滤嘴设计参数对细支卷烟吸阻的影响

高明奇，田海英，李耀光，冯晓民，王红霞，纪 朋，楚文娟，郝 辉，崔 春，李明哲，马宇平

河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市经开区第三大街8号 450000

细支卷烟通常是指烟支直径比普通卷烟小，包装新颖、时尚、个性化的卷烟［1-2］。与常规卷烟相比，细支卷烟在圆周显著缩小的同时，烟气流速明显加快，烟支吸阻随之升高，因此，常规卷烟滤嘴参数设计思路已不再适用于细支卷烟。卷烟吸阻是影响卷烟感官质量的关键因素，是卷烟设计中重点关注的指标之一［3］。根据河南中烟工业有限责任公司的普查结果：国内主要规格细支卷烟样品的开式吸阻范围为1 170～2 080 Pa，平均值是1 557 Pa，明显高于常规卷烟，表明细支卷烟总体吸阻较高。林婉欣等［4］运用统计学方法研究发现细支卷烟的吸阻与单支质量、圆周有显著的线性相关关系，所建模型预测值与实际验证结果拟合度较好，说明可以通过调整细支卷烟的单支质量、圆周等指标对卷烟吸阻进行控制。高铭等［5］研究了滤棒压降对烟支吸阻的影响程度，发现滤棒压降与烟支吸阻之间存在正相关关系，所建模型预测值与实测值的相对偏差的绝对值均在1%以内，与实际验证结果拟合度较好。王基欣等［6］指出在烟支质量和滤嘴吸阻相同的情况下，烟支吸阻随卷烟纸透气度的增高而降低，滤嘴打孔距离越靠近滤嘴上端，卷烟吸阻的下降幅度越大。解晓翠［7］利用在线激光打孔设备制作通风率不同的混合型卷烟和烤烟型卷烟，得出卷烟物理指标之间存在线性相关关系，逐步回归分析显示，通风率与卷烟质量呈正相关，与吸阻呈负相关。本项目组［8］考察了打孔位置及数量等参数对细支卷烟通风率、通风率稳定性及主流烟气成分释放量的影响，与正常卷烟相比，在线激光打孔位置对细支卷烟影响较小。近年来，国内各卷烟工业企业围绕细支卷烟的质量控制［9］、制丝工艺［10］、卷烟设计［4］、烟机的研制与改造［11-14］、烟气香气分析［15-16］等方面开展了技术攻关与研究，但有关滤嘴设计参数对细支卷烟吸阻影响等方面鲜见报道。为此，考察了滤棒压降、二醋酸纤维丝束规格及滤嘴通风率对细支卷烟吸阻的影响，旨在为细支卷烟的设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

6.0 Y/17 000、6.7Y/17 000规格二醋酸纤维丝束（南通醋酸纤维有限公司）；8.0Y/15 000规格二醋酸纤维丝束（德国罗地亚公司）；9.5Y/12 000、11.0Y/15 000规格二醋酸纤维丝束（美国塞拉尼斯有限公司）。

ML204型电子分析天平（感量：0.1 mg，瑞士Mettler Toledo公司）；KBF型恒温恒湿箱（德国Binder公司）；SODIMAX全功能综合测试台、滤棒物理指标综合测试台（法国Sodim Instrumentation公司）；7890A气相色谱仪（美国Agilent公司）；SM450直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；KDF2滤棒成型机（沈阳飞机制造公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同滤嘴设计参数卷烟样品制备

以河南中烟在产某牌号细支卷烟为基础（烟支长度97 mm，圆周17 mm，滤嘴长度30 mm）；基准卷烟辅材参数：卷烟纸定量28 g/m2，卷烟纸透气度50 CU，普通成型纸，滤嘴通风率40%（在线打孔），二醋酸纤维丝束规格8.0Y/15 000和滤棒压降3 200 Pa；采用同一种配方烟丝，按照单因素设计了5种二醋酸纤维丝束规格，每个二醋酸纤维丝束3个滤棒压降梯度，共15个滤棒样品，搭配4个滤嘴通风率梯度，在同一机台卷接60个卷烟样品。卷烟样品见表1，滤棒及卷烟样品要求见表2和表3。

为了提高所测卷烟样品含烟丝量的一致性，按照压降为（设计值±100）Pa、质量为（设计值±0.02）g、滤嘴通风率为（设计值±2）%对已制备卷烟样品进行筛选后作为待测样。

1.2.2 卷烟物理指标检测

采用GB/T 16447—2004的条件平衡卷烟样品和滤棒样品。按照GB/T 22838—2009的方法检测滤棒物理指标。

表1 不同卷烟样品的滤嘴设计参数Tab.1 Filter parameters of different cigarette samples

表2 细支滤棒样品物理指标Tab.2 Physical indexes of slim filter rod samples

表3 细支卷烟样品物理指标Tab.3 Physical indexes of slim cigarette samples

2 结果与讨论

2.1 滤嘴通风率对细支卷烟吸阻的影响

细支卷烟烟支吸阻随滤嘴通风率的变化趋势和线性关系拟合方程见图1及表4。从图中可看出，在所研究的二醋酸纤维丝束规格及滤棒压降范围内，固定滤棒压降，烟支吸阻与滤嘴通风率呈负相关关系，表明滤嘴通风率对细支卷烟烟支吸阻具有显著影响（R2>0.980），即通过增加细支卷烟滤嘴通风率，可有效降低卷烟烟支吸阻。

