卷煙濾嘴設(shè)計對主流煙氣溫度的影響及其降溫效應(yīng)

孔浩輝，李宏偉，盧志菁，吳君章，林寶敏，歐陽璐斯，楊 飛*

1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88號 510385 2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州市天河區(qū)五山路381號 510640

人體口腔感受的適宜溫度為10～40℃，超過40℃時會有不適感，超過50℃時則會感到舌尖灼痛［1-2]。而灼口綜合征人群的熱痛耐受值更低，溫度疼痛感覺更加敏感［3-5]。同時，長時間持續(xù)接觸40℃以上的熱源，還可能會造成黏膜組織的嚴(yán)重燙傷［6]。卷煙主流煙氣溫度可能會對消費者的吸煙體驗帶來影響，甚至可能造成口腔黏膜灼傷，因此測定、了解卷煙燃吸過程中主流煙氣的溫度傳遞情況，對提高卷煙煙氣舒適度有積極意義。目前，有關(guān)卷煙燃吸過程中主流煙氣對口腔溫度刺激性影響的研究報道較少。Purkis等［7]對比分析了不同抽吸模型下1 mg/支焦油卷煙在距離濾嘴出口端5 mm處和20 mm處的濾嘴最高溫度，認(rèn)為距離濾嘴出口端5 mm處的煙氣溫度接近于口腔的溫度感受。趙路燦［8]測定了3R4F卷煙燃吸過程中距離濾嘴出口端25～19 mm段的溫度分布。此外，樊娜［9]、陳秋平等［10-11]，皆采用距離濾嘴出口端25～19 mm段的濾嘴體積平均溫度，對比分析相變材料復(fù)合濾嘴的主流煙氣溫度降低效果。田保中等［12]則對比分析了連續(xù)性燃吸過程中距離濾嘴出口端15 mm處蠶絲濾嘴與普通濾嘴的溫度變化差異。由于溫度測量點距離煙蒂末端較遠(yuǎn)，因此，除了Purkis等的研究外，其余濾嘴測溫結(jié)果皆不能反映主流煙氣對口腔的溫度刺激性影響。且這些研究所分析對象或采用特殊濾材或煙絲、或為超低焦油卷煙樣品，所得數(shù)據(jù)對了解常規(guī)卷煙設(shè)計對主流煙氣溫度影響的幫助不大?；诮档椭髁鳠煔鈱θ梭w口腔的溫度刺激感、提高消費者卷煙抽吸舒適性的目的，本研究中擬通過測量不同卷煙樣品距離濾嘴出口端1 mm處的溫度變化曲線，對比分析不同濾嘴壓降、長度、通風(fēng)率、結(jié)構(gòu)等設(shè)計參數(shù)對主流煙氣溫度的影響，旨在為卷煙產(chǎn)品設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

濾嘴壓降、長度、通風(fēng)率、結(jié)構(gòu)等設(shè)計參數(shù)不同的卷煙樣品由廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。其中，1#樣品為基準(zhǔn)樣品，接裝紙長度33 mm、濾嘴長度30 mm、濾嘴壓降820 Pa、濾嘴通風(fēng)率0.2%，采用醋酸絲束濾嘴，實測煙氣焦油量11.3 mg/支。2#～6#樣品，調(diào)整了濾嘴壓降（壓降值依次為780、806、848、867、880 Pa）；7#～9#樣品，調(diào)整了濾嘴長度（長度值依次為25、20、10 mm）；10#～13#樣品，調(diào)整了濾嘴通風(fēng)率（通風(fēng)率依次為18.3%、35.7%、57.1%、69.6%）；14#～17#樣品，調(diào)整了濾嘴設(shè)計（濾嘴依次為溝槽濾嘴、中空濾嘴、活性炭復(fù)合濾嘴、活性炭組合濾嘴）。

KBF240恒溫恒濕箱（德國BINDER公司）；SM450直線型吸煙機(jī)（英國斯茹林公司）；定制Omega熱電偶和Testosterone 735-2數(shù)字顯示儀（德國德圖公司）；27 G注射針頭（外徑0.4 mm，中灰，廣西雙健科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

