卷烟滤嘴设计对主流烟气温度的影响及其降温效应

2021-07-28孔浩辉李宏伟卢志菁吴君章林宝敏欧阳璐斯

烟草科技 2021年7期

孔浩辉，李宏伟，卢志菁，吴君章，林宝敏，欧阳璐斯，杨飞*

1.广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州市荔湾区东沙环翠南路88号 510385 2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广州市天河区五山路381号 510640

人体口腔感受的适宜温度为10～40℃，超过40℃时会有不适感，超过50℃时则会感到舌尖灼痛［1-2]。而灼口综合征人群的热痛耐受值更低，温度疼痛感觉更加敏感［3-5]。同时，长时间持续接触40℃以上的热源，还可能会造成黏膜组织的严重烫伤［6]。卷烟主流烟气温度可能会对消费者的吸烟体验带来影响，甚至可能造成口腔黏膜灼伤，因此测定、了解卷烟燃吸过程中主流烟气的温度传递情况，对提高卷烟烟气舒适度有积极意义。目前，有关卷烟燃吸过程中主流烟气对口腔温度刺激性影响的研究报道较少。Purkis等［7]对比分析了不同抽吸模型下1 mg/支焦油卷烟在距离滤嘴出口端5 mm处和20 mm处的滤嘴最高温度，认为距离滤嘴出口端5 mm处的烟气温度接近于口腔的温度感受。赵路灿［8]测定了3R4F卷烟燃吸过程中距离滤嘴出口端25～19 mm段的温度分布。此外，樊娜［9]、陈秋平等［10-11]，皆采用距离滤嘴出口端25～19 mm段的滤嘴体积平均温度，对比分析相变材料复合滤嘴的主流烟气温度降低效果。田保中等［12]则对比分析了连续性燃吸过程中距离滤嘴出口端15 mm处蚕丝滤嘴与普通滤嘴的温度变化差异。由于温度测量点距离烟蒂末端较远，因此，除了Purkis等的研究外，其余滤嘴测温结果皆不能反映主流烟气对口腔的温度刺激性影响。且这些研究所分析对象或采用特殊滤材或烟丝、或为超低焦油卷烟样品，所得数据对了解常规卷烟设计对主流烟气温度影响的帮助不大。基于降低主流烟气对人体口腔的温度刺激感、提高消费者卷烟抽吸舒适性的目的，本研究中拟通过测量不同卷烟样品距离滤嘴出口端1 mm处的温度变化曲线，对比分析不同滤嘴压降、长度、通风率、结构等设计参数对主流烟气温度的影响，旨在为卷烟产品设计提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

滤嘴压降、长度、通风率、结构等设计参数不同的卷烟样品由广东中烟工业有限责任公司提供。其中，1#样品为基准样品，接装纸长度33 mm、滤嘴长度30 mm、滤嘴压降820 Pa、滤嘴通风率0.2%，采用醋酸丝束滤嘴，实测烟气焦油量11.3 mg/支。2#～6#样品，调整了滤嘴压降（压降值依次为780、806、848、867、880 Pa）；7#～9#样品，调整了滤嘴长度（长度值依次为25、20、10 mm）；10#～13#样品，调整了滤嘴通风率（通风率依次为18.3%、35.7%、57.1%、69.6%）；14#～17#样品，调整了滤嘴设计（滤嘴依次为沟槽滤嘴、中空滤嘴、活性炭复合滤嘴、活性炭组合滤嘴）。

KBF240恒温恒湿箱（德国BINDER公司）；SM450直线型吸烟机（英国斯茹林公司）；定制Omega热电偶和Testosterone 735-2数字显示仪（德国德图公司）；27 G注射针头（外径0.4 mm，中灰，广西双健科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品的制备

卷烟试样的制备：将卷烟样品按照单支质量（平均值±0.02 g）和吸阻（平均值±49 Pa）进行筛选［13]，后放置于测试大气环境［温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%]下调节48 h，得到待测卷烟试样［14]。在卷烟滤嘴段用尺子丈量后标记预备插入热电偶探针的点位（滤嘴段上探针插入点位为距离滤嘴出口端的距离，依次标记为30、20、10、5、1 mm；滤嘴外标记为0）。

开展温度测定前，用2 mm宽生胶带缠绕卷烟滤嘴端3圈从而将标记点完全封闭（对打孔滤嘴缠绕时需避开打孔位置），再用27 G注射针在滤嘴端标记处打下预留孔。

1.2.2 滤嘴温度的测定

滤嘴温度参考文献［7]的方法采用热电偶进行测定，根据插入滤嘴中心所需的深度（即卷烟半径）将热电偶探针前端折成7字形，然后将热电偶探针由卷烟试样预留孔插入，并用2 mm透明胶带密封固定。

