劉瑞紅，郭吉兆，朱 靜，崔華鵬，許藹飛，賈云禎，潘立寧，謝復煒*，陳志燕*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2.廣西中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，南寧市北湖南路28 號 530001

卷煙抽吸過程中，煙氣的產生和傳輸條件不斷發(fā)生變化，導致煙氣成分釋放量存在逐口差異［1-3］。而煙氣釋放量與煙絲消耗量密切相關，因此準確測定逐口煙絲消耗量對深入研究煙氣的形成和釋放過程具有重要價值。目前，測定卷煙逐口煙絲消耗量通常先測定煙支燃燒的線速率，再結合煙絲填充密度和煙支圓周計算得出［4-6］。如Perfetti等［4］通過對卷煙燃吸時燃燒線的監(jiān)測，得到了卷煙燃吸線速率，再根據(jù)煙絲填充密度計算出燃吸消耗的煙絲量，然而卷煙實際抽吸時燃燒線形狀不規(guī)則，且單口燃吸燃燒線移動距離較小，難以準確獲取逐口燃吸煙絲消耗量。崔曉夢等［5］采用兩個固定位置的熱電偶測定了燃燒錐特征溫度T0.5的移動速率，用來表征卷煙瞬時燃燒速率，并結合煙絲填充密度獲得了煙絲實時燃燒消耗量，然而該方法僅能測定單次抽吸的煙絲消耗量，無法獲得連續(xù)抽吸時不同抽吸口序的煙絲消耗量。此外，有文獻采用間接法測定卷煙抽吸消耗的煙絲量，如Backhurst［7］基于整個抽吸過程中卷煙連續(xù)陰燃且速度恒定的假設，根據(jù)卷煙抽吸時間、口數(shù)和煙支燃燒長度之間的關系，計算出了卷煙連續(xù)抽吸時平均每口消耗的煙絲量，反映的是煙支吸燃過程煙絲消耗量的平均狀況，然而隨著卷煙抽吸的進行，煙支長度、含水率等指標不斷發(fā)生變化，不同抽吸口序的煙絲消耗量必然存在差異。針對上述測量方法存在的問題，基于力矩平衡原理設計了一種能實時監(jiān)測卷煙抽吸過程中煙支質量損失的裝置，測定了卷煙抽吸失重曲線，結合文獻［8］中抽吸比率測定方法計算出卷煙抽吸逐口煙絲消耗量，進一步研究了濾嘴通風率對逐口煙絲消耗量的影響，并考察了燃燒錐端進氣量與煙絲消耗量之間的關系，旨在為煙氣形成機理研究及卷煙產品設計提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：不同配方和輔材設計的卷煙，具體設計參數(shù)見表1。

表1 卷煙樣品參數(shù)Tab.1 Parameters of cigarette samples

儀器：SQP 電子天平（感量：0.000 1 g，德國Sartorius公司），單通道吸煙機（鄭州嘉德機電科技有限公司）。

1.2 測試裝置

圖1 為卷煙抽吸時煙支質量損失實時監(jiān)測裝置示意圖，該裝置由單通道吸煙機、卷煙夾持器、電子天平及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中卷煙夾持器依次通過玻璃管（長50.0 cm，內徑8.0 mm）和輕質硅膠管兩種材質管路與吸煙機連接，玻璃管與硅膠管直接相連，在與連接點a 相接的硅膠管處有固定裝置固定，通過水平儀調節(jié)固定點高度，確保玻璃管水平放置，并能以a為支點上下自由旋轉；數(shù)據(jù)采集軟件可實時記錄天平示數(shù)變化，采集頻率為5 Hz。

圖1 煙支質量損失實時監(jiān)測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a real-time monitoring device for cigarette mass loss during smoking

1.3 實驗方法

挑選平均質量±20 mg 和平均吸阻±30 Pa 的煙支作為測試煙支。抽吸測試前，將測試煙支樣品在溫度為（22±2）℃，相對濕度為60%±5%的環(huán)境中平衡48 h。

