细支卷烟用R型截面二醋酸纤维素丝束的应用性能

崔春，冯晓民，田海英，纪朋，孟祥士，楚文娟，胡少东，顾亮，李明哲，高明奇

河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南郑州经开区第三大街8号 450000

细支卷烟具有节约资源、低焦低害的优势，近年来，细支卷烟已逐渐成为烟草行业新的增长极，在常规卷烟销量增长乏力的情况下，细支卷烟仍保持逆势高速增长。与常规卷烟相比，细支卷烟烟气的生成、过滤截留等发生较大变化，常规卷烟辅材设计技术已不能完全适用于细支卷烟。当前，国产细支卷烟丝束选择余地过窄，丝束截面形状皆为Y型，且规格相对单一，存在滤棒压降高、适用范围窄和过滤效率不匹配等不足，一定程度上导致细支卷烟出现“烟气浓度小、满足感差、轻松感不足”等问题。细支卷烟新型丝束和滤棒的开发，已成为细支卷烟辅材设计研究和提升细支卷烟质量的关键。滤棒设计参数是影响卷烟感官质量和烟气状态的关键因素。魏玉玲等[1]考察了卷烟材料组合搭配对主流烟气释放量及过滤效率的影响，结果表明滤嘴长度及吸阻、接装纸透气度是影响过滤效率的高度显著因素，丝束规格是影响过滤效率的显著因素。刘镇等[2]分析了丝束规格对特性曲线的影响和丝束规格与滤嘴过滤效率的相关关系，提出了在滤嘴设计中选择丝束规格的具体思路，即首先根据滤嘴过滤的设计要求，选择适合的丝束规格范围，再根据滤嘴的吸阻要求及丝束的特性曲线，确定最适合的丝束规格。丝束的单旦、总旦、截面以及卷曲参数都影响烟气焦油、有害成分的释放量[3]。丝束单旦越小，丝束表面积越大，焦油吸附能力越强。降低单旦，有利于降焦减害[4-6]。高明奇等[7]评价了5种不同规格细支卷烟用二醋酸纤维素丝束的成型能力，绘制了其成型能力特性曲线，并将不同规格丝束成型为不同压降细支滤棒，卷接为细支卷烟，以烟碱为目标物，考察了不同规格二醋酸纤维素丝束细支滤棒的过滤能力，结果变化趋势与常规丝束基本一致[2,4-6]。同时，醋纤丝束截面的形状不同，其比表面积不同，也影响卷烟滤棒的过滤效率。通常醋纤丝束横截面的形状有：Y型、X型、I型和R型，单旦相同的条件下，不同横截面形状的丝束，以Y型丝束的比表面积最大，成型后滤棒的过滤效率也最高[8]。杨占平[9]指出单丝截面异形度对烟用滤棒的吸阻、烟气的过滤效果等有直接的影响。堵劲松[10]研究表明滤嘴的过滤效率可以通过增加滤嘴压降、采用不同单丝旦数的丝束、对丝束进行化学改性以及在滤嘴成型过程中加入液体添加剂的方法得到提高。当丝束总旦与滤棒质量一定时，单旦越低，单丝根数越多，烟气在运动中与纤维的碰撞机会增多，滤棒过滤效率越高[11]。Christopher MB等[12]研究了适用于细支滤棒的高单旦、低总旦醋纤丝束卷曲加工工艺，但其成型的细支滤棒吸阻变异系数在4%～7%，远高于常规滤棒吸阻变异2.0%～2.5%的水平。

近年来，国内各卷烟工业企业围绕细支卷烟的质量控制[13]、制丝工艺[14]、卷烟设计[15]、烟机的研制与改造[16-19]等方面积极开展了技术攻关与研究，但有关细支滤棒及丝束方面的研究仍较少。综合文献可看出，卷烟滤棒压降、丝束截面形状、丝束规格及滤嘴通风等是影响卷烟吸阻、烟气及感官质量的关键因素。当前，国内细支卷烟所采用醋纤丝束截面形状皆为Y型，存在吸阻高、匹配范围窄等问题。本文在前期研究[7]的基础上，打破传统思维，设计使用非Y型（R型）截面形状卷烟用醋纤丝束成型为与烟丝段适配的低压降、低过滤细支滤棒，进而为优化细支卷烟烟支吸阻、提升烟气浓度、增强满足感提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

