結(jié)構(gòu)設(shè)計對加熱卷煙出口煙氣溫度與釋放量的影響

韓敬美，鄔志鋒，張 霞，張明建，李志強(qiáng)，彭譯嬌，雷 萍，朱東來*，王 樂*，李 斌

1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

3.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠，廣東省湛江市赤坎區(qū)康順路7號 524000

與傳統(tǒng)卷煙相比，加熱卷煙的煙氣溫度普遍偏高，十分影響消費者的感官體驗［1-2］。為了降低加熱卷煙煙氣感官溫度，減輕加熱卷煙煙氣溫度的灼熱感，提升加熱卷煙抽吸品質(zhì)，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，主要集中在添加降溫材料和設(shè)計降溫結(jié)構(gòu)兩個方面［3］。在降溫材料研究方面，學(xué)者們研制了大量煙氣降溫的新型材料［4-8］，其中不同形態(tài)的聚乳酸已成為各大煙草公司首選的相變降溫材料。除聚乳酸材料外，聚乙二醇也是加熱卷煙中使用頻率較高的一類相變降溫材料。將低、中、高分子量的聚乙二醇以一定比例混合后再與香味物質(zhì)混合，噴灑在濾嘴絲束上，可以得到能夠緩釋香味的降溫濾棒［2，9］。在設(shè)計降溫結(jié)構(gòu)方面，目前有利用空腔緩沖儲熱［10-12］、加長煙氣通道［13-14］、使用文丘里管降溫結(jié)構(gòu)［15］、加強(qiáng)煙氣與外界環(huán)境的熱交換等煙氣降溫措施。然而，大多數(shù)降溫結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很多設(shè)計沒有考慮降溫結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)性和可操作性，因此并未實現(xiàn)轉(zhuǎn)化應(yīng)用。目前較為成熟的商品化加熱卷煙煙支一般由煙絲段、中空段、聚乳酸段和醋酸纖維段四部分構(gòu)成，其中，中空段主要用于氣溶膠的形成，聚乳酸段和醋酸纖維段主要起降溫作用［16-17］。由于目前對加熱卷煙抽吸過程中出口煙氣溫度與釋放量的測量表征未見報道，缺乏煙支結(jié)構(gòu)參數(shù)對煙氣降溫效果的實際表征數(shù)據(jù)，因此加熱卷煙降溫技術(shù)對煙支設(shè)計的實際指導(dǎo)作用十分有限。為進(jìn)一步探究多元結(jié)構(gòu)設(shè)計對加熱卷煙出口煙氣溫度與煙氣釋放量的影響，基于微細(xì)熱電偶法搭建了加熱卷煙出口煙氣溫度測量平臺，以二元、三元、四元結(jié)構(gòu)的3種加熱卷煙煙支為研究對象，對比分析了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（如煙支直徑、煙絲段長度、中空段內(nèi)徑、卷煙紙透氣度、濾嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計等）對加熱卷煙出口煙氣溫度的影響，旨在為加熱卷煙結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

Mate 1.2 內(nèi)加熱型煙具（恒溫段溫度350 ℃，深圳市華玉科技發(fā)展有限公司）。不同結(jié)構(gòu)加熱卷煙樣品（煙支總長固定為45 mm，云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心自制），其中，二元結(jié)構(gòu)為煙絲段+中空段，三元結(jié)構(gòu)為煙絲段+冷卻段+中空段或煙絲段+中空段+冷卻段，四元結(jié)構(gòu)為煙絲段+中空段+冷卻段+實心段。各樣品編號和幾何尺寸具體信息如表1所示，加熱卷煙煙支樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。加熱卷煙煙支中空段和實心段材料均為醋酸纖維絲束，冷卻段材料為聚乳酸薄膜。

圖1 加熱卷煙煙支結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of heated tobacco sticks with different structures

表1 加熱卷煙煙支樣品尺寸信息①Tab.1 Dimensions of heated tobacco stick samples

SML 100單通道吸煙機(jī)（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院）；加熱卷煙煙氣出口溫度測量平臺（自建，徑向定位精度0.02 mm，測溫精度±0.1 ℃，如圖2所示）。

圖2 加熱卷煙出口煙氣溫度測量平臺Fig.2 A platform for measuring temperature of aerosol from heated tobacco product

