煙用特種濾棒的分類及應(yīng)用

劉士軍

【摘 要】隨著吸煙與健康矛盾的日益突出，減害降焦是煙草行業(yè)發(fā)展的趨勢，因此國內(nèi)外對煙用特種濾棒的開發(fā)、研究越來越深入，各種功能性特種濾棒被廣泛應(yīng)用。本文就國內(nèi)卷煙現(xiàn)已使用的特種濾棒進行了梳理和分類，并簡要闡述了煙用特種濾棒的特點及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】煙草；特種濾棒；減害降焦；選擇性吸附

1.特種濾棒出現(xiàn)的背景

為了減少吸煙對人體的危害，美國煙草業(yè)早在20世紀(jì)50年代就開始對活性炭作為復(fù)合濾棒添加劑進行了研究與應(yīng)用，至60年代，活性炭復(fù)合濾棒卷煙在美國卷煙市場的份額約為7%。隨后英國、日本也廣泛生產(chǎn)并使用活性炭復(fù)合濾棒。國內(nèi)對活性炭濾棒的研究起步較晚。我國在20世紀(jì)90年代初牡丹江卷煙材料廠使用DR2-5型復(fù)合機生產(chǎn)出國內(nèi)第一支活性炭復(fù)合濾棒，應(yīng)用于“中南海”牌系列卷煙中。隨著國內(nèi)復(fù)合濾棒的使用日益增加，南通濾嘴試驗廠、紅塔集團、上海煙草集團、長沙卷煙廠等也相繼購買了復(fù)合濾棒成型機。

隨著各國政府對卷煙的限制越來越嚴(yán)格，以及消費者對吸煙與健康的關(guān)注日益增強，僅憑一種單功能添加劑的活性炭復(fù)合濾棒已經(jīng)難以滿足卷煙市場的發(fā)展需求，具有功能性的特種濾棒也逐漸應(yīng)用于卷煙中，并且由單一功能向多功能的方向發(fā)展。這樣，才能根據(jù)市場和卷煙設(shè)計的要求，有目的有選擇性地將各種添加劑較佳地組合起來，開發(fā)出多功能具有理想降焦減害效果的特殊濾棒，尤其是既具有加香作用，又具有降低多種有害煙氣成分的特殊濾棒。

2.特種濾棒的分類、特點及應(yīng)用

目前應(yīng)用較多的特種濾棒按其結(jié)構(gòu)可分為復(fù)合濾棒、溝槽濾棒、紙質(zhì)濾棒、同軸芯濾棒、異形濾棒等。

2.1復(fù)合濾棒

復(fù)合濾棒是目前國內(nèi)外卷煙應(yīng)用最多的特種濾棒，目前廣泛使用的是二元復(fù)合濾棒，三元復(fù)合濾棒和四元復(fù)合濾棒的應(yīng)用也逐漸增加。

與醋纖濾棒等單一結(jié)構(gòu)濾棒相比，復(fù)合濾棒由兩段或多段不同結(jié)構(gòu)的段節(jié)組成，其內(nèi)段可以添加各種功能性的顆粒、粉末、液體等材料，這樣復(fù)合濾棒不但具有選擇性吸附煙氣中的有害成分等功能，還可以彌補減害降焦造成的香氣流失。

目前添加于復(fù)合濾棒中的功能性材料主要有椰殼活性炭、植物纖維微孔顆粒、改性NaY型分子篩、煙梗膨化多孔顆粒、動物DNA顆粒、生物制劑等。

2.1.1活性炭復(fù)合濾棒

濾棒中加入的活性炭可提高濾棒壓降（活性炭的最大填加量為4.5mg/mm，壓降最大可提高80%），增大其機械阻擋效率，使其對焦油和煙堿的吸附效率提高15%以上，可大量除去煙氣中的揮發(fā)物、半揮發(fā)物和不揮發(fā)物。

