卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响

张优茂 李旭华 黄翼飞 黄海群

(1.广东中烟工业有限责任公司国家认定企业技术中心，广东广州，510145;2.云南瑞升烟草技术集团 (有限)公司，云南昆明，650106)

卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响

张优茂1李旭华1黄翼飞1黄海群2

(1.广东中烟工业有限责任公司国家认定企业技术中心，广东广州，510145;2.云南瑞升烟草技术集团 (有限)公司，云南昆明，650106)

为探讨卷烟燃烧峰值温度对烟气CO释放量的影响，采用热分析仪比较了卷烟纸在不同温度下的失重情况，并采用扫描电镜对卷烟纸的微观形貌进行了比较。结果表明，卷烟燃烧峰值温度越低，对应卷烟纸的失重起始温度也越低，在相同温度下，对应卷烟纸的透气度也越大，主流烟气CO的释放量也随着减少。

卷烟;CO释放量;燃烧峰值温度;失重温度;透气度

随着人们对吸烟与健康问题的日益关注，卷烟消费者对卷烟低焦少害提出了更高的要求。CO作为烟气中的一种有害气体，其在主流烟气中的含量也受到严格的控制 (每种卷烟的烟标上都明确标注了CO的含量)。降低烟气中的CO释放量，已是国内外众多烟草科技工作者共同关注的焦点［1-4］。大量文献表明，提高卷烟纸透气度，在卷烟纸中添加燃烧调节剂［5-11］，提高滤棒成型纸与接装纸的透气度［12-14］，在烟丝中添加烟草薄片、梗丝、烟草添加剂［15-19］，增加滤棒的吸阻与长度，在滤棒中加入活性炭等吸附能力强的物质或催化剂［20-23］，对烟用二醋酸纤维进行改性等方法，均可以降低主流烟气中CO的释放量。但卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响，却鲜有文献报道，而卷烟燃烧峰值温度对烟气CO释放量的影响机理更无相关文献进行探讨。

为分析卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响，本实验采用7种不同的卷烟纸，在烟丝及其他卷烟材料均相同的条件下制成卷烟成品。比较了卷烟燃烧峰值温度对主流烟气中CO释放量的影响。同时，采用热分析仪分析了卷烟纸的热失重情况，利用扫描电镜对比了卷烟纸的微观形貌，初步探讨了卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响机理。

1 实验

1.1 仪器与材料

仪器:HR-200型电子天平 (感量0.0001 g，日本AND公司);KBF240恒温恒湿箱 (德国宾德公司);CERULEAN SM410吸烟机 (英国CERULEAN公司);NETZSCH STA 409 PC热分析仪 (德国耐驰仪器制造有限公司);XL 30 ESEM-TMP扫描电镜(荷兰Philips-FEI公司);D23透气度测定仪 (法国索定仪器公司)。RMl/PLUS单孔道吸烟机 (德国Borgwaldt);自制热电偶温度采集系统，含热电偶(Ф 0.3 mm，300 mm)，热电偶数字转换器，计算机数据采集和处理系统。

材料:7种不同的卷烟纸，除卷烟纸助剂外，其他造纸材料均相同。卷烟纸透气度为50 CU(Coresta Unit，简称CU，下同)，定量35 g/m2，编号分别为1#～7#(牡丹江恒丰纸业股份有限公司提供);A牌号烟丝 (广东中烟有限责任公司技术中心提供);将上述7种卷烟纸与A牌号烟丝制成相同规格的卷烟样品，对应卷烟样品为1#～7#(广东中烟有限责任公司技术中心制作)。

1.2 实验方法

1.2.1 主流烟气CO释放量测试方法

按GB/T 16450—2004《常规分析用吸烟机 定义和标准条件》设定吸烟机抽吸条件，按GB/T 23356—2009《卷烟 烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法》测定卷烟主流烟气CO释放量。

1.2.2 卷烟燃烧温度测试方法

使用自制热电偶温度测定仪，在标准抽吸条件下［24］(35 mL的抽吸容量，抽吸时间为2 s)，首先将待测卷烟插入单孔道吸烟机孔道上，并使其保持在水平位置。然后在热电偶数据接口插入热电偶数字转化器，将热电偶探针垂直刺入烟支，并精确调整热电偶探针插入烟支的深度。最后，固定热电偶和烟支位置，点燃卷烟进行卷烟燃烧温度测试。在卷烟燃烧碳化线接近热电偶时，启动数据采集和处理系统。测试速率为15次/s，测定卷烟抽吸最高温度，每个样品重复测定10次，计算平均值。

1.2.3 热分析方法

热分析测试的卷烟纸样品用量为10～20 mg，置于氧化铝坩埚内，同步热分析过程中的环境为空气气氛，注入流速为75 mL/min。实验采用程序升温，起始温度为40℃，升温速率为10℃/min，终温900℃，记录每个温度下的剩余卷烟纸质量，计算出剩余卷烟纸所占的质量分数。

