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卷烟纸参数对卷烟锥高的影响

  • 李欢 1
  • 唐小雪 2
  • 康金岭 1
  • 李宇飞 1 ✉
  • 陈飞程 3
  • 柴精精 1
  • 彭罡星 1
  • 王建民 4
  • 周利军 5
  • 王迅 5
1. 广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西柳州，545001； 2. 广西中烟工业有限责任公司技术中心，广西南宁，530001； 3. 广西中烟工业有限责任公司物流中心， 广西南宁，530001； 4. 郑州轻工业大学烟草科学与工程学院，河南郑州，450000； 5. 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东青岛，266100

中图分类号： TS76

最近更新：2025-03-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.03.009

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  • 出版信息
EN 引
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摘要

为了探究卷烟纸参数对燃烧锥高的影响规律，按照均匀实验设计原则，选取定量、透气度等6项卷烟纸参数，卷制了12种不同参数水平的卷烟样品，并进行了单因素方差分析与回归分析。结果表明，12种不同卷烟纸参数组合对应的卷烟锥高介于7.958~10.455 mm，相对标准偏差介于2.5%~11.7%；透气度、钠钾比、碳酸镁用量、助燃剂用量4项卷烟纸参数综合作用可解释锥高变化的94.0%，是影响卷烟锥高的主要因素，定量、酸根类型是影响锥高的次要因素；主要因素对锥高影响较小时，卷烟锥高较低，有利于降低燃烧锥落头倾向。

卷烟燃烧性能是烟草行业关注的重点领域，近年来随着科学技术的不断发展，科技工作者对卷烟燃烧性能的研究不再仅限于自由燃烧速率[

1-2]、实际可燃率[3]等常规指标，包灰的牢固性、灰色、燃烧碳化圈、卷烟燃烧锥等包灰性能指标逐渐成为研究的热点。目前，关于卷烟燃烧锥的研究成果层出不穷，且主要集中在燃烧锥落头[4-6]以及温度分布[7-9]等方面。穆林等[10]则从燃烧锥形态参数（锥高、锥面积、偏离角）出发，探究了其与燃烧速率间的关系。许艳冉等[11]探究了烟丝及卷烟机参数对卷烟包灰性能的影响，结果表明，烟丝含水率、切丝宽度、槽深、槽宽、风室正压和风室负压对锥高均有显著影响，为卷烟燃烧锥研究提供了新的思路。

卷烟纸是卷烟中的重要组成部分，其不仅包裹烟丝，还直接参与卷烟燃烧过程，卷烟纸燃烧性能与烟丝燃烧性能间的匹配度对于烟支燃吸过程中的燃烧锥形态有十分重要的影响。程传玲等[

12]研究了烟丝及卷烟纸参数对卷烟焦油量的影响；邬志锋等[13]研究了卷烟纸参数对中支卷烟逐口通风率的影响规律，结果表明，随着卷烟纸透气度的增加，抽吸时逐口间通风率相差值明显增大。但已有的研究中尚未有卷烟纸对卷烟燃烧锥影响的相关报道。本研究在文献[10]测定卷烟锥高方法的基础上，通过均匀实验设计[14-16]，探究了卷烟纸定量、透气度等6项卷烟纸参数对锥高的影响规律，以期为卷烟纸优化设计提供参考。

1 实 验

1.1　实验原料及设备

选取12种不同卷烟纸定量（x1）、透气度（x2）、碳酸镁用量（x3）、钠钾比（x4）、酸根类型（x5）、助燃剂用量（x6）的卷烟纸，在同一台卷烟机上使用相同烟丝卷制卷烟样品，其参数水平设计表如表1所示。

表1  卷烟纸参数水平
Table 1  Cigarette paper parameter level
水平x1/(g∙m-2)x2 /CUx3 /%x4x5x6 /%
1 27 40 0 0 0 1.2
2 30 50 6 0.2 1 1.5
3 32 60 12 1 1.8
4 40 70 18 5 2.0

注   酸根类型中“0”代表柠檬酸根，“1”代表氯离子。

KBF240型恒温恒湿箱（美国BINDER公司）；卷烟包灰性能测试箱（实验室自制）[

17]；佳能EOS70D型数码相机（佳能（中国）有限公司）；504型机械秒表（北京星钻秒表有限公司）。

1.2　实验方法

1.2.1　卷烟燃烧锥自由燃烧速率测定方法

参照文献[

18]中建立的方法，分别测定12组样品，每组样品测定3次，取其平均值作为该卷烟纸参数组合对应卷烟的自由燃烧速率。

1.2.2　卷烟燃烧锥锥高测定方法

参照文献[

10]中建立的方法，分别测定12组样品，每组样品测定3次，取平均值作为该卷烟纸参数组合对应卷烟的锥高。

2 结果与讨论

2.1　统计结果分析

12种卷烟样品的自由燃烧速率及锥高测定结果如表2所示。由表2可知，自由燃烧速率介于4.11~5.18 mm/min，相对标准偏差（RSD）介于4.4%~12.5%；锥高介于7.958~10.455 mm，RSD介于2.5%~11.7%。不同卷烟纸参数条件下，自由燃烧速率与锥高发生了较明显的变化，说明不同卷烟纸与烟丝间的配伍性不同，因此，在进行卷烟产品设计时，要综合考虑卷烟纸与烟丝的匹配度，以提升卷烟的燃烧性能。

