新型功能濾棒在卷煙降焦減害中的應用研究

王嘉紹，董 露，趙怡凡，杜 赫，許艷冉，陳 晨，郭春生

(內蒙古昆明卷煙有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

隨著《煙草控制框架公約》履行以及社會對吸煙與健康問題的日益關注，降焦減害技術在國內外卷煙產品上應用日趨廣泛[1-3]。為滿足卷煙降焦減害的要求，卷煙濾嘴正從單一纖維濾嘴向異型結構、復合結構濾嘴發展。其中，異型結構濾嘴充分利用獨特濾嘴結構改變煙氣流動的路徑和速度，增加焦油、有害成分的截留效率，達到降焦減害的效果[4-7]。隨著濾嘴制備工藝水平的提高，基于特殊結構的新型功能復合濾嘴在卷煙中應用將日益廣泛[8-10]。

本文將研究開發基于3D打印技術的降焦減害功能濾棒。首先，通過計算機輔助設計對濾棒結構參數及空腔、介孔等特殊結構進行合理布局，建立新型功能濾棒打印模型；再次，采用3D打印技術打印新型功能濾棒模型[11-12]，將功能濾棒與普通濾棒相接得到復合濾棒；最后，進行煙支卷接裝，得到新型功能濾棒卷煙樣品。通過與對照樣品進行對比，研究了新型功能濾棒對卷煙物理指標、主流煙氣指標、香味成分及多種有害成分釋放量的影響，探索了3D打印技術在卷煙降焦減害技術的應用潛力。

1 試驗方法

1.1 新型功能濾棒的設計

本試驗基于空氣動力學、氣溶膠沉積原理、連續性定理以及伯努利定理，設計開發了孔直吸柱型過濾結構形式的降焦減害構件。煙支燃燒產生的氣溶膠，進入孔直吸柱過濾裝置吸附單元；氣溶膠沿煙支徑向運動，在內圓柱部分實現第一次撞擊，改變煙氣運動速度以及運動路徑，使煙氣氣溶膠進行部分沉積，而氣溶膠沉積主要分布于外殼的內壁上。內壁是位于氣溶膠裝置的煙支徑向的最外側，接觸空氣面積部分最大，散熱環境最好，煙氣溫度下降最快的區域，極大促進有害物質的沉積。在內圓柱上有兩個圓孔，改變煙氣的流通方向，同時改變主流煙氣流速，增加煙氣流動的動能，增打撞擊內壁的慣性力，使煙氣氣溶膠在內壁處進行沉積。在經過兩過濾孔后，煙氣通道部分存在短半徑 3 mm 和長半徑 5 mm 的橢圓開口，增加降溫效果以及空氣的進入量，保證煙氣溫度的降低以及煙氣的有效稀釋，達到氣溶膠截留效果，提升煙支抽吸輕松感。利用NX 12.0進行建模如圖，同時，利用3D打印設備進行數據模型的實現。

1.2 新型功能濾棒卷煙的制備

將打印出的3D濾棒構件通過濾棒復合技術制備新型功能濾棒。用于復合的普通醋纖濾棒規格為：絲束3.9Y-31000D；成型紙6000CU；定量 24 g/m2；寬度 26.2 mm；；圓周 23.9 mm；長度 100 mm；吸阻 1900 Pa。

卷煙的卷接裝實驗在內蒙古昆明卷煙有限責任公司完成，試驗卷煙為A牌號卷煙。將新型功能濾棒與同批次的普通醋酸纖維濾棒于同一卷接機組、同一原輔材料、同一卷接參數條件下卷接成煙支，得到不同濾棒模型的卷煙樣品和對照樣品。其中，對照樣、新型功能濾棒卷煙煙支規格：84 mm(25 mm+59 mm)×24.0 mm；卷煙紙32A70W 26.2 mm；接裝紙：64 mm 200CU。

1.3 主要儀器與檢測方法

本試驗主要儀器如表1所示。

按照煙草行業標準檢測方法對新型功能濾棒卷煙樣品和對照樣品的物理指標以及主流煙氣中焦油、煙堿、CO、苯酚、苯并[α]聯芘、NNK、氨、氰化氫、巴豆醛及香味成分的釋放量進行測定。所用卷煙實驗前在溫度(22±1)℃、相對濕度60%±2%條件下平衡 48 h。每一樣品進行三組平行檢測，取其平均值作為檢測結果。檢測項目如表2所示。

