基于造紙法的加熱卷煙降溫材料的制備及應(yīng)用

趙 楊，申欽鵬，李世衛(wèi)，吳樹穎，段沅杏，雷 萍，楊 柳，郭丁榮，楊 飛*

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367 號 650231

2. 華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市天河區(qū)五山路381 號 510640

隨著人們對吸煙危害認(rèn)識的深入和全球控?zé)熯\(yùn)動(dòng)的推進(jìn)，人們開始尋找傳統(tǒng)卷煙的替代物，包括加熱卷煙（Heat-not-burn cigarette，HNB cigarette）、電子煙、口含煙等［1］。其中，HNB卷煙是一種使用加熱器在較低的溫度下（200～400 ℃）加熱煙絲，使煙草煙氣成分蒸發(fā)或裂解揮發(fā)的新型煙草制品［2］，具有有害物質(zhì)種類少［3］、釋放量降低［4］、無陰燃、抽吸方式和傳統(tǒng)卷煙相近等特點(diǎn)［5］。為了保證消費(fèi)者抽吸時(shí)的勁頭口感，HNB 卷煙和濾嘴的長度往往比傳統(tǒng)卷煙更短，以減少煙支本身對煙氣的吸附，但也帶來了煙氣入口溫度較高的問題［6］。此外HNB卷煙煙氣中的水分含量較高，進(jìn)一步提高了HNB 煙氣的感官溫度。因此，HNB 卷煙設(shè)計(jì)中迫切需要一種高效的降溫材料，在有限的長度范圍內(nèi)吸收煙氣熱量并截留水分。

以美國菲利普·莫里斯國際公司推出的iQOS產(chǎn)品為代表，HNB卷煙濾嘴通常采用三段式的結(jié)構(gòu)，其中第二段為降溫段，是HNB 卷煙的主要降溫段［7］。在現(xiàn)有的HNB卷煙產(chǎn)品和設(shè)計(jì)專利中，降溫段的材料主要采用醋纖和聚乳酸［8-11］。醋纖是傳統(tǒng)燃燒卷煙中濾嘴的主要材料，在HNB中以中空降溫單元的形式出現(xiàn)。醋纖中空段的制備工藝成熟，成本較低，但其降溫性能較差，往往不能滿足HNB 的降溫需求。聚乳酸（PLA）是一類可生物降解的新型降溫材料［12］，其玻璃化相轉(zhuǎn)變溫度（50～70 ℃）和熔點(diǎn)（150～170 ℃）都比較低［13］。當(dāng)煙氣通過濾嘴中的PLA 降溫濾棒時(shí)，PLA吸熱升溫發(fā)生玻璃化相轉(zhuǎn)變，從而發(fā)揮蓄熱作用，同時(shí)水蒸氣會在PLA表面冷凝，使煙氣的水分減少，感官溫度降低［14］。然而，現(xiàn)存的HNB卷煙PLA降溫材料存在兩個(gè)明顯的問題：第一，PLA薄膜較脆［15］，耐折性能有限，在將PLA薄膜折疊成蜷縮的降溫段的過程中容易斷裂；第二，PLA 的熔點(diǎn)低，在高溫?zé)煔獾募訜嵯氯菀总浕廴?，最終塌陷粘連，導(dǎo)致降溫段結(jié)構(gòu)破壞，吸阻增大，甚至阻塞氣流通道［16］。此外，受限于煙氣流速和煙支長度，PLA薄膜降溫材料長度有限，無法充分發(fā)揮降溫性能，導(dǎo)致HNB卷煙普遍存在入口溫度較高的問題。

為解決上述困難，有研究者嘗試?yán)冒ň垡叶己徒Y(jié)晶水合鹽類［17-20］在內(nèi)的其他相變材料，通過涂覆、噴淋、浸漬、靜電紡絲［21］等方式制備HNB卷煙降溫材料，取得了較好的降溫效果。然而這類降溫材料制備工藝較為繁瑣，生產(chǎn)成本較高，相變材料在載體上的負(fù)載量不高，且難以調(diào)控。早在多年前，楊飛等［22-25］就以PLA 纖維和竹纖維為原料，研究了造紙法生產(chǎn)植物纖維/PLA 復(fù)合材料的可行性。云南中煙技術(shù)中心科研人員［26］也系統(tǒng)研究并成功采用濕法造紙方式制備了植物纖維/PLA 復(fù)合材料。以上研究表明植物纖維/PLA 復(fù)合材料的制備是可行的。植物纖維可在復(fù)合材料內(nèi)充當(dāng)骨架，提高材料的耐折性能，且該制備方式具有工藝簡單成熟、適于大規(guī)模生產(chǎn)、成本較低、植物纖維/PLA 比例可控的優(yōu)點(diǎn)。若將該植物纖維/PLA 復(fù)合材料應(yīng)用于HNB卷煙降溫段，替代傳統(tǒng)的PLA 薄膜降溫段，可解決PLA 薄膜脆性大、不耐加工和高溫下易熔融粘連的問題。

