卷煙紙對卷煙凝灰性能的影響分析

張 瑩 詹建波 繆明明 余振華 余 耀 王 浩 程 量鄭 晗 余婷婷 謝 姣 丁海燕 余 江 李利偉 丁 衛(wèi)

(云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，云南昆明， 650231)

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·卷煙紙評價·

卷煙紙對卷煙凝灰性能的影響分析

張 瑩 詹建波 繆明明 余振華 余 耀 王 浩*程 量鄭 晗 余婷婷 謝 姣 丁海燕 余 江 李利偉 丁 衛(wèi)

(云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，云南昆明， 650231)

依據自主研發(fā)的卷煙凝灰分析軟件，通過凝灰指數這一參數的計算，對不同品牌卷煙的凝灰能力進行了評價，同時分析卷煙紙凝灰性能對卷煙燃燒性能的影響。結果表明，卷煙凝灰指數的計算簡單，凝灰分析軟件的響應迅速，同一品牌不批次卷煙的凝灰指數間的變異系數較小，不同品牌卷煙的凝灰指數區(qū)分度明顯；卷煙凝灰指數可以作為衡量卷煙凝灰性能的重要指標和有效手段，該指數可以應用于卷煙綜合性能的評定；卷煙紙對卷煙的凝灰性能起重要作用。

卷煙紙；燃燒；凝灰分析系統；凝灰指數；控制措施

卷煙紙是卷煙的主要材料之一，對包裹煙絲、煙支外觀、燃燒速度、陰燃性、卷煙的感官品質及煙氣的化學成分等起到十分重要的作用[1-2]。卷煙紙不僅承載著產品的關鍵形象和內涵，而且由于卷煙紙直接參與煙支的燃燒，故對煙氣有著特殊和直接的影響。一方面，卷煙紙本身燃燒后的成分是卷煙煙氣的重要組成部分，會隨著主流煙氣一起被嗜煙者吸食；另一方面其內在品質也會影響煙支的燃燒狀況，對煙支在抽吸時的凝灰效果、灰色方面起著決定性作用。如何改善吸味和提高凝灰效果，是目前卷煙紙面臨的兩大問題[3-7]。

卷煙紙燃燒后，理想狀態(tài)下的紙灰既不翹起也沒有裂縫，在抽吸過程中煙灰不掉落[8-9]。卷煙凝灰性能好主要表現為煙柱美觀，卷煙紙燃燒后可將煙灰致密地黏結在一起，達到既能使卷煙完全燃燒、灰白片大又不散落。在如何評價卷煙凝灰能力、如何優(yōu)化卷煙凝灰性能方面，至今還沒有系統的解決方案與評價體系。

本課題為了進一步研究卷煙紙凝灰性能，利用自主研發(fā)的卷煙凝灰系統，提出了卷煙凝灰指數的概念，通過對樣品燃燒外觀的觀察與卷煙凝灰指數對比，計算同一品牌不同批次的卷煙凝灰指數，驗證凝灰指數作為反映卷煙紙凝灰性能的可行性，對卷煙凝灰分析系統的應用前景作出了分析。同時分析卷煙紙對卷煙凝灰性能的影響因素。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用卷煙為市購的7種不同品牌的卷煙，并將其分別編號為1#～7#的卷煙樣品。

1.2 儀器與方法

KBF240恒溫恒濕箱(德國Binder公司)，主要用于燃燒前對卷煙樣品的平衡，將卷煙樣品分別置于恒溫恒濕箱中平衡48 h，溫度(22±1)℃，濕度設定為(20±2)%。

實驗采用了云南中煙有限責任公司自主設計與研發(fā)的云南中煙卷煙凝灰分析系統YNZY-JYNH-V2.1，該系統主要由攝像模塊、計算機分析模塊組成。方法為：將煙支豎直方向放置后，利用自動點煙器點燃煙支，并利用儀器觀察煙支的陰燃過程，在觀察的過程中完成對卷煙凝灰的瞬時成像捕捉，而后利用計算機分析模塊，對已捕捉圖像進行截取，分析部分圖像并計算其凝灰指數。

