劉瑞紅，郭吉兆，吳桂周，崔華鵬，文建輝，張 霞，郭 磊，聶 聰，謝復(fù)煒*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88 號 510385

3. 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，長沙市雨花區(qū)勞動中路386 號 410007

4. 甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，蘭州市七里河區(qū)南濱河中路1111 號 730050

卷煙抽吸時，空氣從燃燒錐、卷煙紙及濾嘴三個部位進(jìn)入煙支［1-2］。卷煙各部分的進(jìn)氣量分配直接影響燃燒錐的形成和煙氣在煙支內(nèi)的傳輸、稀釋，進(jìn)而影響煙氣的產(chǎn)生和主流煙氣的釋放［3］。因此，圍繞卷煙內(nèi)部氣流、壓降開展了較多研究。Schneide等［4］和Keith等［5］研究了煙用材料對濾嘴通風(fēng)率影響的計(jì)算模型。王樂等［6-7］分別采用線性網(wǎng)絡(luò)模型和三維數(shù)學(xué)模型研究了卷煙未點(diǎn)燃狀態(tài)下煙支內(nèi)的氣流分布規(guī)律。然而，卷煙實(shí)際燃吸時形成了高溫燃燒錐，煙支吸阻與未點(diǎn)燃時相比增加了50%～60%［8-10］，導(dǎo)致燃吸卷煙的氣流分配和未點(diǎn)燃卷煙差異較大。因此，實(shí)驗(yàn)測定卷煙燃吸時的氣流分配對研究煙氣的產(chǎn)生具有實(shí)際價值。顏水明等［11］和Baker［12］采用經(jīng)吸燃淬滅的煙支進(jìn)行測定，雖然該卷煙帶有碳化的燃燒錐，但由于淬滅后燃燒錐溫度與燃吸時差異很大，淬滅后的燃燒錐吸阻與燃吸時的吸阻差異顯著。鄧楠等［13］測定了卷煙燃吸狀態(tài)下卷煙紙和濾嘴段的總進(jìn)氣量，以抽吸容量與測量值之差作為燃燒錐端進(jìn)氣量，但該方法忽略了卷煙燃吸時燃燒錐因燃燒導(dǎo)致的氣體總量變化，如氧氣的消耗、CO、CO2等的產(chǎn)生。

準(zhǔn)確測定卷煙燃吸狀態(tài)下煙支各部分的進(jìn)氣量對于研究煙氣在燃燒錐的形成和煙支內(nèi)的傳輸規(guī)律具有重要價值［14］。目前的文獻(xiàn)方法忽略了卷煙在燃吸狀態(tài)和非燃吸狀態(tài)下的氣流分配差異，基于此，設(shè)計(jì)了一種能夠直接測定卷煙燃吸狀態(tài)下煙支各部分進(jìn)氣量的裝置，比較了卷煙在未燃和吸燃兩種狀態(tài)下燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)氣量的差異，研究了卷煙燃吸狀態(tài)下煙絲段長度對各部分進(jìn)氣量分配的影響，并分析了單口燃吸的煙氣凈生成量，旨在深入了解卷煙煙氣的形成機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：采用相同煙絲配方制作的不同濾嘴通風(fēng)率卷煙。卷煙物理參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)卷煙物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of experimental cigarettes

儀器：單通道吸煙機(jī)（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）。

1.2 測試裝置

圖1 為設(shè)計(jì)的卷煙進(jìn)氣量測試裝置示意圖。該裝置由單孔道吸煙機(jī)、玻璃材質(zhì)圓筒（長15 cm，直徑8 cm）、密封隔斷組件（2個）、皂膜流量計(jì)（2個）及卷煙夾持器組成。密封隔斷組件設(shè)置有2 個O 型圈用于滑動密封，其中心孔處通過螺紋壓環(huán)固定有2個反向安置的迷宮環(huán)；玻璃圓筒為煙支進(jìn)氣量測試腔，利用密封隔斷組件將玻璃圓筒分隔為2個測試空間，通過硅膠軟管在每個空間各連接一個皂膜流量計(jì)。密封隔斷組件的位置可根據(jù)煙支測定部位的需要進(jìn)行調(diào)整。

圖1 卷煙進(jìn)氣量測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the device for measuring air intake of a cigarette

