基于瞬態(tài)平面熱源法的加熱卷煙紙導熱性能研究

摘要： 為考察加熱卷煙紙導熱性能，使用瞬態(tài)平面熱源法進行卷煙紙導熱系數檢測，開展實驗室內方法學驗證，研究卷煙紙常規(guī)物理指標、壓光處理、碳酸鈣添加量、原料纖維類型、防滲透處理、溫度對于卷煙紙導熱能力的影響。結果表明，基于瞬態(tài)平面熱源法檢測卷煙紙導熱系數的日內精密度、日間精密度均低于4%；卷煙紙導熱系數與緊度呈正相關、與透氣度呈負相關；經壓光處理的卷煙紙纖維接觸更加緊密、間隙更小，厚度、透氣度減小而緊度增大，導熱能力顯著增強；碳酸鈣添加量越大，卷煙紙厚度、透氣度增大且緊度減小，但導熱能力增強；麻漿和木漿等不同纖維原料的卷煙紙導熱系數存在一定差異；防滲透處理的卷煙紙（改性淀粉涂布量0～0. 17%） 導熱系數無明顯差異；22～250 ℃區(qū)間內，卷煙紙導熱能力隨溫度的升高而增強。

關鍵詞：卷煙紙；加熱卷煙；導熱系數；瞬態(tài)平面熱源法

中圖分類號：TS761. 2 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 010

與傳統卷煙的燃燒使用不同，加熱卷煙利用器具熱源加熱發(fā)煙物料，產生具有煙草風味的氣霧[1-2]。由于其特別的使用方式，傳熱傳質是加熱卷煙的研究熱點之一，而原輔料導熱系數等熱物性數據正是傳熱傳質研究的重要輸入[3]。加熱卷煙根據加熱方式可大致分為內芯加熱卷煙、外圍加熱卷煙及結合結構卷煙[4]。對于外圍加熱卷煙，器具熱源熱量需通過卷煙紙進入發(fā)煙物料，因此卷煙紙導熱性能直接影響產品的綜合品質。故針對加熱卷煙紙導熱性能進行研究，有助于加熱卷煙傳熱傳質研究及外圍加熱卷煙產品的開發(fā)設計。

煙草相關的熱物性研究中，Zhu等[5]、陳一楨等[6]、馬亞萍[7]、林慧等[8]應用瞬態(tài)平面熱源法（transientplane source method，TPS法） 測量煙絲、薄片絲等卷煙組成物質的熱物性指標，并研究填充密度、水分含量、甘油含量等因素對加熱卷煙紙導熱系數的影響。此外，TPS法也可用于導熱紙（膜） [9]、紡織品[10]、涂布紙[11]、碳纖維復合材料[12]等薄片樣品的導熱系數檢測。作為一種瞬態(tài)測量方法，TPS法采用雙螺旋結構平面熱源，能有效降低探頭與樣品之間的接觸熱阻，從而提高檢測效率和精度。

本研究基于TPS法檢測加熱卷煙紙導熱系數，開展方法學評估，研究卷煙紙定量、厚度、透氣度、緊度等常規(guī)物性指標，以及原料纖維類型、壓光處理、碳酸鈣添加量、防滲透處理、溫度對于加熱卷煙紙導熱能力的影響。

1 實驗

1. 1 材料與儀器

卷煙紙由牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司提供；改性淀粉、碳酸鈣，由中煙摩迪（江門） 紙業(yè)有限公司提供。

Hotdisk TPS 2500S 熱常數分析儀，瑞典Hotdisk公司； Climacell CLC404 ECO 恒溫恒濕箱， 德國MMM 公司； Venticell VC111 ECO 高溫烘箱， 德國MMM公司；Prisma E 掃描電子顯微鏡（SEM），美國Thermo Fisher公司；LCA實驗室壓光機，芬蘭DT pa?per公司。

1. 2 實驗方法

1. 2. 1 卷煙紙導熱系數檢測方法及平臺

TPS法的測量原理[13-15]是假定探頭被置于無限大試樣中，并以階躍式或脈沖式的電流通過探頭，使探頭金屬片溫度升高釋放熱量，同時探頭也作為傳感器，測量樣品在測試點處的溫度，通過熱傳導過程中的溫度數據與無量綱時間函數進行擬合，再結合穩(wěn)態(tài)傳熱模型，得到樣品的導熱系數。