卷煙試樣的制備：將卷煙樣品按照單支質(zhì)量（平均值±0.02 g）和吸阻（平均值±49 Pa）進(jìn)行篩選［13]，后放置于測試大氣環(huán)境［溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%]下調(diào)節(jié)48 h，得到待測卷煙試樣［14]。在卷煙濾嘴段用尺子丈量后標(biāo)記預(yù)備插入熱電偶探針的點位（濾嘴段上探針插入點位為距離濾嘴出口端的距離，依次標(biāo)記為30、20、10、5、1 mm；濾嘴外標(biāo)記為0）。

開展溫度測定前，用2 mm寬生膠帶纏繞卷煙濾嘴端3圈從而將標(biāo)記點完全封閉（對打孔濾嘴纏繞時需避開打孔位置），再用27 G注射針在濾嘴端標(biāo)記處打下預(yù)留孔。

1.2.2 濾嘴溫度的測定

濾嘴溫度參考文獻(xiàn)［7]的方法采用熱電偶進(jìn)行測定，根據(jù)插入濾嘴中心所需的深度（即卷煙半徑）將熱電偶探針前端折成7字形，然后將熱電偶探針由卷煙試樣預(yù)留孔插入，并用2 mm透明膠帶密封固定。

按照GB/T 19609—2004［15]的要求，將卷煙試樣插入煙氣捕集器，啟動吸煙機(jī)的卷煙抽吸程序，在點火器預(yù)熱完成提示音響起后，啟動熱電偶的溫度測量記錄程序。吸煙完畢提示音響起后，結(jié)束熱電偶的溫度測量記錄程序。每個卷煙試樣測量5次，比較各組測溫曲線波動是否相似、測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差是否小于6%［16]。若符合以上要求，取中位值作為檢測結(jié)果；若不符合，重新測量一組（5個試樣）。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾嘴端不同測量點檢測結(jié)果的比較

以1#卷煙樣品作為試驗樣品，比較了探針處于卷煙濾嘴端不同插入點時，熱電偶溫度測定結(jié)果的差異。檢測結(jié)果如表1、圖1和圖2所示。

由表1可見：①本研究中濾棒溫度測定結(jié)果與趙路燦［8]、樊娜［9]、陳秋平等［10-11]的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)具有相似性，但明顯高于Purkis等［7]的研究結(jié)果，這可能是因為Purkis等測量的是1 mg/支低焦油卷煙，濾嘴通風(fēng)率極大（為84%），而本研究中測量的卷煙濾嘴通風(fēng)率僅為0.2%。②卷煙濾嘴具有明顯的降溫效果，第8口抽吸濾嘴出口端溫度較入口端低將近40℃。③整體而言，距離濾嘴出口端越近，煙氣溫度越低，兩者基本呈線性相關(guān)關(guān)系，燃吸至標(biāo)準(zhǔn)煙蒂處和燃吸至接裝紙?zhí)巸山M煙氣溫度數(shù)據(jù)，與距離濾嘴出口端長度的R2值分別為0.995和0.988。這與陳秋平等［10-11]“沿著軸向溫度遞減并不明顯”的研究結(jié)論差異較大；但該現(xiàn)象符合Purkis等［7]的實驗結(jié)論。④靠近燃燒錐端處的檢測結(jié)果RSD值最大，表明檢測值穩(wěn)定性最差，這可能與測量點與燃燒錐間距離較近、受燃燒錐溫度的影響更大有關(guān)。Purkis等［7]的研究中也指出，卷煙燃燒的不穩(wěn)定性，致使相同抽吸口數(shù)時燃燒錐與濾嘴間距離存在差異。⑤距離濾嘴出口端1 mm點位的溫度測量值與0 mm處的接近，即濾嘴中該測量點的檢測結(jié)果接近于口腔內(nèi)感受到的煙氣溫度。但0 mm處測溫結(jié)果的RSD值較大、穩(wěn)定性較差，這可能與0 mm處測溫點的探針暴露于空氣中、溫度曲線峰值瞬間變化大（見圖1）有關(guān)。⑥由于熱電偶固有的熱惰性和動態(tài)響應(yīng)特性，以及煙氣流動速度的影響，熱電偶在測量快速流動及變化的煙氣溫度時存在系統(tǒng)性偏差［17-19]，因此熱電偶測得的煙氣溫度會低于煙氣實際造成的口腔感受溫度，即燃吸至標(biāo)準(zhǔn)煙蒂處時口腔感受溫度會超過45℃，燃吸至接裝紙?zhí)帟r更會高達(dá)70℃。

