濾嘴設(shè)計(jì)參數(shù)對細(xì)支卷煙吸阻的影響

高明奇，田海英，李耀光，馮曉民，王紅霞，紀(jì) 朋，楚文娟，郝 輝，崔 春，李明哲，馬宇平

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)開區(qū)第三大街8號 450000

細(xì)支卷煙通常是指煙支直徑比普通卷煙小，包裝新穎、時尚、個性化的卷煙［1-2］。與常規(guī)卷煙相比，細(xì)支卷煙在圓周顯著縮小的同時，煙氣流速明顯加快，煙支吸阻隨之升高，因此，常規(guī)卷煙濾嘴參數(shù)設(shè)計(jì)思路已不再適用于細(xì)支卷煙。卷煙吸阻是影響卷煙感官質(zhì)量的關(guān)鍵因素，是卷煙設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)之一［3］。根據(jù)河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司的普查結(jié)果：國內(nèi)主要規(guī)格細(xì)支卷煙樣品的開式吸阻范圍為1 170～2 080 Pa，平均值是1 557 Pa，明顯高于常規(guī)卷煙，表明細(xì)支卷煙總體吸阻較高。林婉欣等［4］運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究發(fā)現(xiàn)細(xì)支卷煙的吸阻與單支質(zhì)量、圓周有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，所建模型預(yù)測值與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果擬合度較好，說明可以通過調(diào)整細(xì)支卷煙的單支質(zhì)量、圓周等指標(biāo)對卷煙吸阻進(jìn)行控制。高銘等［5］研究了濾棒壓降對煙支吸阻的影響程度，發(fā)現(xiàn)濾棒壓降與煙支吸阻之間存在正相關(guān)關(guān)系，所建模型預(yù)測值與實(shí)測值的相對偏差的絕對值均在1%以內(nèi)，與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果擬合度較好。王基欣等［6］指出在煙支質(zhì)量和濾嘴吸阻相同的情況下，煙支吸阻隨卷煙紙透氣度的增高而降低，濾嘴打孔距離越靠近濾嘴上端，卷煙吸阻的下降幅度越大。解曉翠［7］利用在線激光打孔設(shè)備制作通風(fēng)率不同的混合型卷煙和烤煙型卷煙，得出卷煙物理指標(biāo)之間存在線性相關(guān)關(guān)系，逐步回歸分析顯示，通風(fēng)率與卷煙質(zhì)量呈正相關(guān)，與吸阻呈負(fù)相關(guān)。本項(xiàng)目組［8］考察了打孔位置及數(shù)量等參數(shù)對細(xì)支卷煙通風(fēng)率、通風(fēng)率穩(wěn)定性及主流煙氣成分釋放量的影響，與正常卷煙相比，在線激光打孔位置對細(xì)支卷煙影響較小。近年來，國內(nèi)各卷煙工業(yè)企業(yè)圍繞細(xì)支卷煙的質(zhì)量控制［9］、制絲工藝［10］、卷煙設(shè)計(jì)［4］、煙機(jī)的研制與改造［11-14］、煙氣香氣分析［15-16］等方面開展了技術(shù)攻關(guān)與研究，但有關(guān)濾嘴設(shè)計(jì)參數(shù)對細(xì)支卷煙吸阻影響等方面鮮見報道。為此，考察了濾棒壓降、二醋酸纖維絲束規(guī)格及濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙吸阻的影響，旨在為細(xì)支卷煙的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

6.0 Y/17 000、6.7Y/17 000規(guī)格二醋酸纖維絲束（南通醋酸纖維有限公司）；8.0Y/15 000規(guī)格二醋酸纖維絲束（德國羅地亞公司）；9.5Y/12 000、11.0Y/15 000規(guī)格二醋酸纖維絲束（美國塞拉尼斯有限公司）。

ML204型電子分析天平（感量：0.1 mg，瑞士Mettler Toledo公司）；KBF型恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；SODIMAX全功能綜合測試臺、濾棒物理指標(biāo)綜合測試臺（法國Sodim Instrumentation公司）；7890A氣相色譜儀（美國Agilent公司）；SM450直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean公司）；KDF2濾棒成型機(jī)（沈陽飛機(jī)制造公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同濾嘴設(shè)計(jì)參數(shù)卷煙樣品制備