按照GB/T 19609—2004［15]的要求，将卷烟试样插入烟气捕集器，启动吸烟机的卷烟抽吸程序，在点火器预热完成提示音响起后，启动热电偶的温度测量记录程序。吸烟完毕提示音响起后，结束热电偶的温度测量记录程序。每个卷烟试样测量5次，比较各组测温曲线波动是否相似、测量结果的相对标准偏差是否小于6%［16]。若符合以上要求，取中位值作为检测结果；若不符合，重新测量一组（5个试样）。

2 结果与讨论

2.1 滤嘴端不同测量点检测结果的比较

以1#卷烟样品作为试验样品，比较了探针处于卷烟滤嘴端不同插入点时，热电偶温度测定结果的差异。检测结果如表1、图1和图2所示。

由表1可见：①本研究中滤棒温度测定结果与赵路灿［8]、樊娜［9]、陈秋平等［10-11]的文献数据具有相似性，但明显高于Purkis等［7]的研究结果，这可能是因为Purkis等测量的是1 mg/支低焦油卷烟，滤嘴通风率极大（为84%），而本研究中测量的卷烟滤嘴通风率仅为0.2%。②卷烟滤嘴具有明显的降温效果，第8口抽吸滤嘴出口端温度较入口端低将近40℃。③整体而言，距离滤嘴出口端越近，烟气温度越低，两者基本呈线性相关关系，燃吸至标准烟蒂处和燃吸至接装纸处两组烟气温度数据，与距离滤嘴出口端长度的R2值分别为0.995和0.988。这与陈秋平等［10-11]“沿着轴向温度递减并不明显”的研究结论差异较大；但该现象符合Purkis等［7]的实验结论。④靠近燃烧锥端处的检测结果RSD值最大，表明检测值稳定性最差，这可能与测量点与燃烧锥间距离较近、受燃烧锥温度的影响更大有关。Purkis等［7]的研究中也指出，卷烟燃烧的不稳定性，致使相同抽吸口数时燃烧锥与滤嘴间距离存在差异。⑤距离滤嘴出口端1 mm点位的温度测量值与0 mm处的接近，即滤嘴中该测量点的检测结果接近于口腔内感受到的烟气温度。但0 mm处测温结果的RSD值较大、稳定性较差，这可能与0 mm处测温点的探针暴露于空气中、温度曲线峰值瞬间变化大（见图1）有关。⑥由于热电偶固有的热惰性和动态响应特性，以及烟气流动速度的影响，热电偶在测量快速流动及变化的烟气温度时存在系统性偏差［17-19]，因此热电偶测得的烟气温度会低于烟气实际造成的口腔感受温度，即燃吸至标准烟蒂处时口腔感受温度会超过45℃，燃吸至接装纸处时更会高达70℃。

表1 卷烟燃吸过程中不同滤嘴部位的温度检测结果Tab.1 Temperatures of different filter parts during smoking

由图2可知：①第7口抽吸时卷烟大约燃吸至43～41 mm处，第8口至36～34 mm处。②结合图1和表1数据可知，第7口、第8口抽吸时的口腔感受温度会分别达到45℃和70℃。因此，为避免灼热烟气对口腔的刺痛，抽吸卷烟时消费者通常不会抽吸至36 mm处，甚至大多数人在抽吸至43 mm前就会停止抽吸。这与消费者吸烟行为调查的结果一致，消费者的遗留烟蒂长度大多超过40 mm、极少有烟蒂长度低于33 mm的情况出现［20]。

综上所述，①本研究中不同测量点（20、10、5 mm）处获得的烟气温度与以往文献报道的数据［7-11]具有相似性，由此验证了本研究中检测结果的可靠性。②距离滤嘴出口端1 mm点位的温度测量值与口腔内接触温度相近，且检测结果稳定性更高，因此选定为主流烟气温度的测量点。③消费者的抽吸行为与主流烟气温度间存在明显相关性，表明主流烟气温度造成的口腔刺激感显著影响了消费者的吸食体验。

2.2 卷烟滤嘴设计对口腔温度刺激性的影响

2.2.1 不同滤嘴压降的比较

以1#～6#卷烟作为试验样品，比较了不同压降滤嘴的降温效果，结果如图3所示。由图3可知：滤嘴压降越高降温效果越佳，卷烟主流烟气温度越低，880 Pa压降的滤嘴，其主流烟气温度较780 Pa滤嘴低近20℃。滤嘴压降与主流烟气温度呈显著的负线性相关关系，根据检测数据计算求得第7口、第8口抽吸阶段滤嘴压降与主流烟气温度的R2值分别为0.958和0.914。这与滤嘴压降越大，焦油、烟碱释放量越低的情形相似［21-23]。

