煙用材料對卷煙燃燒特性和煙氣特征的影響機制

彭鈺涵，帖金鑫，沈羽東，李 旭，焦凱旋，廖 付

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，浙江 杭州310004）

在卷煙抽吸過程中，煙葉原料自身的熱解燃燒特性決定了煙氣化學成分的釋放，而煙用材料對煙氣成分的傳遞過程起到重要影響，煙氣化學成分的釋放及傳遞過程最終決定了卷煙的感官品質。因此，將煙用材料主要分成卷煙紙和濾棒兩大類，詳細歸納了卷煙紙和濾棒相關的物理參數，并整理了近些年在煙支材料影響卷煙燃燒及煙氣組成方面的研究工作。重點聚焦在探究煙支材料的物理參數影響卷煙燃燒特性和煙氣特征的具體機制上。通過這種總結將有助于對煙支材料是如何改變卷煙燃燒狀態(tài)、煙氣組成這一問題建立更全面深刻的認知，也為進行煙支設計過程中卷煙紙、濾棒的選擇和材料之間的適配性等問題提供理論指導。

1 卷煙紙對卷煙燃燒特性和煙氣特征的影響

簡述卷煙紙相關物理參數和卷煙燃燒常用物理量見圖1。

圖1 簡述卷煙紙相關物理參數和卷煙燃燒常用物理量

圖1是對卷煙紙相關物理參數和描述卷煙燃燒狀態(tài)的常用物理量的總結，其中最重要的是卷煙紙透氣度、卷煙紙定量和透氣度。接下來逐一探究這3個物理參數對卷煙燃燒過程和煙氣成分的影響機制。

1.1 卷煙紙透氣度對卷煙紙燃燒性質和主流煙氣的影響

卷煙抽吸時主要有陰燃和抽吸2種燃燒方式，陰燃產生的煙氣稱為側流煙氣，抽吸產生的煙氣為主流煙氣。主要從這2種燃燒方式出發(fā)，分別闡述卷煙紙透氣度對卷煙燃燒性質和煙氣組成的影響。

對于陰燃過程的影響：煙支陰燃時，空氣通過自然對流的方式擴散到燃燒線附近。卷煙紙透氣度的增加有助于提高燃燒錐后部的空氣總量，對燃燒會起到促進作用，可以使陰燃過程中燃燒錐體積和燃燒錐特征溫度升高[1]；但另一方面當卷煙紙透氣度增加至一定程度后，自然對流帶來的散熱作用增強，可能反而使燃燒錐的體積和特征溫度降低[2]。

卷煙抽吸過程中的空氣擴散原理示意圖見圖2。

圖2 卷煙抽吸過程中的空氣擴散原理示意圖

由圖2可知，燃燒線表示的是燃燒區(qū)和熱解區(qū)的分界線。燃吸時，進入煙支的空氣分為2個部分：一部分不參與燃燒，且離燃燒錐較遠，是通過強制對流擴散透過卷煙紙而直接進入煙支，這部分空氣記作V1，V1直接決定著卷煙紙對煙氣的稀釋能力；另一部分表示的是抽吸過程中從燃燒線前端穿過燃燒錐直接參與燃燒過程的氣體，記作V2，通常認為在燃燒線前2 mm左右的燃燒區(qū)位置是進氣流速率最大的位置，V2直接決定燃燒錐的燃燒性質。V1+V2=V，V表示的是進入抽煙機的總氣流量，在標準抽吸條件下是35 mL。隨著透氣度的增大，燃燒錐中高溫燃燒區(qū)的體積增加導致V2變大，并且此時V2增大的作用強于V1的作用，使燃燒錐特征溫度升高[1]；但當卷煙紙透氣度大到一定程度時，V1增大的效應相對V2而言占主導作用，從而導致V2相對體積降低，V1相對體積升高，這種情況下燃燒錐的高溫區(qū)面積和特征溫度反而是降低的[1]。但是，無論哪種情況，隨著卷煙紙透氣度的增加都會造成煙氣中焦油、煙堿和CO的量降低，只是降低的原因或機理不太相同：當透氣度不太大，V2增長占主導的時候主要是因為燃燒更加充分，裂解區(qū)面積相應減少，從而釋放的焦油和煙堿量會降低。當透氣度繼續(xù)增加時，V1增大，此時空氣對主流煙氣的稀釋作用是造成主流煙氣中煙堿、焦油釋放量隨卷煙紙透氣度增大而降低的主要原因。也可以想象透氣度是不能無限增大的，當超過某個值，使V1過小，可能很大程度上影響了卷煙的燃燒性質，如使卷煙燃燒速率降低，抽吸口數反而變大，并且不完全燃燒程度加大，反而使焦油煙堿等含量升高。并且，燃燒性質隨透氣度變化的轉折點存不存在，以及對應的具體透氣度數值也與卷煙的本身性質，比如葉組配方等因素有關系[3-10]。