Hotdisk TPS 2500S熱常數分析儀包括檢測探頭、儀器主機，并通過計算機軟件控制。檢測過程中，將背景材料、樣品、探頭組成檢測單元（圖1），所用背景材料為石英玻璃塊，探頭為7854F1聚酰亞胺薄膜探頭，并將檢測單元放置于恒溫恒濕箱中，溫度和相對濕度分別為22 ℃和60%。

由于接觸熱阻會使TPS 檢測結果具有較大的誤差[16]，本研究在檢測單元上加載2.5 kg壓塊，確保樣品與探頭緊密貼合，減少空氣間隙以有效降低接觸熱阻、提高檢測的準確性。具體實驗測試操作及結果讀取可參考董陳磊等[17]對織物導熱系數的檢測。

1. 2. 2 實驗室內方法學評價

選取2款卷煙紙A1、A2，在同一天內測試其導熱系數5次，計算方法的日內精密度；在不同時間內連續(xù)測試其導熱系數3天，計算方法的日間精密度。

1. 2. 3 壓光處理及卷煙紙常規(guī)物理指標

分別選擇中等定量低透氣度、高定量低透氣度的卷煙紙E1、F1，以及低定量高透氣度成型紙D1進行壓光處理，使用實驗室壓光機分別進行1次和多次壓光處理，壓光溫度60～70 ℃，車速40～50 m/min，壓光壓力75 kg/m2，獲得與原紙定量相同、但厚度、緊度不同的卷煙紙E2、F2、D2 （1次壓光） 及E3、F3、D3（E3、F3經4次壓光，D3經3次壓光），測試卷煙紙常規(guī)物理指標及導熱系數的變化。使用SEM觀察卷煙紙F1、F2、F3微觀形貌的變化。所述實驗及卷煙紙信息見表1。

為進一步比較在緊度相同的情況下，定量和厚度對于卷煙紙導熱系數的影響，分別對1張及2張疊加下卷煙紙E1、E2、E3的導熱系數進行5組平行檢測，并通過獨立樣本T 檢驗比較2 種狀態(tài)下導熱系數的差異。

基于壓光處理實驗及多層紙張檢測實驗結果，考察緊度、定量、透氣度、厚度等常規(guī)物理指標對卷煙紙導熱系數的影響。

1. 2. 4 碳酸鈣添加量

碳酸鈣是卷煙紙的重要填料，其添加量會影響卷煙紙的質量[18]。本節(jié)考察碳酸鈣添加量對卷煙紙導熱系數的影響。基于同一卷煙紙漿料，分別添加15%、30%、45%（相對于卷煙紙質量） 碳酸鈣填料替代部分纖維原料， 抄制碳酸鈣添加量分別為0、15%、30%、45% 的4種卷煙紙（定量30 g/m2），分別記為G1、G2、G3、G4。

1. 2. 5 原料纖維

闊葉木、針葉木漿纖維和麻漿纖維是卷煙紙常用的原料，原料種類會影響卷煙紙的品質，進而影響煙支的品質[19]。本節(jié)主要考察不同原料纖維的卷煙紙導熱系數的差異。對于具有相近物理指標的純針葉木漿、闊葉木漿、麻漿卷煙紙（B1、B2、B3） 進行導熱系數的考察比較。另一組實驗中，考察不同質量比針葉木漿、麻漿的混合漿制備的卷煙紙導熱系數，混合漿原料分別為100% 針葉木漿、50% 針葉木漿+50%麻漿、25%針葉木漿+75%麻漿，獲得的卷煙紙分別記為C1、C2、C3。

1. 2. 6 防滲透處理

加熱卷煙使用改性淀粉等防滲透物質提升卷煙紙的防滲透能力，以減輕由于甘油吸濕造成的黃斑現象[20]。本節(jié)將關注不同改性淀粉涂布量下制備的卷煙紙的導熱系數，以考察防滲透處理對于卷煙紙導熱能力的影響。對H1 涂布改性淀粉，涂布量分別為0、0.05%、0.10%、0.17%，獲得的卷煙紙分別記為H1、H2、H3、H4。

