蔣佳磊，朱書(shū)秀，湯曉東，許高燕，陳曉水，趙攀攀，朱宏福，蘇 燕

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)科海路118 號(hào) 310024

具有防火安全性能的卷煙被稱(chēng)為低引燃傾向［Lower Ignition Propensity（LIP）或Reduced Ignition Propensity（RIP）］卷煙［1-3］。LIP卷煙主要是通過(guò)在卷煙紙上間隔涂布一層阻燃物質(zhì)，從而減少氧氣的傳輸以達(dá)到卷煙自動(dòng)熄滅的目的［4-7］。目前國(guó)際上普遍采用ISO 12863 或ASTM E 2187 標(biāo)準(zhǔn)（兩種標(biāo)準(zhǔn)方法的原理、過(guò)程和評(píng)價(jià)指標(biāo)均完全一致）評(píng)價(jià)卷煙的引燃傾向［8-9］。其原理是在定制的測(cè)試柜中，重復(fù)測(cè)試40 支置于標(biāo)準(zhǔn)傳熱基質(zhì)（10 層Whatman 2#濾紙）上的卷煙并使其產(chǎn)生足夠熱量以維持煙絲柱燃燒和引起明火的可能性，并采用不超過(guò)25%的全長(zhǎng)燃燒百分比（Percent of Full Length Burn，P-FLB）作為L(zhǎng)IP 卷煙合格的標(biāo)準(zhǔn)［10］。測(cè)試方法中使用的特定型號(hào)濾紙依賴(lài)單一進(jìn)口生產(chǎn)商，1 000張/盒濾紙的售價(jià)在5 000 元左右，且不可重復(fù)使用，每個(gè)LIP 卷煙樣品需要至少400張Whatman 2#濾紙才能完成一個(gè)數(shù)據(jù)的采集，測(cè)試費(fèi)用昂貴［11-12］。另外，該測(cè)試方法檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)1 支正常熄滅的LIP 卷煙需要15～20 min，如若遇到FLB，則會(huì)延長(zhǎng)至20～25 min，完成1個(gè)樣品的檢測(cè)需要2個(gè)工作日，檢測(cè)效率低［12-13］。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的一份研究報(bào)告［14］認(rèn)為，可以采用在0.2 mm的302不銹鋼（可重復(fù)使用）上覆蓋一層Whatman 2#濾紙作為測(cè)試基質(zhì)，并且可以獲得與ISO 12863標(biāo)準(zhǔn)方法中使用的10層濾紙基質(zhì)相同的測(cè)試結(jié)果。有國(guó)內(nèi)研究［11，15］比較了不同厚度、不同產(chǎn)地和不同材質(zhì)的不銹鋼或鋁合金材料，結(jié)論與NIST 一致，表明0.2 mm 的302 不銹鋼上附一層Whatman 2#濾紙可以作為卷煙引燃傾向測(cè)試方法中的替代基質(zhì)。ISO 的最新研究報(bào)告［16］中指出在濾紙的穩(wěn)定性、檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性上，奧斯龍（Ahlstrom）、金佰利（Kimberly）和特爾瓦高（Tervakoski）3 家公司生產(chǎn)的濾紙可以作為Whatman 2#濾紙的替代產(chǎn)品。這些方法大大節(jié)省了濾紙的使用成本，但測(cè)試效率低的問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。李斌等［12］研究發(fā)現(xiàn)LIP 卷煙升溫速率與P-FLB存在較好的相關(guān)性，因此可以采用LIP卷煙升溫速率來(lái)評(píng)價(jià)卷煙的引燃傾向。馮茜等［13］提出了一種通過(guò)LIP 卷煙耗氧燃燒熱來(lái)評(píng)估卷煙引燃傾向的測(cè)試方法。這兩種方法雖然仍基于LIP卷煙設(shè)計(jì)的原理，但并未采用原標(biāo)準(zhǔn)方法中的卷煙-濾紙接觸傳熱模型，在一定程度上違背了卷煙與可燃基質(zhì)接觸傳熱實(shí)物模型的初衷，且須配備專(zhuān)用的檢測(cè)設(shè)備，實(shí)際可操作性有所降低，難以推廣。潘曦等［17］認(rèn)為陰燃長(zhǎng)度比例（陰燃長(zhǎng)度/卷煙紙長(zhǎng)度）可以作為評(píng)價(jià)LIP卷煙引燃傾向的一種輔助參數(shù)，而蔣佳磊等［10］的研究顯示，點(diǎn)燃的卷煙除會(huì)因阻燃條的隨機(jī)出現(xiàn)而發(fā)生相同趨勢(shì)的隨機(jī)熄滅現(xiàn)象外，更容易熄滅在濾紙表面初始陰燃期間（煙絲端15～21 mm），表明陰燃長(zhǎng)度比例指標(biāo)可能并不可靠。因此，基于ISO 12863標(biāo)準(zhǔn)的原理和方法設(shè)計(jì)了一種結(jié)合樣品抽樣方案和統(tǒng)計(jì)學(xué)算法的新型卷煙引燃傾向評(píng)價(jià)方法，旨在降低測(cè)試費(fèi)用，提高檢測(cè)效率，減少操作難度。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