透氣度的變化除了會影響焦油量、煙堿之外，對于卷煙主流煙氣的7種代表性有害成分一氧化碳（CO）、氫氰酸（HCN）、4-(N-甲基-N-亞硝氨基)-1-(3-吡 啶 基)-1-丁 酮(NNK)、苯 并[a]芘(B[a]P)、氨、苯酚及巴豆醛)中的其他6種也有不同程度的影響[11-16]。

1.2 卷煙紙定量對卷煙紙燃燒性質和主流煙氣的影響

本質上定量的增加主要有2個方面的影響：首先，單位面積內纖維含量絕對量的增加和助燃劑的量增加；其次，意味著卷煙紙的厚度增加，這種厚度增加會降低卷煙燃燒過程中產生的小分子氣態(tài)物質（如CO）透過卷煙紙向大氣的擴散作用。需要強調一個概念問題：人們常提的卷煙紙對煙氣的稀釋和擴散作用中的“稀釋”和“擴散”事實上是2個概念，稀釋是依靠空氣滲透，也就是由1.1中提到的（卷煙紙透氣度）V1占比決定的，即稀釋主要是由卷研紙的透氣度決定的。而擴散作用是一種靜態(tài)空氣對流的結果，主要依靠卷煙紙的實際多孔結構進行，即與孔徑分布、孔徑多少（一般由定量和卷煙紙?zhí)畛涞葲Q定）和孔洞體積（透氣度）等共同決定的，所以要評價某些氣體（如CO）的擴散率，通常是比較具備相同透氣度的卷煙紙對CO的釋放能力。

單位面積內纖維含量絕對量的增加和助燃劑的增加對卷煙燃燒最高溫度影響恰好相反，前者是使燃燒最高溫度升高，后者是會降低卷煙燃燒最高溫度，綜合結果是看這2個方面的作用哪種更占優(yōu)勢，不同課題組得出的結論也不相同[17-18]。隨著定量增加，卷煙紙變厚不僅會降低低沸點氣相物質（如CO等）向大氣中的擴散作用也會使外部的氧氣很難進入到燃燒錐中參與反應，導致煙支內部的燃燒不夠充分，所以單口的焦油和煙堿含量會提升，而CO受影響最大，無論是單口含量還是煙支總含量都會隨卷煙紙定量增加而變大[17]。除此以外，其他物質釋放量也與定量相關，隨著卷煙紙定量的增加HCN釋放量也呈增加趨勢，并且主要是粒相物中HCN的釋放量增加[19]。總體而言，隨著卷煙紙定量的增加，危害性指數呈降低趨勢。

1.3 卷煙紙助燃劑對卷煙紙燃燒性質和主流煙氣的影響

助燃劑影響卷煙燃燒性質和主流煙氣的最根本原因是助燃劑的添加會降低卷煙紙的初始熱解溫度和熱解活化能[20-21]。這種卷煙紙初始燃燒溫度和活化能的降低會造成兩方面的影響。首先，加快了卷煙燃燒速率，從而降低卷煙抽吸口數；其次，在相近的燃燒溫度下，能更大程度地增加炭化線附近卷煙紙的透氣度。卷煙紙熱解過程中，其中的纖維素發(fā)生裂解反應并釋放出氣相小分子化合物，這些氣相物質的析出過程導致卷煙紙中的孔洞增加，從而透氣度變大[6]。李旭華[20]研究了草酸鉀對卷煙紙熱解性能及主流煙氣的影響。結果發(fā)現，卷煙紙熱解起始溫度隨著草酸鉀添加量的增加而降低，并且提高草酸鉀添加量也使卷煙紙在200～300℃溫度段內熱解活化能降低。

