卷煙紙?zhí)匦詫?duì)細(xì)支煙主流煙氣指標(biāo)的影響

李海鋒 楊 皓 宣潤(rùn)泉 王 輝

(浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,浙江杭州,310024)

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·卷煙紙·

卷煙紙?zhí)匦詫?duì)細(xì)支煙主流煙氣指標(biāo)的影響

李海鋒 楊 皓*宣潤(rùn)泉 王 輝

(浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,浙江杭州,310024)

研究了不同透氣度、定量、助燃劑含量的卷煙紙對(duì)細(xì)支煙主流煙氣指標(biāo)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水平范圍內(nèi),卷煙紙助燃劑含量(以檸檬酸根計(jì))、透氣度與細(xì)支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量具有顯著的負(fù)相關(guān)性；卷煙紙定量與細(xì)支煙主流煙氣CO量具有顯著的正相關(guān)性,與細(xì)支煙主流煙氣焦油量、煙堿量分別具有非顯著及顯著的負(fù)相關(guān)性。

細(xì)支煙;主流煙氣；卷煙紙；透氣度；定量；助燃劑

(*E-mail: torrison@163.com)

近年來(lái),細(xì)支煙作為國(guó)內(nèi)新興卷煙品類,產(chǎn)品規(guī)格和銷量出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]。由于細(xì)支煙直徑較小,細(xì)支煙煙絲分布容易產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致煙支吸阻控制難度大、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大的問(wèn)題[2]。

卷煙紙因直接參與燃燒,對(duì)卷煙主流煙氣的釋放量有著至關(guān)重要的影響。截至目前,卷煙紙定量、透氣度、助燃劑含量對(duì)不同牌號(hào)常規(guī)卷煙主流煙氣的影響已有不少研究報(bào)道。胡群等人[3]研究了卷煙紙透氣度對(duì)卷煙物理性能及煙氣量的影響,馬靜等人[4]探討了卷煙紙定量對(duì)卷煙品質(zhì)的影響,謝定海等人[5]探討了卷煙紙定量對(duì)卷煙燃燒溫度及煙氣指標(biāo)的影響,謝蘭英等人[6]論述了卷煙紙?jiān)诮档蜔煔庵蠧O量等方面的積極作用。龔安達(dá)等人[7]采用透氣度檢測(cè)、同步熱分析和卷煙煙氣檢測(cè)3種方法研究了助燃劑對(duì)卷煙紙及卷煙煙氣的影響。孫川等人[8]、王啟成等人[9]論述了卷煙紙燃燒調(diào)節(jié)劑對(duì)卷煙燃燒性能的影響,重點(diǎn)介紹了卷煙紙助燃劑在降低卷煙主流煙氣焦油量、CO量和側(cè)流煙氣中的作用。但卷煙紙物化參數(shù)對(duì)細(xì)支煙主流煙氣和燃燒性能的影響尚沒(méi)有系統(tǒng)的研究,因此,本課題研究了卷煙紙定量、透氣度、助燃劑含量對(duì)主流煙氣中焦油量、煙堿量、CO量的影響,旨在為細(xì)支煙煙氣水平穩(wěn)定性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

卷煙紙樣品(中煙摩迪(江門(mén))紙業(yè)有限公司),煙絲樣品(某中煙工業(yè)有限責(zé)任公司)。

XS204電子天平(感量：0.1 mg,梅特勒-托利多),恒溫恒濕箱(Binder公司),RM20H型20孔道吸煙機(jī)(德國(guó)Borgwaldt公司),Agilent 7890A氣相色譜儀。

1.2 卷煙紙?zhí)匦缘膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

卷煙紙樣品以碳酸鈣為填料,且固定卷煙紙灰分(以碳酸鈣計(jì))在(32±2)%的范圍內(nèi),以全檸檬酸鉀為助燃劑；控制因子包括卷煙紙定量、透氣度、助燃劑含量3個(gè)因子,取因子的2個(gè)不同水平進(jìn)行2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)水平的中心點(diǎn)樣品,共制作9個(gè)卷煙紙樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。卷煙的其他原輔料均固定,卷煙紙2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因子和水平見(jiàn)表1,2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表(隨機(jī)化運(yùn)行序)見(jiàn)表2,實(shí)驗(yàn)的仿行數(shù)和中心點(diǎn)數(shù)均為2。

