朱 波，陳智鳴，張旭升，王 浩，關(guān) 欣，劉洪坤，蒙建寶，韓 帥，姚光明，鄧國棟*

1. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，山東省青島市嶗山區(qū)株洲路137號 2661002. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠，南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)北湖南路28號 5300013. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

現(xiàn)行煙絲結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)通過測定煙絲中長絲、中絲、短絲、碎絲的比例，以整絲率、碎絲率大小反映煙絲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣［1］。煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理質(zhì)量及其穩(wěn)定性均有不同程度的影響［2-4］。同時(shí)卷煙規(guī)格不同，各尺寸煙絲對卷煙質(zhì)量影響不同。申曉峰等［5］研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)卷煙中2.80～4.75 mm 煙絲占比對單支質(zhì)量和煙支密度的穩(wěn)定性影響較大。楚晗等［6］發(fā)現(xiàn)短支卷煙中1.00～2.50 mm 煙絲占比影響吸阻、硬度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差；3.35～5.00 mm 煙絲占比影響端部落絲量。朱波等［7］研究發(fā)現(xiàn)細(xì)支卷煙中大于5.6 mm 和1.00～3.35 mm 煙絲占比對物理指標(biāo)影響較大。隨著中支卷煙產(chǎn)銷量的增加，中支卷煙圓周減小、長度增加，煙絲結(jié)構(gòu)必然需要進(jìn)行相應(yīng)的變化。針對煙絲結(jié)構(gòu)的調(diào)控，行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了大量研究，2019 年張勝華等［8］通過在片煙貯葉后增設(shè)在線調(diào)控單元，發(fā)現(xiàn)增設(shè)調(diào)控單元后大片率降低、中小片率提高，煙絲結(jié)構(gòu)得到改善，同時(shí)煙支物理質(zhì)量穩(wěn)定性顯著提升。朱成文等［9］研究發(fā)現(xiàn)采用定長切絲技術(shù)，細(xì)支卷煙煙絲特征尺寸降低，煙絲均勻性改善。王震等［10］通過研究柔性斷絲技術(shù)在細(xì)支卷煙中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)與不調(diào)控相比，調(diào)控后煙絲長絲率顯著降低，中短絲比例升高，卷制后細(xì)支卷煙物理質(zhì)量及穩(wěn)定性得到提高。通過調(diào)控?zé)熃z結(jié)構(gòu)可以提高煙絲卷制適應(yīng)性，促進(jìn)卷煙產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性提升，但現(xiàn)有煙絲結(jié)構(gòu)表征方法（整絲率、碎絲率）并不能全面反映調(diào)控后煙絲尺寸的變化情況。為此，在煙絲形態(tài)調(diào)控技術(shù)基礎(chǔ)上，以煙絲特征長度表征煙絲形態(tài)（即煙絲整體尺寸分布），通過調(diào)控中支卷煙煙絲特征長度，明確煙絲形態(tài)與中支卷煙煙支質(zhì)量指標(biāo)及穩(wěn)定性關(guān)系，確定中支卷煙適宜的煙絲特征長度范圍，旨在為工業(yè)企業(yè)提高中支卷煙產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器和設(shè)備

“ZL”牌中支卷煙及對應(yīng)原材料（葉組配方、料香配方、輔材等，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

ZD-T25 振動(dòng)篩分儀（德國Haver & Boecker 公司）；PL203型電子天平［感量0.0001 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司］；KBF 型恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；D51 型填充值測定儀（德國Factory Densimeter 公司）；OM-VM 型卷煙綜合測試臺(tái)、OM-VM 型卷煙硬度測定儀（北京歐美利華科技有限公司）；YDZ-Ⅱ型端部落絲測定儀（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；CFP800A 型卷煙落頭傾向測試儀、i-TDR100 動(dòng)態(tài)吸阻測定儀、煙絲形態(tài)調(diào)控設(shè)備（鄭州煙草研究院）；MW4420 型密度測定儀（德國Tews Elekteronik公司）。

