卷烟动态吸阻及稳定性影响因素分析

李 超，李陈巧，郭国宁，邓国栋，秦国鑫，张 翼，吴恋恋，索卫国，张 齐*，张耀华*

1.湖北中烟工业有限责任公司，武汉市东西湖区环湖路特66 号 4300402.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市中原区枫杨街 4500013.甘肃烟草工业有限责任公司，兰州市七里河区南滨河中路 7300504.江西中烟工业有限责任公司，南昌市青山湖区 330096

卷烟动态吸阻是卷烟燃吸过程中的逐口抽吸阻力，相较于卷烟未点燃时的静态吸阻，更能够反应消费者的直观感受［1］。卷烟消费时，合适且稳定的卷烟动态吸阻可以有效提升卷烟抽吸顺畅感［2-3］。此外，由于卷烟吸阻与卷烟燃烧状态相关，因此一定程度上燃吸过程中稳定的吸阻也能保持卷烟烟气化学成分释放的稳定［4-5］。目前，国内外关于卷烟燃吸过程中动态吸阻的研究已有相关报道。最早是Baker［6］研究了恒速抽吸条件下点燃状态的卷烟吸阻变化，随着卷烟燃吸的进行，动态吸阻的变化趋势大致为先升高后略微降低，最后再次升高。Colard等［7］通过卷烟夹持器和压力探测装置，在ISO 抽吸模式下对卷烟动态吸阻进行了测定，发现其变化曲线与Baker研究结论中恒速抽吸下的卷烟动态吸阻曲线变化趋势一致，表明卷烟动态吸阻在燃吸过程中具有一定的规律。前人的研究工作表明卷烟在燃吸过程中的吸阻比未燃烧时增加了50%～60%［8-9］。随着卷烟动态吸阻测定装置的开发，关于卷烟设计参数对卷烟动态吸阻及烟气化学成分的影响开始有文献报道。刘欢等［10］考察了卷烟填充密度、不同抽吸状态以及不同抽吸模式对动态吸阻的影响，并且得出了卷烟在燃吸过程中的变化趋势。朱怀远等［11］研究了卷烟抽吸期间压降连续变化规律及其与化学成分之间的关系，结果表明，卷烟抽吸期间内的压降变化行为与逐口的焦油释放量及卷烟燃烧状态相关。

卷烟未点燃状态下的吸阻稳定性是卷烟物理质量评价的关键指标，国内外已有较多关于吸阻稳定性影响因素的研究［12-15］，如卷烟的填充密度、硬度、单支质量、切丝宽度、烟丝结构、梗丝结构、三丝掺配比例、卷烟透气度等，而对卷烟燃烧过程中逐口动态吸阻稳定性以及烟支间一致性评价的研究较少。卷烟在抽吸时，气流分别从卷烟纸、燃烧锥和滤嘴通风处3个部分进入卷烟烟支，并与烟丝、卷烟纸热裂解燃烧产物汇聚形成主流烟气［16］。在卷烟设计参数中，卷制参数、卷烟材料和烟丝配方均是影响卷烟吸阻的因素。卷制参数如烟丝结构和单支质量影响卷烟的渗透系数从而影响卷烟吸阻；卷烟材料中卷烟纸参数特别是卷烟纸透气度影响卷烟抽吸时进气量的分配从而影响卷烟吸阻，滤棒参数通过影响卷烟渗透系数从而影响卷烟吸阻；烟丝配方如三丝掺配比例不仅影响卷烟的渗透系数还影响卷烟的燃烧温度从而影响卷烟抽吸时的吸阻。因此研究这些关键设计参数对卷烟动态吸阻稳定性的影响，对提升产品质量和优化产品设计具有重要指导意义。

基于此，建立了一种用于评价卷烟燃吸过程中动态吸阻稳定性和烟支间一致性的测量和评价方法，并研究了卷制参数、卷烟材料参数、烟丝配方设计参数对卷烟动态吸阻稳定性及烟支间动态吸阻一致性的影响，旨在为卷烟动态吸阻的研究和卷烟产品的设计及开发提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、设备与仪器

按卷烟设计参数的不同，制备了卷制参数（烟丝结构和单支质量）、卷烟材料参数（卷烟纸透气度和滤棒丝束规格）、烟丝配方设计参数（三丝掺配比例）三类单因素常规卷烟样品（圆周24 mm，长度84 mm）。所有样品均在相同生产设备上进行卷制生产，除因实验设计参数变更的材料以外，烟丝宽度均为1.1 mm、特征长度均为2.1 mm、单支质量均为0.89 g，不掺配膨胀烟丝、膨胀梗丝和再造烟叶丝，样品使用的其他原辅材料均相同。设计参数的因素水平根据常规卷烟的常用设计值进行梯度设计，具体的测试样品信息参数见表1，其中烟丝宽度、烟丝特征长度［17］和单支质量为样品的实测值。

表1 不同卷制参数的卷烟样品参数信息表Tab.1 Cigarette samples with different manufacturing parameters

