加热卷烟“降温低截留”滤棒的制备及应用

罗 玮，谢兰英，秦亮生，丁 多，文建辉，吴名剑，郭小义，杜 文，尹新强，邓昌健，卓宁野，龚淑果，孙志伟，钟科军

湖南中烟工业有限责任公司技术中心，长沙市劳动中路386 号 410007

加热卷烟是通过加热元件对烟草物质进行加热，烟丝或再造烟叶只加热但不燃烧，烟支中的雾化介质、烟草中的香味成分和外加香味物质通过加热产生烟雾，烟气中有害化学成分的释放量明显降低［1-2］。目前，市场在售的主流加热卷烟有菲利浦·莫里斯国际公司（PMI）的iQOS 与英美烟草公司（BAT）的glo 两种产品，当两种烟支在250～350 ℃的加热条件下达到雾化温度后，烟支段材料中雾化剂和料香汽化冷凝从而形成烟雾。由于烟支的降温段较短，烟支段被全部加热，导致入口烟气温度过高，其抽吸体验与传统卷烟存在较大差距。传统卷烟的醋纤丝束可有效降低烟气温度，但同时存在烟气截留率高及明显的高温滤棒塌陷和软化现象，不适合加热卷烟使用。因此，为提高加热卷烟的烟雾量，须使用低截留率滤棒；但低截留率滤棒通常其降温效果较差。

以PMI 为代表的各大烟草公司在新型卷烟的烟用辅材、烟支结构、烟草材料等方面进行了大量的专利布局。针对烟气过烫等问题，重新进行了烟支设计，并采用不同的解决方案。如PMI 推出的加热卷烟iQOS 配套烟支Marlboro HeatSticks，其在复合滤棒中使用了压纹聚拢聚乳酸（PLA）薄膜降温材料［3-5］；BAT 的glo 为包围加热产品，配套的Kent 烟支使用打孔的硬纸空管滤棒来降低烟气温度；韩国烟草和人参株式会社（KT&G 公司）推出的lil 为中心针式加热产品，其配套的Fit 烟支使用PLA 纤维编织束进行降温。四川中烟工业有限责任公司早期的“宽窄”烟支采用18 mm 的压纹聚拢铝箔复合纸进行降温；湖北中烟工业有限责任公司“MOK”烟支使用打孔压纹聚拢PLA 材料进行降温［6］；云南中烟工业有限责任公司“MC”烟支使用10 mm 的压纹聚拢PLA 薄膜［7-8］达到降温的目的；广东中烟工业有限责任公司“MU”烟支使用23 mm 的淀粉空管作为降温段［9］；南通醋酸纤维有限公司开发了降温型醋酸纤维颗粒［10］。现有技术主要是通过相变降温材料对纵向流动的高温烟气进行降温处理，如iQOS 的降温段材料主要是皱褶、打褶、聚集和折叠的PLA 薄片，由于受滤棒长度及相变降温材料的限制，同时烟气流速也比较快，导致使用材料降温有一定困难；过热烟气通过滤棒时的横向传热，使得消费者抽吸时有烫嘴唇的感觉。此外，相变降温材料PLA 薄片接触高温烟气后会出现熔融现象，导致烟气通道堵塞，影响降温材料的降温效果，甚至会出现抽吸后两口时的烟雾量显著降低等问题。因此，在不降低烟雾量的前提下，选取合适的降温滤棒对降低加热卷烟烟气温度、提高烟气感官质量具有重要的意义。

鉴于此，设计和制备了一种加热卷烟用“降温低截留”滤棒，研究了降温载体和降温材料对滤棒降温性能的影响，优选了双压辊+沟槽成型结合的滤棒成型工艺。用制备的“降温低截留”滤棒试制加热卷烟，采用热电偶测温法测试了入口烟气温度，测试了烟气常规成分和香味成分的变化，探讨了滤棒“降温低截留”的可能机理，旨在开发一种使用“降温低截留”滤棒的加热卷烟产品。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

纤维素纸（定量78 g/m2，湖南瑞深科技实业有限公司）；中心加热型iQOS 器具（Tobacco Heating Device 2.4）、Marlboro 原味蓝色iQOS 烟支（PMI 公司）；中心加热型PUFFLY-MIO 针式器具（深圳湘元科技有限公司）；成型纸（牡丹江恒丰纸业股份有限公司）。

