成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数对卷烟滤嘴通风率的影响
胡少东 楚文娟 鲁平 段鹍 卢金领 冯银龙 崔春 孟祥士 李小福
摘要：采用单因素试验初步考察成形紙透气度、接装纸透气度和打孔排数3个因素对卷烟滤嘴通风率的影响，采用裂区试验进一步分析3个因素及其交互作用对卷烟滤嘴通风率和主流烟气化学成分的影响.结果表明：在单因素试验和裂区试验中，卷烟滤嘴通风率随着接装纸透气度或打孔排数的增加而增大;在3300～8000CU范围内，成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率影响显著，超过8000CU后，成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响减小;成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数3个因素交互作用明显，可协同调节卷烟滤嘴通风率;随着成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数的增加，卷烟主流烟气中烟碱、焦油和CO的含量逐渐降低.在实际生产中，选取成形纸透气度8000CU，接装纸透气度250CU，打孔排数3排，既能降低卷烟烟气中烟碱、焦油和CO含量，又能减少烟气香味损失.
Abstract：Thesingle＼|factorexperimentwasusedtoinvestigatetheeffectoffilterwrapsairpermeability，tippingpapersairpermeability，andperforationrownumberonthefilterventilationrateofthecigarette.Furthermore，theeffectsofthreefactorsandtheirinteractiononthefilterventilationrateofthecigaretteandthechemicalcompositionofmainstreamsmokebysplit＼|plotexperimentwereanalyzed.Theresultsshowedthatthefilterventilationrateofthecigaretteincreasedwiththeincreaseoftippingpapersairpermeabilityorperforationrownumberinsingle＼|factorexperimentandsplit＼|plotexperiment.Intherangeof3300～8000CU，theeffectofthepermeabilityoftheformedpaperontheventilationrateofthecigarettefilterwassignificant.Afterexceeding8000CU，theeffectoffilterwrapsairpermeabilityonthefilterventilationrateofthecigarettedecreased.Thethreefactorsoffilterwrapsairpermeability，tippingpapersairpermeability，andperforationrownumberhadsignificantinteractions，whichcouldcoordinatelyadjustthefilterventilationrateofcigarette.Withtheincreaseofthefilterwrapsairpermeability，tippingpapersairpermeability，andperforationrownumber，thecontentofnicotine，tarandCOinthemainstreamsmokeofcigarettedecreased.Accordingtoactualneeds，thefilterwrapsairpermeabilitywas8000CU，tippingpapersairpermeabilitywas250CU，andperforationrownumberwas3，whichcouldreducethecontentofnicotine，tarandCOinthecigarettesmoke，andreducethelossofsmokearoma.
关键词：成形纸透气度;接装纸透气度;打孔排数;滤嘴通风率
Keywords：filterwrapsairpermeability;tippingpapersairpermeability;perforationrownumber;filterventilationrate
0引言
通风稀释是卷烟降焦重要而有效的方法之一.其原理是外界空气通过外包纸进入主流烟气，使烟气中化学成分相对量降低，以达到稀释的效果.此外，通风还可降低燃烧过程中烟气的流速，延长烟气在滤嘴上的截留时间，提高滤嘴的过滤效率[1-2].
卷烟通风率包括滤嘴通风率和烟条段通风率，是影响卷烟卷接效果、主流烟气成分的重要指标.其中，滤嘴通风率主要通过成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数来控制[3].虽然目前关于成形纸透气度[4]和接装纸透气度[5]对卷烟通风率影响的研究较多，但主要是关于单因素或多因素的线性回归分析[6-7]，对于多元的二次分析较少，且不能直观地找出最优条件区域.
为了准确、高效、快捷地确定卷烟材料主要因素对卷烟滤嘴通风率的影响规律，本文拟基于线性回归和响应面分析方法，探讨成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数诸因素的多元组合对卷烟滤嘴通风率、烟气化学成分的影响，旨在为卷烟材料的合理搭配和科学使用提供参考.
1材料与方法
1.1材料、试剂与仪器
主要材料：高透气度成形纸，牡丹江恒丰纸业股份有限公司产;接装纸，浙江本科特水松纸有限公司产;醋纤滤棒（长度120mm，圆周24.3mm，压降2800Pa），江苏南通烟滤嘴有限责任公司产;横纹卷烟纸（透气度50CU，克重29g/m2），浙江民丰特种纸股份有限公司产;“黄金叶”某规格配方烟丝，河南中烟工业有限责任公司产.
