卷煙燃燒過程中各項動態(tài)指標(biāo)的檢測分析現(xiàn)狀與展望

摘 要：卷煙的感官質(zhì)量隨著卷煙的燃燒過程多方位實時地傳遞給消費(fèi)者，其效果除受到成品卷煙常規(guī)靜態(tài)物理指標(biāo)的限制，卷煙的動態(tài)吸阻、煙氣溫度、燃燒錐溫度場和包灰性能等動態(tài)指標(biāo)更是即時影響著消費(fèi)者的抽吸體驗。該文整理總結(jié)以上4個動態(tài)指標(biāo)國內(nèi)外的檢測分析研究現(xiàn)狀，初步探索其對卷煙燃燒性能的影響，并對其研究價值和意義以及下一步研究方向進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：動態(tài)吸阻；煙氣溫度；燃燒錐溫度場；包灰性能；抽吸體驗

中圖分類號：TS41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0154-04

Abstract： The sensory quality of cigarettes is transmitted to consumers in many directions and in real time with the combustion process of cigarettes， and its effect is limited by the conventional static physical indexes of finished cigarettes. Dynamic indicators such as cigarette dynamic suction resistance， smoke temperature， combustion cone temperature field， ash coating performance and other dynamic indexes immediately affect consumers' smoking experience. This review summarizes the current situation of detection and analysis of the above four dynamic indicators at home and abroad， preliminarily explores their effects on cigarette combustion performance， and explains their research value and significance as well as the next research direction.

Keywords： dynamic suction resistance; flue gas temperature; temperature field of combustion cone; ash coating performance; suction experience

在卷煙研發(fā)生產(chǎn)中，卷煙的感官質(zhì)量不僅會受到煙支重量、靜態(tài)吸阻、通風(fēng)率等靜態(tài)指標(biāo)的影響，更會受到卷煙在燃吸過程中動態(tài)吸阻、煙氣溫度等動態(tài)指標(biāo)的影響[1-2]。由于卷煙在實際燃燒過程中，其溫度一直在發(fā)生變化，造成煙氣溫度的改變，并引起空氣流動過程中的黏度變化，最終會影響動態(tài)吸阻的變化，從而影響抽吸過程中的舒適感[3]。卷煙動態(tài)吸阻和燃燒錐溫度場的變化均會受卷煙燃燒的影響，在指導(dǎo)卷煙設(shè)計和生產(chǎn)的過程中，卷煙動態(tài)吸阻和燃燒錐溫度的研究需要同步進(jìn)行。除此之外，卷煙的包灰性能也與卷煙的燃燒性能有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，提高包灰性能也會在一定程度上提高吸煙者的抽吸感受[4]。卷煙燃燒是煙絲與卷煙紙配合完成并產(chǎn)生煙氣的過程，卷煙燃燒性能由卷煙材料、葉組配方、添加劑等因素決定，燃燒性能直接影響卷煙消費(fèi)過程中的體驗效果[5-6]，因此對卷煙燃吸過程進(jìn)行充分探究，對增加卷煙燃吸過程的認(rèn)知具有重要意義，可利用對卷煙燃燒過程中感官質(zhì)量影響因素作用規(guī)律的掌握，設(shè)計更加合理的卷煙各項指標(biāo)參數(shù)，從而科學(xué)有效地提高卷煙感官質(zhì)量。

