卷煙燃燒速率與其包灰性能關(guān)系分析

王孝峰，張 勁，李延巖，王成虎，鄭 豐，郭東鋒，張亞平，周 順*，王 健，金 宇，謝映松，張曉宇，曹 蕓，管明婧，鮑 穗

1.安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 煙草行業(yè)燃燒熱解研究重點實驗室，合肥市高新區(qū)天達路9號230088 2.安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 煙草化學(xué)安徽省重點實驗室，合肥市高新區(qū)天達路9號230088

卷煙包灰是消費者抽吸卷煙時煙支燃燒灰分狀態(tài)的綜合視覺體驗，目前已引起消費者的日益關(guān)注和行業(yè)的廣泛重視［1-2］。開發(fā)卷煙包灰調(diào)控技術(shù)的重要前提是包灰評價方法的建立及包灰影響因素的研究。目前，卷煙包灰性能評價主要采用基于圖像處理或計算機視覺的方法，并形成了灰色、裂口率、縮灰率、碳線寬度、碳線整齊度等主要評價指標［3-5］。對于卷煙包灰影響因素的研究，主要是從起點參數(shù)的角度，包括卷煙紙參數(shù)（定量、透氣度、纖維比例、助燃劑、填料、螺紋、包灰助劑等）［5-14］、煙絲參數(shù)（煙絲寬度、煙支質(zhì)量、三絲等）［13-15］和煙支卷制工藝參數(shù)［16-17］，來揭示煙支設(shè)計參數(shù)對包灰的影響，而從燃燒過程參數(shù)的角度研究其對包灰的影響還鮮見報道［18］。因此，利用機器視覺技術(shù)測定了46個卷煙樣品在ISO抽吸條件下的灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度、碳線整齊度和燃燒速率，并分析了卷煙燃燒包灰指標與燃燒速率之間的相互關(guān)系，旨在為開發(fā)基于燃燒過程調(diào)控的卷煙包灰性能提升的關(guān)鍵技術(shù)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

46種不同設(shè)計參數(shù)卷煙樣品由安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。單等級煙葉原料3種：2017年安徽皖南/云煙97/B23F；2017年福建龍巖/云煙87/C3FA；2018年貴州遵義/云煙87/C2FA。不同螺紋卷煙紙樣品（橫螺紋、豎螺紋和無螺紋）：定量29 g/m2，透氣度60 CU，助燃劑質(zhì)量分數(shù)2%，鉀鈉質(zhì)量比1∶1，碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)33%［中煙摩迪（江門）紙業(yè)有限公司］。6因素5水平設(shè)計卷煙紙樣品（浙江華豐紙業(yè)科技有限公司）25種，6因素分別為定量（5水平為26、28、30、32、34 g/m2）、透氣度（5水平為30、40、50、60、70 CU）、麻漿質(zhì)量分數(shù)（5水平為0、15%、25%、50%、75%）、鉀鈉質(zhì)量比（5水平為全鉀、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2）、助燃劑質(zhì)量分數(shù)（5水平為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，以檸檬酸根質(zhì)量分數(shù)計）、碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)（5水平為25%、30%、35%、38%、40%）。

XS204電子天平（感量0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司）；BACST600卷煙包灰檢測儀（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司），配備DFK33G274相機（德國Imaging Source公司，分辨率1 600×1 200）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

采用相同的接裝紙和濾棒卷制46種樣品卷煙，具體如下：①固定卷煙紙（定量29 g/m2，透氣度60 CU、助燃劑質(zhì)量分數(shù)2%、鉀鈉質(zhì)量比1∶1、碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)33%），采用不同煙絲進行卷制，包括單料煙煙支3種（3種單料煙絲均采用薄板烘絲工藝制備）、不同寬度煙絲（0.8、1.0、1.2 mm）的煙支3種、不同質(zhì)量［（840±10）、（900±10）、（950±10）mg］的煙支3種以及不同三絲含量的煙支9種。②固定煙絲（2018年貴州遵義/云煙87/C2FA，薄板烘絲，煙絲寬度1.0 mm），不同理化指標的正交設(shè)計卷煙紙樣品25種，不同螺紋卷煙紙（橫螺紋、豎螺紋、無螺紋）的煙支3種。煙支長度84 mm，煙支圓周24.4 mm，濾嘴長度25 mm。對于不以煙支質(zhì)量為變量的樣品，按單支質(zhì)量（900±10）mg的范圍進行篩選。

1.2.2 卷煙包灰測試方法

采用BACST600卷煙包灰檢測儀進行卷煙樣品包灰指標及燃燒速率測試，每個樣品測試2組，每組6支卷煙。該儀器所檢測包灰指標包括灰色、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度，具體定義分別為：灰色值，卷煙燃燒灰柱非裂口區(qū)灰度均值，分布范圍0~255（黑~白）；裂口率，卷煙燃燒線以上裂口區(qū)面積與灰柱區(qū)總面積之比，單位%；縮灰率，卷煙燃燒線以上灰柱寬度減小均值與燃燒前該區(qū)域煙柱寬度之比，單位%；碳線寬度，卷煙燃燒線碳化區(qū)的寬度均值，單位mm；碳線整齊度，卷煙燃燒線碳化區(qū)最高點和最低點間的高度差均值，單位mm。