1. 2. 7 溫度

將卷煙紙檢測單元置于高溫烘箱中，為提高高溫下溫度平衡速率，使用不銹鋼塊作為背景，分別測定22、100、175、250 ℃溫度下卷煙紙的導熱系數，研究溫度對卷煙紙導熱系數的影響?？疾觳煌瑴囟人较戮頍熂垖嵯禂档淖兓?，將樣品檢測單元（薄膜探頭、不銹鋼背景塊、重物壓塊） 和卷煙紙放入高溫烘箱，同步進行升溫至22、100、175、250 ℃，測定加熱卷煙紙導熱系數。

2 結果與討論

2. 1 實驗室內方法學驗證實驗

基于本研究所述卷煙紙導熱系數檢測方法，實驗室內方法評價結果見表2。由表2 可知，測試次數為5次時，卷煙紙A1、A2導熱系數分別為0.038 06和0.071 68 W/（m·K），日內精密度、日間精密度相對標準偏差均小于4%，表明該方法的精密度較好。

2. 2 壓光處理及卷煙紙常見物理指標對于卷煙紙導熱系數的影響

圖2為壓光處理對卷煙紙厚度、緊度、透氣度的影響。由圖2可知，3類原紙經壓光處理后厚度、透氣度減小，緊度增大，且壓光處理次數越多，變化程度越明顯。

圖3為卷煙紙F1、F2、F3的SEM圖。由圖3可知，F1表面纖維隆起較明顯，纖維連接不緊密，纖維間存在間隙，而經壓光處理后，F2、F3纖維呈明顯的板結狀，纖維間的間隙減少，纖維接觸緊密，壓光處理次數越多，該現象越明顯。

圖4為壓光處理對于卷煙紙導熱系數的影響。由圖4可知，經壓光處理后，3組卷煙紙的導熱系數均表現為顯著提升。比較原紙與多次壓光卷煙紙的導熱系數變化率，樣品組D中低定量高透氣度的卷煙紙導熱系數提升最大，提升了75.3%，樣品組E次之，提升了53.2%，樣品組F 提升了28.4%。3 類卷煙紙在1次壓光處理中的導熱系數提升變化最大，分別提升了57.3%、29.9%、23.0%，均高于一次壓光到多次壓光間的變化。

綜合分析圖2～圖4，壓光處理即通過擠壓力使卷煙紙纖維微觀結構更加緊密，緊度增大及透氣度減小。纖維間的間隙減小導致接觸熱阻減少，纖維與纖維之間的接觸連接增多，導致纖維間的傳熱通道增多，因此卷煙紙導熱系數增加。由此可知，緊度增大有利于卷煙紙導熱能力的提升。通過Pearson相關性分析可知，樣品組D、E、F導熱系數與緊度呈極顯著正相關（相關系數0.962，顯著性檢驗plt;0.01），與透氣度呈顯著負相關（相關系數?0.674，顯著性檢驗plt;0.05），可見緊度是影響卷煙紙導熱系數的主要常規(guī)物理指標。

在緊度相同的情況下，探究定量和厚度對卷煙紙導熱系數的影響，選取低透氣度樣品組E，分別檢測1 張及2 張疊加下卷煙紙的導熱系數， 檢測結果見圖5。

通過獨立樣本T 檢驗結果（表3） 可以發(fā)現，1張和2張疊加下，3個卷煙紙的導熱系數均無顯著差異（pgt;0.05）?？梢姰斁頍熂埥M成、緊度等確定時，厚度、定量的變化并未引起卷煙紙導熱系數的顯著變化。

2. 3 碳酸鈣添加量對卷煙紙導熱系數的影響

當碳酸鈣添加量增加時，卷煙紙厚度、透氣度增大，緊度減小，檢測結果見圖6。這是由于碳酸鈣填料取代部分卷煙紙原料纖維，使得由纖維緊密交聯形成的卷煙紙結構變得疏松多孔；同時，碳酸鈣添加量越大，卷煙紙纖維結構越疏松，厚度和透氣度增大，緊度減小。