烟碱（≥97.0%，国家烟草质量监督检验中心提供）；异丙醇（AR，天津市富宇精细化工有限公司）；正十七碳烷（≥98.5%，北京百灵威科技有限公司）；无水乙醇（AR，天津市恒兴化学试剂制造有限公司）；甘油、丙二醇、聚乙二醇（PEG）、二氯甲烷（AR，国药集团化学试剂有限公司）；去离子水（自制）。

JHWL-1000PCR 涂布机（广东东莞永庆兴机械制造有限公司）；CF-1050S 分切机（海宁友强机械有限公司）；ZL-23 滤棒成型机（宁波轻工机械制造有限公司）；K2-TF 二元复合机（由沈阳沈飞民品工业有限公司生产的KDF2 设备改造）；NSM100加热卷烟吸烟机（青岛颐中科技有限公司）；FC-I滤棒切割机（成都瑞拓科技股份有限公司）；7890A气相色谱仪（美国Agilent 公司）；Milli-Q50 超纯水仪（美国Millipore 公司）；HY-6 双层调速震荡仪（常州国华电器有限公司）；CP 224S 电子天平（感量0.000 1 g，北京赛多利斯仪器系统有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 加热卷烟抽吸及烟气常规分析

采用NSM100 加热卷烟吸烟机抽吸加热卷烟，抽吸间隔27 s，抽吸持续时间3 s，抽吸容量55 mL，每支烟抽吸7 口，每个样品抽吸10 支烟。

1.2.2 1，2-丙二醇、丙三醇和烟碱的检测

参照YQ-EL/T 2—2017［11］的方法检测1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱。将1.2.1 节所得滤片放入50 mL 三角瓶中，加入10 mL 含有1,4-丁二醇（内标，质量浓度为2.0 mg/mL）和正十七烷（内标，质量浓度为0.2 mg/mL）的异丙醇溶液，震荡萃取30 min，取1 mL 萃取液装入色谱瓶进行气相色谱检测。气相色谱参数详见参考文献［12］。

1.2.3 含水率的检测

全国职业院校导游技能大赛已经连续举办了8年，赛项的设置越来越科学合理，真正地展示了职业院校学生的导游职业技能和综合素养。通过对参赛方案的解读和对第三届全国导游大赛视频的研读，总结出了几点现场导游词的创作技巧。

参考YC/T 345—2010［13］的方法检测含水率。将1.2.1 节所得滤片放入50 mL 三角瓶中，加入10 mL 含有5.0 mg/mL 异丙醇内标物的甲醇，振荡萃取30 min 后，取1 mL 萃取液装入色谱瓶后，用配有热导检测器（TCD）的气相色谱仪进行检测。气相色谱参数详见参考文献［12］。

1.2.4 香味成分的检测

采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法检测加热卷烟烟气中的香味成分。将1.2.1 节所得滤片放入固相微萃取顶空瓶中，60 ℃下用75 μm CAR/PDMS 固相萃取头萃取30 min，萃取头在气相色谱进样口脱附后进行气相色谱/质谱分析，每次进样完成后，萃取头在300 ℃下保持30 min。气相色谱参数详见参考文献［12］。

1.2.5 降温材料的涂布

称取一定量的降温材料PEG600 与PEG4000 溶于95%（体积比）的乙醇中，加热搅拌溶解，配制成涂布液，使用涂布机将涂布液涂布在纤维素纸上，降温材料的涂布干质量约为30 g/m2，经90 ℃烘干，密封打包，熟化14 d。

1.2.6 降温纸材料的分切

使用分切机将1.2.5 节中熟化好的降温纸材料分切为不同宽度的盘纸，然后将其装入密封袋中密封备用。

1.2.7 降温滤棒的复合成型

将分切好的盘纸采用压辊的方式进行预压纹，将压纹后的纸张送入滤棒成型机经双压辊反复折叠成型，制成108 mm 长纸质降温滤棒。采用二元复合机将84 mm 长醋纤棒与108 mm 长纸质降温滤棒复合成136 mm 长的二元复合滤棒。

采用加热卷烟吸烟机自带的热电偶测温装置，自动获得逐口烟气温度分布图。

2 结果与讨论

2.1 载体材料的选择

以三段式烟支结构（图1）为研究对象。该结构中，由于烟支段与降温段直接相连，使得降温段与烟支段接触处的温度可达200～220 ℃，而聚乳酸材料的熔点为155～185 ℃，其耐高温效果较差，直接与烟支段相连会发生完全熔化现象，不能起到降温的效果。因此，在滤棒载体上负载相变降温材料，再通过反复折叠形成直通多孔结构的方式制作“降温低截留”滤棒。

