馮亞婕FENG Ya-jie 王建民 - 梁 淼 穆 林 馬勝楠 - 王懷煦 - 徐凌鶴 g-

(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2. 貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,貴州 貴陽 550009)

包灰性能是衡量卷煙品質(zhì)、體現(xiàn)卷煙檔次的重要指標(biāo)。卷煙的包灰性能好，煙支燃燒后煙灰柱緊致美觀，包灰性能差，則煙支在抽吸過程中掉灰嚴(yán)重，不僅污染環(huán)境還影響消費(fèi)者的體驗(yàn)[1-3]。引起卷煙包灰性能差的因素有多種，其中最主要的是卷煙紙和煙絲燃燒速度的匹配性，如卷煙紙的燃燒速度大于煙絲的燃燒速度，導(dǎo)致煙絲來不及變成煙灰，包裹在煙絲外圍的卷煙紙就無法向內(nèi)凝結(jié)而散落[4-5]。

隨著卷煙技術(shù)的不斷發(fā)展以及消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)卷煙的追求，探索影響包灰性能因素和改善卷煙包灰性能受到研究者們的廣泛關(guān)注。例如，鄒中亮等[6]考察了卷煙紙定量、透氣度對(duì)包灰效果的影響，表明卷煙紙定量達(dá)到一定值后出現(xiàn)卷煙紙與煙絲燃燒不匹配現(xiàn)象，卷煙紙定量不宜超過40 g/m2，此外，在卷煙紙透氣度<90 CU時(shí)，提高透氣度有利于包灰性能和燃燒速度的提高。

建立卷煙包灰性能的評(píng)價(jià)方法[7-8]是指導(dǎo)提升卷煙品質(zhì)、改善包灰性能的基礎(chǔ)。程占剛等[9]建立了從包灰松緊度、裂紋、灰分顏色多方面對(duì)卷煙包灰進(jìn)行肉眼觀察和語言描述評(píng)價(jià)的方法，該方法涵蓋指標(biāo)全面，但存在主觀描述不準(zhǔn)確的問題；建立定量評(píng)價(jià)卷煙包灰性能的方法可減少人為影響因素，王道寬等[10]采用數(shù)碼相機(jī)拍照，利用ImageJ圖像處理軟件分析包灰灰柱裂紋比例，建立了基于包灰值的卷煙包灰性能定量分析方法，但方法中僅對(duì)卷煙灰柱搭口背面進(jìn)行裂紋分析，不能全面反映整個(gè)灰柱的包灰狀況，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，方法穩(wěn)健性有待提高。

本研究擬從卷煙燃燒面選擇、燃燒灰柱高度確定及圖像分析時(shí)適宜的灰柱寬度選取三方面對(duì)基于ImageJ軟件[11]的卷煙包灰值測定方法進(jìn)行優(yōu)化，以建立全面準(zhǔn)確地定量評(píng)價(jià)卷煙包灰性能的方法，并提高其重復(fù)性和可靠性。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器及設(shè)備

試驗(yàn)樣品：市售的4種不同檔次的卷煙，以下稱為1#、2#、3#、4#；

卷煙包灰性能測試箱：自行設(shè)計(jì)并搭建的，結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖見圖1；

恒溫恒濕箱：KBF240型，德國Binder公司；

數(shù)碼相機(jī)：佳能EOS70D型，佳能(中國)有限公司。

1. 箱體 2. 排煙裝置 3. 箱體支座 4. 柔性導(dǎo)管 5. 煙支固定玻璃導(dǎo)管(長) 6. 拍照背景布 7. 包灰測試架 8. 卷煙

圖1 卷煙包灰性能測試箱結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

Figure 1 Structural diagram and physical map of burning cigarette ash integration test box

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1) 單支卷煙單個(gè)燃燒面試驗(yàn)方案：參照文獻(xiàn)[10]中測定卷煙包灰值的方法，選取15支進(jìn)行包灰值測定，取其平均值作為測定結(jié)果。制作卷煙灰柱時(shí)，將煙支燃燒長度設(shè)定為距離接裝紙1 cm處，并選取卷煙紙搭口背對(duì)相機(jī)的方向進(jìn)行拍照；進(jìn)行圖片處理時(shí)，使用25 mm×15 mm的矩形框從距離煙支燃燒端5 mm處由上而下截取圖片區(qū)域。

(2) 3支卷煙3個(gè)燃燒面試驗(yàn)方案：為考察不同燃燒面對(duì)測量結(jié)果的影響，取45支卷煙隨機(jī)分成15組、每組3支；同組內(nèi)的3支卷煙分別測定不同燃燒面(卷煙紙搭口面、卷煙紙搭口背面、卷煙紙搭口側(cè)面，以下分別稱為A、B、C面)的包灰值，取3個(gè)燃燒面的平均值為該組的測定結(jié)果，取15組的平均值作為最終測定結(jié)果。其他條件不變，卷煙3個(gè)不同燃燒面示意圖見圖2。

