不同浆料配比卷烟纸性能及对卷烟的影响

顾永圣 段良勇，* 闫新可 吴雄会 王春玲

(1.江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心，江苏南京，210019；2.中烟摩迪(江门)纸业有限公司， 广东江门，529085)

卷烟纸主要由植物纤维和遍布在其结构中的填料微粒组成，作为唯一参与燃烧的辅材，卷烟纸对于烟支的燃烧性能、烟气指标及感官质量都有着重要影响[1]。而植物纤维是卷烟纸中主要原料之一，其各项形态参数如平均长度、卷曲度、扭结指数及形貌特征等对纸张性能如抗张强度、匀度等有着重要的影响[2- 3]，不同纤维的热裂解产物也存在差异[4]，进而影响感官吸味。卷烟纸与烟丝作为烟支燃烧主体，对卷烟的包灰性能起最为关键的影响，卷烟抽吸时卷烟纸灰片不能很好地包裹在烟丝上，烟灰掉落严重，会污染环境且消费体验较差。因此建立包灰定量测试方法，科学准确地描述卷烟包灰性能，显得尤为重要。分析现有卷烟包灰性能分析方法[5- 9]，存在评价指标单一或评价方法主观性较强的缺点。本研究通过不同浆料配比的卷烟纸试制及其物理性能分析，结合卷烟烟气分析和感官评价，通过建立包灰效果评价方法，从而较为全面了解纤维配比与卷烟物化特性、包灰能力之间的关系，为进一步深入开展卷烟纸及卷烟的性能研究提供参考。

1 实 验

1.1 原料和仪器

针叶木浆，瑞典产云杉浆；阔叶木浆，巴西产桉木浆；碳酸钙，马来西亚产。

RM20H型转盘吸烟机，德国Burgwaldt Kc公司；MS303S型电子天平，感量0.001 g，瑞士梅特勒；500D相机，日本佳能；PIA- 6000显微镜分析软件，瑞士保捷拿；卷烟包灰测试台，自制。

1.2 方法

1.2.1 不同纤维配比卷烟纸的制备

以定量27 g/m2，透气度60 CU为目标值，按照一定比例的纤维配比，分别对针叶木浆、阔叶木浆及损纸进行碎浆、打浆、配浆，经上网、抄造、施胶等操作，制备了5种不同纤维配比的卷烟纸样品。

1.2.2 卷烟纸物理性能分析

将5种不同纤维配比的卷烟纸在GB/T 10739—2002规定的条件下平衡，按照GB/T 451.2—2002、GB/T 742—2008、GB/T 7974—2002、GB/T 1543—2005、GB/T 23227—2008分别测定卷烟纸定量、灰分、白度、不透明度、透气度及透气度变异系数；并测试助燃剂含量和扩散率。

1.2.3 卷烟样品的制备

在南京(红)卷接线上使用同批烟丝、同种滤棒和接装纸，配合5种卷烟纸样品进行连续卷制，并保持各项物理参数一致，得到卷烟样品。

1.2.4 卷烟样品主流烟气测试及感官评价

卷烟样品在GB/T 16447—1996规定条件下平衡48 h，采用转盘式吸烟机在标准条件下抽吸和测试，按GB/T 19609—2004、YC/T 156—2001、YC/T 157—2001、GB/T 23356—2009分别测定焦油、烟碱、水分和CO含量。采用对比评吸方式对卷烟样品的感官质量进行评价。

1.2.5 卷烟包灰效果评价方法的建立及样品评价

参考相关文献，设定了卷烟包灰效果评价的5个指标并建立了测试方法，并使用该方法对卷烟样品的包灰效果进行评价。

2 结果与讨论

2.1 卷烟纸制备过程的主要参数分析

卷烟纸中纤维只是其中一种物质，其他如碳酸钙、助燃剂等都是造纸过程中必须使用的物质。在本实验中，卷烟纸的碳酸钙比例为35%，水分约占4.5%，助燃剂占1.3%以及0.2%的其他助剂，而纤维占比为59%。同时由于卷烟纸制造过程中需要加入一定量的损纸，而损纸中已经含有一定比例的针叶木浆和阔叶木浆，从而不能制备纯针叶木浆或纯阔叶木浆的样品。最终，本实验制备的5个卷烟纸样品的具体纤维配比见表1，从样品A到E针叶木浆的比例从64%降至36%，而阔叶木浆比例从36%升至64%。

