當助燃劑含量超過2.0% 后，檸檬酸鉀自身裂解產生的 CO₂ 具有阻隔空氣接觸纖維的作用，從而阻礙纖維進一步裂解[13]。

2.2.3 卷煙紙助燃劑類型對烘烤后卷煙紙纖維長度 的影響

表6為不同助燃劑類型卷煙紙烘烤前后的纖維形態。由表6可知，卷煙紙在烘烤后，纖維長度變短，纖維寬度和粗度變大。圖8為助燃劑類型對烘烤后卷煙紙纖維長度下降率的影響。由圖8可知，在助燃劑含量 0.1%～2.0% 范圍內，當助燃劑含量相同時，添加檸檬酸鉀卷煙紙烘烤后的纖維平均長度下降率大于檸檬酸鈉卷煙紙，高0.5～8.6個百分點。原因是檸檬酸鉀對卷煙紙纖維的催化裂解效果優于檸檬酸鈉[15]，使纖維長度下降率更大。

圖7助燃劑含量對烘烤后卷煙紙纖維長度下降率的影響 Fig.7Effect of combustion additive content on reduction rate of fiber length inbaked cigarette paper

圖8助燃劑類型對烘烤后卷煙紙纖維長度下降率的影響 Fig.8Effect of combustion additive type on reduction rate of fiber length in baked cigarette paper

表5不同助燃劑含量卷煙紙烘烤前后纖維形態

Table 5Fiber morphology of cigarete paper with different combustion additive content before and after baking

表6不同助燃劑類型卷煙紙烘烤前后纖維形態

Table 6Fiber morphology of cigarete paper with different combustion additive type before and after baking

3結論

3.1隨卷煙紙透氣度增大，烘烤后卷煙紙透氣度呈 線性增大趨勢，由19.3～180.2CU增大到89.2～ 551.8CU；纖維長度由 0.562～0.661mm 下降到0.339～ 0.375mm ○

3.2隨卷煙紙助燃劑含量升高，烘烤后卷煙紙透氣 度由57.0～59.9CU逐漸增大到72.7～213.0CU；纖 維長度由 0.601mm 下降到 0.333～0.387mm 。

3.3相同助燃劑含量時，檸檬酸鉀卷煙紙烘烤后的 透氣度比檸檬酸鈉高20.3～37.3CU，纖維長度下降 率比檸檬酸鈉卷煙紙高0.5～8.6個百分點。

3.4基于卷煙紙3個關鍵指標對烘烤后卷煙紙透氣 度和纖維形態的影響規律，結合已有研究文獻可初步 得出，卷煙紙可通過改變抽吸時的卷煙總通風率，進 而影響卷煙主流煙氣釋放。

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