(3) 不同灰柱高度及圖像選取區(qū)域?qū)挾仍囼?yàn)方案：為考察灰柱高度及圖像選區(qū)區(qū)域?qū)挾葘?duì)測量結(jié)果的影響，在3支卷煙3個(gè)燃燒面試驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，制作灰柱時(shí)將卷煙燃燒高度分別設(shè)定為距離接裝紙1.0，1.5，2.0 cm處；進(jìn)行圖像處理時(shí)，矩形選取框高度不變、寬度由15.00 mm縮小至6.46 mm(圖3)，且從灰柱底部標(biāo)記線處由下而上選取圖片區(qū)域。

圖2 燃燒面選擇Figure 2 The selection of combustion surface

圖3 不同區(qū)域選擇Figure 3 Different area selection

1.2.2 測定步驟及方法

(1) 樣品準(zhǔn)備：試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)樣品在溫度為(22±1) ℃，相對(duì)濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h[12]；按照試驗(yàn)方案要求的灰柱高度在距離接裝紙1.0，1.5，2.0 cm處劃線作標(biāo)記。

(2) 灰柱圖片采集：點(diǎn)燃煙支并垂直放置于測試箱內(nèi)的煙支架上，依照試驗(yàn)方案要求使相應(yīng)燃燒面正對(duì)相機(jī)，待到煙支燃燒至標(biāo)記線處時(shí)立即用數(shù)碼相機(jī)拍照。試驗(yàn)過程中相機(jī)位置始終保持不變，相機(jī)參數(shù)設(shè)定為：感光度400，對(duì)焦500，光圈5.6，照明條件為白熾燈，曝光模式選擇AV(光圈優(yōu)先自動(dòng)曝光)，單點(diǎn)伺服對(duì)焦。

(3) 圖片處理：將采集的灰柱圖片導(dǎo)入電腦，啟動(dòng)ImageJ軟件。使用Open(打開)功能打開需處理的圖片，使用Split Channels(分開色頻)功能對(duì)灰柱圖片分離三原色，并選擇分離之后的Blue(藍(lán)色)基色。使用Straight Line(直線選取)工具設(shè)置比例，根據(jù)試驗(yàn)方案要求截取灰柱圖片并復(fù)制。使用Adjust Threshold(調(diào)節(jié)閾值)功能使區(qū)域內(nèi)灰柱中的裂紋盡可能顯色并應(yīng)用，見圖4(a)。運(yùn)行Plugins(插件)功能打開已安裝的Macros(宏)，并計(jì)算灰柱的黑白比例，其中Percent White(白色所占比例)即為包灰值[13]，見圖4(b)。

圖4 包灰值計(jì)算結(jié)果圖Figure 4 Calculation of ash integration value

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，并通過計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差說明試驗(yàn)重復(fù)性，進(jìn)而采用Spss數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單支卷煙單個(gè)燃燒面試驗(yàn)

按照單支卷煙單個(gè)燃燒面試驗(yàn)方案測量4種不同卷煙的包灰值，結(jié)果見表1。1#～4#卷煙的包灰值分別為2.086，1.924，2.607，1.760；方差分析結(jié)果為極顯著(P=0.004)，表明采用單支卷煙單個(gè)燃燒面的包灰值能夠區(qū)分不同卷煙的包灰性能。各牌號(hào)卷煙包灰值測量結(jié)果的RSD為26.18%～34.52%，說明測量結(jié)果的重復(fù)性較差。

2.2 3支卷煙3個(gè)燃燒面試驗(yàn)

針對(duì)單支卷煙單個(gè)燃燒面的包灰值測定結(jié)果重復(fù)性差的問題，文獻(xiàn)[10]提出了首先將5支卷煙的測量結(jié)果取平均值、然后利用10組的平均值計(jì)算RSD的解決方案。然而這種數(shù)據(jù)處理方法缺乏依據(jù)，煙支分組方式不同結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)較大的出入，并且燃燒面均為搭口背面，不能從不同角度全面地反映卷煙整體包灰狀況。為此，本研究提出了3支卷煙3個(gè)燃燒面為一組的優(yōu)化方案。

表1 各牌號(hào)卷煙包灰值測定結(jié)果Table 1 The results of different brand cigarette ash integration value

4種牌號(hào)卷煙的3支卷煙3個(gè)燃燒面試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，對(duì)同一牌號(hào)、不同燃燒面的包灰值測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，A面的包灰值普遍低于B、C面，表明不同卷煙燃燒面包灰狀況不一，尤其是搭口面朝向會(huì)影響包灰值測量結(jié)果，因此，綜合3個(gè)燃燒面的測量結(jié)果可以更全面地反映卷煙的包灰性能；1#～4#卷煙的包灰值分別為2.783，1.694，2.931，3.036，方差分析結(jié)果為極顯著(P=0.000)，表明采用3支卷煙3個(gè)燃燒面測量結(jié)果的均值能夠有效區(qū)分不同卷煙的包灰性能；測量結(jié)果的RSD為17.09%～23.70%，與單支卷煙單個(gè)燃燒面相比重復(fù)性明顯改善。

表2 各品牌不同燃燒面包灰值測定結(jié)果Table 2 The results of cigarette ash integration value of each combustion surface