不同添加量的草酸鉀對卷煙紙失重的影響見圖3。

圖3 不同添加量的草酸鉀對卷煙紙失重的影響

由圖3可知，鉀鹽對能夠催化卷煙紙的熱解過程。

在卷煙紙上添加助燃劑可以降低卷煙紙熱解時的活化能，使其在較低溫度下發(fā)生熱解反應，從而導致卷煙炭化線附近卷煙紙的透氣度增加，使得氧氣進入煙支及CO向外部擴散的能力都加強，同時促進卷煙紙周邊煙絲燃燒，卷煙紙助劑在改變卷煙紙裂解狀態(tài)的同時也會影響到一部分煙絲的裂解狀態(tài)，從而使卷煙主流煙氣中的焦油和CO物質得以降低[22]。但是，如果助燃劑的濃度過高，高濃度的助劑分布在卷煙紙纖維表面及內部，阻礙了氣體向外擴散，在卷煙紙燃燒線附近形成了較多氣泡，這會阻礙氧氣進入煙支，從而影響CO的向外擴散及焦油的生成。這也是在卷煙紙上添加草酸鉀達一定濃度后，卷煙主流煙氣中焦油和CO釋放量的降低幅度呈下降趨勢的原因。

助燃劑的添加在提高卷煙的燃燒速率（尤其是陰燃速率）、減少抽吸口數的同時，也會由于燃燒快導致燃燒不完全，造成燃燒最高溫度降低、單口的焦油含量和單口總粒相物含量都增高，雖然由于抽吸口數的降低，整支煙的焦油和粒相物總量是降低的[23-24]。

2 過濾嘴對卷煙燃燒特性和煙氣特征的影響

簡述對卷煙燃燒和煙氣組成有重要影響的濾嘴相關物理參數見圖4。

圖4 簡述對卷煙燃燒和煙氣組成有重要影響的濾嘴相關物理參數

圖4簡述了對卷煙燃燒和煙氣組成有重要影響的濾嘴相關因素，現分別闡述這些因素從哪些方面影響卷煙的煙氣組成。

2.1 濾嘴通風度（稀釋率）

2.1.1 影響濾嘴通風度的因素

法國PDW公司根據大量的試驗總結出一個簡單的數學模型，把通風濾表達為由6個參數構成的函數：

式中：V——濾嘴的通風度，%；

Ptip——水松紙的透氣度，CU；

Ppw——成型紙的透氣度，CU；

PDcf——卷煙的閉式壓降，mmH2O；

PDf——濾嘴的閉式壓降，mmH2O；

Lf——濾嘴的長度，mm；

Dp——打孔位置到吸嘴端的長度，mm；

K——49175（靜電打孔值）；

K——55475（激光打孔值）；

成型紙、接裝紙透氣度與通風度的關系見圖5。

空氣從接裝紙的小孔進入卷煙時，還必須穿過成型紙，這兩層紙透氣度的大小是稀釋率最主要的影響因素。由圖5可知，它們之間必須合理搭配。可以看出通風度主要是由這2種紙中透氣度較小的紙決定，一般情況下是先選擇并固定一個是稍大透氣度的成型紙，再通過接裝紙透氣度的變化來決定稀釋率，這是因為接裝紙的透氣度易于控制，而且比較精確。接裝紙透氣度變異系數為3%左右，而成型紙一般為5%，而且成型紙透氣度越大，變異系數越大，甚至達到10%以上[25]。另外，接裝紙的打孔位置到吸嘴端的距離對通風度的影響也很大，陳慧彬等人[26]研究表明，打孔距離對濾嘴通風性有顯著影響，當打孔位置與煙絲距離從16 mm增大到20 mm時濾嘴通風率增加了7%。

圖5 成型紙、接裝紙透氣度與通風度的關系

2.1.2 濾嘴通風性對卷煙燃燒和煙氣特征的影響

式中：VC——燃燒錐的抽吸容量，mL；

Vm——唇端抽吸容量，mL；

D——濾嘴通風度，%。

由公式（2）可知，隨著接裝紙透氣度的增大，燃燒錐的抽吸容量減少，導致抽吸所耗的煙絲減少，因此造成抽吸口數的增加，并且經過燃燒錐的空氣量的降低也會對卷煙的燃燒性質產生影響。堯珍玉等人[27]深入研究了接裝紙透氣度對卷煙燃燒溫度的影響，結果表明接裝紙透氣度對卷煙抽吸燃燒溫度影響顯著，隨著接裝紙透氣度的增大，卷煙第三口抽吸溫度和峰值平均值均明顯下降；接裝紙透氣度從100 CU增加到500 CU，卷煙第三口抽吸溫度下降了115℃，峰值平均值下降了87℃，而陰燃平均溫度未發(fā)生明顯變化。此外，陰燃平均溫度明顯低于第三口抽吸溫度和峰值平均值。

