加熱不燃燒卷煙煙氣降溫技術(shù)研究進展

郭新月，楊占平，宋曉梅，徐陽*

1 生態(tài)紡織教育部重點實驗室（江南大學），紡織科學與工程學院，江蘇無錫濱湖區(qū)蠡湖街道1800號 214122；2 南通醋酸纖維有限公司，江蘇南通鐘秀中路109號 226008

傳統(tǒng)卷煙點燃后最高溫度近千攝氏度，煙草高溫燃燒裂解可釋放出大量化學物質(zhì)，其中部分有害成分在人體內(nèi)累積到一定程度會對人體健康造成損害，因此，其各類替代物，如口含煙、嚼煙、電子霧化煙、加熱不燃燒卷煙（heat-not-burn cigarette，HnB 卷煙）等新型煙草制品廣泛出現(xiàn)在市場上。在各類新型煙草制品中，HnB 卷煙在抽吸質(zhì)量與抽吸習慣上均接近傳統(tǒng)卷煙。

由于以密閉加熱代替燃燒使煙草成分蒸餾和裂解釋放煙氣，且加熱溫度在200℃～400℃，HnB 卷煙產(chǎn)生的有害成分減少、無陰燃，有害成分釋放量相對較低，但與此同時其釋放煙氣量與煙氣濃度較低。為滿足吸煙者要求，此類卷煙一般長度較短、煙氣吸阻較低，以改善入口煙氣口感。文獻表明傳統(tǒng)卷煙煙氣在被吸入消費者口腔之前經(jīng)煙條與濾棒過濾后，溫度會有所下降，但到達口腔的主流煙氣溫度仍能夠達到35℃～90℃[1]，在抽吸接近結(jié)束的前2～3 口抽吸時，濾嘴端的煙氣溫度最高可達70℃～80℃，在深度抽吸模式下濾嘴端的煙氣溫度最高溫度可達100℃左右[2]，無濾棒卷煙煙氣主流溫度還要提高28%左右[3]，消費者之所以未感覺灼熱是因為煙氣相對干燥，而HnB 卷煙產(chǎn)生的氣溶膠雖然本身溫度較低，但由于加熱溫度低，煙氣含水量高，且煙氣通路縮短，到達口腔的主流煙氣感官溫度還要高于傳統(tǒng)卷煙[4]。

調(diào)查顯示，與飲用常溫茶（低于60℃）的人群相比，經(jīng)常飲用熱茶（60℃～64℃）及燙茶（高于65℃）的人群患食道癌的風險分別增加2.07 倍及8.16 倍[5]；每飲用1 mL 65℃的咖啡，食道內(nèi)平均溫度可上升0.381℃[6]。一般情況下，同一參比狀態(tài)下，同一物質(zhì)固、液、氣態(tài)熱焓量依次增加[7]，即其熱能含量依次增加，也即攝取同樣溫度的固、液、氣體時，人體的感官溫度依次增加，因此消費者吸食HnB 卷煙時會有一定的灼熱感，且對消費者口腔黏度、氣管粘膜等造成一定損傷，卷煙抽吸后段由于煙氣熱交換時間的進一步縮短導致灼熱感更甚，影響卷煙抽吸品質(zhì)。目前國內(nèi)外在此方面進行了大量研究，研究成果主要以專利的形式呈現(xiàn)，其降溫措施主要集中在添加降溫材料和設(shè)計降溫結(jié)構(gòu)兩方面。

1 添加降溫材料

要實現(xiàn)HnB 卷煙的煙氣降溫，最簡單可行的方案是通過在卷煙過濾段添加降溫材料，如吸熱材料、儲熱材料、導熱材料等，實現(xiàn)煙氣熱量的轉(zhuǎn)移。

1.1 相變降溫材料

1.1.1 聚乳酸類相變降溫材料

菲利普莫里斯生產(chǎn)公司（Philip Morris Products S.A.，下文簡稱PMP 公司）最早提出利用表面褶皺的聚乳酸薄片作為氣霧冷卻元件，將其折疊聚集形成多條縱向延伸的通道后包裹在包裹材料中形成柱狀濾棒。一方面高溫煙氣在穿過聚乳酸聚合體時會使其達到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，聚乳酸發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變吸熱，消耗煙氣熱能；另一方面煙氣中的水蒸汽經(jīng)過聚乳酸聚合體時會在其表面凝結(jié)，使煙氣被干燥，感官溫度較濕潤煙氣低[8-9]。經(jīng)測試，該冷卻元件可使入口煙氣溫度降低14℃～23℃。由于卷曲的聚乳酸片材較為昂貴，PMP 公司又提出在HnB 卷煙中加入了一段中空管替代部分聚乳酸冷卻元件段，使卷煙總長不變[10]。