2.3 不同灰柱高度及圖片選擇區(qū)域?qū)挾仍囼?yàn)

實(shí)際測量過程中發(fā)現(xiàn)，由于存在不同程度的外翻灰片和灰柱彎曲現(xiàn)象，圖像區(qū)域選擇的位置和寬度對(duì)包灰值測量結(jié)果及其重復(fù)性有較大影響。

2.3.1 外翻灰片對(duì)測量結(jié)果的影響 不同卷煙產(chǎn)生外翻灰片的數(shù)量和程度不同，選擇圖像區(qū)域時(shí)如果將外翻灰片也包含進(jìn)去，會(huì)導(dǎo)致以下不利影響：① 所選區(qū)域中包含外翻灰片之外的空白(無效)區(qū)域，且空白區(qū)域面積的大小與外翻灰片的數(shù)量和程度有關(guān)；② 外翻灰片與灰柱間的陰影會(huì)影響裂紋的識(shí)別。為此，將圖像選取區(qū)域?qū)挾扔芍暗?5.00 mm縮小至6.46 mm(略小于灰柱主體直徑)，以消除外翻灰片的影響。

2.3.2 灰柱彎曲對(duì)測量結(jié)果的影響 當(dāng)灰柱達(dá)到一定高度時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲、且頂端彎曲更明顯，使用縮小寬度后的矩形框選擇圖片區(qū)域時(shí)容易導(dǎo)致彎曲部分出框，并在選擇區(qū)域內(nèi)形成空白區(qū)域。另外，由于煙支“緊頭”、初始燃燒狀態(tài)不同等可能導(dǎo)致頂端包灰性能與其他部位存在差異?；谏鲜鲈?，將選擇圖片區(qū)域的方式改為從灰柱底部標(biāo)記線處由下而上選取，同時(shí)選取不同的燃燒高度，以考察灰柱彎曲對(duì)灰柱高度的影響，結(jié)果見表3。

灰柱高度對(duì)同牌號(hào)卷煙平均包灰值的影響不大，但對(duì)RSD的影響較大，表現(xiàn)為隨灰柱高度的增大，RSD呈降低的趨勢?？紤]到進(jìn)一步增加灰柱高度時(shí)不僅會(huì)延長測量時(shí)間，灰柱出現(xiàn)斷裂的頻率也升高，因此，將拍照時(shí)機(jī)定在煙支燃燒至距離接裝紙1.0 cm處；與表2所示測量結(jié)果相比，縮小圖片選擇區(qū)域?qū)挾群蟀抑禍y量結(jié)果明顯升高，以標(biāo)記線1 cm 時(shí)的測量結(jié)果為例，1#～4#樣品的升幅分別為22.6%，128.6%，32.0%，82.5%；4個(gè)樣品包灰值排列順序也由原來的4#>3#>1#>2#變成了4#>2#>3#>1#?？梢?，縮小圖片選擇區(qū)域?qū)挾取⑴懦夥移蟀抑禍y量結(jié)果發(fā)生了明顯變化，這應(yīng)當(dāng)是與減少了圖片選擇區(qū)域內(nèi)的空白區(qū)域的面積有關(guān)。

表3 不同灰柱高度小區(qū)域選取時(shí)包灰值測定結(jié)果Table 3 Determination of ash value with different height of ash column and selection of small area

3 結(jié)論

(1) 采用灰柱拍照、ImageJ圖片分析技術(shù)定量測量卷煙包灰值時(shí)，由于卷煙紙搭口的原因，拍照方向?qū)y量結(jié)果的影響較大；且以單支卷煙、單個(gè)燃燒面為單位測量結(jié)果的重復(fù)性也較差。為此，提出了3支卷煙、3個(gè)燃燒面為一組的改進(jìn)方案，即以3支卷煙為1組，分別從正對(duì)搭口、背對(duì)搭口、側(cè)對(duì)搭口3個(gè)方向?qū)θ紵蟮幕抑M(jìn)行拍照、分析，并取3支卷煙測量結(jié)果的平均值作為一次測量結(jié)果?！?支3面”測量方案能夠更全面地反映卷煙的整體包灰性能，并能明顯改善測量結(jié)果的重復(fù)性。

(2) 拍照時(shí)的灰柱高度和分析時(shí)的圖片選擇區(qū)域?qū)挾葘?duì)包灰值測量結(jié)果及其重復(fù)性也有較大影響。在圖片選擇區(qū)域高度一定時(shí)，適當(dāng)增加灰柱高度并以灰柱底部為起點(diǎn)選擇圖片區(qū)域，有利于避開頂部彎曲現(xiàn)象對(duì)測量結(jié)果的影響，提高重復(fù)性；將圖片選擇區(qū)域?qū)挾认薅ㄔ诨抑睆椒秶詢?nèi)，則可以避免外翻灰片對(duì)測量結(jié)果的影響，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度。

(3) 與改進(jìn)前相比，4個(gè)參試樣品重復(fù)測量結(jié)果的RSD由26.18%～34.52%下降到15.3%～20.6%，改進(jìn)效果較明顯。

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