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中心针式加热卷烟薄片粘针现象影响因素研究

  • 吴峤
  • 李子林
  • 张敦铁
  • 赵峰海
  • 杨俊鹏
  • 黄龙
  • 操吉学
  • 熊哲 ✉
湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉， 430030

中图分类号： TS76

最近更新：2025-03-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.03.010

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EN 引
目录contents

摘要

为深入了解加热卷烟抽吸后粘针现象的影响因素和形成机制，本研究对烟支的薄片类型（干法、稠浆法、辊压法）、水分含量以及薄片填充密度对烟支拔出力的影响进行了分析。结果表明，薄片类型对烟支拔出力的影响最大，辊压法、稠浆法、干法薄片卷制的烟支平均拔出力分别为9.61、1.73和1.98 N，辊压法烟支最难拔出，且粘针程度与薄片2~10 nm介孔含量呈正相关；烟支中薄片填充密度或水分含量越高，拔出力越大，越难拔出。受热后析出的焦油在薄片上进一步发生结焦是导致粘针成因之一，且薄片碳化程度与粘针程度正相关。

近年来，加热卷烟（heated tobacco product, HTP）因其有害成分释放量低，对健康损害较小，成为烟草行业研究的热点[

1-3]。目前，HTP根据其烟具加热方式可分为中心电阻式加热、电磁加热、红外加热、空气加热等[4-5]，其中，中心电阻式加热的HTP是目前市场的主流产品，如菲莫国际的IQOS系列产品和韩烟的Lil系列产品[6-7]。中心电阻式加热的HTP通过将加热元件插入烟支发烟段中心，利用电阻发热烘烤薄片，进而释放烟气[8-9]。此类烟具使用时，插入和拔出烟支是2个必须步骤，由于薄片与加热元件之间存在摩擦力，以及在抽吸过程中薄片受热碳化，结焦粘附在加热元件上[9-10]，增加了拔出阻力。加热卷烟抽吸结束后，薄片烟丝粘附在加热元件表面称为粘针现象，影响消费体验。当薄片受热碳化、结焦粘附严重时，薄片整体会伴随发生一定程度的体积收缩，导致拔出烟支时薄片与卷烟纸脱离，整体残留在加热烟具的加热腔内，导致烟具清洁困难，极大地降低消费者的抽吸体验。

加热卷烟烟支加热后拔出的顺滑度是影响消费者吸烟体验的关键因素之一，受多种因素影响。前期抽吸测评发现，薄片生产工艺、烟支水分含量以及发烟段薄片的填充密度等因素均对拔出力有显著影响。然而，现阶段研究人员对烟支加热后拔出力的研究仅停留在感官层面，烟支关键特征指标与烟支拔出难易程度间的关联关系缺乏定量表征。此外，烟支粘针现象的形成机制也鲜有报道，相关研究仍属空白，加热卷烟产品加热后烟支难拔出的问题有待深入研究。

鉴于此，本研究对加热卷烟烟支关键特征指标对烟支加热后拔出力的影响进行了深入分析，建立了烟支拔出力的定量测定方法，以及最大拔出力与烟支拔出感知难度间的关联关系，明确了关键指标对烟支粘针的影响程度。此外，利用元素分析和比表面积等表征手段对粘针现象的成因进行了分析并提出了针对性的改进方向。本研究对加热卷烟产品烟支插拔难易的调控具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

中心加热式加热卷烟烟支（长45 mm、直径（φ） 7.16 mm，其中发烟段12 mm、支撑段10 mm、降温段16 mm、过滤段7 mm），薄片分别由干法、稠浆法、辊压法工艺制备[

11]，烟支通过薄片烟丝无序化工艺卷制，薄片的主要特性参数如表1所示。为避免实验过程中配方差异的干扰，3种工艺制备薄片所用的烟草原料、雾化剂、外加纤维、胶料等均相同。通过调整卷烟机卷制参数，选择薄片填充密度（D）范围0.477≤D≤0.715 g/cm3的加热卷烟烟支作为研究对象。

