濾棒特性對外周兩段式加熱型細支加熱卷煙逐口理化指標的影響

張瑩瑩，秦云華，楊 柳，王 琳，蔡昊城，劉曉萍，申欽鵬，魯端峰，雷 萍，鄭錦錦，呂曉波，王 樂*，趙 楊*，李 斌

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.云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明市五華區紅錦路367號 650231

加熱卷煙煙支結構和傳統卷煙類似，同樣由煙芯段和濾棒構成，雖然針對傳統卷煙濾棒的研究已經十分豐富［1-3］，但是加熱卷煙作為一種煙氣氣溶膠產生機理不同于傳統卷煙的新型煙草制品，其理化特征與傳統卷煙相比存在較大差異［4-6］，因而有必要開發適用于加熱卷煙的濾棒。目前，國內針對加熱卷煙濾棒的研究已經有相關報道。韓敬美等［7］以不同長度的濾棒中空段、聚乳酸膜段和醋纖段的加熱卷煙為研究對象，檢測煙氣主要成分煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇的逐口釋放量。王樂等［8］通過建立描述加熱卷煙復合濾棒截留率的模型，考察了不同長度濾棒中空段、聚乳酸膜段和醋纖段對煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇等3 種關鍵煙氣成分的截留率的影響。羅萌柔等［9］研究了不同濾棒通風率的兩用型煙支在點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠中的主要化學成分和粒徑分布。周楓等［10］研究了不同結構的通道型材料對加熱卷煙煙氣溫度及抽吸品質的影響。趙楊等［11］開發了一種基于造紙法的加熱卷煙降溫材料的制備方法。但是，目前針對濾棒參數（通風率、材料、結構）對細支加熱卷煙逐口理化指標的研究鮮見報道。

基于細支加熱卷煙具有較小的直徑和較長的煙芯段等特點，從提高加熱的均勻性和煙氣逐口釋放穩定性出發，以外周兩段式加熱型細支加熱卷煙為研究對象，通過改變不同的濾棒參數，主要包括通風率、材料和結構等，設計得到不同濾棒特性的煙支樣品，考察其逐口溫度和逐口煙氣水分、煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇等關鍵組分的釋放以及截留規律，以期對加熱卷煙煙支的設計提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

加熱卷煙煙支：9 種不同濾棒特性的煙支樣品，編號依次為1～9，煙支長度均為84 mm，其中，煙芯段長度為54 mm，三元復合濾棒每段長度均為10 mm，煙支直徑為5.4 mm，打孔位置距離唇端16 mm，煙支結構如圖1所示。考慮到目前加熱卷煙濾嘴材料多為醋纖、聚乳酸膜、醋纖中空、紙質中空等，本研究中煙支濾棒設計采用對上述材料進行組合的方式。濾棒第1段均設置為紙質中空段有利于煙氣的混合；濾棒第1 段和第2 段不能為連續的紙質中空段，因此，紙質中空段不出現在第2 段，且濾棒的3 段不同時為中空段。基于以上前提，上述4種材料兩兩組合并交換次序，得到8種設計。經過多次實驗及評價，打孔數量為20孔時外周兩段式加熱型細支加熱卷煙各方面的表現均為最優，故基于打孔20 孔開展研究。其中，1號樣品為基準樣，在此基礎上設置打孔數量為5 個的4號樣品進行對照，討論通風率的影響。9 種煙支樣品濾棒具體設計參數及通風率和吸阻的實測值見表1，其中，紙質中空段壁厚0.25 mm，醋纖中空段壁厚1.0 mm。可知，僅4號樣品的通風率較小，為49%左右；其余樣品的通風率均在77%左右。4號樣品的吸阻為992 Pa 左右，1號、5號和9號樣品的吸阻達600 Pa 以上，其余樣品的吸阻均在500 Pa以下。各個樣品關鍵組分平均初始含量如下：水分（17.86±1.34）mg/支，煙堿（5.50±0.23）mg/支，1，2-丙二醇（7.74±1.20）mg/支，丙三醇（7.11±1.23）mg/支。