图1 三段式烟支结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of a three-section heated tobacco stick

载体的选择首先要满足耐高温能力较强，在220 ℃左右不发生熔化和燃烧，不发生热变形和热塌陷，同时还具有一定的回弹性。选取聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乳酸、硬成型纸、铜版纸、纤维素纸等材料，考察其在220 ℃下加热10 min 后的变化情况，结果见表1。由表1 可见，除3 种纸张无明显变化外，聚合物材料均会出现熔化扭曲变形现象，表明这些聚合物不适合作为三段式加热卷烟的降温段载体材料。综合载体的负载性能和加工成型性能，选取纤维素纸为降温段的载体材料。

表1 降温段载体材料的性能Tab.1 Properties of carrier materials for cooling section

2.2 降温材料的选择

选择相变降温材料时，应满足材料安全无毒、相变晗较大、相变温度在40～60 ℃之间、易溶于乙醇-水体系、易于负载在纤维素纸表面。基于此，选择将木糖醇、硬脂酸、月桂酸、十六醇、十八醇、PEG2000、PEG4000、PEG6000 等物质负载在纤维素纸上，涂布量为30 g/m2，再采用手工折叠成棒的方法，制成降温滤棒。以iQOS 烟支为对照样，将iQOS 的聚乳酸降温段替换成涂覆不同材料的降温棒，采用NSM100 加热卷烟吸烟机自带的热电偶测温装置测试烟气的最高入口温度，并评吸烟气香气量的大小，结果见表2。由表2 可知，PEG2000、PEG4000、PEG6000 等聚乙二醇类相变降温材料的降温效果与iQOS 的聚乳酸材料基本相当（入口烟气温度基本相同），且对烟气香气量的影响也不大。因此，选取PEG 为优选的相变降温材料。

表2 降温材料种类对加热卷烟烟气温度与烟气香气量的影响Tab.2 Types of cooling materials on smoke temperature and aroma contents of heated tobacco products

2.3 PEG 种类与配比的选择

选取聚乙二醇为相变降温材料，考察不同分子量PEG 混合作为降温材料对烟气温度的影响，将PEG200、PEG400、PEG600、PEG800 划分为低分子量PEG；PEG1000、PEG1500、PEG2000、PEG4000、PEG6000 划分为中等分子量PEG；PEG8000、PEG10000、PEG20000 划分为高分子量PEG。研究中发现，当高分子量PEG、中等分子量PEG 分别与低分子量PEG 混合使用时，降温材料的降温效果更佳。

低分子量PEG 与中等分子量PEG 能较好地溶于无水乙醇中，使得涂覆等制作工序容易进行；而PEG8000、PEG10000、PEG20000 等需要将无水乙醇加热到60～70 ℃才能将其溶解，且溶解度小于低分子量PEG 与中等分子量PEG，容易造成涂覆作业不方便、乙醇溶剂浪费较大等问题。研究中还发现，采用高分子量PEG 时，PEG 等原料容易粘附在涂布设备中，影响设备正常运行，增加设备的清洗成本。因此，在实际生产中采用低分子量PEG、中等分子量PEG 复配即可较好地满足设计要求，有利于获得更高的性价比。

表3 为PEG 涂布量为30 g/m2时，不同质量比的中、低分子量PEG 对烟气温度的影响。由表3可知，单独采用PEG2000 或PEG4000 作为降温材料时，烟气温度与iQOS 基本相当，但中、低分子量PEG 复配使用时，烟气温度较单独使用一种PEG的烟气温度低7～10 ℃。

表3 PEG 种类与配比对加热卷烟烟气温度的影响Tab.3 Types and ratios of PEG on smoke temperature of heated tobacco products

2.4 降温材料PEG 涂布量的选择

经过多次的降温材料优选试验，选取PEG600和PEG4000 为最优的降温材料组合，两种PEG 材料的用量比为1∶2。在此基础上，继续考察降温材料涂布量对加热卷烟入口最高烟气温度的影响，结果见图2。由图2 可见，降温材料PEG 的涂布量从15 g/m2增加到30 g/m2时，加热卷烟的入口最高烟气温度由63 ℃降至49 ℃，温度降幅高达14 ℃，表明增加降温材料的用量，可显著降低烟气的温度。但当涂布量从30 g/m2增加到40 g/m2时，入口最高烟气温度仅降低2 ℃，温度降幅较小。因此，从经济实用的角度考虑，优选降温材料的涂布量为30 g/m2。