因此，本研究采用造紙法制備植物纖維/PLA 復(fù)合降溫功能材料，應(yīng)用于HNB 卷煙降溫段，探究不同纖維配比和壓光工藝對復(fù)合材料降溫性能的影響以及復(fù)合材料對煙氣主要成分的吸附性能。旨在探索植物纖維/PLA 復(fù)合材料在HNB 濾嘴中應(yīng)用的可行性，為后續(xù)植物纖維/PLA復(fù)合材料的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

漂白針葉木硫酸鹽漿（中煙摩迪紙業(yè)有限公司）；聚乳酸纖維（海寧賽優(yōu)普化工科技有限公司，平均纖維粗度1.3 D，平均纖維長度6 mm，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)分別為69.0 ℃ 、157.2 ℃）；流延法PLA薄膜（云南恒萬工貿(mào)有限公司）；加熱卷煙煙支（醋纖中空降溫段壁厚1.2 mm，云南中煙工業(yè)有限公司）和配套周向加熱型煙具。

煙堿（≥99%）、2-甲基喹啉標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99%）、1,3-丁二醇標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99.5%）（加拿大TRC 公司）；丙二醇（＞99.8%，北京百靈威公司）；丙三醇（＞99%，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；異丙醇、甲醇（色譜純，美國Fisher公司）。

Mark VI PFI 磨漿機(jī)（挪威 Hamjern Maskjn 公司）；MESSMER 255 手動(dòng)抄片器（美國Testing Machines 有限公司）；Labor Kalander S-CA5/300 實(shí)驗(yàn)室熱壓光機(jī)（德國Sumet Messtechnik 公司）；DSC214 差示掃描量熱儀（德國Netzsch 公司）；X500E 電子煙綜合測試平臺（上海新型煙草研究所）；Type09 溫度探針（德國Testo 公司）；TRACE 1310 型氣相色譜儀（配FID 和TCD 檢測器，美國Thermo 科技有限公司）；HY-8 型振蕩儀（常州國華電器有限公司）； 44 mm 劍橋?yàn)V片（德國Borgwaldt Technik 公司）；彈性石英毛細(xì)管色譜柱DB-ALC1、彈性石英毛細(xì)管色譜柱HP-PLOT/Q（美國Agilent Technologies 有限公司）；0.22 μm 有機(jī)相濾膜（上海訊同有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 植物纖維/PLA復(fù)合材料的制備

植物纖維在復(fù)合材料內(nèi)充當(dāng)骨架防止復(fù)合材料受熱粘連，同時(shí)提高復(fù)合材料的耐折性能。以植物纖維和PLA纖維為原料，采用造紙法制作植物纖維/PLA 復(fù)合材料，并對不同纖維比例的復(fù)合材料進(jìn)行降溫性能的評價(jià)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) QB/T 1463—1992［27］，采用 PFI 磨漿機(jī)對漂白針葉木漿進(jìn)行打漿處理，調(diào)節(jié)打漿度至40 °SR。將漿料搓揉分散，平衡24 h 后測定含水率。按照80 g/m2的紙張定量、植物纖維和PLA的絕干質(zhì)量比（下同）為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1，稱取兩種纖維混合于水中，充分疏解。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 3703—1999［28］，于實(shí)驗(yàn)室手動(dòng)抄片器上將植物纖維與PLA 混合抄造得到濕紙幅，經(jīng)壓榨與烘干后得到植物纖維/PLA復(fù)合材料。

1.2.2 復(fù)合材料吸熱性能表征

為考察不同纖維原料配比的復(fù)合材料的吸熱性能，采用差示掃描量熱儀對植物纖維/PLA纖維配比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1的復(fù)合材料的吸熱-升溫行為進(jìn)行表征。升溫速率設(shè)置為5 K/min，以氮?dú)鉃榇祾邭夂捅Ｗo(hù)氣，流量為100 mL/min，并采集20～200 ℃范圍的信號。

