段瑞海，李红娟，冯俊杰，李 雕，丁 发，周 涛

(云南养瑞科技集团有限责任公司研究院基础技术中心，云南 昆明 650011)

【研究意义】烟用材料主要包括:卷烟纸、接装纸、成型纸、滤嘴棒，俗称“三纸一棒”。3种材料的组合决定了烟支的外观、燃烧及烟气等有害物质的过滤，从而对卷烟的口感、指标的控制起到决定性的作用[1-3]。近年来，人们对烟用材料的研究深度不断拓展[4-7]，在降焦减阻的道路上不断开拓，在研究卷烟纸方面取得大量的成果[5-9]。【前人研究进展】卷烟纸参与烟支燃烧，对卷烟整体性能的影响远远超过其他组分。研究表明，卷烟纸添加剂的使用对卷烟的静燃速率、抽吸口数、烟气组分等产生一定的影响[10]。随着卷烟纸功能化需求的不断扩张，卷烟纸助剂的研究已成为热点。杨占军等[11]研究发现助燃剂的加入，提高了纸的燃烧温度和速度。从卷烟纸助燃剂对主流烟气7种有害成分释放量的影响研究中，发现助燃剂的总量及钾钠比能影响CO的释放量[12]。研究表明，有机酸钾盐的添加对抽吸效果，有害物质的降低有明显作用，并且促进卷烟纸纤维的裂解，降低反应活化能[13-16]。研究表明在添加硝酸钾后卷烟在燃烧时释放的CO、尼古丁等有害物质含量降低[17]。郑琴等研究发现卷烟中有害成分不同程度降低与有机酸钾、钠混合物的用量有关[18]。崔凌等研究显示不同比例的柠檬酸等碱金属混合助剂，可以减少卷烟中焦油和CO的生成[19]。【本研究切入点】钾和钠的有机酸金属盐常作为卷烟纸的助燃剂。在相同酸根离子下的钾盐和钠盐，性质相似，但实际效果却区别很大，钾盐性质活泼，助燃效果优于钠盐[20]。【拟解决的关键问题】本研究采用同步热分析、主流烟气检测及感官质量评价，研究不同浓度的碳酸钾和柠檬酸钾对卷烟纸热解性能的影响，卷烟纸热失重过程中参数的变化，烟气中焦油量，CO释放量等因素，筛选出有害物质释放量低及其它条件最优的碳酸钾和柠檬酸钾添加浓度，开发性能最优的卷烟纸助剂。

1 材料与方法

1.1 实验器材

卷烟纸(空白对照)；添加不同浓度助燃剂的卷烟纸；碳酸钾(TSK，食品级，江苏科伦多食品配料有限公司)，设置8个添加浓度，分别为0.5%、1.5%、2.0%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、8.0%；柠檬酸钾(N06，食品级，江苏科伦多食品配料有限公司)，设置8个添加浓度，分别为0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%、8.0%。

同步热分析仪(型号：NETZSCH STA 409 PC/PG，德国)。转盘式吸烟机(型号：RM20H，德国)，恒温恒湿箱(型号：KBF,德国)，GC-MS(型号：7890B-5977A，美国)。

1.2 实验方法

1.2.1 主流烟气成分检测 参照《GB/T16450—2004，常规分析用吸烟机》[21]标准，进行抽吸测试；按照《GB/T23356—2009，卷烟·烟气气相中一氧化碳的测定》[22]标准，进行主流烟气中CO含量的检测；按照《GB/T19609—2004，卷烟·用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》[23]标准，检测焦油释放量。

1.2.2 热分析检测 热分析所需样品含量是10～20 mg，自然填充于热重分析仪的氧化铝坩埚内，为模拟真实的烟支燃烧，以75 mL·min-1的速率注入空气，以10 K·min-1的速率进行升温，最终温度设为900 ℃，由热重分析仪记录热解过程中样品的热重变化。

