卷烟逐口烟丝消耗量的测定

刘瑞红，郭吉兆，朱 静，崔华鹏，许蔼飞，贾云祯，潘立宁，谢复炜*，陈志燕*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2.广西中烟工业有限责任公司技术中心，南宁市北湖南路28 号 530001

卷烟抽吸过程中，烟气的产生和传输条件不断发生变化，导致烟气成分释放量存在逐口差异［1-3］。而烟气释放量与烟丝消耗量密切相关，因此准确测定逐口烟丝消耗量对深入研究烟气的形成和释放过程具有重要价值。目前，测定卷烟逐口烟丝消耗量通常先测定烟支燃烧的线速率，再结合烟丝填充密度和烟支圆周计算得出［4-6］。如Perfetti等［4］通过对卷烟燃吸时燃烧线的监测，得到了卷烟燃吸线速率，再根据烟丝填充密度计算出燃吸消耗的烟丝量，然而卷烟实际抽吸时燃烧线形状不规则，且单口燃吸燃烧线移动距离较小，难以准确获取逐口燃吸烟丝消耗量。崔晓梦等［5］采用两个固定位置的热电偶测定了燃烧锥特征温度T0.5的移动速率，用来表征卷烟瞬时燃烧速率，并结合烟丝填充密度获得了烟丝实时燃烧消耗量，然而该方法仅能测定单次抽吸的烟丝消耗量，无法获得连续抽吸时不同抽吸口序的烟丝消耗量。此外，有文献采用间接法测定卷烟抽吸消耗的烟丝量，如Backhurst［7］基于整个抽吸过程中卷烟连续阴燃且速度恒定的假设，根据卷烟抽吸时间、口数和烟支燃烧长度之间的关系，计算出了卷烟连续抽吸时平均每口消耗的烟丝量，反映的是烟支吸燃过程烟丝消耗量的平均状况，然而随着卷烟抽吸的进行，烟支长度、含水率等指标不断发生变化，不同抽吸口序的烟丝消耗量必然存在差异。针对上述测量方法存在的问题，基于力矩平衡原理设计了一种能实时监测卷烟抽吸过程中烟支质量损失的装置，测定了卷烟抽吸失重曲线，结合文献［8］中抽吸比率测定方法计算出卷烟抽吸逐口烟丝消耗量，进一步研究了滤嘴通风率对逐口烟丝消耗量的影响，并考察了燃烧锥端进气量与烟丝消耗量之间的关系，旨在为烟气形成机理研究及卷烟产品设计提供支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：不同配方和辅材设计的卷烟，具体设计参数见表1。

表1 卷烟样品参数Tab.1 Parameters of cigarette samples

仪器：SQP 电子天平（感量：0.000 1 g，德国Sartorius公司），单通道吸烟机（郑州嘉德机电科技有限公司）。

1.2 测试装置

图1 为卷烟抽吸时烟支质量损失实时监测装置示意图，该装置由单通道吸烟机、卷烟夹持器、电子天平及数据采集系统组成，其中卷烟夹持器依次通过玻璃管（长50.0 cm，内径8.0 mm）和轻质硅胶管两种材质管路与吸烟机连接，玻璃管与硅胶管直接相连，在与连接点a 相接的硅胶管处有固定装置固定，通过水平仪调节固定点高度，确保玻璃管水平放置，并能以a为支点上下自由旋转；数据采集软件可实时记录天平示数变化，采集频率为5 Hz。

图1 烟支质量损失实时监测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of a real-time monitoring device for cigarette mass loss during smoking

1.3 实验方法

挑选平均质量±20 mg 和平均吸阻±30 Pa 的烟支作为测试烟支。抽吸测试前，将测试烟支样品在温度为（22±2）℃，相对湿度为60%±5%的环境中平衡48 h。

