（应用化学专业论文）卷烟侧流烟气的调控研究.pdf

摘要 y6 6 3 7 9 6 卷烟燃烧时释放出大量侧流烟气，其中有很多危害人们身体健康的物 质，如烟碱、醛类物质等。本文在分析了普通卷烟侧流烟气化学组成的基础 j 二，系统研究j ，降低卷烟侧流烟气的方法。 根据侧流烟气的产生机制，一方面研究制备了一种特殊的低侧流烟气卷 烟纸，使侧流烟气在逸 = n 烟支燃烧线之前被吸附和分解，控制侧流烟气的释 放；另一方面，采用了定量的膨胀烟丝和烟丝助燃剂，通过减少燃烧底物 和使烟丝燃烧更完全来控制侧流烟气的产生。 在研制低侧流烟气卷烟纸时，对不同的卷烟纸填料添加剂、助燃剂、定 量、透气度对侧流烟气的影响进行了研究，并确定了低侧流烟气卷烟纸的最 他配方：定量3 5g m 2 ，透气度5 0c u ，含3 0 c a c 0 3 和1 0 活性m g ( o h ) 2 填料添加剂，5 的柠檬酸钾助燃剂和2 烟灰粘接剂。 对硼i ：制的低侧流烟气卷烟纸及其燃烧后的粉末进行丫x r d 表征，发现 在纸浆- 书醋酸镁和k o h 反应制备的活性m g ( o h ) 2 在卷烟纸 的分散比真 接加入的固体m g ( o h ) 2 好。填料添加剂c a c 0 3 的存在有利于活性m g ( o h ) 2 燃烧分解后形成细小分散m g o 粒子。活性m g ( o h ) 2 的存在阻止了c a c 0 3 的 分解，有利于形成更小粒子c a o 粒子。两者相互作用，提高了降低卷烟侧流 烟气的性能。烟坎粘接剂的存在促使活性m g ( o h ) 2 分解形成更为细小分散的 m g o 粒子，增强了活性m g ( o h ) z 降低侧流烟气的效果。 研制_ r 一种低侧流烟气的卷烟，对研制的低侧流烟气卷烟和普通卷烟主 流和侧流烟气中的化学成分以及这些化学成分在卷烟主流烟气和侧流烟气 t l _ 1 的分配比率进行了分析测定。 常规分析结果表明：本文研究的降低卷烟侧流烟气的方法，在保证卷烟 主流烟气烟香优雅，余味舒适等卷烟风格的基础上，使卷烟侧流烟气总粒相 物降低了6 5 ，烟碱降低了4 5 。 对卷烟烟气中半挥发性成分的分析结果表明：卷烟主流烟气和侧流烟气 i ij 挥发性成分种类基本相同，但每组分的含量有很大的差异；普通卷烟侧 流烟气中半挥发性成分的总量明显高于丰流烟气，侧流烟气中大多数半挥发 性成分的含量高于主流烟气；低侧流烟气卷烟中的侧流烟气半挥发性成分总 最明显低于主流烟气；低侧流烟气卷烟侧流烟气中半挥发性成分总量明显低 于普通卷烟的侧流烟气。 烟气化学成分的分析对比结果表明，应用本技术开发的低侧流烟气卷 烟，其侧流烟气中化学成分的含量与普通卷烟相比大大减少，而同时主流烟 。( 1 l _ | 1 的化学成分未发生显著改变。 关键词：侧流烟气，卷烟纸，调控，填料添加剂，x r d a b s t r a c t i nt h es i d e s t r e a ms m o k eo f c i g a r e t t e ，t h e r ea r em a n ys u b s t a n c e sw h i c ha r e h a r m f u lt op e o p l e sh e a l t h ，s u c ha sn i c o t i n e ，a l d e h y d e b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e c o m p o s i t o ni nm a i n s t r e a ms m o k ea n ds i d e s t r e a ms m o k eo fc i g a r e t t e ，t h e m e t h o do f r e d u c i n gs i d e s t r e a ms m o k eo f c i g a r e t t e sw a sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt o t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs i d e s t r e a m s m o k e ，as p e c i a l c i g a r e t t ep a p e r w a sp r o d u c e da n du s e dt oc o n t r o lt h er e l e a s el e v e lo ft h e s i d e s t r e a ms m o k e a d d i t i o n a l l y , s o m ee x p a n d e dt o b a c c oa n db u r i n ga d d i t i v e s w e r eu s e dt o r e d u c et h e p r o d u c t so f t h ec i g a r e t t ed e c o m p o s i t i o na n dc a r b o n i z a t i o n i tw a