2 结果与分析

2.1 不同浓度N06及TSK对卷烟纸热失重的影响

从表1～2可见，随着TSK和N06浓度的升高，热失重的起始温度逐渐降低。结合图1～4热分析曲线发现添加不同浓度的N06和TSK后，卷烟纸在升温初期失重速度及失重量的增加与添加浓度基本对应，随着浓度的增加，失重量和失重速率也加快，说明钾含量越多，卷烟纸裂解反应越快，说明钾含量对卷烟纸热失重初期有催化作用。

表1 不同浓度的N06对卷烟纸热失重的影响

表2 不同浓度的TSK对卷烟纸热失重的影响

2.2 不同添加量的N06和TSK对卷烟主流烟气指标的影响

从表3中可见，随着在卷烟纸上N06添加量的增加，抽吸口数逐渐降低，烟碱含量和焦油含量也在逐渐减少，添加浓度高于3%时，下降幅度减小；卷烟主流烟气中CO释放量随N06添加量的增加呈先降低后升高趋势，在添加量为3%时降幅最大。随着在卷烟纸上TSK添加量的增加，抽吸口数先逐渐降低后以缓慢上升趋势变化，烟碱含量和焦油含量也呈现下降的趋势，添加量为3.5%，烟碱量的释放量最少，烟支抽吸口数最少；浓度为2.5%时，CO释放量最低。

表3 不同添加量的N06和TSK对卷烟主流烟气指标的影响

2.3 不同添加量的N06和TSK对卷烟的降焦及降CO效率

由表4可见，N06添加浓度在8%时，与对照相比每只烟焦油降幅最大，为21.53%；在添加浓度3%时，与对照相比每只烟CO降幅最大，达30.87%。从单口焦油和CO的释放量来看，N06的添加对单口焦油释放量有负面作用，而添加浓度为1.5%、2.5%和3%时，单口CO均有不同程度的降低。

表4 不同添加量的N06和TSK对单口焦油、CO降幅的影响

TSK添加量为4.5%时，与对照相比每只烟焦油降幅最大，达27.02%；添加浓度为2.5%时，与对照相比每只烟CO下降最明显，降幅为26.55%。

3 讨 论

有机酸钾盐能有效提升卷烟抽吸品质、降低有害物质含量的释放[24-25]，戴亚等研究表明钾盐的加入提升了卷烟纸的燃烧速率[26]。通过实验对2种有机酸钾盐进行热分析及主流烟气等检测，证实了钾盐能加速催化烟支燃烧，降低焦油和CO的量。检测烟气结果与卷烟纸热失重结果有所差异，究其原因：卷烟纸中的纤维素在助燃剂添加后加速了热解作用，高浓度助剂的阻碍热解后的气体扩散，造成了烟气结果与热失重结果的差异性。

总之，加入卷烟助剂会改变卷烟纸起始失重的温度点及升温初始阶段的失重速率及失重量，钾盐的催化作用强于其他金属盐，总体趋势是催化作用随钾含量的升高而增强，同步热分析与卷烟纸样品的制备、取样、进样量、升温速率等因素有关，实验存在一定的误差。

4 结 论

(1)卷烟纸助剂的使用能催化卷烟纸的热裂解进程，改变烟丝的状态，导致主流烟气中的焦油和CO含量降低，影响卷烟的感官质量。

(2)结合卷烟感官质量及烟气指标分析，卷烟纸助剂N06和TSK都能明显改善卷烟口感，N06随浓度的增加，卷烟抽吸口数逐渐减少；TSK浓度为3.5%，烟支的抽吸数最低，抽吸口数随添加量的增加呈缓慢上升趋势。

(3)N06添加浓度在8%时，与对照相比每只烟焦油降幅最大，而在添加浓度3%时，与对照相比每只烟CO降幅最大；TSK添加量为4.5%时，与对照相比每只烟焦油降幅最大，添加浓度为2.5%时，与对照相比每只烟CO下降最明显。