卷烟烟气由粒相物质和气相物质两部分组成，滤棒对烟气的不同组分影响机制存在差异。同时，在普通醋纤滤棒基础上开发出多种特种滤棒，特种滤棒在结构组成和过滤材质等方面具有特殊性，其对卷烟烟气的过滤机制与普通滤棒也有所不同。

一、通滤棒对卷烟烟气的影响机制

典型的醋酸纤维滤棒如图5-1所示，每个滤嘴由约一万多根单丝束组成，丝束沿滤嘴轴向排列，烟气以此轴向方向进入滤嘴。滤嘴中的纤维每英寸有10～30个z形卷曲，醋酸纤维处于沿烟气流动方向30°～45°的位置。在ISO抽吸条件下（每口抽吸体积35mL、抽吸持续时间2s、抽吸间隔58s），烟气以层流方式流经醋酸纤维丝束滤嘴。同时，如图5-2所示，滤嘴丝束之间的空隙尺寸比烟气粒子直径要大2～3个数量级，所以滤嘴对烟气粒相物质的过滤主要为物理机械效应。

图5-1 卷烟滤嘴模型示意图

图5-2 滤嘴对烟气过滤示意图

滤嘴对卷烟烟气微粒的过滤截留形式主要包括直接拦截、惯性碰撞和扩散沉积，最普遍的过滤方式是直接拦截。

1. 直接拦截过滤机制

直接拦截是最常见的滤嘴过滤机制，在醋纤滤嘴中，纤维的圆柱截面是与烟气流向垂直的，纤维间的距离显著大于烟气微粒尺寸，烟气通过滤嘴内部，微粒与烟气流作横向交叉移动，彼此频繁碰撞，在冷凝作用下集聚成较大的球状粒子。当烟气微粒沿着主流烟气气流运动时，有的微粒会与单根纤维接触并被拦截，黏附在它们接触的任一纤维表面上，从而形成烟气微粒的直接拦截过滤机制，如图5-3所示。

2. 惯性碰撞过滤机制

具有一定质量的烟气微粒，其运动有一定的惯性，而不完全是严格地按照气流的流向移动，一般是因惯性做直线运动，与丝束材料的表面接触后产生一定的压力，由于这种压力而产生的黏滞作用致使微粒的运动趋于静止，这种过滤方式称为惯性碰撞（图5-4）。惯性碰撞的过滤对象一般是烟气气溶胶粒子，尤其对质量较大的粒子起重要的过滤作用。

图5-3 烟气微粒直接拦截原理示意图

图5-4 烟气微粒惯性碰撞原理示意图

3. 扩散沉积过滤机制

质量很小的微粒其运动是不规则的，它们与空气介质分子互相碰撞之后，以大于其本身直径数倍的移动距离脱离原来的运动轨迹做不稳定移动，从而形成布朗运动，其结果是导致微粒横穿过气流线与另一根丝束纤维接触而被吸附滤除，这种过滤功能称之为扩散沉积（图5-5）。

图5-5 烟气微粒扩散沉积原理示意图

如上所述，滤嘴中两根纤维之间的距离大于烟气粒子尺寸2～3个数量级。由于烟气气溶胶中的微粒浓度很高，其与滤嘴纤维之间发生碰撞的概率很大，但烟气微粒与纤维尺寸、纤维之间距离尺寸差别较大，因此微粒与纤维碰撞的截留率相对较低。醋纤丝束对烟气微粒的过滤作用以直接拦截和扩散沉积为主，而惯性碰撞占很小比例。其中滤嘴中丝束的分布致密程度、单根丝束的尺寸和形状等都会对烟气的过滤效率造成影响。

二、特种滤棒对卷烟烟气的影响机制

与普通滤棒相比，特种滤棒结构构成、滤材组成、滤材材质等方面均发生显著改变，而其对卷烟烟气的过滤机制亦随之发生变化。

1. 沟槽滤棒对烟气的影响机制

沟槽滤棒是由特殊结构的沟槽纯纤维素纸包裹醋酸纤维丝束滤芯制成。根据纯纤维素纸的不同结构，沟槽滤棒分为截点式沟槽滤棒和间断式沟槽滤棒。上文提到，醋纤滤嘴对卷烟主流烟气中粒相物的过滤效能主要是靠醋酸纤维丝束对烟气粒相物的直接截留、粒相物的惯性碰撞和扩散沉积作用。在沟槽滤棒中，纯纤维素纸不仅具有与醋酸纤维丝束相似的对烟气粒相物机械截留作用，且其截留效率远高于醋酸纤维丝束。同时，由于在纯纤维素纸上制成的特殊压纹沟槽扩大了其比表面积，改变了卷烟烟气在沟槽滤嘴中的行进路线，提高了烟气粒相物在沟槽滤嘴中的惯性碰撞和扩散沉积，因此对烟气粒相物具有更好的过滤效果，能更有效地降低卷烟烟气中的焦油量。两种沟槽滤嘴对卷烟主流烟气中粒相物的过滤机理见图5-6。