利群A、B、C 3 種LIP 卷煙（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）；Whatman 2#濾紙（廈門(mén)精誠(chéng)行科技有限公司代購(gòu)）。

PT 100恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；IP 10卷煙引燃傾向檢測(cè)儀（德國(guó)伯格瓦特KC公司）。

1.2 方法

1.2.1 測(cè)試支數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法

按目前國(guó)際上對(duì)卷煙引燃傾向檢測(cè)的普遍要求，P-FLB 不超過(guò)25%［即1 組樣品40 支卷煙中有75%（30 支）沒(méi)有在濾紙表面完全燃燒（含前15 mm內(nèi)熄滅的情況）］時(shí)就表明通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試。若將40支待測(cè)LIP卷煙分成4份，每份10支，設(shè)每份卷煙中不發(fā)生FLB的比例為p，要保證4份卷煙的總體合格率大于等于75%，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理其合格率p的計(jì)算方式為：≥0.75，即p=0.931。

更一般的，若設(shè)1組待測(cè)樣品實(shí)際測(cè)試數(shù)量為n支（n=1,2,3…），實(shí)際合格支數(shù)為m，m 取整后為mz，實(shí)際P-FLB為P-FLBnew，則：

1.2.2 LIP卷煙引燃傾向測(cè)試

采用測(cè)試支數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法進(jìn)行LIP 卷煙引燃傾向測(cè)試，計(jì)算新方法的全長(zhǎng)燃燒百分比P-FLBnew；按照ISO 12863 標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行LIP 卷煙引燃傾向測(cè)試，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法的全長(zhǎng)燃燒百分比P-FLBstd。

1.2.3 全長(zhǎng)燃燒支數(shù)的二項(xiàng)分布置信度計(jì)算

若某一LIP 卷煙引燃傾向測(cè)試的P-FLB 為1-p，則按照二項(xiàng)分布，該LIP卷煙引燃傾向測(cè)試過(guò)程中有k支發(fā)生全長(zhǎng)燃燒的置信度F（k）為：

式中：k=0，1，2…；n=12，17，21，24，27，30，33，35，37，39，40（本文方法），或n=40（ISO標(biāo)準(zhǔn)方法）；k=n-mz=（1-p）n。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試支數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法結(jié)果

按照1.2.1 的方法計(jì)算p、m、mz、k 和P-FLBnew，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，當(dāng)n=1～12 時(shí)，k=0；當(dāng)n=13～17 時(shí)，k=1；當(dāng)n=18～21 時(shí)，k=2；，當(dāng)n=22～24時(shí)，k=3；，當(dāng)n=25～27 時(shí)，k=4；，當(dāng)n=28～30 時(shí)，k=5；，當(dāng)n=31～33 時(shí)，k=6；，當(dāng)n=34～35 時(shí)，k=7；當(dāng)n=36～37 時(shí)，k=8；當(dāng)n=38～39 時(shí)，k=9；當(dāng)n=40 時(shí)，k=10。由于在同一區(qū)間內(nèi)全長(zhǎng)燃燒支數(shù)k相同，為確保合格，對(duì)相同的k，測(cè)試支數(shù)n取區(qū)間的最大值，此時(shí)P-FLBnew=k/nmax。

