新型功能滤棒在卷烟降焦减害中的应用研究

王嘉绍，董 露，赵怡凡，杜 赫，许艳冉，陈 晨，郭春生

(内蒙古昆明卷烟有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

随着《烟草控制框架公约》履行以及社会对吸烟与健康问题的日益关注，降焦减害技术在国内外卷烟产品上应用日趋广泛[1-3]。为满足卷烟降焦减害的要求，卷烟滤嘴正从单一纤维滤嘴向异型结构、复合结构滤嘴发展。其中，异型结构滤嘴充分利用独特滤嘴结构改变烟气流动的路径和速度，增加焦油、有害成分的截留效率，达到降焦减害的效果[4-7]。随着滤嘴制备工艺水平的提高，基于特殊结构的新型功能复合滤嘴在卷烟中应用将日益广泛[8-10]。

本文将研究开发基于3D打印技术的降焦减害功能滤棒。首先，通过计算机辅助设计对滤棒结构参数及空腔、介孔等特殊结构进行合理布局，建立新型功能滤棒打印模型；再次，采用3D打印技术打印新型功能滤棒模型[11-12]，将功能滤棒与普通滤棒相接得到复合滤棒；最后，进行烟支卷接装，得到新型功能滤棒卷烟样品。通过与对照样品进行对比，研究了新型功能滤棒对卷烟物理指标、主流烟气指标、香味成分及多种有害成分释放量的影响，探索了3D打印技术在卷烟降焦减害技术的应用潜力。

1 试验方法

1.1 新型功能滤棒的设计

本试验基于空气动力学、气溶胶沉积原理、连续性定理以及伯努利定理，设计开发了孔直吸柱型过滤结构形式的降焦减害构件。烟支燃烧产生的气溶胶，进入孔直吸柱过滤装置吸附单元；气溶胶沿烟支径向运动，在内圆柱部分实现第一次撞击，改变烟气运动速度以及运动路径，使烟气气溶胶进行部分沉积，而气溶胶沉积主要分布于外壳的内壁上。内壁是位于气溶胶装置的烟支径向的最外侧，接触空气面积部分最大，散热环境最好，烟气温度下降最快的区域，极大促进有害物质的沉积。在内圆柱上有两个圆孔，改变烟气的流通方向，同时改变主流烟气流速，增加烟气流动的动能，增打撞击内壁的惯性力，使烟气气溶胶在内壁处进行沉积。在经过两过滤孔后，烟气通道部分存在短半径 3 mm 和长半径 5 mm 的椭圆开口，增加降温效果以及空气的进入量，保证烟气温度的降低以及烟气的有效稀释，达到气溶胶截留效果，提升烟支抽吸轻松感。利用NX 12.0进行建模如图，同时，利用3D打印设备进行数据模型的实现。

1.2 新型功能滤棒卷烟的制备

将打印出的3D滤棒构件通过滤棒复合技术制备新型功能滤棒。用于复合的普通醋纤滤棒规格为：丝束3.9Y-31000D；成型纸6000CU；定量 24 g/m2；宽度 26.2 mm；；圆周 23.9 mm；长度 100 mm；吸阻 1900 Pa。

卷烟的卷接装实验在内蒙古昆明卷烟有限责任公司完成，试验卷烟为A牌号卷烟。将新型功能滤棒与同批次的普通醋酸纤维滤棒于同一卷接机组、同一原辅材料、同一卷接参数条件下卷接成烟支，得到不同滤棒模型的卷烟样品和对照样品。其中，对照样、新型功能滤棒卷烟烟支规格：84 mm(25 mm+59 mm)×24.0 mm；卷烟纸32A70W 26.2 mm；接装纸：64 mm 200CU。

1.3 主要仪器与检测方法

本试验主要仪器如表1所示。

按照烟草行业标准检测方法对新型功能滤棒卷烟样品和对照样品的物理指标以及主流烟气中焦油、烟碱、CO、苯酚、苯并[α]联芘、NNK、氨、氰化氢、巴豆醛及香味成分的释放量进行测定。所用卷烟实验前在温度(22±1)℃、相对湿度60%±2%条件下平衡 48 h。每一样品进行三组平行检测，取其平均值作为检测结果。检测项目如表2所示。

