卷煙紙參數(shù)對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響

韓路　田海英　楚文娟　李耀光　高明奇　郝輝　李國政　曹珂　付瑜峰

摘要：選取不同參數(shù)（定量、透氣度、麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、助燃劑中鉀鹽占比等）的卷煙紙制作細(xì)支卷煙樣品，考察卷煙紙性狀對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響，并對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)果表明：細(xì)支卷煙的燃燒錐落頭傾向隨卷煙紙定量的增大而迅速降低;卷煙紙的透氣度、麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大均引起細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的顯著上升，其中卷煙紙的透氣度與燃燒錐落頭傾向正相關(guān);助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對降低燃燒錐落頭傾向無顯著效果，但助燃劑中鉀鹽占比過高則會引起燃燒錐落頭傾向的迅速增大;對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響大小依次為透氣度>定量>助燃劑中鉀鹽占比>助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，卷煙紙最優(yōu)參數(shù)組合為透氣度50CU，定量34g·m-2，助燃劑中鉀鹽占比50%，助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，在該參數(shù)設(shè)置下，燃燒錐落頭傾向由優(yōu)化前的6.3%降至2.5%.

Abstract：Inordertoinvestigatetheeffectsofcigarettepaperpropertiesonthecombustioncoalfalloutpropensityofburningslimcigarette，cigarettepaperwithdifferentparameters（grammage，airpermeability，hemppulpcontent，ashcontent，burnpromotercontentandproportionofpotassiumsaltsinburnpromoter）wasselectedandthesamplesoffinecigaretteweremade.Theparametersweresetoptimization.Theresultsshowedthatthecombustioncoalfalloutpropensityofslimcigarettesdecreasedrapidlywiththeincreaseofpapergrammage.Thepresenceofairpermeability，hemppulpcontentandashcontentincigarettepaperswasabletopromotethefalloutpropensityofcombustioncoal，inacontent＼|dependentmanner.Meanwhile，airpermeabilityofcigarettepaperexhibitedapositivecorrelationtothecombustioncoalfalloutpropensity.Thechangeofburnpromotercontenthadnosignificanteffectonreducingthetendencyofthefalloutpropensityofcombustioncoal，whiletheexcessivelyhighproportionofpotassiumsaltsinburnpromoterwouldcausethetendencyofthefalloutpropensityofcombustioncoaltofallrapidly.Thefourparametersofairpermeability，grammage，burnpromotercontentandproportionofpotassiumsaltsinburnpromoterweresortedindescendingorderoftheinfluenceonthecombustioncoalfalloutpropensityasbelow：airpermeability>grammage>proportionofpotassiumsaltsinburnpromoter>burnpromotercontent.Thecombustioncoalfalloutpropensitydecreasedfrom6.3%to2.5%withtheoptimumcigarettepaperparametersofairpermeability50CU，grammage34g·m-2，proportionofpotassiumsaltsinburnpromoter50%，burnpromotercontent1.5%.

關(guān)鍵詞：細(xì)支卷煙;卷煙紙參數(shù);燃燒錐落頭傾向

Keywords：slimcigarette;cigarettepaperparameter;combustioncoalfalloutpropensity

0引言

隨著國內(nèi)煙草市場卷煙降焦減害工程的實(shí)施和低焦油、低危害卷煙理念的推廣，細(xì)支卷煙越來越受到消費(fèi)者的青睞和市場的認(rèn)可，并逐漸發(fā)展成為行業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[1-2].然而，細(xì)支卷煙的煙支較長且橫截面積較小，燃吸過程中易發(fā)生燃燒錐落頭現(xiàn)象，俗稱“掉火頭”.近年來，因燃燒錐掉落影響消費(fèi)者體驗(yàn)的市場反饋日益增多，已成為制約細(xì)支卷煙進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸.

當(dāng)卷煙紙與煙絲的燃燒行為不匹配時(shí)，易導(dǎo)致熄火或燃燒錐脫落[3].考慮到細(xì)支卷煙在煙支物理性質(zhì)、燃燒性能等方面與常規(guī)卷煙存在較大差異，業(yè)界部分學(xué)者針對細(xì)支卷煙的燃燒錐落頭現(xiàn)象進(jìn)行了研究.王亮等[4]分析了細(xì)支卷煙煙絲結(jié)構(gòu)分布與燃燒錐落頭之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)煙絲配方中中短絲比例越高，煙支軸向密度分布越均勻，燃燒錐落頭率越低.喻賽波等[5]研究發(fā)現(xiàn)，煙絲含水率會影響煙絲結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)而影響細(xì)支卷煙燃燒錐落頭率，隨著煙支單重增加、煙絲含水率提升和煙絲中梗簽量的減少，燃燒錐落頭率均呈下降趨勢.以上研究多是分析煙絲對細(xì)支煙燃燒落錐的影響，而卷煙紙作為卷煙的主要輔料，在細(xì)支卷煙中占據(jù)煙支質(zhì)量的9%左右，幾乎是常規(guī)卷煙中所占比例的兩倍[6]，卻鮮見關(guān)于卷煙紙對細(xì)支卷煙燃燒落錐影響的研究成果.喻賽波[7]考察了卷煙紙中助燃劑含量對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭率的影響，發(fā)現(xiàn)其落頭率隨卷煙紙助燃劑用量的減少而降低.鑒于此，本文擬系統(tǒng)考察卷煙紙諸參數(shù)對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響規(guī)律，通過正交試驗(yàn)分析各參數(shù)對燃燒錐落頭傾向的影響程度，確定卷煙紙最優(yōu)參數(shù)組合，旨在改善細(xì)支卷煙產(chǎn)品的燃燒錐落頭問題，為細(xì)支卷煙的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考.

