烟用材料对卷烟燃烧特性和烟气特征的影响机制

彭钰涵，帖金鑫，沈羽东，李 旭，焦凯旋，廖 付

（浙江中烟工业有限责任公司技术中心，浙江 杭州310004）

在卷烟抽吸过程中，烟叶原料自身的热解燃烧特性决定了烟气化学成分的释放，而烟用材料对烟气成分的传递过程起到重要影响，烟气化学成分的释放及传递过程最终决定了卷烟的感官品质。因此，将烟用材料主要分成卷烟纸和滤棒两大类，详细归纳了卷烟纸和滤棒相关的物理参数，并整理了近些年在烟支材料影响卷烟燃烧及烟气组成方面的研究工作。重点聚焦在探究烟支材料的物理参数影响卷烟燃烧特性和烟气特征的具体机制上。通过这种总结将有助于对烟支材料是如何改变卷烟燃烧状态、烟气组成这一问题建立更全面深刻的认知，也为进行烟支设计过程中卷烟纸、滤棒的选择和材料之间的适配性等问题提供理论指导。

1 卷烟纸对卷烟燃烧特性和烟气特征的影响

简述卷烟纸相关物理参数和卷烟燃烧常用物理量见图1。

图1 简述卷烟纸相关物理参数和卷烟燃烧常用物理量

图1是对卷烟纸相关物理参数和描述卷烟燃烧状态的常用物理量的总结，其中最重要的是卷烟纸透气度、卷烟纸定量和透气度。接下来逐一探究这3个物理参数对卷烟燃烧过程和烟气成分的影响机制。

1.1 卷烟纸透气度对卷烟纸燃烧性质和主流烟气的影响

卷烟抽吸时主要有阴燃和抽吸2种燃烧方式，阴燃产生的烟气称为侧流烟气，抽吸产生的烟气为主流烟气。主要从这2种燃烧方式出发，分别阐述卷烟纸透气度对卷烟燃烧性质和烟气组成的影响。

对于阴燃过程的影响：烟支阴燃时，空气通过自然对流的方式扩散到燃烧线附近。卷烟纸透气度的增加有助于提高燃烧锥后部的空气总量，对燃烧会起到促进作用，可以使阴燃过程中燃烧锥体积和燃烧锥特征温度升高[1]；但另一方面当卷烟纸透气度增加至一定程度后，自然对流带来的散热作用增强，可能反而使燃烧锥的体积和特征温度降低[2]。

卷烟抽吸过程中的空气扩散原理示意图见图2。

图2 卷烟抽吸过程中的空气扩散原理示意图

由图2可知，燃烧线表示的是燃烧区和热解区的分界线。燃吸时，进入烟支的空气分为2个部分：一部分不参与燃烧，且离燃烧锥较远，是通过强制对流扩散透过卷烟纸而直接进入烟支，这部分空气记作V1，V1直接决定着卷烟纸对烟气的稀释能力；另一部分表示的是抽吸过程中从燃烧线前端穿过燃烧锥直接参与燃烧过程的气体，记作V2，通常认为在燃烧线前2 mm左右的燃烧区位置是进气流速率最大的位置，V2直接决定燃烧锥的燃烧性质。V1+V2=V，V表示的是进入抽烟机的总气流量，在标准抽吸条件下是35 mL。随着透气度的增大，燃烧锥中高温燃烧区的体积增加导致V2变大，并且此时V2增大的作用强于V1的作用，使燃烧锥特征温度升高[1]；但当卷烟纸透气度大到一定程度时，V1增大的效应相对V2而言占主导作用，从而导致V2相对体积降低，V1相对体积升高，这种情况下燃烧锥的高温区面积和特征温度反而是降低的[1]。但是，无论哪种情况，随着卷烟纸透气度的增加都会造成烟气中焦油、烟碱和CO的量降低，只是降低的原因或机理不太相同：当透气度不太大，V2增长占主导的时候主要是因为燃烧更加充分，裂解区面积相应减少，从而释放的焦油和烟碱量会降低。当透气度继续增加时，V1增大，此时空气对主流烟气的稀释作用是造成主流烟气中烟碱、焦油释放量随卷烟纸透气度增大而降低的主要原因。也可以想象透气度是不能无限增大的，当超过某个值，使V1过小，可能很大程度上影响了卷烟的燃烧性质，如使卷烟燃烧速率降低，抽吸口数反而变大，并且不完全燃烧程度加大，反而使焦油烟碱等含量升高。并且，燃烧性质随透气度变化的转折点存不存在，以及对应的具体透气度数值也与卷烟的本身性质，比如叶组配方等因素有关系[3-10]。

