“三纸一棒”的科学选用和设计
在卷烟降焦减害中的应用研究

云南烟草科学研究院

1　前言

　　烟草企业在各自产品的叶组配方和加香加料上各有特色，但随着叶组配方和加香加料对整个卷烟产品风格和烟气递送量影响的削弱，“三纸一棒”（卷烟纸、接装纸、成型纸和过滤嘴棒）的合理选用和烟支设计优化组合的研究和应用已越来越受到重视，详细系统地研究卷烟辅料参数的变化对卷烟烟气量和抽吸品质的影响，总结其规律性，并通过辅料新材料、新技术的应用，可实现焦油和有害成分的可控性、提高卷烟抽吸品质，降低成本消耗。下面详细阐述“三纸一棒”各因素与产品内在品质的相关性。

2　卷烟纸透气度、克重及组成对烟气递送量的影响

　　在84mm长度的普通规格卷烟设计中，卷烟纸约占烟支部分总质量的5％。尽管所占比例很小，但它对卷烟整体性能的影响却远远大于其它非烟草组分。它对卷烟的抽吸口数、静态燃烧速率、烟条通风度和烟气量都有较大影响；

　　(1)卷烟的抽吸口数随卷烟纸自然透气度的增加而减少，但当卷烟纸自然透气度超过70CU时，卷烟的抽吸口数减少已不明显；卷烟的静燃速率随卷烟纸自然透气度的增加而呈上升趋势，但增加幅度随卷烟纸自然透气度的增加而减少；卷烟纸透气度与烟条通风度呈正相关。卷烟纸透气度每增加10CU，烟条通风度提高20％，但随着卷烟燃吸的进行，烟条变短，卷烟纸透气度的作用减少，烟条长度的动态变化影响每口烟气的稀释效果，为确保卷烟烟气前后抽吸的一致性，要避免使用透气度过高（大于80CU）的卷烟纸。

　　(2)卷烟纸透气度在70CU以下时，透气度每增加10CU，卷烟焦油量降低2％～2.5％，烟气烟碱量降低2％～5％，CO量降低2％～7％，但当卷烟纸透气度超过70CU时，烟气量的减少已不明显。

　　(3)滤嘴通风削弱了卷烟纸透气度对卷烟烟气量的影响幅度。

　　(4)卷烟纸的克重对卷烟烟气量有影响，如随着卷烟纸克重的降低，烟气CO释放量降低，可使用低克重卷烟纸来降低烟气CO递送量。

　　(5)不同浆种（木浆、亚麻浆）卷烟纸对烟气量和抽吸品质有不同影响。

　　应根据以上卷烟纸对卷烟抽吸品质的影响规律和产品的不同设计要求合理选用卷烟纸。

3　接装纸与成型纸的合理匹配

　　就烟支的整个通风系统而言，相对于烟条通风，滤嘴通风能够提供烟支每口抽吸时较为稳定的稀释气流。烟支物理参数不变的情况下，卷烟滤嘴通风度的大小由接装纸透气度和成型纸透气度决定。

3.1　成型纸、接装纸的透气度与滤嘴通风度的关系

　　下面成型纸透气度、接装纸透气度（80CU、120CU、180CU、260CU、500CU、1000CU）和滤嘴通风度的相关性趋势图。

　　从图上可以看出，滤嘴通风度随接装纸、成型纸的透气度增大而增大，而最小透气度的纸决定了通风度的大小，因此，可以根据卷烟设计时滤嘴通风度的要求有目的地、经济合理地选择接装纸和成型纸的透气度。

3.2　滤嘴通风对卷烟理化性能和抽吸品质的影响

　　(1)随着滤嘴通风度的增加，烟支的开式吸阻减小。因此要根据整个烟支的设计匹配适宜的通风度以确保适宜的卷烟压降。

　　(2)滤嘴通风后，滤嘴通风区上游段的流速减小，扩散沉积作用加强，因此理论上滤嘴过滤效率随通风度的增加而增加；由于滤嘴通风稀释的影响，理论上滤嘴通风度每增加1％，卷烟焦油量下降1％，烟气烟碱量下降0.8％，CO释放量降低1.2％；随着滤嘴通风度的增加，卷烟中焦油烟碱比值呈减小趋势。要针对不同叶组情况，选择适宜的滤嘴通风度或调整配方组分来确保烟气的平衡和吃味风格的一致性。

