卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)測(cè)定及與燃燒速度間的關(guān)系

穆林，惠建權(quán)，陶世春，劉舒暢，梁淼，馮亞婕，王建民*，牛婷婷

1 貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,貴陽(yáng)市小河區(qū)開發(fā)大道96號(hào) 550009;

2 鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136號(hào) 450001

卷煙的燃燒是煙絲與卷煙紙配合完成并產(chǎn)生煙氣的過程，也是消費(fèi)卷煙的過程，這決定了卷煙燃燒性能的重要性。對(duì)卷煙燃燒性能的基本要求是不熄火，而提高卷煙的自由燃燒速度、降低燃燒溫度已然成為降焦減害的重要手段和卷煙燃燒性能研究的重要內(nèi)容[1-2]。隨著卷煙包灰性能日益受到關(guān)注，相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)[3-6]，進(jìn)一步豐富了卷煙燃燒性能的內(nèi)涵、擴(kuò)大了研究領(lǐng)域。

燃燒錐是卷煙燃燒過程中形成的碳化錐形體，燃燒錐的形態(tài)，如錐長(zhǎng)、錐面積、傾斜度等是煙絲、卷煙紙、煙支卷制特性及燃燒過程綜合作用的結(jié)果，通過燃燒錐形態(tài)及其與燃燒性能間的關(guān)系研究，則可能從新的視角探索影響卷煙燃燒性能的因素及規(guī)律性，為全面優(yōu)化卷煙燃燒性能提供更充分的依據(jù)。近年來，國(guó)內(nèi)圍繞卷煙燃燒錐的研究已經(jīng)取得了一些成果，如李斌等[7]開展了卷煙燃燒錐受力分析研究、并建立了落頭傾向檢測(cè)方法，趙秋榮等[8]研究了煙絲結(jié)構(gòu)對(duì)卷煙燃燒錐掉落率的影響，以上研究關(guān)注的重點(diǎn)是卷煙抽吸過程中的燃燒錐脫落，即“掉火頭”問題。在燃燒錐形態(tài)研究方面，李斌、劉昌民、崔曉夢(mèng)等[9-11]在建立卷煙燃吸過程中溫度分布檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開展了卷煙燃燒錐溫度分布的表征方法、燃燒錐區(qū)域特征分析等方面的研究，試圖從溫度變化角度表征燃燒錐的形態(tài)。此外，劉峰、王瓊等[12-13]發(fā)明了用于測(cè)量燃燒錐錐長(zhǎng)及碳線寬度的方法，何沛[14]等發(fā)明了一種卷煙燃燒錐截面積測(cè)量裝置，用于測(cè)定燃燒錐面積。

綜上所述，目前關(guān)于卷煙燃燒錐形態(tài)的研究主要集中在形態(tài)參數(shù)的測(cè)量及表征方面，且未形成公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化方法；而關(guān)于不同卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)間的差異性、影響因素，以及燃燒錐形態(tài)與相關(guān)燃燒性能間關(guān)系方面的研究則少見報(bào)道。為此，本文建立了一種基于圖像處理技術(shù)的卷煙燃燒錐形態(tài)多指標(biāo)綜合測(cè)量方法，對(duì)國(guó)內(nèi)40余種不同牌號(hào)卷煙的燃燒錐形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量及統(tǒng)計(jì)分析，并探討了卷煙自由燃燒速度與燃燒錐形態(tài)參數(shù)間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

48種不同中煙公司、不同檔次的市售烤煙型卷煙樣品，長(zhǎng)度均為84mm，圓周為24.2～24.5mm之間，零售價(jià)格介于5～100元/包，分別用1#～48#表示，其中1#～27#屬于一類煙，28#～34#屬于二類煙，35#～46#為三類煙，47#、48#為四類煙。