表2  不同卷烟纸的自由燃烧速率及锥高测定结果
Table 2  Determination of free burning rate and cone height of different cigarette papers
编号x1/（g∙m-2）x2/CUx3/%x4x5x6/%自由燃烧速率锥高
均值/（mm·min-1）RSD/%均值/mmRSD/%
1 30 40 0 5 1 1.5 4.59 6.4 7.989 3.3
2 40 50 0 5 0 2 5.18 8.9 8.836 6.8
3 30 60 0 5 0 1.2 4.78 4.4 8.593 3.0
4 30 40 6 0 0 2 4.53 7.2 9.958 4.9
5 40 50 6 0 0 1.5 4.92 9.6 9.46 11.7
6 40 70 6 0.2 1 1.8 5.01 11.2 10.455 6.9
7 27 40 12 1 0 1.5 4.11 5.3 7.958 2.5
8 27 60 12 1 1 1.8 4.55 7.8 8.561 4.7
9 32 70 12 1 1 1.2 4.57 12.5 8.847 5.7
10 32 50 18 0.2 1 2 4.42 6.1 8.445 5.3
11 27 60 18 0.2 1 1.2 4.35 9.3 8.381 4.2
12 32 70 18 0 0 1.8 4.62 4.5 9.534 3.9

2.2　卷烟纸参数对锥高的影响趋势分析

2.2.1　单一卷烟纸参数对锥高的影响

以卷烟锥高为纵坐标，分别作6种不同卷烟纸参数不同水平间的误差棒图，结果如图1所示。由图1可知，锥高随定量、透气度、助燃剂用量升高呈增加趋势，随钠钾比升高呈降低趋势，随碳酸镁用量升高呈先升高后降低趋势，酸根类型为：柠檬酸根的锥高高于氯离子的锥高；多重比较（LSD）结果表明，碳酸镁用量对锥高的影响达到了极显著水平，其他5个因素的影响均不显著。除碳酸镁用量和酸根类型外，其他几个参数取不同水平时锥高的波动程度也存在明显的差异性。上述现象预示着某些卷烟纸参数间存在交互作用，并且一定程度上解释了多数参数的LSD检验结果不显著的原因。

图1  不同卷烟纸参数对锥高的影响

Fig. 1  Effects of different cigarette paper parameters on cone height

2.2.2　卷烟纸参数对锥高和自由燃烧速率的综合影响

以卷烟纸参数（x1、x2、x3、x4、x5、x6）为自变量，分别以锥高和自由燃烧速率为因变量建立回归模型，结果见表3~表6。由表3可知，卷烟锥高回归方程总体达到极显著水平（P=0），且决定系数和调整决定系数分别为0.967和0.940，说明卷烟锥高回归方程的拟合效果较优，能够较好地反映卷烟纸参数对锥高的影响。由表4所示锥高回归系数的t检验结果及标准化回归系数可知，透气度、碳酸镁用量及其与钠钾比的交互作用对锥高的影响达到了极显著水平，助燃剂用量则达到了显著水平，各因素及交互作用对锥高的影响顺序为：x3·x3>x3>x3·x4>x2>x6；定量和酸根类型则未进入回归方程。锥高随着透气度升高有升高趋势，随着钠钾比的升高而降低，与单一卷烟纸参数对锥高的影响有较强的一致性。

表3  锥高回归模型概述表
Table 3  Overview table of cone height regression model
相关系数决定系数调整决定系数回归标准差方差检验结果（P值）
0.983 0.967 0.940 0.191 0
表4  锥高回归系数检验表
Table 4  Table for regression coefficient of cone height
模型非标准化系数标准系数βtP值
B标准误差
(常量) 5.737 0.486 11.809 0
x2 0.034 0.005 0.508 6.197 0.001
x3 0.317 0.039 2.852 8.173 0
x6 0.667 0.203 0.271 3.285 0.017
x3·x4 -0.130 0.016 -0.868 -8.165 0
x3·x3 -0.017 0.002 -2.860 -8.890 0.000
表5  自由燃烧速率回归模型概述表
Table 5  Overview table of free combustion speedregression model
相关系数决定系数调整决定系数回归标准差方差检验结果（P值）
0.987 0.975 0.953 0.064 0
表6  自由燃烧速率回归系数检验表
Table 6  Regression coefficient test table for freecombustion speed
模型非标准化系数标准系数βtP值
B标准误差
(常量) 1.471 0.562 2.618 0.040
x1 0.028 0.005 0.474 5.394 0.002
x2 0.07 0.021 2.772 3.389 0.015
x3 -0.024 0.004 -0.576 -6.791 0
x6 0.194 0.073 0.207 2.669 0.037
x2·x2 -0.001 0 -2.352 -2.902 0.027