图2 PEG 涂布量对加热卷烟烟气温度的影响Fig.2 Amount of PEG coating on smoke temperature of heated tobacco products

2.5 降温滤棒的沟槽成型工艺

为获得两端贯通的均匀孔隙降温滤棒，预先在纸张折叠环节采用梳整成型、单压辊成型、双压辊成型3 种方案进行了滤棒试制实验。研究中发现采用上述3 种方案试制的降温滤棒普遍存在圆度较差、硬度较低问题，不适合后续复合棒的规模化生产。为解决上述问题，采用双压辊+沟槽成型结合的技术方案，具体是在降温滤棒中使用一层涂布有降温材料的沟槽纤维素纸进行包裹，该沟槽纤维素纸的宽度为20 mm，沟槽的个数为17 个，再在降温滤棒外层包裹一层定量为45 g/m2的普通成型纸（图3）。由于该降温滤棒采用沟槽结构，沟槽纤维素纸可在滤棒边缘形成沟槽状的小孔，有效增加滤棒的填充效果，使得成型后的滤棒圆度明显改善，满足圆度≤0.35 mm 的要求，同时滤棒的硬度也显著提高，能够保证后期复合滤棒的加工要求，适用于工业化生产。

表4 是两种降温滤棒的物理指标参数，图4a是未采用沟槽成型的降温滤棒实物图。由图4a 与表4 可见，未使用沟槽成型的降温滤棒的圆度较差，圆度均值为0.52 mm，硬度只有73%，且滤棒极易形成椭圆或凸轮的形状，严重影响后续的复合加工与生产。图4b 是采用沟槽成型的降温滤棒实物图。由图4b 与表4 可见，使用沟槽成型的降温滤棒圆度较好，圆度均值为0.27 mm，达到了圆度≤0.35 mm 的目标，硬度提高至83%，可满足后续复合生产加工的需要。

图3 降温滤棒端面结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the cross section of cooling filter rods

图4 未使用沟槽成型（a）与使用沟槽成型（b）的降温滤棒外观图Fig.4 Endon appearance of cooling filter rods without groove forming（a）and with groove forming（b）

表4 两种降温滤棒的物理指标参数Tab.4 Physical parameters of two cooling filter rods

2.6 降温滤棒的降温机理

为考察降温段长度对滤棒降温性能的影响，采用与iQOS 烟支相同的醋纤段与烟支段，仅将iQOS 的降温段与空管段（合计26 mm 长）替换成31、26、23 mm 长的“降温低截留”滤棒，考察了不同长度的降温段对烟气温度、烟气成分及烟气水分分布的影响，结果见图5。由图5 可知，降温段的长度越长，出口烟气温度就越低。即使是使用最短降温段（23 mm）的烟支，其出口烟气温度也较iQOS 降低了8 ℃。

进一步考察了降温段长度对烟气成分及水分分布的影响，结果见表5。由表5 可见，与iQOS 相比，采用31、26、23 mm 的降温滤棒，烟气中TPM、烟碱与焦油释放量的变化都较小，表明降温棒对烟气成分的吸附较少。通过测试烟支抽吸后水分在不同部位的分布，发现iQOS 中PLA 降温段水分的吸附量是3.02 mg/支，而采用31、26、23 mm 降温滤棒水分的吸附量分别为6.46、5.83、2.71 mg/支，表明“降温低截留”滤棒的吸水能力较强，降温滤棒中涂布的PEG 具有相变降温的作用，同时PEG含有羟基官能团，在相变降温的过程中更容易捕捉烟气中的水分。对于加热卷烟，无论是中心加热还是包围加热方式，在加热过程中，烟支段材料中的水分最先被汽化，使得前3 口烟气中水分释放量明显偏高，水蒸气在口腔中冷凝为液体时所释放的热量非常大（水在0.1 MPa，100 ℃时的液化潜热高达2 257.2 kJ/kg），从而导致加热卷烟比传统卷烟烟气有更高的感知温度，使得口腔的（特别是舌头）烫感明显增强。而“降温低截留”滤棒一方面利用PEG 的相变作用降温，另一方面通过PEG 分子中的羟基来吸附水蒸气，将水蒸气的液化潜热吸收在降温滤棒上，同时由于纤维素纸的导热能力较差，降温材料吸收的热量不易快速传递到抽吸端，故不会出现滤棒烫嘴唇的问题。

图5 降温段长度对加热卷烟烟气温度的影响Fig.5 Effect of cooling section length on smoke temperature of heated tobacco products