2.2 卷煙引燃傾向評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)

為保證卷煙樣品的代表性，按照表1結(jié)果設(shè)計(jì)抽樣原則：在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，按照批次生產(chǎn)量的多少，均勻地從流水線(xiàn)上取12包，并按照時(shí)間順序給每包煙編號(hào)（1#～12#）。取樣完成后送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行溫濕度平衡，平衡前給每包煙中的20支卷煙按照煙包號(hào)碼進(jìn)行編號(hào)（如1#煙包中的20 支卷煙均編為1#，其他同理）。

表1 p、m、mz、k和P-FLBnew值Tab.1 p, m, mz, k values and corresponding P-FLBnew

測(cè)試過(guò)程基于ISO 12863標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，但按順序1#～12#每個(gè)編號(hào)的卷煙均只隨機(jī)選擇1 支。12支一輪測(cè)試結(jié)束后，若檢測(cè)未能確定結(jié)果，則繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程直到完成檢測(cè)，具體流程如圖1所示。由圖1可知，若LIP卷煙引燃傾向檢測(cè)過(guò)程中連續(xù)12支沒(méi)有發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=0；若檢測(cè)了17 支有1 支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=5.88%；若檢測(cè)了21支有2 支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=9.52%；若檢測(cè)了24 支有3 支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=12.5%；若檢測(cè)了27支有4支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=14.81%；若檢測(cè)了30 支有5 支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=16.67%；若檢測(cè)了33支有6支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=18.18%；若檢測(cè)了35 支有7 支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=20%；若檢測(cè)了37支有8支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且P-FLBnew=21.62%。若檢測(cè)了39支有9支發(fā)生FLB，則認(rèn)為該批試樣檢測(cè)合格，且須繼續(xù)檢測(cè)第40 支，若第40 支沒(méi)有發(fā)生FLB，則P-FLBnew=23.08%，若第40 支發(fā)生FLB，則P-FLBnew=25%。當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中超過(guò)10 支發(fā)生FLB 時(shí)，則按正常ISO標(biāo)準(zhǔn)方法完成檢測(cè)，并計(jì)算得到P-FLBstd。

圖1 方法流程圖Fig.1 Flow chart of the improved method

2.3 方法的準(zhǔn)確性和重復(fù)性

采用本文方法測(cè)定A、B、C 3種高、中、低不同引燃能力的LIP卷煙樣品的重復(fù)性，并與ISO 12863標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。從方法的準(zhǔn)確性看，通過(guò)均值的獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)顯示兩種方法對(duì)樣品A（P=0.715）、樣品B（P=0.984）和樣品C（P=0.241）的重復(fù)性檢測(cè)結(jié)果均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。從方法的重復(fù)性看，該方法對(duì)A、B、C 3 種樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差均略小于ISO 方法，表明該方法的重復(fù)性與ISO 方法相當(dāng)；但從相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差的數(shù)值上看，對(duì)3 種樣品兩種方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均超過(guò)15%，其中樣品C均超過(guò)100%，表明兩種方法重復(fù)性均不佳，且P-FLB 越小的樣品，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差越大；對(duì)3種樣品兩種方法的極差同樣較大，其中樣品A極差均超過(guò)10%，且P-FLB 越小的樣品，極差同樣越小。

