卷煙紙透氣度對細支卷煙燃燒狀態的影響

王亞林，鄧 楠，王 樂，郝喜良，顧永圣，李煥威，李 斌，王 兵*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2. 江蘇中煙工業有限責任公司技術研發中心，南京市建鄴區夢都路30 號 210019

3. 廣東中煙工業有限責任公司技術中心，廣州市天河區林和西橫路186 號 510385

卷煙輔助材料（成型紙、卷煙紙、接裝紙、濾棒）的合理組合是當前煙草企業實現降焦減害和提升感官質量的常見方法［1］。其中關于卷煙紙透氣度對常規卷煙燃燒狀態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卷煙燃燒錐溫度分布的影響，發現陰燃過程中，隨著卷煙紙透氣度的逐漸增大，煙支高溫區面積有增大的趨勢；燃吸過程中，在卷煙紙透氣度從30 CU 逐漸增大到137 CU 過程中，煙支高溫區面積先增大后減小。謝國勇等［7］研究發現常規卷煙在燃吸過程中，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，變化趨勢出現轉折。目前細支卷煙的卷煙紙設計大多借鑒常規卷煙的研究結果。但是細支卷煙與常規卷煙在卷煙物理性質、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］，已有的關于卷煙紙透氣度對常規卷煙燃燒狀態的影響規律有可能無法完全適用于細支卷煙。因此，利用實驗室自主研發的卷煙燃吸溫度分布檢測儀對不同卷煙紙透氣度的細支卷煙樣品進行分析，考察了卷煙紙透氣度對細支卷煙燃燒過程的影響，并結合燃吸時的卷煙吸阻結果，分析卷煙紙透氣度對卷煙燃燒過程產生影響的原因，旨在為燃燒機制的分析和細支卷煙輔材的合理設計提供數據支持。

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）的細支卷煙樣品單層均勻地放置在GB/T 16447—2004［9］規定的環境中調節48 h，挑選（平均質量±5）mg 和（平均封閉吸阻±49）Pa 范圍內的合格卷煙樣品。對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%堵塞濾嘴通風孔，作為本實驗的測試樣品。

1.2.2 卷煙氣相溫度分布的檢測

利用實驗室自行研制的卷煙燃吸溫度分布檢測儀檢測卷煙燃燒錐內部氣相溫度，檢測方法及溫度數據前處理方法同文獻［10-13］。

1.2.3 卷煙吸阻的檢測

參考專利文獻［14］，通過改造溫控型單孔道吸煙機，搭建細支卷煙動態吸阻檢測裝置。在進行細支卷煙溫度分布檢測實驗的同時，對抽吸過程中的細支卷煙動態吸阻數據進行采集。

2 結果與討論

2.1 樣品參數

對試驗樣品的卷煙紙透氣度參數進行抽樣（10 支）檢測，結果如表1 所示。由表1 可知，卷煙紙透氣度最大標準偏差為3.62 CU，相對標準偏差在4%～8%范圍內。

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

2.2 卷煙紙透氣度對細支卷煙燃燒狀態特征參數的影響

在卷煙燃吸過程中，以燃燒錐（卷煙內部溫度大于200 ℃的區域）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體積占燃燒錐體積的50%）作為燃燒狀態特征參數［13］。圖1是不同細支卷煙樣品在整個燃吸過程中燃燒錐最高溫度（Tmax）的變化情況。可以看出，在抽吸過程（0～2 s）中，所有卷煙樣品的Tmax呈先增大后減小的趨勢。隨著卷煙紙透氣度（30～70 CU）的增大，卷煙在抽吸過程中Tmax的最大值逐漸增大，當透氣度大于70 CU 時，Tmax的最大值開始減小。卷煙樣品在抽吸過程中的溫度是煙絲燃燒產生的熱量和熱量散失綜合作用的結果。由于Tmax僅為各個時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確表征卷煙燃燒狀態的變化規律。