表1 2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因子和水平

表2 2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)采用主效應(yīng)分析、柏拉圖、交互作用分析、數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)及殘差分析4個(gè)方面分析3個(gè)因子對(duì)卷煙主流煙氣的影響；其中主效應(yīng)表示一個(gè)因子在不同水平下的變化導(dǎo)致卷煙主流煙氣量的平均變化；柏拉圖用于篩選影響卷煙主流煙氣的顯著性因子；交互作用表示當(dāng)改變其他因子的不同水平時(shí),一個(gè)因子的水平的主效應(yīng)有所改變,這種情況下因子間具有交互作用；模型預(yù)測(cè)用于預(yù)測(cè)主流煙氣與卷煙紙?zhí)匦灾g的數(shù)學(xué)關(guān)系式,并且只針對(duì)擬合優(yōu)度R2>80%的煙氣指標(biāo),而標(biāo)準(zhǔn)化殘差分析用于診斷回歸效果,檢查模型是否滿足基本假定。

2.1 卷煙紙物化參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣焦油量的影響

圖1所示為卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣焦油量影響的主效應(yīng)圖。由圖1可以看出,隨卷煙紙定量增加,卷煙主流煙氣焦油量呈下降趨勢(shì),但并不明顯；而隨著卷煙紙透氣度和助燃劑含量的增加,主流煙氣焦油量顯著下降。圖2所示為卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣焦油量影響的柏拉圖,由圖2可以看出,助燃劑含量、透氣度、定量與透氣度的交互作用是影響焦油量的顯著性因子。

圖1 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣焦油量影響的主效應(yīng)圖

圖2 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣焦油量影響的柏拉圖

圖3所示為卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣焦油量影響的交互作用圖。由圖3可以看出,在設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi),定量與透氣度、定量與助燃劑含量對(duì)主流煙氣焦油量的影響均存在交互作用,由此可以說(shuō)明,當(dāng)采用單因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析卷煙紙?zhí)匦詫?duì)卷煙主流煙氣的影響時(shí),單個(gè)因子變化對(duì)結(jié)果的影響可能并非是單個(gè)因子引起的,而極有可能是其他因子在該因子的變化下引起最終的結(jié)果變化；由此可見(jiàn),采用2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法更能系統(tǒng)性考慮卷煙紙?zhí)匦詫?duì)卷煙主流煙氣的影響情況。

圖3 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣焦油量影響的交互作用圖

采用2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立的焦油量簡(jiǎn)化模型為：焦油量=7.58-0.1856×透氣度-0.4894×助燃劑含量+0.1331×定量×透氣度?；貧w項(xiàng)的P值(假設(shè)檢驗(yàn)α=0.05)及顯著性見(jiàn)表3,擬合優(yōu)度R2=93.02%。

表3 主流煙氣焦油量簡(jiǎn)化模型回歸項(xiàng)的P值及顯著性

模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的診斷圖見(jiàn)圖4。由圖4可知,主流煙氣焦油量擬合值與實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差在±2范圍內(nèi),且均勻分布在0兩側(cè),屬于一種滿意的形態(tài),說(shuō)明模型預(yù)測(cè)滿足基本假定。

圖4 主流煙氣焦油量的回歸效果診斷圖

2.2 卷煙紙物化參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣煙堿量的影響

圖5所示為卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣煙堿量影響的主效應(yīng)圖。由圖5可以看出,隨卷煙紙定量、透氣度和助燃劑含量的增加,主流煙氣煙堿量均顯著下降。圖6所示為卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣煙堿量影響的柏拉圖。由圖6可以看出,助燃劑含量、透氣度、定量、定量與透氣度的交互作用是影響煙堿量的顯著性因子。在設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi),由圖7可以看出,定量、透氣度、助燃劑含量之間對(duì)煙堿量的影響不存在明顯的交互作用。

圖5 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣煙堿量影響的主效應(yīng)圖

圖6 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣煙堿量影響的柏拉圖

圖7 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣煙堿量影響的交互作用圖

采用2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立的煙堿量簡(jiǎn)化模型為：煙堿量=0.73-0.01875×定量-0.01875×透氣度-0.055×助燃劑含量+0.015×定量×透氣度?；貧w項(xiàng)的P值(假設(shè)檢驗(yàn)α=0.05)及顯著性見(jiàn)表4,擬合優(yōu)度R2=95.41%。

表4 主流煙氣煙堿量簡(jiǎn)化模型回歸項(xiàng)的P值及顯著性

模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的診斷圖見(jiàn)圖8所示。由圖8可知,主流煙氣煙堿量擬合值與實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差在±2范圍內(nèi),且均勻分布在0兩側(cè),屬于一種滿意的形態(tài),說(shuō)明模型預(yù)測(cè)滿足基本假定。