表1 卷煙燃吸過程中不同濾嘴部位的溫度檢測結(jié)果Tab.1 Temperatures of different filter parts during smoking

由圖2可知：①第7口抽吸時卷煙大約燃吸至43～41 mm處，第8口至36～34 mm處。②結(jié)合圖1和表1數(shù)據(jù)可知，第7口、第8口抽吸時的口腔感受溫度會分別達(dá)到45℃和70℃。因此，為避免灼熱煙氣對口腔的刺痛，抽吸卷煙時消費者通常不會抽吸至36 mm處，甚至大多數(shù)人在抽吸至43 mm前就會停止抽吸。這與消費者吸煙行為調(diào)查的結(jié)果一致，消費者的遺留煙蒂長度大多超過40 mm、極少有煙蒂長度低于33 mm的情況出現(xiàn)［20]。

綜上所述，①本研究中不同測量點（20、10、5 mm）處獲得的煙氣溫度與以往文獻(xiàn)報道的數(shù)據(jù)［7-11]具有相似性，由此驗證了本研究中檢測結(jié)果的可靠性。②距離濾嘴出口端1 mm點位的溫度測量值與口腔內(nèi)接觸溫度相近，且檢測結(jié)果穩(wěn)定性更高，因此選定為主流煙氣溫度的測量點。③消費者的抽吸行為與主流煙氣溫度間存在明顯相關(guān)性，表明主流煙氣溫度造成的口腔刺激感顯著影響了消費者的吸食體驗。

2.2 卷煙濾嘴設(shè)計對口腔溫度刺激性的影響

2.2.1 不同濾嘴壓降的比較

以1#～6#卷煙作為試驗樣品，比較了不同壓降濾嘴的降溫效果，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：濾嘴壓降越高降溫效果越佳，卷煙主流煙氣溫度越低，880 Pa壓降的濾嘴，其主流煙氣溫度較780 Pa濾嘴低近20℃。濾嘴壓降與主流煙氣溫度呈顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)計算求得第7口、第8口抽吸階段濾嘴壓降與主流煙氣溫度的R2值分別為0.958和0.914。這與濾嘴壓降越大，焦油、煙堿釋放量越低的情形相似［21-23]。

2.2.2 不同濾嘴長度的比較

以1#、7#～8#卷煙作為試驗樣品，比較了不同長度濾嘴的降溫效果。檢測結(jié)果如圖4所示。由濾嘴壓降與降溫效果的關(guān)系可知，采用相同壓降的濾棒，裁截出的濾嘴長度越短則壓降越低，濾嘴的煙氣降溫效果越差。但比較不同濾嘴長度卷煙樣品的檢測數(shù)據(jù)可見，濾嘴長度越短卷煙主流煙氣溫度反而越低，15 mm濾嘴卷煙的主流煙氣溫度較30 mm濾嘴卷煙的低超過25℃。這與濾嘴長度越短焦油、煙堿釋放量越高的情形相反［21，24]。其原因可能是，本實驗設(shè)計中，不同濾嘴長度的卷煙接裝紙長度并未改變，卷煙燃吸終止位置未變，因此濾嘴長度縮短會使未燃燒的煙絲段長度增加。而煙絲除了有截留效應(yīng)外還可通過揮發(fā)性組分的逸出吸熱降溫，從而使煙絲段的降溫效果顯著高于同樣長度的醋酸纖維濾棒。分析卷煙濾嘴長度與主流煙氣溫度的相關(guān)性可得，兩者呈正線性相關(guān)關(guān)系，且第7口、第8口抽吸階段濾嘴長度與主流煙氣溫度的R2值分別達(dá)到0.934和0.987。

2.2.3 不同濾嘴通風(fēng)率的比較

以1#、10#～13#卷煙作為試驗樣品，比較了不同通風(fēng)率濾嘴的降溫效果。檢測結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：①提高濾嘴通風(fēng)率，卷煙燃吸時間隨之增加。②隨著濾嘴通風(fēng)率的增加，主流煙氣溫度不斷降低，這與高通風(fēng)率濾嘴的焦油、煙堿釋放量較低的情況相似［22-25]。濾嘴通風(fēng)率超過57%時，進(jìn)入口腔的主流煙氣最高溫度降低至30℃以下，這與Purkis等［7]的實驗結(jié)果相符。③濾嘴通風(fēng)率與主流煙氣溫度呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，倒數(shù)第2口、第1口時兩者的R2值分別為0.845和0.938。

