卷烟纸罗纹对卷烟燃烧温度和烟气常规成分的影响

黄朝章，张国强，张廷贵，李巧灵，张建平，黄华发，龚安达，沈妍，沈靖轩

1 福建中烟工业有限责任公司，厦门集美区滨水路298号 361012;2 云南瑞升烟草技术集团（有限）公司，云南省昆明市高新区海源北路1699号 650106

卷烟纸主要由植物纤维、碳酸钙和微量助剂组成，是卷烟重要的材料之一，约占单支卷烟重量的5%左右[1-4]。在卷烟燃烧过程中，卷烟纸不仅是燃烧物之一，而且纸面结构空隙变化会影响空气进入燃烧锥的速度及总量，因此，卷烟纸物理参数变化会影响烟支燃烧温度，从而会影响卷烟烟气成分释放量[5-8]。透气度、定量、灰分和罗纹是卷烟纸重要的物理参数，其中罗纹是卷烟纸受到丝纹辊作用后在纸页上形成的条纹[9]。罗纹参数不同会造成卷烟纸的松厚度等方面发生改变，导致在燃烧过程中空气与烟气进行交换的路径发生变化，进而对燃烧温度产生变化，最终造成卷烟烟气成分释放量存在差异。以往卷烟纸罗纹研究主要集中于卷烟纸工艺参数等对罗纹的影响[10-11]，未涉及卷烟纸罗纹变化对卷烟燃烧温度和烟气常规指标的影响研究。

1957年以来科研人员开始尝试卷烟燃烧温度的研究，该方向成为卷烟科研中一个比较活跃的研究热点。1975年，红外传导纤维光学探针首次被用于测量卷烟燃烧时的固相温度[12]；此后红外热成像技术逐渐成为测试卷烟燃烧温度的重要手段[13-14]。本文分析不同罗纹参数卷烟纸对卷烟燃烧温度和烟气常规成分的影响，并探讨了燃烧温度与烟气常规成分的相关性；旨在为卷烟纸参数设计提供数据支撑。

1 试验材料与方法

1.1 材料和仪器

采用同一配方卷烟烟丝、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参数、其它辅材设计参数固定的原则，制备试验卷烟样品。其中，卷烟纸透气度设定为60 CU，定量设定为30 g/m2；含麻量设定为0；助燃剂为柠檬酸钾，助燃剂含量设定为0.9%（以钾计）；横罗纹和竖罗纹的罗纹宽度为200 μm，间距为800 μm。试验卷烟纸参数变化样品的信息如表1所示。

表1 卷烟纸参数变化Tab.1 Variation of cigarette paper parameters

1.2 试验方法

1.2.1 卷烟燃烧温度测试方法

根据文献方法[15]，将挑选重量和吸阻的烟支放置在调节环境（22℃±2℃，60%±5% RH）下平衡48小时后进行燃烧温度测试，测试前在烟支卷烟纸上作标记，作为起始及终止测试标记，如图1所示。

图1 卷烟燃烧起止线标记Fig.1 The start and stop marks of tobacco burning

测量时，将烟支置于专用捕集器上，按相关标准采用SM410型直线型吸烟机进行卷烟抽吸。用FLIR-SC660型红外热成像仪对卷烟的燃烧锥进行测温拍摄，窗口尺寸为3.2 cm*2.4 cm，像素大小为640*240，最小分辨尺寸 150 μm*150 μm，焦距设置为7.5 cm，帧频设置为30 Hz。红外热像仪置于电动位移平台上，平台移动与烟支保持平行；平台移动速度与卷烟燃烧速度相匹配，从而使烟支燃烧锥在抽吸过程中始终位于热像仪视窗中；采集每一帧画面出现的最高温作为燃烧温度参考温，并连续记录，通过FLIR-R&D软件输出最高温-时间曲线图和全系列温度数据。通过数据分析软件对所有采集数据分析处理，得到代表卷烟抽吸温度的单帧最高抽吸温度结果。采用5组指标作为评价卷烟燃烧温度的指标，其中最高温指燃烧锥固相温度的最高值；抽吸最高温平均温度指全部抽吸段的最高温度平均值；抽吸平均温度指全部抽吸段的温度平均值；阴燃平均温度指卷烟阴燃段的温度平均值；峰值平均值指全部抽吸峰值的平均温度值。同一样本进行10支卷烟的平行测定。

1.2.2 卷烟烟气常规成分测试方法

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》[16]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》[17]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》[18]对卷烟烟气气相中的烟碱进行测定；依据YC/T157—2001《巷烟 总粒相物中水分的测定 气相色谱法》[19]对卷烟烟气气相中的水分进行测定。

