邱建华　周浩　李国政　郝辉　楚文娟　李怀奇　宋金勇

摘 要：为了考察卷烟纸助燃剂对卷烟燃烧特性及主流烟气中CO 释放量的影响，探讨了卷烟纸助燃剂的类型、用量、含钾比例与卷烟燃烧主流烟气中CO的释放量、卷烟燃烧特性之间的相关性。结果表明，卷烟纸助燃剂用量与卷烟的阴燃温度、烟碱量、焦油量具有相关性，提高助燃剂用量能提高卷烟燃烧时的阴燃温度、加快烟支的燃烧速度，且烟碱量和焦油量随之减少;保持卷烟纸助燃剂用量不变，助燃剂中的含钾比例与烟气常规成分和卷烟燃烧温度无明显相关性;卷烟纸助燃剂的类型、用量、含钾比例与CO释放量无明显相关性，CO释放量与卷烟燃烧时低温区域面积和高温区域面积的比值R具有强烈的正相关。

关键词：卷烟纸;助燃剂;CO释放;主流烟气

中图分类号：TS761.2

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.05.006

The Influence of Cigarette Paper Combustion Improver on Cigarette Combustion and CO Release in Mainstream of Cigarette Smoke

QIU Jianhua ZHOU Hao LI Guozheng HAO Hui CHU Wenjuan LI Huaiqi  SONG Jinyong*

（Henan Industrial Co.， Ltd.， Zhengzhou， Henan Province， 450016）

（*Email： songjy@hatic.com）

Abstract：In order to study the influence of the content of combustion improver in cigarette paper on the cigarette burning temperature and the release of CO in mainstream cigarette smoke （MCS）， the correlation coefficients among them were investigated. The results showed that the content of combustion improver in cigarette paper was related to smoldering temperature， the release of nicotine and tar. Increasing the amount of combustion improver could increase the smoldering temperature of cigarette， accelerate the burning of cigarette， and reduce the release of nicotine and tar in MCS. There was no significant correlation between the conventional composition of smoke and cigarette burning temperature by changing the proportion of K/Na of the combustion improver and keeping the amount of combustion improver constant. The CO release had no significant correlation with the type， total amount and potassium sodium ratio of cigarette paper combustion improver， and the CO release was positively correlated with the ratio R of low temperature area to high temperature area.

Key words：cigarette paper; combustion improver; CO release; mainstream cigarette smoke （MCS）

卷烟被抽吸时，烟草发生氧化降解、干馏等反应，这些反应的产物在很大程度上取决于燃烧温度[1]。溫度高时燃烧部分的分解作用就更迅速更猛烈，而与燃烧点邻近区域中的有机物质受热发生的干馏作用也更强烈，从而产生的气粒相产物也会更多[2]。

卷烟纸作为卷烟辅助材料，在烟草工业中占有比较重要的地位[3-5]。助燃剂是卷烟纸重要的添加成分，可以提高卷烟纸的燃烧速度，降低卷烟抽吸期间的燃烧温度，减少抽吸口数，从而降低卷烟的危害性[6-7]。CO 是卷烟主流烟气7 种有代表性的有害成分中释放量最高，也是最难去除的组分之一。国内外在卷烟纸助燃剂改变卷烟燃烧特性，进而影响主流烟气CO 释放量方面开展了一些研究[8-11]。

张优茂等人[8]从卷烟对应的卷烟纸的热失重起始温度考虑，得出卷烟燃烧峰值温度越低，主流烟气中的CO释放量也越低的结论。彭志光等人[9]研究了卷烟纸特性对卷烟燃烧及主流烟气中CO 释放量的影响，研究结果发现，主流烟气CO 释放量与温度积分显著相关，与最高抽吸温度有一定相关或不相关。李劲峰等人[10]认为随着卷烟纸助燃剂的增加，烟气中CO 释放量减少，其变化趋势可用二次函数来模拟。郭吉兆等人[11]研究表明，卷烟纸助燃剂用量对CO释放量没有显著性影响;CO释放量在助燃剂中钾盐比例较低时随助燃剂用量增加有增加趋势，在钾盐比例较高时呈降低趋势。然而，目前已有的研究工作缺乏对助燃剂类型、含量、钾钠比变化，和卷烟燃烧温度及等温区域面积，以及卷烟常规成分烟碱量、焦油、CO释放量之间的相关性关系系统而全面的评价工作。

