基于瞬態(tài)平面熱源法的加熱卷煙紙導(dǎo)熱性能研究

摘要： 為考察加熱卷煙紙導(dǎo)熱性能，使用瞬態(tài)平面熱源法進行卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)檢測，開展實驗室內(nèi)方法學(xué)驗證，研究卷煙紙常規(guī)物理指標(biāo)、壓光處理、碳酸鈣添加量、原料纖維類型、防滲透處理、溫度對于卷煙紙導(dǎo)熱能力的影響。結(jié)果表明，基于瞬態(tài)平面熱源法檢測卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的日內(nèi)精密度、日間精密度均低于4%；卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)與緊度呈正相關(guān)、與透氣度呈負相關(guān)；經(jīng)壓光處理的卷煙紙纖維接觸更加緊密、間隙更小，厚度、透氣度減小而緊度增大，導(dǎo)熱能力顯著增強；碳酸鈣添加量越大，卷煙紙厚度、透氣度增大且緊度減小，但導(dǎo)熱能力增強；麻漿和木漿等不同纖維原料的卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)存在一定差異；防滲透處理的卷煙紙（改性淀粉涂布量0～0. 17%） 導(dǎo)熱系數(shù)無明顯差異；22～250 ℃區(qū)間內(nèi)，卷煙紙導(dǎo)熱能力隨溫度的升高而增強。

關(guān)鍵詞：卷煙紙；加熱卷煙；導(dǎo)熱系數(shù)；瞬態(tài)平面熱源法

中圖分類號：TS761. 2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 010

與傳統(tǒng)卷煙的燃燒使用不同，加熱卷煙利用器具熱源加熱發(fā)煙物料，產(chǎn)生具有煙草風(fēng)味的氣霧[1-2]。由于其特別的使用方式，傳熱傳質(zhì)是加熱卷煙的研究熱點之一，而原輔料導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性數(shù)據(jù)正是傳熱傳質(zhì)研究的重要輸入[3]。加熱卷煙根據(jù)加熱方式可大致分為內(nèi)芯加熱卷煙、外圍加熱卷煙及結(jié)合結(jié)構(gòu)卷煙[4]。對于外圍加熱卷煙，器具熱源熱量需通過卷煙紙進入發(fā)煙物料，因此卷煙紙導(dǎo)熱性能直接影響產(chǎn)品的綜合品質(zhì)。故針對加熱卷煙紙導(dǎo)熱性能進行研究，有助于加熱卷煙傳熱傳質(zhì)研究及外圍加熱卷煙產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。

煙草相關(guān)的熱物性研究中，Zhu等[5]、陳一楨等[6]、馬亞萍[7]、林慧等[8]應(yīng)用瞬態(tài)平面熱源法（transientplane source method，TPS法） 測量煙絲、薄片絲等卷煙組成物質(zhì)的熱物性指標(biāo)，并研究填充密度、水分含量、甘油含量等因素對加熱卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。此外，TPS法也可用于導(dǎo)熱紙（膜） [9]、紡織品[10]、涂布紙[11]、碳纖維復(fù)合材料[12]等薄片樣品的導(dǎo)熱系數(shù)檢測。作為一種瞬態(tài)測量方法，TPS法采用雙螺旋結(jié)構(gòu)平面熱源，能有效降低探頭與樣品之間的接觸熱阻，從而提高檢測效率和精度。

本研究基于TPS法檢測加熱卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)，開展方法學(xué)評估，研究卷煙紙定量、厚度、透氣度、緊度等常規(guī)物性指標(biāo)，以及原料纖維類型、壓光處理、碳酸鈣添加量、防滲透處理、溫度對于加熱卷煙紙導(dǎo)熱能力的影響。

1 實驗

1. 1 材料與儀器

卷煙紙由牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司提供；改性淀粉、碳酸鈣，由中煙摩迪（江門） 紙業(yè)有限公司提供。

Hotdisk TPS 2500S 熱常數(shù)分析儀，瑞典Hotdisk公司； Climacell CLC404 ECO 恒溫恒濕箱， 德國MMM 公司； Venticell VC111 ECO 高溫烘箱， 德國MMM公司；Prisma E 掃描電子顯微鏡（SEM），美國Thermo Fisher公司；LCA實驗室壓光機，芬蘭DT pa?per公司。