以河南中煙在產(chǎn)某牌號細(xì)支卷煙為基礎(chǔ)（煙支長度97 mm，圓周17 mm，濾嘴長度30 mm）；基準(zhǔn)卷煙輔材參數(shù)：卷煙紙定量28 g/m2，卷煙紙透氣度50 CU，普通成型紙，濾嘴通風(fēng)率40%（在線打孔），二醋酸纖維絲束規(guī)格8.0Y/15 000和濾棒壓降3 200 Pa；采用同一種配方煙絲，按照單因素設(shè)計(jì)了5種二醋酸纖維絲束規(guī)格，每個二醋酸纖維絲束3個濾棒壓降梯度，共15個濾棒樣品，搭配4個濾嘴通風(fēng)率梯度，在同一機(jī)臺卷接60個卷煙樣品。卷煙樣品見表1，濾棒及卷煙樣品要求見表2和表3。

為了提高所測卷煙樣品含煙絲量的一致性，按照壓降為（設(shè)計(jì)值±100）Pa、質(zhì)量為（設(shè)計(jì)值±0.02）g、濾嘴通風(fēng)率為（設(shè)計(jì)值±2）%對已制備卷煙樣品進(jìn)行篩選后作為待測樣。

1.2.2 卷煙物理指標(biāo)檢測

采用GB/T 16447—2004的條件平衡卷煙樣品和濾棒樣品。按照GB/T 22838—2009的方法檢測濾棒物理指標(biāo)。

表1 不同卷煙樣品的濾嘴設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Filter parameters of different cigarette samples

表2 細(xì)支濾棒樣品物理指標(biāo)Tab.2 Physical indexes of slim filter rod samples

表3 細(xì)支卷煙樣品物理指標(biāo)Tab.3 Physical indexes of slim cigarette samples

2 結(jié)果與討論

2.1 濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙吸阻的影響

細(xì)支卷煙煙支吸阻隨濾嘴通風(fēng)率的變化趨勢和線性關(guān)系擬合方程見圖1及表4。從圖中可看出，在所研究的二醋酸纖維絲束規(guī)格及濾棒壓降范圍內(nèi)，固定濾棒壓降，煙支吸阻與濾嘴通風(fēng)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙煙支吸阻具有顯著影響（R2>0.980），即通過增加細(xì)支卷煙濾嘴通風(fēng)率，可有效降低卷煙煙支吸阻。

圖1 濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙煙支吸阻的影響Fig.1 Effect of filter ventilation rate on draw resistance of slim cigarette

表4 濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙煙支吸阻的影響Tab.4 Effect of filter ventilation rate on draw resistance of slim cigarette

不考慮絲束規(guī)格，以濾嘴通風(fēng)率增加10%時的煙支吸阻降低值為縱坐標(biāo)、濾棒壓降為橫坐標(biāo)作圖，見圖2。由圖2可以看出，二者呈一定的正相關(guān)線性關(guān)系（R2=0.793 8），在所研究的濾棒壓降范圍內(nèi)，隨濾棒壓降增大，改變相同濾嘴通風(fēng)率對煙支吸阻的影響程度略有增加。原因是隨濾棒壓降增大，濾嘴軸向阻力增大，軸向通風(fēng)比例降低，增加相同濾嘴通風(fēng)率的濾嘴實(shí)際通風(fēng)量增大，進(jìn)而對細(xì)支卷煙煙支吸阻影響程度增加。

圖2 濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙煙支吸阻的影響幅度Fig.2 Influencing degree of filter ventilation rate on draw resistance of slim cigarette

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果［17］，增加10%濾嘴通風(fēng)率，常規(guī)卷煙吸阻降低91.9～103.1 Pa，表明濾嘴通風(fēng)率對細(xì)支卷煙吸阻影響程度明顯大于常規(guī)卷煙。原因可能為隨著卷煙圓周的縮小，卷煙軸向阻力增大，增加相同濾嘴通風(fēng)率對煙支吸阻影響程度加大。因此，除選用低壓降細(xì)支濾棒外，設(shè)計(jì)適宜的濾嘴通風(fēng)率是降低細(xì)支卷煙吸阻的另一條有效途徑。