圖1 不同品牌卷煙樣品的凝灰效果

圖2 凝灰指數計算示意圖

2 結果與討論

2.1 凝灰效果的圖片觀察

圖1為不同品牌卷煙樣品的凝灰效果。由圖1可見，不同品牌卷煙樣品的凝灰效果有一定差別，僅從肉眼可以定性分析卷煙的凝灰質量。程占剛等人認為卷煙燃燒后的凝灰松緊性直接影響卷煙凝灰能力，且卷煙紙燃燒后的外翻灰片的多少和大小直接影響灰片脫落，是凝灰好壞的決定性因素[10]。卷煙紙燃燒后的裂紋和灰分光滑度是決定卷煙凝灰好壞的潛在性因素。在文獻定義的凝灰能力中[10]，外觀因素占75%。但凝灰能力的判定仍需人為對不同項目進行主觀打分，故定檔受評定人員主觀因素影響較大。因此，如何客觀準確并定量評價不同卷煙樣品的凝灰性能一直是判定卷煙凝灰能力關注的焦點。

2.2 凝灰指數的計算及變異系數分析

在凝灰分析系統中，筆者定義了凝灰指數。以圖2為例，凝灰指數AI為圖中未裂痕部分面積占整體面積的比例，即式(1)。

(1)

式中，Sr為裂痕部分面積；St為整體面積。

表1為不同品牌樣品的凝灰指數。將表1的數據與圖1相對比則不難發(fā)現，凝灰指數越大，凝灰效果越好，指數AI可以直觀、準確地反映出凝灰能力。

表1 不同品牌樣品的凝灰指數

為進一步研究同一品牌樣品在重復測試過程中凝灰指數的差異性，本課題組計算了凝灰指數變異系數CV如式(2)所示。

(2)

式中，SD為同一品牌樣品凝灰指數的標準差，MN為同一品牌樣品凝灰指數的平均值。

每組樣品測量5次，并計算其相應的標準差、平均值及變異系數結果如表2所示。

由表2可以看出，同一品牌的變異系數均在5%以下，這說明同一品牌樣品的凝灰指數差異不大，凝灰指數可以作為衡量卷煙凝灰質量的評判指標。為了保證測量精度，可以采取測量多次并取平均值的方法降低隨機誤差的影響，最大限度保證凝灰指數在應用過程中的準確性。

表2 不同品牌樣品凝灰指數的平均值、標準差及變異系數

綜上所述，凝灰指數在衡量卷煙凝灰效果中具有直觀、準確、可分析性強等優(yōu)點，計算同品牌樣品、不同一批次的變異系數小于5%，不同品牌樣品卷煙紙的凝灰指數區(qū)分度明顯，凝灰指數適宜作為評價卷煙凝灰效果。同時，基于凝灰指數測量原理的凝灰分析系統具有成像分辨率高、分析速度快、計算精度高等諸多優(yōu)點，適宜作為評價分析卷煙凝灰的重要工具?，F存的諸多評價方法基本上都是主觀判斷然后對凝灰外觀進行劃檔評分，不夠準確客觀，將現在采用的評價方法與開發(fā)的凝灰系統結合作為評價卷煙凝灰效果的更準確、更有效工具仍是未來要解決的問題。同時凝灰分析系統在分辨率、計算精度等方面存在提升空間，未來的系統優(yōu)化應集中在合理優(yōu)化相關參數及系統的數據處理與分析能力。

2.3 卷煙紙凝灰性能的影響因素

卷煙紙的凝灰性能主要受卷煙紙的定量、透氣度、助燃劑、凝灰劑等方面的影響[10]，具體表現在以下幾個方面：

(1)卷煙紙的定量越大，卷煙的挺度越大，直接的影響就是燃燒后卷煙紙出現裂痕、外翻的炸裂灰片等現象越少，卷煙包灰性能越好。

(2)卷煙紙的透氣度越大，卷煙包灰性能越好。透氣度增加，通過卷煙紙進入卷煙的空氣稀釋煙氣的作用增強，煙支燃燒速度增加，抽吸口數降低，卷煙的燃燒更完全，卷煙包灰性能越好。

(3)卷煙紙中檸檬酸鹽助燃劑含量越高，卷煙紙陰燃速率越大，卷煙燃燒速度越快，同等燃燒時間下卷煙的煙錐越長，卷煙紙外翻的可能性增大，造成卷煙包灰性能變差。

(4)卷煙紙中天然多糖碳水化合物類凝灰劑含量越高，卷煙的包灰性能越好。同時，凝灰劑可能對卷煙的吸味和安全性產生影響，所以應該控制凝灰劑的用量。

2.4 卷煙紙凝灰性能對陰燃性能的影響

卷煙紙陰燃要求為紙張纖維提供足夠的氧氣及足夠的熱量。陰燃發(fā)生時，陰燃產物要不斷離開燃燒區(qū)，而新的纖維和氧氣要不斷進入燃燒區(qū)，否則燃燒將無法繼續(xù)下去。而陰燃產物的離開、纖維和氧氣的進入，均可視作熱量傳遞的過程。

