不同材质、长度滤棒基棒对加热卷烟烟气气溶胶吸光度的影响

王 松，史占东，曾 波，李 栋，李春光，张 勍，赵 航，程东旭，苗 芊*

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. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济开发区经开第三大街8 号 450000

加热卷烟以不需要燃烧的特性引起人们广泛关注［1］，其主要通过在较低温度下加热烟草材料使烟草中内源性和外源性成分释放出来［2］，相比于传统卷烟，加热卷烟烟气中的有害成分种类和释放量大大减少［3-5］。受自身特点限制，加热卷烟中通常使用复合滤棒降低到达口腔的主流烟气温度［6-7］。市售加热卷烟复合滤棒多由中空醋酸纤维、聚乳酸（Polylactic acid filter，PLA）和醋酸纤维3 种不同材质的基棒组成［8-10］，且3种基棒的长度存在差异。王乐等［11］通过模型的建立，分析了烟气关键成分在不同滤嘴中的截留率，得出3种不同材料对烟气4种关键成分的过滤规律。韩敬美等［12］研究了不同滤嘴结构对电加热卷烟烟气主要成分烟碱、甘油以及1,2-丙二醇的逐口释放规律，从化学成分角度表征不同滤棒对加热卷烟烟气的影响，但不能体现烟气感官变化情况。消费者对于烟气视觉浓淡有不同需求，一些消费者要求烟气足够浓以满足感官享受，一些消费者希望烟气足够淡不至于影响他人。吸光度是衡量光被物质吸收的物理量［13-15］，吸光度的强弱可以影响人类视觉对烟雾浓淡的感受。本研究中利用加热卷烟改造而成的气溶胶源产生模拟烟气（以下简称烟气），采用光透射法［16-18］测量烟气吸光度（以下简称吸光度），以烟气经过滤棒前后吸光度的相对变化表征烟气吸光度衰减率（以下简称衰减率），探究了不同材质、长度的基棒对烟气吸光度的影响规律。

1 材料与方法

1.1 气溶胶源的制备

气溶胶源由改造后的TEREA加热卷烟和IQOS ILUMA烟具（美国PMI公司）组成，见图1。

图1 气溶胶源样品示意图Fig.1 Schematic diagram of an HnB system used as the aerosol source sample

TEREA加热卷烟主要由封闭段（醋酸纤维）、烟丝段、复合滤棒段3部分组成；其中封闭段位于烟支底部，用于防止加热时卷烟产生的液体渗入烟具底部以及烟丝掉落，保证烟具洁净，该段对烟气气溶胶没有影响，予以保留；复合滤棒段由两段中空醋酸纤维（中空段）和一段醋酸纤维（醋纤段）组成，如图2所示。为了尽可能模拟未经过复合滤棒的加热卷烟烟气气溶胶，并确保制作过程中烟丝段不受影响，保留原复合滤棒中与烟丝段连接的第一中空段，截去第二中空段与醋纤段；同时为便于样品在烟具中正常插拔以及与吸光度测试装置中抽吸模块正常连接，将一段长度20 mm、直径相同的中空纸管（壁厚0.3 mm，湖北中烟工业有限责任公司提供）紧密连接在第一中空段之后，连接处用密封胶纸粘贴，保证足够的密封性，由此制成气溶胶源样品。

图2 加热卷烟复合滤棒结构图Fig.2 Structure of a composite filter rod for heated tobacco products

1.2 测试样品的制备

调查市售常见的9 种加热卷烟复合滤棒各段长度，如表1 所示，三段长度大多在7~18 mm之间，其中中空段和醋纤段大多采用醋酸纤维材料，降温段多采用PLA材料。

表1 常见加热卷烟复合滤棒各段长度Tab.1 Length of each section of common composite filters for heated tobacco products （mm）

依据调查结果，选取具有代表性长度与材质的基棒开展研究。基棒选用云南中烟工业有限责任公司提供的中空基棒（直径7.0 mm、壁厚1.5 mm、空腔尺寸4 mm）、PLA 基棒（孔隙率92%、PLA 薄膜厚度0.048~0.050 mm）、醋纤基棒（直径7.03 mm、吸阻850 Pa、丝束规格22Y/270 000）。每种基棒选取5、10、15、20 mm共4种长度规格，分别连接至1.1节所述气溶胶源的中空纸管之后，共得12 种测试样品。