1.2 方法

在HCI抽吸模式下，啟動煙具預(yù)熱卷煙，預(yù)熱完成后立即啟動單通道吸煙機(jī)進(jìn)行抽吸（抽吸曲線為鐘形曲線，抽吸容量為55 mL，抽吸持續(xù)時間為2 s，抽吸間隔時間為30 s）。抽吸啟動后，采用加熱卷煙出口煙氣溫度測量平臺測量加熱卷煙近唇端煙氣出口中心點的氣相溫度（如圖3所示），直至抽吸完成（抽吸口數(shù)為11口）。

圖3 加熱卷煙出口煙氣溫度測量位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of position for measuring temperature of aerosol from heated tobacco product

采用ACM 作為表征煙氣釋放量即煙霧量的指標(biāo)，基于單通道吸煙機(jī)建立電加熱卷煙煙氣釋放量測試平臺。測試方法：根據(jù)Mate 1.2 內(nèi)加熱型煙具設(shè)定加熱功率曲線，對加熱卷煙煙支試樣進(jìn)行加熱，待預(yù)熱完成后立即啟動抽吸模式。在上述相同抽吸模式下，抽吸11 口后，將劍橋濾片捕集得到的ACM稱量，同時記錄煙支初始質(zhì)量與抽吸后煙支終點質(zhì)量，重復(fù)測量3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 二元結(jié)構(gòu)煙支出口煙氣溫度與煙氣釋放量

在HCI 抽吸模式下，二元結(jié)構(gòu)的加熱卷煙樣品第1～11 口出口煙氣溫度曲線如圖4所示。由圖4 可知，在抽吸持續(xù)時間內(nèi)，出口煙氣溫度均出現(xiàn)快速上升階段，隨后在抽吸間隔期間緩慢自然降低。中空段為33 mm 長的煙支，抽吸前4 口的煙氣溫度持續(xù)上升，到第5口溫度基本穩(wěn)定，最高溫度達(dá)137 ℃；中空段為30 mm 長的煙支，抽吸前7 口的煙氣溫度持續(xù)上升，到第8 口溫度基本穩(wěn)定，最高溫度達(dá)106 ℃。隨著煙絲段長度增加與中空段長度減小，相同抽吸口數(shù)的出口煙氣溫度呈現(xiàn)降低趨勢，說明在相同加熱功率條件下，煙絲段長度的增加起到了降低出口煙氣溫度的作用。兩種規(guī)格的煙支出口煙氣最低溫度均在第2 口后達(dá)到穩(wěn)定且均在35 ℃左右，在同一時刻下二者煙氣最低溫度相差不超過5 ℃。

圖4 加熱卷煙出口煙氣溫度曲線（二元結(jié)構(gòu)）Fig.4 Aerosol temperature curves from heated tobacco product with binary stick structure

在HCI 抽吸模式條件下，二元結(jié)構(gòu)的加熱卷煙樣品抽吸11 口后煙支失重與ACM 如表2所示。由表2可知，隨著煙絲段長度增加與中空段長度減小，相同抽吸口數(shù)的煙支失重增加，同時ACM 減小，煙氣釋放量相應(yīng)降低。這是因為在相同加熱與抽吸條件下，煙絲段長度的增加不僅降低了煙絲段的出口煙氣溫度，還增加了對煙氣的截留，從而導(dǎo)致煙氣釋放量減小。

表2 加熱卷煙煙支失重與ACM（二元結(jié)構(gòu)）Tab.2 Weight loss and ACM of heated tobacco product with binary stick structure（mg）

2.2 三元結(jié)構(gòu)煙支出口煙氣溫度與煙氣釋放量

在HCI 抽吸模式條件下，三元結(jié)構(gòu)加熱卷煙煙支第1～11 口出口煙氣溫度曲線如圖5所示，圖5a 表示煙絲段+冷卻段+中空段的三元結(jié)構(gòu)，圖5b表示煙絲段+中空段+冷卻段的三元結(jié)構(gòu)。這兩種不同鄰接順序的三元結(jié)構(gòu)煙支前4 口溫度變化規(guī)律基本相同。隨著抽吸口數(shù)增加，三元結(jié)構(gòu)加熱卷煙煙支出口逐口煙氣最高溫度大體呈現(xiàn)先升高后逐漸降低隨即又升高的趨勢（圖5a）。冷卻段與中空段的鄰接順序?qū)煔鉁囟扔忻黠@的影響，煙絲段+冷卻段+中空段的三元結(jié)構(gòu)煙支比煙絲段+中空段+冷卻段的三元結(jié)構(gòu)煙支具有相對較低的出口煙氣溫度（圖5b）。

圖5 加熱卷煙出口煙氣溫度曲線（三元結(jié)構(gòu)）Fig.5 Aerosol temperature curves from heated tobacco product with ternary stick structure