4800 kg/h制絲生產(chǎn)線、ZJ17中支卷煙卷接包裝設(shè)備（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠在用設(shè)備）。

1.2 煙絲形態(tài)調(diào)控裝置

煙絲形態(tài)調(diào)控裝置［11］主要由煙絲分選裝置、煙絲剪切裝置和移動(dòng)伸縮皮帶裝置組成，如圖1所示。該裝置設(shè)置于葉絲干燥出口處，安裝在原振槽上方。移動(dòng)伸縮皮帶裝置用于連接煙絲形態(tài)調(diào)控裝置和烘絲出口振槽，不用時(shí)收起。煙絲分選裝置篩選出煙絲中的長絲，并由煙絲剪切裝置將挑選出的煙絲截短。通過設(shè)置不同輥篩頻率可以調(diào)節(jié)進(jìn)入切刀的長絲比例，即可改變煙絲整體尺寸分布。

圖1 煙絲形態(tài)調(diào)控裝置示意圖Fig.1 Control device for tobacco strand morphology

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

采用煙絲形態(tài)調(diào)控設(shè)備對4 個(gè)批次煙葉樣品的煙絲形態(tài)進(jìn)行調(diào)控，但有1個(gè)批次不進(jìn)行調(diào)控，通過調(diào)整輥篩頻率（輥篩頻率分別為35、40、45、50 Hz），調(diào)節(jié)進(jìn)入切刀的長絲比例，改變煙絲尺寸分布。待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在風(fēng)選出口、卷煙機(jī)VE機(jī)后身（卷制前）及卷煙機(jī)煙槍處進(jìn)行人工取樣，取樣間隔1 min，連續(xù)取樣3 次，每次1400 g。將取出樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%環(huán)境下平衡48 h備用。

每批次樣品使用同一卷煙機(jī)臺(tái)進(jìn)行煙支卷制，卷煙機(jī)設(shè)備參數(shù)一致，平準(zhǔn)盤規(guī)格為“三深三淺（深槽2.5 mm×20 mm、淺槽1.0 mm×20 mm）”，使用相同規(guī)格的接裝紙、卷煙紙及濾棒等材料，待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后于卷煙機(jī)出口進(jìn)行取樣備用，各批次各取樣1000 支。將樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%環(huán)境下平衡48 h備用。

1.3.2 測試方法

1.3.2.1 煙絲形態(tài)表征［12］

取風(fēng)選后、卷制前及卷制后各400 g 樣品，采用四分法縮至（100.0±10.0）g，通過振動(dòng)篩分儀對煙絲進(jìn)行分層，其中各層篩網(wǎng)孔徑分別為8.00、6.70、5.60、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.40、0.70 mm，樣品處理后統(tǒng)計(jì)各層篩網(wǎng)樣品累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，記為F，對應(yīng)篩網(wǎng)孔徑記為q，利用煙絲尺寸分布方程（1）得出方程中參數(shù)a和p。

將a和p代入方程（2）中計(jì)算煙絲特征長度d。

式中：d值為煙絲累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)對應(yīng)的篩網(wǎng)孔徑，值越大，說明煙絲整體尺寸越大；p值能夠反映煙絲尺寸分布的均勻性，該值越大，煙絲尺寸分布范圍越窄，煙絲尺寸分布均勻性越好。

1.3.2.2 煙支密度［13］及分布一致性表征

每批次樣品取樣20 支，重復(fù)3 次，測定煙支的密度，并將獲取的煙支密度數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣化處理，

由m×n個(gè)數(shù)組成，記為Am×n，其中n為煙支數(shù)量，m為煙支密度值，aij代表第j支卷煙在第i個(gè)位置處的密度值。向量B 為m×1 個(gè)數(shù)組成的列向量，記為Bm×1，其中令，…，m。矩 陣和向量η′=［η1η2…ηm］，其中且dij服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N（0，1），ηi=，…，n，ηi越小，一致性越好，評價(jià)指標(biāo)η越小，說明該種類煙支的密度越接近于設(shè)計(jì)期望值。

