烟丝形态调控对中支卷烟卷制质量及稳定性的影响

朱 波，陈智鸣，张旭升，王 浩，关 欣，刘洪坤，蒙建宝，韩 帅，姚光明，邓国栋*

1. 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东省青岛市崂山区株洲路137号 2661002. 广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂，南宁市西乡塘区北湖南路28号 5300013. 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

现行烟丝结构标准通过测定烟丝中长丝、中丝、短丝、碎丝的比例，以整丝率、碎丝率大小反映烟丝结构的优劣［1］。烟丝结构对卷烟物理质量及其稳定性均有不同程度的影响［2-4］。同时卷烟规格不同，各尺寸烟丝对卷烟质量影响不同。申晓峰等［5］研究发现常规卷烟中2.80～4.75 mm 烟丝占比对单支质量和烟支密度的稳定性影响较大。楚晗等［6］发现短支卷烟中1.00～2.50 mm 烟丝占比影响吸阻、硬度及其标准偏差；3.35～5.00 mm 烟丝占比影响端部落丝量。朱波等［7］研究发现细支卷烟中大于5.6 mm 和1.00～3.35 mm 烟丝占比对物理指标影响较大。随着中支卷烟产销量的增加，中支卷烟圆周减小、长度增加，烟丝结构必然需要进行相应的变化。针对烟丝结构的调控，行业内进行了大量研究，2019 年张胜华等［8］通过在片烟贮叶后增设在线调控单元，发现增设调控单元后大片率降低、中小片率提高，烟丝结构得到改善，同时烟支物理质量稳定性显著提升。朱成文等［9］研究发现采用定长切丝技术，细支卷烟烟丝特征尺寸降低，烟丝均匀性改善。王震等［10］通过研究柔性断丝技术在细支卷烟中的应用，发现与不调控相比，调控后烟丝长丝率显著降低，中短丝比例升高，卷制后细支卷烟物理质量及稳定性得到提高。通过调控烟丝结构可以提高烟丝卷制适应性，促进卷烟产品质量及稳定性提升，但现有烟丝结构表征方法（整丝率、碎丝率）并不能全面反映调控后烟丝尺寸的变化情况。为此，在烟丝形态调控技术基础上，以烟丝特征长度表征烟丝形态（即烟丝整体尺寸分布），通过调控中支卷烟烟丝特征长度，明确烟丝形态与中支卷烟烟支质量指标及稳定性关系，确定中支卷烟适宜的烟丝特征长度范围，旨在为工业企业提高中支卷烟产品质量提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器和设备

“ZL”牌中支卷烟及对应原材料（叶组配方、料香配方、辅材等，广西中烟工业有限责任公司提供）。

ZD-T25 振动筛分仪（德国Haver & Boecker 公司）；PL203型电子天平［感量0.0001 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司］；KBF 型恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；D51 型填充值测定仪（德国Factory Densimeter 公司）；OM-VM 型卷烟综合测试台、OM-VM 型卷烟硬度测定仪（北京欧美利华科技有限公司）；YDZ-Ⅱ型端部落丝测定仪（合肥众沃仪器技术有限公司）；CFP800A 型卷烟落头倾向测试仪、i-TDR100 动态吸阻测定仪、烟丝形态调控设备（郑州烟草研究院）；MW4420 型密度测定仪（德国Tews Elekteronik公司）。

4800 kg/h制丝生产线、ZJ17中支卷烟卷接包装设备（广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂在用设备）。

1.2 烟丝形态调控装置

烟丝形态调控装置［11］主要由烟丝分选装置、烟丝剪切装置和移动伸缩皮带装置组成，如图1所示。该装置设置于叶丝干燥出口处，安装在原振槽上方。移动伸缩皮带装置用于连接烟丝形态调控装置和烘丝出口振槽，不用时收起。烟丝分选装置筛选出烟丝中的长丝，并由烟丝剪切装置将挑选出的烟丝截短。通过设置不同辊筛频率可以调节进入切刀的长丝比例，即可改变烟丝整体尺寸分布。

