在线激光打孔参数对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响

曹伏军，解晓翠，汪旭，刘畅，严莉红，石玉萍，何爱军，王巍巍，杨潇，周骏*

1.上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站，北京市通州区万盛南街99号 101121

2.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市杨浦区长阳路717号 200082

在线激光打孔参数对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响

曹伏军1，解晓翠1，汪旭2，刘畅1，严莉红1，石玉萍1，何爱军1，王巍巍1，杨潇1，周骏*1

1.上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站，北京市通州区万盛南街99号 101121

2.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市杨浦区长阳路717号 200082

为考察在线激光打孔参数对卷烟通风率及常规烟气指标的影响，制作了不同激光脉冲持续时间和打孔数量的卷烟样品，考察了上述参数与卷烟通风率、通风率稳定性及常规烟气成分（烟碱、焦油和一氧化碳）释放量的关系；通过单因素实验设计，考察了打孔排数和打孔位置对卷烟理化指标的影响。结果表明：①在实验范围内，激光脉冲持续时间对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响大于打孔数量对二者的影响；打孔数量和激光脉冲持续时间对卷烟通风率信噪比的影响不明显，对通风率均值有显著影响，通风率均值随打孔数量和激光脉冲持续时间的增加呈增大趋势；打孔数量与常规烟气成分释放量相关性不显著，激光脉冲持续时间与烟气烟碱、焦油和一氧化碳释放量呈显著负相关，相关系数分别为-0.874，-0.936和-0.804。②总孔数及中心打孔位置一定时，通风率随打孔排数的增加而减小，常规烟气成分释放量随打孔排数的增加而增大；打孔数量和打孔排数一定时，打孔位置距嘴端越远，通风率越低，常规烟气成分释放量越高。

在线激光打孔参数；卷烟；通风率；焦油；烟碱；一氧化碳

烟支在线激光打孔是在烟支卷接过程中，利用高能激光，将卷烟接装纸和滤棒成型纸打穿并进入滤棒一定深度，形成微小孔洞，在卷烟抽吸的过程中，稀释烟气，从而达到降焦减害目的的一种方法［1］。在线激光打孔具有投资少、见效快、可靠性高等特点，可以通过设定不同的打孔参数实现卷烟产品多项指标的在线调整。打孔接装纸通过影响卷烟内烟气的流动，进而影响卷烟滤嘴通风率、单位焦油一氧化碳释放量及卷烟感官质量［2］。目前有关卷烟滤嘴通风稀释的研究主要集中在预打孔接装纸透气度对卷烟理化指标及感官质量的影响评价方面［3-19］，打孔参数的研究则较少。烟支在线激光打孔技术的发展使打孔参数对卷烟理化指标的影响研究成为可能。莫远烈［20］、邓来红［21］等通过单因素实验设计，考察了在线激光打孔数量和激光脉冲持续时间对卷烟通风率的影响，并建立了打孔数量、激光脉冲持续时间与卷烟通风率的线性回归模型，但是在线激光打孔的其他影响因素尚未见研究报道。因此，考察了在线激光打孔参数如打孔数量、激光脉冲持续时间、打孔排数和打孔位置对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响，旨在为在线激光打孔技术在实际生产中的推广应用提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

“中南海”品牌某混合型卷烟配方烟丝（北京卷烟厂）；未打孔接装纸（68 mm；潍坊华港包装材料有限公司）；活性炭醋纤二元复合滤棒（100 mm，牡丹江卷烟材料厂）；含麻格纹卷烟纸（30 g，50 CU，牡丹江恒丰纸业股份有限公司）。

PROTOS70卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）；JK250PS在线式卷烟激光打孔装置（南京瑞驰电子技术工程实业有限公司）；SM450直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；HP7890气相色谱仪（美国Agilent公司）；PI-214A电子天平（感量：0.0001 g，瑞士Mettler Toledo公司）；OM-Ⅰ综合测试台、PDS-W11烟支分选仪（北京欧美利华科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 试验卷烟样品的制备

（1）利用在线激光打孔设备，对“中南海”品牌某混合型卷烟进行打孔数量和激光脉冲持续时间的两因素三水平实验（表1），以考察打孔数量和激光脉冲持续时间对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响。

