王亞林，鄧 楠，王 樂(lè)，郝喜良，顧永圣，李煥威，李 斌，王 兵*

1. 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

2. 江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，南京市建鄴區(qū)夢(mèng)都路30 號(hào) 210019

3. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣州市天河區(qū)林和西橫路186 號(hào) 510385

卷煙輔助材料（成型紙、卷煙紙、接裝紙、濾棒）的合理組合是當(dāng)前煙草企業(yè)實(shí)現(xiàn)降焦減害和提升感官質(zhì)量的常見(jiàn)方法［1］。其中關(guān)于卷煙紙透氣度對(duì)常規(guī)卷煙燃燒狀態(tài)的影響已有較多的研究［2-5］。江威等［6］研究了卷煙紙透氣度對(duì)卷煙燃燒錐溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)陰燃過(guò)程中，隨著卷煙紙透氣度的逐漸增大，煙支高溫區(qū)面積有增大的趨勢(shì)；燃吸過(guò)程中，在卷煙紙透氣度從30 CU 逐漸增大到137 CU 過(guò)程中，煙支高溫區(qū)面積先增大后減小。謝國(guó)勇等［7］研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)卷煙在燃吸過(guò)程中，燃燒錐最高溫度、燃燒錐體積和特征溫度在透氣度為70 CU 時(shí)，變化趨勢(shì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。目前細(xì)支卷煙的卷煙紙?jiān)O(shè)計(jì)大多借鑒常規(guī)卷煙的研究結(jié)果。但是細(xì)支卷煙與常規(guī)卷煙在卷煙物理性質(zhì)、燃燒速率、燃燒溫度、煙氣成分、和抽吸行為等方面都存在一定的差異［8］，已有的關(guān)于卷煙紙透氣度對(duì)常規(guī)卷煙燃燒狀態(tài)的影響規(guī)律有可能無(wú)法完全適用于細(xì)支卷煙。因此，利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的卷煙燃吸溫度分布檢測(cè)儀對(duì)不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙樣品進(jìn)行分析，考察了卷煙紙透氣度對(duì)細(xì)支卷煙燃燒過(guò)程的影響，并結(jié)合燃吸時(shí)的卷煙吸阻結(jié)果，分析卷煙紙透氣度對(duì)卷煙燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響的原因，旨在為燃燒機(jī)制的分析和細(xì)支卷煙輔材的合理設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

選用同一批次卷制的細(xì)支卷煙，樣品的卷煙紙透氣度分別為30、40、50、60、70 和80 CU。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品前處理

將不同卷煙紙透氣度（30～80 CU）的細(xì)支卷煙樣品單層均勻地放置在GB/T 16447—2004［9］規(guī)定的環(huán)境中調(diào)節(jié)48 h，挑選（平均質(zhì)量±5）mg 和（平均封閉吸阻±49）Pa 范圍內(nèi)的合格卷煙樣品。對(duì)于挑選好的合格卷煙樣品，使用寬度為19 mm 的Scotch 膠帶單層纏繞卷煙濾嘴1 圈，100%堵塞濾嘴通風(fēng)孔，作為本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試樣品。

1.2.2 卷煙氣相溫度分布的檢測(cè)

利用實(shí)驗(yàn)室自行研制的卷煙燃吸溫度分布檢測(cè)儀檢測(cè)卷煙燃燒錐內(nèi)部氣相溫度，檢測(cè)方法及溫度數(shù)據(jù)前處理方法同文獻(xiàn)［10-13］。

1.2.3 卷煙吸阻的檢測(cè)

參考專(zhuān)利文獻(xiàn)［14］，通過(guò)改造溫控型單孔道吸煙機(jī)，搭建細(xì)支卷煙動(dòng)態(tài)吸阻檢測(cè)裝置。在進(jìn)行細(xì)支卷煙溫度分布檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)抽吸過(guò)程中的細(xì)支卷煙動(dòng)態(tài)吸阻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品參數(shù)

對(duì)試驗(yàn)樣品的卷煙紙透氣度參數(shù)進(jìn)行抽樣（10 支）檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，卷煙紙透氣度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.62 CU，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在4%～8%范圍內(nèi)。

