卷煙逐口煙絲消耗量的測(cè)定

劉瑞紅，郭吉兆，朱 靜，崔華鵬，許藹飛，賈云禎，潘立寧，謝復(fù)煒*，陳志燕*

1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，南寧市北湖南路28 號(hào) 530001

卷煙抽吸過(guò)程中，煙氣的產(chǎn)生和傳輸條件不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致煙氣成分釋放量存在逐口差異［1-3］。而煙氣釋放量與煙絲消耗量密切相關(guān)，因此準(zhǔn)確測(cè)定逐口煙絲消耗量對(duì)深入研究煙氣的形成和釋放過(guò)程具有重要價(jià)值。目前，測(cè)定卷煙逐口煙絲消耗量通常先測(cè)定煙支燃燒的線速率，再結(jié)合煙絲填充密度和煙支圓周計(jì)算得出［4-6］。如Perfetti等［4］通過(guò)對(duì)卷煙燃吸時(shí)燃燒線的監(jiān)測(cè)，得到了卷煙燃吸線速率，再根據(jù)煙絲填充密度計(jì)算出燃吸消耗的煙絲量，然而卷煙實(shí)際抽吸時(shí)燃燒線形狀不規(guī)則，且單口燃吸燃燒線移動(dòng)距離較小，難以準(zhǔn)確獲取逐口燃吸煙絲消耗量。崔曉夢(mèng)等［5］采用兩個(gè)固定位置的熱電偶測(cè)定了燃燒錐特征溫度T0.5的移動(dòng)速率，用來(lái)表征卷煙瞬時(shí)燃燒速率，并結(jié)合煙絲填充密度獲得了煙絲實(shí)時(shí)燃燒消耗量，然而該方法僅能測(cè)定單次抽吸的煙絲消耗量，無(wú)法獲得連續(xù)抽吸時(shí)不同抽吸口序的煙絲消耗量。此外，有文獻(xiàn)采用間接法測(cè)定卷煙抽吸消耗的煙絲量，如Backhurst［7］基于整個(gè)抽吸過(guò)程中卷煙連續(xù)陰燃且速度恒定的假設(shè)，根據(jù)卷煙抽吸時(shí)間、口數(shù)和煙支燃燒長(zhǎng)度之間的關(guān)系，計(jì)算出了卷煙連續(xù)抽吸時(shí)平均每口消耗的煙絲量，反映的是煙支吸燃過(guò)程煙絲消耗量的平均狀況，然而隨著卷煙抽吸的進(jìn)行，煙支長(zhǎng)度、含水率等指標(biāo)不斷發(fā)生變化，不同抽吸口序的煙絲消耗量必然存在差異。針對(duì)上述測(cè)量方法存在的問(wèn)題，基于力矩平衡原理設(shè)計(jì)了一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)卷煙抽吸過(guò)程中煙支質(zhì)量損失的裝置，測(cè)定了卷煙抽吸失重曲線，結(jié)合文獻(xiàn)［8］中抽吸比率測(cè)定方法計(jì)算出卷煙抽吸逐口煙絲消耗量，進(jìn)一步研究了濾嘴通風(fēng)率對(duì)逐口煙絲消耗量的影響，并考察了燃燒錐端進(jìn)氣量與煙絲消耗量之間的關(guān)系，旨在為煙氣形成機(jī)理研究及卷煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：不同配方和輔材設(shè)計(jì)的卷煙，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 卷煙樣品參數(shù)Tab.1 Parameters of cigarette samples

儀器：SQP 電子天平（感量：0.000 1 g，德國(guó)Sartorius公司），單通道吸煙機(jī)（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）。

1.2 測(cè)試裝置

圖1 為卷煙抽吸時(shí)煙支質(zhì)量損失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置示意圖，該裝置由單通道吸煙機(jī)、卷煙夾持器、電子天平及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中卷煙夾持器依次通過(guò)玻璃管（長(zhǎng)50.0 cm，內(nèi)徑8.0 mm）和輕質(zhì)硅膠管兩種材質(zhì)管路與吸煙機(jī)連接，玻璃管與硅膠管直接相連，在與連接點(diǎn)a 相接的硅膠管處有固定裝置固定，通過(guò)水平儀調(diào)節(jié)固定點(diǎn)高度，確保玻璃管水平放置，并能以a為支點(diǎn)上下自由旋轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)采集軟件可實(shí)時(shí)記錄天平示數(shù)變化，采集頻率為5 Hz。

