卷煙動態(tài)吸阻及穩(wěn)定性影響因素分析

李 超，李陳巧，郭國寧，鄧國棟，秦國鑫，張 翼，吳戀戀，索衛(wèi)國，張 齊*，張耀華*

1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)環(huán)湖路特66 號 4300402.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州市中原區(qū)楓楊街 4500013.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，蘭州市七里河區(qū)南濱河中路 7300504.江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南昌市青山湖區(qū) 330096

卷煙動態(tài)吸阻是卷煙燃吸過程中的逐口抽吸阻力，相較于卷煙未點燃時的靜態(tài)吸阻，更能夠反應(yīng)消費者的直觀感受［1］。卷煙消費時，合適且穩(wěn)定的卷煙動態(tài)吸阻可以有效提升卷煙抽吸順暢感［2-3］。此外，由于卷煙吸阻與卷煙燃燒狀態(tài)相關(guān)，因此一定程度上燃吸過程中穩(wěn)定的吸阻也能保持卷煙煙氣化學(xué)成分釋放的穩(wěn)定［4-5］。目前，國內(nèi)外關(guān)于卷煙燃吸過程中動態(tài)吸阻的研究已有相關(guān)報道。最早是Baker［6］研究了恒速抽吸條件下點燃狀態(tài)的卷煙吸阻變化，隨著卷煙燃吸的進行，動態(tài)吸阻的變化趨勢大致為先升高后略微降低，最后再次升高。Colard等［7］通過卷煙夾持器和壓力探測裝置，在ISO 抽吸模式下對卷煙動態(tài)吸阻進行了測定，發(fā)現(xiàn)其變化曲線與Baker研究結(jié)論中恒速抽吸下的卷煙動態(tài)吸阻曲線變化趨勢一致，表明卷煙動態(tài)吸阻在燃吸過程中具有一定的規(guī)律。前人的研究工作表明卷煙在燃吸過程中的吸阻比未燃燒時增加了50%～60%［8-9］。隨著卷煙動態(tài)吸阻測定裝置的開發(fā)，關(guān)于卷煙設(shè)計參數(shù)對卷煙動態(tài)吸阻及煙氣化學(xué)成分的影響開始有文獻報道。劉歡等［10］考察了卷煙填充密度、不同抽吸狀態(tài)以及不同抽吸模式對動態(tài)吸阻的影響，并且得出了卷煙在燃吸過程中的變化趨勢。朱懷遠(yuǎn)等［11］研究了卷煙抽吸期間壓降連續(xù)變化規(guī)律及其與化學(xué)成分之間的關(guān)系，結(jié)果表明，卷煙抽吸期間內(nèi)的壓降變化行為與逐口的焦油釋放量及卷煙燃燒狀態(tài)相關(guān)。

卷煙未點燃狀態(tài)下的吸阻穩(wěn)定性是卷煙物理質(zhì)量評價的關(guān)鍵指標(biāo)，國內(nèi)外已有較多關(guān)于吸阻穩(wěn)定性影響因素的研究［12-15］，如卷煙的填充密度、硬度、單支質(zhì)量、切絲寬度、煙絲結(jié)構(gòu)、梗絲結(jié)構(gòu)、三絲摻配比例、卷煙透氣度等，而對卷煙燃燒過程中逐口動態(tài)吸阻穩(wěn)定性以及煙支間一致性評價的研究較少。卷煙在抽吸時，氣流分別從卷煙紙、燃燒錐和濾嘴通風(fēng)處3個部分進入卷煙煙支，并與煙絲、卷煙紙熱裂解燃燒產(chǎn)物匯聚形成主流煙氣［16］。在卷煙設(shè)計參數(shù)中，卷制參數(shù)、卷煙材料和煙絲配方均是影響卷煙吸阻的因素。卷制參數(shù)如煙絲結(jié)構(gòu)和單支質(zhì)量影響卷煙的滲透系數(shù)從而影響卷煙吸阻；卷煙材料中卷煙紙參數(shù)特別是卷煙紙透氣度影響卷煙抽吸時進氣量的分配從而影響卷煙吸阻，濾棒參數(shù)通過影響卷煙滲透系數(shù)從而影響卷煙吸阻；煙絲配方如三絲摻配比例不僅影響卷煙的滲透系數(shù)還影響卷煙的燃燒溫度從而影響卷煙抽吸時的吸阻。因此研究這些關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對卷煙動態(tài)吸阻穩(wěn)定性的影響，對提升產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

