加熱卷煙煙芯材料及煙支的吸濕特性研究

李朝建 吳承澄 羅亮 師東方 王鵬飛 周成喜

（1.江蘇中煙工業有限責任公司，江蘇南京，210019；2.南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇南通，226014）

加熱卷煙通過加熱煙草材料釋放煙氣供吸煙者體驗，既可以實現近似傳統卷煙的滿足感，又可以減少燃燒過程中有害物質的產生和吸入[1-3]，已成為國內外新型卷煙研究熱點。加熱卷煙煙支包括煙草段、降溫段和濾嘴段，最核心技術即煙草段中煙芯材料的制備工藝及其原料配方。國內煙草企業主要圍繞加熱卷煙用煙芯材料的制備技術[4]、發熱性能[5-7]、分析檢測[8-10]等方面開展系列研究。

加熱卷煙中甘油含量較高[11]，極易受潮，受潮后不僅影響卷煙外觀質量，還對煙支與煙具的匹配性及卷煙的感官質量有影響。已有文獻[12]通過動態蒸汽吸附實驗，對不同工藝制備的加熱卷煙煙芯材料對水的吸附機理進行了研究。結果表明，煙芯材料對水分的吸附為物理吸附。為更好地剖析加熱卷煙煙芯材料的吸濕特性，本研究以稠漿法和造紙噴粉法2種工藝制備的煙草薄片及相應加熱卷煙煙支為研究對象，開展環境相對濕度對煙草薄片面積、厚度及煙支圓周的影響研究，旨在了解煙草薄片及煙支吸濕后物理指標的變化規律，為加熱卷煙煙草薄片及煙支的儲存、煙支與煙具的匹配性設計提供技術參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

稠漿法煙草薄片、造紙噴粉法煙草薄片及加熱卷煙煙支，由江蘇中煙工業有限責任公司提供。1#煙支：煙芯材料為稠漿法煙草薄片，2#煙支：煙芯材料為造紙噴粉法煙草薄片。

PhenomProX掃描電子顯微鏡（SEM，荷蘭Phenom-World公司）；超眼B001便攜式數碼顯微鏡（深圳超眼科技有限公司）；HUAWEI LIO-AN00手機（像素：4800萬，華為終端有限公司）；煙支端面檢測儀（自制）；紙張裁樣器；EJA拉力試驗機（美國Thwing-Albert公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙草薄片制備

稠漿法煙草薄片：由煙粉、黏合劑、纖維、水等物質混合成漿料后涂布在環形鋼帶上干燥制成。

造紙噴粉法煙草薄片：以紙為基材，將煙粉、黏合劑及水的混合漿料噴涂到紙基兩面，干燥制成。

1.2.2 樣品制備

化學檢測和圖像分析樣品制備：參照GB/T 16447—2004的方法將煙草薄片在溫度(22±1)℃，相對濕度分別為40%、50%、60%、70%的環境下平衡48 h。樣品平衡后進行相關實驗研究。

煙草薄片面積測試樣品制備：將煙草薄片在相對濕度40%下平衡48 h，用紙張裁樣器裁取100 cm2圓片。

煙草薄片厚度測試樣品制備：將煙草薄片在相對濕度40%下平衡48 h，截取1 cm×1 cm的樣品，將樣品下部1 cm×0.5 cm部分用雙面膠固定于四方塊的側壁，樣品上部1 cm×0.5 cm部分裸露于四方塊上方。

煙支平衡：為了避免因外力造成煙支煙草段圓周變形，將煙支豎直放置，并用固定器固定煙支濾嘴。

1.2.3 煙草薄片形貌表征

采用PhenomProX掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的表面形貌特征，操作參數為：電子束加速電壓5 kV，放大倍率為300倍。