1.3.2.3 動(dòng)態(tài)吸阻［14］及分布一致性表征

每個(gè)卷煙樣品重復(fù)測定5次，為防止抽吸過程濾嘴逐口通風(fēng)率的變化對動(dòng)態(tài)吸阻的影響，使用3M膠帶將卷煙濾嘴通風(fēng)孔封閉，測定每個(gè)樣品的逐口動(dòng)態(tài)吸阻平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和煙支間分布一致性系數(shù)η。平均值指煙支軸向動(dòng)態(tài)吸阻的平均值，由煙支逐口吸阻的算術(shù)平均值計(jì)算得到，煙支軸向動(dòng)態(tài)吸阻的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差這兩個(gè)指標(biāo)反映了煙絲在軸向上的動(dòng)態(tài)吸阻均勻性。卷煙動(dòng)態(tài)吸阻分布一致性系數(shù)η表示煙支間軸向動(dòng)態(tài)吸阻的差異性，η值越小代表差異性越小，其表征方法同煙支密度分布一致性的表征方法一致。

1.3.2.4 煙支物理指標(biāo)檢測

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法和文獻(xiàn)測定方法測定煙絲填充值［15］、煙支質(zhì)量［16］、總通風(fēng)［17］、靜態(tài)吸阻［18］、煙支硬度［19］、空頭率［20］、端部落絲［21］及燃燒錐落頭傾向［22］。

2 結(jié)果與分析

2.1 輥篩頻率對煙絲品質(zhì)的影響

改變煙絲形態(tài)調(diào)控裝置輥篩篩分頻率，可以調(diào)整進(jìn)入煙絲剪切裝置的煙絲量。輥篩頻率降低，篩分時(shí)間增加，篩分裝置篩下的煙絲增多，進(jìn)入剪切裝置的煙絲減少。在一定范圍內(nèi)，輥篩頻率不同，調(diào)控后的煙絲形態(tài)也不同。輥篩頻率變化對煙絲品質(zhì)的影響見表1。由表1 可知：①與對照相比，調(diào)控后的煙絲在風(fēng)選后取樣，煙絲填充值有所降低；隨篩分頻率增加，煙絲填充值呈降低趨勢；②通過煙絲形態(tài)調(diào)控風(fēng)選后、卷制前及卷制后煙絲特征長度均低于對照樣品，說明煙絲形態(tài)調(diào)控裝置可以使煙絲整體尺寸降低；③與對照相比，調(diào)控后各處理的均勻性系數(shù)均減?。浑S篩分頻率增加，煙絲均勻性系數(shù)整體上呈略有降低趨勢。輥篩頻率與特征長度關(guān)系見圖2。由圖2可知，調(diào)控后隨著輥篩頻率增加，風(fēng)選后、卷制前及卷制后煙絲特征長度均呈逐漸降低的趨勢，其擬合方程R2均大于0.99，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)輥篩頻率與特征長度存在線性關(guān)系，可通過調(diào)整輥篩頻率改變煙絲特征長度。

表1 輥篩頻率變化對煙絲品質(zhì)的影響Tab.1 Effect of frequency change of roll screen on cut tobacco quality

圖2 輥篩頻率與煙絲特征長度關(guān)系Fig.2 Relationship between roll screen frequency and tobacco strand characteristic length

2.2 煙絲形態(tài)對常規(guī)物理指標(biāo)的影響

通過調(diào)整輥篩頻率調(diào)控?zé)熃z形態(tài)，并卷制成不同煙絲形態(tài)卷煙樣品，分別對卷煙樣品煙支單支質(zhì)量、硬度、吸阻及總通風(fēng)率等常規(guī)物理指標(biāo)進(jìn)行檢測分析，結(jié)果見表2。以各物理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差對卷煙樣品不同物理指標(biāo)穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，不同煙絲長度對中支卷煙單支質(zhì)量、吸阻及硬度的穩(wěn)定性影響較大；隨煙絲特征長度（卷制前）的逐漸增大，中支卷煙常規(guī)物理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差整體呈先降低后升高的趨勢，說明穩(wěn)定性呈先增加再降低的趨勢。在一定范圍內(nèi)，隨著煙絲特征長度減小，卷制煙支常規(guī)物理指標(biāo)穩(wěn)定性呈增加的趨勢，但隨著煙絲特征長度繼續(xù)減小，煙絲均勻性系數(shù)和填充性能隨之降低，煙支的常規(guī)物理指標(biāo)及穩(wěn)定性反而降低。

