张 莹 詹建波 缪明明 余振华 余 耀 王 浩 程 量郑 晗 余婷婷 谢 姣 丁海燕 余 江 李利伟 丁 卫

(云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明， 650231)



·卷烟纸评价·

卷烟纸对卷烟凝灰性能的影响分析

张 莹 詹建波 缪明明 余振华 余 耀 王 浩*程 量郑 晗 余婷婷 谢 姣 丁海燕 余 江 李利伟 丁 卫

(云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明， 650231)

依据自主研发的卷烟凝灰分析软件，通过凝灰指数这一参数的计算，对不同品牌卷烟的凝灰能力进行了评价，同时分析卷烟纸凝灰性能对卷烟燃烧性能的影响。结果表明，卷烟凝灰指数的计算简单，凝灰分析软件的响应迅速，同一品牌不批次卷烟的凝灰指数间的变异系数较小，不同品牌卷烟的凝灰指数区分度明显；卷烟凝灰指数可以作为衡量卷烟凝灰性能的重要指标和有效手段，该指数可以应用于卷烟综合性能的评定；卷烟纸对卷烟的凝灰性能起重要作用。

卷烟纸；燃烧；凝灰分析系统；凝灰指数；控制措施

卷烟纸是卷烟的主要材料之一，对包裹烟丝、烟支外观、燃烧速度、阴燃性、卷烟的感官品质及烟气的化学成分等起到十分重要的作用[1-2]。卷烟纸不仅承载着产品的关键形象和内涵，而且由于卷烟纸直接参与烟支的燃烧，故对烟气有着特殊和直接的影响。一方面，卷烟纸本身燃烧后的成分是卷烟烟气的重要组成部分，会随着主流烟气一起被嗜烟者吸食；另一方面其内在品质也会影响烟支的燃烧状况，对烟支在抽吸时的凝灰效果、灰色方面起着决定性作用。如何改善吸味和提高凝灰效果，是目前卷烟纸面临的两大问题[3-7]。

卷烟纸燃烧后，理想状态下的纸灰既不翘起也没有裂缝，在抽吸过程中烟灰不掉落[8-9]。卷烟凝灰性能好主要表现为烟柱美观，卷烟纸燃烧后可将烟灰致密地黏结在一起，达到既能使卷烟完全燃烧、灰白片大又不散落。在如何评价卷烟凝灰能力、如何优化卷烟凝灰性能方面，至今还没有系统的解决方案与评价体系。

本课题为了进一步研究卷烟纸凝灰性能，利用自主研发的卷烟凝灰系统，提出了卷烟凝灰指数的概念，通过对样品燃烧外观的观察与卷烟凝灰指数对比，计算同一品牌不同批次的卷烟凝灰指数，验证凝灰指数作为反映卷烟纸凝灰性能的可行性，对卷烟凝灰分析系统的应用前景作出了分析。同时分析卷烟纸对卷烟凝灰性能的影响因素。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用卷烟为市购的7种不同品牌的卷烟，并将其分别编号为1#～7#的卷烟样品。

1.2 仪器与方法

KBF240恒温恒湿箱(德国Binder公司)，主要用于燃烧前对卷烟样品的平衡，将卷烟样品分别置于恒温恒湿箱中平衡48 h，温度(22±1)℃，湿度设定为(20±2)%。

实验采用了云南中烟有限责任公司自主设计与研发的云南中烟卷烟凝灰分析系统YNZY-JYNH-V2.1，该系统主要由摄像模块、计算机分析模块组成。方法为：将烟支竖直方向放置后，利用自动点烟器点燃烟支，并利用仪器观察烟支的阴燃过程，在观察的过程中完成对卷烟凝灰的瞬时成像捕捉，而后利用计算机分析模块，对已捕捉图像进行截取，分析部分图像并计算其凝灰指数。

图1 不同品牌卷烟样品的凝灰效果

图2 凝灰指数计算示意图

2 结果与讨论

2.1 凝灰效果的图片观察

图1为不同品牌卷烟样品的凝灰效果。由图1可见，不同品牌卷烟样品的凝灰效果有一定差别，仅从肉眼可以定性分析卷烟的凝灰质量。程占刚等人认为卷烟燃烧后的凝灰松紧性直接影响卷烟凝灰能力，且卷烟纸燃烧后的外翻灰片的多少和大小直接影响灰片脱落，是凝灰好坏的决定性因素[10]。卷烟纸燃烧后的裂纹和灰分光滑度是决定卷烟凝灰好坏的潜在性因素。在文献定义的凝灰能力中[10]，外观因素占75%。但凝灰能力的判定仍需人为对不同项目进行主观打分，故定档受评定人员主观因素影响较大。因此，如何客观准确并定量评价不同卷烟样品的凝灰性能一直是判定卷烟凝灰能力关注的焦点。