表2 方法的準(zhǔn)確性和重復(fù)性Tab.2 Accuracy and repeatability of the new method （%）

許多研究表明P-FLB 作為ISO 12863 標(biāo)準(zhǔn)方法的唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)，其本身穩(wěn)定性不高［11-13］，檢測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差（偏差10%～20%）［12］。生產(chǎn)過(guò)程中卷煙圓度、濾紙物性參數(shù)穩(wěn)定性、卷煙或?yàn)V紙平直度、煙絲填充性和測(cè)試時(shí)第一口的點(diǎn)燃狀態(tài)等隨機(jī)性差異引入的外部不確定性因素，均對(duì)測(cè)試結(jié)果存在一定的影響［11，15］。P-FLB是一個(gè)較為矛盾的指標(biāo)，若認(rèn)為P-FLB是表征LIP卷煙引燃傾向的一種特征數(shù)據(jù)，則其應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，但從計(jì)算方式上看卻是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)概率指標(biāo)，則必然存在置信區(qū)間和置信度。通過(guò)二項(xiàng)分布計(jì)算不同P-FLBstd的置信度F，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知，當(dāng)ISO 12863 標(biāo)準(zhǔn)方法中P-FLBstd合格的取值為0、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%和25%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的置信度水平分別為77.8%、37.3%、27.8%、23.3%、20.6%、18.8%、17.4%、16.4%、15.6%、15.0%和14.4%，表明P-FLBstd僅是置信區(qū)間中置信度最大的一點(diǎn)，且不同P-FLBstd下的置信度均不高。除P-FLBstd=0 時(shí)置信度達(dá)到77.8%外，其余均未超過(guò)40%，且隨著P-FLBstd的升高置信度不斷下降，遠(yuǎn)未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的可信水平，表明P-FLB 并不是一個(gè)穩(wěn)定的指標(biāo)。ASTM 的早期研究中也曾嘗試采用陰燃長(zhǎng)度、陰燃時(shí)間、陰燃速度和LIP 卷煙陰燃時(shí)在濾紙上留下的碳線(xiàn)長(zhǎng)度等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)卷煙的引燃傾向，但其重復(fù)性和再現(xiàn)性結(jié)果均難以滿(mǎn)足要求［18］。

表3 不同P-FLBstd的二項(xiàng)分布置信度①Tab.3 Confidence F of binomial distribution at different P-FLBstd （%）

99%、95%和F≥5% 3 種置信度水平下，不同P-FLBstd時(shí)的置信區(qū)間和最大偏差分布的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，隨著P-FLBstd的增大，不同置信度水平下的置信區(qū)間和最大偏差均逐漸增大，且在全燃支數(shù)為20支時(shí)達(dá)到最大。不同置信度下最大偏差分別為20%、15%和10%，理論計(jì)算結(jié)果與表2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果均較為一致［12］。

表4 ISO方法不同P-FLBstd時(shí)的置信區(qū)間和最大偏差分布Tab.4 Confidence interval and maximum deviation distribution at different P-FLBstd tested by the ISO method

99%、95%和F≥5% 3 種置信度水平下，不同P-FLBnew時(shí)的置信區(qū)間和最大偏差分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。與ISO 標(biāo)準(zhǔn)方法不同，雖然隨著P-FLBnew的增大，置信區(qū)間也在緩慢擴(kuò)大，但最大偏差卻并非單調(diào)增加。通過(guò)配對(duì)t 檢驗(yàn)兩種方法的最大偏差發(fā)現(xiàn)（表6），當(dāng)全燃支數(shù)較小時(shí)（k=0～4），除95%置信度水平外，本文方法的最大偏差顯著大于ISO 方法（P＜0.05）；當(dāng)全燃支數(shù)較大時(shí)（k=5～10），本文方法的最大偏差均顯著小于ISO 方法（P＜0.05）；而當(dāng)將兩者合并考慮時(shí)，兩種方法的最大偏差無(wú)顯著性差異（P ＞0.05）。上述結(jié)果表明兩種方法的穩(wěn)定性整體上并沒(méi)有差異，但當(dāng)P-FLB 較小時(shí)，ISO 方法更穩(wěn)定，當(dāng)P-FLB 較大時(shí)，本文方法更穩(wěn)定，這與表2 的實(shí)際測(cè)試結(jié)果相一致。而實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，考慮到LIP卷煙產(chǎn)品的安全性，檢驗(yàn)人員往往更關(guān)注P-FLB較大的情況，此時(shí)使用本文方法得出的結(jié)果將更為可靠。

表5 本文方法不同P-FLBnew時(shí)的置信區(qū)間和最大偏差分布Tab.5 Confidence interval and maximum deviation distribution at different P-FLBnew tested by this method