表1 實驗煙支濾棒具體設計參數及通風率和吸阻的實測值①Tab.1 Design parameters and measured values of ventilation rates and draw resistances of filter rods of experimental HTP sticks

圖1 煙支結構示意圖Fig.1 Schematic diagram on the structure of an HTP stick

加熱煙具：煙具樣品為云南中煙工業有限責任公司提供的外周兩段式加熱型成品煙具（JUST A HUG），煙具外部結構如圖2所示。

圖2 外周兩段式加熱型煙具實物圖Fig.2 Picture of a two-stage peripherally heated product with slim HTP sticks

正十七烷（≥99.5%，美國Aladdin 公司）；異丙醇、1，2-丙二醇、丙三醇和煙堿（色譜純，美國Sigma公司）。

i-MAC600A陣列式多通道逐口吸煙機、自制卷煙溫度檢測裝置、自制煙支打孔儀（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；7890 氣相色譜儀（配有FID 和TCD 檢測器，美國Agilent 公司）；CP2245 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；HY-8 調速振蕩器（常州國華電器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 溫度檢測

（1）卷煙溫度檢測裝置

采用如圖3所示的卷煙溫度檢測裝置［12］對煙具和煙支溫度進行檢測，該裝置包括待測加熱卷煙、熱電偶模塊、熱電偶補償線、數據采集器、DAQ數據采集軟件、數據連接線和溫控型單孔道吸煙機等。

圖3 卷煙溫度檢測裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of a detection device for measuring HTP stick temperature

（2）煙具工作溫度和煙支中心溫度檢測

用4根熱電偶對煙具工作溫度（煙具加熱管內表面的溫度）和抽吸時煙支中心溫度進行檢測：①對煙具側壁作打孔處理（圖4a），便于熱電偶插入煙具內部進行測溫。測溫位點如圖4b所示，第1 根熱電偶位于距離加熱管前端7 mm 處，第4 根熱電偶位于距離加熱管后端10 mm處，相鄰熱電偶相距15 mm，其中，加熱管總長62 mm。煙支插入深度為距離加熱管前端7 mm，則4 根熱電偶分別位于煙支的0、15、30、45 mm 處，依次編號為TC1、TC2、TC3和TC4。②在檢測煙具工作溫度時，將熱電偶插入到煙支與煙具接觸界面處；在檢測煙支中心溫度時，將熱電偶插入到煙支中心處，此時TC1由氣流通道右側的凸臺和煙支固定。所有溫度檢測重復4次以上。

圖4 煙具表面打孔位置分布實物圖（a）和溫度檢測位點示意圖（b）Fig.4 Picture of perforation positons on the heater surface（a）and schematic diagram of temperature detection sites（b）

（3）濾棒中心溫度檢測

用4根熱電偶對濾棒中心處煙氣溫度進行檢測，檢測位點如圖5所示，熱電偶依次編號為TC5、TC6、TC7和TC8，插入深度為煙支半徑長（2.7 mm）。其中，TC8檢測出口煙氣溫度，檢測時需要外接一個濾棒對其進行固定。

圖5 濾棒溫度檢測位點示意圖Fig.5 Schematic diagram of temperature detection sites in a filter rod

1.2.2 煙氣成分檢測

（1）煙氣捕集

使用多通道逐口吸煙機進行抽吸實驗（抽吸容量55 mL，抽吸持續時間2 s，抽吸間隔30 s，通風孔不封閉），抽吸口數為7口，主流煙氣的捕集方法參照ISO4387：2000中的規定［13］。

（2）水分、1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇釋放量的測定

水分、1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇釋放量的測定參照肯生葉等［14］制定的GC-TCD法同時檢測該4種關鍵組分的方法。

（3）色譜條件

1.3 數據處理

1.3.1 溫度數據

在煙具啟動前已經提前開始采集溫度數據，因此，不同測試得到的溫度數據均以初始溫度升溫超過0.5 ℃的時刻作為0時刻。

1.3.2 煙氣組分數據

為方便研究水分、煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇4個關鍵組分在濾棒各段的截留規律，同時定義濾棒第1段、第2段和第3段的截留率以及濾棒總截留率4個物理量，并按照公式（1）～（4）計算。