表1 卷煙紙透氣度參數(shù)Tab.1 Parameters of cigarette paper permeability

2.2 卷煙紙透氣度對(duì)細(xì)支卷煙燃燒狀態(tài)特征參數(shù)的影響

在卷煙燃吸過(guò)程中，以燃燒錐（卷煙內(nèi)部溫度大于200 ℃的區(qū)域）的體積（V）、最高溫度（Tmax）和特征溫度T0.5（該溫度以上的空間累計(jì)體積占燃燒錐體積的50%）作為燃燒狀態(tài)特征參數(shù)［13］。圖1是不同細(xì)支卷煙樣品在整個(gè)燃吸過(guò)程中燃燒錐最高溫度（Tmax）的變化情況?？梢钥闯?，在抽吸過(guò)程（0～2 s）中，所有卷煙樣品的Tmax呈先增大后減小的趨勢(shì)。隨著卷煙紙透氣度（30～70 CU）的增大，卷煙在抽吸過(guò)程中Tmax的最大值逐漸增大，當(dāng)透氣度大于70 CU 時(shí)，Tmax的最大值開(kāi)始減小。卷煙樣品在抽吸過(guò)程中的溫度是煙絲燃燒產(chǎn)生的熱量和熱量散失綜合作用的結(jié)果。由于Tmax僅為各個(gè)時(shí)刻燃燒錐溫度的最大值，受偶然因素的影響較大，因此僅以最高溫度的變化很難準(zhǔn)確表征卷煙燃燒狀態(tài)的變化規(guī)律。

圖1 卷煙紙透氣度對(duì)細(xì)支卷煙燃燒錐最高溫度（T max）的影響Fig.1 Effects of cigarette paper permeability on T max of slim cigarettes

圖2 為細(xì)支卷煙在完整抽吸過(guò)程中燃燒錐特征溫度T0.5均值與燃燒錐體積V 均值隨卷煙紙透氣度的變化情況。由圖2 可以看出，隨著卷煙紙透氣度的增大，抽吸過(guò)程中T0.5均值和V 均值大致呈先減小后增大的趨勢(shì)。圖3 是不同卷煙紙透氣度細(xì)支卷煙樣品的燃燒錐體積V 均值和特征溫度T0.5均值的線(xiàn)性擬合結(jié)果。如圖3 所示，相關(guān)系數(shù)為0.804 7，細(xì)支卷煙抽吸過(guò)程中燃燒錐體積V 均值與特征溫度T0.5均值呈一定的正相關(guān)關(guān)系。

圖2 卷煙紙透氣度對(duì)細(xì)支卷煙T0.5均值（a）和V 均值（b）的影響Fig.2 Effects of cigarette paper permeability on means of T0.5 (a) and V (b) of slim cigarettes

圖3 不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙V 均值與T0.5均值的關(guān)系Fig.3 Relationship between mean V and mean T0.5 of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

2.3 卷煙紙透氣度對(duì)細(xì)支卷煙燃燒速率的影響

根據(jù)燃燒錐遷移的距離與時(shí)間的關(guān)系，燃燒速率（v）可以表示為［15］：

式中：L1、L2分別為在t1、t2時(shí)刻下，累計(jì)體積到達(dá)燃燒錐體積50%的溫度區(qū)域質(zhì)心的中心軸向坐標(biāo)。

不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙的燃燒速率參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2。①對(duì)表2 中靜燃階段的不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙樣品的平均靜燃速率進(jìn)行方差分析得P 值為0.319 7＞0.05，則認(rèn)為不同透氣度的卷煙樣品的平均靜燃速率大致相同。在該階段，空氣主要通過(guò)自然擴(kuò)散進(jìn)入燃燒錐中，卷煙紙透氣度的改變對(duì)靜燃速率的影響程度較弱。②對(duì)表2 中不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙樣品在抽吸過(guò)程的平均燃燒速率進(jìn)行方差分析得P 值為0.002 1＜0.05，即存在顯著差異。

表2 不同透氣度卷煙紙卷煙的燃燒速率相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters relative to burning rate of cigarettes with different cigarette paper permeability

由表2 可知，在抽吸階段，隨著卷煙紙透氣度（30～80 CU）的增加，抽吸過(guò)程的平均燃燒速率先減小后增大。對(duì)不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙樣品在抽吸過(guò)程中的平均燃燒速率進(jìn)行多重比較分析發(fā)現(xiàn)：卷煙紙透氣度為30 CU 的卷煙樣品數(shù)據(jù)存在顯著差異，其他卷煙紙透氣度參數(shù)的樣品數(shù)據(jù)之間差異不顯著。這可能是由于相鄰實(shí)驗(yàn)樣品的卷煙紙透氣度的差值較小，故隨著卷煙紙透氣度的增大，相同卷煙紙透氣度差值所造成的平均燃燒速率的影響作用減弱，使得卷煙樣品之間燃燒速率的差異性不明顯。

2.4 卷煙紙透氣度對(duì)卷煙吸阻的影響

對(duì)不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙樣品在溫度分布檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采集動(dòng)態(tài)吸阻，對(duì)動(dòng)態(tài)吸阻隨抽吸時(shí)間的變化曲線(xiàn)進(jìn)行積分并取均值，獲得卷煙吸阻R點(diǎn)燃［14］，將R點(diǎn)燃與未點(diǎn)燃細(xì)支卷煙樣品在抽吸過(guò)程中的卷煙吸阻R未點(diǎn)燃作對(duì)比，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙吸阻值Tab.3 Draw resistance of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