1.3 測試方法

對于無濾嘴通風(fēng)卷煙，卷煙抽吸時空氣從卷煙紙段和燃燒錐端進(jìn)入煙支，調(diào)整密封隔斷組件位置，將待測煙支穿過密封隔斷組件的迷宮環(huán)插入玻璃圓筒中，使得2個測試空間分別對應(yīng)煙支的卷煙紙段和燃燒錐端，煙支濾嘴端通過卷煙夾持器與吸煙機(jī)相連。在煙支燃燒錐端所在測試空間與空氣相通的條件下，點(diǎn)燃煙支并陰燃15 mm 后封閉燃燒錐端玻璃圓筒，同時記錄皂膜流量計(jì)初示數(shù)據(jù)；啟動吸煙機(jī)抽吸1 口，抽吸波型為鐘形波，抽吸持續(xù)時間2 s；抽吸結(jié)束后，記錄皂膜流量計(jì)終示數(shù)據(jù)，兩個數(shù)據(jù)之差即為卷煙燃吸時由該皂膜流量計(jì)所測煙支段進(jìn)入的空氣體積。

對于濾嘴通風(fēng)卷煙，抽吸時空氣從煙支的濾嘴段、卷煙紙段和燃燒錐端3部分進(jìn)入，將濾嘴段和卷煙紙段合并為總紙段進(jìn)行測定，即調(diào)整密封隔斷組件，將2個測試空間分別對應(yīng)煙支的總紙段和燃燒錐端，首先測得總紙段進(jìn)氣量和燃燒錐端進(jìn)氣量，再移動密封隔斷組件，單獨(dú)測定濾嘴段進(jìn)氣量，卷煙紙段進(jìn)氣量通過總紙段進(jìn)氣量與濾嘴段進(jìn)氣量的差值得到，即獲得濾嘴段、卷煙紙段和燃燒錐端3部分的進(jìn)氣量。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法精密度評價

在不同抽吸容量下，采用設(shè)計(jì)的裝置對1#卷煙燃吸時燃燒錐端和卷煙紙段的進(jìn)氣量進(jìn)行測定，每組數(shù)據(jù)測定6 支卷煙，結(jié)果見表2。在3 種抽吸容量下，燃燒錐端進(jìn)氣量和卷煙紙段進(jìn)氣量測試值的RSD均低于7%，表明采用此裝置測定得到的卷煙燃吸時煙支各部分的進(jìn)氣量結(jié)果精密度較高。為了減小隨機(jī)誤差，本研究后續(xù)數(shù)據(jù)均采用6支卷煙測試結(jié)果的平均值。

表2 卷煙燃吸狀態(tài)下燃燒錐端和卷煙紙段進(jìn)氣量Tab.2 Air intakes from combustion cone and cigarette paper during puffing （mL）

2.2 卷煙燃吸狀態(tài)下煙支進(jìn)氣量的測定

分別采用10、20、35、45、55 和70 mL 的抽吸容量，測定了1#無濾嘴通風(fēng)卷煙和4#濾嘴通風(fēng)卷煙在距點(diǎn)燃端15 mm 處抽吸時其燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段的進(jìn)氣量，結(jié)果如圖2和圖3所示。1#卷煙和4#卷煙抽吸時，其燃燒錐端和卷煙紙段進(jìn)氣量均與抽吸容量呈正比關(guān)系，4#卷煙燃吸時的濾嘴段進(jìn)氣量與抽吸容量也呈正比關(guān)系，這一結(jié)果表明卷煙在同一煙支位置燃吸時，從燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)入煙支的空氣比例不受抽吸容量變化影響。

圖2 未點(diǎn)燃和燃吸兩種狀態(tài)下1#卷煙進(jìn)氣量與抽吸容量的關(guān)系Fig.2 Relationships between air intake and puffing volume of unlit or lit cigarette sample No.1

圖3 未點(diǎn)燃和燃吸兩種狀態(tài)下4#卷煙進(jìn)氣量與抽吸容量的關(guān)系Fig.3 Relationships between air intake and puffing volume of unlit or lit cigarette sample No.4

為比較燃吸和非點(diǎn)燃兩種狀態(tài)下煙支進(jìn)氣量分配的差異，測定了未點(diǎn)燃卷煙燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段的進(jìn)氣量。如圖2和圖3所示，在不同抽吸容量下，1#無濾嘴通風(fēng)卷煙和4#濾嘴通風(fēng)卷煙燃燒錐端進(jìn)氣量燃吸時均比未點(diǎn)燃時低，而卷煙紙段進(jìn)氣量燃吸時均比未點(diǎn)燃時高，4#卷煙濾嘴段進(jìn)氣量燃吸時也比未點(diǎn)燃時高。這是由于卷煙燃吸時產(chǎn)生了高溫燃燒錐，使燃燒錐端吸阻增加，從而降低了空氣從燃燒錐端進(jìn)入的傾向，進(jìn)而導(dǎo)致燃吸卷煙各部分的進(jìn)氣量大小和分配比例與未點(diǎn)燃卷煙有明顯差異。