基于此，建立了一種用于評價卷煙燃吸過程中動態(tài)吸阻穩(wěn)定性和煙支間一致性的測量和評價方法，并研究了卷制參數(shù)、卷煙材料參數(shù)、煙絲配方設(shè)計參數(shù)對卷煙動態(tài)吸阻穩(wěn)定性及煙支間動態(tài)吸阻一致性的影響，旨在為卷煙動態(tài)吸阻的研究和卷煙產(chǎn)品的設(shè)計及開發(fā)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

按卷煙設(shè)計參數(shù)的不同，制備了卷制參數(shù)（煙絲結(jié)構(gòu)和單支質(zhì)量）、卷煙材料參數(shù)（卷煙紙透氣度和濾棒絲束規(guī)格）、煙絲配方設(shè)計參數(shù)（三絲摻配比例）三類單因素常規(guī)卷煙樣品（圓周24 mm，長度84 mm）。所有樣品均在相同生產(chǎn)設(shè)備上進行卷制生產(chǎn)，除因?qū)嶒炘O(shè)計參數(shù)變更的材料以外，煙絲寬度均為1.1 mm、特征長度均為2.1 mm、單支質(zhì)量均為0.89 g，不摻配膨脹煙絲、膨脹梗絲和再造煙葉絲，樣品使用的其他原輔材料均相同。設(shè)計參數(shù)的因素水平根據(jù)常規(guī)卷煙的常用設(shè)計值進行梯度設(shè)計，具體的測試樣品信息參數(shù)見表1，其中煙絲寬度、煙絲特征長度［17］和單支質(zhì)量為樣品的實測值。

表1 不同卷制參數(shù)的卷煙樣品參數(shù)信息表Tab.1 Cigarette samples with different manufacturing parameters

儀器：Retsch AS400 篩分儀（德國Retsch 公司）；TPI300型煙草數(shù)字投影儀（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；i-TDR100 卷煙動態(tài)吸阻檢測儀（鄭州煙草研究院）；ME204T電子分析天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 卷煙逐口動態(tài)吸阻測量方法

在溫度為（22±2）℃，相對濕度為60%±5%的環(huán)境下，將卷煙樣品平衡48 h，挑選卷煙質(zhì)量范圍在平均值±0.005 g 范圍內(nèi)的10 支卷煙進行卷煙吸阻測試。卷煙靜態(tài)吸阻為不點燃卷煙時的吸阻。卷煙動態(tài)吸阻測量時，為了消除卷煙通風(fēng)的影響，使用膠帶將濾嘴段的通風(fēng)孔封閉，為消除點燃卷煙操作對卷煙第一口動態(tài)吸阻值的影響，測試開始前，點煙器對卷煙持續(xù)加熱10 s 后，撤離點煙器，啟動抽吸，并采集卷煙燃吸過程中的逐口動態(tài)吸阻值。

1.2.2 卷煙動態(tài)吸阻評價方法

以卷煙逐口抽吸時的動態(tài)吸阻的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示卷煙動態(tài)吸阻的軸向穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小表示卷煙動態(tài)吸阻的軸向穩(wěn)定性越好。以卷煙煙支間分布一致性值（η值）表示煙支間動態(tài)吸阻穩(wěn)定性，計算方法如下：

煙支吸阻矩陣A有m×n個數(shù)組成，記為Am×n。其中n為煙支數(shù)量，m為煙支吸阻。其中aij代表第j支卷煙在第i口的吸阻值，向量aj為第j支卷煙的不同單位口數(shù)的吸阻值。向量B均為m×1個數(shù)組成的列向量，記為Bm×1。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷制參數(shù)對卷煙動態(tài)吸阻的影響