透气度的变化除了会影响焦油量、烟碱之外，对于卷烟主流烟气的7种代表性有害成分一氧化碳（CO）、氢氰酸（HCN）、4-(N-甲基-N-亚硝氨基)-1-(3-吡 啶 基)-1-丁 酮(NNK)、苯 并[a]芘(B[a]P)、氨、苯酚及巴豆醛)中的其他6种也有不同程度的影响[11-16]。

1.2 卷烟纸定量对卷烟纸燃烧性质和主流烟气的影响

本质上定量的增加主要有2个方面的影响：首先，单位面积内纤维含量绝对量的增加和助燃剂的量增加；其次，意味着卷烟纸的厚度增加，这种厚度增加会降低卷烟燃烧过程中产生的小分子气态物质（如CO）透过卷烟纸向大气的扩散作用。需要强调一个概念问题：人们常提的卷烟纸对烟气的稀释和扩散作用中的“稀释”和“扩散”事实上是2个概念，稀释是依靠空气渗透，也就是由1.1中提到的（卷烟纸透气度）V1占比决定的，即稀释主要是由卷研纸的透气度决定的。而扩散作用是一种静态空气对流的结果，主要依靠卷烟纸的实际多孔结构进行，即与孔径分布、孔径多少（一般由定量和卷烟纸填充等决定）和孔洞体积（透气度）等共同决定的，所以要评价某些气体（如CO）的扩散率，通常是比较具备相同透气度的卷烟纸对CO的释放能力。

单位面积内纤维含量绝对量的增加和助燃剂的增加对卷烟燃烧最高温度影响恰好相反，前者是使燃烧最高温度升高，后者是会降低卷烟燃烧最高温度，综合结果是看这2个方面的作用哪种更占优势，不同课题组得出的结论也不相同[17-18]。随着定量增加，卷烟纸变厚不仅会降低低沸点气相物质（如CO等）向大气中的扩散作用也会使外部的氧气很难进入到燃烧锥中参与反应，导致烟支内部的燃烧不够充分，所以单口的焦油和烟碱含量会提升，而CO受影响最大，无论是单口含量还是烟支总含量都会随卷烟纸定量增加而变大[17]。除此以外，其他物质释放量也与定量相关，随着卷烟纸定量的增加HCN释放量也呈增加趋势，并且主要是粒相物中HCN的释放量增加[19]。总体而言，随着卷烟纸定量的增加，危害性指数呈降低趋势。

1.3 卷烟纸助燃剂对卷烟纸燃烧性质和主流烟气的影响

助燃剂影响卷烟燃烧性质和主流烟气的最根本原因是助燃剂的添加会降低卷烟纸的初始热解温度和热解活化能[20-21]。这种卷烟纸初始燃烧温度和活化能的降低会造成两方面的影响。首先，加快了卷烟燃烧速率，从而降低卷烟抽吸口数；其次，在相近的燃烧温度下，能更大程度地增加炭化线附近卷烟纸的透气度。卷烟纸热解过程中，其中的纤维素发生裂解反应并释放出气相小分子化合物，这些气相物质的析出过程导致卷烟纸中的孔洞增加，从而透气度变大[6]。李旭华[20]研究了草酸钾对卷烟纸热解性能及主流烟气的影响。结果发现，卷烟纸热解起始温度随着草酸钾添加量的增加而降低，并且提高草酸钾添加量也使卷烟纸在200～300℃温度段内热解活化能降低。

