卷烟纸组分和罗纹对烟气有害成分及卷烟H 值的影响

黄朝章，严剑凡，钟家威，龚安达，张建平，张颖璞，黄华发，张廷贵，张国强*

1. 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298 号 361012

2. 厦门烟草工业有限责任公司，福建省厦门市海沧区新阳工业区新阳路1 号 361022

卷烟纸作为卷烟生产的基本辅材，所占比例虽小但作用很大。卷烟纸基本功能是包裹烟丝，其配方组成会影响烟支的白度和挺度[1]；由于参与烟支的燃烧，因此卷烟纸会影响卷烟的燃烧温度和状态，进而影响主流烟气相关成分的释放量和抽吸品质[2]；此外卷烟纸燃烧速率及其灰分会影响燃烧锥落头倾向[3]和卷烟包灰性能[4]。目前卷烟纸减害设计研究是行业热点[5-8]，许多科研工作者都致力于掌握卷烟纸参数对卷烟烟气有害成分释放量的影响规律，如杨松等[9]考察了卷烟纸透气度和克重、丝束规格和接装纸透气度对细支烟烟气常规成分释放量及感官质量的影响；谢定海等[10]研究了卷烟纸透气度对卷烟燃烧温度及烟气指标的影响；李劲峰等[11]研究了卷烟纸助燃剂质量分数对烟气有害物质的影响；黄朝章等[12]考察了卷烟纸特性（透气度、克重、亚麻质量分数、助燃剂质量分数、助燃剂类型）对主流烟气7 种有害成分释放量的影响。

但上述研究绝大部分侧重于考察卷烟纸透气度、克重、助燃剂参数（钾钠比、质量分数）和亚麻质量分数对卷烟烟气危害性的影响，极少涉及卷烟纸碳酸钙、助留剂和罗纹设计变化对烟气成分释放量的影响，只有陈泽亮等[13]分析了卷烟纸中碳酸钙的粒径和质量分数对卷烟纸微孔结构及CO 释放量的影响。因此，从碳酸钙性状及质量分数、助燃剂酸根类型、助留剂质量分数、罗纹类型等方面探讨了卷烟纸特性参数对卷烟质量的影响，旨在为卷烟工业企业低危害卷烟纸设计参数的优化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验卷烟纸由杭州华丰纸业有限公司提供，滤棒由龙岩烟草工业有限责任公司提供。采用同一配方的卷烟烟丝、同一参数接装纸（不打孔）和滤棒、同样加工工艺参数以及同一卷烟设备，按照每次只变化一个卷烟纸设计参数、其他辅材设计参数固定的原则，在龙岩烟草工业有限责任公司完成卷烟样品的制备。其中，卷烟纸透气度设定为60 CU，克重设定为30 g/m2；含麻量设定为0；助燃剂为柠檬酸钾（除酸根实验外），助燃剂质量分数设定为0.9%（以钾计）；实验卷烟纸参数变化样品的信息如表1 所示。其他辅材设计参数：成型纸透气度6 000 CU、接装纸透气度0 CU、丝束规格为3.0Y/3 5000、滤棒长度为144 mm、滤棒吸阻为4 200 Pa、增塑剂施加量为9.0%。试制卷烟烟支长度为84 mm、滤嘴长度24 mm、圆周为24.1 mm、烟支质量为0.89 g、滤嘴吸阻为700 Pa。

主流烟气有害成分测试的试剂和仪器信息同文献[12]。

表1 卷烟纸参数变化Tab.1 Parameters of cigarette paper samples

1.2 主流烟气7 种有害成分释放量的测定及H 值计算

将卷烟样品置于温度（22±1）℃和相对湿度（60±3）%的环境中平衡48 h，挑选平均质量±0.02 g 范围内的烟支为实验烟支；剑桥滤片也在同样环境条件下平衡12 h。将平衡和称量后的剑桥滤片装入烟气捕集器，采用相应的国家或行业标准[14-21]测定卷烟主流烟气焦油及7 种有害成分的释放量，每个样品平行测定3 次；根据谢剑平等[8]的研究成果计算H 值。