1 卷煙動態(tài)吸阻研究

目前，國內(nèi)外主要通過卷煙燃吸過程中的抽吸阻力變化規(guī)律、建立數(shù)學(xué)模型等方式來反映動態(tài)吸阻的變化。Baker[7]研究發(fā)現(xiàn)，在卷煙燃燒時其吸阻會發(fā)生明顯變化，相比靜態(tài)吸阻會增加50%～60%，在整個恒速抽吸過程中，卷煙的吸阻會呈現(xiàn)動態(tài)變化，總體趨勢是先升高，后略微降低，最后再升高。開始時卷煙燃燒引起空氣黏度的增加，并且沒有形成穩(wěn)定的燃燒錐，造成了吸阻增大。后續(xù)由于形成了穩(wěn)定的燃燒錐，燃燒狀態(tài)比較穩(wěn)定，使吸阻略微降低。最后因為煙氣冷凝物在濾棒上的不斷堆積，導(dǎo)致了吸阻再次升高。通過Baker的試驗，可以讓研究者在定量的條件下預(yù)測卷煙在燃燒時的動態(tài)吸阻變化規(guī)律。Colard等[8]為了更進(jìn)一步地研究卷煙動態(tài)吸阻的變化，研發(fā)了一套全新的抽吸試驗裝置，并利用該裝置在ISO抽吸條件下測試了卷煙在抽吸過程中的動態(tài)吸阻變化，結(jié)果同樣表明動態(tài)吸阻呈現(xiàn)先增大后減小最后再增大的規(guī)律。劉歡等[9]選用3R4F標(biāo)準(zhǔn)卷煙作為試驗樣品，研究了煙支中煙絲密度、不同抽吸狀態(tài)、不同抽吸模式對卷煙抽吸過程中動態(tài)吸阻的影響規(guī)律，并建立了動態(tài)吸阻的數(shù)學(xué)計算方法，再次驗證了動態(tài)吸阻的變化規(guī)律。趙文康[10]建立了卷煙燃吸過程中動態(tài)通風(fēng)特征的逐口檢測與表征方法，其檢測結(jié)果與綜合測試臺相比平均相對誤差為4.2%，再以不同卷煙樣品的逐口動態(tài)吸阻、通風(fēng)率、燃燒錐特征為參數(shù)，建立了卷煙在燃吸狀態(tài)下的動態(tài)吸阻與通風(fēng)模型，該模型的吸阻計算值與試驗值的平均相對誤差為7.4%，并發(fā)現(xiàn)卷煙的動態(tài)濾嘴通風(fēng)率與動態(tài)吸阻值之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2 卷煙煙氣溫度研究

卷煙的煙氣溫度對消費(fèi)者的抽吸體驗有著重要的影響，通過對卷煙燃燒時煙氣溫度的測定，整理并分析相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而選擇適配的卷煙輔料，可以有效提高煙氣的舒適度。Purkis等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在接近抽吸結(jié)束前的2至3口時，濾嘴端的煙氣溫度最高可達(dá)到70～80 ℃；在深度抽吸模式下，濾嘴端的煙氣溫度甚至可達(dá)到100 ℃以上。陳秋平等[12]將復(fù)合相變材料添加到濾嘴中，利用卷煙燃吸溫度檢測裝置及單孔道吸煙機(jī)對濾嘴端的煙氣溫度進(jìn)行檢測，探究得到復(fù)合相變材料可把濾嘴溫度降至30 ℃以下，并獲得均勻的溫度分布，以有效調(diào)控濾嘴端的煙氣溫度。樊娜[13]在ISO模式下采用卷煙燃吸溫度檢測系統(tǒng)檢測了濾嘴端的煙氣溫度，隨著抽吸過程的進(jìn)行，濾嘴端的煙氣溫度會逐漸升高，在第六口與第七口抽吸時煙氣溫度會達(dá)到60 ℃以上，后將相變膠囊添加到卷煙濾棒中，可成功將煙氣溫度降至35 ℃以下?？缀戚x等[14]對比了不同設(shè)計類型的濾嘴對煙氣的降溫效果，探究得到卷煙濾嘴具有降低主流煙氣溫度、減少人體口腔溫度刺激感的效果，而其中提高濾嘴通風(fēng)率、使用活性炭組合濾嘴和溝槽濾嘴的降溫效果最為顯著。

3 卷煙燃燒錐溫度場研究

對于檢測與表征卷煙的燃燒錐溫度場，當(dāng)前主要有2種方法：一種是采用熱電偶，一種是采用紅外熱成像技術(shù)。Touey等[15]在標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下采用熱電偶檢測了卷煙的燃燒溫度，并探索了不同規(guī)格的熱電偶絲與檢測溫度之間的關(guān)系。崔曉夢等[16]基于熱電偶技術(shù)測試得到卷煙燃燒錐氣相溫度分布特征、傳熱特點(diǎn)，將燃燒錐溫度場劃分為煙灰區(qū)、煙灰與燃燒過渡區(qū)、燃燒區(qū)和熱解區(qū)，并將燃燒溫度和燃燒速率關(guān)聯(lián)起來，相對準(zhǔn)確地獲得了卷煙在燃吸過程中煙絲實時參與燃燒反應(yīng)的量，并通過分析卷煙燃燒錐各區(qū)域在燃吸過程中體積的變化情況，探究得到隨著抽吸的進(jìn)行，燃燒錐燃燒區(qū)體積會逐漸增大，而熱解區(qū)體積會逐漸減小的規(guī)律。雖然使用熱電偶的方式可以有效測試燃燒錐內(nèi)部溫度的變化[17]，但是利用該方式需要將熱電偶插入到卷煙的內(nèi)部進(jìn)行測量，容易對卷煙的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響測溫的準(zhǔn)確性，且也會存在熱電偶定位不準(zhǔn)確、熱電偶易折損等問題[18]，而紅外熱成像技術(shù)主要是通過紅外探測器的瞬時響應(yīng)與相關(guān)記錄系統(tǒng)的快速匹配，將光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以計算出相應(yīng)的溫度值[19]。因此有研究者選擇采用紅外熱成像技術(shù)對卷煙燃燒錐的溫度場進(jìn)行檢測。鄭賽晶等[20]采用具有高分辨率和高速記錄功能的紅外熱成像儀實時準(zhǔn)確地測量了卷煙燃燒錐外圍固相溫度的變化，發(fā)現(xiàn)不同類型煙葉的最高抽吸溫度并不相同，并得出了卷煙燃燒的瞬時高溫與平均溫度之間有較好的相關(guān)性的結(jié)論。龐永強(qiáng)等[21]利用紅外熱成像技術(shù)探究了卷煙材料對卷煙燃燒錐溫度場及煙氣中有害成分釋放量的影響，表明隨著卷煙紙、接裝紙透氣度的增大，卷煙燃燒溫度會隨之升高，而煙氣中除亞硝胺外，其他6種有害成分的釋放量、焦油量及危害性指數(shù)均出現(xiàn)降低。謝定海等[22]通過紅外熱成像儀和電動位移平臺的配合使用，實現(xiàn)了對卷煙燃燒錐溫度場的實時動態(tài)監(jiān)測，并對抽吸時的燃燒溫度和陰燃溫度進(jìn)行分析，探索得到卷煙燃燒錐固相溫度的變化與卷煙紙透氣度之間的相互規(guī)律。