同時，通風度的改變也會影響空氣對煙氣的稀釋作用以及煙氣的擴散的作用，再結合卷煙燃燒性質的變化勢必會影響煙氣的組成和含量問題[28-29]。通風度增大會導致煙氣稀釋、擴散作用增強；另一方面抽吸的口數卻是增加的[25]。由圖6可知，總稀釋率對煙堿的影響最小，這樣就可以保證在采用通風稀釋時，在較大幅度降低CO量和焦油量的同時，仍可以保持一定勁頭。

總稀釋率與煙氣分析指標的關系見圖6。

圖6 總稀釋率與煙氣分析指標的關系

通風度的改變不僅是對煙氣常規(guī)物種影響，李朝榮等人[30]發(fā)現卷煙紙透氣度與主流煙氣中B(a)P、NNK及4種芳香胺總釋放量呈明顯的負相關關系。龐永強等人[31]發(fā)現，隨著接裝紙和成型紙透氣度的增加，卷煙燃燒過程中鉻（C）r、鎳（N）i、砷（As）、硒（Se）、鎘（Cd）和鉛（Pb）6種元素的主流煙氣、煙蒂遷移率有一定程度的降低。

2.1.3 濾嘴通風性對卷煙感官品質的影響

本質上來講，感官品質就是由煙氣組成和含量決定的。邱寶平等人[32]發(fā)現濾嘴通風性對感官評價總分有比較大的影響。于川芳等人[25]也給出了總稀釋率對感官品質影響的具體圖像，隨總稀釋率的增加，香氣量、濃度呈明顯下降趨勢，細膩程度、干燥感變化不大，刺激性、雜氣、干凈程度等的得分甚至還有所上升。但是，稀釋率過高的話會導致卷煙吸味變差，最明顯的表現就是香氣量和濃度下降十分明顯。

2.2 濾棒過濾

2.2.1 絲束過濾原理以及對不同物質的過濾選擇性

對粒相物的過濾主要有直接攔截、慣性碰撞、擴散沉淀這3類，應注意這3種方式均屬于機械過濾，是沒有選擇性的。事實上，這里說沒有選擇性講的是沒有可控的選擇性，本質上來講，一些濾嘴材料，如典型的醋纖濾嘴的過濾效率是與煙氣粒相物微粒直徑有直接關系的，也就是說機械過濾對微粒尺寸是有選擇性的，但問題在于不同的組分在不同大小微粒中含量分布不一樣，所以整體來講，不同物種過濾效率也會呈現很大的差別。韓敏[33]研究發(fā)現醋纖濾嘴對于芳香胺、煙草特有亞硝胺、揮發(fā)性羰基化合物以及酚類物質等不同的物種截留效率也是不一樣的。

對于氣相物質和粒相半揮發(fā)性物質，主要是通過吸附、吸收和化學反應的方式進行過濾，在此應注意，有些絲束（如醋酸纖維絲束）對于粒相揮發(fā)和半揮發(fā)性組分的過濾是有選擇性的，但不是所有絲束都具備選擇性，如丙纖濾嘴和改性丙纖濾嘴就沒有這種選擇性。因為對香味產生比較大影響的物質很多都是粒相揮發(fā)或者半揮發(fā)成分，所以丙纖絲束對于煙氣中香味物質的截率往往是有選擇性的。這種選擇性主要是體現在對物質沸點及極性這2個物理量比較敏感上，李炎強等人[34]發(fā)現醋纖濾嘴對于沸點較低、出峰較早的物質截濾率較高，而對高沸點的香味物質則效率較低。而卷煙其為中辛辣刺激和雜氣氣味大多是沸點比較多的物質，所以醋纖濾嘴味道更柔和。除此之外，醋纖濾嘴中常加入三醋酸甘油酯等物質作為增塑劑，而這些增塑劑對于煙氣中的酚類物質具有較高的去除作用，就使得醋纖濾嘴去除酚的能力比去除焦油的能力強1.0～2.5倍，而其他濾嘴的這個比例要低于1。曾萬怡等人[35]深入研究了紙質濾芯中三醋酸甘油酯添加量對卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的影響，結果發(fā)現苯酚的釋放量隨著三醋酸甘油酯用量的增加逐漸降低，單位焦油苯酚釋放量的降低率隨著三醋酸甘油酯添加量的增加而增加，其最大降低率為34.59%。除此之外，孫學輝等人[36]探究了濾棒中三醋酸甘油酯用量對卷煙主流煙氣有害成分釋放量的影響，得出結論除苯酚、間一對甲酚的釋放量隨著三醋酸甘油酯用量的增加逐漸降低外，一氧化碳（CO）、氫氰酸（HCN）、4-(甲基亞硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)、氨（NH）3、苯并[a]芘(B[a]P)、巴豆醛、對苯二酚、間苯二酚、鄰苯二酚、鄰甲酚等成分的釋放量或基本無變化，或變化不明顯，也就是說添加劑對于物質的吸收是有選擇性的，只針對酚類物質。