1.2.4 扫描电镜观察卷烟纸

采用扫描电镜观察卷烟纸的微观形貌，扫描电镜的工作条件为，电压:20.0 kV;束流:30～40 μA;真空度:10－8Pa;分辨率:3.5 nm。

1.2.5 卷烟纸透气度测定

卷烟纸的透气度按照国家标准 GB/T 23227—2008《卷烟纸、成形纸、接装纸及具有定向透气带的材料 透气度的测定》进行测定，每个样品重复测定10次，计算平均值。

2 结果与讨论

2.1 卷烟燃烧峰值温度对烟气CO释放量的影响

在标准抽吸条件下，采用吸烟机测定7种卷烟样品的CO总释放量和抽吸口数，同时采用热电偶测定卷烟燃烧峰值温度。实验测试结果如表1所示。从表1可知，随着卷烟燃烧峰值温度的升高，卷烟的燃烧速率越慢，卷烟抽吸口数越多，CO的总释放量越大。

表1 卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响

根据卷烟抽吸口数与CO的总释放量，计算卷烟抽吸时每口CO平均释放量与卷烟燃烧峰值温度的关系，结果如图1所示。从图1可知，卷烟燃烧峰值温度与每口CO平均释放量存在一定的线性关系，卷烟燃烧峰值温度升高，相应地每口CO平均释放量也随之增大。

图1 卷烟燃烧峰值温度对单口CO释放量的影响

由文献 ［24-26］可知，卷烟燃烧时烟气中CO的产生主要有3种途径:①在燃烧区内，由于氧气分布不均匀，某些烟草化学成分在贫氧高温区的不完全燃烧产生CO(放热);②烟草组分受热分解产生CO(吸热);③烟气中的部分CO2在高温时能被含碳类物质还原成CO(吸热)。

根据卷烟烟气中CO产生的原理，可推测卷烟燃烧峰值温度对烟气CO释放量的影响。卷烟燃烧时，卷烟纸和烟丝中的含碳物质生成CO、CO2等氧化物，而燃烧区域的O2则来自空气，由于卷烟纸包裹烟丝，因此，燃烧区域的O2含量受卷烟纸透气度的影响。卷烟燃烧时卷烟纸的透气度越小，卷烟燃烧区域的O2含量也越小，更容易造成燃烧区域贫氧而使主流烟气中CO的释放量增大。因此，可推测卷烟燃烧峰值温度越低，卷烟燃烧时卷烟纸的透气度也越大。与此同时，卷烟燃烧峰值温度较低，主流烟气中的CO2在高温时被含碳类物质还原成为CO可能性降低。由此可见，通过改变卷烟纸助剂种类及助剂的含量可调节卷烟燃烧的峰值温度，而通过调节卷烟燃烧的峰值温度又可以调节CO的释放量。

2.2 卷烟纸热失重分析

为探讨卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响，实验采用热分析仪对上述7种卷烟纸进行热失重分析。实验采用热分析仪测定了7种卷烟纸从40℃至900℃的升温过程中，卷烟纸的剩余质量与温度的关系。对加热升温过程中的每个温度对应的卷烟纸质量进行测定，计算剩余卷烟纸质量占初始质量的质量分数，实验结果如图2所示。

图2 温度与卷烟纸剩余质量的关系

从图2可知，卷烟纸在加热升温过程中，卷烟纸的质量不断降低，其失重过程可分为5个阶段，第1阶段为失重初始阶段，温度为40～250℃，卷烟纸失重质量较小，卷烟纸质量变化不大，失重曲线为一平台;第2阶段为第一次加速失重阶段，温度从250℃升至500℃，在该过程中，卷烟纸失重速率最快，其剩余质量从95%迅速降至40%左右;第3阶段为缓慢失重过程，温度为500～700℃，在该过程中，卷烟纸失重速率缓慢，剩余的卷烟纸质量基本保持在40%左右;第4阶段为第2次加速失重阶段，温度从700℃升至750℃，卷烟纸失重速率明显加快，但低于第2阶段;第5阶段为恒重阶段，温度为750～900℃，在该过程中，卷烟纸剩余质量几乎不发生变化，7种卷烟纸的剩余质量均为30%左右。

从图2还可发现，在上述5个阶段中，除第2阶段失重曲线差异较大外，7种卷烟纸的其余阶段的失重曲线均非常类似。在第2阶段，卷烟纸的失重速率最快，以卷烟纸剩余质量为95%为第2阶段的起点，剩余质量为40%(约为500℃)为第2阶段的终点，则平均失重速率达到 (0.21% ～0.29%)/℃。对于1#～4#卷烟纸，其失重的起始温度为245～260℃;对于5#～7#卷烟纸，其失重的起始温度为300～309℃。而在终点处的卷烟纸的剩余质量与对应的温度都非常接近。

卷烟纸受热失重时，伴随着复杂的化学反应，卷烟纸中的纤维素发生裂解，纤维素的聚合度发生变化，某些共价键断裂，并释放出某些小分子化合物，卷烟纸中的孔洞增加，增大了卷烟纸的透气度。因此，当采用该卷烟纸卷制成卷烟样品后，卷烟燃吸时，卷烟纸受热后，透气度增大，从而使空气中的氧气更容易与主流烟气接触，进而将CO氧化成CO2，减少了主流烟气中CO的释放量。