在聚乳酸薄片的實際使用中，人們發(fā)現(xiàn)聚乳酸薄片與高溫煙氣接觸發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變后會出現(xiàn)熔化粘結(jié)現(xiàn)象，最先接觸煙氣的薄片端黏連和塌陷嚴重，甚至堵塞縱向延伸的煙氣通道，煙氣不再流經(jīng)聚乳酸薄片內(nèi)部，降低了煙氣與冷卻元件的接觸面積，導致煙氣溫度過高，吸阻過大、煙氣濃度受到影響，消費者抽吸品質(zhì)下降[11]。為改善這一問題，可在聚乳酸薄片降溫段縱向貫穿開孔，有利于薄膜熔融收縮后留下的空間和后段薄膜的孔形成煙氣通道，保持煙氣通道的順暢性[12]；還可通過在薄片表面（一面或兩面）覆蓋透氣性和導熱性良好的多孔支撐材料加以改善[11]。

作為各煙草公司相變降溫材料的首選，各類形態(tài)的聚乳酸材料均可用于HnB 卷煙的煙氣降溫，表1列舉了使用聚乳酸作為降溫材料的相關(guān)專利及其降溫效果。

表1 使用聚乳酸作為降溫材料的相關(guān)專利及其降溫效果Tab.1 Related patents on the use of poly (lactic acid) as cooling materials and its cooling effect

1.1.2 聚乙二醇類相變降溫材料

除聚乳酸材料外，聚乙二醇也是HnB 卷煙中使用頻率較高的一類相變材料，可將低、中、高分子量聚乙二醇以一定比例混合后再與香味物質(zhì)混合，噴灑在濾嘴絲束上得到緩釋香味的降溫濾棒[26-27]；或?qū)⒕垡叶寂c丙二醇、十六醇混合后制成顆粒態(tài)、圓形帶狀或涂料態(tài)吸熱凝膠添加到濾棒中，可以降低煙氣溫度1℃～8℃[1]；還可將聚乙二醇與十六醇、煙用香味物質(zhì)制成熱感緩釋凝膠涂布在用于卷制紙管最內(nèi)層紙的內(nèi)表面上，再與其他未涂布熱感緩釋凝膠的紙張以螺旋方式粘結(jié)、卷制成紙管，可降低煙氣溫度1℃～7℃[28]。在上述研究的基礎(chǔ)上，專利[29-30]進一步發(fā)現(xiàn)當混合聚乙二醇相變材料中含低分子量聚乙二醇、中等分子量聚乙二醇和高分子量聚乙二醇中的至少兩種時降溫效果較好，可將滿足上述分子量條件的聚乙二醇混合后涂覆在表面（一面或兩面）有褶皺形紋路的紙張或紙張材料制成的圓管或?qū)嵭陌羯?，用成型紙包裹后形成降溫元件?/p>

1.1.3 水合鹽類相變降溫材料

小六子早已不在了，可能是與他的母親吵翻了臉，一氣之下就去了西山煤窯，直到西山出事的這天，再沒有回自己家里。

結(jié)晶水合鹽是一類常見的無機低溫固-液相變材料，也可用于HnB 卷煙的煙氣降溫，常用十水硫酸鈉、十水四硼酸鈉、七水合硫酸亞鐵、十二水合硫酸鋁鉀、十二水磷酸氫二鈉、七水合硫酸鎂、五水合硫酸銅中的一種或幾種混合[31-35]，可將其浸漬到膨脹石墨中，經(jīng)干燥、結(jié)晶后添加到濾棒的靠煙絲端和/或靠近濾棒中間位置或者將其混合到整個濾棒的纖維絲束中[31]，也可將其加熱熔融后直接噴灑或浸泡在卷煙過濾嘴的濾棒上[32]，或?qū)⑵涮砑拥郊垵{漿液中得到含有結(jié)晶水化合物的原紙，原紙折疊或卷制形成縱向貫穿的通道，成型紙包裹后形成卷煙降溫段[34]，還可通過溶液浸沒法、涂布法、噴淋法、粉末膠黏法中的一種將其負載到紙質(zhì)載體上，可將煙氣溫度降低10℃以上[35]。