1.2.3 降溫濾棒的制備成型

將復(fù)合材料在烘箱中烘干至恒重后，裁成幅寬為55、60、65 mm，長度為15 mm的紙條，之后使用自制的雙壓輥壓紋機(jī)進(jìn)行壓紋，手動(dòng)卷制成直徑5 mm的濾棒。因未經(jīng)壓光的不同植物纖維/PLA 纖維配比的降溫材料厚度存在明顯差異，導(dǎo)致相同幅寬的材料卷制成的濾棒橫截面的流通面積不同，吸阻不同，影響濾棒最終的降溫效果。為克服降溫濾棒松緊程度的影響，針對不同纖維配比的復(fù)合材料（未壓光）的厚度確定了不同的幅寬。其中，由于1∶9 植物纖維/PLA纖維配比的復(fù)合材料強(qiáng)度過低，無法滿足濾棒制備過程的加工需求，故缺少其相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 不同纖維配比的復(fù)合材料（未壓光）的濾棒卷制幅寬Tab.1 Width of the composite materials（without calendaring）with different fiber ratios

針對經(jīng)過壓光處理的復(fù)合材料，由于不同壓光條件下材料厚度差別很小，所有材料均按照幅寬65 mm×長度15 mm，制備濾棒進(jìn)行后續(xù)降溫性能測試。

1.2.4 煙氣溫度的測定

實(shí)驗(yàn)所用的加熱卷煙的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為考察復(fù)合材料濾棒的降溫性能，保留加熱卷煙的發(fā)煙芯材段、中空支撐段和過濾段，僅替換降溫段，與過濾段一同組裝成測試樣品，研究不同降溫材料的降溫特性及其對煙氣的影響。

圖1 加熱卷煙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of heated tobacco product structure

采用電子煙綜合測試平臺參照文獻(xiàn)［10］所用的加熱卷煙抽吸方法抽吸樣品卷煙（抽吸曲線：鐘形；抽吸容量：（55.0±0.2）mL；抽吸持續(xù)時(shí)間：2 s；抽吸間隔：30 s），同時(shí)采用熱電偶實(shí)時(shí)在線測試不同降溫材料煙支的氣溶膠的入口溫度。

為比較復(fù)合材料的降溫效果，測試了醋纖中空降溫段及PLA 制成的降溫濾棒（質(zhì)量和幅寬65 mm×長度15 mm的復(fù)合材料相當(dāng)）的降溫效果。

1.2.5 復(fù)合材料的壓光

隨著植物纖維與PLA 纖維比例發(fā)生變化，復(fù)合材料的松厚度、表面粗糙度和孔隙率也不同，這些變化導(dǎo)致復(fù)合材料和煙氣之間的有效接觸面積不同。因此采用壓光方式使植物纖維從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，在壓力下發(fā)生永久性形變，從而起到整飾紙張表面和調(diào)控緊度的作用。并對不同條件下壓光復(fù)合材料進(jìn)行降溫性能的評價(jià)。

選擇降溫效果最佳植物纖維/PLA 纖維質(zhì)量比的復(fù)合材料，對其進(jìn)行壓光處理，壓光機(jī)的核心部件為兩個(gè)相對轉(zhuǎn)動(dòng)的光輥，其中下輥為加熱輥，復(fù)合材料通過兩輥的壓區(qū)時(shí)，紙張纖維受熱軟化，在壓力的作用下發(fā)生蠕變，從而提高材料的緊度和表面平滑度。復(fù)合材料的壓光處理分為兩組，一組考察壓光溫度對降溫效果的影響，壓光壓力設(shè)為15 N/mm，壓光溫度分別為110、130、150、170、190 ℃；另一組考察壓光壓力對降溫效果的影響，壓光溫度設(shè)定為130 ℃，壓光壓力分別為10、20、25 N/mm。

1.2.6 加熱卷煙氣溶膠主要成分逐口分析

參考蔡君蘭等［29］報(bào)道的方法對氣溶膠中煙堿、丙二醇和丙三醇進(jìn)行定量分析。將捕集有氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片置于錐形瓶中，加入25 mL 含內(nèi)標(biāo)的萃取液，振蕩30 min，取1 mL 萃取液過濾，進(jìn)行GC-FID分析。分析條件：