1. 2 實驗方法

1. 2. 1 卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)檢測方法及平臺

TPS法的測量原理[13-15]是假定探頭被置于無限大試樣中，并以階躍式或脈沖式的電流通過探頭，使探頭金屬片溫度升高釋放熱量，同時探頭也作為傳感器，測量樣品在測試點處的溫度，通過熱傳導(dǎo)過程中的溫度數(shù)據(jù)與無量綱時間函數(shù)進行擬合，再結(jié)合穩(wěn)態(tài)傳熱模型，得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

Hotdisk TPS 2500S熱常數(shù)分析儀包括檢測探頭、儀器主機，并通過計算機軟件控制。檢測過程中，將背景材料、樣品、探頭組成檢測單元（圖1），所用背景材料為石英玻璃塊，探頭為7854F1聚酰亞胺薄膜探頭，并將檢測單元放置于恒溫恒濕箱中，溫度和相對濕度分別為22 ℃和60%。

由于接觸熱阻會使TPS 檢測結(jié)果具有較大的誤差[16]，本研究在檢測單元上加載2.5 kg壓塊，確保樣品與探頭緊密貼合，減少空氣間隙以有效降低接觸熱阻、提高檢測的準(zhǔn)確性。具體實驗測試操作及結(jié)果讀取可參考董陳磊等[17]對織物導(dǎo)熱系數(shù)的檢測。

1. 2. 2 實驗室內(nèi)方法學(xué)評價

選取2款卷煙紙A1、A2，在同一天內(nèi)測試其導(dǎo)熱系數(shù)5次，計算方法的日內(nèi)精密度；在不同時間內(nèi)連續(xù)測試其導(dǎo)熱系數(shù)3天，計算方法的日間精密度。

1. 2. 3 壓光處理及卷煙紙常規(guī)物理指標(biāo)

分別選擇中等定量低透氣度、高定量低透氣度的卷煙紙E1、F1，以及低定量高透氣度成型紙D1進行壓光處理，使用實驗室壓光機分別進行1次和多次壓光處理，壓光溫度60～70 ℃，車速40～50 m/min，壓光壓力75 kg/m2，獲得與原紙定量相同、但厚度、緊度不同的卷煙紙E2、F2、D2 （1次壓光） 及E3、F3、D3（E3、F3經(jīng)4次壓光，D3經(jīng)3次壓光），測試卷煙紙常規(guī)物理指標(biāo)及導(dǎo)熱系數(shù)的變化。使用SEM觀察卷煙紙F1、F2、F3微觀形貌的變化。所述實驗及卷煙紙信息見表1。

為進一步比較在緊度相同的情況下，定量和厚度對于卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響，分別對1張及2張疊加下卷煙紙E1、E2、E3的導(dǎo)熱系數(shù)進行5組平行檢測，并通過獨立樣本T 檢驗比較2 種狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的差異。

基于壓光處理實驗及多層紙張檢測實驗結(jié)果，考察緊度、定量、透氣度、厚度等常規(guī)物理指標(biāo)對卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1. 2. 4 碳酸鈣添加量

碳酸鈣是卷煙紙的重要填料，其添加量會影響卷煙紙的質(zhì)量[18]。本節(jié)考察碳酸鈣添加量對卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。基于同一卷煙紙漿料，分別添加15%、30%、45%（相對于卷煙紙質(zhì)量） 碳酸鈣填料替代部分纖維原料， 抄制碳酸鈣添加量分別為0、15%、30%、45% 的4種卷煙紙（定量30 g/m2），分別記為G1、G2、G3、G4。

1. 2. 5 原料纖維

闊葉木、針葉木漿纖維和麻漿纖維是卷煙紙常用的原料，原料種類會影響卷煙紙的品質(zhì)，進而影響煙支的品質(zhì)[19]。本節(jié)主要考察不同原料纖維的卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的差異。對于具有相近物理指標(biāo)的純針葉木漿、闊葉木漿、麻漿卷煙紙（B1、B2、B3） 進行導(dǎo)熱系數(shù)的考察比較。另一組實驗中，考察不同質(zhì)量比針葉木漿、麻漿的混合漿制備的卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)，混合漿原料分別為100% 針葉木漿、50% 針葉木漿+50%麻漿、25%針葉木漿+75%麻漿，獲得的卷煙紙分別記為C1、C2、C3。

1. 2. 6 防滲透處理

加熱卷煙使用改性淀粉等防滲透物質(zhì)提升卷煙紙的防滲透能力，以減輕由于甘油吸濕造成的黃斑現(xiàn)象[20]。本節(jié)將關(guān)注不同改性淀粉涂布量下制備的卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)，以考察防滲透處理對于卷煙紙導(dǎo)熱能力的影響。對H1 涂布改性淀粉，涂布量分別為0、0.05%、0.10%、0.17%，獲得的卷煙紙分別記為H1、H2、H3、H4。