本研究针对卷烟纸助燃剂类型、含量、含钾比例变化而引起的卷烟燃烧温度及等温区域面积变化，以及对卷烟主流烟气中的常规成分（烟气烟碱量、焦油量、CO释放量）的相关性关系;并结合CO形成机理，探讨了卷烟纸助燃剂、主流烟气中的CO释放量与卷烟燃烧特性之间的相关性。

1 实 验

1.1  仪器、试剂与材料

仪器：Borgwaldt KC RM 1/plus 单孔道主流吸烟机; 6890A气相色谱仪（美国安捷伦公司）; FLIRSC1050sc 红外热像仪（美国菲力尔公司）; CP 224S 电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）;恒温恒湿箱（德国宾得公司）;MilliQ 超纯水机（美国Millipore公司）。

试剂：标准样品（烟碱、正十七碳烷，纯度>97%，中国烟草质检中心提供），异丙醇、无水乙醇（CNW，上海安普试剂公司提供），超纯水（电导率≥18.2 MΩ·cm）。柠檬酸钾、柠檬酸钠（食品级，纯度>99%，连云港德邦精细化工有限公司提供），苹果酸钾、苹果酸钠（食品级，纯度>99%，青岛扶桑精致加工有限公司提供）。

材料：卷烟纸，由民丰特种纸股份有限公司提供。卷烟时除卷烟纸外的原料及其他辅料均完全相同。

1.2 卷烟纸助燃剂对主流烟气中常规成分和卷烟燃烧特性的影响

1.2.1 不同助燃剂及其用量的影响

采用柠檬酸钾、柠檬酸混合盐（K∶Na=1）、苹果酸钾、苹果酸混合盐（K∶Na=1）共4种不同的卷烟纸助燃剂，改变助燃剂用量为1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%，分别测定每种助燃剂不同用量下的卷烟主流烟气中常规成分（烟气烟碱量（N）、焦油量（Tar）、烟气一氧化碳释放量（CO））和卷烟燃烧表征参数（燃烧峰值温度（Tp）、阴燃温度（Ts）、低温区域面积（Sl）、高温区域面积（Sh）和两者的比值（R））。

1.2.2 不同助燃剂及其含钾比例的影响

保持卷烟纸助燃剂（柠檬酸盐、苹果酸盐）的总量为2.5%不变，改变其中钾钠离子的比例，分别为：100%钾，钾离子与钠离子的比例分别为5∶1、7∶3、1∶1、3∶7和1∶5，以及100%钠。换算为钾离子占助燃剂总阳离子比例，其对应由高到低的顺序为：100%、83%、70%、50%、30%、17% 和 0。分别测定每个含钾比例样品的卷烟主流烟气中常规成分（烟气烟碱量（N）、焦油量（Tar）、烟气一氧化碳释放量（CO））和卷烟燃烧表征参数（燃烧峰值温度（Tp）、阴燃温度（Ts）、低温区域面积（Sl）、高温区域面积（Sh）和两者的比值（R））。

1.3  卷烟抽吸温度测定方法

挑选总质量和吸阻在一定范围内的卷烟，置于恒温恒湿箱（温度（22±2）℃，湿度（60±5）%）中平衡48 h，采用红外热像仪记录卷烟抽吸参数，测试前需在试制卷烟上作长度标记，如图1 所示。

测量时，将卷烟固定在专用夹持器上，用红外热像仪对燃烧锥进行拍摄测温。测温范围300～1200℃， 温度精度 ±2%以内;录像帧频为30 Hz， 时间常数<10 ms。

1.4  卷烟燃烧数据处理方法

测试完成后，采用FLIR Research IR Max软件导出抽吸过程时温度数据，由数据分析软件对录像数据进行结果处理，窗口尺寸32 mm×24 mm，导出区域内燃烧最高温度曲线图。本研究采用第三口抽吸时温度、阴燃平均温度和峰值平均值对卷烟燃烧温度进行分析。