色譜柱：DB-ALC1 彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×1.8 μm）；程序升溫：初始溫度100 ℃，保持1 min，以15 ℃/min 速率升至220 ℃，保持6 min；總運(yùn)行時(shí)間15 min；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；檢測器溫度：275 ℃；載氣：氦氣，恒流流速1.8 mL/min；尾吹氣：氮?dú)?，流?0 mL/min；進(jìn)樣體積：1.0 μL，分流比：50∶1。

參考 YC/T 345—2010［30］的方法對氣溶膠中水分含量進(jìn)行定量分析。將捕集有氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片置于錐形瓶中，加入25 mL 含異丙醇內(nèi)標(biāo)的萃取液，振蕩30 min，取1 mL 萃取液過濾，進(jìn)行GC-TCD分析。分析條件：

色譜柱：HP-PLOT/Q彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm×40 μm）；固定液：鍵合聚苯乙烯-二乙烯基苯（DVB）；程序升溫：170 ℃，保持6 min；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；檢測器溫度：250 ℃；載氣：氦氣，流速8.0 mL/min；尾吹氣：氦氣，流速10 mL/min；參比流量：25 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；分流比：5∶1。

為考察優(yōu)選的復(fù)合材料降溫濾棒對煙氣主要成分的吸附性能，測定并比較了醋纖中空降溫段、優(yōu)選復(fù)合材料（幅寬55、60、65 mm）及PLA 薄膜（幅寬55、60、65 mm）制得的降溫濾棒作為加熱卷煙降溫功能段時(shí)的煙氣主要成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維配比對植物纖維/PLA 復(fù)合材料吸熱性能的影響

植物纖維/PLA 纖維配比分別為 1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1的復(fù)合材料的DSC曲線如圖2所示。從圖2可以看到，不同纖維配比的植物纖維/PLA復(fù)合材料的DSC曲線形狀相似：100 ℃之前為上凸曲線，之后接近直線，在150～170 ℃之間存在一個(gè)熔融吸熱峰。不同纖維配比材料的熔融峰大小關(guān)系為：1∶9復(fù)合材料＞3∶7復(fù)合材料＞5∶5復(fù)合材料＞7∶3復(fù)合材料＞9∶1 復(fù)合材料。復(fù)合材料在150～170 ℃間的吸熱行為主要來自于PLA 的熔化吸收潛熱，植物纖維在該溫度段的吸熱量相對較少。因此，當(dāng)復(fù)合材料中PLA纖維的配比減少時(shí)，相應(yīng)的熔融吸熱量也隨之減少，表現(xiàn)為150～170 ℃熔融峰變小。

圖2 不同配比植物纖維/PLA復(fù)合材料的DSC曲線Fig.2 DSC curves of the composite materials with different fiber ratios

圖2 中縱軸表示單位質(zhì)量的復(fù)合材料吸收的熱流量，故曲線越高，說明材料吸收的熱量越多，可以推斷對應(yīng)材料制成降溫濾棒的降溫性能越好。加熱卷煙抽吸過程中流經(jīng)降溫過濾段的煙氣溫度小于100 ℃，故復(fù)合材料的降溫性能主要取決20～100 ℃范圍內(nèi)吸熱性能，即在該范圍內(nèi)的DSC 曲線越高則吸熱量越大。根據(jù)圖2 的DSC 曲線可知，在20～100 ℃范圍內(nèi)復(fù)合材料的吸熱量5∶5復(fù)合材料＞3∶7復(fù)合材料＞1∶9復(fù)合材料＞7∶3復(fù)合材料≈9∶1復(fù)合材料。

2.2 纖維配比對植物纖維/PLA 復(fù)合材料降溫濾棒降溫性能的影響

2.2.1 進(jìn)出口煙氣溫度曲線圖對比

加熱卷煙PLA薄膜降溫濾棒的進(jìn)出口煙氣溫度曲線如圖3所示?？梢钥吹皆诔槲? s內(nèi)進(jìn)出口的溫度急速上升，抽吸結(jié)束后熱量散去，溫度以指數(shù)衰減的形式下降，等到下一個(gè)抽吸循環(huán)開始時(shí)再次急速上升，如此周而復(fù)始。而出口溫度曲線一直位于進(jìn)口溫度曲線之下，說明被測樣品能夠發(fā)揮降溫效果，兩條曲線的距離大小即為樣品降溫性能的直觀表現(xiàn)。