2 结果与讨论

2.1 新型功能滤棒对卷烟物理指标的影响

从表3看出，与对照样相比，新型功能滤棒卷烟的单支克重、吸阻高于对照样，总通风率低于对照样。新型功能滤棒对A牌号卷烟的圆周、长度、硬度物理指标影响不大。单支质量升高的原因是由于滤嘴中的3D打印构件的质量高于醋纤滤棒。

表1 主要实验仪器

表2 新型功能滤棒卷烟样品检测项目

表3 对照样、新型功能滤棒卷烟的物理指标比较

2.2 新型功能滤棒对卷烟降焦减害效果评价

表4为对照样、新型功能滤棒卷烟的主流烟气常规成分检测结果。与对照样品相比，新型功能滤棒卷烟D的总粒相物、焦油、烟碱均出现一定幅度的降低，降低率分别为29.0%、32.1%、37.1%，降低作用显著。CO释放量变化不明显。抽吸口数略有升高，平均每支卷烟抽吸口数升高0.4口。

表4 对照样、新型功能滤棒卷烟的主流烟气成分检测结果

对新型功能滤棒卷烟、对照样主流烟气中的多种有害成分释放量进行检测，研究了新型功能滤棒对常规卷烟危害性成分的影响作用，结果如表5所示。与对照样品相比，新型功能滤棒卷烟样品主流烟气中的氢氰酸、苯并[α]联芘、苯酚、巴豆醛、NNK均明显降低，降低率均达20%以上。其中苯酚降低最为显著达65.1%；苯并[α]联芘、NNK、氢氰酸、巴豆醛降低率分别达58.3%、44.0%、31.0%、24.6%；氨降低幅度较小，降低率为17.9%。苯酚、苯并[α]联芘、NNK降低率高于焦油降低率。危害性评价指数由10.8降低至7.0，降低率为35.2%。

2.3 新型功能滤棒对卷烟烟气香味成分的影响

通过对新型功能滤棒卷烟、对照样的主流烟气香味成分进行检测，研究了多种结构的新型功能滤棒对常规卷烟主流烟气香味成分的影响作用，结果如表6所示。

表5 对照样、新型功能滤棒卷烟的主流烟气有害成分检测结果

表6 新型功能滤棒卷烟和对照样主流烟气香味成分对比分析

表6(续)

表6(续)

从表6看出，新型功能滤棒对卷烟的主流烟气香味成分影响较大，香味成分总量由2275.66μg/支降低至1820.75μg/支，降低率为19.99%，低于焦油降低率(32.1 %)与危害性指数降低率(35.2%)。主流烟气香味成分1，2-丙二醇、糠醇、5-甲基呋喃醛、3-甲基环戊烷-1，2-二酮、2，3-二氢-3，5二羟基-6-甲基-4(H)-吡喃-4-酮、5-羟甲基糠醛等含量均出现不同程度降低。多种成分如4-(3-羟基丁基)-3，5，5-三甲基-2-环己烯-1-酮、4-叔丁基-2，6-二甲基乙酰苯、(6R，7E，9R)-9-羟基-4，7-巨豆二烯-3-酮、1-萘酚等物质降低至未检出。另外，如4-乙基苯酚、1，3-苯二醇单乙酸酯、2，4-二甲基-3-乙酰基呋喃等含量相比普通醋纤滤棒出现增高，这主要是因为普通醋纤滤棒截流主要依靠醋纤丝束与气溶胶颗粒的吸附作用，说明醋纤丝束对气溶胶颗粒中这几种物质具有非常强的选择性吸附作用，而构件滤棒主要依靠空气动力学与气溶胶沉淀原理来实现截流，同时也反映了构件滤棒对其他绝大多数物质的截流效果明显优于普通醋纤滤棒，具有降焦保香的效果。

3 结论

利用3D打印技术将新型功能滤棒应用于常规卷烟中，对所制备的卷烟样品中的物理指标、主流烟气指标、常规化学成分和7种有害成分进行分析。主流烟气中的焦油、烟碱、氢氰酸、苯并[α]联芘、苯酚、巴豆醛、NNK等显著降低。其中，焦油降低率为32.1%，危害性指数降低率为35.2%。新型功能滤棒的应用可有效地降低卷烟烟气各种有害成分，具有显著的降焦减害效果。新型功能滤棒对常规卷烟的主流烟气香味成分影响较大，香味成分总量降低率为19.9%。多种香味成分含量均出现不同程度降低，部分香味成分降低至未检出，香味成分总量的降低率低于焦油降低率与卷烟危害性指数降低率。