2 結果與討論

2.1 逐口溫度

2.1.1 煙具工作溫度曲線

圖6a是煙具加熱管內表面不同位置處溫度變化曲線，圖6b是煙具工作溫度隨位置和工作時間變化的等溫線圖。可知，加熱管內表面多次測量溫度偏差較小，表明煙具工作溫度較為穩定，煙具的初始溫度為22 ℃左右，加熱開始后迅速升溫，溫度曲線明顯分為3 個階段：第1階段（0～125 s），煙具頂部區域（33～45 mm）先加熱，溫度快速升高（0～25 s 內），隨后穩定在200 ℃左右，在此階段，煙具底部區域（0～33 mm）溫度隨著頂部溫度的上升而自然升溫；第2 階段（125～215 s），煙具底部區域開始加熱并快速升溫，隨后穩定在220 ℃左右，同時煙具頂部區域開始降溫；在第3階段（215～275 s），加熱管所有區域停止加熱，溫度開始緩慢降低，各個位置的溫度差異變小。

圖6 煙具加熱管內表面不同位置處溫度隨工作時間的變化曲線（a）及溫度隨位置和工作時間的變化（b）Fig.6 Heating temperature curves at different positions on the inner surface of heating pipe of heater（a）and temperature map with the position and working time（b）

2.1.2 煙芯段逐口抽吸溫度

各個煙支樣品不同位置處逐口抽吸溫度變化如圖7所示。總體而言，各個樣品不同位置處的溫度曲線變化趨勢基本一致，相同時刻差異不大，表明不同濾棒特性的煙支樣品煙芯段的受熱狀態沒有顯著差異。其中，第3根和第4根熱電偶前兩口抽吸時的溫度差異略大，主要是因為不同煙支樣品煙絲填充狀態不一致帶來接觸熱阻的差異，因而導致煙支在短時間內加熱至較高溫度時差異較大，這從抽吸前煙支溫度就已經存在較大差異即可以驗證。進一步地對圖7d 分析發現，抽吸前各個樣品煙芯溫度已經存在較大差異，抽吸開始后，僅第1口抽吸時煙芯溫度產生較大波動，而隨后的抽吸過程對煙芯溫度幾乎無影響。這是由于位置4處距離煙支端部較遠，氣流流經煙支時被加熱，抵達位置4時氣流溫度和煙芯溫度差異已經較小，因而從第2口開始，抽吸過程對位置4處的溫度幾乎無影響；而第1口溫度波動較大主要是因為煙具頂部才開始加熱，煙支整體溫度差異較大，氣流流經煙支時被加熱程度低。這也驗證了各個樣品間的溫度差異主要是由煙芯段自身的差異造成的。

圖7 各個樣品煙芯段不同位置處逐口抽吸溫度變化曲線Fig.7 Puff-by-puff aerosol temperatures at different positions of HTP stick from each sample

對比1號和4號樣品，發現盡管4號樣品的通風率較小，但是其煙芯段逐口抽吸溫度與其他樣品相比無顯著差異，表明煙支端部進氣量對煙芯段溫度的影響較小。原因可能是低溫氣流的熱容遠遠小于煙絲的熱容［15］，因而總體上造成不同濾棒特性的煙支樣品煙芯段溫度無顯著差異。

2.1.3 濾棒段逐口煙氣溫度

圖8是各個樣品濾棒段逐口抽吸溫度變化曲線。可知，不同位置處溫度曲線變化趨勢基本一致，整體而言表現為第1 口和第5 口溫度較高。這可能和兩個主要加熱階段第1口水分釋放較多有關。

