烟用特种滤棒的分类及应用

1、    烟用特种滤棒的分类及应用    刘士军【摘 要】随着吸烟与健康矛盾的日益突出，减害降焦是烟草行业发展的趋势，因此国内外对烟用特种滤棒的开发、研究越来越深入，各种功能性特种滤棒被广泛应用。本文就国内卷烟现已使用的特种滤棒进行了梳理和分类，并简要阐述了烟用特种滤棒的特点及应用。【关键词】烟草；特种滤棒；减害降焦；选择性吸附1.特种滤棒出现的背景为了减少吸烟对人体的危害，美国烟草业早在20世纪50年代就开始对活性炭作为复合滤棒添加剂进行了研究与应用，至60年代，活性炭复合滤棒卷烟在美国卷烟市场的份额约为7%。随后英国、日本也广泛生产并使用活性炭复合滤棒

2、。国内对活性炭滤棒的研究起步较晚。我国在20世纪90年代初牡丹江卷烟材料厂使用dr2-5型复合机生产出国内第一支活性炭复合滤棒，应用于“中南海”牌系列卷烟中。随着国内复合滤棒的使用日益增加，南通滤嘴试验厂、红塔集团、上海烟草集团、长沙卷烟厂等也相继购买了复合滤棒成型机。随着各国政府对卷烟的限制越来越严格，以及消费者对吸烟与健康的关注日益增强，仅凭一种单功能添加剂的活性炭复合滤棒已经难以满足卷烟市场的发展需求，具有功能性的特种滤棒也逐渐应用于卷烟中，并且由单一功能向多功能的方向发展。这样，才能根据市场和卷烟设计的要求，有目的有选择性地将各种添加剂较佳地组合起来，开发出多功能具有理想降焦减害效果的

3、特殊滤棒，尤其是既具有加香作用，又具有降低多种有害烟气成分的特殊滤棒。2.特种滤棒的分类、特点及应用目前应用较多的特种滤棒按其结构可分为复合滤棒、沟槽滤棒、纸质滤棒、同轴芯滤棒、异形滤棒等。2.1复合滤棒复合滤棒是目前国内外卷烟应用最多的特种滤棒，目前广泛使用的是二元复合滤棒，三元复合滤棒和四元复合滤棒的应用也逐渐增加。与醋纤滤棒等单一结构滤棒相比，复合滤棒由两段或多段不同结构的段节组成，其内段可以添加各种功能性的颗粒、粉末、液体等材料，这样复合滤棒不但具有选择性吸附烟气中的有害成分等功能，还可以弥补减害降焦造成的香气流失。目前添加于复合滤棒中的功能性材料主要有椰壳活性炭、植物纤维微孔颗粒、改

4、性nay型分子筛、烟梗膨化多孔颗粒、动物dna颗粒、生物制剂等。2.1.1活性炭复合滤棒滤棒中加入的活性炭可提高滤棒压降（活性炭的最大填加量为4.5mg/mm，压降最大可提高80%），增大其机械阻挡效率，使其对焦油和烟碱的吸附效率提高15%以上，可大量除去烟气中的挥发物、半挥发物和不挥发物。活性炭还可以改变烟气中焦油与烟碱的比值，对焦油与烟碱的截留率相差10%-15%。因此活性炭能用来改变焦油、烟碱的平衡，给出相对高的烟碱量。这对设计低焦油卷烟而仍能保持或接近高焦油卷烟所具有的吸味，创造了有利条件。目前活性炭复合滤棒作为被普遍认同的产品，已广泛应用于很多卷烟品牌。2.1.2植物纤维微孔颗粒复合

5、滤棒植物纤维微孔颗粒是以天然纤维素为原料加工而成，具有良好的吸水性和吸油性，易降解，属于新型安全环保材料。植物纤维微孔颗粒具有多孔结构，有很大的比表面积，过滤效率极高，选择吸附能力很强，能够有效降低焦油、烟碱、co、稠环芳烃等有害物质。植物纤维微孔颗粒表面上有10100m和小于10m的两个直径孔。10100m的孔是吸烟时放出维生素c的载体，吸烟时维生素c跟烟气一起移动到口中，可以得到清爽的味道，起到协调抑制焦油气味的作用。2.1.3生物材料复合滤棒随着减害降焦的深入，利用天然动植物资源定向提取其各种活性成分，并通过各种组合的功能化进行匹配性应用研究，可以达到减害降焦、增强烟香、舒适润喉、提高协