仪器：Retsch AS400 筛分仪（德国Retsch 公司）；TPI300型烟草数字投影仪（合肥众沃仪器技术有限公司）；i-TDR100 卷烟动态吸阻检测仪（郑州烟草研究院）；ME204T电子分析天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 卷烟逐口动态吸阻测量方法

在温度为（22±2）℃，相对湿度为60%±5%的环境下，将卷烟样品平衡48 h，挑选卷烟质量范围在平均值±0.005 g 范围内的10 支卷烟进行卷烟吸阻测试。卷烟静态吸阻为不点燃卷烟时的吸阻。卷烟动态吸阻测量时，为了消除卷烟通风的影响，使用胶带将滤嘴段的通风孔封闭，为消除点燃卷烟操作对卷烟第一口动态吸阻值的影响，测试开始前，点烟器对卷烟持续加热10 s 后，撤离点烟器，启动抽吸，并采集卷烟燃吸过程中的逐口动态吸阻值。

1.2.2 卷烟动态吸阻评价方法

以卷烟逐口抽吸时的动态吸阻的标准偏差表示卷烟动态吸阻的轴向稳定性，标准偏差越小表示卷烟动态吸阻的轴向稳定性越好。以卷烟烟支间分布一致性值（η值）表示烟支间动态吸阻稳定性，计算方法如下：

烟支吸阻矩阵A有m×n个数组成，记为Am×n。其中n为烟支数量，m为烟支吸阻。其中aij代表第j支卷烟在第i口的吸阻值，向量aj为第j支卷烟的不同单位口数的吸阻值。向量B均为m×1个数组成的列向量，记为Bm×1。

2 结果与讨论

2.1 卷制参数对卷烟动态吸阻的影响

2.1.1 烟丝宽度对卷烟动态吸阻的影响

卷制参数中烟丝宽度对动态吸阻的影响实验结果见图1A。随烟丝宽度的增加，卷烟动态吸阻轴向均值呈现下降的趋势，这是因为单支质量不变的情况下，烟丝宽度较大的样品其卷烟空隙率大，卷烟静态吸阻基本呈下降的趋势［18］。随着烟丝宽度的增加，轴向稳定性呈先减小后增加的趋势，η值呈增加的趋势，表明烟支间分布一致性降低。

为验证这一结论，选取某一品牌不同切丝宽度（分别为1.0、1.1、1.2 mm）卷烟产品开展验证，实验结果如图1B 所示，如图可以看出，随着切丝宽度的增加，该牌号卷烟静态吸阻及动态吸阻轴向均值减小，轴向稳定性提升。烟丝宽度由1.1 mm 增加至1.2 mm 时，烟支间分布一致性显著降低，这与测试样品实验得到的规律基本一致。烟丝实际宽度为1.1 mm的卷烟其动态吸阻轴向稳定性及烟支间分布一致性最好。

2.1.2 烟丝长度对卷烟动态吸阻的影响

不同烟丝特征长度的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果如图2 所示，随着烟丝特征长度的增加，卷烟的静态吸阻及动态吸阻轴向均值变化不大，动态吸阻轴向标准偏差值减小，表明卷烟动态吸阻轴向稳定性提升，烟支间分布一致性略有提升。

图2 不同烟丝长度的卷烟动态吸阻和烟支间分布一致性结果Fig.2 Dynamic draw resistance of cigarettes with different cut tobacco lengths and its consistency between cigarettes

2.1.3 单支质量对卷烟动态吸阻的影响

不同单支质量的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果如图3所示。随着单支质量的增加，卷烟的静态吸阻及动态吸阻轴向均值呈现增加的趋势，这是因为随单支质量的增加，烟支内烟丝量增加，使得卷烟的渗透阻增加［19］，从而引起卷烟吸阻的增加。随着单支质量的增加，卷烟动态吸阻轴向标准偏差值呈增加的趋势，η值呈减小的趋势，表明烟支间分布一致性提升。

图3 不同单支质量的卷烟动态吸阻和烟支间分布一致性结果Fig.3 Dynamic draw resistance of cigarettes with different weights and its consistency between cigarettes

2.1.4 平准器规格对卷烟动态吸阻的影响

平准器是卷烟工艺中控制单支质量的重要装置，不同平准器规格参数的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果如图4所示。由图4可知，随着平准器槽深的增加，卷烟动态吸阻轴向均值成增加的趋势，轴向标准偏差值呈先增加后减小的趋势，烟支间分布一致性提升；随着平准器槽宽的增加，卷烟静态吸阻及动态吸阻轴向均值呈先减小后增加的趋势，轴向标准偏差值增大，η值呈减小的趋势，表明卷烟动态吸阻轴向稳定性下降，烟支间分布一致性提升。整体上，平准器规格为槽深2.0 mm、槽宽19 mm的卷烟动态吸阻轴向标准偏差值和烟支间分布一致性较好。

图4 不同平准器规格的卷烟动态吸阻和烟支间分布一致性结果Fig.4 Dynamic draw resistance of cigarettes manufactured by ecreteurs of different specifications and its consistency between cigarettes