sb e c a u s et h a tt h eu s i n go f e x p a n d e dt o b a c c oc o u l dr e d u c et h ec o n s u m p t i o n o ft o b a c c ob u r n e di nat o b a c c or o l ea n dt h eb u r n i n ga d d i t i v e sc o u l dm a k et o b a c c o c o m b u s tm o r e c o m p l e t e l y t h a ng e n e r a lc i g a r e t t e s t h ei n f l u e n c eo f p a p e r f i l l e ra d d i t i v e s ，b a s i sw e i g h t ，p o r o s i t ya n d b u r n i n g a d d i t i v e so ns i d e s t r e a mt o t a lp a r t i c u l a t em a t t e r ( s t p m ) ，t a s t eo f c i g a r e t t ew e r e i n v e s t i g a t e d a n d ak i n do fa s hs o l i d i f i c a t i o na d d i t i v ew a su s e dt oi m p r o v et h ea s h a p p e a r a n c ea n dt or e d u c em o r e s i d e s t r e a ms m o k e t h i sr e s e a r c h p r o p o s e d a n o p t i m a lr e c i p e o fp r o d u c i n gl o ws i d e s t r e a m s m o k e c i g a r e t t ep a p e r i na c c o r d a n c ew i t ht h er e c i p e ，t h ec i g a r e t t ep a p e rc o n t a i n s 10 b y w e i g h to fm a g n e s i u mh y d r o x i d e ，3 0 b yw e i g h to f c a l c i u mc a r b o n a t e ， 5 b yw e i g h to fp o t a s s i u mc i t r a t e 2 b yw e i g h to f a s hs o l i d i f i c a t i o na d d i t i v e i i i b e s i d e st h em a t e r i a l su s e di nt r a d i t i o n a lc i g a r e t t e p a p e r i th a sa b a s i sw e i g h to f3 5 g m 2 ，a p o r o s i t yo f 5 0c u b i cc e n t i m e t e r sp e rm i n u t e ( c u ) b yt h ec o r e s t am e t h o d t h ec i g a r e t t ep a p e rw i t hd i f f e r e n tf i l l e ra d d s i t i v e sf o rr e d u c i n gs i d e s t r e a m s m o k ea n dt h e i rc o m b u s t i t i o np r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d t e c h n i q u e i t w a sf o u n dt h a tt h ea c t i v e m a g n e s i u mh y d r o x i d ef o r m e d i nt h ep u l p b yt h e r e a c t i o no f m a g n i s i u m a c e t a t ea n d p o t a s s i u mh y d r o x i d ed i s p e r s e d m o r e c o m p l e t e l yt h a nt h ep o w d e ro fm a g n e s i u mh y d r o x i d ea d d e dd i r e c t l yi nt h ep u l p t h ea d d i t i o no fc a l c i u mc a r b o n a t ef a c i l i t a t e dt h ef o r m a t i o no ff i n em a