不同添加量的草酸钾对卷烟纸失重的影响见图3。

图3 不同添加量的草酸钾对卷烟纸失重的影响

由图3可知，钾盐对能够催化卷烟纸的热解过程。

在卷烟纸上添加助燃剂可以降低卷烟纸热解时的活化能，使其在较低温度下发生热解反应，从而导致卷烟炭化线附近卷烟纸的透气度增加，使得氧气进入烟支及CO向外部扩散的能力都加强，同时促进卷烟纸周边烟丝燃烧，卷烟纸助剂在改变卷烟纸裂解状态的同时也会影响到一部分烟丝的裂解状态，从而使卷烟主流烟气中的焦油和CO物质得以降低[22]。但是，如果助燃剂的浓度过高，高浓度的助剂分布在卷烟纸纤维表面及内部，阻碍了气体向外扩散，在卷烟纸燃烧线附近形成了较多气泡，这会阻碍氧气进入烟支，从而影响CO的向外扩散及焦油的生成。这也是在卷烟纸上添加草酸钾达一定浓度后，卷烟主流烟气中焦油和CO释放量的降低幅度呈下降趋势的原因。

助燃剂的添加在提高卷烟的燃烧速率（尤其是阴燃速率）、减少抽吸口数的同时，也会由于燃烧快导致燃烧不完全，造成燃烧最高温度降低、单口的焦油含量和单口总粒相物含量都增高，虽然由于抽吸口数的降低，整支烟的焦油和粒相物总量是降低的[23-24]。

2 过滤嘴对卷烟燃烧特性和烟气特征的影响

简述对卷烟燃烧和烟气组成有重要影响的滤嘴相关物理参数见图4。

图4 简述对卷烟燃烧和烟气组成有重要影响的滤嘴相关物理参数

图4简述了对卷烟燃烧和烟气组成有重要影响的滤嘴相关因素，现分别阐述这些因素从哪些方面影响卷烟的烟气组成。

2.1 滤嘴通风度（稀释率）

2.1.1 影响滤嘴通风度的因素

法国PDW公司根据大量的试验总结出一个简单的数学模型，把通风滤表达为由6个参数构成的函数：

式中：V——滤嘴的通风度，%；

Ptip——水松纸的透气度，CU；

Ppw——成型纸的透气度，CU；

PDcf——卷烟的闭式压降，mmH2O；

PDf——滤嘴的闭式压降，mmH2O；

Lf——滤嘴的长度，mm；

Dp——打孔位置到吸嘴端的长度，mm；

K——49175（静电打孔值）；

K——55475（激光打孔值）；

成型纸、接装纸透气度与通风度的关系见图5。

空气从接装纸的小孔进入卷烟时，还必须穿过成型纸，这两层纸透气度的大小是稀释率最主要的影响因素。由图5可知，它们之间必须合理搭配。可以看出通风度主要是由这2种纸中透气度较小的纸决定，一般情况下是先选择并固定一个是稍大透气度的成型纸，再通过接装纸透气度的变化来决定稀释率，这是因为接装纸的透气度易于控制，而且比较精确。接装纸透气度变异系数为3%左右，而成型纸一般为5%，而且成型纸透气度越大，变异系数越大，甚至达到10%以上[25]。另外，接装纸的打孔位置到吸嘴端的距离对通风度的影响也很大，陈慧彬等人[26]研究表明，打孔距离对滤嘴通风性有显著影响，当打孔位置与烟丝距离从16 mm增大到20 mm时滤嘴通风率增加了7%。

图5 成型纸、接装纸透气度与通风度的关系

2.1.2 滤嘴通风性对卷烟燃烧和烟气特征的影响

式中：VC——燃烧锥的抽吸容量，mL；

Vm——唇端抽吸容量，mL；

D——滤嘴通风度，%。

由公式（2）可知，随着接装纸透气度的增大，燃烧锥的抽吸容量减少，导致抽吸所耗的烟丝减少，因此造成抽吸口数的增加，并且经过燃烧锥的空气量的降低也会对卷烟的燃烧性质产生影响。尧珍玉等人[27]深入研究了接装纸透气度对卷烟燃烧温度的影响，结果表明接装纸透气度对卷烟抽吸燃烧温度影响显著，随着接装纸透气度的增大，卷烟第三口抽吸温度和峰值平均值均明显下降；接装纸透气度从100 CU增加到500 CU，卷烟第三口抽吸温度下降了115℃，峰值平均值下降了87℃，而阴燃平均温度未发生明显变化。此外，阴燃平均温度明显低于第三口抽吸温度和峰值平均值。

