基于熱分析圖譜的卷煙紙質量穩定性評價與分析

李巧靈，陳河祥，鄭 琳，劉秀彩，梁 暉，黃華發，鐘洪祥，張建平，張鼎方，鄭泉興，許寒春，張國強

福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區濱水路298 號 361021

卷煙紙是卷煙產品的重要組成部分之一，同時參與卷煙的熱解燃燒過程。卷煙抽吸時，卷煙紙發生熱解燃燒且質量迅速損失，從而達到致孔效果，卷煙紙的擴散率和透氣度顯著增大［1］，這使得一方面主流煙氣向側流煙氣擴散能力增加，另一方面卷煙紙附近空氣進入量增加從而主流煙氣被稀釋。由于擴散和稀釋的共同作用，卷煙紙的熱解燃燒特性最終會影響卷煙煙氣釋放量、煙氣組成以及感官抽吸品質［2-5］。

卷紙紙主要由纖維，碳酸鈣和少量助劑組成。纖維是卷煙紙的主體，其形態、結構和成分差異將導致卷煙紙熱解燃燒行為的差異［6-9］；碳酸鈣作為另一主要填料，能降低卷煙紙的熱解溫度［10-11］；助劑含量雖然很低，但對卷煙紙的熱解燃燒行為卻有著顯著的影響［12-14］。

由于熱分析圖譜可直觀表征物質的熱解燃燒特性，因此李巧靈等［15］、張亞平等［16］提出了基于熱分析圖譜進行卷煙紙質量穩定性的評價方法。李巧靈等［15］跟蹤某牌號卷煙35 個月的卷煙紙和煙絲的熱重DTG 曲線，基于熱重技術并結合標準均方根誤差NRMSE，建立了可客觀描述卷煙紙熱解燃燒差異度的方法，并結合焦油和CO 的釋放量波動來評價卷煙紙的質量穩定性。張亞平等［16］報道了采用熱分析圖譜來評價卷煙紙批次間的質量穩定性的方法，且此法操作簡單、準確度和精密度高，適合進行卷煙紙質量穩定性的判定。然而，以上研究內容僅基于熱分析圖譜進行質量穩定性的評價，并未對出現質量波動的樣品進行原因分析，無法對卷煙紙生產給出反饋建議。因此，基于熱分析圖譜對3 家卷煙紙廠批內和批間卷煙紙樣品進行質量穩定性評價，并分別研究助劑含量、鉀鈉比、灰分和漿料配比對卷煙紙熱分析圖譜的影響，初步探索導致卷煙紙質量波動的原因，旨在為卷煙紙質量穩定性控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

3 家卷煙紙廠所提供的批內和批間樣品信息見表1。

設計制備表2 中的樣品（由B 卷煙紙廠提供），用于分析卷煙紙助劑含量、鉀鈉比和灰分對卷煙紙熱分析圖譜表現形式的影響。

NETZSCH STA 449 F3 TG-DTA/DSC 同步熱分析儀（德國耐馳公司）。

表1 卷煙紙樣品信息Tab.1 Information of cigarette paper samples

表2 設計制備的卷煙紙樣品信息及常規指標Tab.2 Information and conventional quality indexes of prepared cigarette paper samples

1.2 熱重實驗方法

取20 mg 的卷煙紙樣品，置于熱分析儀中的氧化鋁平板坩堝中。選用空氣氣氛，流量100 mL/min，升溫速率設置10 K/min 從室溫升溫至1 000 K，獲取卷煙紙樣品的DTG 曲線。

1.3 卷煙紙熱解燃燒差異度計算方法

根據文獻［16］介紹的方法，引入標準均方根誤差NRMSE(%)來評價卷煙紙樣品DTG 曲線之間的離散程度，從而評價卷煙紙樣品之間的熱解差異度，其表達式為：

卷煙紙NRMSE（%）=

式中：N為對應溫度段內TGA 記錄點個數（個）；i為第i個點；T為溫度（K）；m為溫度T時樣品的質量百分比（%）；（dm/dT）i基準卷煙紙是基準卷煙紙的實驗值（%/K）；（dm/dT）i比對卷煙紙是比對卷煙紙的實驗值（%/K）。

2 結果與討論

2.1 卷煙紙樣品的重復性評價

圖1 展示了同一個卷煙紙樣品的重復性實驗結果。從圖1 中可以看出DTG 曲線主要有3 個峰，依據出峰的溫度區間可知這3 個峰依次為木質素和纖維素的熱解峰、焦炭氧化峰和碳酸鈣的分解峰［15］。5 次實驗數據基本重疊。以5 次實驗平均后的DTG 曲線數據為基準，分別計算出400～625 K（熱解峰）、625～750 K（氧化峰）和850～1 100 K（碳酸鈣分解峰）的差異度（表3），可知3 個峰的NRMSE(%)均小于4%。從圖1 和表3 的數據說明卷煙紙的熱分析精密度已滿足數據分析的要求。

