卷煙用爆珠壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化

李龍津,喬 樅,顧文博,李天鴻,華 青

(上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,上海 200082)

早在20世紀(jì)60年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了膠囊技術(shù)應(yīng)用于煙草行業(yè)的先例[1]。近幾年，爆珠卷煙飛速發(fā)展，給消費(fèi)者帶來(lái)了更多的產(chǎn)品體驗(yàn)，也廣泛得到了卷煙企業(yè)的青睞。傳統(tǒng)卷煙的加香技術(shù)主要施加在煙絲中，添加的香料一般會(huì)在卷煙燃燒過(guò)程中出現(xiàn)損耗;同時(shí)還會(huì)在高溫下與煙草的燃燒產(chǎn)物發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)使得效果難以預(yù)測(cè);另外在煙草制品長(zhǎng)期放置過(guò)程中也會(huì)存在香料流失的情況。爆珠作為一種新型有效的卷煙加香載體，在煙氣經(jīng)過(guò)濾嘴時(shí)完成加香、補(bǔ)香過(guò)程，解決了傳統(tǒng)加香方式中存在的香料易流失及易在高溫下發(fā)生反應(yīng)等問(wèn)題；同時(shí)擠破爆珠的過(guò)程也給消費(fèi)者帶來(lái)了更加豐富的個(gè)性化體驗(yàn)。

隨著爆珠使用量的增加，對(duì)爆珠質(zhì)量的控制和評(píng)價(jià)越發(fā)重要，主要通過(guò)檢測(cè)爆珠的化學(xué)性能和物理性能來(lái)評(píng)價(jià)其質(zhì)量。在化學(xué)性能方面已經(jīng)有爆珠內(nèi)含物的檢測(cè)，爆珠中甲醛與乙醛的檢測(cè)，壁材中色素的檢測(cè)等研究報(bào)道[2-4]；而在物理性能檢測(cè)方面，僅有少量關(guān)于爆珠壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)裝置及方法的專利[5-7]，更少見(jiàn)相關(guān)的方法標(biāo)準(zhǔn)和研究報(bào)道，也沒(méi)有統(tǒng)一的檢測(cè)儀器。因此，筆者在試驗(yàn)室通用力學(xué)儀器上探索并建立了一種檢測(cè)爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的方法，為爆珠的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了保障，以期為爆珠力學(xué)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供幫助。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用INSTRON 3342型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是以伺服電機(jī)提供動(dòng)力的機(jī)器，是主要的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，其具有多種加載方式，可進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等靜態(tài)力學(xué)性能的檢測(cè)，具有系統(tǒng)可靠、響應(yīng)快、間隙小、噪聲低、加載平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

選用粒徑約為3.5 mm和2.8 mm的兩種爆珠，其中粒徑為2.8 mm的爆珠只在方法重復(fù)性驗(yàn)證時(shí)使用。

1.2 試驗(yàn)原理

壓縮試驗(yàn)是試樣受軸向遞增的單向壓縮力，且力和變形可連續(xù)地或按有限增量被檢測(cè)[9]。爆珠壓破強(qiáng)度是爆珠被壓碎瞬間的載荷，也是爆珠能承受的最大壓縮載荷[10]。爆珠變形量是從爆珠開(kāi)始?jí)嚎s到最大載荷時(shí)的位移，因此爆珠的壓破強(qiáng)度和變形量都可以利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)得。

1.3 試驗(yàn)方法和條件

利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的軟件編程設(shè)置預(yù)壓力、壓縮速率、結(jié)束條件等參數(shù)。在不同的樣本量、平衡時(shí)間、樣品臺(tái)孔徑、預(yù)壓力和壓縮速率下進(jìn)行試驗(yàn)，從而確定檢測(cè)方法的最優(yōu)參數(shù)。

試驗(yàn)選擇10，30，50顆3種不同的樣本量；樣品在溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(60±3)%條件下分別平衡0，24，48 h(小時(shí))和10 d(天)。試驗(yàn)時(shí)樣品放在孔徑為0，1，2，2.5 mm的樣品臺(tái)小孔上；設(shè)置預(yù)壓力分別為0.01，0.05，0.10 N，當(dāng)壓頭與樣品間的壓力達(dá)到預(yù)壓力后開(kāi)始計(jì)算壓縮位移；樣品與壓頭接觸后，壓頭的壓縮速率分別設(shè)置為5，10，15，20 mm·min-1。最后用兩種不同粒徑的煙用爆珠對(duì)建立檢測(cè)方法的重復(fù)性進(jìn)行測(cè)試，以確定該方法的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