图1 烟丝形态调控装置示意图Fig.1 Control device for tobacco strand morphology

1.3 方法

1.3.1 样品制备

采用烟丝形态调控设备对4 个批次烟叶样品的烟丝形态进行调控，但有1个批次不进行调控，通过调整辊筛频率（辊筛频率分别为35、40、45、50 Hz），调节进入切刀的长丝比例，改变烟丝尺寸分布。待设备运行稳定后，分别在风选出口、卷烟机VE机后身（卷制前）及卷烟机烟枪处进行人工取样，取样间隔1 min，连续取样3 次，每次1400 g。将取出样品置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%环境下平衡48 h备用。

每批次样品使用同一卷烟机台进行烟支卷制，卷烟机设备参数一致，平准盘规格为“三深三浅（深槽2.5 mm×20 mm、浅槽1.0 mm×20 mm）”，使用相同规格的接装纸、卷烟纸及滤棒等材料，待设备运行稳定后于卷烟机出口进行取样备用，各批次各取样1000 支。将样品置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%环境下平衡48 h备用。

1.3.2 测试方法

1.3.2.1 烟丝形态表征［12］

取风选后、卷制前及卷制后各400 g 样品，采用四分法缩至（100.0±10.0）g，通过振动筛分仪对烟丝进行分层，其中各层筛网孔径分别为8.00、6.70、5.60、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.40、0.70 mm，样品处理后统计各层筛网样品累计质量分数，记为F，对应筛网孔径记为q，利用烟丝尺寸分布方程（1）得出方程中参数a和p。

将a和p代入方程（2）中计算烟丝特征长度d。

式中：d值为烟丝累积质量分数为50%时对应的筛网孔径，值越大，说明烟丝整体尺寸越大；p值能够反映烟丝尺寸分布的均匀性，该值越大，烟丝尺寸分布范围越窄，烟丝尺寸分布均匀性越好。

1.3.2.2 烟支密度［13］及分布一致性表征

每批次样品取样20 支，重复3 次，测定烟支的密度，并将获取的烟支密度数据进行矩阵化处理，

由m×n个数组成，记为Am×n，其中n为烟支数量，m为烟支密度值，aij代表第j支卷烟在第i个位置处的密度值。向量B 为m×1 个数组成的列向量，记为Bm×1，其中令，…，m。矩 阵和向量η′=［η1η2…ηm］，其中且dij服从标准正态分布N（0，1），ηi=，…，n，ηi越小，一致性越好，评价指标η越小，说明该种类烟支的密度越接近于设计期望值。

1.3.2.3 动态吸阻［14］及分布一致性表征

每个卷烟样品重复测定5次，为防止抽吸过程滤嘴逐口通风率的变化对动态吸阻的影响，使用3M胶带将卷烟滤嘴通风孔封闭，测定每个样品的逐口动态吸阻平均值、标准偏差和烟支间分布一致性系数η。平均值指烟支轴向动态吸阻的平均值，由烟支逐口吸阻的算术平均值计算得到，烟支轴向动态吸阻的平均值和标准偏差这两个指标反映了烟丝在轴向上的动态吸阻均匀性。卷烟动态吸阻分布一致性系数η表示烟支间轴向动态吸阻的差异性，η值越小代表差异性越小，其表征方法同烟支密度分布一致性的表征方法一致。

1.3.2.4 烟支物理指标检测

根据相关标准方法和文献测定方法测定烟丝填充值［15］、烟支质量［16］、总通风［17］、静态吸阻［18］、烟支硬度［19］、空头率［20］、端部落丝［21］及燃烧锥落头倾向［22］。