表1  干法、稠浆法、辊压法薄片的主要特性参数
Table 1  Main characteristic parameters of reconstituted tobacco sheets prepared with drying process, slurry process, and rolling process

生产

工艺

定量（面密度）/(g·m-2)厚度/mm切丝宽度/mm整丝率/%碎丝率/%
稠浆 175 0.199 1.00 94.19 0.44
辊压 203 0.191 0.98 97.60 0.07
干法 121 0.298 0.99 97.40 1.01

1.1.2　主要仪器设备

电子天平（AL204，瑞士Mettler Toledo公司）；MOK FWRD针式中心电加热器具（φ=7.16 mm，加热针长19 mm，加热针φ=2 mm，湖北中烟工业有限责任公司；元素分析仪（5E-CHN2200，长沙开元仪器有限公司）；比表面积与孔径分析仪（BET，JW-BK100A，北京精微高博科学技术有限公司）；全自动插拔力试验机（HG-T3-2，深圳铭宇信息科技有限公司）；恒温恒湿箱（KBF 240 E6，德国BINDER公司）。

1.2　拔出力测试方法及感官评价指标

1.2.1　粘针定量分析方法

采用全自动插拔力试验机，将烟支与加热针整体脱离时的最大拔出力作为加热卷烟拔出难度的定量评价指标。由于部分烟支表现出明显的粘针现象，本研究使用耐温薄膜覆盖烟支端面，并紧密固定于烟支上（图1），以确保测试时薄片可随烟支顺利拔出，并测得真实最大拔出力。待测烟支加热处理完成后，采用全自动插拔力测定装置分离待测烟支和加热器具的最大拔出力，分离速度为200 mm/min，行程为12 mm。

图1  前处理烟支及插拔力测定装置示例

Fig. 1  A pretreated cigarette and insertion and pulling force measuring apparatus

1.2.2　烟支的抽拔提取器感知难度评价

当发生粘针现象时，消费者需要通过手动拔出提取器，破坏薄片与加热针的粘连结构，进而拔出烟支。提取器抽拔难度与消费者体验直接相关，因此本研究分别取适量刚开包的辊压法、稠浆法、干法烟支，将烟支薄片填充密度差异<0.005 g/cm3的2支烟支作为1组，分别进行插拔力测试和人工拔烟感知评价，通过大量数据建立最大拔出力与感知难度间的关联关系。抽拔感知难度定性评价分为易、中、较难、难4类，评价标准如表2所示。

表2  烟支抽拔感知难度定性评价说明
Table 2  Description of qualitative evaluation of the somatosensory experience by pulling cigarette extractor
拔出难度感知等级说明F/N
易 抽拔力度感知极小，与不插烟支时抽拔感受接近 F<4.5
中 抽拔时需稍加用力，但不影响用户体验 4.5≤F<9.5
较难 抽拔时明显感受到阻力，需要刻意提升拔出用力方能拔出 9.5≤F<12.0
难 抽拔非常困难，刻意用力有时也不能拔出或勉强拔出 F≥12.0

1.2.3　元素分析

利用元素分析仪进行薄片元素分析测试。检测原理为烟草在元素分析仪中燃烧后，可定量地测定成二氧化碳形态的碳、成水形态的氢、成单体形态或氮氧化物形态的氮和成二氧化硫形态的硫，进而通过计算获得薄片中C、H、N的元素含量。

1.2.4　比表面积与孔径测定

为探究薄片的孔隙结构特性，本研究采用氮气吸附脱附法对薄片样品比表面积进行测定分析[

9]。以孔径及比表面积分析仪进行氮气吸附实验，对不同工况下得到的薄片进行表征分析。薄片的比表面积采用Brunauer、Emmett及Teller共同开发的多层吸附理论进行计算获得，累积孔体积及孔径分布则通过Barret-Joyner-Halenda （BJH）方法计算得到。