图5-6 不同沟槽滤嘴过滤机理示意图

如图5-6所示，由于纯纤维素纸结构不同，所制成的沟槽滤嘴对卷烟烟气的过滤效果也不同，截点式沟槽滤嘴的过滤效果略高于间断式沟槽滤嘴。这是因为主流烟气在截点式沟槽中行进时遇到截点阻挡而产生碰撞，使烟气流向不断改变，再与其他位置的截点碰撞，从而产生扩散沉积，曲折的行进路径使沟槽纤维素纸产生了 “路径效应”，因此过滤效率提高的同时，由于沟槽滤棒在纤维素纸上进行压槽，从而形成了烟气的低压降通道，增加了烟气的横流过滤，也增大了与空气的混合，增大了滤嘴的截留效果。

2. 活性炭滤棒对烟气的影响机制

活性炭具有丰富的多孔性结构和表面含氧官能团，具有优良的吸附性能。活性炭是目前为止应用最广泛且最有效的一种卷烟滤嘴添加剂。

活性炭颗粒孔径大小不同，在吸附过程中发挥的作用也不同。微孔（孔径＜2nm）主要是起吸附作用，为吸附质分子的主要滞留场所；中孔（2nm＜孔径＜50nm）是吸附质分子的传输通道，同时也吸附一部分不能进入微孔的分子；大孔（孔径＞50nm）主要是吸附质分子的传输通道。活性炭的吸附性能取决于其表面的物理化学性质，物理性质影响活性炭的吸附容量，化学性质影响活性炭与吸附质之间的相互作用。在卷烟烟气中，活性炭主要是通过表面化学反应的化学吸附方式和微孔表面冷凝的物理吸附方式来实现卷烟烟气的过滤作用。

三、滤棒的过滤效率

过滤效率指截留于滤嘴上的物质量和烟气进入滤嘴时所含物质量的比率。过滤效率作为评价滤棒性能的主要指标之一，通常指滤嘴对总粒相物、焦油和烟碱三种物质的过滤效率。

鉴于总粒相物、焦油的过滤效率测定易受环境温湿度等因素的影响，为评价数值的准确性，烟草行业一般采用烟碱的过滤效率对滤棒性能进行评价，除非特殊说明，下文提到的过滤效率均指烟碱过滤效率。滤嘴烟碱过滤效率指滤嘴中截留的烟碱占烟支产生的总粒相物中烟碱的百分数。根据烟草行业标准方法测定滤嘴中的烟碱含量（m_F）和剑桥滤片捕集的烟碱含量（m_H），烟碱过滤效率（NFE）的计算公式如下：

NFE = [ m_F/（m_F+m_H）] × 100%

根据研究，滤棒过滤效率与滤棒长度、压降及丝束规格等诸多因素相关。根据相关的方面，滤棒压降公式如下：

式中 Δp——包胶部分的压力降，mmH₂O；

q——容积流量，cm³/s；

L——滤嘴长度，mm；(www.daowen.com)

S——纤维的比表面积，m²/g；

ϕ——纤维体积分数，；

m——纤维质量，g；

C——滤嘴周长，mm；

ρ——聚合物密度，g/cm³；

d——ρ_L单丝线密度，g/9 × 10⁵ cm；

b——黏结系数。

F（ϕ，θ） =（2ϕ - 1 -lnϕ）-（4ϕ - 3ϕ² - 2 -lnϕ） cosθ

cosθ = TL/9 × 10^θm

式中 θ——平均卷曲角，°；

T——纤维总线密度，g/9 × 10⁵ cm。

从上述滤嘴压降公式中可以看出过滤材质、丝束规格、单丝横截面形状及滤嘴长度等均会导致滤棒压发生变化，进而导致滤棒过滤效率发生变化。作为过滤载体的滤嘴对烟气中有害物质的过滤效率取决于过滤材料的种类、滤嘴结构、滤嘴的物理性能。醋酸纤维滤嘴对烟气气溶胶里有害物质过滤效率的高低，与醋酸纤维丝束及醋酸纤维滤嘴的技术标准、产品规格及品种有直接关系。在研究滤嘴的过滤效率时，要对整个过滤系统进行分析。对于由上万根丝束组成的滤嘴而言，单根醋酸纤维丝束的过滤效率表示如下：

式中 e_f——单根纤维过滤效率；

I——；

D——；

r_p——微粒半径，μm；

r_a——有效纤维半径，μm；

ϕ——纤维体积分数；

v_o——线性流速，cm/s；

C_f——坎宁安滑移流动校正系数；

μ——气体黏度，P；

k——玻耳兹曼常数，dyn·cm/℃；

T——热力学温度，K；

ρ——聚合物密度，g/cm³。

按照单根纤维的过滤效率对整个滤嘴长度上的全部纤维进行全部积分即可得到整个滤嘴的过滤效率，如下式所示，增加滤嘴的长度、吸阻、圆周等指标，减小单丝旦数，可以提高滤嘴的过滤效率。

式中 E——过滤效率（烟气、烟碱或焦油）；

L——滤嘴长度，mm；

ΔP——在17.5 cm³/s的流量下压力降，mmH₂O；

C——滤嘴周长，mm；

Δ——单丝旦数，g。

综上，卷烟烟碱过滤效率是表征滤棒性能的重要指标，其影响卷烟主流烟气的释放量，进而影响卷烟感官质量。对于带有醋纤丝束过滤嘴的典型结构卷烟而言，其烟碱过滤效率与丝束规格、滤嘴长度、滤棒压降、滤棒圆周及滤嘴通风率等诸多因素有关。如果不考虑卷烟正常设计参数，为了准确反映滤嘴丝束的烟碱过滤效率，通常将滤嘴通风率设置为0，排除通风稀释的影响。