g n e s i u m o x i d ep o w d e rd e c o m p o s e df r o mm a g n e s i u mh y d r o x i d e t h ea p p e a r a n c eo f a c t i v e m a g n e s i u mh y d r o x i d ep r e v e n t e d c a l c i u mc a r b o n a t ef r o md e c o m p o s i n g ，a n d f a c i l i t a t e dt h ef o r m a t i o no ff i n ec a i c i u mo x i d ep o w d e rw h e n t h ec i g a r e t t ep a p e r w a sb u r n e d t h ec o o p e r a t i o no ft h e a d d i t i v e so fm a g n e s i u mh y d r o x i d ea n d c a l c i u mc a r b o n a t ei nt h eb u r n i n go fc i g a r e t t ep a p e ri m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f r e d u c i n gs i d e s t r e a m s m o k e ab r a n do fc i g a r e t t ew a st h e nd e v e l o p e d ，w h i c he x h i b i t e dl o w l e v e lo f s i d e s t r e a ms m o k e t h ec o m p o s i o n o fi t ss i d e s t r e a ms m o k ew a sa n a l y s e d i tw a sf o u n dt h a tt h et p m a n dn i c o t i n ei ns i d e s t r e a ms m o k ew e r er e d u c e db y 6 5 a n d4 5 r e s p e c t i v e l y ，c o m p a r e dw i t hg e n e r a lc i g a r e t t e a n d t h e r ew a sl i t t l e 1 0 s si nt o b a c c oa r o m aa n dt a s t e t h es e m i v o l a t i l ec o n s t i t u e n t s i nm a i n s t r e a ma n ds i d e s t r e a ms m o k eo f c i g a r e t t e s w e r ed e t e r m i n e da n dt h er a t i o so ft h e s e m i v o l a t i l ec o n s t i t u e n t so f s i d e s t r e a m m a i n s t r e a mw e r e o b t a i n e d t h er e s u l t so ft h e s e m i v o l a t i l e c o n s t i t u e n t si ns i d e s t r e a ms m o k es h o w e dt h a tt h et o t a la m o u n to fs e m i v o l a t i l e c o n s t i t u e n t si ns i d e s t r e a ms m o k eo f d e v e l o p e dc i g a r e t t e sw a sr e d u c e do b v i o u s l y i tw a sf u r t h e rc o n f i r m e dt h a tl o ws i d e s t r e a m c i g a r e t t e s c o u l dr e l e a s ef e w e r a m o u n t so fs m o k ei n t ot h ee n v i r o n m e n ta sc o m p a r e dw i t h g e n e r a lc i g a r e t t e s k e y w o r d s ：s i d e s t r e a m s m o k e ，c i g a r e t t ep a p e r , a d j u s t m e n ta n d c o n t r o lm e t h o d ， f i l l e ra d d i t i v e ，x r d v 第一章文献综述 燃烧的烟支是一个复杂的化学体系。