样品制备前在温度（22±1）℃和相对湿度60%±2%的环境中保留原包装平衡24 h，样品制作在温度（22±2）℃和相对湿度60%±5%的环境下进行，每组样品制作过程不超过30 min。制作完成后立即密封保存，测量前取出使用。

1.3 设备

所用气溶胶吸光度测量装置原理图如图3所示。该装置由抽吸单元、测量腔、光源、信号处理单元、系统分析单元、显示单元和排气系统组成。抽吸单元逐口抽吸烟气并输送至测量腔，光传感器接收光源发出的光信号并传送至信号处理单元，显示单元实时显示光信号变化情况，测量结束时电磁阀自动打开，测量腔中的烟气经负压泵抽吸排出，完成一次测量过程。

图3 气溶胶吸光度测量装置原理图Fig.3 Schematic diagram of an aerosol absorbance measuring device

装置测量原理基于朗伯-比尔定律［16］，当光穿过气溶胶介质时，由于气溶胶颗粒的散射、折射、吸收等作用，透射光强会发生衰减。被测气溶胶吸光度越大，透射光强衰减程度越高，光强与气溶胶吸光度之间的关系可根据朗伯-比尔定律公式得到。测量公式为：

式中：A为吸光度；It为透射光强（mW）；I0为入射光强（mW）；T为透射率，即透射光强与入射光强的比值。

1.4 方法

1.4.1 气溶胶吸光度检测方法

1.4.1.1 抽吸模式选取

利用制备完成的气溶胶源与气溶胶吸光度测量装置，在温度（22±2）℃和相对湿度60%±5%的环境下，通过ISO 标准抽吸模式对逐口烟气吸光度进行测量。每口烟气吸光度实时变化如图4所示。由图4可知，烟气在进入测量腔后需经过一定时间方趋于稳定。以2 s 内测得的吸光度值波动在均值5%范围以内作为稳定判据，统计发现，烟气进入测量腔后稳定时间为21~24 s，因此，拟以烟气进入测量腔后25~30 s 时间段内吸光度的平均值作为测量值。深度抽吸模式的抽吸间隔时间为30 s，数据采集窗口极窄，不适于本试验的开展，故后续试验均采用ISO标准抽吸模式进行测量。

图4 烟气吸光度实时记录图Fig.4 Real-time recording of aerosol absorbance

1.4.1.2 烟气吸光度测量方法

设置抽吸模式及电磁阀开关时间；将样品插入烟具，置于抽吸单元夹持器中；启动程序，系统开始采集数据；抽吸烟气并进行测量，系统实时记录光强值；抽吸结束拔掉烟支，结束程序，保存测量数据。

此外，为避免试验过程中烟气附着在测量腔内表面，对测量结果产生影响，实验过程中采取了以下措施：①测量完成后，烟气通过负压抽吸及时排出，尽量避免烟气在测量腔内表面的沉积。②每个样品开始测量前会对光源及接收系统进行校准操作，以清除背景噪声，并保证每一个样品测量时初始光强的稳定一致。③根据实时观测到的测量腔透光度的变化，定期或不定期拆卸测量腔进行清洗。

1.4.2 数据处理方法

本试验中所用的加热器具能够持续工作6 min，能抽吸7口烟气，但第7次抽吸到的烟雾量少且是在烟具停止加热情况下抽吸到的，所以在后续进行数据处理时予以舍弃。将烟气进入测量腔后25～30 s时间段内透射光强平均值作为测量值，再与该口烟气进入测量腔之前的透射光强值相比，计算出透射率，然后根据公式（1）计算出每个样品各口抽吸的烟气吸光度。

1.4.2.1 气溶胶源样品稳定性评价方法

选取10 个气溶胶源样品平均分为2 组，分别测量每组气溶胶源样品逐口烟气吸光度，以每组气溶胶源样品各口烟气吸光度平均值、标准偏差和变异系数评价气溶胶源的稳定性。以2组气溶胶源样品逐口烟气吸光度平均值作为气溶胶源逐口烟气吸光度，参与后续计算。