圖1 煙支質(zhì)量損失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a real-time monitoring device for cigarette mass loss during smoking

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

挑選平均質(zhì)量±20 mg 和平均吸阻±30 Pa 的煙支作為測(cè)試煙支。抽吸測(cè)試前，將測(cè)試煙支樣品在溫度為（22±2）℃，相對(duì)濕度為60%±5%的環(huán)境中平衡48 h。

1.3.1 煙支質(zhì)量損失測(cè)試方法

逐口質(zhì)量損失測(cè)試：將待測(cè)煙支插入裝有劍橋?yàn)V片的卷煙夾持器中，待天平示數(shù)穩(wěn)定后歸零，打開數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集天平讀數(shù)，點(diǎn)燃卷煙并觸發(fā)吸煙機(jī)進(jìn)行逐口抽吸，抽吸模式為ISO標(biāo)準(zhǔn)抽吸，抽吸至標(biāo)記位置時(shí)停止采集數(shù)據(jù)，取下剩余煙支。標(biāo)記位置按GB/T 19609—2004［9］的規(guī)定操作。

不同抽吸容量下質(zhì)量損失測(cè)試：將待測(cè)樣品插入裝有劍橋?yàn)V片的卷煙夾持器中，待天平示數(shù)穩(wěn)定后歸零，打開數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集天平讀數(shù)，點(diǎn)燃卷煙，待煙支陰燃至標(biāo)記位置時(shí)觸發(fā)吸煙機(jī)抽吸一口，抽吸結(jié)束后停止采集數(shù)據(jù)，取下剩余煙支，其中設(shè)置抽吸波形為鐘形波，抽吸時(shí)間為2 s，抽吸容量分別設(shè)置為10、20、35、45、55 mL。標(biāo)記位置為距煙支點(diǎn)燃端15 mm。

1.3.2 燃燒錐端進(jìn)氣量測(cè)試方法

燃燒錐端進(jìn)氣量測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)述如下：將煙支燃燒錐端與其他部位分隔并密封，在燃燒錐端密封腔處連接一個(gè)皂膜流量計(jì)，設(shè)置吸煙機(jī)抽吸波形為鐘形波，抽吸時(shí)間為2 s，抽吸容量分別為10、20、35、45、55 mL，在卷煙陰燃至標(biāo)記位置時(shí)觸發(fā)吸煙機(jī)抽吸一口，記錄皂膜流量計(jì)在抽吸前后的示數(shù)差，即為燃燒錐端進(jìn)氣量，其中標(biāo)記位置為距煙支點(diǎn)燃端15 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙支質(zhì)量損失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

2.1.1 測(cè)試原理

如圖2，卷煙未點(diǎn)燃時(shí)，假設(shè)煙支點(diǎn)燃端到支點(diǎn)a的距離為L(zhǎng)0，卷煙單位長(zhǎng)度質(zhì)量為ρ，天平作用力點(diǎn)到支點(diǎn)a 的距離為L(zhǎng)1，煙支未點(diǎn)燃時(shí)天平示數(shù)為0。卷煙抽吸時(shí)，與未點(diǎn)燃卷煙相比，煙支的長(zhǎng)度變化為l，質(zhì)量損失為M，而煙支長(zhǎng)度變化微元為dl，質(zhì)量損失微元為dM，則煙支質(zhì)量損失微元所在位置到支點(diǎn)a 的距離為L(zhǎng)0-l，同時(shí)，天平指示質(zhì)量變化為N，其指示質(zhì)量變化微元為dN，由于水平管能夠以a 點(diǎn)為支點(diǎn)上下自由旋轉(zhuǎn)，根據(jù)力矩平衡原理可知，煙支未點(diǎn)燃時(shí)，水平管、卷煙夾持器和煙支質(zhì)量產(chǎn)生的力矩之和與天平支撐力產(chǎn)生的力矩相等；而煙支點(diǎn)燃后，卷煙煙支質(zhì)量損失微元（dM×g）產(chǎn)生的力矩和天平支撐力變化微元（dN×g）產(chǎn)生的力矩相等，故可得：