据科学研究发现【1 1 ，在烟支点燃的 过程中，当温度上升到3 0 0 c 时，烟丝中的挥发性成分开始挥发而形成烟气； 上升到4 5 0 c 时，烟丝开始焦化：温度上升到6 0 0 4 c 时，烟支被点燃而开始 燃烧。烟支燃烧有两种形式：一种是抽吸时的燃烧，称为吸燃；另一种是抽 吸间隙的燃烧，称为阴燃( 亦称为静燃) 。抽吸时从卷烟的滤嘴端吸出的烟 气称为主流烟气( m a i n s t r e a ms m o k e ，简称m s ) ，从燃烧端释放出来和透过 卷烟纸扩散直接进入环境的烟气称为侧流烟气( s i d e s t r e a ms m o k e ，简称s s ) 。 烟草中的萜烯类、植物甾醇类如豆甾醇、石蜡类、糖类、氨基酸类、纤 维素类和许多其他成分通过热分解，热合成、干馏、聚合、缩合、自由基等 反应形成了挥发性、半挥发性气体，以及液体和固体物质( 如焦油) 等。 由于高温化学电离作用，卷烟烟气是一种带有微电荷的气溶胶。新产生 的主流烟气气溶胶，含有1 0 9 1 0 0 c m 3 个颗粒，粒子的初始直径为0 0 1 1 o m ，随着时间的延长，粒子直径不断增大，平均直径为o 2 岬。侧流烟气 的粒子分布与主流烟气有所差别，其分布为0 0 8 1 0 l l m ，平均直径为 0 t 5 r t m ，烟支静燃时每秒钟产生6 3 1 0 9 个粒子。 由于烟支燃烧方式不同，产生的主流烟气和侧流烟气的酸碱性也不同2 1 。 一般来说，由阴燃产生的侧流烟气基本上呈碱性，由吸燃产生的主流烟气因 烟草原料的不同，有的呈酸性，有的呈碱性，有的呈中性，对于各种卷烟类 型来说，主流烟气的酸碱度( 即p h 值) 为5 6 6 5 ，而雪茄烟的主流烟气 的p h 值为7 5 1 0 0 。 1 1 侧流烟气的形成过程 在抽吸间隙的阴燃阶段，卷烟燃烧区附近自然对流的空气向上流动，支 持卷烟的燃烧，在烟支内部的热解蒸馏区，形成高浓度的有机蒸气。由于缺 少抽吸力的拉动，大部分有机蒸气透过部分降解的卷烟纸迅速扩散到大气中 形成了侧流烟气。侧流烟气经卷烟纸扩散进入大气以后，温度突然下降，又 经过空气稀释后，形成了比主流烟气颗粒更小的气溶胶颗粒吼 1 2 侧流烟气的测定 国外对侧流烟气的研究已有数十年历史，主要集中在侧流烟气的捕集装 置设计。2 0 0 2 年，蔡君兰对前人的捕集装置进行了综述 4 1 。1 9 5 8 年，p y r i k i 在个平放的玻璃筒中抽吸卷烟，以4 5 4 8l m i n 的气流速度收集侧流烟 气。1 9 5 9 年，m u l l e r 设计的钟形烟气收集箱在2 1 2 4l m i n 的气流速度 下可收集全部的侧流烟气。1 9 6 4 年，n e u r a t h 设计出外层夹套用自来水冷却 的烟气收集装置，该装置把整个烟支包围起来，在1 2 1 5 l r a i n 的气流速 度下收集烟气。这种装置的缺点是卷烟燃烧不均匀，粒相与气相分离不开， 而且较小的收集装置使空气流速严重干扰主流烟气的收集。1 9 7 4 年， b r u n e m a n 等人对n e u r a t h 收集装置进行了改进，他们在烟支下面安装了个 避气管，使进入收集装置的空气通过一个分配器后能以1 5 l m i n 的恒定速 度绕过整个烟支，从而使烟支燃烧均匀，此后许多有关侧流烟气的研究大都 使用这种改进的n e u r a t h 收集装置( 图1 1 ) 。1 9 7 3 年，j o h n s o n 等人设计了竖 1 互的圆柱形s s 收集装置( 图1 2 ) ，卷烟平放在这种装置中，空气以1 2 l n i n 的速度垂直通过该装置。b r o w n 等使用类似的收集装置来收集侧流烟气，但 空气流速为5 9 l m i n 。1 9 8 3 年，s a k u m a 及其合作者使用一种梨形收集装 置以2 l m i n 的气流速度来收集侧流烟气，以测定其酸性、碱性和中高沸点 的化合物。同j o h n s o n 收集装置相比，该装置因其采用的气流速度较快，且 烟支与侧流烟气捕集器之间的距离又较短，因此，烟气在流动过程中容易保 持热的状态，从而减少了侧流烟气在收集器壁上的冷凝沉积。 一蓥登 图1 - 1n e u r a t h 收集装置图1 - 2j o h n s o n 收集装置 2 0 0 2 年，c o r e s t a ( c o o p e r a t i o nc e n t r e f o rs c i e n t i f i cr e s e a r c hr e l a t i v et o t o b a c c o ) t 5 1 公布了以鱼尾罩为捕集装置的侧流烟气总粒相物( s i d e s t r e a m s m o k e t o t a lp a r t i c u l a t em a t t e r ，s t p m ) 、烟碱、焦油的测定方法( 见图1 3 ) 。 c o r e s t a 推荐的标准侧流烟气捕集装置对卷烟燃烧干扰少，而且可批量捕集， 因此，我们在本文中选用该装置来捕集侧流烟气用于侧流烟气的化学成分测 毋。 