主要试剂：异丙醇、正十七碳烷，分析純，国药集团化学试剂有限公司产.
主要仪器：SM450型直线吸烟机，英国Cerulean公司产;GC6890-MS5973N型气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent公司产;LA-230S型电子天平，感量0.0001g，北京赛多利斯仪器有限公司产;LP-11型恒温恒湿箱，德国Binder公司产;QTMOPC835ULe型综合测试台，英国Cerulean公司产.
1.2实验方法
1.2.1单因素试验设计
在前期实验的基础上，选取成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数3个因素，初步研究其对于卷烟滤嘴通风率的影响.
1）成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响：固定接装纸透气度为150CU，打孔排数为2排，设计成形纸透气度分别为3300CU，3700CU，6000CU，6500CU，8000CU，10000CU，测定滤嘴通风率.
2）接装纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响：固定成形纸透气度为6500CU，打孔排数为2排，设计接装纸透气度分别为150CU，250CU，350CU，测定滤嘴通风率.
3）打孔排数对卷烟滤嘴通风率的影响：固定成形纸透气度为6500CU，接装纸透气度为150CU，设计打孔排数分别为1排、2排、3排，测定滤嘴通风率.
1.2.2裂区试验设计
在单因素试验的基础上，为进一步研究成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数3个因素对于卷烟滤嘴通风率、总通风率和主流烟气化学成分的影响，进行裂区试验设计.在卷烟烟丝配方、卷烟纸、滤棒不变的前提下，分别以成形纸透气度（A）、接装纸透气度（B）和打孔排数（C）为主区因素、裂区因素和小裂区因素，进行裂区试验设计，因素水平设计如表1所示.由表1可知，共可得54个卷烟样品，其对应的样品编号分别为A1B1C1，A1B1C2，A1B1C3，…，A6B3C3.
1.3测定方法
按照《卷烟和滤棒物理性能的测定第15部分：卷烟通风的测定定义和测量原理》（GB/T22838.15—2009）[8]测定卷烟滤嘴通风率和总通风率.
将待测卷烟样品在平衡条件下放置48h，按照下列标准测定卷烟样品烟气中的烟碱、焦油、CO含量.
按《卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法》（GB/T23355—2009）[9]测定烟碱含量;
按《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》（GB/T19609—2004）[10]测定焦油含量;
按《卷烟烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法》（GB/T23356—2009）[11]测定CO含量.
1.4数据处理
使用SPSS11.5软件进行数据统计分析.采用F检验分析各因素对通风率影响的显著性，F>F0.05表示差异显著，F>F0.01表示差异极显著，F值越大影响越显著;采用DesignExpert8.0.6软件进行响应面分析，研究各因素对烟气化学指标的影响.
2结果与分析
2.1单因素试验结果与分析
成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响如图1所示.由图1可知，滤嘴通风率随着成形纸透气度的增加呈现先持续上升后逐渐平缓的趋势.当成形纸透气度为8000CU时，滤嘴通风率达到顶峰;成形纸透气度继续增加，滤嘴通风率不再增加.
接装纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响如图2所示.由图2可知，接装纸透气度与滤嘴通风率之间存在线性正相关关系，滤嘴通风率随接装纸透气度的增加而上升，通过回归拟合二者的关系，可用一元线性方程式y=2.895x+15.677（R2=0.999）来表示.
打孔排数对卷烟滤嘴通风率的影响如图3所示.由图3可知，打孔排数与卷烟滤嘴通风率呈线性正相关关系，滤嘴通风率随着打孔排数的增加而上升，通过回归拟合二者的关系，可用一元线性方程式y=5.44x+10.557（R2=0.997）来表示.
2.2裂区试验结果与分析
2.2.1不同裂区因素对卷烟通风率的影响
将54个卷烟样品的滤嘴通风率和总通风率数据进行汇总，发现
当成形纸透气度为8000CU，接装纸透气度为350CU，打孔排数为3排时，卷烟滤嘴通风率最大;当成形纸透气度为3300CU，接装纸透气度为350CU，打孔排数为1排时，卷烟滤嘴通风率最小.