檢測(cè)結(jié)果的處理可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[11]。在對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理前，先進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),再進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。對(duì)于樣本來(lái)自正態(tài)總體且樣本量較小的試驗(yàn)，采用正態(tài)性檢驗(yàn)中的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(Anderson Darling，簡(jiǎn)稱AD)方法較為合適[12]。采用單因素方差分析的目的是通過(guò)分析各樣本之間的差異，來(lái)檢驗(yàn)各樣本總體效應(yīng)之間的差異，從而確定該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果是否有顯著影響，之后采用置信度為95%的圖基法(Tukey法)單因素方差分析對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)組之間的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較[13]。

2.1 樣本量的確定

樣本量是檢測(cè)方法中的一項(xiàng)重要參數(shù)，選擇一個(gè)合理的樣本量對(duì)于檢測(cè)方法的穩(wěn)定性至關(guān)重要。樣本量過(guò)小，檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有代表性；樣本量過(guò)大，則影響檢測(cè)效率?，F(xiàn)選取10，30，50顆爆珠作為樣本量進(jìn)行測(cè)試，其他參數(shù)保持一致，研究不同樣本量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著樣本量的增加，壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)結(jié)果基本相同，但相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差則隨著樣本量增大而減小。當(dāng)樣本量為50顆時(shí)，壓破強(qiáng)度和變形量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都最小，但是與30顆樣本量的相差不大。

表1 不同樣本量下爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection results of crushing strength and deformationamount in different sample sizes of breakable capsules

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，在置信度為95%時(shí)采用AD檢驗(yàn)，結(jié)果表明全部數(shù)據(jù)分布的p值都大于0.05，即3種樣本量的壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)結(jié)果均符合正態(tài)分布。

總體均值的置信區(qū)間是由樣本均值和估計(jì)誤差兩部分組成，在重復(fù)抽樣或無(wú)限總體抽樣條件下，估計(jì)誤差E為

(1)

式中：E為所希望達(dá)到的估計(jì)誤差；Zα/2的值由區(qū)間估計(jì)中用到的置信水平確定，此值可查表得到；σ為總體標(biāo)準(zhǔn)偏差，實(shí)際中可以用類似樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差代替；n為樣本量。

再用F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度比較，如表2所示?？芍藰颖玖繛?0的壓破強(qiáng)度結(jié)果精確度偏小，其他樣本量的準(zhǔn)確度和精確度都和樣本量為50的結(jié)果相等。上述分析結(jié)合工作效率可知，選用50顆爆珠作為樣本量是較優(yōu)的選擇。

表2 不同樣本量下檢測(cè)結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度Tab.2 Precision and accuracy of the detection results indifferent sample sizes

2.2 平衡時(shí)間的確定

為確定合適的平衡條件，根據(jù)GB/T 16447-2004《煙草及煙草制品 調(diào)節(jié)和測(cè)試的大氣環(huán)境》的技術(shù)要求選擇了與卷煙濾棒相同的平衡條件，即在溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(60±3)%的條件下，選取0，24，48 h和10 d四種平衡時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，其他參數(shù)保持一致，研究不同平衡時(shí)間對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)Tukey法單因素方差分析可知，在置信度為95%時(shí)壓破強(qiáng)度t檢驗(yàn)的p值為0.554，大于0.05。各平衡時(shí)間下的置信區(qū)間都有交集，說(shuō)明在不同平衡時(shí)間下各壓破強(qiáng)度的平均值無(wú)顯著性差異。爆珠壓破強(qiáng)度隨著平衡時(shí)間的增加也沒(méi)有呈現(xiàn)趨勢(shì)性變化。這可能是因?yàn)楸榈膲浩茝?qiáng)度是由壁材的分子間作用力決定的，上述平衡條件未對(duì)壁材分子間作用力產(chǎn)生較大的影響，所以壓破強(qiáng)度基本不變。

表3 不同平衡時(shí)間爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Detection results of crushing strength and deformationamount in different equilibration time of breakable capsules