2 结果与讨论

在烟支的各项指标中，薄片种类（干法、稠浆法、辊压法）、水分含量（M）以及薄片填充密度（D）3项指标对烟支加热后拔出难易程度的影响尤为显著[

12-13]，进而导致不同程度的粘针，使拔出烟支时薄片粘附在加热针/片上。鉴于此，本研究制备加热卷烟烟支（φ=7.16 mm），使用MOK FWRD烟具开展抽吸实验，研究薄片种类、水分含量、薄片填充密度对烟支拔出难度及拔出力的影响。同时，基于最大拔出力实验数据，分析最大拔出力与手动拔烟感知难度的定量定性关系，建立烟支拔出难度的评价方法。

2.1　烟支最大拔出力与拔烟难度对应关系

通过1.2.2中的方法对大量烟支进行实验分析，得出加热后烟支最大拔出力（设置为F）与拔出难度感知等级间的关联关系如图2所示。由图2可知，当F<4.5 N时，烟支拔出难度评价为易；当4.5≤F<9.5 N时，烟支拔出难度评价为中；当9.5≤F<12.0 N时，烟支拔出难度评价为较难；当F≥12.0 N时，烟支拔出难度评价为难。基于此，本研究建立的抽拔提取器感知难度定性评价标准如表2所示。

图2  烟支加热后最大拔出力与拔出难度感知等级间的关联关系

Fig. 2  Relationship between the maximum pulling force and the somatosensory experience level after cigarette heating

2.2　薄片生产工艺对粘针的影响

为研究薄片生产工艺对拔出力的影响，本研究选用干法、稠浆法、辊压法薄片（配方相同）卷制的烟支进行拔出力测试。为避免烟支中薄片填充密度波动和烟支吸水的干扰，选择刚开包且薄片填充密度范围为0.580≤D≤0.590 g/cm3、薄片水分含量范围为7.0%≤M≤9.0%的烟支进行测试，每种薄片生产工艺卷制烟支均取10支进行测试，得到最大拔出力和抽拔提取器感知难度的测试结果如图3和图4所示。

图3  不同工艺薄片卷制的加热卷烟（10支）最大拔出力

Fig. 3  Maximum pulling force of cigarette withdrawal for different sheet production technologies (10 cigarettes tested)

图4  不同工艺薄片卷制的加热卷烟（10支）抽拔提取器感知难度

Fig. 4  Somatosensory experience by pulling cigarette extractor for different sheet production technologies (10 cigarettes tested)

由图3可知，干法和稠浆法薄片烟支的最大拔出力均显著低于辊压法薄片烟支，其中稠浆法薄片烟支的最大拔出力均值最小（1.73 N），辊压法薄片烟支的最大（9.61 N）。根据表2的判定标准，干法和稠浆法薄片烟支易拔出。辊压法烟支的最大拔出力是另外2种烟支的4~5倍，拔出难度高，粘针现象明显。在薄片原料相同的情况下，不同工艺生产的薄片加热后出现显著不同的结焦粘黏现象，这可能是由于薄片生产工艺不同导致其物理结构存在差异，使不同薄片受热反应过程中传热传质及化学反应发生显著变化[

14]。进一步分析图3发现，对于刚开封且同一密度区间的辊压法薄片生产的加热卷烟烟支（薄片填充密度范围为0.580≤D≤0.590 g/cm3），最大拔出力范围为6.19≤F≤14.07 N，仍存在较大差异，表明导致烟支粘针的问题不仅与工艺、密度、吸水有关，其他因素有待于深入探索。