在不同主区，对于要考察的裂区因素来说，所呈现的变化趋势一致.裂区试验中，接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数对卷烟滤嘴通风率和总通风率的影响结果分别见表2—表4，其中分别固定小裂区因素参数进行说明.
表2中主区因素为成形纸透气度，裂区因素为接装纸透气度，所有卷烟样品的小裂区因素打孔排数为2排.由表2可知，在相同规格的成形纸透气度条件下，接装纸透气度对卷烟滤嘴通风率有显著影响.以A1处理为例，卷烟滤嘴通风率和总通风率随着接装纸透气度的增加而增加，且3个接装纸透气度对卷烟滤嘴通风率和总通风率影响的差异性达到极显著水平.
其他成形纸透气度（A2，A3，A4，A5，A6）的处理，卷烟滤嘴通风率和总通风率表现出与A1处理相同的规律.
表3中主区因素为接装纸透气度，裂区因素为成形纸透气度，所有卷烟样品的小裂区因素打孔排数均为2排.由表3可知，在接装纸透气度相同的前提下，卷烟的滤嘴通风率和总通风率基本上随成形纸透气度的增加而增大.以B1处理为例，滤嘴通风率和总通风率在A1，A2，A3，A4，A5处理间的差异显著，表明在接装纸透气度一定的前提下，成形纸透气度在一定范围内显著影响卷烟滤嘴通风率和总通风率.A5与A6处理间的差异不显著，说明在成形纸透气度超过8000CU后，成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率和总通风率的影响减小，继续增大成形纸透气度对改善卷烟滤嘴通风率和总通风率无显著作用.
在其他接装纸透气度（B2，B3）处理下，卷烟滤嘴通风率和总通风率表现出与B1处理相同的规律.
表4中主区因素为接装纸透气度，裂区因素为打孔排数，所有卷烟样品的小裂区因素成形纸透气度为6500CU.由表4可知，在接装纸透气度相同的前提下，卷烟的滤嘴通风率和总通风率均随打孔排数的增加而增大.以B1处理为例，滤嘴通风率和总通风率表现为3排孔>2排孔>1排孔，打孔排数处理间的差异达到显著水平，说明在成形纸透气度和接装纸透气度确定的前提下，调节打孔排数可以控制卷烟产品的通风率.在其他接装纸透气度（B2，B3）处理下，卷烟滤嘴通风率和总通风率表现出与B1处理相同的规律.
2.2.2裂区各因素交互作用对卷烟滤嘴通风率的影响
除了单因素的影响，还需要考虑接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数之间的交互作用对卷烟滤嘴通风率的影响，因此，对于裂区试验中的54个卷烟样品的滤嘴通风率进行多因素方差分析，各因素交互作用对卷烟滤嘴通风率影响的结果见表5.由表5可知，AB，AC，BC，ABC差异性达到极显著水平，说明接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数中的两因素和三因素交互作用对滤嘴通风率影响极显著.卷烟设计人员可以通过调节接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数中某个因素或多个因素改变滤嘴通风率.
2.3接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数对卷烟烟气化学指标的影响
卷烟烟气化学指标直接受滤嘴通风率影响.接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数都是显著影响滤嘴通风率的因素，因此，可进一步考察这3个因素对卷烟烟气烟碱、焦油、CO等化学指标的影响.
2.3.1接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数对烟碱含量的影响
卷烟样品烟气中烟碱含量的试验数据处理结果如图4所示.由图4a）可知，在各设计组合中，A1B1C1组合处理中的烟碱含量最高，达到0.66mg/支，且与其他处理间的差异显著;在A5B3C2组合处理中，烟碱含量最低，为0.46mg/支，较A1B1C1组合降低了0.20mg/支.对数据作响应面图处理，由图4b），c），d）可以看出，烟碱含量随着成形纸透气度、接装纸透气度的降低而增加，呈反向变化.这可能是因为透气度降低，导致滤嘴通风率降低，卷烟在抽吸时的通风稀释作用减弱，外界进入的空气减少，进入口腔的烟气浓度相对增加，烟碱含量增加[12-13].等高线呈椭圆形，说明成形纸透气度和接装纸透气度交互作用对烟气烟碱含量的影响显著.参照文献[14-16]中的分析方法对本文中的数据进行分析，从响应面倾斜度可以看出，烟碱含量对成形纸透气度的导数绝对值明显大于烟碱含量对接装纸透气度的导数绝对值，说明成形纸透气度对烟气烟碱含量的影响趋势大于接装纸透气度.从1排孔到3排孔，成形纸透气度和接装纸透气度的交互作用对烟碱含量影响的显著性逐渐减弱.