圖1 卷煙紙透氣度對細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 為細支卷煙在完整抽吸過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，抽吸過程中T0.5均值和V 均值大致呈先減小后增大的趨勢。圖3 是不同卷煙紙透氣度細支卷煙樣品的燃燒錐體積V 均值和特征溫度T0.5均值的線性擬合結果。如圖3 所示，相關系數為0.804 7，細支卷煙抽吸過程中燃燒錐體積V 均值與特征溫度T0.5均值呈一定的正相關關系。

圖2 卷煙紙透氣度對細支卷煙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支卷煙V 均值與T0.5均值的關系Fig.3 Relationship between mean V and mean T0.5 of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

2.3 卷煙紙透氣度對細支卷煙燃燒速率的影響

根據燃燒錐遷移的距離與時間的關系，燃燒速率（v）可以表示為［15］：

式中：L1、L2分別為在t1、t2時刻下，累計體積到達燃燒錐體積50%的溫度區域質心的中心軸向坐標。

不同卷煙紙透氣度的細支卷煙的燃燒速率參數結果見表2。①對表2 中靜燃階段的不同卷煙紙透氣度的細支卷煙樣品的平均靜燃速率進行方差分析得P 值為0.319 7＞0.05，則認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，空氣主要通過自然擴散進入燃燒錐中，卷煙紙透氣度的改變對靜燃速率的影響程度較弱。②對表2 中不同卷煙紙透氣度的細支卷煙樣品在抽吸過程的平均燃燒速率進行方差分析得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參數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，抽吸過程的平均燃燒速率先減小后增大。對不同卷煙紙透氣度的細支卷煙樣品在抽吸過程中的平均燃燒速率進行多重比較分析發現：卷煙紙透氣度為30 CU 的卷煙樣品數據存在顯著差異，其他卷煙紙透氣度參數的樣品數據之間差異不顯著。這可能是由于相鄰實驗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 卷煙紙透氣度對卷煙吸阻的影響

對不同卷煙紙透氣度的細支卷煙樣品在溫度分布檢測實驗中同時采集動態吸阻，對動態吸阻隨抽吸時間的變化曲線進行積分并取均值，獲得卷煙吸阻R點燃［14］，將R點燃與未點燃細支卷煙樣品在抽吸過程中的卷煙吸阻R未點燃作對比，結果如表3 所示。

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

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

由表3 可知，①不同卷煙紙透氣度的細支卷煙R點燃的最大差值為234 Pa，R未點燃的最大差值為125 Pa，即卷煙燃燒錐的存在使得不同卷煙紙透氣度的細支卷煙吸阻差異增大。這是因為卷煙燃燒時溫度升高，空氣進入燃燒錐時的流速升高，吸阻值上升；其次由達西定律可知，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 左右的過程中，細支卷煙的R點燃減小。這是因為在定容抽吸過程中，空氣從煙支燃燒錐端進入的總量逐漸減少，減弱了卷煙的燃燒過程，燃燒錐溫度下降也引起氣體黏度減小；同時，燃燒錐體積V 減小造成空氣進入卷煙內部的流速降低，細支卷煙R點燃下降，致使卷煙瞬時燃燒速率也隨之降低。

圖4 為不同卷煙紙透氣度（30～80 CU）的細支卷煙樣品在ISO 抽吸過程中特定時刻（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。這可能是因為在定容量抽吸過程中，有部分空氣會從阻力較小的卷煙燃燒線處進入卷煙燃燒區域［18］，卷煙紙透氣度的增大使得從卷煙燃燒線處進入的空氣流量上升，促使該邊緣處煙草材料的燃燒加劇，放熱增強，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點燃增大，卷煙瞬時燃燒速率也隨之升高。

圖4 不同卷煙紙透氣度細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

從上述結果分析可知，卷煙紙透氣度（30～80 CU）對細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程中的單口耗絲量減小，節約經濟成本的同時還能夠起到降焦減害的作用。因此在細支卷煙生產加工過程中，通過選擇合適的卷煙紙透氣度可以使其燃燒速率和吸阻R點燃均達到較低的水平。

3 結論

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