細(xì)支溝槽濾棒的設(shè)計(jì)開發(fā)及對(duì)卷煙煙氣的影響

楊天，郭軍亮，高鑫，秦昌峰，唐偉

(1.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，江蘇南京210011； 2.南通煙濾嘴有限責(zé)任公司，江蘇南通226001)

細(xì)支卷煙作為中式卷煙的新品類，越來越受到人們的關(guān)注。隨著低焦油卷煙的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)細(xì)支卷煙的需求越來越多，煙草企業(yè)對(duì)細(xì)支煙用特殊結(jié)構(gòu)濾棒的開發(fā)越來越重視。通過特殊結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，濾嘴不僅可以有效截留煙氣中的有害成分，還可以提升卷煙的感官效果和客戶體驗(yàn)[1-4]。

溝槽濾棒是由二醋酸纖維素絲束、專用纖維素紙和濾棒成型紙制成，是國(guó)內(nèi)卷煙產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的特種濾棒之一。在二醋酸纖維素絲束與濾棒成型紙之間增加一層帶有連續(xù)或間斷溝槽形狀壓紋的纖維素紙，能夠增強(qiáng)濾嘴煙氣過濾效果，同時(shí)使濾嘴外型結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，彰顯卷煙品牌的個(gè)性[5-7]。

溝槽濾棒作為一種開發(fā)應(yīng)用較為成熟的特種濾棒，有必要在細(xì)支卷煙上進(jìn)行推廣應(yīng)用，以滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求[8-10]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于細(xì)支溝槽濾棒及其應(yīng)用的研究較少。因此，本課題組在常規(guī)溝槽濾棒成型機(jī)構(gòu)和輔材的基礎(chǔ)上，研究適用于細(xì)支溝槽濾棒的纖維素紙的規(guī)格，設(shè)計(jì)細(xì)支溝槽壓紋裝置，并考察細(xì)支溝槽濾棒對(duì)卷煙煙氣的影響規(guī)律，為其在細(xì)支卷煙上的應(yīng)用提供一定借鑒和參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)原料包括：二醋酸纖維素絲束(南通醋酸纖維有限公司生產(chǎn))，規(guī)格6.0/17 000；二醋酸纖維素絲束(德國(guó)索爾維公司生產(chǎn))，規(guī)格8.0/15 000；纖維素紙(韓國(guó)國(guó)一制紙株式會(huì)社生產(chǎn))，寬度15.0 mm，定量60、70、80 g/m2；成型紙，寬度17 mm，定量28 g/m2。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：RM20H轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)(德國(guó)Borgwaldt KC公司制造)；SODIMAX全功能綜合測(cè)試臺(tái)(法國(guó)Sodim Instrumentation公司制造)；6890A氣相色譜儀(美國(guó)Agilent公司制造)；電子天平(日本島津公司制造，精度0.000 1 g)；KBF型恒溫恒濕箱(德國(guó)Binder公司制造)。

細(xì)支溝槽濾棒及對(duì)照樣均由南通煙濾嘴有限責(zé)任公司在同一細(xì)支溝槽濾棒成型機(jī)上采用相同成型紙統(tǒng)一成型，濾棒長(zhǎng)度為120 mm，圓周為16.70 mm。

試驗(yàn)共有10個(gè)細(xì)支溝槽樣品，分3組進(jìn)行分析。A、B、C組樣品的絲束規(guī)格分別為8.0/15 000、6.0/17 000、8.0/15 000。A、B組濾棒壓降中心值分別為3 400 Pa和4 500 Pa。C組濾棒為相同絲束填充量條件下不同結(jié)構(gòu)的細(xì)支溝槽濾棒樣品。濾棒溝槽排列結(jié)構(gòu)具體見表1。細(xì)支卷煙樣品在同一卷接機(jī)組上，采用同一批次的煙絲、相同規(guī)格的接裝紙及卷煙紙卷制得到。

表1 細(xì)支溝槽濾棒特征參數(shù)

卷煙樣品的分析在GB/T16447—2004[11]規(guī)定的條件下平衡48 h，采用轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)條件下抽吸，按照文獻(xiàn)[12—15]的方法測(cè)定煙氣總粒相物、焦油、煙堿、CO和水分。