采用第三口抽吸峰值时，低温区域（200～250℃）和高温区域（700～750℃）像素点数代表燃烧区域面积，采用低温区域像素数与高温区域像素数的比值作为面积比R。同一试制样品进行10支卷烟的平行抽吸测定，取平均值为最终测定结果。

1.5  卷烟常规烟气分析

卷烟主流烟气常规成分（焦油量、烟气烟碱量、CO释放量）采用GB 5606.5—2005 中的方法进行检测。

2 结果与讨论

2.1 不同卷烟纸助燃剂及其用量对卷烟燃烧特性和CO释放量的影响

2.1.1 柠檬酸钾作为助燃剂

表1为柠檬酸钾用量对卷烟主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数的影响。根据表1数据，建立卷烟纸助燃剂用量、卷烟主流烟气中CO释放量与对于各参数间的线性回归方程，其各方程的相关性系数（R2）见表2。

由表2中数据可知，以柠檬酸钾作为卷烟纸助燃剂，助燃剂用量与焦油量、烟气烟碱量和阴燃温度具有明显的相关性，即随着助燃剂用量的变化，卷烟相对应的焦油量、烟气烟碱量和阴燃温度呈线性的变化。而与主流烟气CO释放量具有显著相关性的燃烧参数，只有两个温度区域面积比值R，两者的相关性系数R2为0.959。这可能与CO形成机理有关：即部分CO由烟草中的有机物热解产生，部分来自烟草的不完全燃烧，其余的由CO2还原而生成[12]。低温区域面积的增大，一方面造成了烟草不完全燃烧直接生成CO;另一方面增加了CO2还原为CO的几率，即含碳物质在高温区域完全燃烧所形成的CO2经过低温区域时被还原为CO。而该低温区域面积与高温区域面积的比值越大，CO2还原反应的可能性就越大，進入主流烟气中CO也就越多。

2.1.2 柠檬酸混合盐（K∶Na=1）作为助燃剂

表3为柠檬酸混合盐用量对卷烟样品中主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数的影响。

根据表3数据，建立以柠檬酸混合盐（K∶Na=1）用量、卷烟主流烟气CO释放量与各对应参数间的线性回归方程，其各方程的相关性系数（R2）见表4。

由表4中可知，柠檬酸混合盐用量与卷烟主流烟气烟碱量和卷烟阴燃温度具有明显的相关性。但与柠檬酸钾相比，助燃剂用量与焦油量的相关性明显减低。同样，与CO释放量具有显著相关性的燃烧参数，只有两个温度区域面积的比值R，两者的相关性系数R2为0.962。

2.1.3 苹果酸钾作为助燃剂

表5为苹果酸钾用量对卷烟主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数的影响。

根据表5数据，建立以卷烟纸苹果酸钾助燃剂用量、卷烟主流烟气CO释放量与各分析参数间线性回归方程，各方程的相关性系数（R2）见表6。

由表6可知，苹果酸钾用量与烟气烟碱量、阴燃温度具有明显的正相关。即助燃剂用量越高，烟气烟碱量越低，卷烟燃烧阴燃温度越高。另外，苹果酸钾用量与卷烟燃烧峰值温度也存在相关性。与CO释放量相关性最大的燃烧参数仍然是两区域面积的比值R，两者的相关性系数R2为0.847。

2.1.4 苹果酸混合盐（K∶Na=1）作为助燃剂

表7为苹果酸混合盐用量对卷烟主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数的影响。

根据表7数据，建立以卷烟纸苹果酸混合盐助燃剂用量、卷烟主流烟气CO释放量与各分析参数间线性回归方程，各方程的相关性系数（R2）见表8。

由表8中可知，苹果酸混合盐用量与阴燃温度具有明显的正相关。与CO释放量相关性最大的燃烧参数是低温区域面积和高温区域面积的比值R，两者的相关性系数R2为0.959。

本研究中发现4种不同助燃剂用量与CO释放量无明显相关性（相关性系数在0.030～0.563），而参考文献[9]中的结论为：“随着助燃剂用量的增加，主流烟气中CO释放量降低”， 与本研究的结果存在差别，其原因可能是因为样本本身的差异，出现随助燃剂用量的增加、主流烟气中CO释放量降低现象，但是该现象只是直观评价而非准确的线性规律。