1.3.1 煙支質量損失測試方法

逐口質量損失測試：將待測煙支插入裝有劍橋濾片的卷煙夾持器中，待天平示數(shù)穩(wěn)定后歸零，打開數(shù)據(jù)采集軟件實時采集天平讀數(shù)，點燃卷煙并觸發(fā)吸煙機進行逐口抽吸，抽吸模式為ISO標準抽吸，抽吸至標記位置時停止采集數(shù)據(jù)，取下剩余煙支。標記位置按GB/T 19609—2004［9］的規(guī)定操作。

不同抽吸容量下質量損失測試：將待測樣品插入裝有劍橋濾片的卷煙夾持器中，待天平示數(shù)穩(wěn)定后歸零，打開數(shù)據(jù)采集軟件實時采集天平讀數(shù)，點燃卷煙，待煙支陰燃至標記位置時觸發(fā)吸煙機抽吸一口，抽吸結束后停止采集數(shù)據(jù)，取下剩余煙支，其中設置抽吸波形為鐘形波，抽吸時間為2 s，抽吸容量分別設置為10、20、35、45、55 mL。標記位置為距煙支點燃端15 mm。

1.3.2 燃燒錐端進氣量測試方法

燃燒錐端進氣量測試方法參照文獻[10]進行。實驗方法簡述如下：將煙支燃燒錐端與其他部位分隔并密封，在燃燒錐端密封腔處連接一個皂膜流量計，設置吸煙機抽吸波形為鐘形波，抽吸時間為2 s，抽吸容量分別為10、20、35、45、55 mL，在卷煙陰燃至標記位置時觸發(fā)吸煙機抽吸一口，記錄皂膜流量計在抽吸前后的示數(shù)差，即為燃燒錐端進氣量，其中標記位置為距煙支點燃端15 mm。

2 結果與討論

2.1 煙支質量損失實時監(jiān)測方法

2.1.1 測試原理

如圖2，卷煙未點燃時，假設煙支點燃端到支點a的距離為L0，卷煙單位長度質量為ρ，天平作用力點到支點a 的距離為L1，煙支未點燃時天平示數(shù)為0。卷煙抽吸時，與未點燃卷煙相比，煙支的長度變化為l，質量損失為M，而煙支長度變化微元為dl，質量損失微元為dM，則煙支質量損失微元所在位置到支點a 的距離為L0-l，同時，天平指示質量變化為N，其指示質量變化微元為dN，由于水平管能夠以a 點為支點上下自由旋轉，根據(jù)力矩平衡原理可知，煙支未點燃時，水平管、卷煙夾持器和煙支質量產生的力矩之和與天平支撐力產生的力矩相等；而煙支點燃后，卷煙煙支質量損失微元（dM×g）產生的力矩和天平支撐力變化微元（dN×g）產生的力矩相等，故可得：

圖2 基于力矩平衡原理的示意圖Fig.2 Schematic diagram based on the principle of moment balance

由于dM=ρ×dl，可得：

方程（2）兩邊積分得：

其中：C為常數(shù)。由于M=ρ×l，因此得到方程（4）：

2.1.2 原理驗證

將卷煙直接放置在不與吸煙機連接的天平上進行陰燃測試，得到了煙支的真實質量損失M，而將卷煙在設計裝置上進行陰燃測試，得到了煙支在裝置上的指示質量損失N，對M 和N 進行二次方程擬合，結果如圖3所示。實驗所用卷煙的單位長度質量ρ=0.100 7 g/cm。由M-N 擬合曲線可得而由裝置設計參數(shù)可得L0=59.4 cm，L1=50.0 cm，故C=0，實驗值和理論值的相對偏差均小于10%，驗證了實驗原理的正確性。

圖3 天平指示煙支質量損失和煙支真實質量損失的關系Fig.3 Relationship between mass loss of cigarettes indicated by balance and real mass loss of cigarettes

2.1.3 煙支質量變化數(shù)據(jù)驗證

將煙支插入1.2小節(jié)所述設計裝置中，通過在煙支點燃端添加已知質量的紙片改變煙支質量，進而測得煙支發(fā)生已知質量變化時天平的指示質量變化值，天平指示質量變化值經方程（4）校準后得到校準質量變化值，結果列于表2中。表2中數(shù)據(jù)表明，不同條件下測定值的RSD均不超過1%，說明此設計裝置的精密度高、穩(wěn)定性好。另外，煙支的指示質量變化值經方程（4）校準后得到的校準質量變化值和已知實際質量變化值之間的相對偏差同樣均小于1%，證明了通過上述設計裝置可準確獲得煙支的質量變化。