1.2.4 煙草薄片含水率檢測

依據YC/T 345—2010方法測定煙草薄片含水率。

1.2.5 圖像采集

煙草薄片表面圖像采集方法：將HUAWEI LIOAN00手機及樣品分別水平固定，攝像頭位于樣品中心點上方40 cm處，使用相機高像素模式進行拍照采集。

煙草薄片側面圖像采集方法：用超眼B001便攜式數碼顯微鏡對樣品側面進行拍照采集。

加熱卷煙煙支端面圖像采集方法：用鑷子夾住煙支中部降溫段，將煙支濾嘴端放入樣品固定器中固定，用煙支端面檢測儀對煙支端面進行圖像采集。

1.2.6 抗張強度測試

在相對濕度40%下，將稠漿法煙草薄片按照縱橫向裁切成規格樣品，用拉力試驗機測量樣品抗張強度。平行測定10個數據，取平均值。

1.2.7 數據處理

采用ImageJ圖像處理軟件對采集的煙草薄片表面照片進行圖像處理；采用Supereyes軟件對采集的煙草薄片側面照片進行圖像處理；采用基恩士CV-X視覺系統對采集的煙支截面照片進行圖像處理。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

SEM掃描的稠漿法煙草薄片和造紙噴粉法煙草薄片的表面形貌特征如圖1所示。

由圖1可以看出，2種煙草薄片在物理結構及物質組成上存在顯著差異。由圖1（a）可見，稠漿法煙草薄片為塊狀，結合較緊密，夾著少量纖維物質；由圖1（b）可見，造紙噴粉法煙草薄片中纖維物質較多，煙草顆粒附著在纖維表面，結合較疏松。

圖1 煙草薄片SEM圖Fig.1 SEM images of tobacco sheets

2.2 煙草薄片吸濕特性分析

2.2.1 環境相對濕度對煙草薄片含水率的影響

表1比較了煙草薄片經不同環境相對濕度平衡后含水率檢測結果。

從表1可見，隨著環境相對濕度增加，煙草薄片含水率增加。隨著環境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，稠漿法煙草薄片含水率分別增加1.27、5.63、11.53個百分點，造紙噴粉法煙草薄片含水率分別增加1.20、5.59、10.02個百分點。從含水率增加數據來看，當環境相對濕度從40%增加到50%，薄片含水率增加較小，約1.2個百分點；當環境相對濕度增加到60%，薄片含水率增加較大，約5.6個百分點；繼續增加環境相對濕度到70%，薄片含水率增加大于10個百分點，此時煙草薄片吸濕后表面黏度較大，已不利于后續加工。綜上可知，煙草薄片應在環境相對濕度≤50%的條件下儲存，有利于維持煙草薄片含水率的穩定性。

表1 煙草薄片含水率檢測結果Table 1 Test results of moisture content in tobacco sheets %

2.2.2 環境相對濕度對煙草薄片面積的影響

將樣品在不同的環境相對濕度下平衡后，對樣品表面進行拍照。用ImageJ圖像處理軟件對采集的煙草薄片表面照片進行全像素提取，以不同環境相對濕度下樣品照片全像素變化來模擬面積的變化。以相對濕度40%下煙草薄片的照片全像素為基準，考察相對濕度為50%、60%、70%時煙草薄片照片全像素變化，如圖2所示。

由圖2可見，相對于造紙噴粉法煙草薄片，稠漿法煙草薄片面積隨環境相對濕度增加而顯著增加。隨著環境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，稠漿法煙草薄片面積分別增加0.78%、2.66%、3.92%，而造紙噴粉法煙草薄片面積分別增加0.05%、0.22%、0.49%。推測2種煙草薄片隨環境相對濕度面積變化差異與煙草薄片制備工藝有關，其中造紙噴粉法煙草薄片中含紙基，受紙基束縛使得煙草薄片面積變化較小。當環境相對濕度在50%時，相比于相對濕度40%，煙草薄片面積增加＜1%，說明煙草薄片在環境相對濕度≤50%的條件儲存較適宜。