根據(jù)Tukey法單因素方差分析可知，在置信度為95%時(shí)，變形量t檢驗(yàn)的p值為0.022，小于0.05。各水平的置信區(qū)間互相有交集，說(shuō)明在不同平衡時(shí)間下變形量的平均值有顯著性差異。比較未平衡和平衡10 d的樣品，其變形量檢測(cè)結(jié)果有顯著性差異；其他組之間都無(wú)顯著性差異。平衡10 d爆珠的變形量平均值明顯高于前3種平衡時(shí)間下的爆珠變形量。說(shuō)明在平衡足夠長(zhǎng)時(shí)間后爆珠軟化，使得變形量增加。在平衡0～48 h之間，環(huán)境條件對(duì)爆珠的影響沒(méi)有明顯大于爆珠本身的組織性能波動(dòng)，使得變形量沒(méi)有明顯的趨勢(shì)性變化。

對(duì)比4個(gè)平衡時(shí)間下壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以發(fā)現(xiàn)壓破強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在小范圍內(nèi)波動(dòng)，而變形量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差則隨著平衡時(shí)間的增加而增大，平衡10 d時(shí)爆珠變形量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前3種的。這是由于爆珠本身受環(huán)境影響產(chǎn)生的軟化程度不同。

由于爆珠樣品可能經(jīng)過(guò)了不同的包裝和運(yùn)輸過(guò)程，為了消除這一過(guò)程對(duì)爆珠產(chǎn)生的影響，宜選擇平衡。經(jīng)過(guò)上述比較可知，平衡0～48 h的檢測(cè)結(jié)果基本相同，因此選取中間值,平衡24 h。

2.3 樣品臺(tái)孔徑的確定

為研究不同樣品臺(tái)孔徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，選擇0，1，2，2.5 mm孔徑的樣品臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，其他參數(shù)保持一致，結(jié)果如表4所示。根據(jù)Tukey法單因素方差分析可知，壓破強(qiáng)度t檢驗(yàn)的p值為0，小于0.05，說(shuō)明在不同孔徑的樣品臺(tái)下，壓破強(qiáng)度有顯著性差異。其中無(wú)孔徑樣品臺(tái)和1 mm孔徑的樣品臺(tái)的壓破強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著性差異，其他兩組結(jié)果之間都有顯著性差異，并且隨著孔徑增大壓破強(qiáng)度也增大。

表4 不同樣品臺(tái)孔徑時(shí)爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Detection results of crushing strength and deformationamount in different bore diameter of sample table forbreakable capsules

根據(jù)單因素方差分析可得變形量t檢驗(yàn)的p值為0，小于0.05，說(shuō)明在上述不同孔徑的樣品臺(tái)下，變形量有顯著性差異。1，2，2.5 mm孔徑樣品臺(tái)的變形量檢測(cè)結(jié)果之間無(wú)顯著性差異。而無(wú)孔徑樣品臺(tái)的變形量與其他幾組的結(jié)果存在顯著性差異，且其結(jié)果是最大的。

從上述結(jié)果分析可知，樣品臺(tái)孔徑對(duì)爆珠壓破強(qiáng)度和變形量都有顯著影響，比較不同樣品臺(tái)孔徑下檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，也無(wú)法確定一個(gè)最優(yōu)的樣品臺(tái)參數(shù)，為了更接近人手捏爆珠的實(shí)際情況，選擇無(wú)孔的樣品臺(tái)。

2.4 預(yù)壓力的確定

設(shè)置0.01，0.05，0.1 N 3種預(yù)壓力進(jìn)行測(cè)試，其他參數(shù)保持一致，研究不同預(yù)壓力對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。壓破強(qiáng)度和變形量的結(jié)果如表5所示。根據(jù)Tukey法單因素方差分析可知，壓破強(qiáng)度t檢驗(yàn)的p值為0.234，大于0.05，說(shuō)明在上述的不同預(yù)壓力下，壓破強(qiáng)度無(wú)顯著性差異，也說(shuō)明預(yù)壓力對(duì)壓破強(qiáng)度無(wú)顯著影響。

表5 不同預(yù)壓力下爆珠壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)結(jié)果Tab.5 Detection results of crushing strength and deformationamount in different pre-pressure of breakable capsules