2.3　烟支薄片填充密度对拔出力的影响

加热卷烟生产过程中，由于薄片在卷烟机上卷制过程中存在质量波动，导致成品烟支发烟段的薄片填充量存在差异。为研究烟支中薄片质量对粘针现象的影响，选取笔者所在单位的辊压法烟支（100%辊压法薄片）以及稠浆法烟支（85%稠浆法+15%辊压法）作为研究对象，分析薄片质量不同的典型烟支抽吸结束后的粘针程度。每种烟支随机取60支，选用低薄片填充密度（0.477≤D<0.498 g/cm3）、中薄片填充密度（0.563≤D<0.628 g/cm3）和高薄片填充密度（0.650≤D<0.715 g/cm3）3类烟支，测定烟支薄片填充密度对拔出力的影响，分析烟支不同薄片填充密度抽吸后拔出的难易程度。

不同薄片填充密度的烟支各取10支进行拔出力检测和提取器拔出感知测试（手动取出提取器），得到最大拔出力和抽拔提取器感知难度评级结果，如图5和图6所示。由图5可知，烟支薄片填充密度越大，最大拔出力也越大，会显著加剧粘针问题，对应的手动烟支拔出难度也越大。图6中粘针评级结果与最大拔出力测试数据一致。

图5  辊压法和稠浆法烟支的最大拔出力

Fig. 5  Maximum pulling force of cigarette withdrawal for rolling process and slurry process produced cigarettes

图6  辊压法和稠浆法烟支的抽拔提取器感知难度

Fig. 6  Somatosensory experience by pulling cigarette extractor for rolling proces and slurry process produced cigarettes

当烟支的发烟段薄片填充密度较大时，插入加热针后，会挤压薄片使其互相之间紧密接触。薄片受热后，由于受热不均，导致释放的挥发性成分重新在外围薄片上发生冷凝[

8, 15]。随着加热反应的进行，停留在薄片中的挥发性成分中的酸类、醛类、芳香组分等物质间发生交联聚合反应[16]，导致薄片的碳化过程伴随着挥发性成分的结焦反应[17]，紧密接触的薄片之间产生结焦粘连，同时通过焦炭与加热针粘连，最终导致薄片整体粘附在加热针上，从而使烟支拔出难度显著提升。因此，烟支中薄片填充密度越大，受到加热针的挤压越强，粘针现象越明显，拔出难度越高。

进一步分析最大拔出力结果发现，对于辊压法烟支，同牌号同批次烟支的拔出力范围为3.79≤F≤16.90 N，差异较大；对于稠浆法烟支，同牌号同批次烟支的最大拔出力范围为1.49≤F≤5.54 N。表明辊压法薄片更易粘针，且辊压法薄片的质量对最大插拔力的影响更大，同样说明薄片生产工艺对粘针影响显著。

2.4　薄片水分含量对粘针的影响

加热卷烟在环境中会吸湿导致薄片水分含量升高[

18-19]，抽吸时发现吸湿烟支的粘针现象更加明显，拔出难度显著增加。为研究薄片水分含量对拔出难度的影响，本研究以拔出难度最高的辊压法薄片烟支作为研究对象，选取薄片填充密度范围为0.580≤D≤0.590 g/cm3的烟支，并将筛选的烟支至于恒温恒湿箱中（温度23 ℃，相对湿度80%）分别平衡2、6、24 h，模拟烟支吸水不同时间后达到不同的水分含量状态。利用卡尔费休法对烟支在上述平衡条件下的薄片水分含量进行测定，不同平衡时间的水分含量分别为8.1%、10.3%、16.9%。对上述烟支进行测试，得到最大拔出力和抽拔提取器感知难度的测试结果如图7和图8所示。

图7  不同平衡时间下烟支的最大拔出力（相对湿度80%）

Fig. 7  Maximum pulling force of cigarette withdrawal for different balance time at the condition of 80% relative humidity

注   图中空心图例表示测试结果，实心图例表示平均值。

图8  不同平衡时间下烟支的抽拔提取器感知难度（相对湿度80%）

Fig. 8  Somatosensory experience by pulling cigarette extractor for different balance time at the condition of 80% relative humidity