PLA薄膜降溫濾棒（圖3）的降溫效果比較有限：出口溫度在抽吸的2 s中升溫幅度大，在第1口抽吸中出口溫度達(dá)到整個(gè)抽吸過程的最高值，煙氣離開降溫材料時(shí)的溫度超過了70 ℃。

圖3 PLA薄膜降溫濾棒的進(jìn)出口煙氣溫度曲線Fig.3 Aerosol temperature curves at inlet and outlet of PLA film filter rod with cooling effect

同時(shí)，在后6 次抽吸過程中，進(jìn)出口煙氣溫度的最高值呈現(xiàn)下降趨勢，即溫度曲線的峰從左到右逐漸變低，該趨勢可能是由所采用煙具的溫控程序造成的，即煙具的加熱功率隨著時(shí)間的增加而降低。煙具預(yù)熱階段蓄積的熱量及煙芯材料中大多數(shù)水分都集中在第1口和第2口中釋放，導(dǎo)致前兩口溫度明顯高于之后5 口的溫度。而第1 口的入口溫度低于第2口，則是因?yàn)榈?口抽吸時(shí)處于室溫的降溫材料吸收了較多的熱量。

圖4 為植物纖維/PLA 纖維配比為 4∶6 的復(fù)合材料制成的濾棒的進(jìn)出口溫度曲線圖。從該圖可以看出，和對照樣（PLA 薄膜降溫濾棒）相比，4∶6 復(fù)合材料濾棒的煙氣出口溫度得到了有效降低，在每個(gè)抽吸周期中出口溫度的峰值均比對照樣更低，且出口煙氣溫度在每次抽吸過程中升溫幅度更小，降溫段的溫度最低點(diǎn)也更低（從對照樣的接近50 ℃降低至40 ℃左右）。4∶6復(fù)合材料濾棒的煙氣進(jìn)出口溫度曲線的間隔也比對照樣更大，即煙氣進(jìn)出口溫度差更大。這表明在整個(gè)抽吸測試的過程中，4∶6纖維配比的復(fù)合材料發(fā)揮了更佳的降溫效果。

圖4 植物纖維/PLA纖維（4∶6）降溫濾棒的進(jìn)出口煙氣溫度曲線Fig.4 Aerosol temperature curves at inlet and outlet of composite material filter rod with cooling effect at plant fiber to PLA fiber ratio of 4∶6

2.2.2 材料煙氣降溫性能的定量計(jì)算

為定量表示測試材料的降溫性能，使用進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)計(jì)算材料的最高溫度降溫效果ΔTm和平均溫度降溫效果ΔTa。其中最高溫度降溫效果為抽吸測試過程中逐口進(jìn)出口溫度峰值差值的平均數(shù)，即公式（1）：

平均溫度降溫效果ΔTa通過公式（2）～（4）計(jì)算：

植物纖維/PLA 配比對復(fù)合降溫材料的降溫效果的影響結(jié)果見表2。從表2可以看到，與目前HNB卷煙中主流的PLA 薄膜降溫濾棒相比，復(fù)合材料降溫濾棒的降溫性能有明顯的提升（ΔTa：11.4 ℃＞10.7 ℃，ΔTm：14.3 ℃＞12.3 ℃），在4∶6 和5∶5 的纖維配比下其最高溫度和平均溫度降溫效果增幅超過了100%。同時(shí)，所有纖維配比下的植物纖維/PLA復(fù)合材料降溫濾棒均展現(xiàn)出了遠(yuǎn)優(yōu)于醋纖中空降溫段的降溫效果（Δ Ta：11.4 ℃＞5.5 ℃，Δ Tm：14.3 ℃＞5.6 ℃）。這表明通過造紙工藝制備的植物纖維/PLA復(fù)合材料成功利用了兩種纖維的特點(diǎn)，用作HNB卷煙降溫功能材料具有明顯的性能優(yōu)勢。這種優(yōu)勢可能來自于紙張固有的多孔性和造紙濕法成網(wǎng)賦予材料的均一性：復(fù)合材料由兩種纖維混合交織而成，其中較為硬挺的PLA 纖維賦予了材料較大的松厚度，紙張較大的孔隙率和比表面積為材料和煙氣充分、良好的接觸提供了條件，而均勻分布在材料內(nèi)部的植物纖維則發(fā)揮了支撐的作用，防止材料在較高溫度下的熔融和塌陷，維持降溫段的通道結(jié)構(gòu)，從而使氣流可以高效地通過并進(jìn)行熱交換。