　　另外卷烟闭式压降、滤嘴闭式压降、打孔方式、打孔位置、滤嘴长度都对滤嘴通风度产生影响，要根据需要，合理匹配这些参数。

4　影响滤嘴过滤效率的因素

4.1　滤嘴的长度

　　(1)其它条件不变的情况下，滤嘴长度每增加1mm，对烟气的过滤效率提高2％，卷烟总粒相物降低2％，焦油量降低1.5％，烟气烟碱量降低1.3％，CO释放量降低1.2％，其焦油和烟碱的比值呈下降趋势；

　　(2)滤嘴压降随长度的增加而增加时（即考虑滤嘴棒压降随滤嘴长度而变化），随着滤嘴长度的增加，过滤效率提高的幅度更大，滤嘴长度每增加1mm，对总粒相物的过滤效率提高3.4％，焦油的过滤效率提高3.7％，烟气烟碱过滤效率提高3.9％，卷烟总粒相物降低3.3％，焦油量降低2.5％，烟气烟碱量降低2.1％，CO释放量降低2.5％。

4.2　滤嘴的压降

　　在其它条件不变的情况下，滤嘴的过滤效率与滤嘴压降成正相关，滤嘴压降每增加1mmH₂O，总粒相物、焦油、烟碱的过滤效率分别提高0.47％、0.58％和0.69％，卷烟总粒相物、焦油量、烟气烟碱量和CO释放量分别降低了0.54％、0.59％、0.83％和0.81％。

4.3　滤嘴的圆周

　　(1)其它参数不变时，圆周增加，过滤效率略有提高，滤嘴圆周每增加1mm，总粒相物、焦油、烟碱的过滤效率分别提高0.41％、0.55％和0.66％，卷烟总粒相物、焦油量、烟气烟碱量分别降低了0.54％、0.58％、0.83％。

　　(2)滤嘴的压降随圆周的增加而降低时，滤嘴的过滤效率、烟气量以及焦油烟碱比值变化不明显。

4.4　丝束的单丝旦数

　　丝束的单丝旦数与滤嘴的过滤效率成负相关：单丝旦数每降低0.2，总粒相物、焦油、烟碱的过滤效率分别提高1％、0.84％和1.30％；使用低旦丝束不仅可以降耗，还可使烟气变得更为流畅、柔和，但使用低旦应适当提高滤嘴吸阻并辅以通风，否则嘴棒的硬度可能达不到要求。

5　功能嘴棒在卷烟降焦减害中的应用研究

　　使用加长嘴棒、提高滤嘴吸阻、辅以高通风、使用低旦丝束和适宜透气度的盘纸，采用这些措施就可实现降焦的目的，但随着焦油的降低，卷烟的香吃味也随着损失，降低焦油和保持卷烟的香吃味，这始终是低焦油卷烟设计中的一个矛盾。解决这一矛盾的方法之一就是使用功能嘴棒。

5.1　功能嘴棒的概念

　　滤嘴卷烟的问世是卷烟工业史上的一次革命性的创新。目前，普遍采用的简单醋酸纤维滤嘴只是对烟气进行简单的截留，并不能选择性地消除烟气中的有害成分，因此，国内外许多研究机构都力图通过生产一些特殊的滤嘴棒来达到卷烟降焦减害的目的，课题组在总结国内外该方面工作的基础上提出功能嘴棒这一新的概念。

　　功能嘴棒，是指在结构或材料上不同于普通醋纤嘴棒的一类新型过滤嘴棒，它是在普通滤嘴基础上发展起来的、能够提供多重功能属性的新型滤嘴棒。在实际使用中可以能动地选择一定的功能属性，完善和提升卷烟的吸食品质和安全性。功能嘴棒与普通醋纤嘴棒相比，具有以下特点：通过改变嘴棒的结构来改变嘴棒的功能（如CPF嘴棒）；通过添加不同物质构建的功能嘴棒能够赋予嘴棒特定的功能属性；通过对所加物质的种类及数量的调控，赋予嘴棒不同的功能属性。后者如减害提香功能能够在降低卷烟危害的同时保持卷烟的香吃味不受损失；可选择地降低卷烟烟气中特定的有害成分；作为香气的载体，赋予卷烟特定的风格，如薄荷烟、丁香烟等；作为某些添加成分的载体，弥补烟叶配方、香精配方的不足。