1.1.4 其他類型相變降溫材料

表2 列舉了除上述材料外，還可用于HnB 卷煙煙氣降溫的相變材料及其降溫效果。

表2 可用于HnB 卷煙煙氣降溫的其他相變材料及其降溫效果Tab. 2 Other phase-change materials used for smoke cooling of heat-not-burn cigarette and their cooling effects

1.2 水性降溫材料

液態(tài)水的比熱容為4.2×103（J/kg·℃），是一種天然高效的儲熱材料，因此蒸發(fā)降溫是一種較為有效和廉價的方法，主要是利用水分的蒸發(fā)吸熱達到降溫的目的，一般需通過特定手段將液態(tài)水進行封裝后在HnB 卷煙中作為降溫材料使用，防止打濕卷煙、導致卷煙發(fā)霉等；此外，有一類化學物質(zhì)溶于水時會發(fā)生吸熱反應(yīng)，主要是銨鹽和硝酸鹽類物質(zhì)，如硝酸銨、硝酸鈉、亞硝酸鈉等，可利用這一特性進一步強化HnB 卷煙的煙氣降溫。表3 列舉了使用水性降溫材料的相關(guān)專利及其降溫效果。

2 降溫結(jié)構(gòu)設(shè)計

除通過在HnB 卷煙中添加可以吸熱、儲熱、導熱的添加物以達到降低煙氣溫度的目的外，還可結(jié)合卷煙結(jié)構(gòu)的調(diào)整加強煙氣降溫效果，如利用空腔緩沖儲熱、加長煙氣通道、加強煙氣與外界環(huán)境的熱交換等。

2.1 空腔降溫結(jié)構(gòu)

理論上煙氣的流通過程就是自然冷卻的過程，即便不采取其他降溫措施，只要距離夠長，中空空腔也能實現(xiàn)降溫的目的，此外，中空空腔結(jié)合通風氣孔使用，能夠進一步加快氣溶膠冷卻速率，提高入口煙氣舒適度。專利[51]在煙絲段與醋纖段之間設(shè)置由耐熱硬質(zhì)材料制成的中空緩沖段用于煙氣降溫，也可在其上靠近嘴端一側(cè)及對應(yīng)位置外包成型紙上均設(shè)置沿圓周分布的通孔，進一步強化冷卻過程[52]；專利[53]在分流段與嘴端間設(shè)置空腔混合室，并設(shè)置通風氣孔，使高溫煙氣進入口腔前進行充分混合稀釋，達到降溫目的；專利[54]同樣在煙草段與過濾段之間設(shè)置有由熱塑塑料圍成的橫截面積小于兩端的冷卻段，一方面用于冷卻煙氣，另一方面也可通過縮小煙氣通道增加煙草段的使用時間；也可在卷煙結(jié)構(gòu)中采用雙空腔結(jié)構(gòu)[12,37,55]，配合高透或打孔成型紙，提高環(huán)境空氣與高溫煙氣之間的接觸。此外，還可采用縱向含多條直通通道的多空腔降溫結(jié)構(gòu)，如專利[56]在有一定剛度實心柱體內(nèi)形成從中心向徑向擴散的沿軸向基本平行的大部分具有六邊形或大體六邊形截面形狀的通孔或在柱狀棒內(nèi)插入彼此平行縱向延伸貫穿的中空管；專利[18]采用空腔段與多空腔段配合使用，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。另外，還可通過在空腔內(nèi)加入氣流擋板，加強煙氣的碰撞與熱量損失，從而達到降低煙氣溫度的目的，如專利[57]在垂直于空腔軸向設(shè)截流隔板，隔板上設(shè)節(jié)流通孔，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，高溫煙氣通過空腔時，在各區(qū)域內(nèi)形成緩沖擴散與節(jié)流壓降，可實現(xiàn)分段式節(jié)流降溫的目的；專利[58]將隔板數(shù)量減小至兩個，且設(shè)置在空腔兩端。

表3 使用水性降溫材料的相關(guān)專利及其降溫效果Tab.3 Related patents on the use of water-based materials as cooling materials and their cooling effect

圖1 空腔/多空腔復(fù)合降溫結(jié)構(gòu)[18]Fig.1 The compound cooling structure of cavity/multiple cavity[18]

