细支沟槽滤棒的设计开发及对卷烟烟气的影响

杨天，郭军亮，高鑫，秦昌峰，唐伟

(1.江苏中烟工业有限责任公司，江苏南京210011； 2.南通烟滤嘴有限责任公司，江苏南通226001)

细支卷烟作为中式卷烟的新品类，越来越受到人们的关注。随着低焦油卷烟的发展，消费者对细支卷烟的需求越来越多，烟草企业对细支烟用特殊结构滤棒的开发越来越重视。通过特殊结构和功能设计，滤嘴不仅可以有效截留烟气中的有害成分，还可以提升卷烟的感官效果和客户体验[1-4]。

沟槽滤棒是由二醋酸纤维素丝束、专用纤维素纸和滤棒成型纸制成，是国内卷烟产品中广泛应用的特种滤棒之一。在二醋酸纤维素丝束与滤棒成型纸之间增加一层带有连续或间断沟槽形状压纹的纤维素纸，能够增强滤嘴烟气过滤效果，同时使滤嘴外型结构独特新颖，彰显卷烟品牌的个性[5-7]。

沟槽滤棒作为一种开发应用较为成熟的特种滤棒，有必要在细支卷烟上进行推广应用，以满足消费者的个性化需求[8-10]。目前国内关于细支沟槽滤棒及其应用的研究较少。因此，本课题组在常规沟槽滤棒成型机构和辅材的基础上，研究适用于细支沟槽滤棒的纤维素纸的规格，设计细支沟槽压纹装置，并考察细支沟槽滤棒对卷烟烟气的影响规律，为其在细支卷烟上的应用提供一定借鉴和参考数据。

1 实验材料与方法

实验原料包括：二醋酸纤维素丝束(南通醋酸纤维有限公司生产)，规格6.0/17 000；二醋酸纤维素丝束(德国索尔维公司生产)，规格8.0/15 000；纤维素纸(韩国国一制纸株式会社生产)，宽度15.0 mm，定量60、70、80 g/m2；成型纸，宽度17 mm，定量28 g/m2。

实验设备包括：RM20H转盘式吸烟机(德国Borgwaldt KC公司制造)；SODIMAX全功能综合测试台(法国Sodim Instrumentation公司制造)；6890A气相色谱仪(美国Agilent公司制造)；电子天平(日本岛津公司制造，精度0.000 1 g)；KBF型恒温恒湿箱(德国Binder公司制造)。

细支沟槽滤棒及对照样均由南通烟滤嘴有限责任公司在同一细支沟槽滤棒成型机上采用相同成型纸统一成型，滤棒长度为120 mm，圆周为16.70 mm。

试验共有10个细支沟槽样品，分3组进行分析。A、B、C组样品的丝束规格分别为8.0/15 000、6.0/17 000、8.0/15 000。A、B组滤棒压降中心值分别为3 400 Pa和4 500 Pa。C组滤棒为相同丝束填充量条件下不同结构的细支沟槽滤棒样品。滤棒沟槽排列结构具体见表1。细支卷烟样品在同一卷接机组上，采用同一批次的烟丝、相同规格的接装纸及卷烟纸卷制得到。

表1 细支沟槽滤棒特征参数

卷烟样品的分析在GB/T16447—2004[11]规定的条件下平衡48 h，采用转盘式吸烟机在标准条件下抽吸，按照文献[12—15]的方法测定烟气总粒相物、焦油、烟碱、CO和水分。

2 细支沟槽滤棒用纤维素纸

滤棒的沟槽是通过一对或多对压纹辊对纤维素纸进行连续或间断挤压形成的，纤维素纸对沟槽滤棒的外观、齿形有重要影响。普通沟槽滤棒用纤维素纸的宽度通常为22.20 mm，按普通沟槽滤棒与细支沟槽滤棒的圆周比例，同比计算细支沟槽滤棒用纤维素纸的宽度为15.3 mm。根据纤维素纸分切生产实际及批量生产质量要求，选取15.5 mm和15.0 mm宽度的纤维素纸进行试验。

常规沟槽纹辊成型机成型试验发现，采用宽度为15.5 mm纤维素纸的细支沟槽滤棒的圆周、圆度和外观指标较差，采用15.0 mm的纤维素纸外观较好。原因是纤维素纸宽度略宽，在滤棒成型时，纤维素纸两边搭好并包裹好丝束后，纤维素纸略宽的部分没有被包裹起来，纤维素纸本身又厚又硬，导致外层的成型纸在滤棒表面凸起，滤棒表面有褶皱，影响滤棒外观。

分别采用宽度为15.0 mm的3种定量的纤维素纸进行上机适用性试验，为细支沟槽滤棒纤维素纸选型提供参考。试验结果见表2。可以看出，应选用15.0 mm×80 g/m2的纤维素纸进行后续试验。

表2 纤维素纸的上机适用性

3 细支沟槽滤棒用压纹装置

滤棒的沟槽是由压纹装置对纤维素纸挤压成型的，如图1所示。沟槽滤棒的沟槽特征和布局由压纹辊的齿形、纤维素纸的走向、压纹装置与纤维素纸的相对位置等因素决定。压纹装置是由一对转向相反、表面凹凸不平的的压纹辊构成[16—20]。压纹辊主要参数为齿高h、齿距p和齿角度α，如图2所示。

