等离子和静电打孔接装纸特性及其对卷烟物理和常规烟气指标的影响

曹伏军，解晓翠，刘畅，严莉红，石玉萍，杨潇，何爱军，王巍巍，郑晓曼，周骏

上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站，北京 101121

目前烟用接装纸的预打孔方式有激光打孔、静电打孔和等离子打孔。激光打孔和静电打孔应用时间较长，静电打孔从20世纪70年代开始应用，激光打孔从20世纪80年代开始应用，但是等离子打孔是近几年新发展起来的一种打孔方式。采用不同打孔方式接装纸卷制的卷烟烟气释放量和感官质量有一定差异[1-7]。激光打孔属于可见孔，孔径较大同时打孔数目较少，与可见孔相比，微孔通风效率更高，由滤嘴进入的气流更均匀和平顺，对主流烟气的冲击更小。微孔打孔还可以有效提高卷烟通风率和吸阻等指标的稳定性[8-9]。静电打孔和等离子打孔都属于微孔，但是采用这两种打孔方式的接装特性及其对卷烟物理和常规烟气化学指标影响的差别未见系统研究。

静电打孔和等离子打孔的打孔原理和透气度控制方式不同。静电打孔是利用电极间高压放电产生电火花将接装纸击穿实现打孔，等离子打孔是在惰性气体保护下，高压放电产生等离子体蒸发物料而产生微孔。静电打孔通过调整电极针数量、功率、车速来调节接装纸的透气度，等离子打孔通过调整脉冲频率、功率、车速来调节接装纸的透气度。由于是不规则打孔，二者的打孔密度和孔径无法精准控制，因此有必要对两种打孔方式对卷烟的各项指标的影响进行系统比较分析。本文通过对等离子打孔和静电打孔接装纸及其卷烟的系统测试，比较了两种打孔方式接装纸的特性及其对卷烟物理和常规烟气化学指标的影响，旨在为新产品研发及产品维护改造中接装纸打孔方式选择提供依据和支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

等离子打孔接装纸（60 mm）、静电打孔接装纸（60 mm）、混合型卷烟A配方烟丝（上海烟草集团北京卷烟厂有限公司）、活性炭醋纤二元复合滤棒（100 mm）、卷烟纸（34 g，60 CU）、PROTOS70卷烟机（常德烟草机械有限责任公司）、A-20接装纸透气度检测仪（德国博格瓦特科技公司）、Sigma 300场发射扫描电镜（德国卡尔蔡司公司）、OM-Ⅰ综合测试台（北京欧美利华科技有限公司）、ASM20全自动直线型吸烟机（北京欧美利华科技有限公司）、PI-214型电子天平（感量0.0001 g，美国Denver Instrument公司）、HP7890气相色谱仪（美国安捷伦科技有限公司）、CLIMACELL707恒温恒湿箱（德国MMM集团公司）、PDS-W11全自动烟支分选仪（北京欧美利华科技有限公司）、HNY-100D恒温振荡器（天津市欧诺仪器仪表有限公司）。

1.2 试验方法

利用DOE实验设计进行接装纸的3因素混合2-3水平的田口设计，因素及水平选择如表1所示。在设备的额定功率或频率下，在保证生产效率的前提下，制作透气度和打孔宽度不同的等离子和静电打孔接装纸，共18个样品，Sigma 300场发射扫描电镜观察不同接装纸的孔径及打孔分布，用接装纸透气度检测仪按照GB/T 23227-2018标准方法进行接装纸透气度的检测[10]。用该接装纸搭配相同的烟丝、滤棒和卷烟纸在PROTOS70卷烟机上卷制烟支质量一致的卷烟样品，按照国标标准方法[11-15]对该卷烟样品进行吸阻和通风率等物理指标检测，进行卷烟常规烟气指标检测。试验进行3次平行。

表1 打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）因素水平Tab. 1 Experiment levels of perforation type，porosity level and pore width