表5 降温段长度对烟气常规成分及水分分布的影响Tab.5 Effects of cooling section length on yields of routine components and moisture distribution of smoke

表6 iQOS 加热卷烟抽吸后其香味成分、烟碱、甘油、丙二醇向主流烟气的迁移率及在滤棒中的截留率Tab.6 Migration of aroma components，nicotine，glycerol and propanediol to mainstream smokeand their retention by filter rods of iQOS after smoking

表7 实验样加热卷烟抽吸后其香味成分、烟碱、甘油、丙二醇向主流烟气的迁移率及在滤棒中的截留率Tab.7 Migration of aroma components，nicotine，glycerol and propanediol to mainstream smokeand their retention by filter rods of the experimental heated tobacco products after smoking

2.7 降温滤棒低截留效果验证

为考察降温滤棒的低截留效果，采用与iQOS烟支相同的醋纤段与烟支段，仅将iQOS 的降温段与导流段（合计26 mm）替换成26 mm 长的“降温低截留”滤棒。在NSM100 加热卷烟吸烟机上采用iQOS 器具抽吸iQOS 加热卷烟与实验样卷烟（中心加热方式），将滤片收集并采用二氯甲烷萃取，获得香味成分、烟碱、甘油和丙二醇等4 类物质向主流烟气的迁移率和在滤棒中的截留率，结果分别见表6 与表7。由表6 可知，iQOS 滤棒（空管段和醋纤段，不含聚乳酸段）对香味成分、烟碱、甘油和丙二醇的截留率分别达到79.4%、19.6%、24.7%和42.4%，表明滤棒（不含聚乳酸段）对这4类物质的吸附量较大，其对应的主流烟气迁移率为35.6%、23.1%、4.7%和16.3%。从表7 可见，实验样卷烟滤棒（降温段和醋纤段）对香味成分、烟碱、甘油和丙二醇的截留率分别为78.3%、26.2%、15.8%和67.5%，其对应的主流烟气迁移率分别为32.6%、21.2%、13.5%和19.9%。对比两种卷烟的香味成分和烟碱向主流烟气的迁移率可知，实验样卷烟中香味成分与烟碱这两类物质向主流烟气的迁移率分别达到iQOS 卷烟的91.6%和91.8%，该结果表明，使用“降温低截留”滤棒的实验样卷烟的截留能力与iQOS 卷烟基本相当，其低截留效果较好。

2.8 “降温低截留”滤棒试制加热卷烟与iQOS 加热卷烟降温性能的比较

采用2.5 节中的带沟槽降温滤棒，使用二元复合机制得136 mm 复合降温滤棒，在PROLAB 卷烟机上使用再造烟叶烟丝卷制圆周为22.6 mm、长度为84 mm 的加热卷烟，通过切割的方法获得46 mm 长加热卷烟（烟丝无序排列）。采用中心针式加热烟具，使用加热卷烟吸烟机自带的热电偶测温装置测试滤嘴出口端iQOS 加热卷烟与自制加热卷烟的烟气温度情况，结果见图6。由图6 可见，自制加热卷烟的最高入口烟气温度较iQOS 降低了15 ℃，表明降温滤棒的降温效果明显，且降温性能稳定可靠。

图6 加热卷烟逐口烟气温度分布图Fig.6 Puff-by-puff smoke temperature profiles from the two heated tobacco products

3 结论

①“降温低截留”滤棒的优选载体材料为纤维素纸，PEG600 与PEG4000 复配材料是优选的相

变降温材料。②压纹后的纸张采用双压辊进样和滤棒沟槽成型相结合的技术方案，可有效改善滤棒的填充效果，使得成型后的滤棒圆度大为改善，满足圆度指标≤0.35 mm 的技术要求，同时能将滤棒的硬度由73%提升至83%，可满足后期复合滤棒的加工要求，适用于工业化生产。③采用优选的PEG 复配材料制备的降温低截留滤棒及加热卷烟，其主流烟气的入口温度较iQOS 对照样降低10 ℃以上，同时对烟气的截留率与iQOS 滤棒基本相当。④PEG 复配材料降温的可能机理是中等分子量的PEG 主要起相变降温作用，低分子量PEG 由于含大量的亲水羟基官能团能显著吸附烟气中的水蒸气，将水蒸气的液化潜热吸收在滤棒上，两方面的共同作用使入口烟气温度显著降低。同时由于纤维素纸的导热能力较差，降温滤棒吸收的热量不易快速传递到抽吸端，不会出现滤棒烫嘴唇的问题。