表1 卷烟纸制备过程主要参数

从卷烟纸制备过程的主要参数看，5个样品的针叶木浆和阔叶木浆的打浆度、上网浓度基本接近，而随着针叶木浆比例减少、阔叶木浆比例增加，精浆机功率逐渐由180 kW提升至320 kW。对阔叶木浆打浆处理较轻，保留了纤维粗短的特点，成纸疏松多孔，透气性提高，因此在阔叶木浆比例增加时需要提高精浆机功率对混合的针、阔叶木浆纤维进行分丝帚化，以降低成纸后的透气性能，从而实现不同纤维配比的卷烟纸达到同一透气度目标值。

2.2 卷烟纸物理性能分析

对制备的卷烟纸物理性能进行测试，实验结果见表2。从表2中可见，以设定的定量27 g/m2、透气度60 CU的目标值来看，5个样品均能够满足GB/T 12655—2007《卷烟纸》的定量(27±1.0)g/m2、透气度(60±6)CU的要求，透气度变异系数≤8%，说明卷烟纸制备达到实验预先设定的目标。5个样品的纵向抗张强度随阔叶木浆配比增加而逐渐下降，其他物理指标如灰分、助燃剂含量、白度、不透明度均差异不大。

扩散率指标的测试原理是指在没有压差的状态下由于气体浓度差而引起的扩散迁移，即模拟卷烟燃烧但不抽吸时的气体扩散状态，该指标目前主要用于预测烟支的燃烧速度、评价阻燃卷烟纸的自熄能力等。

表2 卷烟纸样品主要物理性能

注 助燃剂为柠檬酸钾盐，含量以柠檬酸根计。

罗玮等人[10]的“一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸及其应用”发明专利显示，通过在卷烟纸表面施加催化剂，提高卷烟纸烘烤后(即抽吸时燃烧线下2～4 mm)的扩散率及总孔容，有助于降低主流烟气中CO的含量。

本实验卷烟纸样品的扩散率指标测试结果与透气度的变化趋势较为接近，样品A的扩散率最小为1.84 cm/s，样品D的扩散率最大为1.99 cm/s，说明在该实验条件下，阔叶木浆用量从36%增加到64%时，样品扩散率有增大趋势，但并不明显。分析这一结果的可能原因是，纸张定量、厚度、微孔数量、匀度等对扩散率均有不同程度的影响，其最终表现出来的是各个因素总体影响的结果，故虽然浆料配比有较大变化，但扩散率变化并不显著。

2.3 卷烟主流烟气及感官评价

制备的卷烟主流烟气测试结果见表3。分析主流烟气的各项指标：焦油以样品A最高，达到11.24 mg/支，样品C最低为10.79 mg/支，其他3个样品基本相近；烟碱及CO指标的差异均不明显；水分以样品D最低，为1.74 mg/支，样品A最高为1.99 mg/支，其他样品较为接近。综合来看，本实验条件下不同纤维配比的卷烟纸对于主流烟气的影响较小，在焦油量及水分指标上稍有差异。

表3 卷烟主流烟气测试结果

对5个样品进行感官评价后表明，样品的烟气表现形式、香气量、香气质、余味、刺激等主要指标均较接近，感官差异不明显。

2.4 卷烟包灰能力评价方法的建立

2.4.1 卷烟包灰能力评价指标的设置

王道宽等人[5]、王平军等人[6]以卷烟静燃和抽吸状态下燃至卷烟长度的2/3以上形成竖直烟灰柱时烟灰的裂口像数与所选区域总像数的比值，即为包灰值，该方法指标过于单一。程占刚等人[7]、陈慧斌等人[8]设置包灰松紧度、外翻灰片、裂纹、灰分光滑度、灰分颜色5个指标进行评价，但需选定标准图片为参照进行打分，存在一定的主观因素。综合参考以上方法，本研究提出建立更加科学全面的评价方法，讨论并设置了竖直静燃状态下的白度、碳线整齐度、裂口率、缩灰率以及水平静燃状态下的持灰力共5项指标(示意见图1)，用来评价卷烟的包灰能力。

2.4.1.1 白度

定义：灰柱的白度。

评价方法：竖直静燃，分别在烟支燃烧至15、30和45 mm处时拍照，并用软件对照片进行分析，选取碳线附近以上位置没有裂口的灰片，用软件测出该区域灰片投影的白度(L值)。

2.4.1.2 碳线整齐度

定义：碳化区域偏离水平线的程度，单位mm。

评价方法：竖直静燃，分别在烟支燃烧至15、30和45 mm处时拍照，并用软件对照片进行分析，测量碳线在最高点与最低点的距离。

2.4.1.3 裂口率

定义：裂口面积与烟柱投影总面积的比值，单位%。

评价方法：竖直静燃，在烟支燃烧至45 mm处时拍照，用软件对灰柱照片进行分析，以裂口面积总和∑s，除以灰柱投影总面积S，即裂口率=∑s/S×100%。

图1 卷烟包灰能力评价指标示意图

2.4.1.4 缩灰率

定义：碳线上方固定距离内灰柱的收缩程度，单位%。

评价方法：竖直静燃，在烟支燃烧至30 mm处时拍照，用软件对灰柱照片进行分析，测量碳线以上15 mm内(可基本覆盖燃烧锥)烟柱的投影面积s，除以未燃烧时此处烟支的投影面积S，即缩灰率=(S-s)/S×100%。

