卷烟纸特性对细支烟主流烟气指标的影响

李海锋 杨 皓 宣润泉 王 辉

(浙江中烟工业有限责任公司,浙江杭州,310024)



·卷烟纸·

卷烟纸特性对细支烟主流烟气指标的影响

李海锋 杨 皓*宣润泉 王 辉

(浙江中烟工业有限责任公司,浙江杭州,310024)

研究了不同透气度、定量、助燃剂含量的卷烟纸对细支烟主流烟气指标的影响。结果发现,在实验设计的水平范围内,卷烟纸助燃剂含量(以柠檬酸根计)、透气度与细支烟主流烟气焦油量、烟碱量、CO量具有显著的负相关性；卷烟纸定量与细支烟主流烟气CO量具有显著的正相关性,与细支烟主流烟气焦油量、烟碱量分别具有非显著及显著的负相关性。

细支烟;主流烟气；卷烟纸；透气度；定量；助燃剂

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

近年来,细支烟作为国内新兴卷烟品类,产品规格和销量出现了爆发式增长[1]。由于细支烟直径较小,细支烟烟丝分布容易产生不均匀的现象,从而导致烟支吸阻控制难度大、产品质量波动较大的问题[2]。

卷烟纸因直接参与燃烧,对卷烟主流烟气的释放量有着至关重要的影响。截至目前,卷烟纸定量、透气度、助燃剂含量对不同牌号常规卷烟主流烟气的影响已有不少研究报道。胡群等人[3]研究了卷烟纸透气度对卷烟物理性能及烟气量的影响,马静等人[4]探讨了卷烟纸定量对卷烟品质的影响,谢定海等人[5]探讨了卷烟纸定量对卷烟燃烧温度及烟气指标的影响,谢兰英等人[6]论述了卷烟纸在降低烟气中CO量等方面的积极作用。龚安达等人[7]采用透气度检测、同步热分析和卷烟烟气检测3种方法研究了助燃剂对卷烟纸及卷烟烟气的影响。孙川等人[8]、王启成等人[9]论述了卷烟纸燃烧调节剂对卷烟燃烧性能的影响,重点介绍了卷烟纸助燃剂在降低卷烟主流烟气焦油量、CO量和侧流烟气中的作用。但卷烟纸物化参数对细支烟主流烟气和燃烧性能的影响尚没有系统的研究,因此,本课题研究了卷烟纸定量、透气度、助燃剂含量对主流烟气中焦油量、烟碱量、CO量的影响,旨在为细支烟烟气水平稳定性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

卷烟纸样品(中烟摩迪(江门)纸业有限公司),烟丝样品(某中烟工业有限责任公司)。

XS204电子天平(感量：0.1 mg,梅特勒-托利多),恒温恒湿箱(Binder公司),RM20H型20孔道吸烟机(德国Borgwaldt公司),Agilent 7890A气相色谱仪。

1.2 卷烟纸特性的实验设计方案

卷烟纸样品以碳酸钙为填料,且固定卷烟纸灰分(以碳酸钙计)在(32±2)%的范围内,以全柠檬酸钾为助燃剂；控制因子包括卷烟纸定量、透气度、助燃剂含量3个因子,取因子的2个不同水平进行2水平因子实验设计,并设计水平的中心点样品,共制作9个卷烟纸样品进行实验。卷烟的其他原辅料均固定,卷烟纸2水平因子实验设计的因子和水平见表1,2水平因子实验设计表(随机化运行序)见表2,实验的仿行数和中心点数均为2。

表1 2水平因子实验设计的因子和水平

表2 2水平因子实验设计表

2 结果与讨论

本实验采用主效应分析、柏拉图、交互作用分析、数学模型预测及残差分析4个方面分析3个因子对卷烟主流烟气的影响；其中主效应表示一个因子在不同水平下的变化导致卷烟主流烟气量的平均变化；柏拉图用于筛选影响卷烟主流烟气的显著性因子；交互作用表示当改变其他因子的不同水平时,一个因子的水平的主效应有所改变,这种情况下因子间具有交互作用；模型预测用于预测主流烟气与卷烟纸特性之间的数学关系式,并且只针对拟合优度R2>80%的烟气指标,而标准化残差分析用于诊断回归效果,检查模型是否满足基本假定。

2.1 卷烟纸物化参数对卷烟主流烟气焦油量的影响

图1所示为卷烟纸特性对主流烟气焦油量影响的主效应图。由图1可以看出,随卷烟纸定量增加,卷烟主流烟气焦油量呈下降趋势,但并不明显；而随着卷烟纸透气度和助燃剂含量的增加,主流烟气焦油量显著下降。图2所示为卷烟纸特性对主流烟气焦油量影响的柏拉图,由图2可以看出,助燃剂含量、透气度、定量与透气度的交互作用是影响焦油量的显著性因子。

图1 卷烟纸特性对主流烟气焦油量影响的主效应图

图2 卷烟纸特性对主流烟气焦油量影响的柏拉图

图3所示为卷烟纸特性对主流烟气焦油量影响的交互作用图。由图3可以看出,在设计水平范围内,定量与透气度、定量与助燃剂含量对主流烟气焦油量的影响均存在交互作用,由此可以说明,当采用单因子实验设计方法分析卷烟纸特性对卷烟主流烟气的影响时,单个因子变化对结果的影响可能并非是单个因子引起的,而极有可能是其他因子在该因子的变化下引起最终的结果变化；由此可见,采用2水平因子实验设计法更能系统性考虑卷烟纸特性对卷烟主流烟气的影响情况。