1材料與方法

1.1材料與儀器

根據(jù)國內(nèi)外細(xì)支煙用卷煙紙參數(shù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)23種不同的卷煙紙樣品，并由恒豐紙業(yè)股份有限公司按設(shè)計(jì)要求提供.卷煙紙參數(shù)設(shè)計(jì)如下：定量26g·m-2，28g·m-2，30g·m-2，32g·m-2和34g·m-2;透氣度30CU，40CU，50CU，60CU，70CU和80CU;麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%，20%，60%和100%;灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，18%，21%和24%;助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%，1.2%，1.5%和2.0%;鉀鈉比（助燃劑中檸檬酸鉀與檸檬酸鈉的質(zhì)量比）1GA6FA0，3GA6FA1，1GA6FA1，1GA6FA3和0GA6FA1，即助燃劑中鉀鹽占比為100%，75%，50%，25%和0%.

CFP800A卷煙落錐測試分析儀，合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司產(chǎn);KBF型恒溫恒濕箱，德國Binder公司產(chǎn);ME204電子天平，瑞士MettlerToledo公司產(chǎn);DionexICS-3000離子色譜儀，美國ThermoFisher公司產(chǎn);TYQ500紙張透氣度自動測量儀，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所提供.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1單因素試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)前需對實(shí)驗(yàn)用卷煙紙進(jìn)行檢測，以確定所有卷煙紙的物理參數(shù)實(shí)測值與設(shè)計(jì)值基本一致，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求.以卷煙紙定量28g·m-2，透氣度50CU，助燃劑中鉀鹽占比100%，麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)）18%和助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%為基準(zhǔn)，制備基準(zhǔn)卷煙紙樣品0#.固定煙絲配方和其他輔料，按照每次只變化一種卷煙紙參數(shù)的原則制備細(xì)支卷煙，作為單因素試驗(yàn)樣品，其參數(shù)設(shè)置見表1.

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇卷煙紙的透氣度（A）、定量（B）、助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）和助燃劑中鉀鹽占比（D）4個(gè)因素，

以燃燒錐落頭傾向?yàn)橹笜?biāo)（Y），選用L16（45）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表見表2.

1.2.3卷煙燃燒錐落頭傾向的測定

按照《卷煙燃燒錐落頭傾向的測試》

（YC/T558—2018）[8]的規(guī)定，采用卷煙落錐測試分析儀進(jìn)行卷煙燃燒錐落頭傾向的測定.每個(gè)樣品測試2組，每組40支，以落頭樣品的個(gè)數(shù)占檢測樣品總數(shù)的百分?jǐn)?shù)來計(jì)算落頭傾向，并取兩組結(jié)果的平均值作為檢測結(jié)果.

2結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1卷煙紙的透氣度對燃燒錐落頭傾向的影響

卷煙紙的透氣度對燃燒錐落頭傾向的影響如圖1所示.由圖1可知，隨著透氣度的增加，卷煙燃燒錐落頭傾向呈上升趨勢.對卷煙燃燒錐落頭傾向平均值和卷煙紙透氣度平均值進(jìn)行線性擬合，可得到擬合方程y=0.0857x-1.381，二者存在一定的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.8816）.這可能是因?yàn)榫頍熂埻笟舛鹊脑黾哟龠M(jìn)了空氣向燃燒錐內(nèi)部擴(kuò)散，燃燒過程加劇，從而使燃燒錐的體積增大[9]，導(dǎo)致燃燒錐的穩(wěn)固性下降.

2.1.2卷煙紙的定量對燃燒錐落頭傾向的影響

卷煙紙的定量對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響如圖2所示.由圖2可知，隨著定量的增大，卷煙燃燒錐落頭傾向呈現(xiàn)下降趨勢.有研究[10]表明，增加定量會使卷煙紙的組織結(jié)構(gòu)更疏松，均勻性和自然孔隙度得到改善，紙張燃燒速度加快.因此，推斷在26～34g·m-2范圍內(nèi)，紙張定量的增加可以提高卷煙紙與煙絲燃燒性能的匹配度，從而降低細(xì)支卷煙燃燒錐的落頭傾向.