2.2 不同卷烟纸助燃剂及其含钾比例对卷烟燃烧特性和CO释放量的影响

本研究保持助燃剂用量为2.5%不变，改变钾离子在总阳离子中的比例为：100%、83%、70%、50%、30%、17% 和 0，研究助燃剂含钾比例与卷烟主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数间的相关性关系。

2.2.1 柠檬酸混合盐作为助燃剂

表9为柠檬酸混合盐含钾比例对卷烟主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数的影响。根据表9数据，建立卷烟纸助燃剂含钾比例、卷烟主流烟气CO释放量与分析参数间的线性回归方程，其各方程的相关性系数（R2）见表10。

由表10可知，柠檬酸盐含钾比例发生变化时，与烟气常规成分和阴燃温度无明显的线性关系，即助燃剂用量不变，只含钾比例发生变化时，烟气常规成分和卷烟阴燃温度并没有发生相关性改变。值得关注的是，在本实验中CO释放量与含钾比例两者相关性系数为0.754，相关性不太强，而文献[11]中的结论为：“增加柠檬酸钾和柠檬酸钠混合助燃剂中钾盐的比例，卷烟主流烟气中CO释放量呈降低趋势”， 造成两者结论不同的原因可能是分析方法的不同造成的。另外，在本实验中，出现了CO释放量的极低值：即在用量2.5%柠檬酸混合盐作为助燃剂、含钾比例83%时，CO释放量达到该系列实验的最小值为9.8 mg;且与CO释放量相关性最大的燃烧参数仍然是低温区域面积和高温区域面积的比值R，两者的相关性系数R2为0.924。

2.2.2 苹果酸混合盐作为助燃剂

表11为苹果酸混合盐含钾比例对卷烟主流烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数的影响。根据表11数据，建立卷烟纸助燃剂含钾比例、卷烟主流烟气CO释放量与分析参数间的线性回归方程，其各方程的相关性系数（R2）见表12。

由表12可知，苹果酸混合盐含钾比例与烟气烟碱量具有一定的相关性，与其他烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数没有明显的线性关系。而与CO释放量相关性最大的燃烧参数是低温区域面积和高温区域面积的比值R，两者的相关性系数R2为0.882。

3 结 论

为考察卷烟纸助燃剂对卷烟燃烧特性及主流烟气中CO 释放量的影响，探讨了卷烟纸助燃剂种类、用量和含钾比例与卷烟主流烟气中的CO释放量、卷烟燃烧温度之间的相关性。

3.1  助燃剂用量与阴燃温度、烟气烟碱量和焦油量具有明显的相关性。提高助燃剂用量能增加卷烟燃烧时的阴燃温度。随着阴燃温度的提高，烟支的燃烧速度加快，烟气常规成分中的烟气烟碱量和焦油量随之减少。

3.2  保持卷烟纸助燃剂用量为2.5%不变，改变助燃剂中含钾比例，卷烟烟气常规成分和卷烟燃烧表征参数没有发生明显改变。

3.3  卷烟纸助燃剂种类、用量和含钾比例，与卷烟主流烟气CO释放量没有明显的相关性。卷烟主流烟气CO释放量与卷烟燃烧时低温区域面积和高温区域面积的比值R具有强烈的正相关，两者的相关性系数R2在0.847～0.962之间。

参 考 文 献

[1] XIE Guoyong， LI Bin， YAN Shuiming， et al. Effects of Cigarette Paper on Deliveries of Seven Harmful Components in Mainstream of Cigarette Smoke[J]. Journal of Natural Science of Hunan NormalUniversity， 2013， 36（5）： 51.

謝国勇， 李 斌， 颜水明， 等. 卷烟纸特性对卷烟烟气7种有害成分的影响[J]. 湖南师范大学自然科学学报， 2013， 36（5）： 51.

[2] JIANG Wei， LI Bin， YU Chuanfang， et al. Effects of Cigarette Paper Permeability on Temperature Distribution in Cigarette Combustion Cone[J]. Tobacco Science & Technology， 2007， 48（9）： 62.

江 威， 李 斌， 于川芳， 等. 卷烟纸透气度对卷烟燃烧锥温度分布的影响[J]. 烟草科技， 2007， 48（9）： 62.