5.2　结构改变的功能嘴棒

　　联合效益嘴棒、同轴芯型滤嘴、Bonus二元复合滤嘴、新型纸滤嘴、香料线嘴棒等都是结构改变的功能嘴棒。因联合效益嘴棒具有较明显的推广应用价值，课题组重点对联合效益嘴棒进行了研究。联合效益嘴棒（CPF）嘴棒中心部分的醋酸纤维丝束由一层带波纹的透气纸包裹，外面再包上滤嘴成型纸，波纹纸的位置和长度可以调控，可以做到嘴棒的一端带沟槽的外观，亦可以做到具有和普通醋纤嘴棒相同的外观。它采用了横流过滤的原理，烟气可以有两种方式通过嘴棒，一种是从中心醋纤丝束内通过，另一种是从沟槽内通过，沟槽的作用实际上是形成一段低压降的区域，使得烟气容易从低压降区通过时穿过内层成型纸，发生高效过滤。由于烟气在沟槽中流动降低了嘴棒的压降，在相同的截留率条件下CPF嘴棒的压降比相应的醋纤嘴棒低，或者说在相同的压降下CPF嘴棒对焦油的截留率高于相应的醋纤嘴棒；由于较低的压降即可得到较高的截留率，因此嘴头所需的通风量减少，对烟气的稀释作用减少，有利于在降焦同时保持香吃味。课题组进行了CPF嘴棒的放样评估，并对所有的样烟进行了物检、烟气分析和评吸，经过大量的实验，证实了CPF嘴棒较普通棒有明显的降焦、降烟碱的效果，评吸发现CPF嘴棒在不影响香气量的情况下，对香气品质有好的影响，对协调性、刺激性和杂气有改进作用，余味更纯净舒适一些。此项研究推动了一些烟草企业对卷烟滤嘴新技术、新材料的研究和应用工作，2001年云南省内有以下品牌的卷烟使用了CPF嘴棒：精品“石林”、“传人”、精品“小熊猫”、“钓鱼台”。

5.3　添加材料的功能嘴棒

　　国家烟草专卖局明确提出，“降低卷烟烟气有害成分，提高卷烟吸食安全性”，其中措施之一是“使用加有各种添加剂的复合滤嘴”。经过大量的文献查阅和充分的研讨，课题组确定了烟气中CO等气相有害物质、烟气粒相物中稠环芳烃（PAHs）和烟草特有亚硝胺（TSNA）这三类有害成分为主要研究对象并提出了降低率要求，针对于此，进行了多种滤嘴添加剂的收集和筛选组合：如由天然植物提取的强抗氧化剂、高选择性吸附剂、具有特殊物理化学性能的材料、以及纳米材料等。分别进行了单料试验和各种配方组合试验。先后采用不同的施加工艺（包括：干法、湿法）制备了多批样品烟，得到了数千多个有关的理化测试数据。经过上述试验，最终选定了对降低烟气中三类有害成分综合效果较好，由天然植物提取加工的抗氧化剂和高效选择性吸附剂配伍而成的添加剂。保持甚至提升卷烟吸食品质是该研究工作中的最大难题。经过大量试验，课题组采用纳米技术和微胶囊技术对香原料进行保护。综合减害添加剂的物性，设计并制备了减害提质添加剂。在降低烟气中的主要有害物质的前提下明显改善了卷烟的吸食品质，改善了余味，提高了香气质。

　　“低危害卷烟”是指以卷烟烟气中主要有害成分明显低于同类产品为特征的卷烟。即在焦油量相同、吸味基本一致的情况下，其烟气中主要有害成分含量和烟气危害性比较低。课题组所进行功能材料研发正是遵循的这一思路进行的。经检测，课题组筛选的减害提质材料构建功能嘴棒，与对照样烟相比，试验烟的焦油变化不显著，气相有害物质、烟气粒相物中稠环芳烃（PAHs）和烟草特有亚硝胺（TSNA）这三类有害成分有明显降低，达到了选择性减少烟草烟气中有害物质的目的。

6　结语

　　烟支设计和“三纸一棒”的科学选用和优化组合是一个系统工程，它直接关系到烟气的递送量、有害成分的控制和卷烟吸食品质的稳定和提高；另外通过新型降焦减害、增香功能嘴棒的开发和应用，能在降焦的同时保持甚至提高卷烟抽吸品质，提高整个卷烟产品的核心竞争力。

《云南烟草》，2003年，第2期，14～17页