图3 卷烟纸特性对主流烟气焦油量影响的交互作用图

采用2水平因子实验设计方法建立的焦油量简化模型为：焦油量=7.58-0.1856×透气度-0.4894×助燃剂含量+0.1331×定量×透气度。回归项的P值(假设检验α=0.05)及显著性见表3,拟合优度R2=93.02%。

表3 主流烟气焦油量简化模型回归项的P值及显著性

模型预测准确度的诊断图见图4。由图4可知,主流烟气焦油量拟合值与实测值的标准化残差在±2范围内,且均匀分布在0两侧,属于一种满意的形态,说明模型预测满足基本假定。

图4 主流烟气焦油量的回归效果诊断图

2.2 卷烟纸物化参数对卷烟主流烟气烟碱量的影响

图5所示为卷烟纸特性对主流烟气烟碱量影响的主效应图。由图5可以看出,随卷烟纸定量、透气度和助燃剂含量的增加,主流烟气烟碱量均显著下降。图6所示为卷烟纸特性对主流烟气烟碱量影响的柏拉图。由图6可以看出,助燃剂含量、透气度、定量、定量与透气度的交互作用是影响烟碱量的显著性因子。在设计水平范围内,由图7可以看出,定量、透气度、助燃剂含量之间对烟碱量的影响不存在明显的交互作用。

图5 卷烟纸特性对主流烟气烟碱量影响的主效应图

图6 卷烟纸特性对主流烟气烟碱量影响的柏拉图

图7 卷烟纸特性对主流烟气烟碱量影响的交互作用图

采用2水平因子实验设计方法建立的烟碱量简化模型为：烟碱量=0.73-0.01875×定量-0.01875×透气度-0.055×助燃剂含量+0.015×定量×透气度。回归项的P值(假设检验α=0.05)及显著性见表4,拟合优度R2=95.41%。

表4 主流烟气烟碱量简化模型回归项的P值及显著性

模型预测准确度的诊断图见图8所示。由图8可知,主流烟气烟碱量拟合值与实测值的标准化残差在±2范围内,且均匀分布在0两侧,属于一种满意的形态,说明模型预测满足基本假定。

图8 主流烟气烟碱量的回归效果诊断图

2.3 卷烟纸物化参数对卷烟主流烟气CO量的影响

图9 卷烟纸特性对主流烟气CO量影响的主效应图

图10 影响CO量显著项的柏拉图

图11 卷烟纸特性对主流烟气CO量影响的交互作用图

图9所示为卷烟纸特性对主流烟气CO量影响的主效应图。由图9可以看出,在设计范围内,随卷烟纸定量增加,主流烟气CO量显著增加；而随着透气度、助燃剂含量的增加,主流烟气烟碱量均显著下降。图10所示为卷纸特性对主流烟气CO量影响的柏拉图,由图10可以看出,助燃剂含量、透气度、定量、定量与助燃剂含量的交互作用是影响CO量的显著性因子。在设计水平范围内,由图11可以看出,定量、透气度、助燃剂含量之间对主流烟气CO量的影响不存在明显的交互作用。

采用2水平因子实验设计方法建立的CO量简化模型为：CO量=6.20+0.1944×定量-0.2556×透气度-0.6106×助燃剂含量-0.1469×定量×助燃剂含量。回归项的P值(假设检验α=0.05)及显著性见表5,拟合优度R2=96.96%。

表5 CO量简化模型回归项的P值及显著性

模型预测准确度的诊断图如图12所示,由图12可知,主流烟气CO量拟合值与实测值的标准化残差在±2范围内,且均匀分布在0两侧,属于一种满意的形态,说明模型预测满足基本假定。

图12 烟气CO量的回归效果诊断图

此外,结合以上3个烟气指标的预测模型,可通过Minitab响应优化器优化烟气指标；假设焦油量望目值=8 mg/支,烟碱量望目值=0.8 mg/支,CO量望目值=8 mg/支,利用Minitab响应优化器对烟气焦油量、烟碱量和CO量进行优化。当卷烟纸定量=33 g/m2,透气度=40 CU,助燃剂含量=1.0%,预测焦油值=8.14 mg/支,烟碱值=0.77 mg/支,CO值=7.28 mg/支。即在不改变卷烟其他设计时,可通过卷烟纸参数的适当调节实现卷烟烟气指标的调整,再结合其他参数的调节,可最终实现目标烟气。

3 结 论

本课题探索卷烟纸助燃剂含量、透气度、定量3个参数对细支烟主流烟气焦油量、烟碱量和CO量的影响,以期通过卷烟纸参数来调整细支烟的主流烟气。

3.1 在实验设计的水平范围内,卷烟纸助燃剂含量(以柠檬酸根计)与细支烟主流烟气焦油量、烟碱量、CO量具有显著的负相关性。且定量与透气度、定量与助燃剂含量对烟气焦油量的影响均存在交互作用。卷烟纸透气度与细支烟主流烟气焦油量、烟碱量、CO量也具有显著的负相关性。卷烟纸定量与细支烟主流烟气CO量具有显著的正相关性,与卷烟主流烟气焦油量具有非显著的负相关性，与卷烟主流烟气烟碱量具有显著著的负相关性。

3.2 卷烟纸助燃剂含量、透气度、定量与细支烟主流烟气焦油量、烟碱量、CO量均有一定程度的负相关性。卷烟纸物理参数对细支烟和常规卷烟主流烟气影响的关系基本一致。

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(责任编辑：刘振华)

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)

李海锋先生,硕士；主要从事“三纸一棒”等烟用材料的研究工作。

TS761.2;TS411.2

A

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

*通信作者：杨 皓,硕士；主要从事“三纸一棒”等烟用材料的研究工作。