表1 打孔数量（A）和激光脉冲持续时间（B）因素水平

（2）利用在线激光打孔设备，分别制作总孔数为30和18的1排孔、2排孔和3排孔试验卷烟样品，以考察总孔数一定时，打孔排数对卷烟通风率和常规烟气成分释放量的影响。

（3）按表2所示的设计方案制作总孔数和打孔排数一定、打孔位置不同的试验卷烟样品，考察距嘴端打孔距离对卷烟通风率和常规烟气成分释放量的影响。

表2 不同打孔位置的试验卷烟

1.2.2 试验卷烟样品的测试

按照标准GB/T 22838.15—2009［22］，GB/T 19609—2004［23］，GB/T 23355—2009［24］和GB/T 23356—2009［25］的方法测定卷烟通风率及焦油、烟碱和一氧化碳释放量。

1.2.3 数据处理与分析

用Minitab统计软件进行数据处理与分析［26-27］。通过极差分析，比较打孔数量和激光脉冲持续时间对试验卷烟通风率和常规烟气成分释放量的影响程度；通过散点图和箱线图直观地反映卷烟理化指标随打孔排数变化的趋势；通过方差分析，确定各实验因素对结果影响的显著程度；通过回归分析，建立试验卷烟通风率和常规烟气成分释放量与相关打孔参数的回归方程。

2 结果与分析

2.1 打孔数量和激光脉冲持续时间对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响

2.1.1 打孔数量和激光脉冲持续时间对卷烟通风率的影响

常用的实验设计（DOE，Design of Experiment）有以下4种类型：因子、响应曲面、混料和田口［26-27］，本研究采用两因素三水平的田口设计，实验进行3次平行。在田口设计中，信噪比（S/N）是稳健性的度量，通过使无法控制因子（噪声因子）的效应最小化来确认减小产品或过程中变异性的控制因子。信噪比较大的参数组合是使噪声因子效应最小化的控制因子设置，均值为设计中控制因子水平每个组合的平均响应。田口设计不仅能分析各因素对实验结果的影响趋势，还能比较各因素对实验结果影响的程度。不同打孔数量和激光脉冲持续时间下试验卷烟的通风率如表3所示。

表3 不同打孔数量（A）和激光脉冲持续时间（B）下试验卷烟的通风率

用Minitab软件对实验数据进行分析，得到不同打孔数量和激光脉冲持续时间下卷烟通风率信噪比和均值的响应表，如表4所示。响应表给出了每个因子各水平下该响应的均值和极差，极差越大代表因子效应越显著。由表4可知，随着打孔数量和激光脉冲持续时间的增加，通风率信噪比和通风率均值增大。当打孔数量从23个增加到27个时，通风率信噪比从34.7 dB增至38.6 dB，通风率均值从34.0%增至37.3%。当激光脉冲持续时间从56 μs增加到96 μs时，通风率信噪比从30.7 dB增至40.8 dB，通风率均值从31.5%增至40.4%。由通风率信噪比和均值极差可知，激光脉冲持续时间对通风率信噪比和通风率均值的影响大于打孔数量对二者的影响。

表4 不同打孔数量（A）和激光脉冲持续时间（B）下试验卷烟的通风率信噪比和均值响应

打孔数量、激光脉冲持续时间与通风率信噪比、通风率均值的方差分析结果表明：打孔数量和激光脉冲持续时间对通风率信噪比的影响未达到显著水平（P> 0.05），即打孔数量和激光脉冲持续时间对生产过程中不可控噪声因子的影响不大；打孔数量和激光脉冲持续时间对通风率均值有显著影响，激光脉冲持续时间对通风率均值的影响达到1%显著水平（P=0.002），打孔数量对通风率均值的影响接近5%显著水平（P= 0.051）。打孔数量和激光脉冲持续时间与通风率回归分析结果表明：通风率=8.01+0.480A+0.212B，R2=0.96。

2.1.2 打孔数量和激光脉冲持续时间对常规烟气成分释放量的影响

对不同打孔数量和激光脉冲持续时间下的常规烟气成分释放量进行分析，得到3种成分释放量的均值响应（表5）。由表5可知，常规烟气成分释放量随打孔数量和激光脉冲持续时间的增加呈减少趋势。当打孔数量从23个增加到27个时，焦油、烟碱和一氧化碳释放量分别从6.9，0.56和9.3 mg/支降至6.7，0.54和8.3mg/支；当激光脉冲持续时间从56 μs增加到96 μs时，三者释放量分别从7.3，0.58和9.6 mg/支降至6.2，0.51和7.8 mg/支。焦油、烟碱和一氧化碳释放量的极差和排秩显示，激光脉冲持续时间对三者释放量的影响大于打孔数量。