圖2 煙草薄片面積變化Fig.2 Changes in area of tobacco sheets

為進一步研究面積變化規律，截取10 cm×10 cm的稠漿法煙草薄片樣品，對不同濕度樣品照片分別進行橫向長度、縱向長度、表面像素提取，并以40%相對濕度下的像素為基準，考察相對濕度為50%、60%、70%時煙草薄片照片像素變化，如圖3所示。

由圖3可見，當環境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，稠漿法煙草薄片橫向長度分別增加0.29%、0.44%、0.90%，而縱向長度分別增加0.81%、1.96%、2.95%，縱向長度變化顯著大于橫向長度。分析原因，可能與煙草薄片中纖維伸展方向有關。由于稠漿法煙草薄片在制備過程中，涂布稠漿通過流延刀時，受流延刀阻力影響，使鋼帶上涂布稠漿中的纖維以縱向方式延伸為主[13-15]。通過檢測稠漿法煙草薄片抗張強度發現，縱向抗張強度為550 N/m，橫向抗張強度為160 N/m。由縱向和橫向抗張強度數據差異分析可進一步證實，稠漿法煙草薄片中纖維以縱向分布為主。推測稠漿法煙草薄片吸水后的伸展方向受纖維延伸方向影響，表現為縱向伸展大于橫向伸長。另外，當環境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，樣品面積增加比例分別為1.10%、2.41%、3.87%。從圖3可見，煙草薄片縱向長度隨環境相對濕度變化與面積變化較接近。可以認為，稠漿法煙草薄片面積隨環境相對濕度增加而增加主要歸因于樣品長度隨環境相對濕度的增加而增加。

圖3 煙草薄片長度及像素變化Fig.3 Changes in length and photo pixel of tobacco sheets

2.2.3 環境相對濕度對煙草薄片厚度的影響

圖4 稠漿法煙草薄片照片Fig.4 Photos of tobacco sheets prepared by thick pulp method

將樣品在不同的環境相對濕度下平衡后，對樣品側面進行拍照。采用Supereyes軟件對采集的圖片進行測量。圖5為稠漿法煙草薄片疏松部位在不同環境相對濕度下厚度照片（每張照片在相同位置測3個寬度）。表2為不同環境濕度下煙草薄片厚度檢測結果。

由圖5可見，稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環境相對濕度增加而增加。從表2可見，當環境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%時，稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環境相對濕度的增加而顯著增加，增加率分別為1.91%、4.03%、6.39%。結合表2和圖5圖像對比分析可知，稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環境相對濕度增加而加厚的原因是由于疏松部位吸水后體積潤脹所致；稠漿法煙草薄片致密部位厚度隨環境相對濕度增加有微小變化：環境相對濕度為40%、50%、60%時，厚度較穩定；當環境相對濕度增加到70%時，相比相對濕度40%的厚度減小1.17%。分析原因，可能是由于稠漿法煙草薄片致密部位的黏合劑含量較高，黏合劑吸水后膠性增加，可能會進一步提高致密部位的致密性，因此厚度隨環境相對濕度增加略有下降。造紙噴粉法煙草薄片厚度隨環境相對濕度從40%增加至50%、60%、70%時，分別增加0.75%、1.46%、2.40%。相比稠漿法煙草薄片疏松部位，由于紙基的束縛，造紙噴粉法煙草薄片厚度變化幅度較小。當環境相對濕度為50%，相比于環境相對濕度為40%，煙草薄片厚度變化較小，說明煙草薄片在環境相對濕度≤50%的條件儲存較適宜。

表2 不同環境相對濕度下的煙草薄片厚度Table 2 Thickness of tobacco sheets under different equilibrium humidity mm

圖5 不同環境相對濕度下稠漿法煙草薄片側面疏松部位照片Fig.5 Photos of side porosity of tobacco sheet prepared by thick pulp method under different equilibrium humidity

2.3 環境相對濕度對煙支圓周的影響

將2種煙草薄片分別制成加熱卷煙煙支，通過煙支端面檢測儀測定不同環境相對濕度下煙支圓周的變化。1#煙支端面圖片如圖6所示，2#煙支端面圖片如圖7所示，圓周數據見表3。