2.1.3卷煙紙中麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燃燒錐落頭傾向的影響

卷煙紙的紙漿類型包括木漿和麻漿，在木漿中添加麻漿可以增加卷煙紙中麻漿纖維的含量，麻漿纖維可以改善紙張松厚性，有助于提高卷煙紙的透氣度，進(jìn)而調(diào)節(jié)煙支的燃燒性能[11-12].細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向隨卷煙紙中麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況如圖3所示.由圖3可知，隨著紙漿中麻漿纖維添加量的增加，燃燒錐落頭傾向顯著增大.

2.1.4卷煙紙中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燃燒錐落頭傾向的影響

卷煙紙的主要組分是天然纖維和無機(jī)填料

（如CaCO3），其中無機(jī)填料的添加比重約為30%～40%.常用的填料CaCO3具有助燃作用，灼燒后分解為CaO，適量添加CaCO3可調(diào)節(jié)卷煙紙的燃燒速率;隨著CaCO3添加量的增加，卷煙紙的透氣度也會相應(yīng)增大[10-11].

卷煙紙中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燃燒錐落頭傾向的影響如圖4所示.由圖4可知，隨著卷煙紙中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的增加，細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向整體呈上升趨勢.

2.1.5卷煙紙中助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和助燃劑中鉀鹽占比對燃燒錐落頭傾向的影響

在卷煙紙中加入助燃劑，可以通過放熱反應(yīng)增加煙支燃燒時(shí)的溫度，從而提高紙張燃燒速度，目前大多采用檸檬酸鹽（檸檬酸鉀和檸檬酸鈉）作為助燃劑[11-13].卷煙紙中助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和助燃劑中鉀鹽占比對燃燒錐落頭傾向的影響分別如圖5和圖6所示.由圖5可知，隨著助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向稍有降低.該現(xiàn)象與喻賽波[7]的報(bào)道不符，可能是因?yàn)橹紕┡浞讲煌?

由圖6可知，卷煙燃燒錐落頭傾向會隨著助燃劑中鉀鹽占比的增加出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象.這可能是因?yàn)榻饘匐x子的種類與用量不同，也會影響紙張的燃燒性能：鉀離子可以促進(jìn)燃燒，而鈉離子則易導(dǎo)致卷煙紙燃燒后灰片的粘結(jié)[3].當(dāng)助燃劑中鉀鹽占比逐漸增大時(shí)，鈉鹽占比則相應(yīng)降低，卷煙紙的燃燒速率隨之增大，但同時(shí)包灰性能下降.

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析見表3.由表3中各因素的極差R值可知，4個(gè)因素在取值范圍內(nèi)對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響大小依次是透氣度>定量>助燃劑中鉀鹽占比>助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù).卷煙紙各參數(shù)較優(yōu)組合是透氣度50CU，定量32g·m-2或34g·m-2，助燃劑中鉀鹽占比50%，助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%或1.5%.

2.3卷煙紙參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果

以卷煙紙透氣度50CU，定量34g·m-2，鉀鹽占比50%，麻漿、灰分和助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，18%和1.5%的最優(yōu)參數(shù)制備卷煙紙并卷制煙支樣品，測定其燃燒錐落頭傾向，與基準(zhǔn)樣品進(jìn)行對照，結(jié)果如圖7所示.由圖7可知，基準(zhǔn)樣品的燃燒錐落頭傾向?yàn)?.3%，調(diào)整至最優(yōu)卷煙紙參數(shù)后，細(xì)支卷煙的燃燒錐落頭傾向降至2.5%，說明優(yōu)化卷煙紙參數(shù)對改善細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向有積極的影響.

3結(jié)論

本文采用單因素試驗(yàn)研究了卷煙紙參數(shù)（定量、透氣度、麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和助燃劑中鉀鹽占比）對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響.在此基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對卷煙紙參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化.結(jié)果表明：在所考察的卷煙紙各參數(shù)中，透氣度、麻漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大均可導(dǎo)致細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的顯著上升;卷煙紙定量的增加則可以降低燃燒錐的落頭傾向;改變助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燃燒錐落頭傾向無顯著影響，而隨著助燃劑中鉀鹽占比的增加，燃燒錐落頭傾向呈先降低后上升的趨勢，鉀鹽占比過高可使燃燒錐落頭傾向迅速增大;對細(xì)支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響大小依次為透氣度>定量>助燃劑中鉀鹽占比>助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，卷煙紙最優(yōu)參數(shù)組合為透氣度50CU，定量34g·m-2，助燃劑中鉀鹽占比50%，助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，以該參數(shù)準(zhǔn)備卷煙紙并卷制煙支樣品，與基準(zhǔn)樣品相比，燃燒錐落頭傾向由優(yōu)化前的6.3%降至2.5%，細(xì)支卷煙的“掉火頭”現(xiàn)象明顯改善.

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