2.2.2 影響過濾效率的因素以及各因素對卷煙煙氣和感官品質的影響

（1）濾棒壓降（吸阻）。濾嘴對總粒相物的過濾作用，與濾嘴壓降的關系極為密切，濾嘴壓降增加，煙氣在濾嘴中的運動阻力變大，與過濾材料的碰撞機會也變大，對總粒相物的過濾效率會增加。于川芳等人[25]得出了總粒相物以及煙氣常規(guī)物種的過濾效率隨濾棒吸阻變化的線性代數關系，并總結出濾棒吸阻每增加294 Pa，焦油量下降0.412 mg，煙氣煙堿量下降0.029 4 mg，過濾效率增加3.06%而煙氣CO的量基本沒有變化，這是因為絲束對于一氧化碳、一氧化氮這種具有非常高蒸汽壓的氣體是沒有吸附能力的。因此，也能看出濾棒吸阻的增高對于焦油量的降低效率要高于煙堿的降低效率。

除了對煙氣常規(guī)成分有影響之外，對于其他一些特定物種，隨著濾棒吸阻的增高其變化趨勢也是不盡相同的。姜興益等人[37]研究發(fā)現在ISO模式下，濾棒吸阻與主流煙氣中Ni，Pb，Cr和Cd 4種元素的遷移率及側流煙氣中Ni遷移率顯著負相關，與側流煙氣中Cd遷移率顯著正相關。濾嘴長度與主流煙氣中6種目標元素的遷移率均顯著負相關，與側流煙氣中Ni和Pb遷移率顯著正相關。

于川芳等人[38]也研究了濾棒吸阻對普通卷煙感官品質的影響。整體來說，適當提高濾棒吸阻是可以去除雜氣和刺激性的。

（2）濾棒長度。應注意濾嘴加長不僅增加了濾嘴的吸阻還會出現對應的“長度”效應，所以效果更顯著，過濾效率、焦油量下降幅度更大，而且CO量也會下降，在香氣改變方面效果和改變?yōu)V嘴壓降接近。除了對煙氣常規(guī)成分有影響之外，對于其他一些特定物種，隨著濾棒長度變大其變化趨勢也是不盡相同的。李勁峰等人[39]研究了濾棒長度對卷煙主流煙氣中一氧化碳（CO）、氫氰酸（HCN）、NNK、氨、苯并[a]芘、苯酚及巴豆醛等7種有害物質的影響，結果表明，卷煙主流煙氣中單位焦油苯并[a]芘、巴豆醛、CO的含量隨濾棒長度減小而減少；HCN、NNK、NH3、苯酚的含量則有相反的變化規(guī)律；而卷煙主流煙氣中單位焦油的危害性變化不大。

2.3 特型濾棒的研究

這一方面主要是因為2.2.1提到的一些常用絲束對某些特定成分的選擇性過濾能力不夠，所以目前對于濾棒的研究很大一部分集中在特型濾棒上（在此把復合濾棒也歸為此類）。李國政等人[40]研究發(fā)明了一種含苯酚表面分子印跡聚合物的二元復合濾棒，可較好地降低卷煙主流煙氣中苯酚的釋放量，經過實際研究測定，卷煙主流煙氣中苯酚含量降低幅度可達近1/4左右。秦亮生等人[41-42]發(fā)明并合成了一種可降低主流煙氣中苯酚含量的卷煙濾棒添加劑，該添加劑是由海藻酸鹽包封海藻酸丙二醇構成的膠囊。謝國勇等人[43]也發(fā)明了一種具有降低卷煙主流煙氣中氨含量功能的卷煙濾棒用紙，在減少對吸煙者造成危害的同時又不影響卷煙口感。楊濤等人[44]研究了一種能降低卷煙主流煙氣溫度的卷煙濾棒，是一種添加吸熱凝膠的濾棒，可以改善卷煙及加熱不燃燒卷煙的抽吸舒適度。陳瑤等人[45]研究了一種可控制焦油釋放量的卷煙濾嘴，實現了卷煙煙氣不同的滿足感。