圖8 主流煙氣煙堿量的回歸效果診斷圖

2.3 卷煙紙物化參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣CO量的影響

圖9 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣CO量影響的主效應(yīng)圖

圖10 影響CO量顯著項(xiàng)的柏拉圖

圖11 卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣CO量影響的交互作用圖

圖9所示為卷煙紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣CO量影響的主效應(yīng)圖。由圖9可以看出,在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),隨卷煙紙定量增加,主流煙氣CO量顯著增加；而隨著透氣度、助燃劑含量的增加,主流煙氣煙堿量均顯著下降。圖10所示為卷紙?zhí)匦詫?duì)主流煙氣CO量影響的柏拉圖,由圖10可以看出,助燃劑含量、透氣度、定量、定量與助燃劑含量的交互作用是影響CO量的顯著性因子。在設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi),由圖11可以看出,定量、透氣度、助燃劑含量之間對(duì)主流煙氣CO量的影響不存在明顯的交互作用。

采用2水平因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立的CO量簡(jiǎn)化模型為：CO量=6.20+0.1944×定量-0.2556×透氣度-0.6106×助燃劑含量-0.1469×定量×助燃劑含量?；貧w項(xiàng)的P值(假設(shè)檢驗(yàn)α=0.05)及顯著性見(jiàn)表5,擬合優(yōu)度R2=96.96%。

表5 CO量簡(jiǎn)化模型回歸項(xiàng)的P值及顯著性

模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的診斷圖如圖12所示,由圖12可知,主流煙氣CO量擬合值與實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差在±2范圍內(nèi),且均勻分布在0兩側(cè),屬于一種滿意的形態(tài),說(shuō)明模型預(yù)測(cè)滿足基本假定。

圖12 煙氣CO量的回歸效果診斷圖

此外,結(jié)合以上3個(gè)煙氣指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型,可通過(guò)Minitab響應(yīng)優(yōu)化器優(yōu)化煙氣指標(biāo)；假設(shè)焦油量望目值=8 mg/支,煙堿量望目值=0.8 mg/支,CO量望目值=8 mg/支,利用Minitab響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)煙氣焦油量、煙堿量和CO量進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)卷煙紙定量=33 g/m2,透氣度=40 CU,助燃劑含量=1.0%,預(yù)測(cè)焦油值=8.14 mg/支,煙堿值=0.77 mg/支,CO值=7.28 mg/支。即在不改變卷煙其他設(shè)計(jì)時(shí),可通過(guò)卷煙紙參數(shù)的適當(dāng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)卷煙煙氣指標(biāo)的調(diào)整,再結(jié)合其他參數(shù)的調(diào)節(jié),可最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)煙氣。

3 結(jié) 論

本課題探索卷煙紙助燃劑含量、透氣度、定量3個(gè)參數(shù)對(duì)細(xì)支煙主流煙氣焦油量、煙堿量和CO量的影響,以期通過(guò)卷煙紙參數(shù)來(lái)調(diào)整細(xì)支煙的主流煙氣。

3.1 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水平范圍內(nèi),卷煙紙助燃劑含量(以檸檬酸根計(jì))與細(xì)支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量具有顯著的負(fù)相關(guān)性。且定量與透氣度、定量與助燃劑含量對(duì)煙氣焦油量的影響均存在交互作用。卷煙紙透氣度與細(xì)支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量也具有顯著的負(fù)相關(guān)性。卷煙紙定量與細(xì)支煙主流煙氣CO量具有顯著的正相關(guān)性,與卷煙主流煙氣焦油量具有非顯著的負(fù)相關(guān)性，與卷煙主流煙氣煙堿量具有顯著著的負(fù)相關(guān)性。

3.2 卷煙紙助燃劑含量、透氣度、定量與細(xì)支煙主流煙氣焦油量、煙堿量、CO量均有一定程度的負(fù)相關(guān)性。卷煙紙物理參數(shù)對(duì)細(xì)支煙和常規(guī)卷煙主流煙氣影響的關(guān)系基本一致。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Influence of Cigarette Paper Characteristics on the Mainstream Smoke of Slim Cigarettes

LI Hai-feng YANG Hao*XUAN Run-quan WANG Hui

(ChinaTobaccoZhejiangIndustrialCo.,Ltd.,Hangzhou,ZhejiangProvince, 310024)

The influences of air permeability, basis weight and burning additive content of cigarette paper on the mainstream smoke of slim cigarettes were studied. The results showed that burning additive content and air permeability of cigarette paper had significant negative correlation with the contents nicotine, tar and carbon monoxide of mainstream smoke. Basis weight of cigarette paper had highest positive correlation with carbon monoxide content of mainstream smoke, while had negative correlation with the contents of nicotine and tar of mainstream smoke.

slim cigarettes; mainstream smoke; cigarette paper; air permeability; basis weight; burning additive

2017- 02- 07(修改稿)

李海鋒先生,碩士；主要從事“三紙一棒”等煙用材料的研究工作。

TS761.2;TS411.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.06.008

*通信作者：楊 皓,碩士；主要從事“三紙一棒”等煙用材料的研究工作。