1.3.1 烟支质量损失测试方法

逐口质量损失测试：将待测烟支插入装有剑桥滤片的卷烟夹持器中，待天平示数稳定后归零，打开数据采集软件实时采集天平读数，点燃卷烟并触发吸烟机进行逐口抽吸，抽吸模式为ISO标准抽吸，抽吸至标记位置时停止采集数据，取下剩余烟支。标记位置按GB/T 19609—2004［9］的规定操作。

不同抽吸容量下质量损失测试：将待测样品插入装有剑桥滤片的卷烟夹持器中，待天平示数稳定后归零，打开数据采集软件实时采集天平读数，点燃卷烟，待烟支阴燃至标记位置时触发吸烟机抽吸一口，抽吸结束后停止采集数据，取下剩余烟支，其中设置抽吸波形为钟形波，抽吸时间为2 s，抽吸容量分别设置为10、20、35、45、55 mL。标记位置为距烟支点燃端15 mm。

1.3.2 燃烧锥端进气量测试方法

燃烧锥端进气量测试方法参照文献[10]进行。实验方法简述如下：将烟支燃烧锥端与其他部位分隔并密封，在燃烧锥端密封腔处连接一个皂膜流量计，设置吸烟机抽吸波形为钟形波，抽吸时间为2 s，抽吸容量分别为10、20、35、45、55 mL，在卷烟阴燃至标记位置时触发吸烟机抽吸一口，记录皂膜流量计在抽吸前后的示数差，即为燃烧锥端进气量，其中标记位置为距烟支点燃端15 mm。

2 结果与讨论

2.1 烟支质量损失实时监测方法

2.1.1 测试原理

如图2，卷烟未点燃时，假设烟支点燃端到支点a的距离为L0，卷烟单位长度质量为ρ，天平作用力点到支点a 的距离为L1，烟支未点燃时天平示数为0。卷烟抽吸时，与未点燃卷烟相比，烟支的长度变化为l，质量损失为M，而烟支长度变化微元为dl，质量损失微元为dM，则烟支质量损失微元所在位置到支点a 的距离为L0-l，同时，天平指示质量变化为N，其指示质量变化微元为dN，由于水平管能够以a 点为支点上下自由旋转，根据力矩平衡原理可知，烟支未点燃时，水平管、卷烟夹持器和烟支质量产生的力矩之和与天平支撑力产生的力矩相等；而烟支点燃后，卷烟烟支质量损失微元（dM×g）产生的力矩和天平支撑力变化微元（dN×g）产生的力矩相等，故可得：

图2 基于力矩平衡原理的示意图Fig.2 Schematic diagram based on the principle of moment balance

由于dM=ρ×dl，可得：

方程（2）两边积分得：

其中：C为常数。由于M=ρ×l，因此得到方程（4）：

2.1.2 原理验证

将卷烟直接放置在不与吸烟机连接的天平上进行阴燃测试，得到了烟支的真实质量损失M，而将卷烟在设计装置上进行阴燃测试，得到了烟支在装置上的指示质量损失N，对M 和N 进行二次方程拟合，结果如图3所示。实验所用卷烟的单位长度质量ρ=0.100 7 g/cm。由M-N 拟合曲线可得而由装置设计参数可得L0=59.4 cm，L1=50.0 cm，故C=0，实验值和理论值的相对偏差均小于10%，验证了实验原理的正确性。

图3 天平指示烟支质量损失和烟支真实质量损失的关系Fig.3 Relationship between mass loss of cigarettes indicated by balance and real mass loss of cigarettes

2.1.3 烟支质量变化数据验证

将烟支插入1.2小节所述设计装置中，通过在烟支点燃端添加已知质量的纸片改变烟支质量，进而测得烟支发生已知质量变化时天平的指示质量变化值，天平指示质量变化值经方程（4）校准后得到校准质量变化值，结果列于表2中。表2中数据表明，不同条件下测定值的RSD均不超过1%，说明此设计装置的精密度高、稳定性好。另外，烟支的指示质量变化值经方程（4）校准后得到的校准质量变化值和已知实际质量变化值之间的相对偏差同样均小于1%，证明了通过上述设计装置可准确获得烟支的质量变化。