圖2 含通孔的截流隔板降溫結(jié)構(gòu)[57]Fig.2 The cooling structure of intercepting partition with through-hole[57]

2.2 加長煙氣通道

僅通過空腔雖然在一定程度上也能實現(xiàn)HnB 卷煙煙氣降溫的目的，但降溫效率有待增強，且其有效降溫是建立在空腔達到一定長度的基礎(chǔ)上，而這會導致卷煙總長過度延長，進而帶來煙氣濃度的下降，影響抽吸感受等問題，因此要在卷煙總長一定的前提下加長煙氣通道，同時可進一步通過降溫材料的配合，實現(xiàn)降溫幅度的提高、降溫速度的加快。

日本煙草公司采用平行于橫截面盤繞的螺旋形彎曲通道作為煙氣冷卻通道，其俯視圖如圖3 所示，劃線處為煙氣流通路徑，通道表面還設(shè)有周期性隆起的突出部，更有利于煙氣碰撞換熱，加大煙氣降溫幅度[59]。

韓國煙草人參公社采用纖維束編織管降溫結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，編織管至少含一個縱向直通通道，可用于填充纖維束、直徑適宜的另一纖維編織管或卷曲的相變纖維材料片，強化煙氣冷卻效果。該編織管結(jié)構(gòu)可以使高溫煙氣在纖維絲之間流動，并可隨纖維束的編織結(jié)構(gòu)形成旋風狀，加長煙氣的流通路徑、增加煙氣在冷卻結(jié)構(gòu)中的停留時間，優(yōu)化煙氣降溫效果[25]。

還可通過使煙氣在一定長度內(nèi)來回彎折流動的方式加長煙氣通道，如在空腔內(nèi)設(shè)置多個上下交錯平行排列的氣流隔板[60]（如圖5 所示），可降低入口煙氣的溫度至低于45℃，或直接通過注塑成型的方式將降溫元件加工成交錯彎折結(jié)構(gòu)（如圖6 所示），彎折處可采用直角結(jié)構(gòu)（如圖6(a)所示），也可采用圓角結(jié)構(gòu)（如圖6(b)所示）[18]。

專利[61]中采用的降溫元件為內(nèi)設(shè)三個及以上奇數(shù)個子腔體的管狀結(jié)構(gòu)，每個子腔體內(nèi)設(shè)有多個交錯分布的平行折流件，N 個子腔體首尾依次連通，組成一個整體折流通道，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

專利[62]將HnB 卷煙的濾嘴加工成螺旋形空心管，其空腔為螺旋形煙氣流道，使煙氣能在其內(nèi)螺旋流動，增長煙氣流道、快速降低煙氣溫度；或濾嘴采用多孔柱狀材料加工成的實心螺旋形結(jié)構(gòu)，且螺旋形結(jié)構(gòu)表面經(jīng)熱塑處理或其他處理，使其表面除螺旋形流道外的部分均不透氣，螺旋形結(jié)構(gòu)表面的煙氣只能沿螺旋流動，增長煙氣流道、快速降低煙氣溫度。

專利[63]將濾棒包卷紙經(jīng)加溫、壓皺、成型工藝后在其表面形成一種凸凹的褶皺，使高溫煙氣的流動路線由原來的直線型轉(zhuǎn)變成曲折波浪型，加長煙氣流通通道，降低煙氣的溫度。

圖3 螺旋煙氣通道降溫結(jié)構(gòu)[59]Fig. 3 The cooling structure of spiral flue gas passage[59]

圖4 纖維束編織管降溫結(jié)構(gòu)[25]Fig. 4 Cooling structure of fiber bundle braided tube[25]

圖5 平行交錯氣流隔板降溫結(jié)構(gòu)[60]Fig. 5 The cooling structure of parallel staggered flow baffles[60]

圖6 注塑成型彎折煙氣通道降溫結(jié)構(gòu)[18]Fig. 6 The cooling structure of injection molding bending flue gas passage[18]

圖7 多腔體折流煙氣通道降溫結(jié)構(gòu)[61]Fig. 7 The cooling structure of multi-cavity baffling flue gas passage [61]

2.3 文丘里管降溫結(jié)構(gòu)