卷煙樣品檢測前在溫度（22±1）℃、相對濕度（60±3）%的環(huán)境中平衡48 h。卷煙包灰指標測試均采用單面拍照模式，煙支燃燒長度固定為40 mm，具體方法如下：①卷煙燃燒模式選擇：固定煙支樣品（煙絲為單等級煙葉2017年安徽皖南/云煙97/B23F），煙支非搭口區(qū)正對相機，分別在靜燃模式、ISO抽吸（抽吸容量35 mL，持續(xù)時間為2 s，抽吸周期60 s）、馬薩諸塞抽吸（抽吸容量45 mL，持續(xù)時間為2 s，抽吸周期30 s）和WG9B抽吸（抽吸容量60 mL，持續(xù)時間為2 s，抽吸周期30 s）模式下測試煙支包灰指標和燃燒速率。②煙支搭口區(qū)和非搭口區(qū)的選擇：固定煙支樣品（煙絲為單等級煙葉2017年安徽皖南/云煙97/B23F），分別在靜燃和ISO抽吸模式下測試煙支搭口區(qū)正對和背對相機時的包灰指標和燃燒速率。③在ISO抽吸條件下測試樣品卷煙燃燒包灰指標和燃燒速率。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel軟件整理數(shù)據(jù)，所有統(tǒng)計和制圖均在R軟件中進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙燃燒包灰檢測試驗條件的確定

2.1.1 燃燒模式

根據(jù)表1，與靜燃狀態(tài)相比，ISO燃吸時卷煙燃燒速率增加近一倍，灰色值增加了12.7%，縮灰率增加了7.8%，碳線寬度增加了46.4%，碳線整齊度增加了47.9%，裂口率增加了66.6%，這說明抽吸加劇了卷煙燃燒，使灰柱收縮率增大，卷煙紙?zhí)季€變寬、碳線整齊度降低，灰柱裂口區(qū)增大，但同時由于燃燒更加劇烈充分，煙灰的灰色值增大（圖1），與已有文獻一致［19-20］。進一步增大抽吸容量，燃燒速率略有上升，包灰各指標也呈小幅度變化，說明與抽吸模式相比，抽吸與否是影響卷煙包灰質(zhì)量指標的顯著性因素。

表1 不同燃燒模式下卷煙燃燒速率和包灰質(zhì)量指標Tab.1 Burning rates and ash integrity indexes of cigarettes under different puffing modes

圖1 不同燃燒模式下的卷煙燃燒灰柱Fig.1 Ash column appearance of cigarettesunder different puffing modes

2.1.2 卷煙紙搭口區(qū)和非搭口區(qū)

根據(jù)表2，在煙支靜燃條件下，與卷煙紙非搭口區(qū)相比，搭口區(qū)燃燒速率略快，碳線更窄更整齊，裂口率更低，灰色也更淺（圖2）。在ISO燃吸條件下，與卷煙紙非搭口區(qū)相比，搭口區(qū)燃燒速率及包灰指標變化與靜燃條件下基本一致，唯一區(qū)別較大的是燃吸條件下，灰柱非搭口區(qū)域裂口率增加了66.6%。另外，對于煙支搭口區(qū)域，與靜燃相比，煙支燃吸時灰柱裂口率僅增加了12.2%。以上發(fā)現(xiàn)說明煙支搭口區(qū)域的2層卷煙紙不僅有效抑制了灰柱裂口，提高碳線質(zhì)量，還可以提升灰柱白度。

表2 卷煙紙搭口區(qū)和非搭口區(qū)的卷煙燃燒速率和包灰指標Tab.2 Burning rates and ash integrity indexes of seamed and non-seamed sections of cigarette paper

圖2 卷煙紙搭口區(qū)和非搭口區(qū)的煙支燃燒灰柱Fig.2 Ash column appearance of seamed and non-seamed sections of cigarette paper

2.1.3 卷煙樣品質(zhì)量

由表3可見，隨著煙支質(zhì)量增加，煙支燃燒速率降低，裂口率略有降低，但灰色值、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度呈現(xiàn)先降低而后又略升高的變化趨勢。整體上，增加煙絲填充量會降低卷煙紙燃燒速率，但有利于提升卷煙燃燒包灰性能。

表3 不同質(zhì)量卷煙燃燒速率和包灰指標Tab.3 Burning rates and ash integrity indexes of cigarette samples with different weights