2 结果与分析

2.1 辊筛频率对烟丝品质的影响

改变烟丝形态调控装置辊筛筛分频率，可以调整进入烟丝剪切装置的烟丝量。辊筛频率降低，筛分时间增加，筛分装置筛下的烟丝增多，进入剪切装置的烟丝减少。在一定范围内，辊筛频率不同，调控后的烟丝形态也不同。辊筛频率变化对烟丝品质的影响见表1。由表1 可知：①与对照相比，调控后的烟丝在风选后取样，烟丝填充值有所降低；随筛分频率增加，烟丝填充值呈降低趋势；②通过烟丝形态调控风选后、卷制前及卷制后烟丝特征长度均低于对照样品，说明烟丝形态调控装置可以使烟丝整体尺寸降低；③与对照相比，调控后各处理的均匀性系数均减小；随筛分频率增加，烟丝均匀性系数整体上呈略有降低趋势。辊筛频率与特征长度关系见图2。由图2可知，调控后随着辊筛频率增加，风选后、卷制前及卷制后烟丝特征长度均呈逐渐降低的趋势，其拟合方程R2均大于0.99，说明在试验范围内辊筛频率与特征长度存在线性关系，可通过调整辊筛频率改变烟丝特征长度。

表1 辊筛频率变化对烟丝品质的影响Tab.1 Effect of frequency change of roll screen on cut tobacco quality

图2 辊筛频率与烟丝特征长度关系Fig.2 Relationship between roll screen frequency and tobacco strand characteristic length

2.2 烟丝形态对常规物理指标的影响

通过调整辊筛频率调控烟丝形态，并卷制成不同烟丝形态卷烟样品，分别对卷烟样品烟支单支质量、硬度、吸阻及总通风率等常规物理指标进行检测分析，结果见表2。以各物理指标标准偏差对卷烟样品不同物理指标稳定性进行评价，不同烟丝长度对中支卷烟单支质量、吸阻及硬度的稳定性影响较大；随烟丝特征长度（卷制前）的逐渐增大，中支卷烟常规物理指标标准偏差整体呈先降低后升高的趋势，说明稳定性呈先增加再降低的趋势。在一定范围内，随着烟丝特征长度减小，卷制烟支常规物理指标稳定性呈增加的趋势，但随着烟丝特征长度继续减小，烟丝均匀性系数和填充性能随之降低，烟支的常规物理指标及稳定性反而降低。

随烟丝特征长度变化（卷制前），中支卷烟烟支单支质量变异系数在1.97%～2.71%之间波动，吸阻变异系数在4.36%～5.01%之间波动，总通风率变异系数在9.39%～11.99%之间波动，硬度变异系数在5.3%～5.9%之间波动。随烟丝特征长度变化，中支卷烟烟支总通风率变异系数变化幅度最大，烟支硬度变异系数变化幅度最小。综合分析，由表2可知在烟丝特征长度为2.44 mm和2.74 mm时，中支卷烟常规物理指标稳定性较好，依据烟丝特征长度变化趋势，适当扩大烟丝特征长度范围，烟丝特征长度在2.35～2.85 mm（卷制前）范围内，即辊筛频率在37～47 Hz之间，中支卷烟常规物理指标稳定性较好。

表2 烟丝特征长度对中支卷烟常规物理指标的影响Tab.2 Effect of tobacco strand characteristic length on conventional physical indexes of demi-slim cigarette

2.3 烟丝形态对卷制适应性的影响

中支卷烟的卷制过程适应性用烟支的密度分布、密度分布一致性和空头率来表征。结果如图3、图4 所示。图3 为卷烟空头率随烟丝特征长度的变化规律，随特征长度增加，空头率呈现先减小后增加的趋势。依据烟丝特征长度变化趋势及空头率测定结果，烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，卷烟样品空头率较低。图4为不同烟丝特征长度对烟支密度分布的影响，不同处理间烟支密度分布一致性以η值的大小表示，该值越小，说明烟支密度分布一致性越好，随特征长度（卷制前）增加，烟支密度标准偏差和密度分布一致性均呈现先减小后增加的趋势。依据烟丝特征长度测定情况及变化趋势，当烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，烟丝密度均匀性和填充密度一致性较好。随着特征长度减小，烟支卷制成型过程中烟丝流动性变好，烟支中烟丝密度分布均匀性增加，烟支中烟丝密度分布一致性提升，卷制烟支空头率降低；但随着特征长度继续减小，烟丝填充性能下降，在控制烟支单支质量的前提下，会造成烟支中烟丝密度分布一致性下降，烟支空头率增加。整体来看，烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，即辊筛频率在38～47 Hz之间，卷制适应性较好。