表2 煙支質量變化測試結果Tab.2 Test results of cigarette mass variations

2.2 卷煙逐口煙絲消耗量

2.2.1 卷煙逐口抽吸質量損失測定

利用設計裝置對卷煙抽吸時的質量損失進行實時監(jiān)測，其結果經方程（4）校準后，可得到卷煙逐口抽吸失重曲線，如圖4所示。從失重曲線中可明顯區(qū)分卷煙陰燃（實線框）和主動抽吸（虛線框）兩個過程，其中煙支在陰燃期間失重速率基本保持穩(wěn)定，而在主動抽吸時質量發(fā)生突變。從圖4的插圖可以看出，在抽吸的兩秒內，質量快速降低到一個穩(wěn)定水平，后隨著陰燃過程又繼續(xù)下降，由于數(shù)據(jù)采集頻率為5 Hz，抽吸時間為2 s，因此在質量突變區(qū)選取10個點作為主動抽吸過程的失重數(shù)值，由主動抽吸前后質量差值即可得到卷煙主動抽吸產生的質量損失，圖5 為1#卷煙逐口抽吸質量損失隨抽吸口序的變化趨勢。由圖5可知，卷煙第一口抽吸所產生的質量損失明顯低于其他口序，這是由于第一口為點火過程，此時卷煙尚未形成完整的燃燒錐。研究表明ISO標準抽吸條件下，卷煙燃燒錐在第3口抽吸時可達到穩(wěn)定狀態(tài)［11］，而圖中數(shù)據(jù)顯示1#卷煙達到穩(wěn)定抽吸后，其逐口質量損失隨抽吸口序的增加呈上升趨勢，這是由于抽吸容量恒定時，隨著抽吸的進行，煙支長度變短，煙絲段吸阻降低，導致從煙絲段進入的空氣量增加，而卷煙紙表面積減少，卷煙紙段進氣量降低，因此從燃燒錐端進入的空氣量增加，燃燒錐端煙絲消耗量增大，質量損失隨之增大［12-14］。

圖4 卷煙抽吸時煙支失重曲線Fig.4 Real-time mass loss curve of a cigarette during puffing and smouldering

圖5 1#卷煙逐口質量損失隨抽吸口序變化趨勢Fig.5 Variation trend of puff-by-puff mass loss of cigarette sample 1# with puff number

2.2.2 卷煙逐口抽吸煙絲消耗量的計算

由于卷煙抽吸過程中燃燒的煙絲質量有3 個去向：釋放的煙氣質量、煙灰的質量、被剩余煙支截留的煙氣質量，因此采用1.3.1 小節(jié)中方法所測得的煙支質量損失量并不等于燃燒煙絲質量。為進一步得到卷煙逐口煙絲消耗量，測定了卷煙的抽吸比率（即卷煙吸燃煙絲消耗量占總煙絲消耗量的比例）。參照文獻［8］中抽吸比率的測試方法得到1#、2#和3#卷煙在ISO 標準條件下抽吸至標記長度時的抽吸比率，并對相同長度的未點燃煙支段稱重獲得了3種卷煙抽吸時的總煙絲消耗量，通過總煙絲消耗量和抽吸比率的乘積得到了卷煙吸燃消耗煙絲量，同時由1.3.1小節(jié)中方法測定得到了3種卷煙的吸燃質量損失，進而可計算出3種卷煙抽吸時單位煙絲消耗量產生的質量損失，結果如表3所示。

表3 煙絲消耗量和質量損失之間的關系Tab.3 Relationship between cut tobacco consumption and mass loss

根據(jù)單位煙絲消耗量產生的質量損失和逐口質量損失數(shù)據(jù)，可計算出卷煙抽吸時的逐口消耗煙絲量，結果見表4。表中數(shù)據(jù)顯示，達到穩(wěn)定抽吸后（即第3 口抽吸），3 種卷煙的逐口消耗煙絲量均隨抽吸口序的增加而增加，其中1#卷煙、2#卷煙和3#卷煙的單口消耗煙絲量分別在19.9～24.0 mg、21.3～25.8 mg和22.7～26.2 mg之間。