2 结果与讨论

2.1 碳酸钙参数变化对主流烟气7 种有害成分释放量及H 值的影响

碳酸钙是卷烟纸中第二大组分，在卷烟纸中的质量分数一般为26.0%～36.0%。碳酸钙应用于卷烟纸中可有效提高卷烟纸的透气度、不透明度、白度，改善燃烧性能；同时也影响着卷烟纸罗纹的清晰程度。其质量的优劣直接影响着成纸的质量，进而影响卷烟燃烧时烟气成分的释放量[22]。

2.1.1 碳酸钙类型

目前，固态碳酸钙和液态碳酸钙在国内各卷烟纸厂均有使用。其中固态碳酸钙运输成本低；而液态碳酸钙由于没有经过干燥处理、机械摩擦和撞击，充分保留了自然形成的晶型，其形态和大小更趋于一致，所制备的卷烟纸质量稳定性更优。本研究中比较了固态碳酸钙和液态碳酸钙对烟气有害成分释放量的影响情况，结果如图1 所示。可知：①同比固态碳酸钙卷烟纸，采用液态碳酸钙卷烟纸的卷烟样品烟气中CO、HCN、氨、苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene, B[a]P）、苯酚、巴豆醛和危害性指数均不同程度降低，其中HCN 和巴豆醛的降幅较为明显，NNK 释放量基本不变。②由于液态碳酸钙没有经过机械摩擦和碰撞，晶体碎屑较少，其晶型端部保留了原始的钝尖状态，因此成纸后更加柔软、松厚、燃烧性能提高[22]；有助于气相物的扩散和降低卷烟抽吸口数，因此相应卷烟烟气中大部分有害成分的释放量下降，H 值也降低。

图1 碳酸钙类型对主流烟气有害成分释放量和H 值的影响Fig.1 Effects of CaCO3 type on release of harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

2.1.2 碳酸钙粒径

碳酸钙粒径是卷烟纸生产企业的重要控制指标之一，碳酸钙粒径越小比表面积越大，有利于增加纸张的不透明度和强度；但由于卷烟纸要求有较高的松厚度和孔隙度，粒径过小会使保留率降低，因此对碳酸钙粒径有下限要求。在卷烟纸企业原料可选的粒径范围内，比较了2 种粒径的碳酸钙对卷烟烟气有害成分释放量的影响，结果如图2 所示。可以看出：①不论固态、液态碳酸钙，采用大粒径碳酸钙是有利于降低卷烟烟气CO、HCN 和巴豆醛释放量以及H 值，其中HCN 和巴豆醛的变化较明显。②碳酸钙粒径变化对烟气NNK、氨、B[a]P 和苯酚释放量基本无影响。③大粒径碳酸钙的比表面积较小，在纸层中形成的自然孔隙大，有利于提高气相物如CO、HCN 和巴豆醛的扩散；小粒径碳酸钙的比表面积较大，覆盖能力强，容易阻塞自然孔隙，不利于烟气气相物的扩散。本研究结果与恒丰纸业公司前期的研究结论[23]一致。

2.1.3 碳酸钙质量分数

碳酸钙质量分数是影响卷烟纸质量的重要指标之一。采用线性回归法分析了卷烟纸碳酸钙质量分数变化对烟气有害成分释放量的影响，结果如图3 和表2 所示。可以看出：①卷烟纸碳酸钙质量分数与烟气有害成分释放量呈显著相关关系，相关系数＞0.8。②随着碳酸钙质量分数增高，烟气中有害成分释放量呈下降趋势；其中HCN、氨、苯酚和H 值降幅较明显。

文献[13]研究表明：卷烟纸中碳酸钙质量分数增大，会增加炭化线附近卷烟纸微孔的孔容，使完全裂解区域与未完全裂解区域内卷烟纸的微孔数目均明显增多，因此可促进主流烟气成分向侧流烟气中扩散，因此可有效降低卷烟的危害性。

2.2 卷烟纸助燃剂酸根种类对主流烟气7 种有害成分释放量及H 值的影响

图2 碳酸钙粒径对烟气有害成分释放量和H 值的影响Fig.2 Effects of particle size of CaCO3 on releases of harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