2 結果與討論

2.1 新型功能濾棒對卷煙物理指標的影響

從表3看出，與對照樣相比，新型功能濾棒卷煙的單支克重、吸阻高于對照樣，總通風率低于對照樣。新型功能濾棒對A牌號卷煙的圓周、長度、硬度物理指標影響不大。單支質量升高的原因是由于濾嘴中的3D打印構件的質量高于醋纖濾棒。

表1 主要實驗儀器

表2 新型功能濾棒卷煙樣品檢測項目

表3 對照樣、新型功能濾棒卷煙的物理指標比較

2.2 新型功能濾棒對卷煙降焦減害效果評價

表4為對照樣、新型功能濾棒卷煙的主流煙氣常規成分檢測結果。與對照樣品相比，新型功能濾棒卷煙D的總粒相物、焦油、煙堿均出現一定幅度的降低，降低率分別為29.0%、32.1%、37.1%，降低作用顯著。CO釋放量變化不明顯。抽吸口數略有升高，平均每支卷煙抽吸口數升高0.4口。

表4 對照樣、新型功能濾棒卷煙的主流煙氣成分檢測結果

對新型功能濾棒卷煙、對照樣主流煙氣中的多種有害成分釋放量進行檢測，研究了新型功能濾棒對常規卷煙危害性成分的影響作用，結果如表5所示。與對照樣品相比，新型功能濾棒卷煙樣品主流煙氣中的氫氰酸、苯并[α]聯芘、苯酚、巴豆醛、NNK均明顯降低，降低率均達20%以上。其中苯酚降低最為顯著達65.1%；苯并[α]聯芘、NNK、氫氰酸、巴豆醛降低率分別達58.3%、44.0%、31.0%、24.6%；氨降低幅度較小，降低率為17.9%。苯酚、苯并[α]聯芘、NNK降低率高于焦油降低率。危害性評價指數由10.8降低至7.0，降低率為35.2%。

2.3 新型功能濾棒對卷煙煙氣香味成分的影響

通過對新型功能濾棒卷煙、對照樣的主流煙氣香味成分進行檢測，研究了多種結構的新型功能濾棒對常規卷煙主流煙氣香味成分的影響作用，結果如表6所示。

表5 對照樣、新型功能濾棒卷煙的主流煙氣有害成分檢測結果

表6 新型功能濾棒卷煙和對照樣主流煙氣香味成分對比分析

表6(續)

表6(續)

從表6看出，新型功能濾棒對卷煙的主流煙氣香味成分影響較大，香味成分總量由2275.66μg/支降低至1820.75μg/支，降低率為19.99%，低于焦油降低率(32.1 %)與危害性指數降低率(35.2%)。主流煙氣香味成分1，2-丙二醇、糠醇、5-甲基呋喃醛、3-甲基環戊烷-1，2-二酮、2，3-二氫-3，5二羥基-6-甲基-4(H)-吡喃-4-酮、5-羥甲基糠醛等含量均出現不同程度降低。多種成分如4-(3-羥基丁基)-3，5，5-三甲基-2-環己烯-1-酮、4-叔丁基-2，6-二甲基乙酰苯、(6R，7E，9R)-9-羥基-4，7-巨豆二烯-3-酮、1-萘酚等物質降低至未檢出。另外，如4-乙基苯酚、1，3-苯二醇單乙酸酯、2，4-二甲基-3-乙酰基呋喃等含量相比普通醋纖濾棒出現增高，這主要是因為普通醋纖濾棒截流主要依靠醋纖絲束與氣溶膠顆粒的吸附作用，說明醋纖絲束對氣溶膠顆粒中這幾種物質具有非常強的選擇性吸附作用，而構件濾棒主要依靠空氣動力學與氣溶膠沉淀原理來實現截流，同時也反映了構件濾棒對其他絕大多數物質的截流效果明顯優于普通醋纖濾棒，具有降焦保香的效果。

3 結論

利用3D打印技術將新型功能濾棒應用于常規卷煙中，對所制備的卷煙樣品中的物理指標、主流煙氣指標、常規化學成分和7種有害成分進行分析。主流煙氣中的焦油、煙堿、氫氰酸、苯并[α]聯芘、苯酚、巴豆醛、NNK等顯著降低。其中，焦油降低率為32.1%，危害性指數降低率為35.2%。新型功能濾棒的應用可有效地降低卷煙煙氣各種有害成分，具有顯著的降焦減害效果。新型功能濾棒對常規卷煙的主流煙氣香味成分影響較大，香味成分總量降低率為19.9%。多種香味成分含量均出現不同程度降低，部分香味成分降低至未檢出，香味成分總量的降低率低于焦油降低率與卷煙危害性指數降低率。