出口煙氣溫度的逐口變化曲線（圖8d）顯示，4號樣品的溫度最高，最高瞬時溫度達到75 ℃，8口平均溫度（以下稱均口溫度）約為68 ℃。這是由于4號樣品濾棒通風率最小的緣故。1號樣品與4號相比，通風率增加28%左右，均口溫度減小13 ℃左右；7號樣品的溫度最低，其中，第1口溫度最高，為57 ℃左右，均口溫度約為50 ℃。

其余煙支樣品中5號、9號的溫度較高，且出口煙氣溫度大致相當，表明醋纖和聚乳酸膜的組合順序對出口煙氣溫度幾乎無影響。出口煙氣溫度較低的有1號、2號、3號、6號和8號樣品，其中，2號略高于3號，8號略高于7號，表明濾棒第2段的聚乳酸膜比醋纖降溫效果略好；3號和8號樣品分別略高于7號和2號，表明濾棒第3段中空材料的種類對出口煙氣溫度無顯著影響；1號和6號樣品出口煙氣溫度相當，表明濾棒第2 段中空時，第3 段材料種類對出口煙氣溫度無顯著影響。此外，從各個樣品出口煙氣溫度相對大小關系可知，濾棒含有兩個中空段時出口煙氣溫度普遍更低，5號樣品出口煙氣溫度高于7號，9號高于6號，也驗證了存在兩個中空段時出口煙氣溫度更低的事實；1號樣品出口煙氣溫度略低于8號，6號高于7號，表明中空段在前或者在后對出口煙氣溫度影響不顯著。

2.2 逐口煙氣

2.2.1 全口煙氣中總粒相物、煙堿、丙三醇、1，2-丙二醇和水分的釋放規律

各個樣品的關鍵組分全口煙氣釋放量如圖9所示。可知，各個煙支樣品煙氣釋放量差異較大：針對總粒相物而言，1號、4號和6號樣品的釋放量均高于20 mg，其余樣品均低于15 mg；針對水分而言，4號樣品的釋放量較大，3號、7號和9號樣品的釋放量較小；此外，1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇三者的釋放量呈正相關關系，相關性系數最小達0.93，最大達0.99，其中，1號、4號和6號釋放較多，2號、3號、5號、7號、8號和9號釋放較少；總粒相物中水分的比例較高，各個樣品均在50%以上。

圖9 各個樣品關鍵組分全口釋放量以及水分在總粒相物中所占的比例Fig.9 Total amount of key components released from each sample and the moisture proportion in the total particulate matter

總體而言，1號、4號和6號樣品的煙氣關鍵組分中總粒相物、煙堿、水分、1，2-丙二醇和丙三醇的釋放較多，其煙支特點是濾棒第1段和第2段均為中空段，濾棒第3 段為醋纖或聚乳酸膜濾棒。其中，1號和6號樣品僅第3段濾棒材料不同，二者總粒相物和水分的釋放量相當，但6號樣品的煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇的釋放量分別比1號樣品高16%、26%、34%左右，表明聚乳酸膜比醋纖更有利于煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇的釋放轉移；4號樣品和1號相比，通風率減小28%左右，煙氣中總粒相物、水分、煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇的釋放量分別比1號樣品增加46%、38%、34%、68%、174%左右，可以發現，相比于更換第3段濾棒材料，較小的濾棒通風率更能提高煙氣中關鍵組分的釋放量，但同時會顯著增加出口煙氣的溫度。

對比6號和9號樣品的釋放情況，也可以驗證濾棒第2 段中空可以大大提高煙氣各個關鍵組分的釋放量，特別是1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的釋放量的增加效果十分明顯；分別對比1號和8號樣品以及6號和7號樣品發現，濾棒第2段中空相比于第3段中空而言更能提高各個關鍵組分特別是1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的釋放量；對比5號和7號樣品發現，濾棒第2段為聚乳酸膜材料時，第3段為醋纖中空更有利于1，2-丙二醇、丙三醇和煙堿的釋放轉移，各個組分的釋放量可以提高0.5～1.5倍不等；分別對比2號和8號樣品以及3號和7號樣品發現，濾棒第2段為醋纖或聚乳酸膜材料時，第3段中空材料的種類對煙氣關鍵組分的釋放幾乎無影響；分別對比2號和3號樣品以及7號和8號樣品的釋放情況發現，濾棒第2段為聚乳酸膜材料相比于醋纖更有利于1，2-丙二醇、丙三醇和煙堿的釋放轉移，特別是對煙堿釋放量的提高效果明顯，可以提升10倍以上；對比5號和9號樣品發現，聚乳酸膜和醋纖的組合順序對各個關鍵組分的釋放幾乎無影響。綜上所述，較小的濾棒通風率，濾棒第2段為中空段，更有利于煙氣關鍵組分的釋放轉移。