图3 碳酸钙质量分数对烟气有害成分释放量和H 值的影响Fig.3 Effects of CaCO3 content on releases of harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

柠檬酸盐、苹果酸盐、乳酸盐和酒石酸盐是卷烟纸企业常用的助燃剂，不同的卷烟纸助剂的助燃效果各异，因此会对烟气有害成分释放量产生影响。比较了4 种钾盐型卷烟纸添加剂对烟气有害成分释放量的影响，结果如图4 所示。可以看出：①卷烟纸助燃剂酸根种类对烟气7 种有害成分释放量均有影响，其中对CO、NNK、B[a]P 和巴豆醛的释放量有较显著影响。②卷烟纸助燃剂酸根种类对烟气有害成分释放量影响规律不一致，采用柠檬酸盐或酒石酸盐作为卷烟纸助燃剂有利于降低烟气CO、HCN、NNK 和B[a]P 释放量以及H值；采用柠檬酸盐作为卷烟纸助燃剂有利于降低烟气中苯酚释放量；酒石酸盐降低烟气巴豆醛释放量的效果最优，苹果酸盐和乳酸盐次之，柠檬酸盐最差。

表2 碳酸钙质量分数与烟气有害成分释放量、H 值的相关分析结果Tab.2 Results of relevant analysis of CaCO3 content and releases of harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

相关研究表明：卷烟纸助燃剂变化不仅影响卷烟纸的扩散率[24]，而且对卷烟的燃烧速率有影响[25]；其中，柠檬酸盐作为卷烟纸常用助燃剂，具有表涂初始对扩散率影响小、加热后会较大提升卷烟纸扩散率的特点[24]，有利于降低烟气有害成分。

2.3 卷烟纸助留剂对主流烟气7 种有害成分释放量及H 值的影响

图4 助燃剂酸根种类对烟气有害成分释放量和H 值的影响Fig.4 Effects of acid radical type in combustion promoter on releases of harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

由于卷烟纸薄，还需要加入一定量的助留剂和增强剂，以减少纤维、填料的流失并提高成纸的强度。瓜尔胶是目前卷烟纸企业最常用的助留剂，不但具有优良的助留、助滤和增强效果，而且抄造的纸在燃烧时没有异味，满足卷烟用纸的需要。本试验采用瓜尔胶作为助留剂，在卷烟纸制造工艺可实施的范围内，比较了0.5%和0.8%两种助留剂质量分数对烟气有害成分释放量的影响，结果如表3 所示。可以看出：①助留剂质量分数对烟气有害成分释放量基本无影响，在两种质量分数下，H 值基本一致。②瓜尔胶是碳水化合物，其化学组分为半乳甘露聚糖，不会改变卷烟燃烧状态；且其占卷烟纸成品的质量分数低，自身热解产物对烟气成分的贡献度极小。因此在考察的范围内，瓜尔胶质量分数对烟气有害成分无影响。

2.4 罗纹参数对主流烟气7 种有害成分释放量及H 值的影响

卷烟纸的罗纹是通过机械作用使纸面形成清晰、美观的细条纹。在卷烟纸生产过程中，卷烟纸的罗纹参数设置不同（在同一卷烟纸配方的前提下），卷烟纸受到压纹辊的压力不同，卷烟纸厚度或紧度等方面会发生改变。因此，在卷烟燃烧时烟气透过卷烟纸与空气进行交换过程中路径会发生改变，紧度小时，烟气透过卷烟纸可能走直线；而紧度大时，烟气透过卷烟纸可能走曲线。所以会造成烟气扩散的及时性有差异，最终造成卷烟烟气成分释放量存在差异。

表3 不同助留剂质量分数卷烟纸对卷烟样品烟气有害成分释放量和H 值的影响Tab.3 Effects of retention aid content on harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

