卷烟纸透气度对细支卷烟燃烧状态的影响

王亚林，邓 楠，王 乐，郝喜良，顾永圣，李焕威，李 斌，王 兵*

1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2. 江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心，南京市建邺区梦都路30 号 210019

3. 广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州市天河区林和西横路186 号 510385

卷烟辅助材料（成型纸、卷烟纸、接装纸、滤棒）的合理组合是当前烟草企业实现降焦减害和提升感官质量的常见方法［1］。其中关于卷烟纸透气度对常规卷烟燃烧状态的影响已有较多的研究［2-5］。江威等［6］研究了卷烟纸透气度对卷烟燃烧锥温度分布的影响，发现阴燃过程中，随着卷烟纸透气度的逐渐增大，烟支高温区面积有增大的趋势；燃吸过程中，在卷烟纸透气度从30 CU 逐渐增大到137 CU 过程中，烟支高温区面积先增大后减小。谢国勇等［7］研究发现常规卷烟在燃吸过程中，燃烧锥最高温度、燃烧锥体积和特征温度在透气度为70 CU 时，变化趋势出现转折。目前细支卷烟的卷烟纸设计大多借鉴常规卷烟的研究结果。但是细支卷烟与常规卷烟在卷烟物理性质、燃烧速率、燃烧温度、烟气成分、和抽吸行为等方面都存在一定的差异［8］，已有的关于卷烟纸透气度对常规卷烟燃烧状态的影响规律有可能无法完全适用于细支卷烟。因此，利用实验室自主研发的卷烟燃吸温度分布检测仪对不同卷烟纸透气度的细支卷烟样品进行分析，考察了卷烟纸透气度对细支卷烟燃烧过程的影响，并结合燃吸时的卷烟吸阻结果，分析卷烟纸透气度对卷烟燃烧过程产生影响的原因，旨在为燃烧机制的分析和细支卷烟辅材的合理设计提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

选用同一批次卷制的细支卷烟，样品的卷烟纸透气度分别为30、40、50、60、70 和80 CU。

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品前处理

将不同卷烟纸透气度（30～80 CU）的细支卷烟样品单层均匀地放置在GB/T 16447—2004［9］规定的环境中调节48 h，挑选（平均质量±5）mg 和（平均封闭吸阻±49）Pa 范围内的合格卷烟样品。对于挑选好的合格卷烟样品，使用宽度为19 mm 的Scotch 胶带单层缠绕卷烟滤嘴1 圈，100%堵塞滤嘴通风孔，作为本实验的测试样品。

1.2.2 卷烟气相温度分布的检测

利用实验室自行研制的卷烟燃吸温度分布检测仪检测卷烟燃烧锥内部气相温度，检测方法及温度数据前处理方法同文献［10-13］。

1.2.3 卷烟吸阻的检测

参考专利文献［14］，通过改造温控型单孔道吸烟机，搭建细支卷烟动态吸阻检测装置。在进行细支卷烟温度分布检测实验的同时，对抽吸过程中的细支卷烟动态吸阻数据进行采集。

2 结果与讨论

2.1 样品参数

对试验样品的卷烟纸透气度参数进行抽样（10 支）检测，结果如表1 所示。由表1 可知，卷烟纸透气度最大标准偏差为3.62 CU，相对标准偏差在4%～8%范围内。

表1 卷烟纸透气度参数Tab.1 Parameters of cigarette paper permeability

2.2 卷烟纸透气度对细支卷烟燃烧状态特征参数的影响

在卷烟燃吸过程中，以燃烧锥（卷烟内部温度大于200 ℃的区域）的体积（V）、最高温度（Tmax）和特征温度T0.5（该温度以上的空间累计体积占燃烧锥体积的50%）作为燃烧状态特征参数［13］。图1是不同细支卷烟样品在整个燃吸过程中燃烧锥最高温度（Tmax）的变化情况。可以看出，在抽吸过程（0～2 s）中，所有卷烟样品的Tmax呈先增大后减小的趋势。随着卷烟纸透气度（30～70 CU）的增大，卷烟在抽吸过程中Tmax的最大值逐渐增大，当透气度大于70 CU 时，Tmax的最大值开始减小。卷烟样品在抽吸过程中的温度是烟丝燃烧产生的热量和热量散失综合作用的结果。由于Tmax仅为各个时刻燃烧锥温度的最大值，受偶然因素的影响较大，因此仅以最高温度的变化很难准确表征卷烟燃烧状态的变化规律。