2.2 凝灰指数的计算及变异系数分析

在凝灰分析系统中，笔者定义了凝灰指数。以图2为例，凝灰指数AI为图中未裂痕部分面积占整体面积的比例，即式(1)。

(1)

式中，Sr为裂痕部分面积；St为整体面积。

表1为不同品牌样品的凝灰指数。将表1的数据与图1相对比则不难发现，凝灰指数越大，凝灰效果越好，指数AI可以直观、准确地反映出凝灰能力。

表1 不同品牌样品的凝灰指数

为进一步研究同一品牌样品在重复测试过程中凝灰指数的差异性，本课题组计算了凝灰指数变异系数CV如式(2)所示。

(2)

式中，SD为同一品牌样品凝灰指数的标准差，MN为同一品牌样品凝灰指数的平均值。

每组样品测量5次，并计算其相应的标准差、平均值及变异系数结果如表2所示。

由表2可以看出，同一品牌的变异系数均在5%以下，这说明同一品牌样品的凝灰指数差异不大，凝灰指数可以作为衡量卷烟凝灰质量的评判指标。为了保证测量精度，可以采取测量多次并取平均值的方法降低随机误差的影响，最大限度保证凝灰指数在应用过程中的准确性。

表2 不同品牌样品凝灰指数的平均值、标准差及变异系数

综上所述，凝灰指数在衡量卷烟凝灰效果中具有直观、准确、可分析性强等优点，计算同品牌样品、不同一批次的变异系数小于5%，不同品牌样品卷烟纸的凝灰指数区分度明显，凝灰指数适宜作为评价卷烟凝灰效果。同时，基于凝灰指数测量原理的凝灰分析系统具有成像分辨率高、分析速度快、计算精度高等诸多优点，适宜作为评价分析卷烟凝灰的重要工具。现存的诸多评价方法基本上都是主观判断然后对凝灰外观进行划档评分，不够准确客观，将现在采用的评价方法与开发的凝灰系统结合作为评价卷烟凝灰效果的更准确、更有效工具仍是未来要解决的问题。同时凝灰分析系统在分辨率、计算精度等方面存在提升空间，未来的系统优化应集中在合理优化相关参数及系统的数据处理与分析能力。

2.3 卷烟纸凝灰性能的影响因素

卷烟纸的凝灰性能主要受卷烟纸的定量、透气度、助燃剂、凝灰剂等方面的影响[10]，具体表现在以下几个方面：

(1)卷烟纸的定量越大，卷烟的挺度越大，直接的影响就是燃烧后卷烟纸出现裂痕、外翻的炸裂灰片等现象越少，卷烟包灰性能越好。

(2)卷烟纸的透气度越大，卷烟包灰性能越好。透气度增加，通过卷烟纸进入卷烟的空气稀释烟气的作用增强，烟支燃烧速度增加，抽吸口数降低，卷烟的燃烧更完全，卷烟包灰性能越好。

(3)卷烟纸中柠檬酸盐助燃剂含量越高，卷烟纸阴燃速率越大，卷烟燃烧速度越快，同等燃烧时间下卷烟的烟锥越长，卷烟纸外翻的可能性增大，造成卷烟包灰性能变差。

(4)卷烟纸中天然多糖碳水化合物类凝灰剂含量越高，卷烟的包灰性能越好。同时，凝灰剂可能对卷烟的吸味和安全性产生影响，所以应该控制凝灰剂的用量。

2.4 卷烟纸凝灰性能对阴燃性能的影响

卷烟纸阴燃要求为纸张纤维提供足够的氧气及足够的热量。阴燃发生时，阴燃产物要不断离开燃烧区，而新的纤维和氧气要不断进入燃烧区，否则燃烧将无法继续下去。而阴燃产物的离开、纤维和氧气的进入，均可视作热量传递的过程。

卷烟纸的透气度越大，氧气在阴燃区的扩散速度越强。阴燃的发生都要求有一个供热强度适宜的热源，如果供热强度过小，则纸张无法阴燃；供热强度过大，纸张将发生有焰燃烧。但当纸张定量过低时，由于连续阴燃所需的纤维量太少，可能供热不够而造成熄火。