6、调性的目的。动物类生物材料常用的是从动物血液中提取的血红蛋白。常用的有以下两种：一种是从血红蛋白中再分离出核心成分卟啉，并从天然植物中提取多种生物活性物质，制成复合生化制剂，以其它功能性材料为载体添加于滤棒中，可减低卷烟烟气中4类、10余种有害成分，这些成分多为致癌物，其中有5种为强致癌物。另外一种是用血红蛋白做原料制成生物制剂，在降低卷烟焦油含量的同时，使烟气中导致疾病与衰老的烷基、烷氧自由基含量有效降低，自由基清除率达到41.2%，有效降低了吸烟对人体健康的危害。植物类生物材料常用的是从中草药、香料植物、木本和竹本植物等资源的加工提取物，经科学方法检测，能降低烟气中烟草特有氮亚硝胺、多环芳

7、烃、自由基等重要微量有害成分，化学测试和生物试验都表明有明显的减害效果。另外烟草原料提取物或用其原料制成的添加物保留了烟草本原的气质与风华，实现减害降焦与增香的完美结合。动、植物身上的提取物合成的添加材料，因其味道与烟草本香谐调，在对卷烟吸味无负面影响的前提下，达到减害降焦的目的，是今后功能性添加材料研究和应用的方向。2.1.4 dna颗粒复合滤棒dna颗粒也是生物添加物的一种，从三文鱼提取出来的dna以其它植物成分做载体制成颗粒，添加到滤棒中，dna分子结构的一个重要特性就是它的双螺旋结构。dna碱基对平行向内通过氢键排列重叠，碱基对和碱基对之间在双螺旋构造中形成层状结构。生化学研究表明，绝

8、大多数的致癌物质具有很强的dna亲和性，更有许多致癌物中具有平面片状结构，可插入到这个dna的层状结构中，并与dna发生反应而引起细胞的变异。吸烟易致癌，重要原因就是香烟在燃烧过程中产生的苯并（a）芘之类的多苯环芳香化合物，它们具有典型的平面片状结构，容易插入到dna的双螺旋结构中。试验表明，在滤棒中添加dna，可以在不减少烟气中的嗜好成分的前提下，截留最多50%左右的有害物质。2.1.5改性nay型分子筛复合滤棒普通多孔吸附剂都有一定的临界大小孔径和孔洞，它只能吸附小于其孔径的分子。分子筛对于极性分子有较高的亲和力，对于大小相近的分子，极性越大则越易被吸附。分子筛吸附有机物分子的能力随不饱和

9、性增大而增加，在低的吸附质浓度和较高的吸附温度下有较强的吸附能力，而普通吸附剂如硅胶、活性氧化铝等的吸附能力则大大下降。改性nay分子筛，在独特的工艺控制下，其骨架结构中形成有许多有规则的孔道和空腔，空腔中定位着一些阳离子，这些阳离子是可以交换的，经某些阳离子交换后，可以使其催化吸附性能有较大的变化。正是根据这一特性，有少量的铜离子取代钠离子，形成的改性nay分子筛，提高了nay分子筛对烟气中有害成分的选择性吸附性能。2.2沟槽滤棒沟槽滤棒是一种综合性能强的滤棒，采用单一醋酸纤维滤棒设计，其结构为：中心是醋酸纤维丝束滤芯，外用压有凹槽的沟槽纸包裹，最外层包裹适当透气度的成形纸（或普通成形纸），

10、内外包裹层之间形成一系列的沟槽。2.2.1沟槽滤棒的作用从外观看，滤嘴芯周围有一条条纵向的“v”形沟槽。这些沟槽能适应两种情况，一种是沟槽在近烟端，另外一种是沟槽在近唇端。这种滤嘴的主要优点是具有沟槽的纸能起到一种交叉流动的过滤作用，与处在同一个压力点的醋酸纤维滤嘴相比，它能增加滤嘴的持续力，持续力能增加10%。滤嘴的沟槽靠近卷烟近唇端，就使卷烟具有独特的外观，用来区别不同品牌，并具有防假冒的威慑力。使用彩色内包装材料可以进一步增强这种独特的外观。2.2.2沟槽滤棒的分类目前沟槽滤棒大致可分为截点式和间断式两种。a.截点式沟槽滤棒。沟槽贯穿于整支滤棒，每隔一定长度就有一小块截点（突起）截断沟槽