盡管添加碳酸鈣使卷煙紙變得疏松且緊度降低，但隨著碳酸鈣添加量的增加，卷煙紙導熱系數仍表現出顯著增大， 檢測結果見圖7。相比卷煙紙G1（0.064 9 W/（m·K）），G2的導熱系數（0.070 6 W/（m·K））增大8.8%， G4 的導熱系數（0.072 1 W/（m·K）） 增大11.1%。這可能是由于碳酸鈣自身導熱系數（27 ℃，4.187 W/（m·K）） [21]高于卷煙紙原料，同時分散的碳酸鈣顆?？梢詷嫿ǜ嗟膶嵬ǖ?，使得卷煙紙整體導熱能力有所提升。

2. 4 不同原料類型的卷煙紙導熱系數

圖8為不同原料類型卷煙紙導熱系數。由圖8可知，針葉木漿卷煙紙導熱系數最低，麻漿卷煙紙（B3） 導熱系數高于針葉木漿卷煙紙（B1） 及闊葉木漿卷煙紙（B2），較B1高約21.0%。

圖9為混合漿卷煙紙的導熱系數。由圖9可知，在針葉木漿中添加麻漿后，卷煙紙導熱系數有所增大，添加75%麻漿卷煙紙C3較100%針葉木漿卷煙紙C1提高約7.4%，差異較小，但所表現的趨勢與圖8實驗結果一致。

表4為不同原料類型卷煙紙信息。由表4可知，2組卷煙紙導熱系數并未與厚度、定量、緊度、透氣度等物理指標表現出規(guī)律性變化。不同纖維原料類型卷煙紙的導熱系數所表現出的差異可能是由于木質素、纖維素、半纖維素等物質組成和纖維形態(tài)的不同造成的[22-23]。

2. 5 防滲透處理對于卷煙紙導熱系數的影響

表5為不同防滲透處理卷煙紙的基本信息。由于防滲透物質改性淀粉涂布量最大為0.17%，因此涂布改性淀粉的卷煙紙定量、透氣度、厚度、緊度等物理指標變化較?。ū?）。圖10為不同改性淀粉涂布量下制備的卷煙紙導熱系數。由圖10可知，4個卷煙紙的導熱系數基本處于同一水平，約為0.07 W/（m·K），無顯著差異，且隨著改性淀粉涂布量的變化，卷煙紙導熱系數并未表現出趨勢性的變化。

2. 6 溫度對于卷煙紙導熱系數的影響

由于卷煙紙需在高溫烘箱中停留較長時間以達到溫度平衡，175 ℃時卷煙紙顏色已發(fā)生明顯變化，卷煙紙顏色由白色變成淺褐色，250 ℃時顏色進一步加深，這是由于高溫下卷煙紙原料纖維裂解碳化導致的。圖11 為不同溫度條件下卷煙紙導熱系數。由圖11可知，隨著溫度升高，卷煙紙導熱系數逐漸增大，250 ℃可達0.107 2 W/（m·K）。這可能是由于高溫條件下植物纖維、水、甘油分子熱運動頻率升高，使得導熱能力增強[10，17]。

3 結 論

本研究基于瞬態(tài)平面熱源法檢測卷煙紙導熱系數，研究卷煙紙定量、厚度、透氣度、緊度等常規(guī)物性指標，以及原料纖維類型、壓光處理、碳酸鈣添加量、防滲透處理、溫度對于卷煙紙導熱系數的影響。

3. 1 基于瞬態(tài)平面法檢測卷煙紙導熱系數，實驗室內日內精密度、日間精密度相對標準偏差均低于4%，具有較好的精密度。

3. 2 卷煙紙導熱系數與緊度呈正相關、與透氣度呈負相關，與定量、厚度無明顯關系，緊度是影響卷煙紙導熱能力的主要常規(guī)物理指標。

3. 3 經壓光處理的卷煙紙纖維接觸更加緊密、間隙更小，表現為厚度、透氣度減小、緊度增大，卷煙紙導熱能力顯著增強。

3. 4 隨著碳酸鈣添加量的增大，盡管卷煙紙厚度、透氣度增大且緊度減小，但導熱系數仍顯著增大，這可能得益于碳酸鈣自身較高的導熱性能。

3. 5 防滲透涂布處理的卷煙紙（改性淀粉涂布量0～0.17%） 導熱系數并無明顯差異；麻漿和木漿等不同原料纖維類型的卷煙紙導熱能力有一定差異，在22～250 ℃溫度區(qū)間內，卷煙紙導熱能力隨溫度的升高而增強。

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（責任編輯：董鳳霞，宋佳翼）