主要實(shí)驗(yàn)儀器包括煙支燃燒性能測(cè)試箱（自制）；KBF240恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；佳能EOS70D數(shù)碼相機(jī)。圖片處理軟件為ImageJ、Abode Photoshop CC 2105；數(shù)據(jù)處理與分析軟件為Spss 17.0。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)測(cè)定方法

卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)的測(cè)定主要包括樣品準(zhǔn)備、燃燒錐制作、錐形態(tài)圖片獲取及參數(shù)測(cè)定四個(gè)部分。

（1）樣品準(zhǔn)備

隨機(jī)選取待測(cè)樣品15支，每3支為一組分為5組，置于溫度（22±1） ℃，相對(duì)濕度（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48h備用。在距離接裝紙5mm、10mm位置處分別劃線作為標(biāo)記，其中5mm位置用作圖片分析時(shí)的標(biāo)尺距離，10mm位置為煙支燃燒高度標(biāo)記。

（2）燃燒錐制作

點(diǎn)燃煙支并豎直放置于卷煙燃燒性能測(cè)試箱內(nèi)的煙支架上，待煙支靜燃至距離接裝紙10mm處時(shí)立即使用試管從煙支燃燒端往下蓋住卷煙，使其與外部空氣隔絕，從煙支架上取下已熄滅的煙支，使用吸耳球輕輕、勻速吹去燃燒錐表面的煙灰，待到?jīng)]有浮灰落下時(shí)視為卷煙燃燒錐已制作好。

（3）錐形態(tài)圖片采集

將制作好的燃燒錐重新置于煙支架上，采用數(shù)碼相機(jī)拍照，測(cè)試箱內(nèi)照明條件良好。相機(jī)鏡頭距離煙支架距離為215mm，參數(shù)設(shè)定為：感光度400，對(duì)焦500，光圈5.6，照明條件為白熾燈，曝光模式選擇AV（光圈優(yōu)先自動(dòng)曝光），單點(diǎn)伺服對(duì)焦。

（4）燃燒錐形態(tài)參數(shù)測(cè)定

啟動(dòng)ImageJ軟件并打開圖片，采用標(biāo)尺工具設(shè)定比例尺，即測(cè)量標(biāo)記距離（5mm）的像素長(zhǎng)度，進(jìn)而通過像素比轉(zhuǎn)換為實(shí)際長(zhǎng)度；使用長(zhǎng)度測(cè)量工具測(cè)定燃燒錐錐長(zhǎng)L；選用角度測(cè)量工具以煙支外輪廓的兩側(cè)為切邊、錐面外邊緣的兩邊為臨邊測(cè)量燃燒錐的左右邊角，并計(jì)算角差，用以表征卷煙燃燒錐的偏離程度，以下稱作偏離角ɑ[15]，如圖1所示。

啟動(dòng)Photoshop軟件打開圖片，選用標(biāo)尺工具測(cè)量標(biāo)記位置距離的像素長(zhǎng)度，記為X，使用“魔法棒”功能調(diào)節(jié)容差并扣除圖片背景，選用“磁性套索”工具截選錐形態(tài)，點(diǎn)擊“記錄測(cè)量”得到卷煙燃燒錐像素面積（如圖2），記為Y，運(yùn)用公式（1）計(jì)算得到燃燒錐實(shí)際面積M。

圖1 錐長(zhǎng)、錐角測(cè)量示例圖Fig.1 Sample graph of cone length and cone angle measurement

1.2.2 卷煙燃燒速度測(cè)定方法

參照文獻(xiàn)[16-17]，采用棉線法進(jìn)行卷煙自由燃燒速度測(cè)定，實(shí)驗(yàn)開始前將煙樣于恒溫恒濕箱中平衡48h。各牌號(hào)隨機(jī)選取16支，取16支測(cè)定結(jié)果的平均值表示牌號(hào)卷煙自由燃燒速度V。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

運(yùn)用正態(tài)性檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov）、單因素方差分析、LSD及SNK多重比較、多元回歸等方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)及自由燃燒速度的描述統(tǒng)計(jì)

