CN103556541A - 一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸及其应用，该卷烟纸由助燃剂和助催化剂复配组成的添加剂添加在普通卷烟纸中制成；用该卷烟纸制成卷烟后可有效降低主流烟气中一氧化碳的释放量，且不影响卷烟烟气的感官品质；该卷烟纸制备方法简单、成本低，可工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种在燃烧过程中扩散率显著增加与孔结构明显变化的卷烟纸，以及该卷烟纸在降低主流烟气CO释放量中的应用；属于卷烟制备领域。
技术背景
吸烟与健康是烟草行业发展中面临的主要问题之一，世界各国政府对吸烟与健康问题十分关注。卷烟烟气中含有多种有害成分，其中最主要的有害成分是CO。烟气中CO是卷烟在抽吸过程中因烟草不完全燃烧而形成的。吸烟时CO会随着烟气进入气管和肺部，由于CO与血红蛋白的亲合力比氧气大250倍以上，因此CO一经吸入即与血红蛋白结合，降低了血液中的氧气浓度，造成血液输氧量下降，导致组织缺氧，增加了血管疾病的发生。
随着人们生活水平的不断提高，消费者对吸烟的安全性意识越来越强烈，故开发低CO释放、低危害的卷烟不仅是烟草行业发展和生存的必然趋势，也是国家烟草专卖局关于行业卷烟降焦减害的发展战略之一。
目前，降低卷烟主流烟气中的CO主要从两个方面入手：一方面是减少CO产生量，另一方面是减少CO进入主流烟气。减少CO产生量：一般采用改良烟叶品类，改变燃烧状态，优化工艺参数等手段来实现。减少CO进入主流烟气，一般则采用化学反应，吸附，通风稀释等方法来实现。吸附法研究比较广泛，常用的吸附剂主要有活性炭、分子筛、硅胶、活性氧化铝、粘土和沸石等。化学反应一般是添加贵金属催化剂，金属盐，过渡金属氧化物及生物制剂等。中科院大连化学物理研究所的研究表明，当硅铝分子筛以0.02～0.20g/支的量加入卷烟滤嘴中，可有效去除烟气中的CO、焦油等有害物质。长沙卷烟厂和郑州烟草研究院研制了一种低温下选择性吸附和催化卷烟中CO的纳米贵金属催化材料，可将主流烟气中CO量控制在10mg/支以下。然而，吸附材料如分子筛、微孔材料等加入烟叶或滤嘴存在粉末材料难附着、易脱落且吸附容量小的问题；贵金属催化剂效果虽较好，但价格过于昂贵限制了其使用。
卷烟纸是卷烟生产中的重要材料，它直接参与卷烟燃烧，对烟支的燃烧速度、阴燃性、主流烟气有害成分的释放量、卷烟吸味和外观质量等方面具有重要的影响。因此利用卷烟纸对卷烟燃烧状态的影响，是实现降低卷烟主流烟气有害成分的有效手段。
Baker等人对卷烟纸的透气度和烟气组分相关关系的研究结果表明：随卷烟纸透气度的增加，主流烟气中CO、焦油等组分明显降低，且打孔卷烟纸与自然透气卷烟纸对CO的影响不同。在相同透气度的情况下，打孔卷烟纸进入烟支的空气量要多于自然透气卷烟纸。卷烟纸在对卷烟主流烟气CO等永久性气体的影响除稀释作用外，还存在扩散作用，扩散则是依靠卷烟纸的实际多孔结构。
美国专利US6817365公开了含可热解填充物颗粒的卷烟纸及其制成的卷烟，可热解填充物颗粒由烷基纤维素、丙酸纤维素、混合的酯类纤维素，及磷酸单钠、磷酸氢二钠、聚环氧乙烷、醋酸乙烯酯、硝化纤维素等混合组成，由于可热解填充物颗粒的加入，将卷烟纸的孔隙率提高到30%～60%，从而卷烟主流烟气得到稀释，且在25～350℃条件下，可热解填充物颗粒在卷烟燃烧时形成的炭化线后0.1～10mm处被热解，故卷烟燃烧温度得到控制和降低，卷烟燃烧产生的有害物总量减少。然而，该专利采用的颗粒粒度为0.05～1.0mm，比一般卷烟纸的厚度要大，导致纸张增厚、纸张不平且易掉粉；同时该类可热解填充物颗粒热分解的速度较慢，实际效果欠佳。
中国专利200710192688.8公开了一种可变透气度卷烟纸及其制备方法，该方法主要是在卷烟纸中添加偶氮二碳酰胺、对苯磺酰肼、偶氮二甲酰胺、对甲苯磺酰胺等有机发泡剂颗粒，通过发泡剂热分解后发泡作用使得炭化线附近卷烟纸的透气度增加。然而，该专利采用的有机发泡剂在热解的过程中除产生氮气外，还会生成大量NOx等有害气体，且发泡剂的加入会严重影响卷烟的吸味。
上述研究依靠燃烧过程中卷烟纸透气度的增加来稀释主流烟气中CO等有害成分。然而，利用钾盐、钙盐复配助燃剂及有机金属铁、锌盐助催化剂来调节燃烧过程中炭化线附近卷烟纸的扩散率及卷烟纸孔结构来降低主流烟气中CO释放量的方法却尚未见报道。此外，卷烟纸扩散率的测试方法及卷烟纸孔结构的表征方法也尚未建立。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足及行业发展的需求，提供一种具有可变扩散率与孔结构的可有效降低主流烟气CO释放量，且不影响卷烟抽吸感官品质的卷烟纸，该卷烟纸制备方法简单、成本低，可以广泛使用。
本发明的另一个目的是在于提供一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸的应用，所述的卷烟纸应用于卷烟，可有效降低卷烟主流烟气中CO释放量，且不影响感官品质。
本发明提供了一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸，该卷烟纸由助燃剂和助催化剂复配组成的添加剂添加在普通卷烟纸中制成；其中，助燃剂:助催化剂的质量比为90～98：2～10；所述的助燃剂由摩尔比为1:5～50:1的钾盐和钙盐组成，所述的助催化剂为有机金属铁盐和/或锌盐。