由图7可知，烟支中薄片水分含量显著影响最大拔出力，且薄片含水率越高，最大拔出力越大，粘针现象越严重。吸水后的烟支薄片更易与加热针粘连，当加热发生结焦反应后，则导致薄片更易粘在加热针上，引发粘针并导致拔出难度提升。由图7还可知，刚开包烟支的平均最大拔出力为9.77 N，随着烟支水分含量升高，烟支的平均最大拔出力显著增大。烟支水分含量为10.3%和16.9%时对应的最大拔出力分别为12.77和16.62 N。对比刚开包和平衡6、24 h后烟支的最大拔出力测试结果发现，二者最大拔出力平均值相差分别约为3.00和6.85 N，表明薄片水分含量对烟支拔出难度的影响高于烟支中薄片填充密度的波动。

图8为不同平衡时间下烟支的抽拔提取器感知难度评级。由图8可知，当开包吸潮6 h后，70%的烟支出现较难拔或难拔现象，而当开包吸潮24 h后，90%的烟支出现较难拔或难拔现象，严重影响消费者体验。

2.5　薄片理化特性及粘针成因分析

以上研究表明，薄片生产工艺、薄片水分含量、薄片填充密度等因素均对薄片粘针现象有明显影响，其中薄片生产工艺中辊压法薄片粘针程度最高。为了分析薄片粘针的成因，本研究进一步对薄片样品在加热前后的基本物化特性进行了表征分析。

2.5.1　薄片碳化程度

为分析发烟段不同径向位置薄片的受热情况，对烟支中心、烟支中间和烟支外部的薄片分别取样进行表征分析，取样如图9所示。由图9可知，稠浆法薄片和辊压法薄片在加热后表观碳化程度相对较高。

图9  烟支中薄片样品取样位置示意图及不同部位取样薄片加热后表观形貌

Fig. 9  Location map of sampling positions of sheets in a cigarette and appearances of heated sheets from different sampling positions

粘针现象与碳化结焦过程直接相关，因此进一步对薄片样品的元素组成进行表征，分析加热后不同径向位置薄片的碳化程度。薄片在受热碳化过程中，烟草分子结构中含H的化学键稳定性相对于C—C键较弱，会以H2O、CH4等小分子气体的形式脱除，因此，H/C比值越小，表明碳化程度越高。H和C的物质的量比（H/C）可作为薄片碳化程度的指标[

10]。

不同径向位置薄片元素分析结果如表3所示。由表3可知，辊压法、稠浆法、干法薄片因其原料相同，H/C较为接近，而加热后H/C则出现明显差异：在靠近加热针的中心位置薄片中，辊压法薄片在加热后的H/C最低，为0.119；稠浆法、干法薄片加热后的H/C分别为0.123和0.127。靠近加热针的中心位置薄片反应特性是决定粘针的关键因素，由表3还可知，粘针现象最明显的辊压法薄片在中心位置碳化程度最高，而碳化程度与受热温度呈正相关[

5]，说明其在抽吸过程中受热温度最高。该现象由薄片的传质传热特性及薄片的排布情况所决定，由于烟具在运行过程中释放的热量相同，表明辊压法薄片烟支的传热传质特性不利于热量径向传导，使加热针附近温度升高，而较高温度的热解过程导致碳化粘针[1]。

表3  烟支中不同部位取样薄片样品元素分析
Table 3  Element analysis of sampled sheets from different sampling positions
样品元素含量/%H/C
CHN
稠浆法 加热前 40.59 6.11 1.81 0.151
加热后-中心 46.24 5.67 2.19 0.123
加热后-中间 41.01 6.23 1.78 0.152
加热后-外围 39.60 6.82 1.71 0.172
辊压法 加热前 40.58 6.65 1.90 0.164
加热后-中心 46.28 5.50 2.30 0.119
加热后-中间 41.52 6.58 1.87 0.158
加热后-外围 40.48 6.73 1.80 0.166
干法 加热前 42.00 6.27 1.58 0.149
加热后-中心 44.82 5.70 1.85 0.127
加热后-中间 43.62 6.28 1.80 0.144
加热后-外围 41.51 6.70 1.57 0.161