8.6R13 000规格二醋酸纤维素丝束（美国伊士曼公司）；8.0Y15 000规格二醋酸纤维素丝束（德国罗地亚公司）；6.0Y17 000规格二醋酸纤维素丝束（南通醋酸纤维有限公司）；KDF2滤棒成型机（沈阳飞机制造公司）；G-ProX台式扫描电子显微镜（荷兰Phenom公司）；ML204型电子分析天平（感量：0.1 mg，瑞士Mettler公司）；SODIMAX全功能综合测试台、滤棒物理指标综合测试台（法国Sodim Instrumentation公司）；KBF型恒温恒湿箱（德国Binder公司）；SM450–PC107 直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；6890A气相色谱仪（美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 二醋酸纤维素丝束成型特性曲线绘制

二醋酸纤维素丝束成型特性曲线绘制要固定成型机台和操作人员，在停止施加增塑剂、中线胶后将增塑剂施加系统清理干净，并将成型机调整至正常运行状态，制备目标丝束的最小棒（不断降低丝束填充量至滤棒端面凹陷约1 mm的滤棒）和最大棒（不断增加丝束填充量至滤棒临近出现爆口的滤棒），检测最小棒和最大棒样品的压降、圆周、含水率等指标。分别称量100支无成型纸最小棒和最大棒丝束的质量，以压降为纵坐标，100支无成型纸滤棒丝束的质量为横坐标，绘制丝束成型特性曲线。

1.2.2 细支滤棒及卷烟样品制备

参照所绘制的丝束成型特性曲线，将不同截面形状二醋酸纤维素丝束成型为不同压降细支滤棒，滤棒样品质量要求见表1。固定滤棒之外的其它卷烟材料和配方烟丝，保持滤嘴通风率为零，将滤棒卷接成细支卷烟，卷烟样品质量要求见表2。为保证后续试验的准确性，所检测细支卷烟样品均为按照压降在（设计值±100）Pa、质量在（设计值±0.02）g范围内进行筛选后获得。

表1 细支滤棒样品要求Tab.1 Physical parameters of super slim filter rod samples

表2 细支卷烟样品要求Tab.2 Physical parameters of super slim cigarette samples

1.2.3 二醋酸纤维素丝束细支滤棒及卷烟的化学指标检测

采用GB/T 16447—2004的条件平衡卷烟样品和滤棒样品。按照GB/T 22838—2009的方法检测滤棒物理性能。按照GB/T 19609—2004的方法测定卷烟主流烟气和滤嘴中的总粒相物、焦油和水分。按照GB/T 23355—2009的方法测定主流烟气中的烟碱。按照YC/T 154—2001的方法测定滤嘴中的烟碱。按照GB/T 16450—2004的条件抽吸卷烟。按照文献[20]中的方法测算卷烟样品滤嘴对主流烟气中烟碱的过滤效率。

2 结果与讨论

2.1 二醋酸纤维素丝束结构形貌表征

采用扫描电子显微镜对所研究二醋酸纤维素丝束（8.6R13 000、6.0Y17 000、8.0Y15 000）滤嘴横截面的结构形貌进行了表征，结果如图1所示。从图1可看出，6.0Y17 000和8.0Y15 000两种规格丝束截面形状均为典型的“Y型”，8.6R13 000规格丝束截面形状为不规则圆形，且传统Y型截面丝束具有分布均匀、纵横交错的立体结构，该结构促使丝束具有较好的通透性和较大的比表面积，进而实现对烟气的截留和过滤。R型截面丝束立体结构空隙少于Y型丝束，进而导致表面积减小和过滤截留能力下降。

图1 不同规格二醋酸纤维素丝束扫描电镜图Fig.1 SEM images of cellulose diacetate tow of different specifications

2.2 8.6R13000规格丝束的成型特性曲线

按照1.2.1所述方法，固定滤棒长度为120 mm、圆周为16.9 mm，以滤棒压降和丝束质量为坐标，绘制二醋酸纤维素丝束成型特性曲线，进而获得所研究丝束适宜成型的滤棒压降范围。按照1.2.1方法固定操作人员，将KDF2/ AF2滤棒成型机调整至丝束正常开松、运行状态稳定时，制备所研究二醋酸纤维素丝束的最大棒和最小棒样品，检测结果见表3。从表中数据可以看出，三种丝束规格所成型滤棒的压降覆盖范围较宽（1 447～7 250 Pa），明显大于目前行业在用细支滤棒的压降范围。

表3 最大棒及最小棒检测数据Tab.3 Test data of maximum and minimum rods made of cellulose diacetate tow of different specifications

图2 不同规格二醋酸纤维素丝束特性曲线Fig.2 Characteristic curves of cellulose diacetate tow of different specifications