總體而言，無論上述何種鄰接順序，冷卻段為18 mm 的煙支出口煙氣最高溫度（40 ℃左右）明顯低于冷卻段為6 mm和12 mm的煙支出口煙氣溫度（85 ℃左右和60 ℃左右），可見冷卻段長度對出口煙氣溫度的影響較大，增加冷卻段長度可有效降低煙氣出口最高溫度。

對比出口煙氣最低溫度，煙絲段+冷卻段+中空段結(jié)構(gòu)的出口煙氣溫度較穩(wěn)定且在30 ℃左右，煙絲段+中空段+冷卻段結(jié)構(gòu)的出口煙氣溫度略有差異且在35 ℃以上，這是由于在抽吸間隔時間內(nèi)，中空段與環(huán)境的接觸有利于彼此發(fā)生熱交換，因此加熱卷煙具有更低的出口煙氣溫度。

在HCI 抽吸模式條件下，三元結(jié)構(gòu)的加熱卷煙樣品抽吸11 口后煙支失重與ACM 如表3所示。由表3可知，隨著冷卻段長度增加和中空段長度減小，加熱卷煙煙支失重與ACM 均呈現(xiàn)減小趨勢。上述結(jié)果顯示較長冷卻段對于煙霧量的增大具有不利的影響，這是由于冷卻段對主流煙氣的降溫作用。在各段長度不變的情況下，與煙絲段+冷卻段+中空段結(jié)構(gòu)相比，煙絲段+中空段+冷卻段三元結(jié)構(gòu)加熱卷煙煙支失重較小，同時ACM 較大，表明中空段鄰接煙絲段結(jié)構(gòu)的加熱卷煙煙支煙氣有效生成率更高。

表3 加熱卷煙煙支失重與ACM（三元結(jié)構(gòu)）Tab.3 Weight loss and ACM of heated tobacco product with ternary stick structure（mg）

2.3 四元結(jié)構(gòu)煙支的出口煙氣溫度與煙氣釋放量

2.3.1 不同直徑煙支的出口煙氣溫度與煙氣釋放量在HCI 抽吸模式條件下，兩種不同煙支直徑的加熱卷煙第1～11 口出口煙氣溫度曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著抽吸口數(shù)增加，出口逐口煙氣溫度呈現(xiàn)先略有升高后逐漸降低的趨勢，其中第2口出口煙氣溫度最高達(dá)到67 ℃。直徑7.7 mm的煙支煙氣最高溫度略低于7.3 mm 的，煙氣溫度穩(wěn)定時，二者相差約5 ℃。煙支直徑對煙氣最低溫度的影響不顯著，最低溫度均保持在30～35 ℃。隨著煙支直徑增大，出口逐口煙氣溫度略有降低且差異性減小，這可能是由于在相同加熱條件下，煙絲段、冷卻段等煙支分段質(zhì)量增加使整體熱容增大，從而使出口逐口煙氣溫度之間波動減弱。

圖6 不同直徑加熱卷煙出口煙氣溫度曲線（四元結(jié)構(gòu)）Fig.6 Aerosol temperature curves from heated tobacco product with quaternary stick structure of different outer rod diameters

在HCI 抽吸模式條件下，不同直徑四元結(jié)構(gòu)加熱卷煙樣品抽吸11 口后煙支失重與ACM 如表4所示。由表4可知，隨著煙支直徑增加，相同抽吸口數(shù)的煙支失重與ACM 均呈現(xiàn)減小趨勢。這可能是由于在相同加熱條件下，煙絲段、冷卻段等煙支分段質(zhì)量增加導(dǎo)致煙氣溫度降低，煙霧量減小。

表4 不同直徑加熱卷煙煙支失重與ACM（四元結(jié)構(gòu)）Tab.4 Weight loss and ACM of heated tobacco product with quaternary stick structure of different diameters

2.3.2 不同中空段內(nèi)徑煙支的出口煙氣溫度與煙氣釋放量

在HCI抽吸模式條件下，3種不同中空段內(nèi)徑的加熱卷煙第1～11 口出口煙氣溫度曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著抽吸口數(shù)增加，煙支出口逐口煙氣溫度呈現(xiàn)先略有升高后逐漸降低的趨勢，第2 口出口煙氣溫度最高達(dá)到69 ℃，從第7 口開始煙氣最高溫度穩(wěn)定在47 ℃左右。中空段內(nèi)徑對出口煙氣最高溫度的影響不大，內(nèi)徑5.5 mm煙支的最高出口煙氣溫度僅在最后兩口高于4.0 mm 和2.0 mm 煙支約5 ℃。出口逐口煙氣最低溫度幾乎不隨中空段內(nèi)徑的增大而變化，最低溫度穩(wěn)定在35 ℃左右。