2.2.2 逐口煙氣中總粒相物、煙堿、丙三醇、1，2-丙二醇和水分的釋放規律

各個樣品煙氣總粒相物、水分、1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇等關鍵組分的逐口釋放量如圖10所示。可知，各個樣品煙氣釋放量差異較大，整體而言煙氣逐口釋放量與總釋放量規律基本一致，均為1號、4號和6號樣品的煙氣關鍵組分總粒相物、煙堿、水分、1，2-丙二醇和丙三醇的逐口釋放量較大，而其余樣品的釋放量較小。總體而言，除了水分以外，其余關鍵組分第1口釋放量均偏低，并且各個煙支樣品同一煙氣關鍵組分呈現出較為一致的逐口釋放趨勢：水分呈分段鋸齒狀線性降低趨勢，具體表現為隨著抽吸口數序號的增加水分釋放量減小，僅在第5口有所增加，這是因為兩段式加熱減緩了水分降低的趨勢，這與龔淑果等［16］的研究結果一致；1，2-丙二醇呈現出隨著抽吸口數序號的增加，釋放量先增加后減少，隨后再增加，然后再減少的“M”形釋放規律，其中，第2口和第5口釋放量最大；煙堿亦呈“M”形逐口釋放規律，其中，第3口和第6口釋放量最大，1，2-丙二醇和煙堿最大釋放量對應口數序號存在差異，這可能和二者沸點不同有關，煙堿的沸點高于1，2-丙二醇，因而需要更高的溫度才能達到最大釋放量；丙三醇呈現出隨著抽吸口數序號的增加釋放量先增加后減小的“n”形釋放規律，其中，第3口和第4口釋放量最大；總粒相物呈“M”形釋放曲線，整體來看第2 口和第5 口釋放量最大。需要說明的是，從結果呈現看，并非所有的樣品丙二醇和煙堿的釋放均呈“M”形逐口釋放規律，主要是因為2號、5號、8號和9號樣品的丙二醇和煙堿的逐口釋放量極小，誤差和釋放量的值已經處于同一個數量級，因而“M”形釋放規律不能很好地復現。同理，丙三醇的“n”形逐口釋放規律在2號、8號和9號樣品上的復現性較差也是出于同樣的原因。以上結果表明分段加熱對1，2-丙二醇和煙堿的逐口釋放影響顯著，而對丙三醇的影響較小。

圖10 各個樣品關鍵組分的逐口釋放情況Fig.10 Puff-by-puff released amount of key components from each sample

2.3 濾棒段煙氣關鍵組分的截留規律

2.3.1 濾棒段煙堿、丙三醇、1，2-丙二醇、水分的全口截留規律

各個樣品濾棒各段關鍵組分截留情況如圖11所示。可知，各個樣品截留效果差異顯著，濾棒截留總量（圖11g）顯示，1號、4號和6號樣品的煙氣關鍵組分煙堿、水分、1，2-丙二醇和丙三醇的截留較少，其余樣品的截留較多。然而不同樣品也呈現出較為一致的規律，濾棒總截留率（圖11h）顯示，各個樣品煙氣關鍵組分中1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇三者的截留率基本相當，水分的截留率則為三者的50%左右。

圖11 各個樣品濾棒各段關鍵組分截留情況Fig.11 Retention of key components in each section of filter rod from each sample