在ISO 標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件下，文獻(xiàn)［11］中采用與1#卷煙相同通風(fēng)設(shè)計(jì)的煙支，測定其在經(jīng)吸燃后淬滅狀態(tài)下的燃燒錐端進(jìn)氣量為33.30 mL，大幅高于本實(shí)驗(yàn)中23.92 mL的測定值。這一方面是因?yàn)榫頍熑嘉鼤r的煙支吸阻比吸燃后淬滅煙支的吸阻高［11］，另一方面是由于卷煙燃吸時煙絲熱解、燃燒產(chǎn)生了氣相成分，貢獻(xiàn)了部分煙支內(nèi)氣體流量，因此對吸燃后淬滅煙支進(jìn)氣量的測定并不能反映卷煙抽吸時真實(shí)的氣體流量傳輸規(guī)律。

2.3 卷煙燃吸狀態(tài)下濾嘴通風(fēng)率的測定

測定了3 種濾嘴通風(fēng)卷煙在未點(diǎn)燃和燃吸狀態(tài)下的濾嘴段進(jìn)氣量，考察了煙支狀態(tài)對濾嘴通風(fēng)率的影響，結(jié)果如表3 所示。采用的抽吸容量為35 mL、抽吸時間為2 s，抽吸位置為距點(diǎn)燃端15 mm。表3中數(shù)據(jù)顯示，3種卷煙燃吸時的濾嘴通風(fēng)率均大于未點(diǎn)燃狀態(tài)下的濾嘴通風(fēng)率，其中2#卷煙、3#卷煙和4#卷煙燃吸時的濾嘴通風(fēng)率與未燃時相比分別增加了31.2%、29.6%和25.9%。這是由于卷煙燃吸時，燃燒錐的產(chǎn)生增加了煙絲段吸阻，而濾嘴段吸阻基本不變，因此從煙絲段進(jìn)入的空氣量趨于減少，進(jìn)而導(dǎo)致從濾嘴段進(jìn)入的空氣量相應(yīng)增加。

表3 3種通風(fēng)卷煙燃吸狀態(tài)下濾嘴進(jìn)氣量及實(shí)際通風(fēng)率Tab.3 Air intake from cigarette filter and actual filter ventilation rates of three cigarette samples with different ventilation rates during puffing

2.4 卷煙燃吸狀態(tài)下進(jìn)氣量與煙絲段長度的關(guān)系

卷煙逐口抽吸過程中，隨著煙絲段長度縮短，煙絲段吸阻降低，煙支逐口氣體流量的分配隨煙絲段長度縮短而改變。圖4 和圖5 分別為1#無濾嘴通風(fēng)卷煙燃吸時其燃燒錐端和卷煙紙段進(jìn)氣量隨煙絲段長度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，卷煙燃吸狀態(tài)下燃燒錐端進(jìn)氣量隨煙絲段長度減小而增加，卷煙紙段進(jìn)氣量隨煙絲段長度減小而減少。這主要?dú)w于卷煙紙段進(jìn)氣量和卷煙紙表面積呈正相關(guān)，煙絲段長度減小，卷煙紙表面積相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致卷煙紙段進(jìn)氣量降低，而抽吸容量不變，因此燃燒錐端進(jìn)氣量增加。另外，由圖4 和圖5 可知，燃燒錐進(jìn)氣量與煙絲段長度呈近似線性關(guān)系，煙絲段長度每縮短1 mm，燃燒錐端進(jìn)氣量約增加0.2 mL；而卷煙紙段進(jìn)氣量與煙絲段長度的平方呈線性關(guān)系，和文獻(xiàn)［7］的理論模型一致。

圖4 1#卷煙燃吸狀態(tài)下燃燒錐端進(jìn)氣量和煙絲段長度的關(guān)系Fig.4 Relationship between air intake from combustion cone and remaining tobacco rod length of cigarette sample No.1 during puffing

圖5 1#卷煙燃吸狀態(tài)下卷煙紙段進(jìn)氣量和煙絲段長度的關(guān)系Fig.5 Relationship between air intake from cigarette paper and remaining tobacco rod length of cigarette sample No.1 during puffing

2.5 煙氣凈生成量

卷煙燃吸時，煙絲經(jīng)高溫?zé)峤?、燃燒產(chǎn)生了煙氣，空氣中氧氣被消耗的同時產(chǎn)生包括CO、CO2、乙醛、丙酮等氣相成分［15-18］，可能導(dǎo)致消耗的氣體量和產(chǎn)生的煙氣量不等，進(jìn)而影響煙支內(nèi)部氣體流量分配。上述研究可知，卷煙燃吸時燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)氣量與抽吸容量成正比例關(guān)系，其線性擬合曲線的斜率代表了煙支相應(yīng)部位進(jìn)氣量占抽吸容量的比例，將圖2和圖3中各直線的線性方程和相關(guān)系數(shù)列于表4。