2.2.2 不同滤嘴长度的比较

以1#、7#～8#卷烟作为试验样品，比较了不同长度滤嘴的降温效果。检测结果如图4所示。由滤嘴压降与降温效果的关系可知，采用相同压降的滤棒，裁截出的滤嘴长度越短则压降越低，滤嘴的烟气降温效果越差。但比较不同滤嘴长度卷烟样品的检测数据可见，滤嘴长度越短卷烟主流烟气温度反而越低，15 mm滤嘴卷烟的主流烟气温度较30 mm滤嘴卷烟的低超过25℃。这与滤嘴长度越短焦油、烟碱释放量越高的情形相反［21，24]。其原因可能是，本实验设计中，不同滤嘴长度的卷烟接装纸长度并未改变，卷烟燃吸终止位置未变，因此滤嘴长度缩短会使未燃烧的烟丝段长度增加。而烟丝除了有截留效应外还可通过挥发性组分的逸出吸热降温，从而使烟丝段的降温效果显著高于同样长度的醋酸纤维滤棒。分析卷烟滤嘴长度与主流烟气温度的相关性可得，两者呈正线性相关关系，且第7口、第8口抽吸阶段滤嘴长度与主流烟气温度的R2值分别达到0.934和0.987。

2.2.3 不同滤嘴通风率的比较

以1#、10#～13#卷烟作为试验样品，比较了不同通风率滤嘴的降温效果。检测结果如图5所示。由图5可知：①提高滤嘴通风率，卷烟燃吸时间随之增加。②随着滤嘴通风率的增加，主流烟气温度不断降低，这与高通风率滤嘴的焦油、烟碱释放量较低的情况相似［22-25]。滤嘴通风率超过57%时，进入口腔的主流烟气最高温度降低至30℃以下，这与Purkis等［7]的实验结果相符。③滤嘴通风率与主流烟气温度呈负线性相关关系，倒数第2口、第1口时两者的R2值分别为0.845和0.938。

2.2.4 不同滤嘴类型的比较

以1#、14#～17#卷烟作为试验样品，比较了不同类型滤嘴的降温效果。检测结果如图6所示。

由检测结果可见，采用不同类型的滤嘴，其卷烟主流烟气温度的差异较大：

（1）较之常规的醋纤丝束滤嘴，采用沟槽滤嘴作为卷烟滤嘴，可以大幅降低主流烟气的温度。这与沟槽滤嘴的烟气颗粒物截流效率较普通醋纤滤嘴更高的结论［26-28]具有相似性。究其原因，是沟槽滤嘴可以使烟气的行进路径更加曲折、变化更多，加剧了烟气与丝束的接触频率［29-30]，从而达到了更好的降温效果。也因为沟槽滤嘴中烟气方向发生了更多的横向或斜向变化［29-30]，其滤嘴中心与外侧的烟气状态分布更趋接近［8，26]，从而造成其温度曲线峰型也变得较为平缓，不同于其他滤嘴的温度曲线峰型。

（2）采用中空滤嘴作为卷烟滤嘴时，主流烟气温度明显升高，抽吸7口时人体口腔就会感受到灼热刺激感，抽吸8口时烟气温度更会上升至口腔完全无法承受的80℃左右。这与中空滤嘴的烟气颗粒物截流效率较普通醋纤滤嘴更低的结论［26，31]具有相似性。因此，对照图1可知，采用中空滤嘴的卷烟通常只适合抽吸至43 mm前，这是因为10 mm的滤嘴空芯段基本没有降温效果，且空芯设计使烟气的流速提高［8]，因此中心点温度更高，温度曲线峰值变化也更大。

（3）采用活性炭复合滤嘴或活性炭组合滤嘴作为卷烟滤嘴，可以明显降低主流烟气的温度。这与活性炭复合滤嘴、活性炭组合滤嘴较普通醋纤丝束滤嘴具有更高的烟气颗粒物截流效率的结论［32-34]具有相似性。

（4）不同结构滤嘴卷烟的主流烟气温度由低到高排序为，活性炭组合滤嘴>沟槽滤嘴>活性炭复合滤嘴>醋纤丝束滤嘴>中空滤嘴。比较不同滤嘴的烟气颗粒截留效果可见［26-28，31-34]，滤嘴的烟气颗粒截留效率越高，其降温效果也越高。其中，活性炭组合滤嘴和沟槽滤嘴的功效最为明显，可使卷烟燃吸至41 mm时主流烟气温度低于30℃，燃吸至34 mm时不高于45℃。