活性炭還可以改變煙氣中焦油與煙堿的比值，對焦油與煙堿的截留率相差10%-15%。因此活性炭能用來改變焦油、煙堿的平衡，給出相對高的煙堿量。這對設(shè)計低焦油卷煙而仍能保持或接近高焦油卷煙所具有的吸味，創(chuàng)造了有利條件。

目前活性炭復(fù)合濾棒作為被普遍認(rèn)同的產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于很多卷煙品牌。

2.1.2植物纖維微孔顆粒復(fù)合濾棒

植物纖維微孔顆粒是以天然纖維素為原料加工而成，具有良好的吸水性和吸油性，易降解，屬于新型安全環(huán)保材料。植物纖維微孔顆粒具有多孔結(jié)構(gòu)，有很大的比表面積，過濾效率極高，選擇吸附能力很強，能夠有效降低焦油、煙堿、CO、稠環(huán)芳烴等有害物質(zhì)。植物纖維微孔顆粒表面上有10～100μm和小于10μm的兩個直徑孔。10～100μm的孔是吸煙時放出維生素C的載體，吸煙時維生素C跟煙氣一起移動到口中，可以得到清爽的味道，起到協(xié)調(diào)抑制焦油氣味的作用。

2.1.3生物材料復(fù)合濾棒

隨著減害降焦的深入，利用天然動植物資源定向提取其各種活性成分，并通過各種組合的功能化進行匹配性應(yīng)用研究，可以達到減害降焦、增強煙香、舒適潤喉、提高協(xié)調(diào)性的目的。

動物類生物材料常用的是從動物血液中提取的血紅蛋白。常用的有以下兩種：

一種是從血紅蛋白中再分離出核心成分卟啉，并從天然植物中提取多種生物活性物質(zhì)，制成復(fù)合生化制劑，以其它功能性材料為載體添加于濾棒中，可減低卷煙煙氣中4類、10余種有害成分，這些成分多為致癌物，其中有5種為強致癌物。

另外一種是用血紅蛋白做原料制成生物制劑，在降低卷煙焦油含量的同時，使煙氣中導(dǎo)致疾病與衰老的烷基、烷氧自由基含量有效降低，自由基清除率達到41.2%，有效降低了吸煙對人體健康的危害。

植物類生物材料常用的是從中草藥、香料植物、木本和竹本植物等資源的加工提取物，經(jīng)科學(xué)方法檢測，能降低煙氣中煙草特有氮亞硝胺、多環(huán)芳烴、自由基等重要微量有害成分，化學(xué)測試和生物試驗都表明有明顯的減害效果。

另外煙草原料提取物或用其原料制成的添加物保留了煙草本原的氣質(zhì)與風(fēng)華，實現(xiàn)減害降焦與增香的完美結(jié)合。動、植物身上的提取物合成的添加材料，因其味道與煙草本香諧調(diào)，在對卷煙吸味無負面影響的前提下，達到減害降焦的目的，是今后功能性添加材料研究和應(yīng)用的方向。

2.1.4 DNA顆粒復(fù)合濾棒

DNA顆粒也是生物添加物的一種，從三文魚提取出來的DNA以其它植物成分做載體制成顆粒，添加到濾棒中，DNA分子結(jié)構(gòu)的一個重要特性就是它的雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA堿基對平行向內(nèi)通過氫鍵排列重疊，堿基對和堿基對之間在雙螺旋構(gòu)造中形成層狀結(jié)構(gòu)。生化學(xué)研究表明，絕大多數(shù)的致癌物質(zhì)具有很強的DNA親和性，更有許多致癌物中具有平面片狀結(jié)構(gòu)，可插入到這個DNA的層狀結(jié)構(gòu)中，并與DNA發(fā)生反應(yīng)而引起細胞的變異。