2.4.1 罗纹形式

常见的卷烟纸罗纹形式主要有纵向纹（竖罗纹）和横向纹（横罗纹），还有斜纹、波浪纹、宽罗纹等。在本研究中，选择竖罗纹、横罗纹和无罗纹（不压纹）卷烟纸作为研究对象，结果如表4 所示。可以看出：①罗纹形式对烟气CO、HCN、氨、B[a]P、苯酚、巴豆醛和H 值均有影响，其中对HCN、氨和苯酚影响较为显著。②采用无罗纹卷烟纸，烟气有害成分释放量和H 值均最低。这可能是因为无罗纹卷烟纸表面没有经过机械挤压，纸张中的自然空隙保留完整，有利于烟气成分的扩散，因此相应的卷烟烟气有害成分释放量和H 值较低。

表4 不同罗纹形式卷烟纸卷烟样品烟气有害成分释放量和H 值Tab.4 Effects of paper mark pattern on harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

2.4.2 罗纹深度

罗纹深度是雕印机在卷烟纸表面所压印痕凹凸程度的立体表现，卷烟纸罗纹的深度已由浅罗纹逐步发展成为中等深度罗纹、深罗纹和超深罗纹。本研究中采用常用的反压方式，对比了常见的浅罗纹和深罗纹卷烟纸烟气有害成分释放量的差异，结果如表5 所示。可以看出：在不同罗纹形式下，采用罗纹深度浅的卷烟纸，均有利于降低卷烟烟气CO、HCN、苯酚、巴豆醛和H 值，其中苯酚和巴豆醛的降幅较大。这可能是因为浅罗纹卷烟纸所受机械挤压小，纸张中的自然空隙保留较多，有利于烟气成分的扩散，因此相应的卷烟烟气有害成分释放量和H 值较低。

表5 不同罗纹深度卷烟纸对卷烟样品主流烟气有害成分释放量和H 值的影响Tab.5 Effects of paper mark depth on releases of harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

2.4.3 压纹方式

卷烟纸压纹方式分为正面压纹和反面压纹两种。反面压纹是纸幅的反面接触丝纹辊，而正面压纹是纸幅的正面接触丝纹辊。在罗纹深度一致的条件下，考察了卷烟纸压纹方式对烟气有害成分释放量的影响，结果如表6 所示。可以看出：①采用正压的卷烟纸，烟气HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量较小。②两种压纹方式下，CO 的释放量基本一致；正压卷烟纸的卷烟危害性指数低于反压卷烟纸。其原因可能是：①在卷烟纸抄造过程中，纸幅正面堆积数量相同的长短纤维，填料碳酸钙均匀分布于纤维之间，此层面较为松厚；纸幅反面留有网子脱水的痕迹，细小纤维在此面多数流失，填料碳酸钙裸露出纸面，所以反面凹凸不平。②当丝纹辊压力作用于正面时，松厚的长短纤维层有足够的间隙变形；当丝纹辊压力作用于反面时，作用力主要压在长纤维和填料颗粒上，纤维发生形变的空间小[26]。③要实现同一罗纹深度，卷烟纸在反压方式下受到的机械作用力较大，纸张中的自然空隙保留较少，不利于烟气成分的扩散，因此其卷烟H 值较高。

表6 不同罗纹压纹方式卷烟纸对卷烟样品主流烟气有害成分释放量和H 值的影响Tab.6 Effects of paper mark pressing mode on harmful components in mainstream cigarette smoke and H value

3 结论

①卷烟纸填料碳酸钙参数变化对烟气有害成分释放量均有不同程度影响：液态碳酸钙卷烟纸对应的卷烟H 值低于固态碳酸钙卷烟纸，小粒径碳酸钙卷烟纸对应的卷烟H 值高于大粒径碳酸钙卷烟纸，碳酸钙质量分数与卷烟H 值呈负相关关系。②卷烟纸助燃剂的酸根变化对烟气有害成分释放量和危害指数有影响，柠檬酸根和酒石酸根的助燃剂有利于卷烟减害；卷烟纸助留剂瓜尔胶质量分数对H 值无影响。③卷烟纸组分和罗纹参数的变化对卷烟燃烧或烟气有害成分的扩散产生影响，进而影响主流烟气有害成分释放量和危害性指数；调整和优化卷烟纸参数可一定程度地降低卷烟危害性指数。