2.1.1 煙絲寬度對卷煙動態(tài)吸阻的影響

卷制參數(shù)中煙絲寬度對動態(tài)吸阻的影響實驗結(jié)果見圖1A。隨煙絲寬度的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向均值呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因為單支質(zhì)量不變的情況下，煙絲寬度較大的樣品其卷煙空隙率大，卷煙靜態(tài)吸阻基本呈下降的趨勢［18］。隨著煙絲寬度的增加，軸向穩(wěn)定性呈先減小后增加的趨勢，η值呈增加的趨勢，表明煙支間分布一致性降低。

為驗證這一結(jié)論，選取某一品牌不同切絲寬度（分別為1.0、1.1、1.2 mm）卷煙產(chǎn)品開展驗證，實驗結(jié)果如圖1B 所示，如圖可以看出，隨著切絲寬度的增加，該牌號卷煙靜態(tài)吸阻及動態(tài)吸阻軸向均值減小，軸向穩(wěn)定性提升。煙絲寬度由1.1 mm 增加至1.2 mm 時，煙支間分布一致性顯著降低，這與測試樣品實驗得到的規(guī)律基本一致。煙絲實際寬度為1.1 mm的卷煙其動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性及煙支間分布一致性最好。

2.1.2 煙絲長度對卷煙動態(tài)吸阻的影響

不同煙絲特征長度的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果如圖2 所示，隨著煙絲特征長度的增加，卷煙的靜態(tài)吸阻及動態(tài)吸阻軸向均值變化不大，動態(tài)吸阻軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值減小，表明卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性提升，煙支間分布一致性略有提升。

圖2 不同煙絲長度的卷煙動態(tài)吸阻和煙支間分布一致性結(jié)果Fig.2 Dynamic draw resistance of cigarettes with different cut tobacco lengths and its consistency between cigarettes

2.1.3 單支質(zhì)量對卷煙動態(tài)吸阻的影響

不同單支質(zhì)量的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果如圖3所示。隨著單支質(zhì)量的增加，卷煙的靜態(tài)吸阻及動態(tài)吸阻軸向均值呈現(xiàn)增加的趨勢，這是因為隨單支質(zhì)量的增加，煙支內(nèi)煙絲量增加，使得卷煙的滲透阻增加［19］，從而引起卷煙吸阻的增加。隨著單支質(zhì)量的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈增加的趨勢，η值呈減小的趨勢，表明煙支間分布一致性提升。

圖3 不同單支質(zhì)量的卷煙動態(tài)吸阻和煙支間分布一致性結(jié)果Fig.3 Dynamic draw resistance of cigarettes with different weights and its consistency between cigarettes

2.1.4 平準(zhǔn)器規(guī)格對卷煙動態(tài)吸阻的影響

平準(zhǔn)器是卷煙工藝中控制單支質(zhì)量的重要裝置，不同平準(zhǔn)器規(guī)格參數(shù)的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著平準(zhǔn)器槽深的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向均值成增加的趨勢，軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈先增加后減小的趨勢，煙支間分布一致性提升；隨著平準(zhǔn)器槽寬的增加，卷煙靜態(tài)吸阻及動態(tài)吸阻軸向均值呈先減小后增加的趨勢，軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值增大，η值呈減小的趨勢，表明卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性下降，煙支間分布一致性提升。整體上，平準(zhǔn)器規(guī)格為槽深2.0 mm、槽寬19 mm的卷煙動態(tài)吸阻軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值和煙支間分布一致性較好。

圖4 不同平準(zhǔn)器規(guī)格的卷煙動態(tài)吸阻和煙支間分布一致性結(jié)果Fig.4 Dynamic draw resistance of cigarettes manufactured by ecreteurs of different specifications and its consistency between cigarettes

2.2 卷煙材料對卷煙動態(tài)吸阻的影響

不同卷煙紙透氣度的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著卷煙紙透氣度從30 CU 增加到80 CU 時，卷煙靜態(tài)吸阻略有下降，動態(tài)吸阻軸向均值呈逐漸降低的趨勢，這是因為卷煙透氣度增加，使得抽吸過程中氣流從卷煙紙進入的量增加，從而導(dǎo)致卷煙的動態(tài)吸阻值減?。?］。隨著卷煙紙透氣度的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差呈降低的趨勢，表明隨著卷煙紙透氣度的增加，煙支動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性提升。從η值可以看出，η值逐漸降低，煙支間分布一致性逐漸提升。