最大， 3 5 m m 图1 3 鱼尾罩的结构图 1 3 侧流烟气中的主要化学成分 卷烟烟气是由气相物质和粒相物质两部分组成的【6 】。气相物质是指粒径 小于o 2 9 i n 的微粒，气相物质约占烟气总量的9 2 左右，其中包括空气( 约 占5 8 ) 、过量的氮气( 约占1 5 ) 、碳氢化合物、有机物的蒸汽、氮氧化合 物和一些生物活性物质等。粒相物质约占烟气总量的不到8 ，主要有水、 烟碱和焦油，焦油是卷烟烟丝中的有机物质在缺氧条件下不完全燃烧产生 的，是由多科t 烃类及烃的氧化物、硫化物和氮化物等组成的复杂化合物。此 外，烟气中除了粒相和气相成分以外，还有一种经常提到的所谓半挥发性成 4 分，半挥发性物质是由沸点在7 0 3 0 0 范围内的约3 0 0 种物质组成，他 们中包括了大部分对烟气吸味和香气有贡献的成分。 卷烟烟气是多种化合物组成的复杂混合物，其基本化学组成见表1 1 【”。 截止1 9 8 8 年( 据r o b e r t s ，1 9 8 8t o b a c c or e p o r t e r 报道) 已经鉴定出烟气中 的化学成分已达5 0 6 8 种，其中1 1 7 2 种是烟草本身就有的，另外3 8 9 6 种是 划气中独有的。 表1 1 全部主流烟气的基本化学组成 通常认为卷烟主流烟气中存在的组分，侧流烟气中也存在，但由于产 什! 流烟气和侧流烟气的燃烧方式不同，其化学成分的含量有很大差别， 讷：多成分在侧流烟气中的含量比主流烟气高，如吡啶、氨、水分等，因而 主流烟气和侧流烟气的化学成分分配存在差异。 1 4 侧流烟气对环境的危害 r 前，一般认为烟气中的主要有害物质有 7 ；烟气气相物质中的一氧化 碳、氮的氧化物、丙烯醛、挥发性芳香烃、氢氰酸、挥发性亚硝胺等，烟气 s 粒相物质中的稠环芳烃、酚类、烟碱、亚硝胺( 尤其是烟草特有亚硝胺) 和 一些杂环化合物及微量的放射性元素等，以及气相与粒相中都存在的自由 基。 卷烟产生的侧流烟气，直接散发于空气中，其有害成分甚多刚。例如， 作为烟草行业一直努力控制的指标总粒相物( t o t a lp a r t i c u l a t em a t t e r ，简称 t p m ) ，在侧流烟气中的含量就比主流烟气中高出约5 0 ( 见表1 2 ) 。 表l - 2 卷烟主流烟气和侧流烟气烟气常规数据对比 近年来，随着人们对吸烟与健康问题的日益重视，随着世界反吸烟运动 的兴起和发展以及消费者对“吸烟与健康”问题的关注，人们在卷烟消费过 程t p 将会更加重视本人及周围其他人的健康。人们不仅关注主流烟气对吸烟 着的影响，而且也关注环境烟草烟气对环境空间的污染和危害。卷烟侧流烟 气是环境烟草烟气的主要来源，侧流烟气提供了环境烟草烟气6 0 8 5 的粒 相物和8 7 9 9 的气相物【8 1 。 研究人员发现【9 “被动吸烟使血液中血小板的粘度增加，可在脂肪淤积 的动脉蚀斑上形成血栓，使心脏病发作和加速动脉硬化的可能性增加。被动 吸烟可仗呼吸道上的细胞退化，肺部变得易渗透，为毒素污染物和微生物的 侵袭提供方便。被动吸烟还可使体内的胆固醇含量增高，高密度脂肪蛋白含 墨降低，而高密度脂肪蛋白对心脏有保护作用。 丈夫吸烟其妻子患肺癌的危险性增加。有研究者认为不吸烟妇女患 肺痛的危险性随丈夫吸烟居住年限有上升趋势。 不少学者认为”】，被动吸烟可能会使婴儿的支气管疾患和肺部疾患发 生率增高，吸烟母亲的孩子肺功能降低。被动吸烟可能对婴幼儿的免疫功 能造成损害使之发育不完全。烟草烟气中的某些有害成分可通过被动吸 烟或吸烟母亲的乳汁等途径进入婴幼儿体内，甚至通过妊娠妇女的胎盘影 响胎儿的正常发育。 卷烟侧流烟气中释放的某些挥发性醛类物质直接刺激呼吸道和眼部粘 膜。 我国是世界烟草的生产和消费大国，1 3 亿人口中有3 2 亿吸烟者。有资 料表明，我国9 0 的吸烟者有在公共场所吸烟的经历，其中有7 0 是在家庭 i i i 吸烟。尤其妇女和儿童深受被动吸烟的影响。 综上所述，在今后一段时期内，世界烟草行业将会面临越来越大的挑战， 吸烟与健康的问题更为各国政府和人们所关注，反吸烟运动将会更为强烈。 所有这些，都要求烟草行业面对现实，采取积极的对策求生存、求发展。控 制卷烟侧流烟气，是烟草行业必须面临的挑战。 同时，随者中国成功加入世界贸易组织，横亘在中国烟草行业与国际烟 _ 听于业之间的贸易壁垒将被打破。随之而来的技术壁垒将是对中国烟草行业 坐严峻的考验。通过一些技术指标的设置，发达国家的卷烟可以在中国市场 畅通无i j 且，而我们的卷烟却因技术达不到要求而不能进入他们的市场。现有 的技术指标包括焦油和烟气烟碱量，欧盟和美国的一些州已经通过立法在 2 0 0 3 年后开始限制烟气一氧化碳释放量。当中国卷烟经过艰苦的努力终于可 以达到现有的技术要求时，新的指标又会随之产生。这些未来的指标也可能 包括侧流烟气量，国外市场上低侧流烟气卷烟的不断出现当可视为一个信 号。 为了缓解吸烟者与被动吸烟者的矛盾，在给人享受的同时，关注他人健 康，降低卷烟侧流烟气的技术研究和低侧流烟气卷烟的开发势在必行。和低 焦油卷烟一样，低侧流烟气卷烟不仅是卷烟行业的必然趋势，而且是促进烟 草行业发展的一项长远战略。