未點(diǎn)燃卷煙在定容量（ISO 方法）抽吸過(guò)程中，隨著卷煙紙透氣度的增大，從卷煙紙進(jìn)入的空氣量增大，從煙支端進(jìn)入的空氣量減小，造成卷煙吸阻R未點(diǎn)燃逐漸降低。上述結(jié)果與顏水明等［16］的研究結(jié)果吻合，隨著卷煙紙透氣度的增大，煙氣稀釋率增大，即從卷煙紙進(jìn)入的空氣總量增大。

由表3 可知，①不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙R點(diǎn)燃的最大差值為234 Pa，R未點(diǎn)燃的最大差值為125 Pa，即卷煙燃燒錐的存在使得不同卷煙紙透氣度的細(xì)支卷煙吸阻差異增大。這是因?yàn)榫頍熑紵龝r(shí)溫度升高，空氣進(jìn)入燃燒錐時(shí)的流速升高，吸阻值上升；其次由達(dá)西定律可知，溫度的上升引起氣體黏度的增大，卷煙的吸阻值也隨之增大［17］。②在卷煙紙透氣度從30 CU 逐步增加到60 CU 左右的過(guò)程中，細(xì)支卷煙的R點(diǎn)燃減小。這是因?yàn)樵诙ㄈ莩槲^(guò)程中，空氣從煙支燃燒錐端進(jìn)入的總量逐漸減少，減弱了卷煙的燃燒過(guò)程，燃燒錐溫度下降也引起氣體黏度減小；同時(shí)，燃燒錐體積V 減小造成空氣進(jìn)入卷煙內(nèi)部的流速降低，細(xì)支卷煙R點(diǎn)燃下降，致使卷煙瞬時(shí)燃燒速率也隨之降低。

圖4 為不同卷煙紙透氣度（30～80 CU）的細(xì)支卷煙樣品在ISO 抽吸過(guò)程中特定時(shí)刻（0、0.5、1.0、1.5、2.0 s）的軸向截面溫度分布偽彩圖。由圖4 可以看出，隨著卷煙紙透氣度（60～80 CU）的增大，在同一時(shí)刻（如1.0 s）下，卷煙直徑中心處與邊緣處的溫度差減小。這可能是因?yàn)樵诙ㄈ萘砍槲^(guò)程中，有部分空氣會(huì)從阻力較小的卷煙燃燒線(xiàn)處進(jìn)入卷煙燃燒區(qū)域［18］，卷煙紙透氣度的增大使得從卷煙燃燒線(xiàn)處進(jìn)入的空氣流量上升，促使該邊緣處煙草材料的燃燒加劇，放熱增強(qiáng)，燃燒錐體積V增大，氣體黏度也隨著卷煙溫度的上升而升高，卷煙吸阻R點(diǎn)燃增大，卷煙瞬時(shí)燃燒速率也隨之升高。

圖4 不同卷煙紙透氣度細(xì)支卷煙樣品溫度分布偽彩圖Fig.4 Pseudo-color images of temperature distribution of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

從上述結(jié)果分析可知，卷煙紙透氣度（30～80 CU）對(duì)細(xì)支卷煙的燃燒速率和吸阻具有明顯影響。吸阻的減小能夠增加卷煙抽吸的舒適度，提高抽吸前后的一致性，而降低卷煙的燃燒速率使抽吸過(guò)程中的單口耗絲量減小，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)還能夠起到降焦減害的作用。因此在細(xì)支卷煙生產(chǎn)加工過(guò)程中，通過(guò)選擇合適的卷煙紙透氣度可以使其燃燒速率和吸阻R點(diǎn)燃均達(dá)到較低的水平。

3 結(jié)論

研究了不同卷煙紙透氣度（30～80 CU）對(duì)細(xì)支卷煙樣品燃燒狀態(tài)的影響，可知：在卷煙抽吸過(guò)程中，①隨著卷煙紙透氣度的增大，細(xì)支卷煙R未點(diǎn)燃逐漸減小；R點(diǎn)燃先降低再升高，R點(diǎn)燃與R未點(diǎn)燃的差值先減小再增大，均在60 CU 時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折；②燃燒錐特征溫度T0.5均值和燃燒錐體積V 均值在抽吸過(guò)程中先減小后增大，最小值出現(xiàn)在60 CU 處；③卷煙紙透氣度的變化對(duì)卷煙的靜燃速率無(wú)顯著影響；抽吸過(guò)程平均燃燒速率隨著卷煙紙透氣度的增大先減小后增大，最小值出現(xiàn)在60 CU 處；④燃燒錐最高溫度（Tmax）在抽吸過(guò)程中的最大值隨著透氣度的增大而增大，在透氣度為70 CU 時(shí)最大。