同时，通风度的改变也会影响空气对烟气的稀释作用以及烟气的扩散的作用，再结合卷烟燃烧性质的变化势必会影响烟气的组成和含量问题[28-29]。通风度增大会导致烟气稀释、扩散作用增强；另一方面抽吸的口数却是增加的[25]。由图6可知，总稀释率对烟碱的影响最小，这样就可以保证在采用通风稀释时，在较大幅度降低CO量和焦油量的同时，仍可以保持一定劲头。

总稀释率与烟气分析指标的关系见图6。

图6 总稀释率与烟气分析指标的关系

通风度的改变不仅是对烟气常规物种影响，李朝荣等人[30]发现卷烟纸透气度与主流烟气中B(a)P、NNK及4种芳香胺总释放量呈明显的负相关关系。庞永强等人[31]发现，随着接装纸和成型纸透气度的增加，卷烟燃烧过程中铬（C）r、镍（N）i、砷（As）、硒（Se）、镉（Cd）和铅（Pb）6种元素的主流烟气、烟蒂迁移率有一定程度的降低。

2.1.3 滤嘴通风性对卷烟感官品质的影响

本质上来讲，感官品质就是由烟气组成和含量决定的。邱宝平等人[32]发现滤嘴通风性对感官评价总分有比较大的影响。于川芳等人[25]也给出了总稀释率对感官品质影响的具体图像，随总稀释率的增加，香气量、浓度呈明显下降趋势，细腻程度、干燥感变化不大，刺激性、杂气、干净程度等的得分甚至还有所上升。但是，稀释率过高的话会导致卷烟吸味变差，最明显的表现就是香气量和浓度下降十分明显。

2.2 滤棒过滤

2.2.1 丝束过滤原理以及对不同物质的过滤选择性

对粒相物的过滤主要有直接拦截、惯性碰撞、扩散沉淀这3类，应注意这3种方式均属于机械过滤，是没有选择性的。事实上，这里说没有选择性讲的是没有可控的选择性，本质上来讲，一些滤嘴材料，如典型的醋纤滤嘴的过滤效率是与烟气粒相物微粒直径有直接关系的，也就是说机械过滤对微粒尺寸是有选择性的，但问题在于不同的组分在不同大小微粒中含量分布不一样，所以整体来讲，不同物种过滤效率也会呈现很大的差别。韩敏[33]研究发现醋纤滤嘴对于芳香胺、烟草特有亚硝胺、挥发性羰基化合物以及酚类物质等不同的物种截留效率也是不一样的。

对于气相物质和粒相半挥发性物质，主要是通过吸附、吸收和化学反应的方式进行过滤，在此应注意，有些丝束（如醋酸纤维丝束）对于粒相挥发和半挥发性组分的过滤是有选择性的，但不是所有丝束都具备选择性，如丙纤滤嘴和改性丙纤滤嘴就没有这种选择性。因为对香味产生比较大影响的物质很多都是粒相挥发或者半挥发成分，所以丙纤丝束对于烟气中香味物质的截率往往是有选择性的。这种选择性主要是体现在对物质沸点及极性这2个物理量比较敏感上，李炎强等人[34]发现醋纤滤嘴对于沸点较低、出峰较早的物质截滤率较高，而对高沸点的香味物质则效率较低。而卷烟其为中辛辣刺激和杂气气味大多是沸点比较多的物质，所以醋纤滤嘴味道更柔和。除此之外，醋纤滤嘴中常加入三醋酸甘油酯等物质作为增塑剂，而这些增塑剂对于烟气中的酚类物质具有较高的去除作用，就使得醋纤滤嘴去除酚的能力比去除焦油的能力强1.0～2.5倍，而其他滤嘴的这个比例要低于1。曾万怡等人[35]深入研究了纸质滤芯中三醋酸甘油酯添加量对卷烟主流烟气中苯酚释放量的影响，结果发现苯酚的释放量随着三醋酸甘油酯用量的增加逐渐降低，单位焦油苯酚释放量的降低率随着三醋酸甘油酯添加量的增加而增加，其最大降低率为34.59%。除此之外，孙学辉等人[36]探究了滤棒中三醋酸甘油酯用量对卷烟主流烟气有害成分释放量的影响，得出结论除苯酚、间一对甲酚的释放量随着三醋酸甘油酯用量的增加逐渐降低外，一氧化碳（CO）、氢氰酸（HCN）、4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)、氨（NH）3、苯并[a]芘(B[a]P)、巴豆醛、对苯二酚、间苯二酚、邻苯二酚、邻甲酚等成分的释放量或基本无变化，或变化不明显，也就是说添加剂对于物质的吸收是有选择性的，只针对酚类物质。