吸煙易致癌，重要原因就是香煙在燃燒過程中產(chǎn)生的苯并（a）芘之類的多苯環(huán)芳香化合物，它們具有典型的平面片狀結(jié)構(gòu)，容易插入到DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中。試驗表明，在濾棒中添加DNA，可以在不減少煙氣中的嗜好成分的前提下，截留最多50%左右的有害物質(zhì)。

2.1.5改性NaY型分子篩復(fù)合濾棒

普通多孔吸附劑都有一定的臨界大小孔徑和孔洞，它只能吸附小于其孔徑的分子。分子篩對于極性分子有較高的親和力，對于大小相近的分子，極性越大則越易被吸附。分子篩吸附有機物分子的能力隨不飽和性增大而增加，在低的吸附質(zhì)濃度和較高的吸附溫度下有較強的吸附能力，而普通吸附劑如硅膠、活性氧化鋁等的吸附能力則大大下降。

改性NaY分子篩，在獨特的工藝控制下，其骨架結(jié)構(gòu)中形成有許多有規(guī)則的孔道和空腔，空腔中定位著一些陽離子，這些陽離子是可以交換的，經(jīng)某些陽離子交換后，可以使其催化吸附性能有較大的變化。正是根據(jù)這一特性，有少量的銅離子取代鈉離子，形成的改性NaY分子篩，提高了NaY分子篩對煙氣中有害成分的選擇性吸附性能。

2.2溝槽濾棒

溝槽濾棒是一種綜合性能強的濾棒，采用單一醋酸纖維濾棒設(shè)計，其結(jié)構(gòu)為：中心是醋酸纖維絲束濾芯，外用壓有凹槽的溝槽紙包裹，最外層包裹適當(dāng)透氣度的成形紙（或普通成形紙），內(nèi)外包裹層之間形成一系列的溝槽。

2.2.1溝槽濾棒的作用

從外觀看，濾嘴芯周圍有一條條縱向的“V”形溝槽。這些溝槽能適應(yīng)兩種情況，一種是溝槽在近煙端，另外一種是溝槽在近唇端。這種濾嘴的主要優(yōu)點是具有溝槽的紙能起到一種交叉流動的過濾作用，與處在同一個壓力點的醋酸纖維濾嘴相比，它能增加濾嘴的持續(xù)力，持續(xù)力能增加10%。

濾嘴的溝槽靠近卷煙近唇端，就使卷煙具有獨特的外觀，用來區(qū)別不同品牌，并具有防假冒的威懾力。使用彩色內(nèi)包裝材料可以進一步增強這種獨特的外觀。

2.2.2溝槽濾棒的分類

目前溝槽濾棒大致可分為截點式和間斷式兩種。

a.截點式溝槽濾棒。

溝槽貫穿于整支濾棒，每隔一定長度就有一小塊截點（突起）截斷溝槽。其過濾原理是：當(dāng)主流煙氣在溝槽中行進到截點時立即改變行進方向，其中大部分煙氣橫向穿過溝槽紙與縱向行進的煙氣發(fā)生碰撞，形成大顆粒，因此更易于被醋酸絲束截留。

b.間斷式溝槽濾棒。

溝槽并不是貫穿于整支濾棒，相鄰的兩段溝槽間是固定長度的無溝槽部分。其過濾原理是：當(dāng)煙氣通過濾嘴時它會自然而然地沿著阻力最小的方向前進，也就是沿著溝槽走。由于溝槽并不是貫穿于濾棒的全部長度，那么當(dāng)煙氣在到達溝槽的末端時就會透過溝槽紙進行橫向或斜向運動，煙氣方向不斷改變，被醋酸絲束截留。