1#～48#卷煙的燃燒錐形態(tài)參數(shù)及自由燃燒速度測(cè)定結(jié)果與描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。①錐長(zhǎng)、錐面積、偏離角及自由燃燒速度的Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)結(jié)果均不顯著（p值分別為0.228、0.182、0.115、0.688），表明四項(xiàng)指標(biāo)均呈隨機(jī)、正態(tài)分布。②不同卷煙的燃燒錐錐長(zhǎng)介于6.604～14.017mm間，平均為9.243mm；錐面積介于38.729～92.825mm2間，平均為48.870mm2；偏離角介于2.778～7.636°間，平均為4.574°；自由燃燒速度介于4.405～6.377mm·min-1間，平均為5.146 mm·min-1。

圖1 錐長(zhǎng)、錐角測(cè)量示例圖Fig.1 Sample graph of cone length and cone angle measurement

對(duì)48種不同牌號(hào)卷煙的燃燒錐形態(tài)各參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，錐長(zhǎng)、錐面積及偏離角均呈極顯著差異性（p值分別為0.000、0.000和0.002）。

表1 卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)及自由燃燒速度測(cè)定結(jié)果Tab 1.Determination results of burning cone shape parameters and free burning rate of cigarette

續(xù)表1

2.2 卷煙燃燒錐形態(tài)測(cè)定方法的重復(fù)性及靈敏度

2.2.1 方法的重復(fù)性

如表1所示，48種卷煙燃燒錐錐長(zhǎng)的RSD介于2.7%～10.1%間，平均值為6.07%；錐面積的RSD介于1.1%～10.1%間，平均值為5.99%；偏離角的RSD介于12.0%～78.3%間，平均值為43.89%。錐長(zhǎng)及錐面積兩項(xiàng)指標(biāo)的平均RSD均明顯低于對(duì)應(yīng)指標(biāo)的樣品間RSD，說明利用所建方法測(cè)定這兩項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較好，而不同樣品的RSD的差異較大，主要是由樣品自身的均勻程度不同造成的。燃燒錐偏離角的平均RSD明顯高于該指標(biāo)的樣品間RSD，說明利用所建方法測(cè)定該項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較差。

2.2.2 區(qū)分樣品間差異性的靈敏度

不同牌號(hào)間的單因素方差分析結(jié)果似乎說明，利用所建方法的測(cè)定結(jié)果區(qū)分不同樣品間的差異性時(shí)，三項(xiàng)指標(biāo)均具有較高的靈敏度，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)并非如此。采用LSD多重比較法進(jìn)行樣品間的兩兩比較、并統(tǒng)計(jì)達(dá)到顯著差異的樣品間的最小均值差，結(jié)果如表2所示，①達(dá)到極顯著差異（p＜0.01）的樣品間錐長(zhǎng)、錐面積、偏離角的最小均值差分別為0.597mm、4.154mm2和2.209°，分別占三項(xiàng)指標(biāo)48種樣品間極差的8.05、7.68和45.47%；②達(dá)到顯著差異（p＜0.05）的樣品間錐長(zhǎng)、錐面積、偏離角的最小均值差分別為0.442mm、2.689mm2和1.830°，分別占三項(xiàng)指標(biāo)48種樣品間極差的5.96、4.97和37.67%。最小均值差越小、一定程度說明方法的靈敏度越高，用三項(xiàng)指標(biāo)的最小均值差除以各自的極差以消除量綱的影響后可以看出，利用本方法測(cè)量結(jié)果區(qū)分不同樣品的錐長(zhǎng)和錐面積時(shí)的靈敏度明顯高于偏離角。另外，由SNK多重比較結(jié)果可以更直觀的看出（見表3），48種樣品按照錐長(zhǎng)和錐面積的差異性分別被分成了15個(gè)組別，而偏離角僅被分成了2個(gè)組別，且其中只有2#和4#樣品表現(xiàn)為顯著差異，其余牌號(hào)均無(wú)顯著性差異?？梢?，所建方法用于區(qū)分樣品間燃燒錐錐長(zhǎng)及錐面積時(shí)具有較高的靈敏度，而區(qū)分偏離角時(shí)的靈敏度較差，這主要是因?yàn)槠x角測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較差造成的。

