卷烟表观燃烧性能质量状况分析

董 浩，王 澍，周明珠，徐羽鹏，李晓辉，林杰骅，邢 军，刘 勇*，胡清源*

1.中国科学院合肥物质科学研究院，合肥市蜀山湖路350号 230031 2.中国科学技术大学，合肥市金寨路96号 230026 3.国家烟草质量监督检验中心，郑州高新技术产业开发区翠竹街6号 450001 4.上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂，上海市长阳路733号 200082

卷烟是通过燃烧来完成消费过程的消费品，卷烟燃烧属于固体可燃物的阴燃，产生烟雾并伴有温度升高，但无可见火光［1］。消费者在卷烟燃烧的抽吸过程中主要通过味觉、嗅觉与视觉三种感官来评价卷烟质量，味觉、嗅觉感知的是烟气质量，视觉感知的是烟支燃烧过程的外观形貌，因此，卷烟燃烧过程表观性能的评价对于卷烟产品质量和消费者体验具有重要意义。基于消费者行为调查研究，卷烟燃烧过程的表观性能主要包含以下评价指标：燃烧锥落头、包灰颜色、包灰裂口率、包灰收缩率、燃烧碳线的宽度以及整齐度。围绕卷烟燃烧过程的研究主要集中在卷烟燃烧的机理［2-3］、温度［4-5］、裂解与烟气的关系［6-7］等领域。卷烟燃烧过程表观性能是行业近年来的研究热点，针对燃烧锥落头，已经开发了检测设备［7-8］，形成了标准检测方法［9-10］，开展了系统的影响因素分析研究［11-13］；基于计算机视觉方法对包灰性能进行检测与分析的相关研究已逐渐出现，研究的热点是方法开发［14-15］、原辅材料对包灰性能的影响［16-17］、包灰性能的表征［18］等。对卷烟表观燃烧性能的研究，多是通过实证研究的模式，设计样品，针对性地开展影响因素研究，随着以数据科学为核心的科学研究的发展，通过数据挖掘方式从数据中提取见解成为一种新途径［19］。因此，围绕卷烟燃烧过程表观性能的检测与分析，参考固体燃烧相关文献［20-21］，研究提出了表观燃烧性能概念和指标体系，对行业近3年来主要规格的卷烟产品进行了表观燃烧性能指标测试，基于测试结果和样品关联数据的挖掘，从产品设计参数、原辅材料参数、烟丝配方结构等角度分析了不同类型产品的表观燃烧性能，旨在全面了解卷烟表观燃烧性能质量状况，为产品设计开发、原辅材料选择提供技术依据，从而提高卷烟表观燃烧质量，改善消费者消费体验。

1 材料与方法

1.1 样品

2019—2021年间市售卷烟样品436个，包含国内19家卷烟工业企业的57个品牌，其中常规卷烟（圆周24.00～25.00 mm）319个（含长度74.0 mm的短支烟13个），中支卷烟（圆周20.00～22.00 mm）28个，细支卷烟（圆周16.00～17.00 mm）89个。样品的卷烟纸、烟丝等信息如表1所示。

表1 样品信息Tab.1 Cigarette sample information

1.2 方法

建立了表观燃烧性能指标体系，分别以包灰颜色、外观形貌、燃烧匹配性和燃烧锥落头来表征消费者视觉感知到的燃烧过程参数，如图1所示。表观燃烧性能的测试均采用ISO抽吸方案，包灰颜色、外观形貌、燃烧匹配性通过计算机视觉方法测定，采用色温5 600～7 000 K的单一照明光源，视场范围30 mm×150 mm，图像分辨率518像素×874像素，每个规格测试30支，以30支样品的算术平均值表示相应结果。卷烟质量、圆周、硬度、长度、卷烟纸透气度、烟丝宽度的测定均采用相应标准测试方法［22-27］。

图1 卷烟表观燃烧性能指标体系Fig.1 Index system for overall characteristics of combustion cone of lit cigarettes

1.2.1 落头倾向

燃烧锥落头倾向的测试参照烟草行业标准方法［10］，以每40支样品落头的比例表征，单位为%，中支卷烟的测试参数设置与细支卷烟相同。

1.2.2 包灰颜色、外观形貌、燃烧匹配性

参照文献［28］的方法测试包灰颜色、裂口率、缩灰率、碳线宽度和碳线整齐度，测试区域为烟支非搭口区。

1.3 仪器

CFP800A卷烟燃烧锥落头倾向测试仪、BACST600卷烟燃烧灰烬特征参数测量系统、CWT200烟丝宽度测量仪（合肥众沃仪器技术有限公司）；OM-VL卷烟物理性能综合测试台（北京欧美利华科技有限公司）；A20透气度测量仪（德国Borgwaldt公司）。