圖2 基于力矩平衡原理的示意圖Fig.2 Schematic diagram based on the principle of moment balance

由于dM=ρ×dl，可得：

方程（2）兩邊積分得：

其中：C為常數(shù)。由于M=ρ×l，因此得到方程（4）：

2.1.2 原理驗(yàn)證

將卷煙直接放置在不與吸煙機(jī)連接的天平上進(jìn)行陰燃測(cè)試，得到了煙支的真實(shí)質(zhì)量損失M，而將卷煙在設(shè)計(jì)裝置上進(jìn)行陰燃測(cè)試，得到了煙支在裝置上的指示質(zhì)量損失N，對(duì)M 和N 進(jìn)行二次方程擬合，結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)所用卷煙的單位長(zhǎng)度質(zhì)量ρ=0.100 7 g/cm。由M-N 擬合曲線可得而由裝置設(shè)計(jì)參數(shù)可得L0=59.4 cm，L1=50.0 cm，故C=0，實(shí)驗(yàn)值和理論值的相對(duì)偏差均小于10%，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)原理的正確性。

圖3 天平指示煙支質(zhì)量損失和煙支真實(shí)質(zhì)量損失的關(guān)系Fig.3 Relationship between mass loss of cigarettes indicated by balance and real mass loss of cigarettes

2.1.3 煙支質(zhì)量變化數(shù)據(jù)驗(yàn)證

將煙支插入1.2小節(jié)所述設(shè)計(jì)裝置中，通過(guò)在煙支點(diǎn)燃端添加已知質(zhì)量的紙片改變煙支質(zhì)量，進(jìn)而測(cè)得煙支發(fā)生已知質(zhì)量變化時(shí)天平的指示質(zhì)量變化值，天平指示質(zhì)量變化值經(jīng)方程（4）校準(zhǔn)后得到校準(zhǔn)質(zhì)量變化值，結(jié)果列于表2中。表2中數(shù)據(jù)表明，不同條件下測(cè)定值的RSD均不超過(guò)1%，說(shuō)明此設(shè)計(jì)裝置的精密度高、穩(wěn)定性好。另外，煙支的指示質(zhì)量變化值經(jīng)方程（4）校準(zhǔn)后得到的校準(zhǔn)質(zhì)量變化值和已知實(shí)際質(zhì)量變化值之間的相對(duì)偏差同樣均小于1%，證明了通過(guò)上述設(shè)計(jì)裝置可準(zhǔn)確獲得煙支的質(zhì)量變化。

表2 煙支質(zhì)量變化測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of cigarette mass variations

2.2 卷煙逐口煙絲消耗量

2.2.1 卷煙逐口抽吸質(zhì)量損失測(cè)定

利用設(shè)計(jì)裝置對(duì)卷煙抽吸時(shí)的質(zhì)量損失進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其結(jié)果經(jīng)方程（4）校準(zhǔn)后，可得到卷煙逐口抽吸失重曲線，如圖4所示。從失重曲線中可明顯區(qū)分卷煙陰燃（實(shí)線框）和主動(dòng)抽吸（虛線框）兩個(gè)過(guò)程，其中煙支在陰燃期間失重速率基本保持穩(wěn)定，而在主動(dòng)抽吸時(shí)質(zhì)量發(fā)生突變。從圖4的插圖可以看出，在抽吸的兩秒內(nèi)，質(zhì)量快速降低到一個(gè)穩(wěn)定水平，后隨著陰燃過(guò)程又繼續(xù)下降，由于數(shù)據(jù)采集頻率為5 Hz，抽吸時(shí)間為2 s，因此在質(zhì)量突變區(qū)選取10個(gè)點(diǎn)作為主動(dòng)抽吸過(guò)程的失重?cái)?shù)值，由主動(dòng)抽吸前后質(zhì)量差值即可得到卷煙主動(dòng)抽吸產(chǎn)生的質(zhì)量損失，圖5 為1#卷煙逐口抽吸質(zhì)量損失隨抽吸口序的變化趨勢(shì)。由圖5可知，卷煙第一口抽吸所產(chǎn)生的質(zhì)量損失明顯低于其他口序，這是由于第一口為點(diǎn)火過(guò)程，此時(shí)卷煙尚未形成完整的燃燒錐。研究表明ISO標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下，卷煙燃燒錐在第3口抽吸時(shí)可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)［11］，而圖中數(shù)據(jù)顯示1#卷煙達(dá)到穩(wěn)定抽吸后，其逐口質(zhì)量損失隨抽吸口序的增加呈上升趨勢(shì)，這是由于抽吸容量恒定時(shí)，隨著抽吸的進(jìn)行，煙支長(zhǎng)度變短，煙絲段吸阻降低，導(dǎo)致從煙絲段進(jìn)入的空氣量增加，而卷煙紙表面積減少，卷煙紙段進(jìn)氣量降低，因此從燃燒錐端進(jìn)入的空氣量增加，燃燒錐端煙絲消耗量增大，質(zhì)量損失隨之增大［12-14］。