表4 3 種配方卷煙逐口抽吸煙絲消耗量Tab.4 Puff-by-puff cut tobacco consumption of three cigarettes with different blends （mg）

2.2.3 濾嘴通風率對卷煙逐口抽吸煙絲消耗量的影響

圖6 為4#、5#和6# 3 種不同濾嘴通風卷煙逐口煙絲消耗量隨抽吸口序的變化趨勢。由圖6可知，3種卷煙的逐口煙絲消耗量隨抽吸口序的變化趨勢相同，但相同口序下逐口煙絲消耗量與卷煙的濾嘴通風率呈負相關，這是由于濾嘴通風的增加，降低了燃燒錐端進氣量，而煙絲消耗量與燃燒錐端進氣量呈正相關。

圖6 濾嘴通風對逐口煙絲消耗量的影響Fig.6 Influence of filter ventilation on puff-by-puff cut tobacco consumption

2.2.4 燃燒錐端進氣量與煙絲消耗量的關系

研究表明煙氣生成量受到氧氣供應量的影響［15-16］，而燃燒錐端進氣量決定了氧氣供應量，煙絲消耗量決定了煙氣生成量，因此煙絲消耗量與燃燒錐端進氣量密切相關。分別測定了1#、2#和3#卷煙在相同煙支抽吸位置的燃燒錐端進氣量和煙絲消耗量，并對二者進行線性擬合，結果如圖7所示。由圖7可知3種卷煙擬合曲線的R2均大于0.99，說明同一煙絲配方的卷煙燃燒錐端進氣量與煙絲消耗量呈正比關系。

圖7 3種卷煙抽吸煙絲消耗量與燃燒錐端進氣量的關系Fig.7 Relationship between cut tobacco consumption and air intake from combustion cone of three cigarettes

但圖7中不同卷煙的擬合曲線斜率不同，這說明不同配方卷煙燃吸時相同的燃燒錐端進氣量消耗的煙絲量不同。實驗發(fā)現(xiàn)2#卷煙抽吸時燃燒性較差，而其燃燒錐端進氣量與煙絲消耗量擬合曲線的斜率也明顯低于1#卷煙和3#卷煙，因此猜測卷煙燃吸時單位燃燒錐端進氣量消耗的煙絲量和煙絲燃燒性有關。為了驗證猜想，采用相同煙筒手工卷制上述3種煙絲的卷煙，測定陰燃速率，結果如表5所示。由表5可知，3種卷煙的陰燃速率大小為2#卷煙＜3#卷煙＜1#卷煙，和圖5中擬合曲線的斜率大小順序相同。這初步說明了單位燃燒錐端進氣量消耗的煙絲量與煙絲燃燒性呈正相關，但陰燃速率與擬合曲線斜率之間的定量結論還需要進一步探究。

表5 3種卷煙煙絲燃燒性結果Tab.5 Results of combustibility of cut tobacco for three cigarettes

3 結論

基于力矩平衡原理設計了一種能實時監(jiān)測卷煙抽吸過程中煙支質量損失的裝置，將其應用于卷煙抽吸逐口煙絲消耗量的測定分析，結果表明：①設計裝置能準確測定出煙支的質量變化，且精密度RSD＜1%；②卷煙在陰燃期間質量損失速率較為穩(wěn)定，而主動抽吸時質量發(fā)生突變，根據(jù)抽吸前后質量差計算得到了卷煙抽吸逐口質量損失，其大小隨抽吸口序的增加而增加；③結合抽吸比率實驗測得了卷煙抽吸逐口煙絲消耗量，實驗所用1#、2#和3#卷煙穩(wěn)定抽吸時其逐口煙絲消耗量在19.9～26.2 mg之間；④卷煙逐口煙絲消耗量與濾嘴通風率呈負相關；⑤燃燒錐端進氣量和煙絲消耗量呈線性正比關系，但不同煙絲配方卷煙燃吸時，相同體積燃燒錐端進氣量消耗的煙絲量不同，經驗證其值和煙絲的燃燒性有關。