具體到濾棒第1段（圖11a和圖11b），總體而言，各個樣品第1段截留效果基本無差異，僅4號樣品截留略少，這可能和流經第1段的氣流略大有關。除4號樣品外，各個樣品均表現為水分截留率在10%～20%之間，1，2-丙二醇、丙三醇和煙堿的截留率為30%左右，這是因為濾棒第1段均為相同的紙質中空段。

各個樣品濾棒第2 段和第3 段的截留效果差異較大，特別是第2段（圖11c和圖11d）。第2段是中空段的1號、4號和6號樣品的水分、1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的截留率基本相當，均為10%左右；第2 段是醋纖濾棒的2號、8號和9號樣品的1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的截留率均在80%以上，水分的截留率均在20%～30%之間；第2 段是聚乳酸膜濾棒的3號、5號和7號樣品的1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的截留率基本為70%左右，而水分的截留率在20%～30%之間。可以發現，第2段是中空段對各個關鍵組分具有基本相當的低截留率，第2段為非中空的醋纖和聚乳酸膜濾棒對各個關鍵組分均具有較高的截留率，然而二者對各個關鍵組分的截留率水平存在微小差異，醋纖濾棒對1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的截留率略高于聚乳酸膜濾棒，而對水分的截留效果二者無顯著差異。

針對第3 段濾棒（圖11e 和圖11f），1號樣品第3段濾棒為醋纖濾棒，6號樣品為聚乳酸膜，醋纖比聚乳酸膜濾棒對1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的截留率高10%左右，而對水分的截留效果沒有明顯差異，這和前述第2段濾棒的結果一致；2號、3號、7號和8號樣品的第3段濾棒為中空段，然而整體而言，其對水分、1，2-丙二醇和丙三醇的截留率與其余樣品相比差異并不顯著，僅對煙堿具有較低的截留率。

從濾棒總的截留情況來看（圖11g 和圖11h），醋纖和聚乳酸膜的組合順序（5號和9號對比）對截留效果幾乎無影響；中空段在前時（1號和8號，6號和7號對比）可以大大減少對各個關鍵組分的截留；較小的濾棒通風率（1號和4號對比）一定程度上能夠減少關鍵組分的截留。

2.3.2 濾棒段煙堿、丙三醇、1，2-丙二醇和水分的逐口截留規律

由2.2.2 節煙氣的逐口釋放規律的討論中可知，不同樣品除水分以外的各個關鍵組分第1 口的釋放量均較少，為進一步探究原因，以1號樣品為研究對象進行了逐口抽吸截留實驗。圖12是1號樣品濾棒段各個關鍵組分逐口截留率情況，整體而言，1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇的截留水平相當，且截留率偏高。相對而言，水分的截留率較低，逐口波動較大。其中，濾棒各段水分、1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇第1口的截留率均很高，這在一定程度上解釋了為什么捕集的煙氣中各個關鍵組分在第1 口中的釋放量均較少。

圖12 1號樣品濾棒段逐口截留率情況Fig.12 Puff-by-puff retention ratio of filter rod from sample No.1

3 結論

（1）復合濾棒的第2段為中空段可以同時實現較低的出口煙氣溫度和較少的關鍵組分截留，釋放出更多的總粒相物、水分、煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇等關鍵物質，而醋纖和聚乳酸膜的組合順序對出口煙氣溫度以及關鍵組分的釋放和截留影響較小。

（2）醋纖和聚乳酸膜對水分的截留效果無顯著差異，但對于1，2-丙二醇、煙堿和丙三醇而言，醋纖比聚乳酸膜的截留率高10%左右，而聚乳酸膜比醋纖的降溫效果略好。

（3）濾棒通風率越小，出口煙氣溫度越高，水分、煙堿、1，2-丙二醇和丙三醇的截留越少，關鍵組分的釋放量越多。

（4）外周兩段式加熱型細支加熱卷煙煙氣總粒相物、煙堿和1，2-丙二醇的逐口釋放均呈現出“M”形釋放規律，丙三醇呈現出“n”形釋放規律。