這天下午，易非陪著媽帶著李倩倩去產(chǎn)檢，李倩倩剛進(jìn)到B超室，媽就在外面嘮叨：“這孩子是懷上了，不知道能接進(jìn)來不？”她指的還是房子。

圖7 不同中空段內(nèi)徑加熱卷煙出口煙氣溫度曲線（四元結(jié)構(gòu)）Fig.7 Aerosol temperature curves from heated tobacco product with quaternary stick structure of different cavity inner diameters

在HCI 抽吸模式條件下，不同中空段內(nèi)徑四元結(jié)構(gòu)的加熱卷煙樣品抽吸11 口后煙支失重與ACM如表5所示。由表5 可知，隨著中空段內(nèi)徑增大，相同抽吸口數(shù)的煙支失重未見顯著規(guī)律，而ACM則大體呈現(xiàn)增大趨勢，說明中空段內(nèi)徑的增大在一定程度上有利于煙霧量的增加。

表5 不同中空段內(nèi)徑加熱卷煙煙支失重與ACM（四元結(jié)構(gòu)）Tab.5 Weight loss and ACM of heated tobacco product with quaternary stick structure of different inner cavity diameters

2.3.3 不同透氣度卷煙紙煙支的出口煙氣溫度與煙氣釋放量

在HCI 抽吸模式條件下，不同透氣度卷煙紙的加熱卷煙第1～11 口出口煙氣溫度曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著抽吸口數(shù)增加，加熱卷煙出口逐口煙氣溫度呈現(xiàn)先略有升高后逐漸降低的趨勢，第2口出口煙氣溫度最高達(dá)到67 ℃。卷煙紙透氣度對煙氣最高和最低溫度的影響均不顯著，4種透氣度卷煙紙的煙支出口煙氣最高和最低溫度差異均在2 ℃以內(nèi)。

圖8 不同透氣度卷煙紙的加熱卷煙出口煙氣溫度曲線（四元結(jié)構(gòu)）Fig.8 Aerosol temperature curves from heated tobacco product with quaternary stick structure of different cigarette paper permeabilities

隨著卷煙紙透氣度增大，相同抽吸口數(shù)的加熱卷煙出口煙氣溫度大體呈現(xiàn)降低趨勢，這是由于在相同加熱與抽吸條件下，較大透氣度的卷煙紙會引起更多側(cè)向氣流進(jìn)入煙支，從而降低煙氣溫度。然而，由于側(cè)向氣流比例相對較低，因此透氣度在10～70 CU范圍內(nèi)的卷煙紙對加熱卷煙出口煙氣溫度的降溫效果有限。

在HCI 抽吸模式條件下，不同透氣度卷煙紙四元結(jié)構(gòu)的加熱卷煙樣品抽吸11 口后煙支失重與ACM 如表6所示。由表6 可知，隨著卷煙紙透氣度增大，相同抽吸口數(shù)的煙支失重呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而ACM則未見顯著規(guī)律。

表6 不同透氣度卷煙紙的加熱卷煙煙支失重與ACM（四元結(jié)構(gòu)）Tab.6 Weight loss and ACM of heated tobacco product with quaternary stick structure of different cigarette paper permeabilities

2.3.4 不同濾嘴結(jié)構(gòu)煙支的出口煙氣溫度與煙氣釋放量

圖9 不同中空段與實心段長度加熱卷煙出口煙氣溫度曲線（四元結(jié)構(gòu)）Fig.9 Aerosol temperature curve from heated tobacco product with quaternary stick structure of different cavity section and solid section lengths

隨著抽吸口數(shù)增加，不同濾嘴結(jié)構(gòu)加熱卷煙出口逐口煙氣最高溫度呈現(xiàn)先略有升高后逐漸降低的趨勢，不同濾嘴結(jié)構(gòu)加熱卷煙出口逐口煙氣最低溫度也呈現(xiàn)先略有升高后逐漸降低的趨勢，并保持在35 ℃左右。不同濾嘴結(jié)構(gòu)的煙支在抽吸第2口時煙氣溫度最高達(dá)到72 ℃，這主要是由于煙氣中含有較多的水蒸氣，當(dāng)水蒸氣經(jīng)過濾嘴時，發(fā)生了冷凝現(xiàn)象并釋放出了大量的熱量，使得煙氣溫度較高［18-19］。