由表4可知，1#卷煙未點(diǎn)燃時其燃燒錐端進(jìn)氣量和卷煙紙段進(jìn)氣量分別約占抽吸容量的87.27%和9.99%，二者之和接近100%，這是由于1#卷煙為無濾嘴通風(fēng)卷煙，抽吸時空氣僅從燃燒錐端和卷煙紙段進(jìn)入煙支，抽吸容量和進(jìn)氣量之和遵循物質(zhì)守恒原則。而燃吸時1#卷煙燃燒錐端進(jìn)氣量約占抽吸容量的67.25%，卷煙紙段進(jìn)氣量約占16.49%，二者之和僅為83.74%。與此類似，4#濾嘴通風(fēng)卷煙燃吸時其燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)氣量之和僅為88.54%，同樣小于抽吸容量。這說明卷煙燃吸時消耗的氣體體積小于生成的煙氣體積，即煙絲熱解、燃燒過程存在氣體凈生成量，使得從燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)入的空氣總量與抽吸容量不一致。通過“單口煙氣凈生成量=抽吸容量-卷煙紙段進(jìn)氣量-燃燒錐端進(jìn)氣量-濾嘴段進(jìn)氣量”的物質(zhì)守恒計(jì)算公式可得到1#卷煙和4#卷煙單口燃吸產(chǎn)生的凈煙氣量分別約占抽吸容量的16.26%和11.46%。圖6為1#卷煙和4#卷煙燃吸時其煙支內(nèi)部的氣體流量分配，提示卷煙燃吸產(chǎn)生的凈煙氣量在卷煙煙氣傳輸、分配規(guī)律的研究中應(yīng)予以關(guān)注。

表4 1#和4#卷煙燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)氣量與抽吸容量間的線性方程Tab.4 Linear equations between the combustion cone，cigarette paper and filter of cigarette samples No.1 and No.4 and puffing volume

圖6 1#卷煙和4#卷煙燃吸狀態(tài)下煙支氣體流量分配Fig.6 Air flow distribution of cigarette samples No.1 and No.4 during puffing

2.6 卷煙燃吸狀態(tài)下燃燒錐端進(jìn)氣量與煙氣凈生成量的關(guān)系

燃燒錐端進(jìn)氣量直接影響煙絲的熱解、燃燒過程，進(jìn)而影響煙氣的生成量。為了探究卷煙燃吸狀態(tài)下燃燒錐端進(jìn)氣量與煙氣凈生成量的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測進(jìn)氣量數(shù)據(jù)，計(jì)算1#和4#卷煙不同抽吸容量下燃燒錐端進(jìn)氣量與煙氣凈生成量關(guān)系如圖7和圖8所示。由圖可知，無論卷煙濾嘴通風(fēng)與否，卷煙燃吸時，燃燒錐端進(jìn)氣量越大，單口燃吸產(chǎn)生的凈煙氣量越大，二者呈正比例關(guān)系，且兩種卷煙燃吸時，其燃燒錐端進(jìn)氣量和煙氣凈生成量的線性擬合曲線斜率均約為0.24，即本實(shí)驗(yàn)所用卷煙燃吸時，每毫升燃燒錐端進(jìn)氣量約能產(chǎn)生0.24 mL 凈煙氣量。這一結(jié)果也說明煙絲配方相同時，單位燃燒錐端進(jìn)氣量產(chǎn)生的凈煙氣量基本相同，與卷煙通風(fēng)和抽吸容量無關(guān)。

圖7 1#卷煙燃燒錐進(jìn)氣量與單口煙氣凈生成量的關(guān)系Fig.7 Relationship between air intake from the combustion cone and the net smoke yield per puff of cigarette sample No.1

圖8 4#卷煙燃燒錐進(jìn)氣量與單口煙氣凈生成量的關(guān)系Fig.8 Relationship between air intake from the combustion cone and the net smoke yield per puff of cigarette sample No.4

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可直接測定卷煙進(jìn)氣量的裝置，對燃吸狀態(tài)下卷煙燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進(jìn)氣量進(jìn)行了測量和分析。結(jié)果表明：①由于燃燒錐吸阻的存在，卷煙燃吸時不同部分的氣流分配與未燃卷煙不同；②卷煙燃吸時燃燒錐端進(jìn)氣量低于未點(diǎn)燃卷煙，卷煙紙段進(jìn)氣量高于未點(diǎn)燃卷煙，卷煙的濾嘴通風(fēng)率高于未燃卷煙濾嘴通風(fēng)率；卷煙燃燒錐端進(jìn)氣量和煙絲段長度呈負(fù)的線性相關(guān)關(guān)系，卷煙紙進(jìn)氣量與煙絲段長度的平方呈正比例關(guān)系；③卷煙抽吸時燃燒錐煙氣凈生成量與燃燒錐端進(jìn)氣量呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)卷煙燃吸時每毫升燃燒錐端進(jìn)氣量約凈產(chǎn)生0.24 mL的煙氣。