圖4 卷煙抽吸時(shí)煙支失重曲線Fig.4 Real-time mass loss curve of a cigarette during puffing and smouldering

圖5 1#卷煙逐口質(zhì)量損失隨抽吸口序變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of puff-by-puff mass loss of cigarette sample 1# with puff number

2.2.2 卷煙逐口抽吸煙絲消耗量的計(jì)算

由于卷煙抽吸過(guò)程中燃燒的煙絲質(zhì)量有3 個(gè)去向：釋放的煙氣質(zhì)量、煙灰的質(zhì)量、被剩余煙支截留的煙氣質(zhì)量，因此采用1.3.1 小節(jié)中方法所測(cè)得的煙支質(zhì)量損失量并不等于燃燒煙絲質(zhì)量。為進(jìn)一步得到卷煙逐口煙絲消耗量，測(cè)定了卷煙的抽吸比率（即卷煙吸燃煙絲消耗量占總煙絲消耗量的比例）。參照文獻(xiàn)［8］中抽吸比率的測(cè)試方法得到1#、2#和3#卷煙在ISO 標(biāo)準(zhǔn)條件下抽吸至標(biāo)記長(zhǎng)度時(shí)的抽吸比率，并對(duì)相同長(zhǎng)度的未點(diǎn)燃煙支段稱重獲得了3種卷煙抽吸時(shí)的總煙絲消耗量，通過(guò)總煙絲消耗量和抽吸比率的乘積得到了卷煙吸燃消耗煙絲量，同時(shí)由1.3.1小節(jié)中方法測(cè)定得到了3種卷煙的吸燃質(zhì)量損失，進(jìn)而可計(jì)算出3種卷煙抽吸時(shí)單位煙絲消耗量產(chǎn)生的質(zhì)量損失，結(jié)果如表3所示。

表3 煙絲消耗量和質(zhì)量損失之間的關(guān)系Tab.3 Relationship between cut tobacco consumption and mass loss

根據(jù)單位煙絲消耗量產(chǎn)生的質(zhì)量損失和逐口質(zhì)量損失數(shù)據(jù)，可計(jì)算出卷煙抽吸時(shí)的逐口消耗煙絲量，結(jié)果見(jiàn)表4。表中數(shù)據(jù)顯示，達(dá)到穩(wěn)定抽吸后（即第3 口抽吸），3 種卷煙的逐口消耗煙絲量均隨抽吸口序的增加而增加，其中1#卷煙、2#卷煙和3#卷煙的單口消耗煙絲量分別在19.9～24.0 mg、21.3～25.8 mg和22.7～26.2 mg之間。

表4 3 種配方卷煙逐口抽吸煙絲消耗量Tab.4 Puff-by-puff cut tobacco consumption of three cigarettes with different blends （mg）

2.2.3 濾嘴通風(fēng)率對(duì)卷煙逐口抽吸煙絲消耗量的影響

圖6 為4#、5#和6# 3 種不同濾嘴通風(fēng)卷煙逐口煙絲消耗量隨抽吸口序的變化趨勢(shì)。由圖6可知，3種卷煙的逐口煙絲消耗量隨抽吸口序的變化趨勢(shì)相同，但相同口序下逐口煙絲消耗量與卷煙的濾嘴通風(fēng)率呈負(fù)相關(guān)，這是由于濾嘴通風(fēng)的增加，降低了燃燒錐端進(jìn)氣量，而煙絲消耗量與燃燒錐端進(jìn)氣量呈正相關(guān)。