图1 滤嘴通风率对细支卷烟烟支吸阻的影响Fig.1 Effect of filter ventilation rate on draw resistance of slim cigarette

表4 滤嘴通风率对细支卷烟烟支吸阻的影响Tab.4 Effect of filter ventilation rate on draw resistance of slim cigarette

不考虑丝束规格，以滤嘴通风率增加10%时的烟支吸阻降低值为纵坐标、滤棒压降为横坐标作图，见图2。由图2可以看出，二者呈一定的正相关线性关系（R2=0.793 8），在所研究的滤棒压降范围内，随滤棒压降增大，改变相同滤嘴通风率对烟支吸阻的影响程度略有增加。原因是随滤棒压降增大，滤嘴轴向阻力增大，轴向通风比例降低，增加相同滤嘴通风率的滤嘴实际通风量增大，进而对细支卷烟烟支吸阻影响程度增加。

图2 滤嘴通风率对细支卷烟烟支吸阻的影响幅度Fig.2 Influencing degree of filter ventilation rate on draw resistance of slim cigarette

根据相关研究结果［17］，增加10%滤嘴通风率，常规卷烟吸阻降低91.9～103.1 Pa，表明滤嘴通风率对细支卷烟吸阻影响程度明显大于常规卷烟。原因可能为随着卷烟圆周的缩小，卷烟轴向阻力增大，增加相同滤嘴通风率对烟支吸阻影响程度加大。因此，除选用低压降细支滤棒外，设计适宜的滤嘴通风率是降低细支卷烟吸阻的另一条有效途径。

2.2 二醋酸纤维丝束规格对细支卷烟吸阻的影响

细支卷烟烟支吸阻随滤棒压降的变化趋势见图3。从图中可看出，所研究的二醋酸纤维丝束规格及滤棒压降范围内，高单旦、低总旦规格二醋酸纤维丝束更适于成型低压降细支滤棒，进而有效降低细支卷烟烟支吸阻。在细支卷烟滤嘴设计中，需要首先考虑二醋酸纤维丝束规格，从而获得适宜的滤棒压降，再结合滤嘴通风率设计，达到烟支吸阻设计目标。

2.3 滤棒压降对细支卷烟吸阻的影响

从图3中可看出，固定滤嘴通风率，烟支吸阻与滤棒压降有显著正相关关系。表5为细支卷烟烟支吸阻与滤棒压降之间在不同滤嘴通风率下的拟合方程，从表中可看出，在所设计的滤嘴通风率范围内，烟支吸阻与滤棒压降之间均有较好的正相关关系（R2>0.96）。在所考察的二醋酸纤维丝束规格和滤棒压降范围内，烟支吸阻范围为788~2 311 Pa，可覆盖行业大多数细支卷烟吸阻值。在细支卷烟研发中，可根据卷烟风格特色，成型合适压降细支滤棒，获得满意的烟支吸阻。

图3 滤棒压降对细支卷烟烟支吸阻的影响Fig.3 Effect of pressure drop of filter rod on draw resistance of slim cigarette

表5 滤棒压降对细支卷烟烟支吸阻的影响Tab.5 Effect of pressure drop of filter rod on draw resistance of slim cigarette

同时，从表5可得出，滤棒压降每增加400 Pa，烟支吸阻增加67~97 Pa，增加值随滤嘴通风率变化会有所不同。随着滤嘴通风率增大，改变相同的滤棒压降对烟支吸阻的影响幅度略有降低，原因为滤嘴通风率增大，气流经过滤嘴时横向扩散增大，对烟支吸阻影响幅度降低。以滤棒压降增加100 Pa时的烟支吸阻增加值为纵坐标、滤嘴通风率为横坐标作图，见图4。从图中可看出，两者呈线性关系，表明随滤嘴通风率快速增大，改变相同滤棒压降对烟支吸阻的影响幅度会明显减小。在细支卷烟设计中，需要兼顾滤嘴通风率和滤棒压降。

图4 滤棒压降对细支卷烟烟支吸阻的影响幅度Fig.4 Influencing degree of pressure drop of filter rod on draw resistance of slim cigarette

3 结论

①对于同一滤棒压降，烟支吸阻与滤嘴通风率呈显著负相关关系（R2＞0.98），且滤棒压降增大，改变相同滤嘴通风率对烟支吸阻的影响幅度略有增加。②保持滤嘴通风率不变，通过采用高单旦、低总旦规格二醋酸纤维丝束可显著降低烟支吸阻。③对于同一滤嘴通风率，烟支吸阻与滤棒压降呈显著正相关关系（R2＞0.96），且滤嘴通风增大，改变相同滤棒压降对烟支吸阻的影响程度减弱。本研究中获得了基于多种二醋酸纤维丝束规格的细支卷烟不同滤嘴设计参数对细支卷烟吸阻的影响规律及趋势，为优化细支卷烟设计提供了参考。