2 结果和分析

2.1 红外热像测温平台分析卷烟燃烧温度

根据行业标准方法（抽吸2 s/min，间隔58 s/min），通过红外热像测温平台分析卷烟燃烧全过程中温度的变化，图2是卷烟抽吸前后的温度变化图。可以看出，对比卷烟抽吸前后，抽吸过程中的卷烟燃烧锥温度红外图（图b）中颜色发亮的面积最大，其原因是抽吸过程时大量空气进入到烟体中，燃烧锥内部发生剧烈的化学放热反应，所以燃烧温度急速上升。

图2 卷烟燃烧红外热像图Fig.2 Infrared thermography of cigarette burning

文献[20]记录了单支卷烟燃烧最高温度随时间变化图（图3）。从图3可以看出，在卷烟抽吸的2 s中，燃烧锥的最高温从750℃左右急速上升到1100℃左右，温度曲线形成一尖峰；卷烟阴燃的58 s内最高温维持在750℃左右，曲线形状相对平缓；卷烟每口抽吸的最高温度值略有差异，该现象可能是烟丝在烟柱前后的分布有差异导致。

图3 卷烟燃烧最高温与抽吸时间记录图Fig.3 Record chart of maximum burning temperature and pumping time of cigarettes

采用方差分析分别对不同罗纹参数卷烟样品组的温度测试数据进行分析，考察5类样品组温度数据的差异，结果列于表2。从分析结果可以看出，绝大部分F值>4.10（临界值）、P<0.05，说明5类样品的组内温度数据是具有统计学意义上的显著性差异。

表2 不同罗纹参数卷烟样品组的温度差异性分析Tab.2 Difference analysis of temperature of cigarette samples with different spiral marking of cigarette paper

2.2 卷烟纸罗纹形式对卷烟燃烧温度和烟气常规成分的影响

常见的卷烟纸罗纹形式主要有竖罗纹和横罗纹之分。在本试验中，选择常见的竖罗纹、横罗纹作为研究对象，同时采用不压纹（无罗纹）作为对照样本。结果如图4、5所示。①从图4试验结果可以看出，罗纹形式对卷烟燃烧温度有一定影响；在其它参数不变的情况下，采用无罗纹或横罗纹卷烟纸，卷烟的最高温、抽吸最高温平均温度、抽吸平均温度、阴燃平均温度、峰值平均值均高于采用竖罗纹卷烟纸的样本。②从图5可以看出，罗纹形式对卷烟烟气中的焦油、烟碱和CO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。③相关研究表明卷烟燃烧温度越高，烟支燃烧越充分且燃烧速度越快，因此焦油、烟碱和CO会下降[21]；此外造成CO下降的原因还可能是：在高温条件下CO2还原成CO的概率会下降[22]。

图4 卷烟纸罗纹形式对卷烟燃烧温度的影响Fig.4 Effect of spiral marking form of cigarette paper on cigarettes burning temperature

图5 卷烟纸罗纹形式对卷烟常规烟气成分的影响Fig.5 Effect of spiral marking form of cigarette paper on the conventional components of mainstream smoke

2.3 卷烟纸罗纹深度对卷烟燃烧温度和烟气常规成分的影响

罗纹深度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。本试验采用反压（常用方式）的方式，分析了常见的浅罗纹和深罗纹卷烟纸对卷烟燃烧温度和烟气常规成分释放量的差异，结果如图6、7所示：①从图6试验结果可以看出，在不同罗纹形式下，罗纹深度对燃烧温度影响一致；采用浅罗纹的卷烟纸，卷烟的最高温、抽吸最高温平均温度、抽吸平均温度、阴燃平均温度、峰值平均值较高；②从图7可以看出，罗纹深浅对卷烟烟气中的焦油、水分和CO有一定影响；在竖罗纹形式下，采用浅罗纹的卷烟纸，卷烟烟气中的焦油、水分和CO较低；在横罗纹形式下，采用浅罗纹的卷烟纸，卷烟烟气中的水分和CO略低。③不同罗纹形式下，浅罗纹卷烟纸所受机械挤压小，纸张疏松度好且纸张中的自然空隙（微孔）保留较多，可能受热后其纤维热解速率快且致孔效率高[23]，一方面有利于更多空气中的氧气扩散进入燃烧锥，加剧烟支燃烧程度，提高卷烟燃烧温度；另一方面有利于气相物的扩散；因此采用浅罗纹卷烟纸的烟气水分和CO较低。

图6 卷烟纸罗纹深度对卷烟燃烧温度的影响Fig.6 Effect of spiral marking depth of cigarette paper on cigarettes burning temperature

图7 卷烟纸罗纹深度对卷烟常规烟气成分的影响Fig.7 Effect of spiral marking depth of cigarette paper on the conventional components of mainstream smoke