1.4.2.2 吸光度衰减率计算方法

对12 种测试样品进行测试，每种样品重复测量5 次，取平均值作为该样品各口烟气吸光度测量值。采用公式（2）计算每种测试样品逐口烟气吸光度衰减率。

式中：η为每种测试样品逐口烟气吸光度衰减率（%）；A源为气溶胶源逐口烟气吸光度测量值；A基棒为测试样品逐口烟气吸光度测量值。以衰减率η来表征不同长度、不同材质基棒对烟气吸光度的影响效果。衰减率大于0，表示烟气吸光度相对于气溶胶源吸光度有所降低，即烟气变淡，衰减率越高烟气越淡，基棒影响效果越强，反之则影响效果越弱。

2 结果与讨论

2.1 重复性与稳定性

气溶胶源样品吸光度重复测试结果见表2。由表2 可见，两组试验中气溶胶源第1 口吸光度最小，第2口吸光度开始升高，第3口以后吸光度基本稳定并保持在同一水平。第1 口和第2 口标准偏差最大为0.042 4，变异系数最大为18.86%，除前两口外，每组重复测量的标准偏差均小于0.025 5，变异系数最大为5.76%，表明第3口至第6口重复性较好。

2.2 不同长度基棒对烟气吸光度衰减效果分析

2.2.1 中空基棒长度与烟气吸光度衰减率变化关系图5 为中空基棒长度与烟气吸光度衰减率曲线图。烟气衰减率均随着基棒长度的增加而增大，长度从5 mm 增加到20 mm 时，衰减率由1%增大到70%，增长幅度较大；基棒长度与吸光度衰减率之间呈指数关系，第1口的R2最低，为0.792 0，原因为第1口抽吸时加热器具温度不稳定，抽吸到的烟气不稳定，导致拟合度较低；第2到第6口的R2分别为0.961 9、0.993 6、0.961 1、0.994 0、0.998 8，均大于0.96，拟合度较高，相关性显著。

图5 中空基棒长度与烟气吸光度衰减率曲线图Fig.5 Cavity base rod length and aerosol absorption attenuation rate

2.2.2 PLA基棒长度与烟气吸光度衰减率变化关系图6为PLA基棒长度与烟气吸光度衰减率曲线图。吸光度衰减率同样随着基棒长度的增加而增大，长度从5 mm 增加到20 mm 时，衰减率可由11%增大到82%；衰减率与基棒长度同样呈指数关系，第1 口的R2最低，为0.782 4，第2 到第6 口R2分别 为0.945 9、0.943 2、0.935 3、0.901 3、0.909 4，均大于0.90，相关性显著。

2.2.3 醋纤基棒长度与烟气吸光度衰减率变化关系

图7 为醋纤基棒长度与烟气吸光度衰减率曲线图。衰减率同样随着基棒长度的增加而增大，长度从5 mm 增加到20 mm 时，衰减率可由15%增大到31%，相比前两种基棒，衰减率增长幅度较小；衰减率与基棒长度呈线性关系，由于第1、2 口抽吸到的烟气不稳定，所以R2较低，分别为0.872 7、0.798 1；第3 到第6 口的R2分别为0.937 9、0.934 9、0.753 6、0.922 8，除第5口外R2均大于0.92，相关性显著。

综合图5～图7 可见，3 种基棒长度与烟气吸光度衰减率均呈正相关，每口拟合曲线各不相同，中空基棒拟合曲线陡峭程度差异较大，PLA 基棒和醋纤基棒曲线陡峭程度差异不明显，表明随着抽吸次数的增加，基棒的吸附性能也在发生变化。此外，由于中空基棒与PLA基棒衰减率与基棒长度呈指数关系，而醋纤基棒衰减率与基棒长度呈线性关系，两种拟合曲线的增长率并不相同，因此当基棒长度较大时，醋纤基棒衰减率均明显小于另外两种基棒。

3 结论

基于光透射法对模拟加热卷烟烟气吸光度进行了测量，结果表明，①烟气吸光度在抽吸的第1、2口变异系数较大，第3 至第6 口变异系数小，吸光度相对稳定。②基棒越长，烟气吸光度衰减率越高，不同基棒长度变化对逐口衰减率的影响程度存在一定差异，中空基棒、PLA基棒的长度与逐口衰减率呈指数关系，醋纤基棒长度与逐口衰减率呈线性关系。因此进行加热卷烟产品设计时，应充分考虑基棒材质与长度变化对烟气的影响，选择适当的组合形式，以使烟气状态满足设计的要求。