2 结果与分析

2.1 燃烧锥落头

2.1.1 落头位置

卷烟燃烧锥落头后一般有两种状态：一种是燃烧锥不完全掉落，锥体与烟支似藕断丝连，影响消费者抽吸感受，如图2a、图2b所示；一种是燃烧锥完全掉落，风险较大，如图2c所示。当落头不可避免出现时，落头位置也会影响消费体验，落头位置主要受轴向烟丝密度分布均匀性、燃烧匹配性和燃烧速率的影响［9,11-13］，图3是落头位置的测试结果。常规烟和细支烟的落头位置分布范围较广，从中位值看，常规烟的落头多发于燃烧30 mm左右的中部靠上位置，细支烟的落头多发于燃烧50 mm左右的偏下部位置，中支烟和短支烟均在中部靠下位置，细支烟燃烧锥落头对于消费体验的影响较小。

图2 燃烧锥落头的不同状态Fig.2 Falling states of combustion cones

图3 不同长度卷烟燃烧锥落头位置Fig.3 Falling positions of combustion cones of cigarettes with different lengths

2.1.2 落头倾向

落头倾向的测试结果如表2所示，样品总体落头倾向1.58%。由表2可知，①从圆周来看，常规烟的落头倾向低于细支烟，中支烟的落头倾向较低。常规烟对于燃烧锥落头的控制仍然好于细支烟，但差异不大，中支烟由于长度更接近常规烟，同时考虑样品数量较少的原因，落头倾向低于常规烟和细支烟。②从长度来看，长度最长的97.0 mm规格样品的落头倾向最高；90.0 mm长度的样品一般为中支烟，落头倾向较低；75.0 mm规格的样品虽然只有13个，但落头倾向高于总体，其设计和加工制造水平仍有提高空间。③从质量来看，质量较小的样品基本为细支烟，落头倾向略高，质量0.700 g左右的为中支烟，落头倾向较低。④分析了样品数量较多的细支、常规烟，为了便于分析，将每个类型分为高中低3个硬度范围，结果表明，细支烟落头倾向随硬度增加明显降低，硬度较大的常规烟落头倾向也低于硬度较小的样品。

表2 各类型卷烟落头倾向Tab.2 Falling propensity of combustion cones of different types of cigarettes

2.1.3 原辅材料参数与落头倾向

影响卷烟燃烧锥落头倾向的原辅材料参数主要是卷烟纸设计指标和烟丝结构、烟丝宽度等，表3是不同设计参数卷烟的燃烧锥落头倾向，主要分析了现有文献中较少报道的卷烟纸透气度、罗纹类型、烟丝宽度、烟丝结构等参数，样品量较小的中支烟未参与分析。由表3可知，卷烟纸透气度60 CU的样品落头倾向最低，横罗纹卷烟纸样品落头倾向略低于竖罗纹卷烟纸样品，烟丝宽度为0.8 mm的样品落头倾向最高，烟丝宽度1.1 mm的样品落头倾向最低，全叶丝样品的落头倾向低于含梗丝样品。卷烟纸透气度60 CU的样品由于数量和产量较多，产品质量稳定性较好，落头倾向最低，全叶丝样品落头倾向较低的原因是长丝率明显高于含梗丝样品，敲击或弹击时不易落头［11,13］，但同时也应注意长丝率过高可能会引起燃烧锥体积过大，也会导致落头倾向的增加，因此长丝率指标应在合适的范围内，并非越大越好。

表3 不同设计参数卷烟落头倾向Tab.3 Falling propensity of combustion cones of cigarettes with different design parameters

2.2 包灰颜色

卷烟包灰颜色反映的是燃烧后卷烟纸灰分的整体颜色特征，感知的物体颜色由物体反射的光的性质决定，燃烧锥反射的是没有颜色的单色光，其唯一属性是亮度，因此，可以用从黑到白的数值范围，即灰度级来表征，一般以0～255级灰度表征图像从黑到白［29］。图4是所有样品的灰度值累积分布，90%左右的样品灰度均在124～152范围内，呈灰白色，对比图1中实际的包灰图像，由于卷烟灰柱表面有大量的裂口，因此，人眼视觉感知到的灰色会比实际测试的灰色偏白。表4和表5分别为各圆周类型和各类设计参数卷烟的包灰颜色、外观和燃烧匹配性，细支烟的包灰颜色最白、其次是中支烟，常规烟颜色最深；横罗纹细支烟的包灰颜色比竖罗纹细支烟白，烟丝结构、烟丝宽度、卷烟纸透气度对包灰颜色的影响无明显规律。

表4 各圆周类型卷烟燃烧锥颜色、外观和燃烧匹配性Tab.4 Color,appearance and combustion compatibility of combustion cones of different types of cigarettes

图4 包灰颜色灰度值累积分布Fig.4 Cumulative distribution of ash color of cigarettes denoted by gray level

2.3 燃烧锥外观

2.3.1 裂口率

灰柱裂口是造成抽吸时烟灰飞散的主要原因，裂口率越低，包灰效果越好，图5是所有样品的裂口率累积分布，80%左右的样品裂口率分布范围在3.1%～9.8%。裂口率10%以内表明包灰性能较好，裂口率主要受卷烟纸燃烧性能的影响［16,18］。从表4可以看出，细支烟裂口率最低，中支烟次之，常规烟最高。从表5可以看出，常规烟和细支烟受各参数的影响规律一致，细支烟裂口率低于常规烟；卷烟纸横罗纹样品裂口率较低；全叶丝样品的裂口率低于含梗丝样品；卷烟纸透气度高的样品裂口率相对较低。综合文献报道［14-18,30］和表4结果来看，裂口率受各种因素的交互作用影响，细支烟由于燃烧表面积小，阴燃速率高，切丝宽度小且多为全叶丝样品，因此裂口率较低。竖罗纹样品裂口率显著高于横罗纹主要是由于包灰裂口多为竖向，竖罗纹的存在引起的竖向表面不均匀性加剧了燃烧时裂口的产生。