2.2 卷烟材料对卷烟动态吸阻的影响

不同卷烟纸透气度的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果如图5所示。可以看出，随着卷烟纸透气度从30 CU 增加到80 CU 时，卷烟静态吸阻略有下降，动态吸阻轴向均值呈逐渐降低的趋势，这是因为卷烟透气度增加，使得抽吸过程中气流从卷烟纸进入的量增加，从而导致卷烟的动态吸阻值减小［5］。随着卷烟纸透气度的增加，卷烟动态吸阻轴向标准偏差呈降低的趋势，表明随着卷烟纸透气度的增加，烟支动态吸阻轴向稳定性提升。从η值可以看出，η值逐渐降低，烟支间分布一致性逐渐提升。

图5 不同卷烟纸透气度（A）和不同丝束规格（B）的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果Fig.5 Dynamic draw resistance of cigarettes with different cigarette paper permeability（A）and tow specifications（B）and its consistency between cigarettes

不同滤棒丝束规格的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果如图5B所示。可以看出，随着滤棒丝束总旦数的增加，卷烟的静态吸阻及动态吸阻轴向均值呈增加的趋势，这是因为总旦数的增加使得滤棒的吸阻值增加，从而使得卷烟吸阻增加［19］。随着丝束总旦数的增加，卷烟动态吸阻的轴向标准偏差呈减小趋势，η值增加，表明卷烟动态吸阻轴向稳定性提升，烟支间分布一致性变差。

2.3 卷烟三丝掺配比例对卷烟动态吸阻的影响

2.3.1 不同烟丝配方对卷烟动态吸阻的影响

相同单支质量不同烟丝配方的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果如图6 所示。由图6A 可知，当膨胀烟丝比例从0 增加到10%时，卷烟静态吸阻值、动态吸阻轴向均值和轴向标准偏差值呈增加的趋势，η值呈先增加后减小的趋势，表明动态吸阻轴向稳定性下降，烟支间分布一致性先下降后提升。由图6B可知，再造烟叶的添加对卷烟的动态吸阻轴向均值没有显著的影响，随着烟草再造烟叶掺配比例从3%增加到15%，卷烟动态吸阻的轴向标准偏差值呈增加的趋势，η值呈先减小后增加的趋势，表明烟支动态吸阻轴向稳定性呈下降的趋势，烟支间分布一致性先提升后下降。由图6C可知，随着膨胀梗丝掺配比例从0增加到35%，卷烟静态吸阻及动态吸阻轴向均值均呈明显的逐渐上升规律，动态吸阻轴向标准偏差值呈增加的趋势，η值呈先减小后增加的趋势，表明卷烟动态吸阻轴向稳定性下降，烟支间分布一致性先提升后下降。

图6 不同膨胀烟丝（A）、再造烟叶（B）、膨胀梗丝（C）掺配比例的卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果Fig.6 Dynamic draw resistance of cigarettes with different blend ratios of expanded tobacco（A），reconstituted tobacco（B）and expanded cut stem（C）and its consistency between cigarettes

2.3.2 不同梗丝掺配比例对卷烟动态吸阻的影响

为验证三丝掺配比例对卷烟动态吸阻的影响，选取某品牌不同梗丝掺配比例的卷烟样品开展验证，实验结果如图7 所示。随着梗丝掺配比例由0%增加至10%，该品牌卷烟的动态吸阻均值成增加趋势，η值呈下降的趋势，表明烟支间分布一致性提升，这与上述实验结果也保持一致。

图7 不同梗丝掺配比例卷烟动态吸阻及烟支间分布一致性结果Fig.7 Dynamic draw resistance of cigarettes with different blend ratios of expanded cut stem and its consistency between cigarettes

因此可采用所建立的动态吸阻评价方法来表征不同设计参数下卷烟动态吸阻稳定性以及烟支间分布的一致性，以指导卷烟产品维护及新产品开发设计。

3 结论

建立了卷烟燃吸过程中动态吸阻稳定性和烟支间分布一致性的评价方法，考察了关键设计参数对卷烟动态吸阻稳定性及烟支间分布一致性的影响。结果表明：①随着烟丝宽度和单支质量增加，卷烟动态吸阻轴向稳定性下降；随着烟丝特征长度的增加，卷烟动态吸阻轴向稳定性增加；随着平准器槽深的增加，卷烟动态吸阻轴向稳定性下降，烟支间分布一致性提升；随着平准器槽宽的增加，卷烟动态吸阻轴向稳定性下降，烟支间分布一致性提升。②随着卷烟纸透气度的增加，卷烟动态吸阻轴向均值降低，卷烟动态吸阻轴向稳定性提升；随着滤棒丝束总旦数的增加，卷烟动态吸阻轴向均值呈增加的趋势，轴向稳定性提升，烟支间分布一致性下降。③增加膨胀烟丝与膨胀梗丝的掺配比例，卷烟动态吸阻轴向均值增加，轴向稳定性下降。