卷烟纸组分和罗纹对卷烟主流烟气常规成分的影响

黄朝章 张国强 黄胜翰 龚安达 李华杰张廷贵 黄华发 张建平 钱继春

（1.福建中烟工业有限责任公司，福建厦门，361022；2.龙岩烟草工业有限责任公司，福建龙岩，364000）

卷烟纸作为卷烟生产的基本辅材，尽管所占比例很小，但它对卷烟的燃烧速率、通风度、抽吸口数、主（侧）流烟气和灰分等都有较大影响，这些指标都直接影响到卷烟的烟气成分、燃烧、包灰效果和卷烟的吸味[1-3]。许多科研工作者都致力于卷烟纸对卷烟质量的影响研究，但绝大部分侧重于考察卷烟纸物理参数变化（如透气度、定量、灰分等指标）对卷烟质量的影响，极少涉及到卷烟纸填料配方和罗纹设计变化产生的影响。近年来，一些学者开始对卷烟纸的纤维[4-8]、填料[9]、助剂[10-15]进行了摸索，但是缺乏系统研究。因此，本研究拟从碳酸钙性状及用量、助燃剂类型、助留剂用量、罗纹类型等方面探讨卷烟纸特性参数对卷烟常规烟气成分的影响，旨为卷烟生产企业的产品质量控制提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 卷烟样品制备

卷烟纸由杭州华丰纸业有限公司制备；滤棒由龙岩烟草工业有限责任公司制备。采用同一配方的卷烟烟丝、同一参数接装纸（不打孔）和滤棒、同样加工工艺参数以及同一卷烟设备，按照每次只变化一个卷烟纸设计因素、其他辅材设计参数固定的原则，在龙岩烟草工业有限责任公司完成卷烟样品的制备。其中，卷烟纸透气度设为60 CU，定量设为30 g/m2；碳酸钙为轻质碳酸钙；助燃剂为柠檬酸钾（除助燃剂类型实验外），助燃剂含量设定为0.9%（以钾计）；实验卷烟纸样品信息如表1 所示。其他辅材设计参数：成型纸透气度6000 CU、接装纸透气度0、丝束规格为3.0 Y/35000、滤棒长度为144 mm、滤棒吸阻为4200 Pa、增塑剂施加量为9.0%。试制卷烟烟支长度为84 mm、圆周为24.1 mm、烟支质量为0.89 g。

表1 卷烟纸样品信息

1.2 实验仪器

RM200全自动吸烟机（德国Borgwaldt公司）；非散射红外分析仪（与全自动吸烟机配套）；KBF720恒温恒湿箱（德国Binder公司）；SSL1数控圆周震荡摇床（英国Stuart公司）；6890气相色谱仪（美国安捷伦公司）。

1.3 分析方法

依据GB/T 19609—2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》对卷烟样品气相中的总粒相物和焦油进行测定；依据GB/T 23356—2009《卷烟烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法》对卷烟烟气气相中的一氧化碳进行测定；依据YC/T156—2001《卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法》对卷烟烟气气相中的烟碱进行测定；依据YC/T157—2001《卷烟总粒相物中水分的测定气相色谱法》对卷烟烟气气相中的水分进行测定。

2 结果与讨论

2.1 碳酸钙变化对卷烟主流烟气常规成分的影响

碳酸钙是卷烟纸中第二大组分，应用于卷烟纸中可有效提高卷烟纸的透气度、不透明度、白度，改善燃烧性能，同时也影响着卷烟纸罗纹的清晰程度；其质量的优劣直接影响着成纸质量，进而影响卷烟燃烧时主流烟气常规成分的释放量[16]。实验考察了不同碳酸钙形态、碳酸钙粒径和碳酸钙用量对卷烟主流烟气常规成分的影响情况，结果如图1 所示。从图1 可以看出，①碳酸钙形态对主流烟气常规成分有一定影响，与固态碳酸钙卷烟纸相比，采用液态碳酸钙卷烟纸的卷烟样品烟气中焦油、烟碱、水分和CO 分别降低0.2、0.05、0.04 和0.1 mg/支。②碳酸钙粒径对主流烟气常规成分影响较小，采用大粒径碳酸钙可降低主流烟气中焦油和CO 0.1 mg/支左右。③碳酸钙用量对焦油、水分和CO 的影响规律一致，采用高用量的碳酸钙一定程度上可以降低主流烟气中的焦油、水分和CO释放量，降低范围为0.1～0.4 mg/支。

碳酸钙在卷烟纸中的用量一般为26.0%～36.0%，目前，固态碳酸钙和液态碳酸钙在国内各卷烟纸厂均有使用。其中固态碳酸钙运输成本低；而液态碳酸钙由于没有经过干燥工序、机械摩擦和撞击，充分保留了自然形成的晶型，其形态和大小更趋于一致，因此成纸更加柔软、松厚、燃烧性能提高[16]；有助于气相物的扩散和降低卷烟抽吸口数，因此相应卷烟主流烟气常规成分的释放量下降。大粒径碳酸钙的比表面积较小，在纸中形成的自然孔隙大，有利于提高气相物和粒相物的扩散；小粒径碳酸钙的比表面积较大，覆盖能力强，容易阻塞自然孔隙，不利于烟气成分的扩散[8]。卷烟纸中碳酸钙用量增大，会增加炭化线附近卷烟纸微孔的孔容，使完全裂解区域与未完全裂解区域内卷烟纸的微孔数目均明显增多，因此可促进主流烟气常规成分向侧流烟气中扩散[17]。