4 卷煙燃燒與包灰性能研究

不同的煙葉類型、葉組配方、卷煙紙材料等因素對卷煙燃燒后的包灰效果都會產(chǎn)生不同的影響，而包灰性能好的卷煙形成的煙灰柱美觀，表面裂紋較少，灰柱緊實且煙灰較白；包灰性能差的卷煙抽吸時煙灰掉落嚴(yán)重，灰柱松散且煙灰發(fā)黑[23]。許艷冉等[24]用48種卷煙作為樣品研究了卷煙燃燒與包灰性能之間的關(guān)系，經(jīng)分析表明包灰性能會受到煙支燃燒狀態(tài)如燃燒速度等因素的影響，綜合燃燒性能適中的卷煙綜合包灰性能最好，自由燃燒速度過快時對包灰性能有不利影響。王孝峰等[25]采用配備了高分辨率相機(jī)的卷煙包灰檢測儀檢測了燃燒過程中卷煙的灰色值、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(biāo)與燃燒速率之間的相互關(guān)系，為通過調(diào)控燃燒過程以提高卷煙的包灰性能提供了理論支撐。馮亞婕等[26]采用灰柱拍照和ImageJ圖片分析技術(shù)定量測量卷煙包灰值，提出了3支卷煙、3個燃燒面為一組的改進(jìn)方案，該方案改進(jìn)效果明顯，更全面地反映了卷煙的整體包灰性能。鄭豐等[23]采用了層次分析法確定卷煙包灰持灰力、白度、裂口率、縮灰率和碳線整齊度5個指標(biāo)的權(quán)重，建立了定量評價卷煙包灰綜合性能的方法，并研究得到卷煙紙中較低的鉀鈉比、較高的氧化鈣灰分含量、較高的透氣度，可以有效提高包灰綜合性能。于龍國[27]使用數(shù)碼相機(jī)和圖像分析軟件檢測并分析了選定區(qū)域內(nèi)的包灰值，經(jīng)探究可知，改良卷煙紙的原材料、改變羅紋、在卷煙紙?zhí)砑舆m量助燃劑和包灰劑，能夠在一定程度上提高卷煙的包灰性能。

5 結(jié)束語

綜上所述，卷煙燃燒時動態(tài)吸阻、煙氣溫度、燃燒錐溫度場及包灰性能與卷煙抽吸時的舒適感有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，并且這些指標(biāo)也由卷煙不同的煙葉類型、葉組配方、卷煙材料和工藝參數(shù)等因素決定。然而當(dāng)前尚未有研究對這些指標(biāo)進(jìn)行同時檢測分析，根據(jù)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，可對這幾項指標(biāo)進(jìn)行同步實時監(jiān)測，深入綜合分析所得數(shù)據(jù)，編寫系統(tǒng)的邏輯算法程序等，以實現(xiàn)對卷煙質(zhì)量的智能評價，充分掌握各變量之間的相互影響關(guān)系，從而可進(jìn)一步研究得到適配的煙葉類型、葉組配方、卷煙材料，改進(jìn)加工工藝，在填補(bǔ)行業(yè)技術(shù)空白的同時，也能夠更好地在實踐中指導(dǎo)卷煙的設(shè)計和生產(chǎn)。

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