卷煙紙的透氣度越大，氧氣在陰燃區(qū)的擴散速度越強。陰燃的發(fā)生都要求有一個供熱強度適宜的熱源，如果供熱強度過小，則紙張無法陰燃；供熱強度過大，紙張將發(fā)生有焰燃燒。但當紙張定量過低時，由于連續(xù)陰燃所需的纖維量太少，可能供熱不夠而造成熄火。

卷煙紙中加填用的輕質碳酸鈣的結構疏松，致使成紙的結構疏松，成紙透氣度高，使卷煙紙比較容易燃燒。如果卷煙紙中的輕質碳酸鈣含量少，纖維含量多，紙中的空氣含量少，因此燃燒速度就慢，空氣過少時就會導致卷煙紙熄火；但如果輕質碳酸鈣含量過高，會導致卷煙紙中可燃的纖維過少，這會阻隔纖維陰燃熱量的傳遞，從而導致陰燃速度減慢甚至熄火。

助燃劑用量越多，凝灰性能越好，卷煙紙的陰燃速度越快，當助燃劑用量達到一定量時陰燃速度最快，之后隨著助燃劑用量的增加陰燃速度反而下降[11-13]。助燃劑用量少時能夠有效地降低卷煙紙纖維燃燒所需的溫度，隨著助燃劑用量增加卷煙紙的陰燃逐漸飽和，飽和之后再增加助燃劑卷煙紙的燃燒速度反而下降。助燃劑的種類也對卷煙紙的陰燃速度有影響。其中，山梨酸鉀助燃效果最理想，其次是有機酸根，氫離子與碳離子的助燃效果最差。因此助燃劑一般是以幾種助燃劑復配而成。

濕度越大，燃燒速度越慢。卷煙紙的水分含量對熱量傳遞有重要影響。水分含量越高，產生的熱量越低，同時水分的蒸發(fā)汽化是一個吸熱過程，水分含量越大，其蒸發(fā)所需要的能量越多。卷煙紙具有一定的吸濕性，空氣濕度越大，紙張中的水分就越高，同時由于空氣中的水分含量高，在紙張陰燃過程中所需的空氣中不但有氧氣的補充而且還有水分的補充，因此卷煙紙陰燃所需熱能就越多，燃燒速度也就越慢。

3 結 論

(1)凝灰指數可以作為衡量卷煙凝灰效果的評價指標，該指標所獲得的數據具有直觀、準確、可分析性強等優(yōu)點；同一品牌不同批次卷煙的變異系數均低于5%，不同品牌卷煙紙的凝灰指數區(qū)分度明顯。

(2)凝灰分析系統具有成像分辨率高、分析速度快、計算精度高等諸多優(yōu)點，適宜作為評價分析卷煙凝灰的重要手段，也適宜與其他評價方法結合作為評價卷煙凝灰效果的有效工具。

(3)卷煙紙的凝灰性能主要受卷煙紙的定量、透氣度、助燃劑、凝灰劑等幾個因素的影響，同時卷煙紙的凝灰性能與環(huán)境又會對卷煙紙的陰燃性能產生一定的影響。

[1] SHEN J, LI J S, QIAN X R, et al. A Review on Engineering of Cellulosic Cigarette Paper to Reduce Carbon Monoxide Delivery of Cigarettes[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 101(1): 769.

[2] ZHANG Ying, ZHAN Jian-bo, YU Zhen-hua, et al. Manufacturing Technology and Development Prospects of Aluminum Free Inner Lining paper for Cigarette Packaging[J]. China Pulp & Paper, 2015, 35(11): 58. 張 瑩, 詹建波, 余振華, 等. 煙用無鋁內襯紙的制備技術與發(fā)展前景[J]. 中國造紙, 2015, 35(11): 58.

[3] LI Geng, DING Hai-yan, SUN Jun, et al. Study on Improvement of Cigarette Ash Packing Effect[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(8): 32. 李 賡, 丁海燕, 孫 軍, 等. 改善卷煙紙包灰效果的研究[J]. 中國造紙, 2012, 31(8): 32.

[4] LI Guizhen, WANG Pingjun. Research on Effect of Cigarette Paper Additives on Ash Wrapping Property of Cigarettes[J]. Paper Chemicals, 2011(4): 17. 李桂珍, 王平軍. 卷煙紙?zhí)砑觿頍煱倚阅苡绊懙难芯縖J]. 造紙化學品, 2011(4): 17.