表5 不同打孔数量（A）和激光脉冲持续时间（B）下试验卷烟常规烟气成分释放量的均值响应（mg/支）

打孔数量、激光脉冲持续时间与烟气烟碱、焦油和一氧化碳释放量的相关性分析结果表明：在实验范围内，打孔数量与常规烟气成分释放量的相关性不显著（P>0.05）；激光脉冲持续时间与烟碱、焦油和一氧化碳显著负相关（P<0.01），相关系数分别为-0.874，-0.936和-0.804。打孔数量、激光脉冲持续时间与3种常规烟气成分释放量的逐步回归分析结果为：烟碱= 0.679-0.00175B，R2=0.764；焦油=8.81-0.0266B，R2=0.875；一氧化碳=12.3-0.0460B，R2=0.647。各方程回归系数及方差检验结果均达到显著水平（P<0.05）。由于打孔数量对常规烟气成分释放量的影响不显著，因而在拟合方程中未体现。

2.2 打孔排数对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响

试验卷烟样品的打孔位置要求为：1排孔，距嘴端12.0 mm；2排孔，外孔带距嘴端11.5 mm，孔带宽度为1 mm；3排孔，中间的一排孔距嘴端12.0 mm，孔带宽度为2 mm。在每组打孔参数下，设置两组平行，以30支卷烟为1个物测样本，共检测12个样本。

2.2.1 打孔排数对卷烟通风率的影响

以打孔排数为自变量、通风率为因变量进行单因素方差分析。结果显示，总孔数一定时，打孔排数对通风率的影响达到1%的显著水平（P=0.001）。在中心打孔位置不变的情况下，通风率随打孔排数的增加呈减小趋势（图1）。比较通风率极差可以看出，总孔数越多，通风率数据越分散，打孔排数对通风率的影响越大。

绘制通风率变异系数与打孔排数的散点图，如图2所示。从散点图可以看出，总孔数一定时，随着打孔排数的增加，卷烟通风率的变异系数呈增大趋势，通风率的稳定性变差。可见，在实验范围内，应尽量减少打孔排数。

2.2.2 打孔排数对常规烟气成分释放量的影响

对打孔排数与常规烟气成分释放量进行单因素方差分析，结果表明，打孔排数对常规烟气成分释放量的影响达到1%的显著水平（P<0.001）。不同打孔排数下，焦油、烟碱和一氧化碳释放量的散点图（图3）显示，焦油、烟碱和一氧化碳释放量随打孔排数的增加呈增大趋势。比较各常规烟气成分释放量的极差可以看出，打孔数量越多，打孔排数对常规烟气成分释放量的影响越大。

2.3 打孔位置的影响

图1 不同打孔排数试验卷烟通风率均值的箱线图

图2 不同打孔排数下试验卷烟通风率变异系数

图3 不同打孔排数下试验卷烟常规烟气成分释放量

在打孔数量和打孔排数固定的情况下，考察了打孔位置对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响。结果（表6）表明，对于1排孔和2排孔，卷烟通风率均随距嘴端打孔距离的增加而减小，烟碱、焦油和一氧化碳释放量均随距嘴端打孔距离的增加而增大，即打孔位置距离嘴端越远，通风率越低，烟碱、焦油和一氧化碳释放量越多。产生这一现象的主要原因是打孔位置距离嘴端越远，滤嘴通风孔上游部分（与烟丝柱体相接段）的阻力越小，由烟丝柱体和滤嘴上游通道进入的气流量增加，通风孔道内的气流量减少［28］。通风率稳定性随打孔位置的变化未呈单调上升或者单调下降趋势，1排孔与2排孔卷烟通风率变异系数均在中间打孔位置处（16.0 mm/15.5 mm）达到最小，说明此处通风率稳定性最好。