围绕降低卷烟烟气中有害成分的技术研究这个 主题，应对中国烟草行业不断面对的技术挑战，打破世界烟草巨头的技术垄 断，研究降低吸烟对环境危害程度的低侧流烟气卷烟技术，具有十分重要的 社会意义。 1 s 降低卷烟侧流烟气技术研究进展 降低卷烟侧流烟气的技术研究始于7 0 年代末 1 3 l ，并且取得了一些研究 进展。目前，用于降低卷烟侧流烟气主要有两种方法。 1 ) 采用大量的膨胀烟丝或炭化纤维等烟丝替代物，利用他们的高填充性 能，减少卷烟的燃烧消耗物质，从而减少烟气的产生、降低侧流烟气。 混合型卷烟通常采用采用这种方法 1 4 1 6 】，但对中国市场上占统治地 位的烤烟型卷烟而言，大量采用烟丝替代物对吸味影响很大，难以满足 消费者对卷烟吸味的需要。 2 1 采用特殊的卷烟纸。主要有4 种方法。 ( 1 ) 采用高定量、低透气度卷烟纸。 美国专利”l9 1 应用了定量高至5 0 m 2 、透气度低于1 0c u ( c u b i c c e n t i m e t e r s p e r m i n u t e ) 的卷烟纸，达到一定的降低侧流烟气的效果， 但由于低透气度卷烟纸造成主流烟气量增加，不得不使用大量烟丝 替代物以减少主流烟气量，使卷烟吸味严重受损。而高定量卷烟纸 带来的纸味更进一步使卷烟吸味变坏。因此，仅仅采用这种方法很 难获得市场成功，应用于烤烟型卷烟尤其不利。此外，还有一些在 低透气度卷烟纸上采用打孔技术【2 1 ，虽然对低透气度卷烟纸破坏 卷烟吸味有所改进，但没有从根本上解决问题，而且对设备和技术 的要求也较高。 ( 2 )在卷烟纸中加入高含量的助燃剂 有人尝试了在普通卷烟纸上添加有机盐助燃剂的方法来降低卷 烟的侧流烟气，如美国专利 2 2 1 ，虽然在一定程度上可以降低侧流烟 气，但效果并不明显，同时由于卷烟燃烧后的烟灰变黑，难以为消 费者所接受。 ( 3 )在卷烟纸中添加金属氧化物或氢氧化物对卷烟纸进行改性，改变传 统卷烟纸的物理和化学性能。 为了更有效地降低侧流烟气，更多的研究者关注于对卷烟纸的 表面改性，他们将各种填料加入卷烟纸，结合高定量、低透气度、 高含量助燃剂技术，研究了他们的降低侧流烟气的效果。 美国专利曾报道，在卷烟纸中加入炭粉以降低侧流烟气。由 于炭粉颜色使卷烟纸变黑，只能用于雪茄型卷烟。 m a r t i n 等【2 4 1 提出在卷烟盘纸中添加v 氧化铝降低侧流烟气，他 9 , f r aa 1 2 0 3 替代部分碳酸钙作为填料加入卷烟纸中，做成5 0g m 2 的卷烟纸a 还有专利 2 5 - 2 7 报道在卷烟纸中加入高比表面积的锂、铝 或钙等金属氧化物或氢氧化物作填料。 加入这些填料虽然降低侧流烟气的效果显著，但烟支燃后烟灰 不连续，呈片状散落，外观不好。同时，由于低透气度的使用，依 然没有解决卷烟吸昧问题。 ( 4 ) 采用双层卷烟纸。 为了解决烟支燃烧后烟灰不连续，呈片状散落，外观不好的问 题，有人提出使用双层卷烟纸2 8 之9 】。该方法具有较好的效果和持灰 能力，但制作及应用工艺复杂。而且由于双层纸的使用，注定了透 气度很低，依然无法解决吸昧河题。 随着低侧流卷烟技术研究工作的深入，在美国和日本市场已出现了低侧 流烟气卷烟产品，如雷诺士公司s a l e mp i a n i s s i m o 牌卷烟、p r e m i e rp i a n i s s i m o 牌卷烟、日本烟草公司薄荷型卷烟f l a i r 和菲和涌公司v i r g i n i as l i m s 卷烟等。 他们的侧流烟气较普通卷烟降低了4 0 左右。这些卷烟采用的确切技术是商 业秘密，但从我们的测试分析，这些卷烟都采用了定量5 0g m 2 、透气度1 0c u 的卷烟纸。从经验看应该存在吸味变坏的问题，但这些卷烟全是混合型卷烟， 而且大部分是薄荷烟。由于这些卷烟的特殊性，低侧流烟气技术带来的吸味 改变等问题被掩盖了。当这些卷烟纸应用到烤烟型卷烟时，这些阚题并未实 际解决。而且这些卷烟的烟灰连续性和完整性较差，影响了降低侧流烟气的 效果。 1 6 本课题的研究目的、主要研究方法与项目创新性分析 本研究的目的是在了解和掌握烟支燃烧过程中的物理化学变化过程的 基础上，根据侧流烟气的产生原理，通过对侧流烟气和主流烟气化学成分的 比较分析，对现有的卷烟纸进行表面改性，研制定量低于4 0g m 2 ，透气度在 5 0c u 以上的卷烟纸。辅以其他方法，使侧流烟气在逸出烟支燃烧线之前被 吸附和分解，控制侧流烟气的释放量。 在此基础上，研究和开发一种烤烟型型低侧流烟气卷烟产品，大大降低 吸烟对环境的污染，同时使主流烟气仍保持烟香优雅，余味舒适。 本课题采用的主要研究方法是：首先测定卷烟燃烧时产生的侧流烟气和 主流烟气中的化学成分、分配比，寻找他们之间的主要差别，分析侧流烟气 释放量大的原因；然后针对现有的卷烟纸进行表面改性，研制一种或多种纸 浆填料添加剂，调变卷烟纸对烟气的吸附、脱附以及表面化学反应的性能， 降低调控侧流烟气释放量；通过对卷烟纸及其模拟吸烟条件下燃烧后的粉末 进行x 射线衍射( x r d ) 分析，从理论上解释填料添加剂对降低卷烟侧流烟 气的作用机制， 本文通过对卷烟的主流和侧流烟气化学成分进行了系统分析与对比，研 制，一种特殊的可应用于卷烟纸的填料添加剂，并制备了一种定量为3 5 g m 2 、透气度为6 0 c u 台勺低侧流烟气卷烟纸，在不改变卷烟烤烟型卷烟吸昧 的前提下，可使侧流烟气释放量下降6 0 。