[5] SHEN Jingxuan, SUN Jun, XIAO Weiyi, et al. The Effect of Additives on Cigarette Ash Wrapping[J]. China Pulp & Paper Industry, 2012, 33(14): 23. 沈靖軒, 孫 軍, 肖維毅, 等. 助劑對卷煙紙包灰效果的影響[J]. 中華紙業(yè), 2012, 33(14): 23.

[6] ZOU Zhongliang, HOU Xin. Effect of Density, Air Permeability on Ash Density and Burning Velocity[J]. Heilongjiang Pulp & Paper, 2013, 41(2): 35. 鄒中亮, 侯 鑫. 卷煙紙定量、 透氣度對卷煙包灰及燃燒速度的影響[J]. 黑龍江造紙, 2013, 41(2): 35.

[7] SONG Wei, LI Lei. Influencing Factors and Control Methods of Main Properties of Cigarette Paper[J]. Paper Chemicals, 2011(4): 25. 宋 微, 李 磊. 卷煙紙主要性能的影響因素和控制方法[J]. 造紙化學品, 2011(4): 25.

[8] LEI Ping, SHANG Shan-zhai, HAN Yi, et al. The Latest Research Direction and the Recent Progress of Cigarette Paper[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(10): 6. 雷 萍, 尚善齋, 韓 熠, 等. 卷煙紙的性能及其改性[J]. 中國造紙, 2014, 33(10): 6.

[9] JING Yi, MA Jing, ZHOU Ming-zhu, et al. A rapid ash testing method of cigarette paper[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(5): 69. 荊 熠, 馬 靜, 周明珠, 等. 一種快速測試卷煙紙灰分的方法[J]. 中國造紙, 2016, 35(5): 69.

[10] CHENG Zhangang, YE Mingqiao, HU Suxia, et al. Factors Affecting Ash Integration of Burning Cigarette[J]. Tobacco Science & Technology, 2011, 48(2): 9. 程占剛, 葉明樵, 胡素霞, 等. 影響卷煙包灰能力的因素研究[J]. 煙草科技, 2011(2): 9.

[11] WANG Jianmin, YAN Keyu, YAO Guangming, et al. Relationship Between Cigarette Combustibility and Dosage of Burning Accelerant[J]. Tobacco Science & Technology, 2000(6): 10. 王建民, 閆克玉, 姚光明, 等. 卷煙燃燒性與助燃劑用量間的關系研究[J]. 煙草科技, 2000(6): 10.

[12] HAN Qingbin. Effect of Combustion Supporting Agent on Cigarette Ash in Cigarette Paper[J]. Tobacco Science & Technology, 1992(4): 6. 韓慶斌. 卷煙紙中助燃劑對煙支包灰的影響[J]. 煙草科技, 1992(4): 6.

(責任編輯：常 青)

Evaluation and Analysis of Ash Condensation Performance of Cigarette Paper

ZHANG Ying ZHAN Jian-bo MIAO Ming-ming YU Zhen-hua YU Yao WANG Hao*CHENG Liang ZHENG Han YU Ting-ting XIE Jiao DING Hai-yan YU Jiang LI Li-wei DING Wei

(R&D Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming, Yunnan Province, 650231)(*E-mail: neuwanghao@gmail.com)

Based on the self-developed cigarette ash condensation analysis software, through the calculation of the cigarette ash condensation index, the ash condensation abilities of different types of cigarette paper were evaluated in this paper. The results showed that the cigarette ash condensation index had the advantages of simple calculation, quick response of ash condensation analysis software, small coefficient of variation between different cigarette ash condensation index of the same batch sample, and there was obvious difference of ash condensation index of different batch samples. Therefore, the cigarette ash condensation index could be used as an important index and effective means to measure the performance of the cigarette ash, meanwhile, the index could be applied to the comprehensive assessment of the cigarette paper. Meanwhile, the influence of cigarette ash density on the combustion performance of cigarettes was analyzed, the analysis showed that the factors affecting the ash density of cigarette paper were mainly density, permeability, combustion adjuvants and ash condensation agents. Both ash condensation performance of cigarette paper and environment had certain impacts on the cigarettes’ smoldering properties.

cigarette paper; combustion; ash condensation analysis system; ash condensation index; control measures

張 瑩女士，碩士，工程師；主要研究方向：煙用材料的設計與開發(fā)。

2017- 04- 05(修改稿)

云南中煙工業(yè)有限責任公司重大專項：功能性煙用材料集成創(chuàng)新超市構建及應用研究，項目編號：2016CL01。

TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.008

*通信作者：王 浩，博士，工程師；主要研究方向：卷煙紙的性能研究等。