对打孔位置与通风率、通风率变异系数及焦油等常规烟气成分释放量进行相关分析。结果显示，打孔位置与通风率达到10%显著相关水平，其中1排孔相关性检验P=0.056，2排孔相关性检验P=0.104，1排孔和2排孔距嘴端打孔位置与通风率相关系数分别为-0.996和-0.987。打孔位置与通风率变异系数、焦油、一氧化碳及烟气烟碱释放量的相关关系不大，相关性检验P>0.1。

3 结论

表6 打孔位置对卷烟通风率及常规烟气成分释放量的影响①

（1）在打孔数量为23～27个、激光脉冲持续时间为56～96 μs的实验范围内，激光脉冲持续时间对卷烟通风率、通风率信噪比及烟碱、焦油和一氧化碳释放量的影响大于打孔数量。打孔数量和激光脉冲持续时间对生产过程中不可控噪声因子的影响不大，对通风率均值有显著影响（P<0.05），通风率均值随打孔数量和激光脉冲持续时间的增加呈增大趋势。打孔数量与常规烟气成分释放量相关性不大（P>0.05），激光脉冲持续时间与烟碱、焦油和一氧化碳释放量呈显著负相关（P<0.01）。

（2）总孔数一定时，打孔排数对卷烟通风率和常规烟气成分释放量的影响达到1%显著水平。中心打孔位置固定时，通风率随打孔排数的增加而减小，焦油、烟碱及一氧化碳释放量随打孔排数的增加而增大。打孔排数对通风率稳定性有一定的影响，通风率变异系数随打孔排数的增加而增大，因此在实验范围内，应尽量减少打孔排数。

（3）打孔数量、打孔排数一定时，打孔位置与卷烟通风率负相关，与烟气成分释放量正相关，即打孔位置距离嘴端越远，通风率越低，烟碱、焦油和一氧化碳释放量越高。这为打孔卷烟打孔参数的设定及在线激光打孔设备在生产线中的推广应用奠定了基础。

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Effects of Online Laser Perforation Parameters on Cigarette Ventilation Rate and Deliveries of Routine Smoke Constituents

CAO Fujun1，XIE Xiaocui1，WANG Xu2，LIU Chang1，YAN Lihong1，SHI Yuping1，HE Aijun1，WANG Weiwei1，YANG Xiao1，and ZHOU Jun*1
1.Beijing Work Station，Technology Center，Shanghai Tobacco Group Co.，Ltd.，Beijing 101121，China
2.Technology Center，Shanghai Tobacco Group Co.，Ltd.，Shanghai 200082，China

In order to investigate the effects of online laser perforation parameters on cigarette ventilation rate and the deliveries of tar，nicotine and carbon monoxide in mainstream cigarette smoke，the cigarette samples with different hole numbers and perforated with different laser pulse durations were prepared，the relationships of the said parameters with cigarette ventilation rate，the consistence of ventilation rate and the deliveries of routine smoke constituents were analyzed.Meanwhile，a single factor experiment was conducted to investigate the effects of row number and position of perforation on the physical and chemical indexes of cigarette.The results showed that:1) Within the test range，laser pulse duration affected cigarette ventilation rate and routine smoke constituent deliveries more significantly than did hole number；laser pulse duration and hole number did not affect the ratio of signal to noise of cigarette ventilation rate obviously，but affected the mean value of ventilation rate significantly，which increased with the increase of hole number and laser pulse duration；the correlation between hole number and thedeliveries of routine smoke constituents was not significant；however laser pulse duration significantly negatively correlated to the deliveries of tar，nicotine and carbon monoxide in cigarette smoke with the correlation coefficients of-0.874，-0.936 and-0.804，respectively.2)With the fixed total number and central position of holes，ventilation rate decreased，while the deliveries of routine smoke constituents increased with the increase of row number；with the fixed hole number and row number，ventilation rate decreased，while the deliveries of routine smoke constituents increased with the increase of distance between hole position and mouth end.

Online laser perforation parameter；Cigarette；Ventilation rate；Tar；Nicotine；Carbon monoxide

TS411.2

A

1002-0861（2014）11-0045-06

上海烟草集团有限责任公司科技项目“在线激光打孔技术应用研究”（K2011-2-003P）。

曹伏军（1971—)，硕士，工程师，主要从事卷烟工艺与材料研究。E-mail：caofj2010@sina.com；*

周骏E-mail：zhoujun100@sohu.com

2014-05-30

责任编辑：洪广峰E-mail：hgf@ztri.com.cn电话：0371-67672660