而且，在卷烟纸中使用了- - ；f i f , 烟 灰粘接剂，使所研制的环保型低侧流烟气卷烟具有烟灰连续完整、持次能力 衄等特点。 对所用各添加剂在卷烟纸中的存在状态及卷烟纸各添加剂在模拟吸烟 条件下燃烧后的粉末进行了x - 射线衍射( x r d ) 分析，首次从理论上解释了 填料添加剂对降低卷烟侧流烟气的作用机制。 第二章普通卷烟主流烟气和侧流烟气化学成分的分析 烟草烟气是由5 0 0 0 多种成分组成的不断变化的混合物，它们存在于主 流和侧流烟气中，并且分布在烟气气溶胶的粒相和气相之间。主流烟气的 危害是众所周知的，然而，人们往往容易忽视侧流烟气对环境的潜在危害。 本章通过对侧流烟气化学组成的分析，揭示侧流烟气的危害以及降低侧流 烟气的必要性。 2 1 材料、试剂和仪器 2 1 1 材料和试剂 标样：2 - 环戊烯一l 一酮、2 甲基2 一环戊烯1 酮、2 乙酰呋喃、2 乙酰一5 一甲 基呋喃、3 一甲基2 环戊烯1 酮、2 乙酰吡咯、苯乙酮、苯乙醇、3 甲基苯乙 酮、4 甲基苯乙酮、乙酸苯乙酯( 内标物) 、邻苯二甲酸二丁酯、异佛尔酮， 以e 标样均为进口试剂。 普通试剂：盐酸、氢氧化钠、无水硫酸钠、氯化钠、二氯甲烷、无水乙 醇，异丙醇，以上试剂均为分析纯：十七碳烷( 纯度不低于9 9 ) 、烟碱f 纯 度至少为9 8 ) 、无水乙醇( 色谱纯) 2 1 2 仪器和设备 f i l t r o n ac o a 2 0 0 型吸烟机，英国c e r u l e a n 公司 j j z 2 0 自动吸烟机，无锡通振科技公司 可收集卷烟侧流烟气的吸烟机，郑州烟草研究院 鱼尾瓶，日本烟草产业株式会社提供 卷烟点火器，郑州烟草研究院 皂膜流量计，英国f i l t r o n a 公司 电子流量计，美国s k c 公司 烟支重量自动分选仪，美国k c 公司 烟支压降测试仪，美国f i l t r o n a 公司 烟支综合测试仪，美国f i l t r o n a 公司 h p 6 8 9 0 气相色谱仅，美国安捷伦公司 h p 6 8 9 0 - h p 5 9 7 3 g c m s 联用仪，美国安捷伦公司 旋转蒸发仪，瑞士b u c h i 公司 同时蒸馏萃取仪，郑州大学提供 2 2 实验方法 2 2 1卷烟主流烟气中化学成分的分析 2 2 1 1卷烟主流烟气常规化学成分的测定 将卷烟样品的包装拆开，取出烟支。将烟支均匀地放在温度( 2 2 - - + 1 ) ，相对湿度( 6 0 - + 2 ) 的环境条 f - b t 平衡4 8 小时。挑选在平均质量o 0 2 9 和j f 均吸阻- + 4 9 p a 范围内的烟支为实验烟支。玻璃纤维滤片放在温度( 2 2 1 ) ，相对湿度( 6 0 2 ) 的环境条件下平衡4 8 小时以上。 按y c t 2 9 1 9 9 6 标准，使用f i l t r o n ac o a 2 0 0 吸烟机抽吸卷烟和测定卷 烟二】! 流烟气总粒相物和焦油，按y c t 1 5 6 2 0 0 1 标准测定卷烟总粒相物中烟 铖，按y c t 1 5 7 2 0 0 1 标准测定卷烟总粒相物中水分。 2 。2 。1 2 卷烟主流烟气中半挥发性成分的定性分析 1 4 按y c t 2 9 1 9 9 6 标准抽吸卷烟，每个玻璃纤维滤片收集4 支卷烟的主 流烟气总粒相物，每个牌号的卷烟抽吸4 0 支，卷烟抽吸完毕，将玻璃纤维 滤片迅速取下，并用脱脂棉擦拭捕集器。 将滤片和脱脂棉一同置于同时蒸馏萃取仪的左端1 0 0 0 m l 烧瓶中( 图 2 1 ) ，并加入4 0 0 m l 蒸馏水、1 2 0 9 n a c l , 4 0 m lc h 2 c 1 2 于该瓶中，加入5 0 m l c h ：c 1 2 于同时蒸馏萃取仪右端的1 0 0 m l 烧瓶中，同时蒸馏萃取两小时，得 到c h 2 c 1 2 萃取液。 将萃取液转移到2 5 0 m l 分液漏斗中，按图2 2 流程图进行处理：分别用 5 的h c l 、5 的n a o h 沈三次，再用饱和n a c l 溶液沈一次。上述酸、碱、 饱和n a c i 水溶液均分别用c h 2 c 1 2 反萃取两次，将萃取液合并到有机相中， 加入无水硫酸钠干燥过夜。将干燥后的c h 2 c 1 2 溶液转移到浓缩瓶中，常压 下用旋转蒸发仪4 8 5 c 恒温浓缩到l m l ，加入内标乙酸苯乙酯，即为g c 、 g c m s 分析样品液。 