图5 包灰裂口率累积分布Fig.5 Cumulative distribution of ash crack rate

表5 不同设计参数卷烟燃烧锥颜色、外观和燃烧匹配性Tab.5 Color,appearance and combustion compatibility of combustion cones of cigarettes with different design parameters

2.3.2 缩灰率

缩灰率表征的是卷烟燃烧后的收缩程度，缩灰率低的卷烟燃烧后较为紧致。图6是缩灰率的累积分布，80%的样品缩灰率在75.5%～87.3%之间。不同的文献对于缩灰率对包灰效果的影响权重理解不同，尚未形成一致观点。缩灰率主要受卷烟孔隙率和孔隙分布的影响，孔隙率高，大孔多的样品缩灰率较低，因此缩灰率与卷烟纸参数关系较小，从表4和表5可以看出，中支烟和常规烟的缩灰率均低于细支烟，细支烟一方面由于叶丝比例高，另一方面直径较小，缩灰率略高，卷烟纸横罗纹样品缩灰率略高于卷烟纸竖罗纹样品，烟丝结构、烟丝宽度、卷烟纸透气度对缩灰率没有明显的规律性影响。

图6 包灰缩灰率累积分布Fig.6 Cumulative distribution of ash shrink rate

2.4 燃烧匹配性

2.4.1 碳线宽度

碳线宽度能够表征卷烟燃烧时卷烟纸和烟丝的匹配性，一般认为，碳线宽度小的样品，燃烧匹配性较好。图7是碳线宽度的累积分布，碳线宽度的分布较分散，超过1.0 mm宽度的样品约占10%左右，宽度低于1.0 mm时视觉上不会有明显差异。由于碳线区域并不是黑白界限分明，而是有一定程度的颜色过渡，因此碳线宽度的测量结果受算法分割阈值的影响较大，测试结果会略小于实际视觉效果。从表4和表5可以看出，细支烟的碳线宽度低于常规烟，卷烟纸横罗纹样品的碳线宽度略低于卷烟纸竖罗纹样品，卷烟纸透气度、烟丝结构、烟丝宽度对碳线宽度没有明显的规律性影响。

图7 燃烧锥碳线宽度累积分布Fig.7 Cumulative distribution of burn line width of combustion cone

2.4.2 碳线整齐度

碳线整齐度能够同时表征卷烟燃烧时卷烟纸和烟丝的匹配性以及燃烧线的均匀性，碳线整齐度低的样品燃烧匹配性和均匀性较好。图8是碳线整齐度的累积分布，可见碳线整齐度分布较为分散，半数样品的碳线整齐度大于2.0 mm，视觉效果较为明显。从表4和表5可以看出，碳线整齐度随圆周的减小明显变小，细支和中支烟的碳线整齐度均小于常规烟；卷烟纸竖罗纹样品的碳线整齐度较小；全叶丝样品的燃烧均匀性比含梗丝样品好，碳线整齐度较小；烟丝宽度越小，燃烧的均匀性越好，碳线整齐度越小；卷烟纸透气度高的样品燃烧时氧气量更加充足，燃烧线区域碳化程度低，碳线整齐度较小。

图8 燃烧锥碳线整齐度累积分布Fig.8 Cumulative distribution of burn line uniformity of combustion cone

3 结论

①所挑选的436个市售卷烟样品总体燃烧锥落头倾向1.58%，中支烟落头倾向最低，细支烟最高，烟支硬度越大落头倾向越低，卷烟纸透气度60 CU的样品落头倾向最低，横罗纹卷烟纸样品落头倾向略低于竖罗纹卷烟纸样品，烟丝宽度为0.8 mm的样品落头倾向最高，烟丝宽度1.1 mm的样品落头倾向最低，全叶丝样品的落头倾向明显低于含梗丝样品。常规烟落头多发于中部靠上位置，细支烟的落头多发于偏下部位置，中支烟和短支烟均在中部靠下位置，细支烟燃烧锥落头位置对于消费体验影响较小。②细支烟的包灰颜色最白，常规烟包灰颜色最深；横罗纹细支烟的包灰颜色比竖罗纹细支烟白。③细支烟包灰裂口率最低，常规烟最高，卷烟纸横罗纹、烟丝宽度小和卷烟纸透气度高的样品包灰裂口率较低，包灰效果较好。④中支烟缩灰率最低，细支烟最高，卷烟纸横罗纹缩灰率较高，包灰较紧致。⑤细支和中支烟的燃烧匹配性均比常规烟好，卷烟纸透气度高、全叶丝、烟丝宽度较小的样品燃烧匹配性较好。