卷烟纸中加填用的轻质碳酸钙的结构疏松，致使成纸的结构疏松，成纸透气度高，使卷烟纸比较容易燃烧。如果卷烟纸中的轻质碳酸钙含量少，纤维含量多，纸中的空气含量少，因此燃烧速度就慢，空气过少时就会导致卷烟纸熄火；但如果轻质碳酸钙含量过高，会导致卷烟纸中可燃的纤维过少，这会阻隔纤维阴燃热量的传递，从而导致阴燃速度减慢甚至熄火。

助燃剂用量越多，凝灰性能越好，卷烟纸的阴燃速度越快，当助燃剂用量达到一定量时阴燃速度最快，之后随着助燃剂用量的增加阴燃速度反而下降[11-13]。助燃剂用量少时能够有效地降低卷烟纸纤维燃烧所需的温度，随着助燃剂用量增加卷烟纸的阴燃逐渐饱和，饱和之后再增加助燃剂卷烟纸的燃烧速度反而下降。助燃剂的种类也对卷烟纸的阴燃速度有影响。其中，山梨酸钾助燃效果最理想，其次是有机酸根，氢离子与碳离子的助燃效果最差。因此助燃剂一般是以几种助燃剂复配而成。

湿度越大，燃烧速度越慢。卷烟纸的水分含量对热量传递有重要影响。水分含量越高，产生的热量越低，同时水分的蒸发汽化是一个吸热过程，水分含量越大，其蒸发所需要的能量越多。卷烟纸具有一定的吸湿性，空气湿度越大，纸张中的水分就越高，同时由于空气中的水分含量高，在纸张阴燃过程中所需的空气中不但有氧气的补充而且还有水分的补充，因此卷烟纸阴燃所需热能就越多，燃烧速度也就越慢。

3 结 论

(1)凝灰指数可以作为衡量卷烟凝灰效果的评价指标，该指标所获得的数据具有直观、准确、可分析性强等优点；同一品牌不同批次卷烟的变异系数均低于5%，不同品牌卷烟纸的凝灰指数区分度明显。

(2)凝灰分析系统具有成像分辨率高、分析速度快、计算精度高等诸多优点，适宜作为评价分析卷烟凝灰的重要手段，也适宜与其他评价方法结合作为评价卷烟凝灰效果的有效工具。

(3)卷烟纸的凝灰性能主要受卷烟纸的定量、透气度、助燃剂、凝灰剂等几个因素的影响，同时卷烟纸的凝灰性能与环境又会对卷烟纸的阴燃性能产生一定的影响。

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(责任编辑：常 青)

Evaluation and Analysis of Ash Condensation Performance of Cigarette Paper

ZHANG Ying ZHAN Jian-bo MIAO Ming-ming YU Zhen-hua YU Yao WANG Hao*CHENG Liang ZHENG Han YU Ting-ting XIE Jiao DING Hai-yan YU Jiang LI Li-wei DING Wei

(R&D Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming, Yunnan Province, 650231)(*E-mail: neuwanghao@gmail.com)

Based on the self-developed cigarette ash condensation analysis software, through the calculation of the cigarette ash condensation index, the ash condensation abilities of different types of cigarette paper were evaluated in this paper. The results showed that the cigarette ash condensation index had the advantages of simple calculation, quick response of ash condensation analysis software, small coefficient of variation between different cigarette ash condensation index of the same batch sample, and there was obvious difference of ash condensation index of different batch samples. Therefore, the cigarette ash condensation index could be used as an important index and effective means to measure the performance of the cigarette ash, meanwhile, the index could be applied to the comprehensive assessment of the cigarette paper. Meanwhile, the influence of cigarette ash density on the combustion performance of cigarettes was analyzed, the analysis showed that the factors affecting the ash density of cigarette paper were mainly density, permeability, combustion adjuvants and ash condensation agents. Both ash condensation performance of cigarette paper and environment had certain impacts on the cigarettes’ smoldering properties.

cigarette paper; combustion; ash condensation analysis system; ash condensation index; control measures

张 莹女士，硕士，工程师；主要研究方向：烟用材料的设计与开发。

2017- 04- 05(修改稿)

云南中烟工业有限责任公司重大专项：功能性烟用材料集成创新超市构建及应用研究，项目编号：2016CL01。

TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.008

*通信作者：王 浩，博士，工程师；主要研究方向：卷烟纸的性能研究等。