图1 碳酸钙变化对主流烟气常规成分的影响

2.2 罗纹变化对卷烟主流烟气常规成分的影响

卷烟纸罗纹参数包括了罗纹形式、罗纹深浅和压纹方式。常见的卷烟纸罗纹形式主要有纵向纹（竖罗纹）和横向纹（横罗纹），还有斜纹、波浪纹、宽罗纹等；罗纹深浅是雕印机在卷烟纸表面所压印痕凹凸程度的立体表现，卷烟纸罗纹的深度已由浅罗纹逐步发展成为中等深度罗纹、深罗纹和超深罗纹；压纹方式分为正面压纹和反面压纹两种，正面压纹是纸幅的正面接触丝纹辊，而反面压纹是纸幅的反面接触丝纹辊。实验考察了不同罗纹形式、罗纹深浅和压纹方式对卷烟主流烟气常规成分的影响情况，结果如图2所示。从图2可以看出，①罗纹形式对卷烟烟气中的焦油、烟碱和CO 是有一定影响；采用竖罗纹卷烟纸，焦油、烟碱和CO 较高，采用无罗纹卷烟纸，焦油、烟碱和CO 较低，其中二者CO 的差异达到8.7%；烟气水分基本不变。②罗纹深浅对卷烟烟气中的焦油、水分和CO 是有一定影响，与深罗纹卷烟纸相比，采用浅罗纹卷烟纸的卷烟烟气中的焦油、水分和CO 分别降低2.5%、7.6%和5.8%。③罗纹深浅对卷烟烟气中的焦油和CO 有小幅影响；采用正压的卷烟纸，烟气中的焦油和CO较低。

卷烟纸的罗纹是通过机械作用使纸面形成清晰、美观的细条纹。在卷烟纸生产过程中，卷烟纸的罗纹参数设置不同，卷烟纸受到压纹辊的压力不同，卷烟纸厚度或紧度等方面会发生改变。因此，在卷烟燃烧时烟气透过卷烟纸与空气进行交换过程中路径会发生改变，紧度小时，烟气透过卷烟纸可能走直线；而紧度大时，烟气透过卷烟纸可能走曲线。所以造成烟气扩散及时性有差异，最终造成卷烟主流烟气常规成分释放量存在差异。采用无罗纹卷烟纸/浅罗纹卷烟纸/正压罗纹卷烟纸，烟气中焦油和CO 较低，可能是因为3种类型卷烟纸表面经过机械挤压强度低，纸张中的自然空隙保留较多，有利于烟气成分的扩散，因此相应的卷烟烟气气相物和粒相物释放量较低。

2.3 助燃剂类型对卷烟主流烟气常规成分的影响

柠檬酸盐、苹果酸盐、乳酸盐和酒石酸盐是卷烟纸企业常用的助燃剂，不同的卷烟纸助剂的助燃效果各异，因此会对烟气有害成分释放量产生影响。比较了4种钾盐型卷烟纸添加剂对烟气有害成分释放量的影响，结果如图3 所示。从图3 可以看出，①卷烟纸助燃剂酸根种类对卷烟常规烟气成分有影响，其中对水分和CO 的释放量有较显著影响。②卷烟纸助燃剂酸根种类对焦油、烟碱、水分和CO 的影响规律不一致；相比常用的柠檬酸卷烟纸，苹果酸卷烟纸的焦油、烟碱和CO 上升；酒石酸卷烟纸的焦油、烟碱、水分和CO 下降；乳酸卷烟纸的水分下降，但其他指标相当。

助燃剂主要是改变卷烟纸的燃烧性能，不仅影响卷烟纸的扩散率[18]，对卷烟的燃烧速率也有影响[19]，不同助燃剂的酸根种类、阳离子种类、含量变化都会对卷烟的烟气成分释放量造成较大影响，进而影响到卷烟的感官质量。

2.4 助留剂用量对卷烟主流烟气常规成分的影响

图2 罗纹变化对主流烟气常规成分的影响

图3 助燃剂类型对主流烟气常规成分的影响

由于卷烟纸的厚度较小，需要加入一定量的助留剂和增强剂，以减少纤维、填料的流失并提高成纸强度。本实验采用瓜尔胶作为助留剂，比较了两种助留剂用量（0.5%和0.8%）对卷烟主流烟气常规成分释放量的影响，结果如表2所示。从表2可以看出，助留剂用量对主流烟气常规成分无明显影响，两种助留剂用量下，焦油、烟碱、水分和CO 的释放量偏差＜4%。卷烟纸助留剂主要是起到助留、助滤和增强效果，本试验采用的助留剂瓜尔胶是碳水化合物，其化学组分为聚半乳糖甘露糖，不会改变卷烟燃烧状态；且其占卷烟纸成品的含量低，自身热解产物对烟气成分的贡献度极小。因此在考察的范围内，瓜尔胶用量对烟气常规成分无影响。

表2 卷烟纸助留剂用量对卷烟主流烟气常规成分的影响

3 结 论

本研究制备了8 种不同参数卷烟纸并制成卷烟，考察卷烟纸中的碳酸钙参数、罗纹参数和助剂参数对卷烟主流烟气常规成分的影响。

3.1 采用液态碳酸钙、大粒径碳酸钙、高用量的碳酸钙有利于降低卷烟常规烟气中的焦油和CO，烟气焦油和CO降低量为0.1～0.4 mg/支。

3.2 采用无罗纹、浅罗纹和正压罗纹的卷烟纸，均有助于降低卷烟常规烟气中的焦油和CO，其中CO降幅最高可达8.7%。

3.3 使用酒石酸钾作为助燃剂的卷烟纸，卷烟常规烟气中焦油和CO 较低；助留剂含量对卷烟主流烟气常规成分无显著影响。