2.4.1.5 持灰力

定义：保持灰柱在燃烧时不断裂脱落的能力，以灰柱第一次掉落时已燃烧过的烟柱长度来表示持灰力，单位mm。

评价方法：水平静燃，当灰柱第一次掉落时测量碳线之后的剩余烟支长度l，用卷烟原长度L减去剩余长度l，可得已燃烧过的烟柱长度H。H值越大，表示其持灰能力越强。

2.4.2 卷烟包灰能力评价的实验方法

根据包灰能力评价指标的设置情况，拟定了实验实施的具体方法和要求，主要步骤如下。

(1)制备测试样品：卷烟样品在GB/T 16447—1996规定条件下平衡48 h。剔除变形、破损的烟支，挑选质量为烟支平均质量±0.025 g的完好烟支，并在与烟支搭口相反方向的柱面上从燃烧端起15、30、45 mm处用铅笔标记，作为测试样品。

(2)实验环境及条件：测试环境温度(22±2)℃，湿度(60±5)%。关闭实验常规光源，打开LED测试灯预热不少于30 min，使光源亮度和位置保持一致。将实验相机参数设置一致，镜头与烟支保持水平且距离为(320±5) mm，不开启闪光灯。

(3)点燃烟支：用小型吸烟机将烟支点燃，将烟支标记处正对相机，垂直或水平插于卷烟包灰测试台上。

(4)拍摄照片：分别在烟支静燃至15、30、45 mm处时拍照，每个样品测试3支卷烟(可根据实验需求进行调整)；若静燃时灰柱出现明显弯曲则需重新实验。

(5)软件分析：使用分析软件PIA- 6000对照片进行分析，计算长度、面积等数据，获得实验结果。

2.4.3 数据分析及包灰能力评价的判定

该方法可用于单一样品的包灰能力评价以及多个样品间包灰能力的平行对比。对样品间的包灰能力进行评价时，拟定了各指标达到改变显著时的具体差值，见表4。表4中白度、缩灰率、持灰力3个指标的数值越大越好，而碳线整齐度、裂口率2个指标的数值则越小越好，当样品间指标差异达到以下判定标准时，可认为某项指标的改变达到显著。

表4 包灰能力样品比对的评价

2.5 卷烟样品包灰效果评价

采用以上建立的卷烟包灰能力评价方法对本项目的5个卷烟样品进行评价，结果见表5。对比样品间的各项指标可见：样品A到样品E的白度值呈现逐渐上升的趋势，样品D、E与样品A的差值达到1以上；碳线整齐度以样品C最好，达到1.70 mm，样品D最差为2.22 mm，其他3个样品相近；样品A裂口率明显大于其他样品的，达到24.9%，而样品C最好、样品D次之，其他两个样品较接近；缩灰率以样品B、C较好，分别达到39.0%、39.2%， D、E两个样品接近，样品A最差为28.7%；持灰力样品C最好，达到44.0 mm，B、D、E 3个样品接近，而样品A最差，为36.5 mm。

综合来看，样品C在缩灰率、碳线整齐度、裂口率、持灰力4个指标上均有较好的表现，而样品A则表现较差，说明在本实验的5个卷烟纸样品中，针叶木浆和阔叶木浆配比为50%∶50%时的卷烟包灰效果最好。

表5 卷烟样品包灰能力评价结果

3 结 论

实验制备了5种不同浆料配比的卷烟纸，对其物理性能、包灰能力进行了分析评价，并进了卷烟烟气分析和感官评价。

3.1 不同浆料配比的卷烟纸在制备过程中主要以调节精浆机功率来实现相近的透气度，即随着阔叶木浆比例增加而逐渐提高精浆机功率。

3.2 制备的卷烟纸样品物理性能均满足实验设计要求，样品间没有明显差异。扩散率与透气度的变化趋势较为接近。不同浆料配比的卷烟纸对于主流烟气的影响较小，在焦油量及水分指标上稍有差异，且感官差异不明显。

3.3 建立了卷烟包灰能力评价方法，包括5个评价指标的设置、评价实验方法及样品对比评价判定标准，具有较强的科学性和实用性。

3.4 采用卷烟包灰能力评价方法对本项目的5个卷烟样品进行了评价，结果表明以针叶木浆和阔叶木浆配比为50%∶50%时的卷烟包灰效果最好。