图2为碳酸镁用量和钠钾比对锥高的交互影响。由图2可知，碳酸镁用量和钠钾比间存在交互作用。钠钾比0~1.0时，锥高随着碳酸镁用量增加均呈先升高后降低的趋势，且变化的速率有一定差异，钠钾比较低时，锥高较长且较稳定。高碳酸镁用量、高钠钾比（5.0）时，锥高为负值，即随着碳酸镁用量、钠钾比增高，烟支的燃烧锥落头倾向增大。不同碳酸镁用量条件下，锥高随着钠钾比增加而降低。当碳酸镁用量和钠钾比分别取12%和0时，锥高最高。

图2  碳酸镁用量和钠钾比对锥高的交互影响

Fig. 2  Interaction between magnesium carbonate addition amount and sodium-potassium ratio on cone height

穆林等[

10]的研究表明，卷烟静燃时的锥高与其自由燃烧速率间呈显著正相关，即自由燃烧速率越快，静燃锥高越高，说明燃烧锥的形态是卷烟原料、烟支卷制特性及燃烧过程综合作用的结果。而大量研究结果表明，卷烟纸参数是影响卷烟自由燃烧速率的重要因素，且存在随透气度、助燃剂用量、钠钾比升高自由燃烧速率加快的一般规律[19]。由表6自由燃烧速率回归模型可知，定量、透气度、碳酸镁用量、助燃剂用量对自由燃烧速率的影响顺序为：x2>x2·x2>x3>x1>x6；自由燃烧速率随定量、助燃剂用量升高而升高，随着碳酸镁用量的升高而降低。

2.2.3　次要因素对锥高的影响

单因素方差分析与回归模型表明，锥高主要受透气度、碳酸镁用量、钠钾比、助燃剂用量的影响，定量和酸根类型对锥高的影响未表现出明显的规律性，这可能是由于透气度等主要因素的干扰导致。为了探究定量和酸根类型对锥高的影响，根据表4回归模型结果定义了新变量z=-0.017x32-0.130x3·x4+0.034x2+0.317x3+0.667x6，其中，z表示主要因素对锥高的影响。

分别以定量x1、酸根类型x5为横坐标，研究控制z值后锥高的变化趋势，结果如图3和图4所示。由图3和图4可知，同一水平定量或酸根类型条件下，随着z值增加，锥高有线性升高趋势，可见z值是影响锥高的主要因素，可解释锥高变化的94%；定量和酸根类型是影响锥高的次要因素。

图3  定量对锥高的影响趋势

Fig. 3  Influence trend of quantity on cone height

图4  定量和酸根类型对锥高的影响趋势

Fig. 4  Influence trend of basis weight acid radical type on cone height

分别以（x1, z）和（x5, z）为自变量，建立回归模型，其中（x5, z, y）为含定性变量的回归模型[

20-21]，研究定量和酸根类型在排除主要因素干扰的情况下对锥高的影响，结果见表7和表8。由表7可知，控制主要因素的干扰后定量对锥高的影响均达到了极显著水平（P=0），但回归方程的调整决定系数由0.953下降为0.921，方程拟合优度降低，从侧面印证了定量是影响锥高的次要因素。酸根类型对锥高的影响达到了显著水平，但回归方程的调整决定系数仅为0.490，回归方程的拟合优度较差，回归标准差也有较大的变化，这是由于酸根类型属于定性变量，所构建的回归模型不能预测锥高结果，但可根据回归模型定性分析锥高变化方向。由表8可知，定量、酸根类型均与z值间存在交互作用，且均分别与锥高间呈线性关系，斜率分别0.030z-0.104和1.016z-3.397，随着定量或酸根类型的改变，锥高变化的方向和程度与z值有关，z值越小，锥高越有利于向减小的方向变化，燃烧锥落头倾向降低。

表7  回归模型概述表
Table 7  Summary table of regression model
模型相关系数决定系数调整决定系数回归标准差方差检验结果（P值）
定量 0.967 0.936 0.921 0.218 0
酸根类型 0.766 0.587 0.495 0.553 0.019
表8  回归系数检验表
Table 8  Regression coefficient test table
模型非标准化系数标准系数βtP值
B标准误差
定量 (常量) 9.155 0.556 16.480 0
x1 -0.104 0.025 -0.670 -4.086 0.003
z·x1 0.030 0.003 1.477 9.015 0
酸根类型 (常量) 9.057 0.226 40.121 0
x5 -3.397 0.955 -2.280 -3.559 0.006
z·x5 1.016 0.293 2.222 3.468 0.007

3 结 论

3.1 不同卷烟纸参数卷烟自由燃烧速度与锥高有较显著的差别，说明卷烟纸与烟丝匹配度是影响卷烟燃烧特性的重要因素。

3.2 不同卷烟纸参数对锥高的影响趋势不同，透气度、助燃剂用量、碳酸镁用量及其与钠钾比的交互作用是影响锥高的主要因素，可解释锥高变化的94%；定量、酸根类型是影响锥高的次要因素。

3.3 控制主要因素的情况下，定量和酸根类型与锥高间均呈显著线性关系，低z值有利于降低燃烧锥落头倾向。

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