1.3 数据处理

采用Minitab对检测数据进行方差分析和田口设计分析。

2 结果与讨论

18种接装纸的孔径和孔密度检测数据如表2所示。18种接装纸对应的卷烟的物理指标检测数据如表3，卷烟烟气指标检测结果如表4。

表2 接装纸孔径和孔密度检测指标Tab. 2 Pore diameter and pore density of tipping paper

表3 接装纸搭配方案及卷烟物理指标检测Tab. 3 Matching scheme of tipping paper and test of cigarette physical indicators

表4 接装纸搭配方案及卷烟常规烟气指标检测Tab. 4 Matching scheme of tipping paper and test of regular smoke indicators of cigarette

2.1 不同打孔方式、透气度和孔带宽度接装纸的孔径和孔密度分布

部分接装纸的电镜图如图1所示，从图中可以直观看出，等离子打孔和静电打孔接装纸的孔径和孔密度有差异。

图1 等离子和静电打孔接装纸电镜图Fig.1 SEM of plasma and electrostatic perforation tipping papers

对接装纸的孔径和孔密度与打孔类型、透气度和孔带宽度进行方差分析，结果显示，两种打孔方式不同透气度和不同孔带宽度的接装纸的孔径和孔密度有显著差异（P＜0.05）。从表5孔密度和孔径的均值响应表可以看出，在透气度和孔带宽度一定的情况下，静电打孔比等离子打孔的孔密度更高、孔径更小，试验范围内，静电打孔的平均孔密度为5.3个/mm2，平均孔径为31.5 μm，等离子打孔的平均孔密度为3.5个/mm2，平均孔径为39.2 μm。随着接装纸透气度的增加，打孔密度和孔径都增大。接装纸透气度从200 CU增加到600 CU，孔密度由3.8个/mm2增加到5.3个/mm2，孔径由28.5 μm增大到41.9 μm。增加打孔宽度，打孔密度和孔径减小。孔带宽度由3 mm增加到7 mm，孔密度由5.3个/mm2减少到3.4个/mm2，孔径由40.0 μm减小到31.3 μm。

表5 不同打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）下接装纸打孔密度和孔径的均值响应表Tab. 5 Mean pore density and pore diameter of tipping paper under different perforation types，porosity levels and pore widths

2.2 不同打孔方式、透气度和孔带宽度对接装纸透气度稳定性的影响

以接装纸透气度变异系数（CV）对接装纸透气度稳定性进行评价，对接装纸透气度变异系数与打孔类型、透气度和孔带宽度进行方差分析，结果显示，两种打孔方式不同孔带宽度的接装纸的透气度稳定性没有显著差异（P＞0.05），即打孔类型和孔带宽度对接装纸透气度的稳定性没有显著影响。透气度对接装纸透气度的稳定性有显著影响（P=0.038）。从表6接装纸透气度变异系数的均值响应表可以看，随着透气度的增加，透气度变异系数降低，说明透气度越高接装纸的透气度稳定性越高。

表6 不同打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）下接装纸透气度变异系数的均值响应表 %Tab. 6 Mean variable coefficient of porosity level of tipping paper under different perforation types, porosity levels and pore widths

2.3 不同打孔方式、透气度和孔带宽度对烟支吸阻稳定性的影响

以吸阻变异系数对烟支吸阻稳定性进行评价，对吸阻变异系数与打孔类型、透气度和孔带宽度进行方差分析，结果显示（表7），两种打孔方式不同透气度和不同孔带宽度的卷烟的吸阻稳定性没有显著差异（P＞0.05），即接装纸的打孔类型、透气度和孔带宽度对卷烟吸阻的稳定性没有显著影响。

表7 不同打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）下烟支吸阻变异系数的均值响应表 %Tab. 7 Mean variable coefficient of suction resistance of cigarette under different perforation types,porosity levels and pore widths

2.4 不同打孔方式、透气度和孔带宽度对烟支总通风率稳定性的影响

以总通风率变异系数对烟支总通风率稳定性进行评价，对总通风率变异系数与打孔类型、透气度和孔带宽度进行方差分析，结果显示，两种打孔方式不同孔带宽度的卷烟的总通风率稳定性没有显著差异（P＞0.05），即接装纸的打孔类型和孔带宽度对卷烟总通风率的稳定性没有显著影响。透气度对卷烟总通风率的稳定性有显著影响（P=0.004）。从表8总通风率变异系数的均值响应表可以看出，随着接装纸透气度增加，烟支总通风率变异系数降低，即采用高透气度接装纸的低焦油卷烟总通风率稳定性更好。