表2 烟支质量变化测试结果Tab.2 Test results of cigarette mass variations

2.2 卷烟逐口烟丝消耗量

2.2.1 卷烟逐口抽吸质量损失测定

利用设计装置对卷烟抽吸时的质量损失进行实时监测，其结果经方程（4）校准后，可得到卷烟逐口抽吸失重曲线，如图4所示。从失重曲线中可明显区分卷烟阴燃（实线框）和主动抽吸（虚线框）两个过程，其中烟支在阴燃期间失重速率基本保持稳定，而在主动抽吸时质量发生突变。从图4的插图可以看出，在抽吸的两秒内，质量快速降低到一个稳定水平，后随着阴燃过程又继续下降，由于数据采集频率为5 Hz，抽吸时间为2 s，因此在质量突变区选取10个点作为主动抽吸过程的失重数值，由主动抽吸前后质量差值即可得到卷烟主动抽吸产生的质量损失，图5 为1#卷烟逐口抽吸质量损失随抽吸口序的变化趋势。由图5可知，卷烟第一口抽吸所产生的质量损失明显低于其他口序，这是由于第一口为点火过程，此时卷烟尚未形成完整的燃烧锥。研究表明ISO标准抽吸条件下，卷烟燃烧锥在第3口抽吸时可达到稳定状态［11］，而图中数据显示1#卷烟达到稳定抽吸后，其逐口质量损失随抽吸口序的增加呈上升趋势，这是由于抽吸容量恒定时，随着抽吸的进行，烟支长度变短，烟丝段吸阻降低，导致从烟丝段进入的空气量增加，而卷烟纸表面积减少，卷烟纸段进气量降低，因此从燃烧锥端进入的空气量增加，燃烧锥端烟丝消耗量增大，质量损失随之增大［12-14］。

图4 卷烟抽吸时烟支失重曲线Fig.4 Real-time mass loss curve of a cigarette during puffing and smouldering

图5 1#卷烟逐口质量损失随抽吸口序变化趋势Fig.5 Variation trend of puff-by-puff mass loss of cigarette sample 1# with puff number

2.2.2 卷烟逐口抽吸烟丝消耗量的计算

由于卷烟抽吸过程中燃烧的烟丝质量有3 个去向：释放的烟气质量、烟灰的质量、被剩余烟支截留的烟气质量，因此采用1.3.1 小节中方法所测得的烟支质量损失量并不等于燃烧烟丝质量。为进一步得到卷烟逐口烟丝消耗量，测定了卷烟的抽吸比率（即卷烟吸燃烟丝消耗量占总烟丝消耗量的比例）。参照文献［8］中抽吸比率的测试方法得到1#、2#和3#卷烟在ISO 标准条件下抽吸至标记长度时的抽吸比率，并对相同长度的未点燃烟支段称重获得了3种卷烟抽吸时的总烟丝消耗量，通过总烟丝消耗量和抽吸比率的乘积得到了卷烟吸燃消耗烟丝量，同时由1.3.1小节中方法测定得到了3种卷烟的吸燃质量损失，进而可计算出3种卷烟抽吸时单位烟丝消耗量产生的质量损失，结果如表3所示。

表3 烟丝消耗量和质量损失之间的关系Tab.3 Relationship between cut tobacco consumption and mass loss

根据单位烟丝消耗量产生的质量损失和逐口质量损失数据，可计算出卷烟抽吸时的逐口消耗烟丝量，结果见表4。表中数据显示，达到稳定抽吸后（即第3 口抽吸），3 种卷烟的逐口消耗烟丝量均随抽吸口序的增加而增加，其中1#卷烟、2#卷烟和3#卷烟的单口消耗烟丝量分别在19.9～24.0 mg、21.3～25.8 mg和22.7～26.2 mg之间。