2.2.4 不同濾嘴類型的比較

以1#、14#～17#卷煙作為試驗樣品，比較了不同類型濾嘴的降溫效果。檢測結(jié)果如圖6所示。

由檢測結(jié)果可見，采用不同類型的濾嘴，其卷煙主流煙氣溫度的差異較大：

（1）較之常規(guī)的醋纖絲束濾嘴，采用溝槽濾嘴作為卷煙濾嘴，可以大幅降低主流煙氣的溫度。這與溝槽濾嘴的煙氣顆粒物截流效率較普通醋纖濾嘴更高的結(jié)論［26-28]具有相似性。究其原因，是溝槽濾嘴可以使煙氣的行進(jìn)路徑更加曲折、變化更多，加劇了煙氣與絲束的接觸頻率［29-30]，從而達(dá)到了更好的降溫效果。也因為溝槽濾嘴中煙氣方向發(fā)生了更多的橫向或斜向變化［29-30]，其濾嘴中心與外側(cè)的煙氣狀態(tài)分布更趨接近［8，26]，從而造成其溫度曲線峰型也變得較為平緩，不同于其他濾嘴的溫度曲線峰型。

（2）采用中空濾嘴作為卷煙濾嘴時，主流煙氣溫度明顯升高，抽吸7口時人體口腔就會感受到灼熱刺激感，抽吸8口時煙氣溫度更會上升至口腔完全無法承受的80℃左右。這與中空濾嘴的煙氣顆粒物截流效率較普通醋纖濾嘴更低的結(jié)論［26，31]具有相似性。因此，對照圖1可知，采用中空濾嘴的卷煙通常只適合抽吸至43 mm前，這是因為10 mm的濾嘴空芯段基本沒有降溫效果，且空芯設(shè)計使煙氣的流速提高［8]，因此中心點溫度更高，溫度曲線峰值變化也更大。

（3）采用活性炭復(fù)合濾嘴或活性炭組合濾嘴作為卷煙濾嘴，可以明顯降低主流煙氣的溫度。這與活性炭復(fù)合濾嘴、活性炭組合濾嘴較普通醋纖絲束濾嘴具有更高的煙氣顆粒物截流效率的結(jié)論［32-34]具有相似性。

（4）不同結(jié)構(gòu)濾嘴卷煙的主流煙氣溫度由低到高排序為，活性炭組合濾嘴>溝槽濾嘴>活性炭復(fù)合濾嘴>醋纖絲束濾嘴>中空濾嘴。比較不同濾嘴的煙氣顆粒截留效果可見［26-28，31-34]，濾嘴的煙氣顆粒截留效率越高，其降溫效果也越高。其中，活性炭組合濾嘴和溝槽濾嘴的功效最為明顯，可使卷煙燃吸至41 mm時主流煙氣溫度低于30℃，燃吸至34 mm時不高于45℃。

3 結(jié)論

（1）卷煙濾嘴具有降低卷煙主流煙氣溫度、減少人體口腔溫度刺激感的效果，濾嘴軸向距離出口端越近煙氣溫度越低，且兩者呈線性相關(guān)關(guān)系；30 mm醋纖濾嘴可使煙氣溫度降低接近40℃。

（2）濾嘴壓降、濾嘴長度及濾嘴通風(fēng)率，皆與主流煙氣溫度呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系。提高濾嘴壓降、縮短濾嘴長度（并相應(yīng)增加未燃燒煙絲段的長度）、增加濾嘴通風(fēng)率，可達(dá)到降低主流煙氣溫度的效果。其中，提高濾嘴通風(fēng)率的降溫效果最為顯著，濾嘴通風(fēng)率提高到57%時進(jìn)入口腔的主流煙氣最高溫度會降低超過40℃。

（3）通過使煙氣在濾嘴中的行進(jìn)路徑更加曲折或增加濾材過濾能力等方式，可以提高濾嘴的煙氣降溫效果。通常而言，不同結(jié)構(gòu)濾嘴的煙氣降溫能力排序為：活性炭組合濾嘴>溝槽濾嘴>活性炭復(fù)合濾嘴>醋纖濾嘴>中空濾嘴；其中，活性炭組合濾嘴和溝槽濾嘴可有效降低主流煙氣對消費者的口腔溫度刺激感，提高卷煙抽吸的舒適性。