圖1 卷煙紙DTG 曲線的重復性實驗結果Fig.1 Experimental DTG curves illustrating the repeatability of cigarette paper

表3 卷煙紙DTG 曲線中熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰的差異度Tab.3 Differences in pyrolysis peak, oxidation peak and calcium carbonate decomposition peak displayed by cigarette paper DTG curves （%）

2.2 3 家卷煙紙廠的批內樣品對比

圖2 正常樣和異常樣的卷煙紙DTG 曲線Fig.2 DTG curves of normal and abnormal cigarette paper samples

表4 正常樣和異常樣熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰的差異度Tab.4 Differences in pyrolysis peak, oxidation peak and calcium carbonate decomposition peak of normal and abnormal samples

3 家卷煙紙廠分別提供了批內的9 個正常卷煙紙樣品和9 個異常卷煙紙樣品（來自料頭和料尾），其DTG 曲線如圖2 所示。將9 個正常樣品的DTG 曲線求平均值，得到基準DTG 曲線。將9 個正常卷煙紙樣品和9 個異常卷煙紙樣品的DTG 曲線與對應的基準DTG 曲線按1.3 節所述方法，分別計算出400～625 K（熱解峰）、625～750 K（氧化峰）和850～1 100 K（碳酸鈣分解峰）的差異度，見表4。從表4 中可以看出卷煙紙質量出現波動有3 種表現形式：熱解峰差異度＞10%，氧化峰差異度＞20%，碳酸鈣分解峰差異度＞15%。這也與李巧靈等［15］前期報道卷煙紙熱解差異度NRMSE＜10%以及氧化差異度NRMSE＜20%所對應卷煙的焦油和CO 釋放量接近（差值≤0.5 mg）的結果保持一致。

2.3 批間樣品穩定性評價

B 卷煙廠7 個批間（每個批間9 個樣品）63 個卷煙紙樣品的DTG 曲線如圖3 所示。按文獻［15］所述方法，將熱解峰差異度NRMSE＜10%且氧化峰差異度NRMSE＜20%的卷煙紙樣品歸為一類，并將歸為一類的卷煙紙樣品DTG 數據求平均值，得到此類樣品的一個共性DTG 曲線，記為標準卷煙紙DTG 曲線，如圖4 所示。

從圖4 可以看出，①這63 個卷煙紙樣品可歸為三類，其中第一類卷煙紙樣品共46 個，說明第一類樣品代表該廠正常樣品的主要表現形式；第二類和第三類卷煙紙樣品共計17 個。②將第二、三類與第一類的標準DTG 曲線對比，可以看出第二類卷煙紙樣品的熱解燃燒特性較好，主要表現在熱解峰面積稍增大，氧化峰溫度前移；第三類中的卷煙紙樣品其熱解燃燒特性較差，主要表現在熱解峰面積稍減小，氧化峰溫度后移。第二類DTG 曲線與第一類標準DTG 曲線熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰的差異度分別為5.1%，27.0%和9.5%，第三類DTG 曲線與第一類標準DTG 曲線熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰的差異度分別為6.7%，22.5%和4.6%。從批間樣品的分析數據可以看出，卷煙紙樣品主要在氧化峰存在一定的波動。

圖3 B 卷煙紙廠批間63 個正常樣品的DTG 曲線Fig.3 DTG curve of 63 normal samples among batches in Cigarette Paper Factory B

圖4 B 卷煙紙廠批間三大類樣品的標準DTG 曲線Fig.4 Standard DTG curves of three type samples among batches in Cigarette Paper Factory B

圖5 不同助劑含量、鉀鈉比和灰分的卷煙紙樣品的DTG 曲線Fig.5 DTG curves of cigarette paper samples with different additive contents, potassium/sodium ratios and ash contents

2.4 卷煙紙助劑含量、鉀鈉比、灰分和漿料對熱分析圖譜表現形式的影響

表2 中不同助劑含量、鉀鈉比和灰分的卷煙紙樣品的DTG 曲線見圖5。由圖5 可知，①對比1-1和1-2 樣品可以看出，隨著鉀鈉比從0.98 降低至0.15，氧化峰明顯向高溫偏移，熱解峰面積稍減小，說明熱解燃燒特性減弱，同時碳酸鈣的分解峰向低溫偏移。②對比1-1 和1-3 樣品可以看出，隨著檸檬酸鹽含量從1.2%增加至2.0%，熱解峰和氧化峰同時向低溫偏移且峰面積增大，說明熱解燃燒特性顯著增強。③對比1-2 和1-4 樣品可以看出，隨著灰分從20.7%降低至16.8%，熱解峰和氧化峰的面積明顯增大，碳酸鈣分解峰面積明顯減小，但溫度偏移程度較小。