11、。其过滤原理是：当主流烟气在沟槽中行进到截点时立即改变行进方向，其中大部分烟气横向穿过沟槽纸与纵向行进的烟气发生碰撞，形成大颗粒，因此更易于被醋酸丝束截留。b.间断式沟槽滤棒。沟槽并不是贯穿于整支滤棒，相邻的两段沟槽间是固定长度的无沟槽部分。其过滤原理是：当烟气通过滤嘴时它会自然而然地沿着阻力最小的方向前进，也就是沿着沟槽走。由于沟槽并不是贯穿于滤棒的全部长度，那么当烟气在到达沟槽的末端时就会透过沟槽纸进行横向或斜向运动，烟气方向不断改变，被醋酸丝束截留。c.多段式沟槽滤棒。此滤棒相当于两支普通的间断式沟槽滤棒连接起来使用，即近唇端与近烟端均为沟槽，中间为无沟槽段。因此在滤嘴长度、压降不变的情

12、况下起到了双重的过滤效果。总之沟槽滤棒都是通过被我们称之为“横流效应”的机理大大提高丝束对粒相成分的吸附、截留效果。同时，沟槽纸是由特殊纤维制成，具有一定厚度，纤维含量高且分布均匀紧密，因此烟气在透过沟槽纸时将被大量的截留。由于在纯纤维素纸上压制成的特殊压纹沟槽扩大了其比表面积，改变了主流烟气在沟槽滤嘴中的行进路线，提高了惯性碰撞和扩散沉积，因此沟槽滤棒可以尽可能多的截留烟气中的粒相成分，具有较高的吸附过滤性能，使沟槽滤棒在同压降下比醋酸滤棒具有更高的截留效率，从而使得沟槽滤棒获得更出众的过滤能力。由沟槽滤棒可以派生出许多种类的滤棒，如：加线沟槽滤棒、彩色沟槽纤维素纸滤棒、沟槽复合滤棒等。2.

13、3纸制滤棒由于纸制滤棒的过滤效率要高于醋纤滤棒，因此用纸制滤棒可以解决因滤棒压降太高而影响抽吸的问题，用低压降的纸制滤棒就可以达到所需的过滤效率。但纸制滤棒对卷烟产品的抽吸口味影响较大，会增加烟气的刺激性，减少香气量。另外纸制滤棒在应用上由于其端面的视觉效果与醋纤滤棒的差异较大，因此很少有单独使用纸制滤棒的，通常都将纸制滤棒与其它材料制成复合滤棒使用，这样既可利用纸制滤棒高吸附的性能，又能减轻纸制滤棒所特有的刺激和辛辣味，容易被消费者接受。目前应用较广的有以下两种纸制滤棒：2.3.1纸与醋纤二元复合滤棒该滤棒的组成是以醋酸纤维为近唇端，另一端是皱纹纸。这种滤棒具有纸纤维的高吸附的优点和醋酸纤维

14、外观的优点。其特点是单位压降的过滤效率比醋纤滤棒高，在同样过滤效率下比普醋纤滤棒压降小。2.3.2纸加添加物二元复合滤棒把各种添加物添加到纸上，再卷制成复合滤棒，使其不但具有二元复合滤棒的特性，还有纸制滤棒的优点，减害降焦效果更为显著。2.4同轴芯滤棒同轴芯滤棒是由一根芯棒和外包丝束组成的滤棒，一般情况下芯棒和外棒是同轴的，因此叫同轴芯滤棒。同轴芯滤棒的芯棒丝束和外层丝束密度相差很大，在烟气通过滤棒时对烟气的机械截留能力有较大差异，产生压力差，烟气在芯棒和外棒产生横向流动，这样主流烟气在滤嘴中既存在纵向过滤又有横向穿越丝束的过滤，加大了烟气碰撞几率，增大烟气流动路径，同时也延长了烟气在滤嘴中运行时间。从而截留了烟气中更多的烟气粒相物，达到了降低焦油的