卷烟纸透气度一般指由卷烟纸疏松多孔纤维结构形成的自然透气度,在卷烟燃烧过程中影响烟支静态燃烧速率,对烟气成分具有稀释和扩散作用,进而影响烟支通风率和抽吸口数,对烟气成分释放量控制具有显著的作用。
一、透气度对卷烟静燃速率和通风率的影响
卷烟纸自然透气度取决于纤维种类及配比、填料微粒大小和用量、纸的密度(定量)。卷烟纸打孔可提高纸的透气度,但目前不常采用。
卷烟纸透气度对烟支燃烧时烟气流向的影响见图3-1。
图3-1 烟支烟气流向示意图
1. 透气度对卷烟静燃速率的影响
卷烟静燃速率取决于氧气通过扩散到达燃烧区的速度和纸上的微孔数。提高卷烟纸自然透气度,卷烟燃烧供氧量增加,静燃速度加快,导致通过抽吸燃烧的烟丝总量减少,抽吸口数减少,烟气释放量降低。当透气度达到一定水平(70~80CU)后,卷烟的静燃速率趋于稳定,抽吸口数也开始趋于稳定或增加。透气度具体的转折点位置取决于基础纸张、添加剂、填料以及叶组配方的组合。
利用打孔的方式提高透气度时,打孔能增加纸的空气渗透能力,但不影响氧气的扩散能力;因此打孔透气度增加时,不会影响卷烟的静燃速率。
2. 透气度对卷烟抽吸口数的影响
卷烟燃吸时,外部空气透过卷烟纸向内扩散稀释烟气,燃烧产生的轻气体向外扩散减少。卷烟纸透气度升高时,纸张微孔数目增加,稀释作用和扩散作用均增强,卷烟抽吸口数减少,降低烟气成分的含量。透气度由12CU增加到100CU,抽吸口数约减少1口。
利用打孔的方式提高透气度时,卷烟静燃速率不改变,但通风率比原纸提高,从而减少了抽吸时烟丝的燃烧量,最终引起抽吸口数增加。透气度由12CU增加到120CU,抽吸口数增加近1口。
图3-2 透气度对卷烟静燃速率的影响
图3-3 透气度对抽吸口数的影响
3. 透气度对通风率的影响
Baker等人曾报道了公式(3-1)和式(3-2)所示的卷烟纸透气度与烟支段通风率的关系
式中 VP——烟支段通风率;
qP——给定唇端流量qd时,穿过卷烟纸的气流量;
P——唇端流量为 qd时的烟条吸阻,cmH2O;
r——烟条半径,cm;
ω——卷烟纸透气度/10cmH2O,cm/min/cm H2O;
L——烟条长度,cm。
上述公式中,烟支段通风率随卷烟纸自然透气度的增加而增加,呈线性关系。
提高卷烟纸自然透气度,烟支段通风率增加,燃烧锥的抽吸容量会减少,通过抽吸消耗的烟丝相应减少,烟气释放量也就减少了。
图3-4 透气度对烟支段通风率的影响
卷烟纸透气度对烟支段通风率的影响程度,还与卷烟的滤嘴段通风率有密切关系。采用相同透气度的卷烟纸,当滤嘴段通风率提高时,烟支段通风率会相应降低,因此,滤嘴通风率越高,卷烟纸透气度对烟气成分释放量的影响就越弱。
二、透气度对卷烟燃吸温度分布的影响
烟支的燃烧温度是影响主、侧流烟气中化学成分及含量进而影响卷烟品质最基本的特性参数之一。它直接影响着燃烧锥后烟草成分的热解合成反应,影响了卷烟各种挥发、半挥发的成分向烟气中的输送量,也与烟气中有害成分的多少有很大的关联。卷烟燃烧温度高时,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,烟气释放量将增加。因此,降低燃烧温度在一定程度上有利于卷烟焦油的降低。
在卷烟燃吸过程中,卷烟纸透气度可能通过两个方面影响卷烟燃烧状态:一是静燃时的空气自然对流状态下,对燃烧锥空气扩散总量的影响;二是抽吸时的空气主动抽吸状态下,对空气经烟支轴向向燃烧锥扩散量的影响。在这两种作用下,卷烟纸通过影响进入燃烧锥位置的空气量和热量散失而影响卷烟燃吸温度。不同透气度卷烟纸通过改变进入燃烧锥的空气量,进而造成烟支燃烧状态和烟气成分释放量的改变。
1. 卷烟燃吸温度分布的表征
烟支的燃吸是烟支被点燃、静燃(间隔58s)、抽吸2s ,阴燃(间隔58s)、再到下一次抽吸2s ,如此循环直至烟支燃尽熄灭的过程,该过程中燃吸温度呈动态分布。卷烟燃吸温度的分布可用以下参数表征
式中 V——温度在T以上的累积体积分数;
V0——燃烧锥体积,指200℃以上的累积体积;(www.daowen.com)
TS——燃烧锥特征温度,表示燃烧锥体积占全部200℃以上累积体积36.8%时的温度;
Tmax——燃烧锥最高温度;
N——分布参数,反映整个温度体积的分散程度。
2. 透气度对卷烟燃烧锥最高温度的影响
研究表明,随着卷烟纸透气度的增加,卷烟燃吸过程中最高温度呈先降低后升高的趋势,在70CU发生转折(见图3-5)。卷烟纸透气度从40CU逐步增加至70CU时,卷烟燃烧锥最高温度从801℃降至784℃,当透气度继续增加至80CU时,最高温度出现转折,从784℃升至791℃。
3. 透气度对卷烟燃烧锥体积的影响