2.2 二醋酸纖維絲束規(guī)格對細(xì)支卷煙吸阻的影響

細(xì)支卷煙煙支吸阻隨濾棒壓降的變化趨勢見圖3。從圖中可看出，所研究的二醋酸纖維絲束規(guī)格及濾棒壓降范圍內(nèi)，高單旦、低總旦規(guī)格二醋酸纖維絲束更適于成型低壓降細(xì)支濾棒，進(jìn)而有效降低細(xì)支卷煙煙支吸阻。在細(xì)支卷煙濾嘴設(shè)計(jì)中，需要首先考慮二醋酸纖維絲束規(guī)格，從而獲得適宜的濾棒壓降，再結(jié)合濾嘴通風(fēng)率設(shè)計(jì)，達(dá)到煙支吸阻設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3 濾棒壓降對細(xì)支卷煙吸阻的影響

從圖3中可看出，固定濾嘴通風(fēng)率，煙支吸阻與濾棒壓降有顯著正相關(guān)關(guān)系。表5為細(xì)支卷煙煙支吸阻與濾棒壓降之間在不同濾嘴通風(fēng)率下的擬合方程，從表中可看出，在所設(shè)計(jì)的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，煙支吸阻與濾棒壓降之間均有較好的正相關(guān)關(guān)系（R2>0.96）。在所考察的二醋酸纖維絲束規(guī)格和濾棒壓降范圍內(nèi)，煙支吸阻范圍為788~2 311 Pa，可覆蓋行業(yè)大多數(shù)細(xì)支卷煙吸阻值。在細(xì)支卷煙研發(fā)中，可根據(jù)卷煙風(fēng)格特色，成型合適壓降細(xì)支濾棒，獲得滿意的煙支吸阻。

圖3 濾棒壓降對細(xì)支卷煙煙支吸阻的影響Fig.3 Effect of pressure drop of filter rod on draw resistance of slim cigarette

表5 濾棒壓降對細(xì)支卷煙煙支吸阻的影響Tab.5 Effect of pressure drop of filter rod on draw resistance of slim cigarette

同時，從表5可得出，濾棒壓降每增加400 Pa，煙支吸阻增加67~97 Pa，增加值隨濾嘴通風(fēng)率變化會有所不同。隨著濾嘴通風(fēng)率增大，改變相同的濾棒壓降對煙支吸阻的影響幅度略有降低，原因?yàn)闉V嘴通風(fēng)率增大，氣流經(jīng)過濾嘴時橫向擴(kuò)散增大，對煙支吸阻影響幅度降低。以濾棒壓降增加100 Pa時的煙支吸阻增加值為縱坐標(biāo)、濾嘴通風(fēng)率為橫坐標(biāo)作圖，見圖4。從圖中可看出，兩者呈線性關(guān)系，表明隨濾嘴通風(fēng)率快速增大，改變相同濾棒壓降對煙支吸阻的影響幅度會明顯減小。在細(xì)支卷煙設(shè)計(jì)中，需要兼顧濾嘴通風(fēng)率和濾棒壓降。

圖4 濾棒壓降對細(xì)支卷煙煙支吸阻的影響幅度Fig.4 Influencing degree of pressure drop of filter rod on draw resistance of slim cigarette

3 結(jié)論

①對于同一濾棒壓降，煙支吸阻與濾嘴通風(fēng)率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＞0.98），且濾棒壓降增大，改變相同濾嘴通風(fēng)率對煙支吸阻的影響幅度略有增加。②保持濾嘴通風(fēng)率不變，通過采用高單旦、低總旦規(guī)格二醋酸纖維絲束可顯著降低煙支吸阻。③對于同一濾嘴通風(fēng)率，煙支吸阻與濾棒壓降呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R2＞0.96），且濾嘴通風(fēng)增大，改變相同濾棒壓降對煙支吸阻的影響程度減弱。本研究中獲得了基于多種二醋酸纖維絲束規(guī)格的細(xì)支卷煙不同濾嘴設(shè)計(jì)參數(shù)對細(xì)支卷煙吸阻的影響規(guī)律及趨勢，為優(yōu)化細(xì)支卷煙設(shè)計(jì)提供了參考。