2 細(xì)支溝槽濾棒用纖維素紙

濾棒的溝槽是通過一對(duì)或多對(duì)壓紋輥對(duì)纖維素紙進(jìn)行連續(xù)或間斷擠壓形成的，纖維素紙對(duì)溝槽濾棒的外觀、齒形有重要影響。普通溝槽濾棒用纖維素紙的寬度通常為22.20 mm，按普通溝槽濾棒與細(xì)支溝槽濾棒的圓周比例，同比計(jì)算細(xì)支溝槽濾棒用纖維素紙的寬度為15.3 mm。根據(jù)纖維素紙分切生產(chǎn)實(shí)際及批量生產(chǎn)質(zhì)量要求，選取15.5 mm和15.0 mm寬度的纖維素紙進(jìn)行試驗(yàn)。

常規(guī)溝槽紋輥成型機(jī)成型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用寬度為15.5 mm纖維素紙的細(xì)支溝槽濾棒的圓周、圓度和外觀指標(biāo)較差，采用15.0 mm的纖維素紙外觀較好。原因是纖維素紙寬度略寬，在濾棒成型時(shí)，纖維素紙兩邊搭好并包裹好絲束后，纖維素紙略寬的部分沒有被包裹起來，纖維素紙本身又厚又硬，導(dǎo)致外層的成型紙?jiān)跒V棒表面凸起，濾棒表面有褶皺，影響濾棒外觀。

分別采用寬度為15.0 mm的3種定量的纖維素紙進(jìn)行上機(jī)適用性試驗(yàn)，為細(xì)支溝槽濾棒纖維素紙選型提供參考。試驗(yàn)結(jié)果見表2。可以看出，應(yīng)選用15.0 mm×80 g/m2的纖維素紙進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表2 纖維素紙的上機(jī)適用性

3 細(xì)支溝槽濾棒用壓紋裝置

濾棒的溝槽是由壓紋裝置對(duì)纖維素紙擠壓成型的，如圖1所示。溝槽濾棒的溝槽特征和布局由壓紋輥的齒形、纖維素紙的走向、壓紋裝置與纖維素紙的相對(duì)位置等因素決定。壓紋裝置是由一對(duì)轉(zhuǎn)向相反、表面凹凸不平的的壓紋輥構(gòu)成[16—20]。壓紋輥主要參數(shù)為齒高h(yuǎn)、齒距p和齒角度α，如圖2所示。

圖1 溝槽的壓紋原理示意圖

圖2 壓紋輥的齒形示意圖

根據(jù)細(xì)支溝槽濾棒的壓紋原理，推算壓紋輥的齒高h(yuǎn)的公式(h=K1H)、齒距p的公式(p=K2B/N)、齒角度α的公式(α=2arccot [K2B/(2K1HN)])。公式中B為細(xì)支溝槽濾棒用纖維素紙的寬度，H為溝槽的深度，N為溝槽的數(shù)量，K1、K2為修整系數(shù)。常規(guī)溝槽濾棒的圓周為24.20 mm，細(xì)支溝槽濾棒的圓周為16.70 mm，細(xì)支溝槽濾棒的圓周為常規(guī)溝槽濾棒圓周的0.69倍，細(xì)支溝槽壓紋輥參數(shù)按此比例設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

普通溝槽濾棒用壓紋輥的齒間距為1.4 mm、齒高為0.8 mm、齒夾角為55°。根據(jù)普通溝槽濾棒與細(xì)支溝槽濾棒的圓周比例，計(jì)算細(xì)支溝槽濾棒用壓紋輥的齒間距為1.0 mm、齒高為0.55 mm、齒夾角為38°。因纖維素紙為純木漿纖維成分，具有一定彈性，經(jīng)過溝槽壓紋輥后，纖維素紙形成的溝槽齒距、溝槽齒高、溝槽齒角度與理論計(jì)算有一定的變化。在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別進(jìn)行了不同壓紋輥齒距、齒高、齒角度的上機(jī)試驗(yàn)，具體結(jié)果分別見表3—5。

表3 溝槽壓紋輥齒間距試驗(yàn)結(jié)果

表4 溝槽壓紋輥齒高試驗(yàn)結(jié)果

表5 溝槽壓紋輥齒夾角試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合溝槽壓紋輥實(shí)際上機(jī)驗(yàn)證結(jié)果，確定細(xì)支溝槽壓紋輥的3個(gè)主要參數(shù)分別是齒距0.9 mm、齒高0.55 mm、齒角度45°。此時(shí)，濾棒外觀較好，滿足工藝要求。