表2 纖維配比對復(fù)合降溫材料降溫效果的影響Tab.2 Influence of fiber ratio on cooling effect of the composite material

纖維配比對復(fù)合材料降溫濾棒的降溫效果具有明顯影響?？傮w而言，復(fù)合材料的降溫性能隨著植物纖維配比的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢。復(fù)合材料的降溫性能在植物纖維/PLA纖維配比為4∶6時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)的最高溫度降溫效果ΔTm和平均溫度降溫效果ΔTa分別為29.3 ℃和25.3 ℃。并且，1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1纖維配比的復(fù)合材料的煙氣溫度測試結(jié)果和DSC 測試結(jié)果相符，這印證了2.1 節(jié)中“復(fù)合材料的降溫性能主要取決20～100 ℃范圍內(nèi)吸熱性能”的理論推測。

纖維配比對材料結(jié)構(gòu)影響顯著。隨著植物纖維配比的減少，復(fù)合材料的松厚度、表面粗糙度和孔隙率明顯增大［25］。這些變化導(dǎo)致材料和煙氣之間的有效接觸面積增加，有利于傳熱過程的進(jìn)行。同時(shí)，更多的PLA纖維也增強(qiáng)了復(fù)合材料通過相轉(zhuǎn)變吸收熱量的能力。這兩種因素均有利于復(fù)合材料降溫性能的增強(qiáng)。但是，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)的植物纖維組成下降到某一閾值（4∶6）后，植物纖維充當(dāng)骨架支撐材料不發(fā)生熱變形的能力被破壞，PLA受熱熔融坍縮，影響煙氣的流動(dòng)和換熱，導(dǎo)致材料降溫性能下降，煙氣出口溫度升高。多種因素協(xié)同作用，最終導(dǎo)致纖維配比發(fā)生變化時(shí)復(fù)合材料的降溫性能呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢。

2.3 壓光溫度對植物纖維/PLA 復(fù)合材料降溫濾棒降溫性能的影響

為定量表征壓光復(fù)合材料制得的降溫濾棒的降溫性能，使用煙氣進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)計(jì)算濾棒的平均降溫效果和最高降溫效果，計(jì)算方法同2.2，結(jié)果見表3。

表3 壓光溫度對復(fù)合材料降溫效果的影響Tab.3 Influence of calendaring temperature on cooling effect of the composite material

對比壓光前和壓光后的復(fù)合材料的降溫性能，可知壓光后材料的降溫效果出現(xiàn)明顯下降，而不同的壓光溫度對材料的降溫性能無明顯影響。盡管如此，110～190 ℃壓光復(fù)合材料仍都具有與PLA 薄膜相近或略勝一籌的降溫性能，且其降溫效果明顯優(yōu)于醋纖中空降溫段。壓光作為造紙流程中的最后一環(huán)，其原理為利用植物纖維在高溫下從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，在壓力下發(fā)生永久性形變，從而起到紙張表面整飾和緊度調(diào)控的作用。研究使用的PLA 纖維，其玻璃化相轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)均比通常的植物纖維低得多（PLA 纖維的相轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)分別為69.0 ℃和157.2 ℃），在壓光的條件下，PLA 纖維將發(fā)生軟化和熔融，并在壓力的作用下流動(dòng)，填充紙張內(nèi)部纖維間的孔隙并涂覆在植物纖維表面，從而增強(qiáng)植物纖維和PLA 之間的結(jié)合，使得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更加致密，材料的力學(xué)強(qiáng)度得到提高［25］。但壓光同時(shí)也降低了材料的孔隙率、表面粗糙度和厚度，這影響了煙氣和材料的有效接觸面積和煙氣的流通面積，進(jìn)而影響了煙氣的湍動(dòng)程度，最終導(dǎo)致材料的降溫效果降低。