图1 卷烟纸透气度对细支卷烟燃烧锥最高温度（T max）的影响Fig.1 Effects of cigarette paper permeability on T max of slim cigarettes

图2 为细支卷烟在完整抽吸过程中燃烧锥特征温度T0.5均值与燃烧锥体积V 均值随卷烟纸透气度的变化情况。由图2 可以看出，随着卷烟纸透气度的增大，抽吸过程中T0.5均值和V 均值大致呈先减小后增大的趋势。图3 是不同卷烟纸透气度细支卷烟样品的燃烧锥体积V 均值和特征温度T0.5均值的线性拟合结果。如图3 所示，相关系数为0.804 7，细支卷烟抽吸过程中燃烧锥体积V 均值与特征温度T0.5均值呈一定的正相关关系。

图2 卷烟纸透气度对细支卷烟T0.5均值（a）和V 均值（b）的影响Fig.2 Effects of cigarette paper permeability on means of T0.5 (a) and V (b) of slim cigarettes

图3 不同卷烟纸透气度的细支卷烟V 均值与T0.5均值的关系Fig.3 Relationship between mean V and mean T0.5 of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

2.3 卷烟纸透气度对细支卷烟燃烧速率的影响

根据燃烧锥迁移的距离与时间的关系，燃烧速率（v）可以表示为［15］：

式中：L1、L2分别为在t1、t2时刻下，累计体积到达燃烧锥体积50%的温度区域质心的中心轴向坐标。

不同卷烟纸透气度的细支卷烟的燃烧速率参数结果见表2。①对表2 中静燃阶段的不同卷烟纸透气度的细支卷烟样品的平均静燃速率进行方差分析得P 值为0.319 7＞0.05，则认为不同透气度的卷烟样品的平均静燃速率大致相同。在该阶段，空气主要通过自然扩散进入燃烧锥中，卷烟纸透气度的改变对静燃速率的影响程度较弱。②对表2 中不同卷烟纸透气度的细支卷烟样品在抽吸过程的平均燃烧速率进行方差分析得P 值为0.002 1＜0.05，即存在显著差异。

表2 不同透气度卷烟纸卷烟的燃烧速率相关参数Tab.2 Parameters relative to burning rate of cigarettes with different cigarette paper permeability

由表2 可知，在抽吸阶段，随着卷烟纸透气度（30～80 CU）的增加，抽吸过程的平均燃烧速率先减小后增大。对不同卷烟纸透气度的细支卷烟样品在抽吸过程中的平均燃烧速率进行多重比较分析发现：卷烟纸透气度为30 CU 的卷烟样品数据存在显著差异，其他卷烟纸透气度参数的样品数据之间差异不显著。这可能是由于相邻实验样品的卷烟纸透气度的差值较小，故随着卷烟纸透气度的增大，相同卷烟纸透气度差值所造成的平均燃烧速率的影响作用减弱，使得卷烟样品之间燃烧速率的差异性不明显。

2.4 卷烟纸透气度对卷烟吸阻的影响

对不同卷烟纸透气度的细支卷烟样品在温度分布检测实验中同时采集动态吸阻，对动态吸阻随抽吸时间的变化曲线进行积分并取均值，获得卷烟吸阻R点燃［14］，将R点燃与未点燃细支卷烟样品在抽吸过程中的卷烟吸阻R未点燃作对比，结果如表3 所示。