2.5.2　薄片比表面积及孔径特性

薄片的孔隙特性对其受热反应特性有明显影响[

9]，因此进一步利用比表面积及孔径分析仪对薄片进行表征分析，结果如图10和表4所示。由图10和表4可知，辊压法薄片的孔结构最多，其孔体积达0.036 cm3/g，比表面积为2.810 m2/g，明显高于稠浆法薄片和干法薄片[12]。根据图8中孔径分布结果可知，辊压法薄片主要含有大量孔径2~10 nm的介孔，因此其平均孔径也最低，为3.139 nm。分析加热后的3种薄片发现，辊压法薄片的孔隙结构显著减少[9]，加热后中心部位薄片在所有孔径范围内其孔隙结构均最少，由此可知，辊压法薄片加热后其微孔被填充起来。结果表明，烟支在加热过程中，焦油析出后与碳化过程中的薄片共同反应，挥发态的焦油进入薄片的孔隙结构中发生结焦反应[13]，使薄片孔隙结构填满焦炭，进而减少孔隙结构，同时导致薄片与薄片之间以及薄片与加热针之间通过焦炭粘接，形成块状结构[13-14]，导致粘针现象。干法薄片与辊压法薄片相反，加热后其孔隙结构更为发达，尤其是孔径2~10 nm的介孔。图9同样表明，粘针烟弹中心部位的薄片碳化明显，且呈现出致密的焦化结构（尤其是辊压法薄片），与BET表征结果相对应。另一方面，孔径2~10 nm的介孔是导致薄片物理性吸水的主要原因[15]。辊压法薄片含有大量的微孔，导致在同样配方下，辊压法薄片的吸水性能最强，而较高的吸湿程度，同样会导致粘针现象。

图10  烟支中不同部位取样薄片样品的孔径分布

Fig. 10  Distribution of pore diameter of sampled sheets from different sampling positions

表4  烟支中不同部位取样薄片的BET结果
Table 4  BET results of sampled sheets from different sampling positions
样品比表面积/(m2·g-1)孔体积/(cm3·g-1)平均孔径/nm
稠浆法 加热前 0.976 0.016 3.662
加热后-中心部位 3.253 0.038 2.778
加热后-中间部位 1.066 0.025 3.961
加热后-外围部位 1.043 0.022 3.467
辊压法 加热前 2.810 0.036 3.139
加热后-中心部位 1.784 0.026 2.539
加热后-中间部位 1.259 0.022 2.369
加热后-外围部位 1.126 0.022 3.642
干法 加热前 1.779 0.026 3.507
加热后-中心部位 3.160 0.053 3.489
加热后-中间部位 7.958 0.083 3.612
加热后-外围部位 1.464 0.050 4.170

3 结论

为了明确导致中心加热式电加热卷烟拔出难的影响因素，本研究对薄片生产工艺、薄片水分含量以及烟支中薄片填充密度对烟支拔出力的影响进行了深入分析。

3.1 在薄片生产工艺、水分含量及薄片填充密度3因素中，生产工艺对烟支拔出力的影响最大，拔出难度排序为辊压法>干法薄片>稠浆法；烟支中薄片填充密度或水分含量越高，拔出力越大，烟支越难拔出。

3.2 薄片受热后析出的焦油在薄片上进一步发生结焦是导致粘针的关键成因之一，且抽吸后薄片碳化程度与粘针程度呈正相关。

3.3 设计加热卷烟产品需对烟支插拔难度进行控制，可增加稠浆法、干法等不易粘针的薄片配比，同时增加薄片的抗吸湿能力，并避免烟支中的薄片填充密度过大。

参 考 文 献

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