由圖6可見，當環境相對濕度從40%增加到50%，1#煙支煙絲填充狀態變化不明顯；當環境相對濕度增加到60%、70%時，可以明顯觀察到1#煙支煙絲填充趨于致密（圖6標記出煙絲間孔隙隨環境濕度變化較明顯的兩處），說明1#煙支吸潮后，煙絲間排列趨于緊密。分析原因，與稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環境相對濕度增加有關。

圖6 不同環境相對濕度下1#煙支端面照片Fig.6 Photos of 1#cigarette under different equilibrium humidity

如圖7所示，當環境相對濕度從40%增加到70%，2#煙支端面較難觀察到煙絲填充隨環境相對濕度增加的明顯變化。

圖7 不同環境濕度下2#煙支端面照片Fig.7 Photos of 2#cigarette under different equilibrium humidity

從表3可見，1#煙支和2#煙支的圓周均隨環境相對濕度的增加而增加，1#煙支圓周增加較2#煙支快，且增長幅度大于2#煙支。2種煙支圓周隨環境相對濕度增加的差異，歸結于2種煙芯薄片的吸濕特性差異。當環境相對濕度為50%，相比于環境相對濕度為40%時，煙支圓周變化較小，說明煙支在環境相對濕度≤50%的條件儲存較適宜。

隆慶五年(1571)，元忭再次赴京參與會試前看望了徐渭，徐渭作《送張子藎會試正月十七日》：“……身伴棘墻鼠，心搖芳草途。不得雙握手，惟聽只呼盧，看君將筆賭，一擲萬青蚨。”[1]827“身伴棘墻鼠，心搖芳草途”，盡管身陷囹圄，徐渭仍傾心相送。“看君將筆賭，一擲萬青蚨。”《淮南子》中把“青蚨”稱為“神錢”，有“青蚨飛去復飛來”之說。因此，這兩句詩表達了對元忭為會試所付出的勤勞必有回報的良好祝愿。

表3 煙支圓周隨環境相對濕度變化檢測結果Table 3 Circumference of cigarettes made from different tobacco slices mm

2.4 煙支圓周與薄片厚度相關性研究

將煙支圓周與煙草薄片的厚度做線性擬合處理，線性回歸方程見表4。

由表4可見，2款煙支圓周與煙草薄片厚度均正相關，且1#煙支相關性大于2#煙支。

表4 不同環境相對濕度下的煙支圓周與薄片厚度線性回歸方程Table 4 Linear regression equation of cigarette circumference and tobacco sheets thickness with different equilibrium humidity

2.5環境相對濕度對煙支感官質量的影響

煙支在不同濕度下平衡后，感官質量的差異主要體現在口腔灼熱感。隨著平衡濕度增加，口腔灼熱感增加。分析原因可能與煙草薄片含水率隨環境相對濕度的增加而增加有關。當環境濕度為70%時，口腔明顯燙嘴，影響抽吸體驗。

3 結 論

本研究采用化學分析法、圖像分析技術及感官質量評價，探討了稠漿法煙草薄片與造紙噴粉法煙草薄片在不同環境相對濕度下含水率、面積和厚度的變化規律，及2種煙草薄片制備的煙支圓周受環境相對濕度的影響規律。

3.1 2 種煙草薄片的含水率、面積和厚度及煙支圓周均與環境相對濕度正相關。受煙草薄片制備工藝的影響，稠漿法煙草薄片的面積和厚度隨環境相對濕度增加而增加，且增加的幅度顯著大于造紙噴粉法煙草薄片，其中，稠漿法煙草薄片面積增加主要歸因于縱向長度增加，厚度增加歸因于疏松部位吸水后體積潤脹。

3.2 隨著平衡濕度增加，薄片含水率增加，使煙支抽吸時口腔灼熱感增加。

3.3 當環境相對濕度在40%～50%之間時，煙草薄片和煙支的理化指標及感官質量穩定性較好，有利于煙草薄片及煙支的存儲。