2.4 壓光壓力對植物纖維/PLA 復(fù)合材料降溫濾棒降溫性能的影響

表4為130 ℃壓光溫度，不同壓光壓力下復(fù)合材料降溫濾棒的平均溫度降溫效果和最高溫度降溫效果，計(jì)算方法見2.2節(jié)。比較不同壓光壓力下復(fù)合材料的降溫效果，可知10、15 N/mm壓光壓力下的復(fù)合材料降溫效果接近，而20、25 N/mm壓光壓力下的復(fù)合材料降溫效果出現(xiàn)了明顯的下降。這可能是由于較大的壓光壓力賦予了材料更大的緊度，PLA纖維在熱量和壓力的共同作用下開始熔融并且填充了紙張孔隙，降低了材料的透氣度，進(jìn)而阻礙了煙氣的傳熱。

表4 壓光壓力對復(fù)合材料降溫效果的影響Tab.4 Influence of calendaring pressure on cooling effect of the composite material

2.5 優(yōu)選復(fù)合材料降溫濾棒對HNB 卷煙氣溶膠主要成分吸附性能分析

通過上述的對比和討論，可知5∶5植物纖維/PLA纖維配比，130 ℃壓光溫度、15 N/mm壓光壓力是較為適宜的一組制備條件。因此以該條件制備了幅寬55、60、65 mm，長度15 mm 降溫濾棒，考察其作為HNB 卷煙降溫段材料時(shí)，降溫材料的幅寬對加熱卷煙煙氣中主要成分釋放的影響。

2.5.1 總粒相物逐口釋放情況

優(yōu)選的復(fù)合材料及兩種對照樣品（1.2 mm 壁厚醋纖中空濾棒，幅寬55、60、65 mm PLA薄膜卷制而成的降溫濾棒）作為HNB卷煙濾嘴降溫段時(shí)煙氣氣溶膠總粒相物（TPM）的逐口釋放情況如圖5 所示。圖5中TPM曲線均呈現(xiàn)出先略有增加再持續(xù)減少的趨勢，這表明TPM的逐口釋放變化趨勢與卷煙的降溫功能材料種類無關(guān)。注意到TPM曲線基本在第2口處抵達(dá)其最大值，這和圖2、3中抽吸過程煙氣入口溫度最大值的位置一致，且TPM逐口釋放量的變化趨勢和煙氣入口溫度最大值變化趨勢相吻合，表明TMP 的釋放量主要由發(fā)煙芯材段的溫度決定，取決于所用煙具的升溫曲線，煙氣中主要成分的逐口釋放與加熱的升溫速率和溫度有直接關(guān)系。這一結(jié)果和前人研究得到的結(jié)論相一致［31］。

圖5 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙總粒相物的逐口釋放量Fig.5 Puff-by-puff releases of total particulate matter from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

對比3 種材料TPM 逐口釋放曲線，可知1.2 mm壁厚的醋纖中空濾棒的TPM 釋放量大于PLA 薄膜材料和復(fù)合材料，即復(fù)合材料對煙氣總粒相物的吸收性大于PLA薄膜和醋纖中空材料。對比同一種材料3 種幅寬下的TPM 釋放曲線，可以看到隨著幅寬的增加，曲線呈下移趨勢，這說明降溫材料的幅寬越長，其吸附性越強(qiáng)。

2.5.2 丙二醇逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)丙二醇的逐口釋放情況如圖6所示。不同濾嘴材料對丙二醇逐口釋放的趨勢有顯著的影響，對于醋纖中空材料，加熱卷煙氣溶膠中丙二醇的釋放趨勢呈先增加再減少到再增加再減少的“M”型趨勢，而對于PLA 薄膜和植物纖維/PLA復(fù)合材料，加熱卷煙氣溶膠中丙二醇的釋放趨勢表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定。

圖6 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙丙二醇的逐口釋放量Fig.6 Puff-by-puff releases of propylene glycol from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

對比3種材料丙二醇逐口釋放曲線，可知1.2 mm壁厚的醋纖中空濾棒的釋放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PLA薄膜材料和復(fù)合材料，即復(fù)合材料對丙二醇的吸收性強(qiáng)于PLA 薄膜，前兩者又遠(yuǎn)強(qiáng)于醋纖中空濾棒。對比同一種材料3種幅寬下丙二醇逐口釋放曲線，可知幅寬對材料丙二醇吸附性影響較小。

2.5.3 丙三醇逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)的丙三醇的逐口釋放情況如圖7所示。丙三醇逐口釋放量呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，材料種類和幅寬對丙三醇釋放量的影響和丙二醇的基本一致。