文丘里管是指沿縱向橫截面積由大變小再變大的管狀體，也可將其應(yīng)用于HnB 卷煙的煙氣降溫領(lǐng)域，一方面高溫煙氣在流通過程中依次經(jīng)歷由粗變細再變粗的過程時，將先后經(jīng)過壓縮和膨脹兩個狀態(tài)實現(xiàn)冷卻，另一方面煙氣在通道由細變粗的瞬間會形成較強的負壓，如果與高透或打孔成型紙配合，將有利于外界冷空氣進入與煙氣混合稀釋降溫[64]。專利[64-67]提出了如下幾種文丘里管降溫結(jié)構(gòu)，如圖8(a)、(b)、(c)、(d)所示。圖8(b)將HnB 卷煙中用于形成文丘里管的三段直徑不同的空管簡化為尖端相對的兩段錐形空管[65]；圖8(c)中由于文丘里管的負壓作用，煙氣流出小直徑氣流隧道段時在空腔段內(nèi)匯聚紊流且與外界進行充分的熱量交換，小直徑氣流隧道段本身也可構(gòu)成文丘里管結(jié)構(gòu)，加劇氣流流動過程中體積的變化及負壓作用，加強降溫效果，可降低煙氣溫度6～8℃[66]；圖8(d)將過濾段遠離嘴端一側(cè)設(shè)為中空段，與前道一同構(gòu)成文丘里管，達到降溫效果的同時減少了過濾材料的用量，可將煙氣溫度降低到39℃以下[67]。專利[68]同樣通過在冷卻段周向設(shè)置錐形通風孔，利用文丘里效應(yīng)加速氣體流動，促使冷卻段形成渦流，進而實現(xiàn)降溫的目的。

3 多種降溫方式復(fù)合

添加降溫材料和降溫結(jié)構(gòu)設(shè)計作為降低HnB 卷煙煙氣入口溫度的兩大技術(shù)突破點常常復(fù)合使用，且卷煙中也可含多種降溫材料或降溫結(jié)構(gòu)。如將聚乙二醇復(fù)合相變材料溶液噴灑到聚乳酸絲束上得到降溫濾棒[27]；彎折通道之前加入空腔段對高溫煙氣進行緩沖、匯聚和初步降溫[18]；在降溫材料段兩側(cè)設(shè)置雙中空嘴棒結(jié)構(gòu)[12,37,55]，讓嘴棒在兩次抽吸的間隔時間內(nèi)與環(huán)境冷空氣及降溫材料進行充分接觸等。此外，上述降溫結(jié)構(gòu)中的各管材、隔板、通道壁材等均可采用降溫材料構(gòu)造或表面涂覆降溫材料來加速煙氣冷卻過程，以期達到降溫效果的優(yōu)化。

圖8 文丘里管降溫結(jié)構(gòu)[64～67]Fig. 8 Cooling structure of Venturi tube [64-67]

4 結(jié)論與展望

本文對近年來HnB 卷煙煙氣降溫技術(shù)相關(guān)專利進行了匯總與分析，目前的降溫措施主要集中在添加吸熱降溫材料和設(shè)計降溫結(jié)構(gòu)兩方面，基本能滿足降溫需求，但仍有一定的提升空間，未來可從以下幾個方面進行深入研究，進一步提高降溫幅度及效率。

首先，目前使用較為成熟的降溫材料主要為聚乳酸，且主要利用其玻璃化轉(zhuǎn)變過程吸熱降溫，一方面成本較高，另一方面對其相變潛熱造成一定的浪費，未來可加大對低成本、高吸熱效率、安全環(huán)保無污染降溫材料的開發(fā)。此外，應(yīng)注意降溫材料與消費者的接觸安全性問題，對其進行安全有效的封裝。

其次，本文提及的降溫結(jié)構(gòu)大多是較為復(fù)雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可對其進行進一步簡化達到所需的降溫效果，同時為實現(xiàn)理論技術(shù)的實際轉(zhuǎn)化，還需進一步考慮降溫結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)性與可操作性。

最后，本文資料來源多為國內(nèi)外煙草企業(yè)專利，除少數(shù)降溫措施外，大多缺乏市場實際應(yīng)用與實踐，且專利中涉及到的參數(shù)及優(yōu)化調(diào)整也較少，未來需針對上述降溫措施的實際應(yīng)用效果進行模擬和表征，針對重要參數(shù)進行必要的測試與優(yōu)化，如降溫材料添加量（若為復(fù)合降溫材料還需探討其配比等）、降溫模型輪廓數(shù)值（長度、厚度、數(shù)量等），切實做好專利的實際技術(shù)轉(zhuǎn)化。