表4 3 种配方卷烟逐口抽吸烟丝消耗量Tab.4 Puff-by-puff cut tobacco consumption of three cigarettes with different blends （mg）

2.2.3 滤嘴通风率对卷烟逐口抽吸烟丝消耗量的影响

图6 为4#、5#和6# 3 种不同滤嘴通风卷烟逐口烟丝消耗量随抽吸口序的变化趋势。由图6可知，3种卷烟的逐口烟丝消耗量随抽吸口序的变化趋势相同，但相同口序下逐口烟丝消耗量与卷烟的滤嘴通风率呈负相关，这是由于滤嘴通风的增加，降低了燃烧锥端进气量，而烟丝消耗量与燃烧锥端进气量呈正相关。

图6 滤嘴通风对逐口烟丝消耗量的影响Fig.6 Influence of filter ventilation on puff-by-puff cut tobacco consumption

2.2.4 燃烧锥端进气量与烟丝消耗量的关系

研究表明烟气生成量受到氧气供应量的影响［15-16］，而燃烧锥端进气量决定了氧气供应量，烟丝消耗量决定了烟气生成量，因此烟丝消耗量与燃烧锥端进气量密切相关。分别测定了1#、2#和3#卷烟在相同烟支抽吸位置的燃烧锥端进气量和烟丝消耗量，并对二者进行线性拟合，结果如图7所示。由图7可知3种卷烟拟合曲线的R2均大于0.99，说明同一烟丝配方的卷烟燃烧锥端进气量与烟丝消耗量呈正比关系。

图7 3种卷烟抽吸烟丝消耗量与燃烧锥端进气量的关系Fig.7 Relationship between cut tobacco consumption and air intake from combustion cone of three cigarettes

但图7中不同卷烟的拟合曲线斜率不同，这说明不同配方卷烟燃吸时相同的燃烧锥端进气量消耗的烟丝量不同。实验发现2#卷烟抽吸时燃烧性较差，而其燃烧锥端进气量与烟丝消耗量拟合曲线的斜率也明显低于1#卷烟和3#卷烟，因此猜测卷烟燃吸时单位燃烧锥端进气量消耗的烟丝量和烟丝燃烧性有关。为了验证猜想，采用相同烟筒手工卷制上述3种烟丝的卷烟，测定阴燃速率，结果如表5所示。由表5可知，3种卷烟的阴燃速率大小为2#卷烟＜3#卷烟＜1#卷烟，和图5中拟合曲线的斜率大小顺序相同。这初步说明了单位燃烧锥端进气量消耗的烟丝量与烟丝燃烧性呈正相关，但阴燃速率与拟合曲线斜率之间的定量结论还需要进一步探究。

表5 3种卷烟烟丝燃烧性结果Tab.5 Results of combustibility of cut tobacco for three cigarettes

3 结论

基于力矩平衡原理设计了一种能实时监测卷烟抽吸过程中烟支质量损失的装置，将其应用于卷烟抽吸逐口烟丝消耗量的测定分析，结果表明：①设计装置能准确测定出烟支的质量变化，且精密度RSD＜1%；②卷烟在阴燃期间质量损失速率较为稳定，而主动抽吸时质量发生突变，根据抽吸前后质量差计算得到了卷烟抽吸逐口质量损失，其大小随抽吸口序的增加而增加；③结合抽吸比率实验测得了卷烟抽吸逐口烟丝消耗量，实验所用1#、2#和3#卷烟稳定抽吸时其逐口烟丝消耗量在19.9～26.2 mg之间；④卷烟逐口烟丝消耗量与滤嘴通风率呈负相关；⑤燃烧锥端进气量和烟丝消耗量呈线性正比关系，但不同烟丝配方卷烟燃吸时，相同体积燃烧锥端进气量消耗的烟丝量不同，经验证其值和烟丝的燃烧性有关。