表6 兩種方法最大偏差配對(duì)t檢驗(yàn)Tab.6 Maximum deviation by paired t-test of the two methods

由上述分析結(jié)果可知，使用本文方法或ISO 12863 標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的P-FLB 評(píng)價(jià)指標(biāo)置信度普遍不高，從而導(dǎo)致不同人員，不同時(shí)間，不同地點(diǎn)，或不同儀器所測(cè)得的P-FLB 有一個(gè)較大的浮動(dòng)區(qū)間，并最終可能導(dǎo)致對(duì)同種LIP卷煙樣品的判定結(jié)果產(chǎn)生不一致的情況。如由表4和表5可知，在95%置信度水平下，當(dāng)兩種方法的全燃支數(shù)均超過(guò)6 支時(shí)，則存在發(fā)生判定結(jié)果不一致的可能，表明該LIP卷煙產(chǎn)品的防火安全性能存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，有必要考慮作一定的優(yōu)化調(diào)整。

2.4 實(shí)際樣品檢測(cè)結(jié)果

采用本文方法和ISO 標(biāo)準(zhǔn)方法跟蹤了2018—2019年生產(chǎn)的80批次不同LIP卷煙的引燃傾向測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖2）。通過(guò)最小二乘回歸擬合P-FLBnew與P-FLBstd，結(jié)果表明在95%置信度下回歸方程顯著（P＜0.01），方程的擬合斜率為1.035，相關(guān)系數(shù)R 為0.941，均接近于1；95%置信度下所有80批次數(shù)據(jù)點(diǎn)（部分點(diǎn)重合）均落在回歸方程的置信區(qū)間內(nèi)；P-FLBnew與P-FLBstd的最大偏差和平均偏差均較小，分別為5%和1.41%。上述結(jié)果表明采用本文方法與ISO 12863標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定結(jié)果基本一致。

圖2 FLBnew與FLBstd的關(guān)系Fig.2 Relationship between FLBnew and FLBstd

采用本文方法后，測(cè)試所需的卷煙支數(shù)明顯降低，80 批次的平均檢測(cè)支數(shù)為16.14 支，且有55%為檢測(cè)12支時(shí)即可完成（見(jiàn)圖3）。這是由于大多數(shù)市售LIP 卷煙阻燃條的阻燃效果均十分顯著，在10 層濾紙上的P-FLB大多低于10%，且接近于0［17］。綜上所述，與ISO 12863 標(biāo)準(zhǔn)方法相比，采用本文方法在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，使卷煙平均檢測(cè)支數(shù)降低了一半以上，使一個(gè)樣品的平均檢測(cè)時(shí)間和專(zhuān)用濾紙使用量均下降了（40-16.14）/40=59.65%，節(jié)約開(kāi)支和提高效率效果顯著。

圖3 采用本文方法檢測(cè)所需的卷煙支數(shù)Fig.3 Tested cigarette number required by this method

3 結(jié)論

①結(jié)合樣品抽樣方案設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)學(xué)算法建立了一種測(cè)試支數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的卷煙引燃傾向評(píng)價(jià)方法。②P-FLB僅是二項(xiàng)分布的置信區(qū)間中置信度最高的一點(diǎn)，但其置信度仍然較低，導(dǎo)致理論上可產(chǎn)生10%～20%的最大偏差；③當(dāng)P-FLB 較小時(shí)，ISO 方法更穩(wěn)定，當(dāng)P-FLB 較大時(shí)，本文方法更穩(wěn)定，且當(dāng)全長(zhǎng)燃燒支數(shù)超過(guò)6 支時(shí)，卷煙產(chǎn)品的防火安全性能存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，有必要考慮作一定的優(yōu)化調(diào)整。④本文方法與ISO 12863 標(biāo)準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性和重復(fù)性基本一致，通過(guò)80個(gè)LIP樣品檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，本文方法比ISO方法平均檢測(cè)時(shí)間和專(zhuān)用濾紙使用量均下降了59.65%，取得了較好的節(jié)支和提效效果，且操作簡(jiǎn)單，不需要使用額外的儀器。