圖6 濾嘴通風(fēng)對(duì)逐口煙絲消耗量的影響Fig.6 Influence of filter ventilation on puff-by-puff cut tobacco consumption

2.2.4 燃燒錐端進(jìn)氣量與煙絲消耗量的關(guān)系

研究表明煙氣生成量受到氧氣供應(yīng)量的影響［15-16］，而燃燒錐端進(jìn)氣量決定了氧氣供應(yīng)量，煙絲消耗量決定了煙氣生成量，因此煙絲消耗量與燃燒錐端進(jìn)氣量密切相關(guān)。分別測(cè)定了1#、2#和3#卷煙在相同煙支抽吸位置的燃燒錐端進(jìn)氣量和煙絲消耗量，并對(duì)二者進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知3種卷煙擬合曲線的R2均大于0.99，說(shuō)明同一煙絲配方的卷煙燃燒錐端進(jìn)氣量與煙絲消耗量呈正比關(guān)系。

圖7 3種卷煙抽吸煙絲消耗量與燃燒錐端進(jìn)氣量的關(guān)系Fig.7 Relationship between cut tobacco consumption and air intake from combustion cone of three cigarettes

但圖7中不同卷煙的擬合曲線斜率不同，這說(shuō)明不同配方卷煙燃吸時(shí)相同的燃燒錐端進(jìn)氣量消耗的煙絲量不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2#卷煙抽吸時(shí)燃燒性較差，而其燃燒錐端進(jìn)氣量與煙絲消耗量擬合曲線的斜率也明顯低于1#卷煙和3#卷煙，因此猜測(cè)卷煙燃吸時(shí)單位燃燒錐端進(jìn)氣量消耗的煙絲量和煙絲燃燒性有關(guān)。為了驗(yàn)證猜想，采用相同煙筒手工卷制上述3種煙絲的卷煙，測(cè)定陰燃速率，結(jié)果如表5所示。由表5可知，3種卷煙的陰燃速率大小為2#卷煙＜3#卷煙＜1#卷煙，和圖5中擬合曲線的斜率大小順序相同。這初步說(shuō)明了單位燃燒錐端進(jìn)氣量消耗的煙絲量與煙絲燃燒性呈正相關(guān)，但陰燃速率與擬合曲線斜率之間的定量結(jié)論還需要進(jìn)一步探究。

表5 3種卷煙煙絲燃燒性結(jié)果Tab.5 Results of combustibility of cut tobacco for three cigarettes

3 結(jié)論

基于力矩平衡原理設(shè)計(jì)了一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)卷煙抽吸過(guò)程中煙支質(zhì)量損失的裝置，將其應(yīng)用于卷煙抽吸逐口煙絲消耗量的測(cè)定分析，結(jié)果表明：①設(shè)計(jì)裝置能準(zhǔn)確測(cè)定出煙支的質(zhì)量變化，且精密度RSD＜1%；②卷煙在陰燃期間質(zhì)量損失速率較為穩(wěn)定，而主動(dòng)抽吸時(shí)質(zhì)量發(fā)生突變，根據(jù)抽吸前后質(zhì)量差計(jì)算得到了卷煙抽吸逐口質(zhì)量損失，其大小隨抽吸口序的增加而增加；③結(jié)合抽吸比率實(shí)驗(yàn)測(cè)得了卷煙抽吸逐口煙絲消耗量，實(shí)驗(yàn)所用1#、2#和3#卷煙穩(wěn)定抽吸時(shí)其逐口煙絲消耗量在19.9～26.2 mg之間；④卷煙逐口煙絲消耗量與濾嘴通風(fēng)率呈負(fù)相關(guān)；⑤燃燒錐端進(jìn)氣量和煙絲消耗量呈線性正比關(guān)系，但不同煙絲配方卷煙燃吸時(shí)，相同體積燃燒錐端進(jìn)氣量消耗的煙絲量不同，經(jīng)驗(yàn)證其值和煙絲的燃燒性有關(guān)。