1. 2. 7 溫度

將卷煙紙檢測單元置于高溫烘箱中，為提高高溫下溫度平衡速率，使用不銹鋼塊作為背景，分別測定22、100、175、250 ℃溫度下卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)，研究溫度對卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。考察不同溫度水平下卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的變化，將樣品檢測單元（薄膜探頭、不銹鋼背景塊、重物壓塊） 和卷煙紙放入高溫烘箱，同步進行升溫至22、100、175、250 ℃，測定加熱卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2. 1 實驗室內(nèi)方法學(xué)驗證實驗

基于本研究所述卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)檢測方法，實驗室內(nèi)方法評價結(jié)果見表2。由表2 可知，測試次數(shù)為5次時，卷煙紙A1、A2導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.038 06和0.071 68 W/（m·K），日內(nèi)精密度、日間精密度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4%，表明該方法的精密度較好。

2. 2 壓光處理及卷煙紙常見物理指標(biāo)對于卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2為壓光處理對卷煙紙厚度、緊度、透氣度的影響。由圖2可知，3類原紙經(jīng)壓光處理后厚度、透氣度減小，緊度增大，且壓光處理次數(shù)越多，變化程度越明顯。

圖3為卷煙紙F1、F2、F3的SEM圖。由圖3可知，F(xiàn)1表面纖維隆起較明顯，纖維連接不緊密，纖維間存在間隙，而經(jīng)壓光處理后，F(xiàn)2、F3纖維呈明顯的板結(jié)狀，纖維間的間隙減少，纖維接觸緊密，壓光處理次數(shù)越多，該現(xiàn)象越明顯。

圖4為壓光處理對于卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。由圖4可知，經(jīng)壓光處理后，3組卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)均表現(xiàn)為顯著提升。比較原紙與多次壓光卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)變化率，樣品組D中低定量高透氣度的卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)提升最大，提升了75.3%，樣品組E次之，提升了53.2%，樣品組F 提升了28.4%。3 類卷煙紙在1次壓光處理中的導(dǎo)熱系數(shù)提升變化最大，分別提升了57.3%、29.9%、23.0%，均高于一次壓光到多次壓光間的變化。

綜合分析圖2～圖4，壓光處理即通過擠壓力使卷煙紙纖維微觀結(jié)構(gòu)更加緊密，緊度增大及透氣度減小。纖維間的間隙減小導(dǎo)致接觸熱阻減少，纖維與纖維之間的接觸連接增多，導(dǎo)致纖維間的傳熱通道增多，因此卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)增加。由此可知，緊度增大有利于卷煙紙導(dǎo)熱能力的提升。通過Pearson相關(guān)性分析可知，樣品組D、E、F導(dǎo)熱系數(shù)與緊度呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.962，顯著性檢驗plt;0.01），與透氣度呈顯著負相關(guān)（相關(guān)系數(shù)?0.674，顯著性檢驗plt;0.05），可見緊度是影響卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的主要常規(guī)物理指標(biāo)。

在緊度相同的情況下，探究定量和厚度對卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響，選取低透氣度樣品組E，分別檢測1 張及2 張疊加下卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)， 檢測結(jié)果見圖5。

通過獨立樣本T 檢驗結(jié)果（表3） 可以發(fā)現(xiàn)，1張和2張疊加下，3個卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)均無顯著差異（pgt;0.05）。可見當(dāng)卷煙紙組成、緊度等確定時，厚度、定量的變化并未引起卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的顯著變化。

2. 3 碳酸鈣添加量對卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)碳酸鈣添加量增加時，卷煙紙厚度、透氣度增大，緊度減小，檢測結(jié)果見圖6。這是由于碳酸鈣填料取代部分卷煙紙原料纖維，使得由纖維緊密交聯(lián)形成的卷煙紙結(jié)構(gòu)變得疏松多孔；同時，碳酸鈣添加量越大，卷煙紙纖維結(jié)構(gòu)越疏松，厚度和透氣度增大，緊度減小。