对比上述卷烟纸，1#～4#卷烟纸，其失重起始温度为245～260℃;而5#～7#卷烟纸，其失重的起始温度为300～309℃。由于1#～4#卷烟主流烟气CO释放量低于5#～7#卷烟的主流烟气CO的释放量，这表明，卷烟燃烧峰值温度较低，该卷烟对应的卷烟纸具有较低的失重起始温度。由此可推测，在相同的温度(卷烟纸失重过程中的温度)下，失重起始温度越低的卷烟纸对应透气度要大于失重起始温度较高的卷烟纸透气度。即在相同温度下，1#～4#卷烟纸透气度高于5#～7#卷烟纸的透气度。

2.3 卷烟纸透气度测试及微观形貌观察

为证实1#～4#卷烟纸的透气度在相同温度下高于5#～7#卷烟纸的透气度，实验将上述7种卷烟纸在烘箱里于260℃下烘30 min，然后按照标准中规定的方法测定7种卷烟纸的透气度。透气度测定结果如表2所示。

从表2可知，与室温下卷烟纸透气度50 CU相比，1#～4#卷烟纸在260℃下的透气度明显升高，增长幅度达83.7% ～93.7%;而5#～7#卷烟纸的透气度也比室温下的透气度增加，增长幅度为8.4%～24.3%，但明显低于1#～4#卷烟纸透气度的增长幅度。卷烟纸升温失重过程中，发生复杂的化学反应，伴随着纤维素共价键的断裂，释放出小分子化合物，这就造成了卷烟纸结构疏松，孔洞增多，从而提高了卷烟纸的透气度。表2的实验结果证明了上述推测，这表明在卷烟纸升温失重过程中，卷烟纸起始失重温度越低，在相同的温度下，其透气度就越大。

表2 260℃下各卷烟纸的透气度 CU

为验证上述结论，选取1#和7#卷烟纸作为实验样品，将这两种卷烟纸用烘箱在260℃下烘30 min，然后采用扫描电镜观察它们的微观形貌。两种卷烟纸在260℃下烘后的电镜扫描情况如图3和图4所示。

从图3和图4可知，对于7#卷烟纸样品，260℃下烘30 min后，卷烟纸中纤维结构较为完整，并无明显的孔洞;而对于1#卷烟纸样品，卷烟纸中的纤维结构则存在较多大小不一的孔洞，纤维结构没有7#卷烟纸样品完整。由于1#卷烟纸样品纤维结构中的孔洞较多，增加了卷烟纸透气度，从而增加了卷烟燃烧区域的O2含量，故卷烟燃吸时CO释放量低于7#卷烟纸样品，这与上述推论结果相吻合。

以上结果表明，卷烟燃烧峰值温度越低，主流烟气中CO的释放量也越低，这是由该卷烟对应的卷烟纸的热失重起始温度决定的。卷烟纸的热失重起始温度越低，在热失重过程中，它在较低的温度下就会发生裂解，释放出小分子化合物，从而使卷烟纸纤维中的孔洞增多，提高了卷烟纸的透气度，进而使空气中的氧气更易与主流烟气接触，使CO的释放量降低;同时，由于卷烟燃烧峰值温度较低，减少了烟气中的部分CO2在高温时能被含碳类物质还原成为CO的可能性。

3 结论

3.1 卷烟燃烧峰值温度越低，主流烟气中CO的释放量也越低。

3.2 卷烟纸在热失重过程中，随着温度的升高，其纤维结构发生变化，纤维中的孔洞增多，卷烟纸的透气度也随着增加;卷烟纸失重起始温度越低，在相同的温度下，其透气度越大，所对应卷烟的主流烟气的CO释放量也越低。

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The Influence of Cigarette Burning Peak Temperature on the CO Content in Mainstream Smoke

ZHANG You-mao1，*LI Xu-hua1HUANG Yi-fei1HUANG Hai-qun2
(1．State-accredited Enterprise Technology Center，China Tobacco Guangdong Industrial Co．，Ltd．，Guangzhou，Guangdong Province，510145;2．Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)，Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan Province，650106)
(*E-mail:zhyoum@163．com)

In order to study the influence of burning peak temperature of cigarette on the content of CO in mainstream smoke，the weight loss of cigarette paper at different temperature was compared with thermal analyzer，and surface morphology of cigarette paper was investigated by SEM．The results indicated that the initial weight loss temperature of cigarette paper is lower，when the burning peak temperature of cigarette lowered．At the same temperature the content of CO in mainstream smoke is lower，when the permeability of cigarette paper increases．

cigarette;content of CO;burning peak temperature;temperature of weight loss;air permeability

TS761.2

A

0254-508X(2011)09-0039-05

2011-02-15

张优茂先生，硕士;主要从事卷烟材料的研究与分析工作。

(责任编辑:赵旸宇)