[3] TIAN Zhong， WANG Hongwei， WANG Xiaofeng， et al. Effects of Cigarette Paper Parameters on the Comprehensive Characteistics of Conventional and Slim Cigarettes[J]. China Pulp & Paper， 2018， 37（12）： 30.

田 忠， 王宏伟， 王孝峰， 等. 卷烟纸性能对常规卷烟和细支卷烟综合特性的影响[J]. 中国造纸， 2018， 37（12）： 30.

[4] LEI Ping， SHANG Shanzhai， HAN Yi， et al. The Latest Research Direction and the Recent Progress of Cigarette Paper[J]. China Pulp & Paper， 2014， 33（10）： 68.

雷 萍， 尚善斋， 韩 熠， 等. 卷烟纸的性能及其改性[J]. 中国造纸， 2014， 33（10）： 68.

[5] XIE Dinghai， HUANG Xianzhong， SHAN Jing. Effects of Basis Weight of Cigarette Paper on Cigarette Burning Temperature and the Property of the Mainstream Smoke[J]. China Pulp & Paper， 2013， 32（12）： 34.

谢定海， 黄宪忠， 单 婧， 等. 卷烟纸定量对卷烟燃烧温度及烟气指标的影响[J]. 中国造纸， 2013， 32（12）： 34.

[6] HOU Yi， LIU Mingyou， XU Chengcheng. The Influence of Flame RetardantMagnesium Hydroxide in the Cigarette Paper on the Harmful Smoke[J]. China Pulp & Paper， 2007， 26（7）： 8.

侯 轶， 刘明友， 徐程程. 卷烟纸中Mg（OH）2 CaCO3加填及其对卷烟烟气的影响[J]. 中国造纸， 2007， 26（7）： 8.

[7] ZHONG Jiawei， MAO Duobin， HUANG Chaozhang， et al. Effects of the Calcium Carbonate in Cigarette Paper on Smoking Temperature and Conventional Chemical Compositions of Cigarette[J]. Guang Dong Chemistry Industry， 2017， 44（22）： 47.

钟家威， 毛多斌， 黄朝章， 等. 卷烟纸碳酸钙变化对卷烟抽吸温度及烟气常规成分的影响[J]. 广东化工， 2017， 44（22）： 47.

[8] ZHANG Youmao， LI Xuhua， HUANG Yifei， et al. The Influence of Cigarette Burning Peak Temperature on the CO Content in Mainstream Smoke[J]. China Pulp & Paper， 2011， 30（9）： 39.

張优茂， 李旭华， 黄翼飞， 等. 卷烟燃烧峰值温度对主流烟气CO释放量的影响[J]. 中国造纸， 2011， 30（9）： 39.

[9] PENG Zhiguang， YIN Donghong， LIU Jianfu， et al. Effects of Cigarette Paper Properties on Burning Temperature and Deliveries of CO in Mainstream Cigarette Smoke[J]. Tobacco Science & Technology， 2014， 42（4）： 46.

彭志光， 银董红， 刘建福， 等. 卷烟纸特性对卷烟燃烧及主流烟气中CO释放量的影响[J]. 广州化工， 2014， 42（4）： 46.

[10] LI Jinfeng， XIANG Nengjun， LI Chun， et al. The Influence of Combustionsupporting Additives in Cigarette Paper on the Harmful Chemicals in Mainstream Smoke of the Cigarette[J]. China Pulp & Paper， 2012， 31（6）： 32.

李劲峰， 向能军， 李 春， 等. 卷烟纸助燃剂用量对卷烟烟气有害物质的影响[J]. 中国造纸， 2012， 31（6）： 32.

[11] GUO Jizhao， ZHENG Saijing， YAN Quanping， et al. Effects of Combustion Improver in Cigarette Paper on Deliveries of Seven Harmful Components in Mainstream Cigarette Smoke[J]. Tobacco Chemistry， 2012（7）： 43.

郭吉兆， 郑赛晶， 颜权平， 等. 卷烟纸助燃剂对主流烟气7 种有害成分释放量的影响[J]. 烟草科技， 2012（7）： 43.

[12] WANG Ruixin. Tobacco Chemistry[M]. Beijing： China Agricultural Press， 2003.

王瑞新. 烟草化学[M]. 北京： 中国农业出版社， 2003.CPP