盡管添加碳酸鈣使卷煙紙變得疏松且緊度降低，但隨著碳酸鈣添加量的增加，卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)仍表現(xiàn)出顯著增大， 檢測結(jié)果見圖7。相比卷煙紙G1（0.064 9 W/（m·K）），G2的導(dǎo)熱系數(shù)（0.070 6 W/（m·K））增大8.8%， G4 的導(dǎo)熱系數(shù)（0.072 1 W/（m·K）） 增大11.1%。這可能是由于碳酸鈣自身導(dǎo)熱系數(shù)（27 ℃，4.187 W/（m·K）） [21]高于卷煙紙原料，同時分散的碳酸鈣顆粒可以構(gòu)建更多的導(dǎo)熱通道，使得卷煙紙整體導(dǎo)熱能力有所提升。

2. 4 不同原料類型的卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)

圖8為不同原料類型卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)。由圖8可知，針葉木漿卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)最低，麻漿卷煙紙（B3） 導(dǎo)熱系數(shù)高于針葉木漿卷煙紙（B1） 及闊葉木漿卷煙紙（B2），較B1高約21.0%。

圖9為混合漿卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)。由圖9可知，在針葉木漿中添加麻漿后，卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)有所增大，添加75%麻漿卷煙紙C3較100%針葉木漿卷煙紙C1提高約7.4%，差異較小，但所表現(xiàn)的趨勢與圖8實驗結(jié)果一致。

表4為不同原料類型卷煙紙信息。由表4可知，2組卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)并未與厚度、定量、緊度、透氣度等物理指標(biāo)表現(xiàn)出規(guī)律性變化。不同纖維原料類型卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)所表現(xiàn)出的差異可能是由于木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等物質(zhì)組成和纖維形態(tài)的不同造成的[22-23]。

2. 5 防滲透處理對于卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

表5為不同防滲透處理卷煙紙的基本信息。由于防滲透物質(zhì)改性淀粉涂布量最大為0.17%，因此涂布改性淀粉的卷煙紙定量、透氣度、厚度、緊度等物理指標(biāo)變化較小（表4）。圖10為不同改性淀粉涂布量下制備的卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)。由圖10可知，4個卷煙紙的導(dǎo)熱系數(shù)基本處于同一水平，約為0.07 W/（m·K），無顯著差異，且隨著改性淀粉涂布量的變化，卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)并未表現(xiàn)出趨勢性的變化。

2. 6 溫度對于卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由于卷煙紙需在高溫烘箱中停留較長時間以達到溫度平衡，175 ℃時卷煙紙顏色已發(fā)生明顯變化，卷煙紙顏色由白色變成淺褐色，250 ℃時顏色進一步加深，這是由于高溫下卷煙紙原料纖維裂解碳化導(dǎo)致的。圖11 為不同溫度條件下卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)。由圖11可知，隨著溫度升高，卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，250 ℃可達0.107 2 W/（m·K）。這可能是由于高溫條件下植物纖維、水、甘油分子熱運動頻率升高，使得導(dǎo)熱能力增強[10，17]。

3 結(jié) 論

本研究基于瞬態(tài)平面熱源法檢測卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)，研究卷煙紙定量、厚度、透氣度、緊度等常規(guī)物性指標(biāo)，以及原料纖維類型、壓光處理、碳酸鈣添加量、防滲透處理、溫度對于卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

3. 1 基于瞬態(tài)平面法檢測卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)，實驗室內(nèi)日內(nèi)精密度、日間精密度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于4%，具有較好的精密度。

3. 2 卷煙紙導(dǎo)熱系數(shù)與緊度呈正相關(guān)、與透氣度呈負相關(guān)，與定量、厚度無明顯關(guān)系，緊度是影響卷煙紙導(dǎo)熱能力的主要常規(guī)物理指標(biāo)。

3. 3 經(jīng)壓光處理的卷煙紙纖維接觸更加緊密、間隙更小，表現(xiàn)為厚度、透氣度減小、緊度增大，卷煙紙導(dǎo)熱能力顯著增強。

3. 4 隨著碳酸鈣添加量的增大，盡管卷煙紙厚度、透氣度增大且緊度減小，但導(dǎo)熱系數(shù)仍顯著增大，這可能得益于碳酸鈣自身較高的導(dǎo)熱性能。

3. 5 防滲透涂布處理的卷煙紙（改性淀粉涂布量0～0.17%） 導(dǎo)熱系數(shù)并無明顯差異；麻漿和木漿等不同原料纖維類型的卷煙紙導(dǎo)熱能力有一定差異，在22～250 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，卷煙紙導(dǎo)熱能力隨溫度的升高而增強。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞，宋佳翼）