隨煙絲特征長度變化（卷制前），中支卷煙煙支單支質(zhì)量變異系數(shù)在1.97%～2.71%之間波動(dòng)，吸阻變異系數(shù)在4.36%～5.01%之間波動(dòng)，總通風(fēng)率變異系數(shù)在9.39%～11.99%之間波動(dòng)，硬度變異系數(shù)在5.3%～5.9%之間波動(dòng)。隨煙絲特征長度變化，中支卷煙煙支總通風(fēng)率變異系數(shù)變化幅度最大，煙支硬度變異系數(shù)變化幅度最小。綜合分析，由表2可知在煙絲特征長度為2.44 mm和2.74 mm時(shí)，中支卷煙常規(guī)物理指標(biāo)穩(wěn)定性較好，依據(jù)煙絲特征長度變化趨勢，適當(dāng)擴(kuò)大煙絲特征長度范圍，煙絲特征長度在2.35～2.85 mm（卷制前）范圍內(nèi)，即輥篩頻率在37～47 Hz之間，中支卷煙常規(guī)物理指標(biāo)穩(wěn)定性較好。

表2 煙絲特征長度對中支卷煙常規(guī)物理指標(biāo)的影響Tab.2 Effect of tobacco strand characteristic length on conventional physical indexes of demi-slim cigarette

2.3 煙絲形態(tài)對卷制適應(yīng)性的影響

中支卷煙的卷制過程適應(yīng)性用煙支的密度分布、密度分布一致性和空頭率來表征。結(jié)果如圖3、圖4 所示。圖3 為卷煙空頭率隨煙絲特征長度的變化規(guī)律，隨特征長度增加，空頭率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。依據(jù)煙絲特征長度變化趨勢及空頭率測定結(jié)果，煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，卷煙樣品空頭率較低。圖4為不同煙絲特征長度對煙支密度分布的影響，不同處理間煙支密度分布一致性以η值的大小表示，該值越小，說明煙支密度分布一致性越好，隨特征長度（卷制前）增加，煙支密度標(biāo)準(zhǔn)偏差和密度分布一致性均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。依據(jù)煙絲特征長度測定情況及變化趨勢，當(dāng)煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，煙絲密度均勻性和填充密度一致性較好。隨著特征長度減小，煙支卷制成型過程中煙絲流動(dòng)性變好，煙支中煙絲密度分布均勻性增加，煙支中煙絲密度分布一致性提升，卷制煙支空頭率降低；但隨著特征長度繼續(xù)減小，煙絲填充性能下降，在控制煙支單支質(zhì)量的前提下，會(huì)造成煙支中煙絲密度分布一致性下降，煙支空頭率增加。整體來看，煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，即輥篩頻率在38～47 Hz之間，卷制適應(yīng)性較好。

圖3 煙絲特征長度對中支卷煙空頭率的影響Fig.3 Effect of tobacco strand characteristic length on loose end percentage of demi-slim cigarette

圖4 煙絲特征長度對煙支密度分布一致性的影響Fig.4 Effect of tobacco strand characteristic length on density distribution consistency of demi-slim cigarette