在卷烟燃吸过程的3个阶段(静燃、抽吸及阴燃),随着卷烟纸透气度的增加(40~80CU),燃烧锥体积的变化规律呈现一定的相似性(见图3-6)。①随着透气度的增加,燃烧锥体积呈现先增加后降低的趋势,在70CU左右呈现转折点。因为卷烟纸透气度的增加可明显促进空气向燃烧锥的扩散,进入燃烧锥的空气量增加,促进燃烧过程,从而增加了燃烧锥的体积;当卷烟纸透气度大于70CU后,自然对流的散热作用增强,从而导致燃烧锥的体积减小。②在主动抽吸的作用下,燃烧锥体积呈现快速增加趋势;静燃和阴燃过程的燃烧锥体积变化较小。
图3-5 透气度对卷烟燃烧锥最高温度的影响
图3-6 卷烟纸透气度对燃烧锥体积的影响
4. 透气度对卷烟燃烧特征温度和分布参数的影响
随着卷烟纸透气度的增加(40~80CU) ,卷烟特征温度TS和分布参数N均呈现先增加后降低的趋势,并且转折点随燃吸的不同阶段而发生改变,见图3-7。
在40~60CU范围内,随着卷烟纸透气度的增加,特征温度TS呈现增加趋势,说明燃烧作用加剧。当卷烟纸透气度继续增加至70CU时,特征温度TS呈现下降趋势,透气度增加至80CU时,特征温度TS下降更加显著,接近40~50CU时的水平。
在40~60CU范围内,随着卷烟纸透气度的增加,静燃阶段与阴燃阶段的温度分布参数N呈现增加趋势,说明温度分布更加集中;当卷烟纸透气度继续增加至70CU时,分布参数N出现拐点,开始呈现下降趋势。随着透气度的增加(40~80CU),抽吸阶段的温度分布参数N在总体上呈现降低趋势,但在60CU时出现最高点。
图3-7 卷烟纸透气度对燃烧锥特征温度TS和分布参数N的影响
三、透气度对烟气有害成分的影响
随着卷烟纸透气度的增加,从燃烧锥进入烟支的气流量增加,氧气向烟支内的扩散量与烟气向烟支外的扩散量也增加,同时静燃速度提高;这些因素的共同影响导致每口抽吸所消耗的烟丝量减少,燃烧反应放出的热量相对减少,烟支燃烧锥后区域的温度梯度降低,蒸馏和高温裂解物减少,从而使烟气成分的释放量受到不同程度的影响。
卷烟纸透气度对烟气焦油、7种有害成分及危害性指数(H)的影响见图3-8;卷烟纸透气度与7种有害成分释放量的线性回归分析见表3-1。研究结果表明:随着卷烟纸透气度的增加,烟气中的焦油、CO、HCN、NH3、NNK、苯并 [a] 芘和苯酚释放量均有所降低,但巴豆醛释放量无明显变化。
卷烟纸透气度与CO、HCN、NNK和NH3具有显著的负相关性(R>0.9),与苯酚和苯并[a]芘释放量有一定的负相关性(R>0.8),与巴豆醛释放量无相关性。由线性方程推导出,卷烟纸透气度每增加10CU,NNK、苯酚、CO、苯并[a]芘、NH3和HCN的释放量可分别降低1.24%,3.04%,3.74%,3.85%,4.42% 和4.71%。NNK变化幅度不大,说明透气度对NNK影响较小。
图3-8
图3-8 卷烟纸透气度对焦油、 H及7种成分释放量的影响
卷烟纸透气度与焦油、危害性指数具有显著相关性。随着卷烟纸透气度的增加,卷烟的焦油、危害性指数明显下降。
表3-1 卷烟纸透气度与焦油、 H及7种成分释放量的线性回归方程参数
四、透气度对感官质量和包灰性能的影响
1. 透气度对卷烟感官质量的影响
于川芳等的研究结果见图3-9,随着透气度的增加,卷烟香气量、烟气浓度略呈下降趋势;当透气度达到一定程度(80CU)后,在一定范围内(80~100CU),变化的程度便不再明显,但刺激性开始增大,同时烟气的细腻程度、干净程度以及杂气、干燥感等感官质量指标有所下降。
图3-9 透气度对感官质量的影响
同时,卷烟纸透气度过高时,稀释作用增强,易导致烟支前后抽吸口数之间烟气稀释率的大幅度变化,造成在抽吸过程中烟味产生由淡至浓的明显波动,使前后抽吸出现较大吸味差异。
2. 透气度对卷烟包灰性能的影响
卷烟纸直接参与烟支燃烧,它与烟丝共同燃烧后形成管状灰体,灰色及是否容易落灰、掉头影响消费者的感官视觉体验,因此包灰性能是衡量卷烟纸品质的一个重要指标。卷烟的包灰性能好,烟柱美观,不容易落灰;包灰性能差,则抽吸时烟灰掉落严重,污染环境。
卷烟包灰性能主要取决于卷烟纸与烟丝的燃烧性能。卷烟纸燃烧比烟丝快时,烟丝来不及变成烟灰,没外围支撑的纸灰就无法向内凝结而破裂散落,还会造成烟支燃烧锥过长,严重时导致燃烧锥掉头。卷烟纸燃烧比烟丝慢时,烟头会缩进卷烟纸内,因缺乏氧气而造成烟支熄灭。
相关研究结果表明,卷烟纸透气度在40~70CU范围变化时,随着透气度增大,空气进入量增加,烟丝燃烧性提高,灰色变白,包灰性能有所改善,但总体变化较小。
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