如圖9a所示，冷卻段固定為6 mm并鄰接不同長度中空段和實心段的加熱卷煙煙支出口煙氣溫度差異較大，隨著實心段長度增加與中空段長度減小，相同抽吸口數(shù)的加熱卷煙出口煙氣溫度顯著降低，說明增加實心段長度具有良好的降溫效果。如圖9b所示，當(dāng)冷卻段長度由6 mm增加至12 mm時，相同抽吸口數(shù)的加熱卷煙出口煙氣溫度呈現(xiàn)明顯降低趨勢。在抽吸時間內(nèi)，煙氣溫度瞬間劇烈升高；在抽吸結(jié)束后，煙氣溫度先迅速降低，隨后在抽吸間隔時間內(nèi)再次緩慢下降。如圖9c所示，當(dāng)冷卻段長度持續(xù)增大至18 mm時，前6口出口煙氣溫度持續(xù)降低，同時出口煙氣溫度逐口差異性降低，這說明冷卻段長度對出口煙氣溫度具有較明顯的作用。如圖9d所示，當(dāng)固定空心段為6 mm，冷卻段和實心段均為12 mm時，出口煙氣的最高溫度最低。綜上所述，實心醋纖段的降溫效果與聚乳酸（PLA）冷卻段的幾乎一致。然而，考慮到不同材料功能濾嘴的截留效果，通常會增加聚乳酸（PLA）冷卻段的長度，以減少加熱卷煙氣溶膠的損失，即選擇“煙絲段15 mm+中空段6 mm+冷卻段18 mm+實心段6 mm”的四元結(jié)構(gòu)組合方式。

在HCI 抽吸模式條件下，不同中空段和實心段長度四元結(jié)構(gòu)的加熱卷煙樣品抽吸11口后煙支失重與ACM如表7所示。由表7可知，當(dāng)冷卻段為6 mm與12 mm 時，隨著中空段長度減小、實心段長度增加，相同抽吸口數(shù)的煙支失重和ACM均大體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢；當(dāng)冷卻段為18 mm 時，煙絲段15 mm的煙支比12 mm 的表現(xiàn)出較大煙支失重與較小ACM。

表7 不同中空段與實心段長度加熱卷煙煙支失重與ACM（四元結(jié)構(gòu)）Tab.7 Weight loss and ACM of heated tobacco product with quaternary stick structure of different cavity section and solid section lengths（mg）

3 結(jié)論

（1）不同結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的加熱卷煙在抽吸時間內(nèi)的出口煙氣最高溫度范圍在40～137 ℃，最低溫度則在35 ℃左右，說明煙支的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計主要影響加熱卷煙出口煙氣的最高溫度。其中，不同二元煙支出口煙氣最高溫度高于106 ℃、小于137 ℃，不同三元結(jié)構(gòu)煙支出口煙氣最高溫度高于40 ℃、小于85 ℃，不同四元結(jié)構(gòu)煙支前2 口的出口煙氣溫度最高達(dá)到72 ℃，后續(xù)抽吸口數(shù)的出口煙氣最高溫度低于50 ℃。

（2）在實際煙支結(jié)構(gòu)設(shè)計中，中空段降溫作用顯著小于煙絲段、冷卻段和實心醋酸纖維段，但考慮到煙絲段和實心醋酸纖維的截留作用，這兩段不宜過長。四元結(jié)構(gòu)對加熱卷煙出口煙氣降溫效果最好，當(dāng)冷卻段長度在12～18 mm時，可有效控制和降低出口煙氣溫度，逐口煙氣最高溫度能夠降低到42 ℃以下。煙支直徑增大（由7.3 mm增大至7.7 mm）、中空段內(nèi)徑適當(dāng)（4.0 mm）可在一定程度上降低加熱卷煙出口煙氣溫度，而卷煙紙透氣度在10～70 CU 時，對加熱卷煙出口煙氣溫度影響不大。

（3）對于四元結(jié)構(gòu)煙支，隨著中空段內(nèi)徑增大，相同抽吸口數(shù)的煙支失重未見顯著規(guī)律，而ACM則大體呈現(xiàn)增大趨勢。隨著卷煙紙透氣度增大，相同抽吸口數(shù)的煙支失重呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而ACM則未見顯著規(guī)律。隨著中空段長度減小與實心段長度增加，相同抽吸口數(shù)的煙支失重與ACM均大體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。