2.4 煙絲形態(tài)對其他質(zhì)量指標(biāo)的影響

中支卷煙煙絲形態(tài)對端部落絲、燃燒錐落頭傾向的影響結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5可知，隨煙絲特征長度（卷制前）增加，端部落絲量無明顯變化規(guī)律，當(dāng)煙絲特征長度在2.25～2.95 mm 范圍內(nèi)，即輥篩頻率在35～49 Hz 范圍內(nèi)時(shí)，端部落絲量較小。由圖6 可知，采用旋轉(zhuǎn)法測定燃燒錐落頭傾向，隨煙絲特征長度（卷制前）增加，卷煙燃燒錐落頭傾向呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢。隨著特征長度減小，煙支密度分布一致性變好，煙支落頭傾向降低；但隨著特征長度繼續(xù)減小，煙絲填充性能下降，在控制煙支單支質(zhì)量的前提下，中短絲比例增加，煙支中煙絲對燃燒錐的支撐能力降低，導(dǎo)致落頭傾向增加。分析可知，依據(jù)煙絲特征長度變化趨勢及燃燒錐落頭傾向測定結(jié)果，卷制前煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)時(shí)，卷制煙支樣品燃燒錐落頭傾向較低。

圖5 煙絲特征長度對中支卷煙端部落絲的影響Fig.5 Effect of tobacco strand characteristic length on loss of tobacco from the end of demi-slim cigarette

圖6 煙絲特征長度對中支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響Fig.6 Effect of tobacco strand characteristic length on combustion cone falling propensity of demi-slim cigarette

圖7 為煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙動(dòng)態(tài)吸阻穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)吸阻分布一致性的影響，隨煙絲特征長度（卷制前）減小，動(dòng)態(tài)吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差呈先減小后增加的趨勢。這可能因?yàn)闊熃z整體尺寸過大或過小時(shí)，均導(dǎo)致煙絲密度均勻性較差或煙絲填充能力較差，進(jìn)而使動(dòng)態(tài)吸阻穩(wěn)定性變差。依據(jù)煙絲特征長度變化趨勢及動(dòng)態(tài)吸阻測定結(jié)果，當(dāng)煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)吸阻軸向分布標(biāo)準(zhǔn)偏差較??；動(dòng)態(tài)吸阻分布一致性系數(shù)η值整體波動(dòng)較大，煙絲特征長度為2.44 mm（卷制前）左右時(shí)，η值較低，動(dòng)態(tài)吸阻分布一致性較好。整體來說，當(dāng)煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，即輥篩頻率在38～47 Hz 之間，卷制煙支樣品端部落絲量較小、燃燒錐落頭傾向較低，但動(dòng)態(tài)吸阻分布一致性存在波動(dòng)。

圖7 煙絲特征長度對卷煙動(dòng)態(tài)吸阻穩(wěn)定性及分布一致性的影響Fig.7 Effect of tobacco strand characteristic length on stability and distribution consistency of dynamic draw resistance of cigarette

3 結(jié)論

對中支卷煙適宜煙絲特征長度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：①在一定范圍內(nèi)，可通過調(diào)整輥篩頻率調(diào)控?zé)熃z整體尺寸，煙絲特征長度在2.35～2.85 mm（卷制前）范圍內(nèi)，中支卷煙常規(guī)物理指標(biāo)穩(wěn)定性較好；②空頭率、煙支密度標(biāo)準(zhǔn)偏差和密度分布一致性系數(shù)η值均隨特征尺寸減小呈先降低后增加的趨勢，煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，空頭率較低，密度一致性較好；③煙絲特征長度在2.35～2.80 mm（卷制前）范圍內(nèi)，卷制煙支樣品端部落絲量較小、燃燒錐落頭傾向較低，但動(dòng)態(tài)吸阻分布一致性存在波動(dòng)；④綜合分析，考慮到不同卷煙配方之間的差異，適當(dāng)放寬煙絲特征長度的范圍，當(dāng)煙絲特征長度在2.35～2.85 mm（卷制前）范圍內(nèi)，即輥篩頻率在37～47 Hz之間，中支卷煙物理指標(biāo)穩(wěn)定性、煙支密度分布一致性較好，空頭率和燃燒錐落頭傾向較低，端部落絲量較少。目前，中支卷煙適宜煙絲特征長度范圍均在制絲環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，然而卷煙機(jī)型不同對煙絲形態(tài)的適應(yīng)性也不同，需要進(jìn)一步針對不同卷煙機(jī)型進(jìn)行相關(guān)研究，找到不同卷煙機(jī)型適宜的中支卷煙適宜的煙絲特征長度范圍。