不同助劑含量、鉀鈉比和灰分的卷煙紙樣品的熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰差異度如表5所示。對比表5 中1-2 和1-4 樣品可以看出灰分含量的變化造成氧化峰差異度為17.0%，小于20%。對比1-1 和1-3 樣品可以看出，檸檬酸鹽含量和鉀鈉比的變化造成氧化峰差異度為44.3%和31.6%，且助劑含量變化造成熱解峰的差異度為33.1%。李巧靈等［15］報道相對于熱解峰而言，氧化峰的差異度對焦油和CO 的影響更顯著。由上可知，3 個因素對卷煙紙質量波動的影響排序為：助劑含量（檸檬酸鹽）＞鉀鈉比＞碳酸鈣含量。

對3 家卷煙紙廠的正常樣和異常樣以及B 卷煙紙廠的3 個類別的樣品進行助劑含量、鉀含量，鈉含量和鉀鈉比的檢測，并計算平均值，結果見表6。從表6 中可以看出，3 個卷煙紙廠的正常樣和異常樣以及B 卷煙紙廠的3 個類別的助劑含量（檸檬酸鹽）、鉀含量，鈉含量和鉀鈉比并沒有明顯的波動。結合上述分析結果可知，這種波動不至于造成DTG 曲線發生明顯的變化。

表5 不同助劑含量、鉀鈉比和灰分的卷煙紙樣品熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰差異度Tab.5 Differences of pyrolysis peak, oxidation peak and calcium carbonate decomposition peak of cigarette paper samples with different additive contents, potassium/sodium ratios and ash contents

圖6 B 卷煙紙廠所使用的闊葉木和針葉木的DTG 曲線Fig.6 DTG curves of hardwood and softwood used in Cigarette Paper Factory B

卷煙紙的熱重DTG 曲線是卷煙紙內在所有指標綜合影響的結果，與卷煙紙的定量、透氣度、助劑類型、助劑含量、鉀鈉比、原料（針葉木，闊葉木、碳酸鈣等）、原料配比以及生產工藝等因素都密切相關。在本項目組前期報道中［15］，卷煙紙常規指標檢測均在允許范圍內波動的兩份卷煙紙樣品，其DTG 曲線的熱解峰差異度＞10%且氧化峰差異度＞20%，造成對應卷煙CO 量差值為1.9 mg/支，焦油量差值為1.5 mg/支，說明卷煙紙的質量穩定性無法僅依靠常規指標進行判斷。

本研究中進一步分析造成卷煙紙質量波動的原因，對B 卷煙紙廠所使用的闊葉木和針葉木原料進行熱分析實驗獲取DTG 曲線，見圖6。從圖中可以看出，闊葉木和針葉木的DTG 曲線存在明顯差異，尤其是在氧化峰上。以闊葉木DTG 曲線為基準，計算針葉木DTG 曲線與其熱解峰和氧化峰的差異度度分別為30.8%和63.8%。根據此實驗結果，推測造成B 卷煙紙廠樣品的氧化峰出現明顯差異的原因，是由生產過程中闊葉木和針葉木的混合不均所造成的。為了驗證此推論，將闊葉木和針葉木按20%+80%和60%+40%的比例進行混合后，得到兩種混合后樣品的DTG 曲線，見圖7。從圖7 中可以看出，隨著闊葉木含量的增加，熱解峰的峰面積稍微減少，但溫度不發生偏移，而氧化峰則明顯向高溫偏移，這種表現形式與2.3 節所述批間樣中3 個類別的標準DTG 曲線表現形式保持一致。以闊葉木和針葉木按20%+80%混合樣品的DTG 曲線為基準，計算60%+40%混合樣品的DTG 曲線與其熱解峰和氧化峰的差異度分別為11.9%和25.2%，此種差異度水平也與3 家卷煙紙廠的正常樣和異常樣以及3 類批間樣之間的差異度水平相當。

圖7 B 卷煙紙廠所使用的闊葉木和針葉木按比例混合后的DTG 曲線Fig.7 DTG curves of proportionally mixed hardwood and softwood used in Cigarette Paper Factory B

3 結論

（1）卷煙紙熱分析圖譜的重復性實驗顯示熱解峰、氧化峰和碳酸鈣分解峰的差異度均小于4%，說明此法已滿足數據分析的要求。

（2）通過3 家卷煙紙廠批內正常樣和異常樣以及批間樣卷煙紙熱分析圖譜的對比分析發現，卷煙紙質量出現波動有3 種表現形式：熱解峰差異度＞10%，氧化峰差異度＞20%，碳酸鈣分解峰差異度＞15%。

（3）對比分析卷煙紙常規指標對卷煙紙熱分析圖譜表現形式的影響，得到對卷煙紙質量波動的影響程度排序為助劑含量＞鉀鈉比＞灰分含量。

（4）3 家卷煙紙廠的正常樣和異常樣以及批間樣的常規指標均在設計范圍以內，沒有發生明顯的波動，而不同漿料配比對熱分析圖譜影響表現形式與卷煙紙質量波動的表現形式基本一致，因此造成本研究中卷煙紙樣品質量波動的主要原因是生產過程中闊葉木和針葉木的混合不均勻。