表2 錐形態(tài)各參數(shù)均值差及顯著性結(jié)果Tab.2 The result of the mean difference of the shape parameters of the burning cone

表3 燃燒錐各參數(shù)的SNK多重比較結(jié)果①Tab.3 SNK multiple comparison results of various shape parameters of the burning cone

續(xù)表3

綜上所述，所建方法在測(cè)量卷煙燃燒錐錐長(zhǎng)和錐面積時(shí)，具有較好的重復(fù)性，利用測(cè)量結(jié)果區(qū)分樣品間差異性時(shí)具有較高的靈敏度。

2.3 卷煙燃燒錐形態(tài)參數(shù)與自由燃燒速度間的相關(guān)性

各項(xiàng)指標(biāo)間的簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果見表4，自由燃燒速度與錐長(zhǎng)、錐面積均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。這可能是因?yàn)槿紵F越長(zhǎng)、面積越大，與空氣的接觸面積就越大、陰燃時(shí)的氧氣供應(yīng)更充足所致。

以自由燃燒速度為因變量，錐長(zhǎng)（L）和錐面積（M）為自變量進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果見表5、6。①自由燃燒速度與錐長(zhǎng)和錐面積均呈極顯著的二次方關(guān)系，且兩者間存在極顯著的交互作用。②回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.751，大于自由燃燒速度與錐長(zhǎng)和錐面積各自的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)；且由標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對(duì)值可以看出，兩者間交互作用的影響最大，其次是錐面積和錐長(zhǎng)。可見，自由燃燒速度是錐長(zhǎng)和錐面積綜合作用的結(jié)果，而考慮到燃燒錐過長(zhǎng)有可能增加“掉火頭”傾向，通過控制錐長(zhǎng)、增大錐面積來提升卷煙的自由燃燒速度或許是更好的選擇。③回歸方程的決定系數(shù)只有0.564，說明除了燃燒錐形態(tài)之外，還存在影響自由燃燒速度的其它關(guān)鍵因素，如煙絲自身燃燒性、煙支卷制特性等。

綜上所述，通過增加燃燒錐錐長(zhǎng)或錐面積有利于提高自由燃燒速度、減少抽吸口數(shù)，進(jìn)而達(dá)到降焦減害的目的。因此，有必要進(jìn)一步開展卷煙燃燒錐形態(tài)及影響因素研究。

表4 燃燒錐形態(tài)與自由燃燒速度相關(guān)關(guān)系②Tab.4 Correlation between burning cone shape parameters and free burning rate

表5 多元回歸分析結(jié)果Tab.5 Results of multiple regression analysis

表6 回歸模型概述表Tab.6 The overview table of regression model

3 結(jié)論

（1）建立了一種基于圖像處理技術(shù)的卷煙燃燒錐錐長(zhǎng)、錐面積和偏離角等形態(tài)參數(shù)的測(cè)定方法，該方法測(cè)量燃燒錐長(zhǎng)度和面積時(shí)的重復(fù)性較好、區(qū)分樣品間差異性的靈敏度較高。

（2）對(duì)48種不同牌號(hào)卷煙的燃燒錐形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，錐長(zhǎng)、錐面積和偏離角三項(xiàng)指標(biāo)分別介于6.604～14.017mm、38.729～92.825mm2、2.778～7.636°之間。方差分析結(jié)果表明不同牌號(hào)卷煙的燃燒錐形態(tài)存在極顯著差異性。

（3）燃燒錐錐長(zhǎng)和錐面積與卷煙自由燃燒速度間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，隨著錐長(zhǎng)和錐面積增大，自由燃燒速度加快。