圖7 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙丙三醇的逐口釋放量Fig.7 Puff-by-puff releases of glycerol from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

2.5.4 煙堿逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)煙堿的逐口釋放情況如圖8所示。從圖中可見各材料煙堿逐口釋放曲線變化規(guī)律和丙二醇的情況基本一致，即材料煙堿吸附性：復(fù)合材料＞PLA薄膜＞1.2 mm壁厚醋纖中空材料；材料幅寬對吸附性影響較小且無明顯趨勢。

圖8 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙煙堿的逐口釋放量Fig.8 Puff-by-puff releases of nicotine from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

2.5.5 水分逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)煙氣水分的逐口釋放情況如圖9所示。不同濾嘴材料對煙堿逐口釋放的趨勢有較為明顯的影響，對于醋纖中空材料，加熱卷煙氣溶膠中水分釋放呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，而對于PLA 薄膜和植物纖維/PLA 復(fù)合材料，加熱卷煙氣溶膠中水分釋放趨勢呈現(xiàn)為先增加后減少。對比3 種材料的水分逐口釋放曲線，可知PLA薄膜的水分釋放量最高，而醋纖中空材料介于中間，復(fù)合材料釋放量最低。不同幅寬下材料的水分釋放量情況表明材料的幅寬越大，水分釋放量越低，但降低值較小，即幅寬對水分吸收性的影響較小。

圖9 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙水分的逐口釋放量Fig.9 Puff-by-puff release of moisture from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

綜合2.5 各小節(jié)的分析討論，3 種材料對煙氣主要成分的過濾吸附性能強(qiáng)弱為：復(fù)合材料＞PLA薄膜＞1.2 mm 壁厚醋纖中空材料；增加材料幅寬會在一定程度上增強(qiáng)材料對煙氣主要成分的過濾吸附性能。植物纖維/PLA 復(fù)合材料較強(qiáng)的吸附性能可能來自于植物纖維對水分、丙二醇等物質(zhì)較好的吸收性。丙二醇、丙三醇和水均可以和植物纖維表面的羥基形成分子間氫鍵，這促進(jìn)了植物纖維對這些煙氣組分的吸收。此外，復(fù)合材料較佳的降溫性能也有利于煙氣中水分的冷凝，冷凝的液態(tài)水又能以溶解互溶的方式吸收煙氣中的醇和煙堿。這兩種效應(yīng)賦予了復(fù)合材料相較純PLA薄膜更強(qiáng)的吸收性。

3 結(jié)論

成功使用造紙法制備了植物纖維/PLA復(fù)合材料并將其應(yīng)用于HNB卷煙的降溫濾棒中，考察了纖維配比、壓光工藝條件對材料降溫性能的影響以及優(yōu)選的復(fù)合材料幅寬對HNB煙氣主流成分的吸收性能。研究表明：①對不同植物纖維/PLA配比（1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1）復(fù)合材料的DSC測試表明，植物纖維/PLA配比約為5∶5的復(fù)合材料在20～100 ℃范圍具有較優(yōu)的吸熱性能。②對植物纖維/PLA復(fù)合材料煙氣溫度測試結(jié)果進(jìn)一步表明：復(fù)合材料的降溫性能隨植物纖維的增加而先增強(qiáng)后減弱，并于植物纖維/PLA 纖維配比為4∶6時(shí)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)其平均溫度降溫效果和最高溫度降溫效果分別為25.3 ℃和29.3 ℃。該結(jié)果和復(fù)合材料的DSC測試結(jié)果一致。③壓光使復(fù)合材料變得致密，降低了材料的孔隙率和比表面積，使材料和煙氣間的有效接觸面積減少，對復(fù)合材料的降溫性能存在不利影響。④壓光溫度對降溫性能影響較小，而壓光壓力超過10 N/mm后材料的降溫性能出現(xiàn)明顯降低。⑤3種材料對煙氣主要成分（總粒相物、丙二醇、丙三醇、煙堿和水分）的過濾吸附性能強(qiáng)弱為：復(fù)合材料＞PLA薄膜＞1.2 mm壁厚醋纖中空材料，且增加材料幅寬會在一定程度上增強(qiáng)材料的過濾吸附性能。復(fù)合材料較強(qiáng)的吸附性能可能來源于其對水分較好的吸收性及較強(qiáng)的冷凝效果。