4 細(xì)支溝槽濾棒對(duì)卷煙煙氣的影響

根據(jù)前面介紹的細(xì)支溝槽濾棒分組試驗(yàn)方法接裝卷煙，煙氣分析數(shù)據(jù)見表6—8。對(duì)于A組細(xì)支溝槽濾棒卷煙，由表6可以看出：①不同結(jié)構(gòu)的卷煙樣品抽吸口數(shù)變化不大；②溝槽結(jié)構(gòu)的加入對(duì)總粒相物、焦油、煙堿有明顯影響；③溝槽長(zhǎng)度變化及同一溝槽長(zhǎng)度下不同溝槽位置對(duì)CO量影響不明顯；④A1樣比A0樣總粒相物下降1.26 mg/支，水分下降0.16 mg/支，煙堿量下降0.13 mg/支，焦油量下降0.97 mg/支。

表6 A組細(xì)支溝槽濾棒卷煙常規(guī)煙氣指標(biāo)

表7 B組細(xì)支溝槽濾棒卷煙常規(guī)煙氣指標(biāo)

表8 C組細(xì)支溝槽濾棒卷煙常規(guī)煙氣指標(biāo)

B組細(xì)支溝槽濾棒接裝卷煙，隨著濾棒壓降升高，絲束填充量增加，絲束規(guī)格由8.0/15 000改為6.0/17 000。由表7可以看出，B組濾棒過濾效果比A組好，總粒相物、焦油、煙堿指標(biāo)較A組低。采用溝槽結(jié)構(gòu)的B1樣比無溝槽結(jié)構(gòu)的B0樣總粒相物下降1.28 mg/支，水分下降0.09 mg/支，煙堿量下降0.16 mg/支，焦油量下降1.03 mg/支。原因是細(xì)支溝槽濾棒中溝槽段長(zhǎng)度對(duì)濾棒過濾效果作用明顯，溝槽段越長(zhǎng)，煙氣與纖維素紙接觸面積越大，過濾效果越好。溝槽濾棒的溝槽段里面為纖維素紙包裹的醋酸纖維絲束，外面為纖維素紙形成的溝槽空腔結(jié)構(gòu)，里外側(cè)存在壓差，導(dǎo)致煙氣沿濾棒流動(dòng)時(shí)，會(huì)穿過纖維素紙向空腔低阻力區(qū)流動(dòng)，纖維素紙對(duì)煙氣中總粒相物、煙堿起到機(jī)械截留作用。如圖3所示。

圖3 煙氣經(jīng)過溝槽濾棒路徑

圖4為溝槽濾棒吸附焦油的截面效果圖，溝槽濾棒中溝槽段纖維素紙顏色明顯比醋纖段深，焦油過濾效果好。在無溝槽結(jié)構(gòu)的平滑段，焦油主要集中在中間部位，以醋酸纖維絲束發(fā)揮作用為主，纖維素紙發(fā)揮作用較小。

(a)溝槽段(b)醋纖段

圖4纖維素紙截留焦油效果圖

由圖1、表6和表8可以看出，雖然C2樣濾棒壓降比A1樣高約500 Pa，但A1樣的過濾效果要比C2樣強(qiáng)。這里A樣和C2樣的溝槽長(zhǎng)度分別為20 mm和15 mm。可見在溝槽濾棒中，溝槽段越長(zhǎng)過濾效果較好。

雖然，A1樣溝槽段總長(zhǎng)度和C1樣溝槽段長(zhǎng)度都是20 mm，從數(shù)據(jù)看A1樣的降焦效果比C1好。原因是溝槽濾棒中纖維素紙的壓紋段和非壓紋段的結(jié)合面對(duì)焦油產(chǎn)生界面吸附作用，A1樣為雙溝槽結(jié)構(gòu)，比C1樣多1個(gè)結(jié)合面，從而過濾效果更好。界面吸附作用示意圖見圖5?？梢?，在溝槽段和非溝槽段的結(jié)合面，顏色更深，攔截焦油效果明顯。

圖5 纖維素紙界面降焦油效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用15.00 mm×80 g/m2規(guī)格的纖維素紙制備的細(xì)支溝槽濾棒溝槽齒形清晰，設(shè)備連續(xù)性好，不易斷紙停機(jī)。

2)當(dāng)壓紋裝置齒距為0.9 mm、齒高為0.55 mm、齒角度為45°時(shí)，細(xì)支溝槽濾棒外觀滿足工藝要求。

3)細(xì)支溝槽濾棒的溝槽長(zhǎng)度對(duì)主流煙氣總粒相物、焦油量、煙堿有明顯影響，溝槽長(zhǎng)度和溝槽位置對(duì)CO無明顯影響。

4)濾嘴中溝槽段總長(zhǎng)相同時(shí)，雙溝槽結(jié)構(gòu)比單段溝槽結(jié)構(gòu)焦油過濾效果好。