圖5 不同卷煙紙透氣度（A）和不同絲束規(guī)格（B）的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果Fig.5 Dynamic draw resistance of cigarettes with different cigarette paper permeability（A）and tow specifications（B）and its consistency between cigarettes

不同濾棒絲束規(guī)格的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果如圖5B所示?？梢钥闯?，隨著濾棒絲束總旦數(shù)的增加，卷煙的靜態(tài)吸阻及動態(tài)吸阻軸向均值呈增加的趨勢，這是因為總旦數(shù)的增加使得濾棒的吸阻值增加，從而使得卷煙吸阻增加［19］。隨著絲束總旦數(shù)的增加，卷煙動態(tài)吸阻的軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差呈減小趨勢，η值增加，表明卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性提升，煙支間分布一致性變差。

2.3 卷煙三絲摻配比例對卷煙動態(tài)吸阻的影響

2.3.1 不同煙絲配方對卷煙動態(tài)吸阻的影響

相同單支質(zhì)量不同煙絲配方的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)果如圖6 所示。由圖6A 可知，當(dāng)膨脹煙絲比例從0 增加到10%時，卷煙靜態(tài)吸阻值、動態(tài)吸阻軸向均值和軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈增加的趨勢，η值呈先增加后減小的趨勢，表明動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性下降，煙支間分布一致性先下降后提升。由圖6B可知，再造煙葉的添加對卷煙的動態(tài)吸阻軸向均值沒有顯著的影響，隨著煙草再造煙葉摻配比例從3%增加到15%，卷煙動態(tài)吸阻的軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈增加的趨勢，η值呈先減小后增加的趨勢，表明煙支動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性呈下降的趨勢，煙支間分布一致性先提升后下降。由圖6C可知，隨著膨脹梗絲摻配比例從0增加到35%，卷煙靜態(tài)吸阻及動態(tài)吸阻軸向均值均呈明顯的逐漸上升規(guī)律，動態(tài)吸阻軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈增加的趨勢，η值呈先減小后增加的趨勢，表明卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性下降，煙支間分布一致性先提升后下降。

圖6 不同膨脹煙絲（A）、再造煙葉（B）、膨脹梗絲（C）摻配比例的卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)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 不同梗絲摻配比例對卷煙動態(tài)吸阻的影響

為驗證三絲摻配比例對卷煙動態(tài)吸阻的影響，選取某品牌不同梗絲摻配比例的卷煙樣品開展驗證，實驗結(jié)果如圖7 所示。隨著梗絲摻配比例由0%增加至10%，該品牌卷煙的動態(tài)吸阻均值成增加趨勢，η值呈下降的趨勢，表明煙支間分布一致性提升，這與上述實驗結(jié)果也保持一致。

圖7 不同梗絲摻配比例卷煙動態(tài)吸阻及煙支間分布一致性結(jié)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動態(tài)吸阻評價方法來表征不同設(shè)計參數(shù)下卷煙動態(tài)吸阻穩(wěn)定性以及煙支間分布的一致性，以指導(dǎo)卷煙產(chǎn)品維護及新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計。

3 結(jié)論

建立了卷煙燃吸過程中動態(tài)吸阻穩(wěn)定性和煙支間分布一致性的評價方法，考察了關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對卷煙動態(tài)吸阻穩(wěn)定性及煙支間分布一致性的影響。結(jié)果表明：①隨著煙絲寬度和單支質(zhì)量增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性下降；隨著煙絲特征長度的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性增加；隨著平準(zhǔn)器槽深的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性下降，煙支間分布一致性提升；隨著平準(zhǔn)器槽寬的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性下降，煙支間分布一致性提升。②隨著卷煙紙透氣度的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向均值降低，卷煙動態(tài)吸阻軸向穩(wěn)定性提升；隨著濾棒絲束總旦數(shù)的增加，卷煙動態(tài)吸阻軸向均值呈增加的趨勢，軸向穩(wěn)定性提升，煙支間分布一致性下降。③增加膨脹煙絲與膨脹梗絲的摻配比例，卷煙動態(tài)吸阻軸向均值增加，軸向穩(wěn)定性下降。