c.多段式溝槽濾棒。

此濾棒相當(dāng)于兩支普通的間斷式溝槽濾棒連接起來使用，即近唇端與近煙端均為溝槽，中間為無溝槽段。因此在濾嘴長度、壓降不變的情況下起到了雙重的過濾效果。

總之溝槽濾棒都是通過被我們稱之為“橫流效應(yīng)”的機理大大提高絲束對粒相成分的吸附、截留效果。同時，溝槽紙是由特殊纖維制成，具有一定厚度，纖維含量高且分布均勻緊密，因此煙氣在透過溝槽紙時將被大量的截留。由于在純纖維素紙上壓制成的特殊壓紋溝槽擴大了其比表面積，改變了主流煙氣在溝槽濾嘴中的行進路線，提高了慣性碰撞和擴散沉積，因此溝槽濾棒可以盡可能多的截留煙氣中的粒相成分，具有較高的吸附過濾性能，使溝槽濾棒在同壓降下比醋酸濾棒具有更高的截留效率，從而使得溝槽濾棒獲得更出眾的過濾能力。

由溝槽濾棒可以派生出許多種類的濾棒，如：加線溝槽濾棒、彩色溝槽纖維素紙濾棒、溝槽復(fù)合濾棒等。

2.3紙制濾棒

由于紙制濾棒的過濾效率要高于醋纖濾棒，因此用紙制濾棒可以解決因濾棒壓降太高而影響抽吸的問題，用低壓降的紙制濾棒就可以達到所需的過濾效率。但紙制濾棒對卷煙產(chǎn)品的抽吸口味影響較大，會增加煙氣的刺激性，減少香氣量。另外紙制濾棒在應(yīng)用上由于其端面的視覺效果與醋纖濾棒的差異較大，因此很少有單獨使用紙制濾棒的，通常都將紙制濾棒與其它材料制成復(fù)合濾棒使用，這樣既可利用紙制濾棒高吸附的性能，又能減輕紙制濾棒所特有的刺激和辛辣味，容易被消費者接受。目前應(yīng)用較廣的有以下兩種紙制濾棒：

2.3.1紙與醋纖二元復(fù)合濾棒

該濾棒的組成是以醋酸纖維為近唇端，另一端是皺紋紙。這種濾棒具有紙纖維的高吸附的優(yōu)點和醋酸纖維外觀的優(yōu)點。其特點是單位壓降的過濾效率比醋纖濾棒高，在同樣過濾效率下比普醋纖濾棒壓降小。

2.3.2紙加添加物二元復(fù)合濾棒

把各種添加物添加到紙上，再卷制成復(fù)合濾棒，使其不但具有二元復(fù)合濾棒的特性，還有紙制濾棒的優(yōu)點，減害降焦效果更為顯著。

2.4同軸芯濾棒

同軸芯濾棒是由一根芯棒和外包絲束組成的濾棒，一般情況下芯棒和外棒是同軸的，因此叫同軸芯濾棒。

同軸芯濾棒的芯棒絲束和外層絲束密度相差很大，在煙氣通過濾棒時對煙氣的機械截留能力有較大差異，產(chǎn)生壓力差，煙氣在芯棒和外棒產(chǎn)生橫向流動，這樣主流煙氣在濾嘴中既存在縱向過濾又有橫向穿越絲束的過濾，加大了煙氣碰撞幾率，增大煙氣流動路徑，同時也延長了煙氣在濾嘴中運行時間。從而截留了煙氣中更多的煙氣粒相物，達到了降低焦油的效果。

2.5異型濾棒

采用特殊加工技術(shù)制成的端面可見以中空形成各種空腔圖案的濾棒，具有防偽功能。煙氣在進入口腔之前在空腔中有一定的滯留，滯留的煙氣會有部分會沉積，還有一部分散發(fā)到空氣中，可減少危害。同時中空部分可將煙氣聚攏不發(fā)散，對改善卷煙吃味有一定的提高。 [科]

【參考文獻】

[1]楊國榮，李中昌.同軸嘴棒降焦技術(shù).研究云南煙草學(xué)會工業(yè)專業(yè)委員會，2008年度論文集.

[2]盛培秀.溝槽醋酸纖維濾棒的開發(fā).煙草科技，2004（4）.