表3 不同卷烟纸透气度的细支卷烟吸阻值Tab.3 Draw resistance of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

未点燃卷烟在定容量（ISO 方法）抽吸过程中，随着卷烟纸透气度的增大，从卷烟纸进入的空气量增大，从烟支端进入的空气量减小，造成卷烟吸阻R未点燃逐渐降低。上述结果与颜水明等［16］的研究结果吻合，随着卷烟纸透气度的增大，烟气稀释率增大，即从卷烟纸进入的空气总量增大。

由表3 可知，①不同卷烟纸透气度的细支卷烟R点燃的最大差值为234 Pa，R未点燃的最大差值为125 Pa，即卷烟燃烧锥的存在使得不同卷烟纸透气度的细支卷烟吸阻差异增大。这是因为卷烟燃烧时温度升高，空气进入燃烧锥时的流速升高，吸阻值上升；其次由达西定律可知，温度的上升引起气体黏度的增大，卷烟的吸阻值也随之增大［17］。②在卷烟纸透气度从30 CU 逐步增加到60 CU 左右的过程中，细支卷烟的R点燃减小。这是因为在定容抽吸过程中，空气从烟支燃烧锥端进入的总量逐渐减少，减弱了卷烟的燃烧过程，燃烧锥温度下降也引起气体黏度减小；同时，燃烧锥体积V 减小造成空气进入卷烟内部的流速降低，细支卷烟R点燃下降，致使卷烟瞬时燃烧速率也随之降低。

图4 为不同卷烟纸透气度（30～80 CU）的细支卷烟样品在ISO 抽吸过程中特定时刻（0、0.5、1.0、1.5、2.0 s）的轴向截面温度分布伪彩图。由图4 可以看出，随着卷烟纸透气度（60～80 CU）的增大，在同一时刻（如1.0 s）下，卷烟直径中心处与边缘处的温度差减小。这可能是因为在定容量抽吸过程中，有部分空气会从阻力较小的卷烟燃烧线处进入卷烟燃烧区域［18］，卷烟纸透气度的增大使得从卷烟燃烧线处进入的空气流量上升，促使该边缘处烟草材料的燃烧加剧，放热增强，燃烧锥体积V增大，气体黏度也随着卷烟温度的上升而升高，卷烟吸阻R点燃增大，卷烟瞬时燃烧速率也随之升高。

图4 不同卷烟纸透气度细支卷烟样品温度分布伪彩图Fig.4 Pseudo-color images of temperature distribution of slim cigarettes with different cigarette paper permeability

从上述结果分析可知，卷烟纸透气度（30～80 CU）对细支卷烟的燃烧速率和吸阻具有明显影响。吸阻的减小能够增加卷烟抽吸的舒适度，提高抽吸前后的一致性，而降低卷烟的燃烧速率使抽吸过程中的单口耗丝量减小，节约经济成本的同时还能够起到降焦减害的作用。因此在细支卷烟生产加工过程中，通过选择合适的卷烟纸透气度可以使其燃烧速率和吸阻R点燃均达到较低的水平。

3 结论

研究了不同卷烟纸透气度（30～80 CU）对细支卷烟样品燃烧状态的影响，可知：在卷烟抽吸过程中，①随着卷烟纸透气度的增大，细支卷烟R未点燃逐渐减小；R点燃先降低再升高，R点燃与R未点燃的差值先减小再增大，均在60 CU 时发生转折；②燃烧锥特征温度T0.5均值和燃烧锥体积V 均值在抽吸过程中先减小后增大，最小值出现在60 CU 处；③卷烟纸透气度的变化对卷烟的静燃速率无显著影响；抽吸过程平均燃烧速率随着卷烟纸透气度的增大先减小后增大，最小值出现在60 CU 处；④燃烧锥最高温度（Tmax）在抽吸过程中的最大值随着透气度的增大而增大，在透气度为70 CU 时最大。