参照文献[2]研究结论，固定滤棒质量和丝束总旦，丝束单旦越小，滤棒压降越大；当要保持所成型滤棒的压降不变时，滤棒质量的变化趋势要与醋纤总旦的变化一致。根据所制备最大棒和最小棒检测数据，绘制不同规格二醋酸纤维素丝束的成型特性曲线（图2）。从图中可看出，在细支滤棒长度和圆周不变的情况下，所研究的三种规格二醋酸纤维素丝束的成型能力存在显著差异，进一步验证丝束规格是影响细支滤棒压降的关键因素。从图中可以看出，对于R型截面二醋酸纤维素丝束（8.6R13 000）而言，可成型细支滤棒压降范围为1 447 Pa～6 428 Pa，细支滤棒压降获得进一步降低，明显低于当前烟草行业主要采用的6.0Y17000规格二醋酸纤维素丝束适宜成型的压降范围（4 000 Pa以上），与后期采用的适用于低压降细支滤棒的8.0Y15 000规格二醋酸纤维素丝束相比，细支滤棒压降也得到再次降低。

根据研究，对于不同规格二醋酸纤维素丝束而言，既要考虑其适宜成型滤棒压降范围，还应兼顾丝束出棒率、滤棒指标要求及质量稳定性、成型设备状况等因素，在成型特性曲线上综合选择理想的加工点。如加工点选择过低，会导致滤棒中丝束填充量不足，出现滤棒压降稳定性差、“缩头”、硬度偏低、过滤效率偏低、热塌陷等质量问题；如加工点选择过高，滤棒中丝束填充量过多，滤棒的压降稳定性变差。表4为不同丝束滤棒样品压降的检测结果。从表中不同加工点（特性曲线位置）所对应滤棒压降数据可看出，对于同一规格丝束，加工点选择过高或过低，会导致所成型细支滤棒压降稳定性变差。

2.3 不同截面二醋酸纤维素丝束滤棒过滤效率

按照文献[20]方法，分别检测不同截面形状丝束、不同压降滤棒卷烟样品的主流烟气中烟碱释放量及滤嘴中的烟碱截留量，计算滤嘴对烟碱的过滤效率，结果见表5。根据表中数据，绘制出三种丝束不同压降滤棒与主流烟气烟碱的过滤效率关系趋势图（图3）。从检测数据及趋势图中可看出：①对于8.6R13 000规格二醋酸纤维素丝束所成型细支滤棒，随着滤棒压降升高，滤棒对烟碱的过滤效率增加；②对于不同截面形状二醋酸纤维素丝束而言，丝束单旦和总旦相差不大时（8.6R13 000和8.0Y15 000），R型截面丝束所成型的细支滤棒对主流烟气的过滤效率明显降低。在实际产品研发中，可通过采用R型截面二醋酸纤维素丝束成型滤棒，进一步降低细支卷烟烟支吸阻和主流烟气过滤效率，提升细支卷烟烟气浓度和满足感，从而实现卷烟的设计目标。

表4 滤棒样品压降检测数据Tab.4 Test data of pressure drop of filter rod samples

表5 不同规格二醋酸纤维素丝束卷烟主流烟气及过滤效率检测数据Tab.5 Test data of mainstream smoke and nicotine removal efficiency of cigarettes with filters made of cellulose diacetate tow of different specifications

图3 不同规格二醋酸纤维素丝束过滤效率Fig.3 Nicotine removal efficiency of cigarettes with filters made of cellulose diacetate tow of different specifications

3 结论

R型截面二醋酸纤维素丝束（8.6R13 000）成型能力特性曲线与Y型截面二醋酸纤维素丝束相比存在显著差异，可成型滤棒压降范围从1447Pa到6 428Pa，覆盖范围明显增大，且适用于更低压降细支滤棒。将所成型不同截面形状丝束、不同压降滤棒应用于细支卷烟，卷烟滤嘴对烟气烟碱的过滤效率为13.8%～17.6%，与Y型截面二醋酸纤维素丝束对比，R型截面丝束所成型细支滤棒的过滤效率明显降低，且两种截面丝束均为随着滤棒压降升高，滤嘴对卷烟主流烟气烟碱的过滤效率升高，与常规卷烟规律一致。采用R型截面二醋酸纤维素丝束可进一步增强细支滤棒压降、过滤效率与卷烟产品的适配性，进而提升细支卷烟的抽吸轻松感和满足感，为进一步突显细支卷烟风格特色提供支撑。