2.3.2接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数对焦油含量的影响
卷烟样品烟气中焦油含量试验数据处理结果如图5所示.由图5a）可知，各设计组合中，A1B1C1组合处理中的焦油含量最高，达到9.49mg/支，而在A5B3C2组合处理中，焦油含量最低，为3.46mg/支，较A1B1C1组合降低了6.03mg/支.从响应面分析结果图5b），c），d）可以看出，卷烟烟气的焦油含量对成形纸透气度、接装纸透气度的偏导几乎为定值，且随着排气孔的增多，其数值变化不大，说明接装纸透气度、成形纸透气度对卷烟烟气的焦油含量存在稳定的显著性影响，且焦油含量分别随着成形纸透气度、接装纸透气度、打孔排数的降低而增加.从等高线来看，多因素交互作用影响不显著.
2.3.3接装纸透气度、成形纸透气度和打孔排数对CO含量的影响
卷烟样品烟气中CO含量试验数据处理结果如图6所示.由图6a）可知，各设计组合中，A1B1C1组合处理中的CO含量最高，为11.48mg/支;A3B3C3组合处理中的CO含量最低，为7.76mg/支，较A1B1C1组合降低了3.72mg/支;A5B2C3處理中的CO含量为7.78mg/支，与A3B3C3差异不明显.从响应面分析图（图6b），c），d））可以看出，接装纸透气度、成形纸透气和打孔排数对卷烟烟气CO含量影响显著，随着成形纸透气度、接装纸透气度、打孔排数的降低，CO含量增加.从等高线来看，多因素交互作用影响不显著.
裂区试验中，3个因素对卷烟滤嘴通风率的影响与单因素试验基本一致;卷烟滤嘴通风率随着接装纸透气度或打孔排数的增加而增加;在3300～8000CU范围内，成形纸透气度对卷烟通风率影响显著，超过8000CU后，成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响减小.卷烟滤嘴通风率是卷烟总通风率的重要组成部分，因此3个因素对卷烟总通风率的影响与对卷烟滤嘴通风率的影响基本一致.
成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数三因素交互作用明显，可协同调节卷烟滤嘴通风率.当成形纸透气度为8000CU，接装纸透气度为350CU，打孔排数为3排时，卷烟滤嘴通风率最大.随着成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数增加，卷烟主流烟气中烟碱、焦油和CO含量降低.在其他条件不变的情况下，通风率越大，卷烟烟气中烟碱、焦油和CO含量越低.但通风率过大，烟气香味损失也更严重.结合实际需求，选取成形纸透气度8000CU，接装纸透气度250CU，打孔排数3排，既能降低卷烟烟气中烟碱、焦油和CO含量，又能减少烟气香味损失.
3结论
本文采用单因素试验初步考察了成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数3个因素对卷烟滤嘴
通风率的影响;采用裂区试验，将3个因素排列组合后制备卷烟样品，测定其卷烟滤嘴通风率、总通风率和主流烟气化学成分，进而分析了不同裂区因素及其交互作用对卷烟
滤嘴通风率和主流烟气化学成分的影响.结果表明：单因素试验和裂区试验中，卷烟滤嘴通风率随着接装纸透气度或打孔排数的增加而增大;在3300～8000CU范围内，成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率影响显著，超过8000CU后，成形纸透气度对卷烟滤嘴通风率的影响减小;成形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数三因素交互作用明显，可协同调节卷烟滤嘴通风率;随着成
形纸透气度、接装纸透气度和打孔排数增加，卷烟主流烟气中烟碱、焦油和CO含量降低.在实际生产中，可选取成形纸透气度8000CU，接装纸透气度250CU，打孔排数3排，既能降低卷烟烟气中烟碱、焦油和CO含量，又能减少烟气香味损失.在后续工作中，将从材料参数对烟气成分的影响、材料参数优化设计等方面开展研究.
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