表8 不同打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）下烟支总通风率变异系数的均值响应表 %Tab. 8 Mean variable coefficient of total ventilation of cigarette under different perforation types, porosity levels and pore widths

2.5 不同打孔方式、透气度和孔带宽度对烟支滤嘴通风率稳定性的影响

以滤嘴通风率变异系数对烟支滤嘴通风率稳定性进行评价，对滤嘴通风率变异系数与打孔类型、透气度和孔带宽度进行方差分析，结果显示，接装纸的打孔类型、透气度和孔带宽度对卷烟滤嘴通风率的稳定性有显著影响（P=0.044，0.047和0.047）。从表9滤嘴通风率变异系数的均值响应表可以看出，静电打孔卷烟滤嘴通风率变异系数小于等离子打孔卷烟，说明静电打孔卷烟滤嘴通风率的稳定性整体优于等离子打孔卷烟。随着透气度和孔带宽度的增加，卷烟滤嘴通风率的变异系数减小，稳定性提高。接装纸透气度从200 CU增加到600 CU，卷烟滤嘴通风率的变异系数由6.1%降到5.0%，接装纸孔带宽度由3 mm增加到7 mm，卷烟滤嘴通风率的变异系数由6.1%将到4.9%。

表9 不同打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）下烟支滤嘴通风率变异系数的均值响应表 %Tab. 9 Mean variable coefficient of cigarette filter ventilation under different perforation types, porosity levels and pore widths

2.6 不同打孔方式、透气度和孔带宽度对常规烟气指标的影响

分别对常规烟气化学指标中的焦油量、烟气烟碱量和一氧化碳量与打孔类型、孔带宽度和透气度进行方差分析，考察打孔类型、孔带宽度和透气度对常规烟气指标的影响。方差检验结果显示，两种打孔类型卷烟的焦油量、烟气烟碱量和一氧化碳量没有显著差异（P＞0.05），即等离子打孔和静电打孔接装纸对卷烟各项常规烟气指标的影响趋于一致。接装纸的透气度和孔带宽度对卷烟的焦油量、烟气烟碱量和一氧化碳量有显著影响（P＜0.05）。从表10卷烟常规烟气指标的均值相应表可以看出，增加接装纸透气度可以显著降低焦油量、烟气烟碱量和一氧化碳量等各项烟气成分释放量。接装纸透气度从200 CU增加到600 CU，焦油、烟碱和一氧化碳释放量分别从6.4、0.53和7.4 mg/支降到4.3、0.39和4.6 mg/支。随着打孔宽度的增加，各项常规烟气指标降低，这主要是因为增加打孔宽度可以提高空气的通过效率。孔带宽度从3 mm增加到7 mm，焦油、烟碱和一氧化碳释放量分别从5.5、0.47和6.3 mg/支降到5.1、0.45和5.7 mg/支。

表10 不同打孔类型（A）、透气度（B）和孔带宽度（C）下卷烟常规烟气指标的均值响应表 （mg/支）Tab. 10 Mean release amount of tar, nicotine and carbon monoxide from cigarette under different perforation types, porosity levels and pore widths

3 结论

对18个打孔宽度和透气度不同的等离子和静电打孔接装纸样品进行电镜扫描和卷烟试验，结果显示：试验条件下，静电打孔比等离子打孔的孔密度更高、孔径更小；在相同孔带宽度和接装纸透气度下，静电打孔和等离子打孔卷烟的吸阻稳定性、总通风率稳定性和常规烟气成分释放量无显著差异，静电打孔卷烟滤嘴通风率的稳定性优于等离子打孔；增加打孔宽度可提高卷烟滤嘴通风率的稳定性，可降低焦油量、烟气烟碱量和一氧化碳量等常规烟气指标。从烟支物理特性及降低焦油、烟碱和一氧化碳的角度，等离子打孔和静电打孔可以实现等同应用，应尽量增加打孔密度，减小打孔孔径，并增加打孔宽度。