根據(jù)Tukey法單因素方差分析可知，變形量t檢驗(yàn)的p值為0.007，小于0.05，說(shuō)明不同預(yù)壓力下，變形量有顯著性差異，且變形量隨著預(yù)壓力的增大而減小。這是由于預(yù)壓力是判定變形開(kāi)始的條件，因此預(yù)壓力越小，變形計(jì)算開(kāi)始的越早，變形量越大，更接近真實(shí)情況。

經(jīng)過(guò)上述分析可知，預(yù)壓力設(shè)置為0.01 N是3種預(yù)壓力參數(shù)中較優(yōu)的選擇。

2.5 壓縮速率的確定

選擇4種壓縮速率，分別為5，10，15，20 mm·min-1進(jìn)行測(cè)試，其他參數(shù)保持一致，研究壓縮速率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)果如表6所示。根據(jù)Tukey法單因素方差分析可知，壓破強(qiáng)度t檢驗(yàn)的p值為0.052，大于0.05，說(shuō)明在上述4種壓縮速率下，壓破強(qiáng)度無(wú)顯著性差異。

表6 不同壓縮速率下爆珠的壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)結(jié)果Tab.6 Detection results of crushing strength and deformation amount in different compression rates of breakable capsules

雖然變形量t檢驗(yàn)的p值為0.047，小于0.05，但是相差很小，而且Tukey法計(jì)算也作為無(wú)顯著性差異的評(píng)定，各個(gè)參數(shù)下的置信區(qū)間都有交集，所以認(rèn)為變形量也屬于無(wú)顯著性差異。

根據(jù)上述分析可知，該爆珠在4種不同壓縮速率下測(cè)得的壓破強(qiáng)度和變形量都無(wú)顯著性差異。從壓破強(qiáng)度和變形量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)看，選擇10 mm·min-1作為壓縮速率是較優(yōu)的選擇。

2.6 重復(fù)性測(cè)試

對(duì)3.5 mm和2.8 mm兩種粒徑煙用爆珠樣品進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，結(jié)果如表7和表8所示。3.5 mm爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的日內(nèi)重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.5%和4.8%，日間重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.8%和3.7%；2.8 mm爆珠壓破強(qiáng)度和變形量日內(nèi)重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.5%和4.5%，日間重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%和4.7%。兩種不同粒徑煙用爆珠樣品檢測(cè)的精密度均在5%以內(nèi)，表明建立的檢測(cè)方法具有較好的重復(fù)性，對(duì)于煙用爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的檢測(cè)較為穩(wěn)定。

表7 3.5 mm爆珠樣品檢測(cè)的重復(fù)性Tab.7 Detection repeatability of 3.5 mm breakablecapsules sample

表8 2.8 mm爆珠樣品檢測(cè)的重復(fù)性Tab.8 Detection repeatability of 2.8 mm breakablecapsules sample

3 結(jié)論

(1) 在不同的樣本量、平衡時(shí)間、樣品臺(tái)孔徑、預(yù)壓力和壓縮速率等參數(shù)下對(duì)煙用爆珠壓破強(qiáng)度和變形量進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)樣本量、平衡時(shí)間、樣品臺(tái)孔徑等參數(shù)對(duì)檢測(cè)方法的建立影響較大。其中對(duì)壓破強(qiáng)度和變形量檢測(cè)結(jié)果影響最大的是樣品臺(tái)孔徑；樣本量則主要影響檢測(cè)精密度；在一定溫度、濕度條件下，平衡超過(guò)一定時(shí)間會(huì)影響變形量。

(2) 采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)煙用爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的最優(yōu)條件為：樣本量取50顆煙用爆珠、樣品在溫度(22±1)℃及相對(duì)濕度(60±3)%的環(huán)境中平衡24 h、預(yù)壓力為0.01 N、壓縮速率為10 mm·min-1以及使用無(wú)孔樣品臺(tái)。

(3) 在最優(yōu)參數(shù)下對(duì)煙用爆珠進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，精密度均在5%以內(nèi)；目前萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是檢測(cè)紙張等強(qiáng)度的通用設(shè)備，在還沒(méi)有統(tǒng)一的檢測(cè)爆珠壓破強(qiáng)度的設(shè)備前，基于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)建立的煙用爆珠壓破強(qiáng)度和變形量的檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確。