2.4 卷烟纸罗纹压纹方式对卷烟燃烧温度和烟气常规成分的影响

卷烟纸压纹方式分为正面压纹和反面压纹两种；反面压纹是纸幅的反面接触丝纹辊，而正面压纹是纸幅的正面接触丝纹辊。本试验在罗纹深度一致的条件下，考察卷烟纸压纹方式对卷烟燃烧温度和烟气常规成分释放量的影响情况，结果如图8、9所示：①从图8试验结果可以看出：采用正压的卷烟纸，卷烟的最高温、抽吸最高温平均温度、抽吸平均温度、阴燃平均温度、峰值平均值较高。②采用正压的卷烟纸，烟气中的焦油和CO较低。其原因可能是：（1）在卷烟纸抄造过程中，纸幅正面堆积数量相同的长短纤维，填料碳酸钙均匀分布于纤维之间，此层面较为松厚；纸幅反面留有网子脱水的痕迹，细小纤维在此面多数流失，填料碳酸钙裸露出纸面，所以反面凹凸不平。（2）当丝纹辊压力作用于正面时，松厚的长短纤维层有足够的间隙变形；当丝纹辊压力作用于反面时，作用力主要压在长纤维和填料颗粒上，纤维发生形变的空间小[9]。（3）要实现同一罗纹深度，卷烟纸在反压方式下受到的机械作用力要大，因此其纸页疏松度较差且自然空隙保留较少；一方面不利于氧气扩散进入燃烧锥，降低了卷烟燃烧温度，另一方面不利于烟气气粒相的扩散。

图8 卷烟纸罗纹压纹方式对卷烟燃烧温度的影响Fig.8 Effect of the embossing mode of spiral marking of cigarette paper on cigarettes burning temperature

图9 卷烟纸罗纹压纹方式对卷烟常规烟气成分的影响Fig.9 Effect of the embossing mode of spiral marking of cigarette paper on the conventional components of mainstream smoke

2.5 卷烟燃烧温度与烟气常规指标的关系分析

将5个特征温度值逐一与相对应的卷烟烟气常规指标进行相关性分析，分析结果列于表3。相关系数显著性的T（皮尔逊积矩相关系数）检验表明：烟气焦油和CO释放量、抽吸口数与抽吸燃烧锥最高温平均值呈现显著负相关关系，其它指标间无相关关系。卷烟纸罗纹参数变化，影响卷烟抽吸时的燃烧锥温度，进而影响抽吸口数，从而改变烟气中的焦油和CO释放量，本文研究结果与文献[14]报道结论相似。

表3 卷烟燃烧温度与烟气常规指标的简单相关分析Tab.3 Simple correlation analysis between cigarette burning temperature and conventional index of mainstream smoke

3 讨论

在生产过程中，罗纹参数设置不同（在同一卷烟纸配方的前提下），卷烟纸受到压纹辊的压力不同，其厚度或紧度等方面会发生改变；紧度小时，气体透过卷烟纸可能走直线；而紧度大时，气体透过卷烟纸可能走曲线。因此卷烟纸罗纹参数变化会导致烟气和空气的扩散、交换及时性存在差异性，进而对卷烟燃烧锥温度和主流烟气常规指标产生影响。

无罗纹/浅罗纹/正压罗纹3种罗纹类型的卷烟纸表面经过机械挤压强度低，纸张松厚度好、紧度小，纸页的自然空隙保留较多，一方面有利于空气中氧气通过扩散、交换形式进入燃烧锥，从而加剧燃烧锥热反应程度和范围，提升了卷烟燃烧温度；另一方面会提高烟气气粒相物在燃烧区和传递过程中与外界空气的扩散和交换作用。

4 结论

（1）卷烟纸罗纹变化对卷烟燃烧温度有不同程度影响；无罗纹、横罗纹卷烟纸卷烟在吸燃和阴燃时的温度要高于竖罗纹卷烟纸；浅罗纹卷烟纸卷烟在吸燃和阴燃时的温度要高于深罗纹卷烟纸；正压罗纹卷烟纸卷烟在吸燃和阴燃时的温度要高于反压罗纹卷烟纸。

（2）卷烟纸罗纹变化对卷烟常规烟气成分释放量也有一定影响；采用竖罗纹卷烟纸，焦油、烟碱和CO较高；采用浅罗纹的卷烟纸，烟气中水分和CO较低；采用正压的卷烟纸，烟气中的焦油和CO较低。

（3）不同罗纹参数卷烟纸的微观结构有一定差异，会影响卷烟燃烧温度，进而会影响卷烟烟气常规指标；系统掌握卷烟纸罗纹变化对烟气成分的影响规律，调整和优化卷烟纸工艺，使之在理化方面与烟丝协同作用，将是卷烟纸未来基础研究的重要方向。