2.2 卷煙燃燒速率和包灰指標檢測結(jié)果的描述統(tǒng)計

由46種卷煙樣品燃燒包灰各指標的描述統(tǒng)計結(jié)果（表4）可見，灰色值和碳線整齊度變異較小，統(tǒng)計變異系數(shù)均小于10%；煙支的碳線寬度、燃燒速率和縮灰率變異中等，統(tǒng)計變異系數(shù)在10%~15%之間；裂口率變異較大，統(tǒng)計變異系數(shù)達到了31.80%。

表4 卷煙燃燒包灰測試指標的描述統(tǒng)計Tab.4 Descriptive statistics of test indexes of cigarette ash integrity

2.3 卷煙燃燒包灰測試指標之間簡單相關(guān)性分析

由卷煙樣本包灰指標之間及其與燃燒速率之間Pearson相關(guān)分析結(jié)果（圖3）可見，多項指標間存在較強相關(guān)性。其中，灰色值與裂口率（相關(guān)范圍-0.77~-0.41）、縮灰率（相關(guān)范圍-0.82~-0.52）和碳線寬度（相關(guān)范圍-0.88~-0.65）在0.001水平呈顯著負相關(guān)，與燃燒速率（相關(guān)范圍0.12~0.60）在0.01水平顯著正相關(guān)；裂口率與縮灰率（相關(guān)范圍0.52~0.82）、碳線寬度（相關(guān)范圍0.25~0.68）在0.001水平上顯著正相關(guān)，與燃燒速率（相關(guān)范圍-0.68~-0.24）在0.001水平上顯著負相關(guān)；縮灰率與碳線寬度（相關(guān)范圍0.59~0.85）在0.001水平上顯著正相關(guān)，與燃燒速率（相關(guān)范圍-0.67~-0.22）在0.001水平上顯著負相關(guān)。碳線寬度與碳線整齊度（相關(guān)范圍0.09~0.58）在0.05水平上顯著正相關(guān)，與燃燒速率（相關(guān)范圍-0.52~0.01）在0.05水平上顯著負相關(guān)。此外，碳線整齊度與灰色值、裂口率、縮灰率和燃燒速率之間無顯著相關(guān)性。

圖3 卷煙包灰指標之間及其與燃燒速率之間散布矩陣圖Fig.3 Scatter matrix among ash integrity indexes and burning rate of cigarette

2.4 卷煙燃燒包灰指標與燃燒速率之間廣義可加模型分析

利用廣義可加模型對包灰指標（灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度）與燃燒速率之間關(guān)系進行分析，結(jié)果見表5?？s灰率與燃燒速率在0.001水平顯著相關(guān)，灰色和裂口率與燃燒速率在0.01水平顯著相關(guān)，方差解釋率分別為22.4%、24.2%和33.1%。碳線寬度與燃燒速率在0.05水平顯著相關(guān)，方差解釋率為7.8%。碳線整齊度與燃燒速率不相關(guān)。該結(jié)果與Pearson相關(guān)分析結(jié)果一致。

表5 卷煙燃燒包灰指標與燃燒速率廣義可加模型分析結(jié)果Tab.5 Results of generalized additive model for ash integrity indexes and burning rate of cigarette

圖4給出了灰色值、裂口率、縮灰率和碳線寬度隨燃燒速率變化的偏殘差圖?？梢钥闯?，隨著卷煙燃燒速率加快，灰色值偏殘差呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，裂口率偏殘差呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，縮灰率偏殘差和碳線整齊度偏殘差呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。這應(yīng)與煙絲和卷煙紙之間燃燒匹配性有關(guān)，適中的燃燒速率（大約在12~14 mm/min之間）才能使煙絲和卷煙紙之間的匹配程度較好，賦予卷煙燃燒灰柱整體較好的包灰效果。

圖4 卷煙包灰指標隨燃燒速率變化偏殘差圖Fig.4 Partial residual diagrams of cigarette ash integrity indexes varying with burning rate

3 結(jié)論

①與靜燃狀態(tài)相比，燃吸狀態(tài)下，卷煙灰柱收縮率和裂口率增大，碳線更寬、整齊度更低，煙灰灰色值升高；增大抽吸容量，燃燒速率略有上升，包灰各指標僅呈小幅度變化。②與非搭口區(qū)相比，卷煙紙搭口區(qū)碳線更窄更整齊，裂口率更低，灰色也更淺，且可有效抑制因燃吸而導(dǎo)致的單層卷煙紙區(qū)域灰分裂口率大幅增加的問題。③灰色值和碳線整齊度變異較小，碳線寬度、燃燒速率和縮灰率變異中等，裂口率變異較大。④燃燒速率與灰色值在0.01水平上顯著正相關(guān)，與裂口率和縮灰率在0.001水平顯著負相關(guān)，與碳線寬度在0.05水平上顯著負相關(guān)，與碳線整齊度無顯著相關(guān)性。⑤隨著卷煙燃燒速率增加，灰色值先增加后趨于平穩(wěn)，裂口率先降低后升高，縮灰率和碳線寬度逐漸降低。