图3 烟丝特征长度对中支卷烟空头率的影响Fig.3 Effect of tobacco strand characteristic length on loose end percentage of demi-slim cigarette

图4 烟丝特征长度对烟支密度分布一致性的影响Fig.4 Effect of tobacco strand characteristic length on density distribution consistency of demi-slim cigarette

2.4 烟丝形态对其他质量指标的影响

中支卷烟烟丝形态对端部落丝、燃烧锥落头倾向的影响结果如图5、图6所示。由图5可知，随烟丝特征长度（卷制前）增加，端部落丝量无明显变化规律，当烟丝特征长度在2.25～2.95 mm 范围内，即辊筛频率在35～49 Hz 范围内时，端部落丝量较小。由图6 可知，采用旋转法测定燃烧锥落头倾向，随烟丝特征长度（卷制前）增加，卷烟燃烧锥落头倾向呈现先减小后升高的趋势。随着特征长度减小，烟支密度分布一致性变好，烟支落头倾向降低；但随着特征长度继续减小，烟丝填充性能下降，在控制烟支单支质量的前提下，中短丝比例增加，烟支中烟丝对燃烧锥的支撑能力降低，导致落头倾向增加。分析可知，依据烟丝特征长度变化趋势及燃烧锥落头倾向测定结果，卷制前烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内时，卷制烟支样品燃烧锥落头倾向较低。

图5 烟丝特征长度对中支卷烟端部落丝的影响Fig.5 Effect of tobacco strand characteristic length on loss of tobacco from the end of demi-slim cigarette

图6 烟丝特征长度对中支卷烟燃烧锥落头倾向的影响Fig.6 Effect of tobacco strand characteristic length on combustion cone falling propensity of demi-slim cigarette

图7 为烟丝结构对卷烟动态吸阻稳定性及动态吸阻分布一致性的影响，随烟丝特征长度（卷制前）减小，动态吸阻标准偏差呈先减小后增加的趋势。这可能因为烟丝整体尺寸过大或过小时，均导致烟丝密度均匀性较差或烟丝填充能力较差，进而使动态吸阻稳定性变差。依据烟丝特征长度变化趋势及动态吸阻测定结果，当烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，动态吸阻轴向分布标准偏差较小；动态吸阻分布一致性系数η值整体波动较大，烟丝特征长度为2.44 mm（卷制前）左右时，η值较低，动态吸阻分布一致性较好。整体来说，当烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，即辊筛频率在38～47 Hz 之间，卷制烟支样品端部落丝量较小、燃烧锥落头倾向较低，但动态吸阻分布一致性存在波动。

图7 烟丝特征长度对卷烟动态吸阻稳定性及分布一致性的影响Fig.7 Effect of tobacco strand characteristic length on stability and distribution consistency of dynamic draw resistance of cigarette

3 结论

对中支卷烟适宜烟丝特征长度进行了研究，结果表明：①在一定范围内，可通过调整辊筛频率调控烟丝整体尺寸，烟丝特征长度在2.35～2.85 mm（卷制前）范围内，中支卷烟常规物理指标稳定性较好；②空头率、烟支密度标准偏差和密度分布一致性系数η值均随特征尺寸减小呈先降低后增加的趋势，烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，空头率较低，密度一致性较好；③烟丝特征长度在2.35～2.80 mm（卷制前）范围内，卷制烟支样品端部落丝量较小、燃烧锥落头倾向较低，但动态吸阻分布一致性存在波动；④综合分析，考虑到不同卷烟配方之间的差异，适当放宽烟丝特征长度的范围，当烟丝特征长度在2.35～2.85 mm（卷制前）范围内，即辊筛频率在37～47 Hz之间，中支卷烟物理指标稳定性、烟支密度分布一致性较好，空头率和燃烧锥落头倾向较低，端部落丝量较少。目前，中支卷烟适宜烟丝特征长度范围均在制丝环节进行研究，然而卷烟机型不同对烟丝形态的适应性也不同，需要进一步针对不同卷烟机型进行相关研究，找到不同卷烟机型适宜的中支卷烟适宜的烟丝特征长度范围。