图1 沟槽的压纹原理示意图

图2 压纹辊的齿形示意图

根据细支沟槽滤棒的压纹原理，推算压纹辊的齿高h的公式(h=K1H)、齿距p的公式(p=K2B/N)、齿角度α的公式(α=2arccot [K2B/(2K1HN)])。公式中B为细支沟槽滤棒用纤维素纸的宽度，H为沟槽的深度，N为沟槽的数量，K1、K2为修整系数。常规沟槽滤棒的圆周为24.20 mm，细支沟槽滤棒的圆周为16.70 mm，细支沟槽滤棒的圆周为常规沟槽滤棒圆周的0.69倍，细支沟槽压纹辊参数按此比例设计研究，并进行试验验证。

普通沟槽滤棒用压纹辊的齿间距为1.4 mm、齿高为0.8 mm、齿夹角为55°。根据普通沟槽滤棒与细支沟槽滤棒的圆周比例，计算细支沟槽滤棒用压纹辊的齿间距为1.0 mm、齿高为0.55 mm、齿夹角为38°。因纤维素纸为纯木浆纤维成分，具有一定弹性，经过沟槽压纹辊后，纤维素纸形成的沟槽齿距、沟槽齿高、沟槽齿角度与理论计算有一定的变化。在保持其他参数不变的情况下，分别进行了不同压纹辊齿距、齿高、齿角度的上机试验，具体结果分别见表3—5。

表3 沟槽压纹辊齿间距试验结果

表4 沟槽压纹辊齿高试验结果

表5 沟槽压纹辊齿夹角试验结果

根据理论计算结合沟槽压纹辊实际上机验证结果，确定细支沟槽压纹辊的3个主要参数分别是齿距0.9 mm、齿高0.55 mm、齿角度45°。此时，滤棒外观较好，满足工艺要求。

4 细支沟槽滤棒对卷烟烟气的影响

根据前面介绍的细支沟槽滤棒分组试验方法接装卷烟，烟气分析数据见表6—8。对于A组细支沟槽滤棒卷烟，由表6可以看出：①不同结构的卷烟样品抽吸口数变化不大；②沟槽结构的加入对总粒相物、焦油、烟碱有明显影响；③沟槽长度变化及同一沟槽长度下不同沟槽位置对CO量影响不明显；④A1样比A0样总粒相物下降1.26 mg/支，水分下降0.16 mg/支，烟碱量下降0.13 mg/支，焦油量下降0.97 mg/支。

表6 A组细支沟槽滤棒卷烟常规烟气指标

表7 B组细支沟槽滤棒卷烟常规烟气指标

表8 C组细支沟槽滤棒卷烟常规烟气指标

B组细支沟槽滤棒接装卷烟，随着滤棒压降升高，丝束填充量增加，丝束规格由8.0/15 000改为6.0/17 000。由表7可以看出，B组滤棒过滤效果比A组好，总粒相物、焦油、烟碱指标较A组低。采用沟槽结构的B1样比无沟槽结构的B0样总粒相物下降1.28 mg/支，水分下降0.09 mg/支，烟碱量下降0.16 mg/支，焦油量下降1.03 mg/支。原因是细支沟槽滤棒中沟槽段长度对滤棒过滤效果作用明显，沟槽段越长，烟气与纤维素纸接触面积越大，过滤效果越好。沟槽滤棒的沟槽段里面为纤维素纸包裹的醋酸纤维丝束，外面为纤维素纸形成的沟槽空腔结构，里外侧存在压差，导致烟气沿滤棒流动时，会穿过纤维素纸向空腔低阻力区流动，纤维素纸对烟气中总粒相物、烟碱起到机械截留作用。如图3所示。

图3 烟气经过沟槽滤棒路径

图4为沟槽滤棒吸附焦油的截面效果图，沟槽滤棒中沟槽段纤维素纸颜色明显比醋纤段深，焦油过滤效果好。在无沟槽结构的平滑段，焦油主要集中在中间部位，以醋酸纤维丝束发挥作用为主，纤维素纸发挥作用较小。

(a)沟槽段(b)醋纤段

图4纤维素纸截留焦油效果图

由图1、表6和表8可以看出，虽然C2样滤棒压降比A1样高约500 Pa，但A1样的过滤效果要比C2样强。这里A样和C2样的沟槽长度分别为20 mm和15 mm。可见在沟槽滤棒中，沟槽段越长过滤效果较好。

虽然，A1样沟槽段总长度和C1样沟槽段长度都是20 mm，从数据看A1样的降焦效果比C1好。原因是沟槽滤棒中纤维素纸的压纹段和非压纹段的结合面对焦油产生界面吸附作用，A1样为双沟槽结构，比C1样多1个结合面，从而过滤效果更好。界面吸附作用示意图见图5。可见，在沟槽段和非沟槽段的结合面，颜色更深，拦截焦油效果明显。

图5 纤维素纸界面降焦油效果图

5 结语

1)采用15.00 mm×80 g/m2规格的纤维素纸制备的细支沟槽滤棒沟槽齿形清晰，设备连续性好，不易断纸停机。

2)当压纹装置齿距为0.9 mm、齿高为0.55 mm、齿角度为45°时，细支沟槽滤棒外观满足工艺要求。

3)细支沟槽滤棒的沟槽长度对主流烟气总粒相物、焦油量、烟碱有明显影响，沟槽长度和沟槽位置对CO无明显影响。

4)滤嘴中沟槽段总长相同时，双沟槽结构比单段沟槽结构焦油过滤效果好。