图2 - 1同时蒸馏萃取仪装置 6 总粒相物 上同时蒸馏萃取2 h 萃取液 i i 5 h c l 沈三次2 5 m l 3 ) f 水层用c h 2 c 1 2 反萃取两次( 1 0 m l 2 ) 厂 酸液层有机层 h 洗三次( 2 5 m l 3 ) c h 2 c 1 2 反萃取两次( 1 0 m l 2 ) 碱液层有机层 饱和n a c l 液层 a c l 洗一次( 1 5 m l 1 ) c h 2 c 1 2 反萃取两次( 1 0 m l 2 ) 二氯甲烷层 上无水硫酸钠干燥过夜，浓缩，加入内标物 g c 分析样液 图2 - 2卷烟烟气总粒相物前处理流程图 g c 条件： d b 5 弹性石英毛细管柱，5 0 m x o 2 m m o 3 3 “m 检测器：f i d 进样口温度：2 6 0 检测器温度：2 8 0 载气：氮气 分流比：3 0 ：1 程序升温：6 0 c 至竺蛔垫- 2 7 0 c ( 保留2 0 m i n ) 。 g c m s 条件： 气相条件：同g c 条件 进样口温度：2 6 0 传输线温度：2 5 0 * c 离子源温度：2 0 0 * c 电离方式：e i 电离电压i 7 0e v 质量数范围：3 0 3 5 0 载气：氦气 溶剂延迟：6 m i n 样品中化合物的定性鉴定由计算机在n i s t 9 8 和w i l e y 图谱库中检索， 部分化合物还结合单一标样加入烟样中视气相色谱峰的峰高、峰面积、保 留h , - t f 司的变化来确定。 2 2 1 3卷烟主流烟气半挥发性成分的定量分析 分别移取准确量的标样化合物，配制成六个不同浓度的标样混合物的 乙醇溶液，并分别加入准确量的乙酸苯乙酯作为内标( i s ) ，在毛细管气相 色谱仪一i 二进行分析，根据各标样成分和内标的色谱峰面积及相应的质量， 采用相应的内标标准曲线对所测物质定量。没标样的物质，假定校正因子 是1 计算。 2 2 2 卷烟侧流烟气中化学成分的分析 2 2 2 1 卷烟侧流烟气常规化学成分的测定 根据c o r e s t a 5 4 号推荐方法，按图2 3 建立侧流烟气测定装置，调 1 ，鱼尾罩上端剑桥滤片捕集器入口的抽吸流量，用鱼尾罩捕集侧流烟气。 烟气粒相物被捕集在剑桥滤片上，气相物质在吸收瓶中用异丙醇吸收，附 着在鱼尾罩上的物质用异丙醇洗脱。 用称重法测定滤片上的总粒相物；紫外光谱法测定鱼尾罩上的焦油量； 毛细管气相色谱法测定鱼尾罩壁、剑桥滤片、吸收瓶中的烟碱；毛细管气 相色谱法测定剑桥滤片水分。总焦油( 下文所述如非特别说明，焦油均指 总焦油) 为剑桥滤片焦油与鱼尾罩焦油之和，总烟碱( 下文所述如非特别 说明，烟碱均指总烟碱) 为鱼尾罩壁、剑桥滤片、吸收瓶中的烟碱之和； 水分指剑桥滤片上的水分。 幽2 3 侧流烟气测定装置 吸烟机按y c t 2 9 1 9 9 6 方法抽吸，鱼尾罩中空气流量为3l m i n 。烟 支燃烧艮度5 4 m m 。 吸烟机8 个通道的抽吸孔道口上方各放置一个鱼尾瓶，鱼尾瓶末端是 敞开的，它部分地罩在烟支的上面，抽吸前提起鱼尾瓶，插入烟支，点火 后再把鱼尾瓶降下，罩在烟支上方。八个通道的抽吸是逐一进行的，首先， 第1 个通道开始抽吸，其它通道处于等待状态，第1 通道抽吸2 秒钟后间 i 辅5 5 秒钟，第2 个通道开始抽吸，其它通道处于等待状态，第2 通道抽吸 2 秒钟后间隔5 5 秒钟，第3 个通道开始抽吸，如此逐一进行抽吸，到第8 个通道抽吸完毕并间隔5 5 秒钟即完成了八个通道第一口的抽吸，时间为1 分钟。之后，开始逐一进行八个通道第2 口的抽吸，如此重复进行。当卷 烟燃至5 4 m m 画线处，画线处棉线烧断终止抽吸。用镊子取下烟头，熄灭 卷烟。 为保证侧流烟气捕积完全，在卷烟熄灭后，保持真空泵继续抽吸3 0 秒， 之后移开鱼尾罩，进行样品处理。每个鱼尾罩和捕集器在每次分析中抽吸4 支卷烟，每个样品测定5 次共2 0 支卷烟。 2 2 2 2 卷烟侧流烟气中半挥发性成分的测定 按上述侧流烟气捕集侧流烟气后，将剑桥滤片从侧流烟气捕集器中 迅速取下，并用脱脂棉擦拭捕集器，滤片和脱脂棉一同放入冰箱中待用。 取下鱼尾瓶，用4 0 m lc h 2 c 1 2 淋洗鱼尾瓶内壁，淋洗液转入同时蒸 馏萃取仪左端10 0 0 m l 烧瓶中。沈毕，将放入冰箱中的剑桥滤片和脱脂棉取 f u 放入此瓶中，并加入4 0 0 m l 蒸馏水、1 2 ( 3 l g n a c l 于该瓶，加入5 0 m l c h 2 c 1 2 r 丁同时蒸馏萃取仪右端1 0 0 m l 烧瓶中，然后采用与主流烟气总粒相物相同 的条件进行前处理操作和g c 分析。 2 3 结果和讨论 2 3 1 普通卷烟主流烟气和侧流烟气常规化学成分的分析 以自沙、万宝路、n i s e 作为烤烟型和混合型卷烟的代表性样品，我们 对其抽吸状态所产生的主流烟气和侧流烟气中常规化学成分进行了分析， 结果见表2 - 1 表2 - 1 主流烟气和侧流烟气常规化学成分 烟碱、焦油这些物质在主流烟气中都是作为有害物质要求在卷烟包装 上标注的，受国家标准严格控制，分别不能超过1 5 m g 支、2r a g 支。表2 - 2 中的结果表明，侧流烟气中的t p m 、烟碱和焦油都大大超过主流烟气中相 应物质的含量。因此，侧流烟气对环境的危害同样是存在的。 2 3 2 普通卷烟主流烟气和侧流烟气半挥发成分的分析 2 3 2 1卷烟主流烟气和侧流烟气中半挥发性成分的定性结果 为了更深入了解侧流烟气的化学组成，以白沙牌卷烟为样品测定了卷 烟主流烟气和侧流烟气的半挥发性成分。卷烟主流烟气和侧流烟气总粒相 物经前处理，通过气相色谱，质谱联用分析( g c m s