2.2.2 影响过滤效率的因素以及各因素对卷烟烟气和感官品质的影响

（1）滤棒压降（吸阻）。滤嘴对总粒相物的过滤作用，与滤嘴压降的关系极为密切，滤嘴压降增加，烟气在滤嘴中的运动阻力变大，与过滤材料的碰撞机会也变大，对总粒相物的过滤效率会增加。于川芳等人[25]得出了总粒相物以及烟气常规物种的过滤效率随滤棒吸阻变化的线性代数关系，并总结出滤棒吸阻每增加294 Pa，焦油量下降0.412 mg，烟气烟碱量下降0.029 4 mg，过滤效率增加3.06%而烟气CO的量基本没有变化，这是因为丝束对于一氧化碳、一氧化氮这种具有非常高蒸汽压的气体是没有吸附能力的。因此，也能看出滤棒吸阻的增高对于焦油量的降低效率要高于烟碱的降低效率。

除了对烟气常规成分有影响之外，对于其他一些特定物种，随着滤棒吸阻的增高其变化趋势也是不尽相同的。姜兴益等人[37]研究发现在ISO模式下，滤棒吸阻与主流烟气中Ni，Pb，Cr和Cd 4种元素的迁移率及侧流烟气中Ni迁移率显著负相关，与侧流烟气中Cd迁移率显著正相关。滤嘴长度与主流烟气中6种目标元素的迁移率均显著负相关，与侧流烟气中Ni和Pb迁移率显著正相关。

于川芳等人[38]也研究了滤棒吸阻对普通卷烟感官品质的影响。整体来说，适当提高滤棒吸阻是可以去除杂气和刺激性的。

（2）滤棒长度。应注意滤嘴加长不仅增加了滤嘴的吸阻还会出现对应的“长度”效应，所以效果更显著，过滤效率、焦油量下降幅度更大，而且CO量也会下降，在香气改变方面效果和改变滤嘴压降接近。除了对烟气常规成分有影响之外，对于其他一些特定物种，随着滤棒长度变大其变化趋势也是不尽相同的。李劲峰等人[39]研究了滤棒长度对卷烟主流烟气中一氧化碳（CO）、氢氰酸（HCN）、NNK、氨、苯并[a]芘、苯酚及巴豆醛等7种有害物质的影响，结果表明，卷烟主流烟气中单位焦油苯并[a]芘、巴豆醛、CO的含量随滤棒长度减小而减少；HCN、NNK、NH3、苯酚的含量则有相反的变化规律；而卷烟主流烟气中单位焦油的危害性变化不大。

2.3 特型滤棒的研究

这一方面主要是因为2.2.1提到的一些常用丝束对某些特定成分的选择性过滤能力不够，所以目前对于滤棒的研究很大一部分集中在特型滤棒上（在此把复合滤棒也归为此类）。李国政等人[40]研究发明了一种含苯酚表面分子印迹聚合物的二元复合滤棒，可较好地降低卷烟主流烟气中苯酚的释放量，经过实际研究测定，卷烟主流烟气中苯酚含量降低幅度可达近1/4左右。秦亮生等人[41-42]发明并合成了一种可降低主流烟气中苯酚含量的卷烟滤棒添加剂，该添加剂是由海藻酸盐包封海藻酸丙二醇构成的胶囊。谢国勇等人[43]也发明了一种具有降低卷烟主流烟气中氨含量功能的卷烟滤棒用纸，在减少对吸烟者造成危害的同时又不影响卷烟口感。杨涛等人[44]研究了一种能降低卷烟主流烟气温度的卷烟滤棒，是一种添加吸热凝胶的滤棒，可以改善卷烟及加热不燃烧卷烟的抽吸舒适度。陈瑶等人[45]研究了一种可控制焦油释放量的卷烟滤嘴，实现了卷烟烟气不同的满足感。