所述的添加剂在普通卷烟纸中的添加量为0.2～3.0g/m2。
所述的卷烟纸由以下方法制得：将助燃剂和助催化剂的复配添加剂配成质量百分比浓度为5～30%的水溶液，调节pH值为7.5～9.0后，在施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机添加在普通卷烟纸中，即得。
本发明还提供了一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸的应用，该应用是由助燃剂和助催化剂复配组成的添加剂添加在普通卷烟纸中制成的具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸应用于降低卷烟主流烟气中一氧化碳释放量；其中，助燃剂由钾盐和钙盐组成，助催化剂为有机金属铁盐和/或锌盐。
所述的添加剂中助燃剂:助催化剂的质量比为90～98：2～10。
所述的助燃剂由摩尔比为1:5～50:1的钾盐和钙盐组成。
所述的具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸由以下方法制得：将助燃剂和助催化剂的复配添加剂配成质量百分比浓度为5～30%的水溶液，调节pH值为7.5～9.0后，在施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机添加在普通卷烟纸中，即得。
所述的钾盐为柠檬酸钾、碳酸氢钾、醋酸钾、乳酸钾、葡萄糖酸钾、山梨酸钾中的一种或几种。
所述的钙盐为乳酸钙、醋酸钙、葡萄糖酸钙、柠檬酸三钙、乳酸葡萄糖酸钙、磷酸二氢钙中的一种或几种。
所述的有机金属铁盐为柠檬酸铁和/或乳酸亚铁。
所述的有机金属锌盐为乳酸锌和/或葡萄糖酸锌。
本发明的有益效果：本发明首次通过在普通卷烟纸中按一定配比添加由钾盐和钙盐组成的助燃剂及有机金属锌盐和/铁盐，能显著提高卷烟纸纤维素的催化裂解程度，从而使得卷烟纸炭化线后2～4mm附近的扩散率明显增加，卷烟纸的孔结构发生明显改变。将该具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸制成的卷烟，卷烟燃烧时炭化线附近卷烟纸的孔结构改变明显，卷烟纸扩散率显著增加，大大降低了卷烟主流烟气中CO释放量，相对普通卷烟纸卷烟，降幅在20%左右，最大降幅达到28%；同时，该方法相对于传统的烟气稀释法还有一个突出的优势是添加了添加剂后卷烟吸味没有受到影响，实验结果显示，该卷烟纸制成的卷烟抽吸感官质量评吸测试均在90分以上。本发明的卷烟纸制备方法简单、采用的原料廉价，且都符合《烟草添加剂许可名录》中允许使用的安全添加剂，复合国家、国内外烟草行业烟用添加剂的法律法规及相关标准要求，在实际生产运用中具有较高的安全性和实用性，有利于工业化生产及推广应用。
附图说明
【图1】为实施例1～3制备的卷烟纸烘烤前后1～100nm范围内孔径分布图(氮气吸脱附法测试)：a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3。
【图2】为实施例1～3制备的卷烟纸烘烤前后100nm～200μm范围内孔径分布图(全自动孔径分析仪测试)：a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明，而不是对本发明保护范围的进一步限定。
实施例1
将50份醋酸钾、25份乳酸钙、23份葡萄糖酸钙、2份柠檬酸铁溶解于500份水中，充分搅拌均匀，测得溶液的pH为8.1。将配制好的添加剂溶液在卷烟纸生产的施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机均匀添加到卷烟纸中，调整生产工艺和纸机设备参数，制得定量为29g/m2，透气度为60CU的卷烟纸（其添加剂在卷烟纸中的添加量为0.95g/m2）。利用Sodim公司的全自动纸张扩散率仪测试纸张的扩散率。测试纸张加热前后扩散率变化试验过程如下：在第一次测试纸张扩散率时将测试的区域划上记号，纸张在240～300℃下加热20min，加热完后测试纸张扩散率时，对准记号再次测试该区域扩散率。同一样品选择10个点测试，结果见表1。表1结果表明，卷烟主流烟气CO释放量与烘烤后卷烟纸的扩散率呈正相关关系，烘烤后扩散率越大，其CO释放量越低。烘烤前后卷烟纸1～100nm范围内的孔结构采用氮气吸脱附的方法测试，100nm～200μm范围内的孔结构采用全自动孔径分布仪进行测试；其孔径分布结果见图1与图2，孔容分布结果见表2。由图1、图2及表2可知，卷烟主流烟气CO的释放量仅与0.1～8.0μm孔径范围内的孔容相关，该范围内的孔容越大（孔数目越多），CO释放量越低。将制得的功能性卷烟纸与普通卷烟纸用于湖南中烟某一牌号的卷烟生产，对卷制的卷烟进行主流烟气CO、焦油等有害成分分析和感官质量评价。以普通卷烟纸作为对照样，结果分别见表3、表4。
实施例2
将85份碳酸氢钾、8份醋酸钙、4份磷酸二氢钙、3份乳酸锌溶解于500份水中，充分搅拌均匀，测得溶液的pH为7.7。将配制好的添加剂溶液在卷烟纸生产的施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机均匀添加到卷烟纸中，调整生产工艺和纸机设备参数，制得定量为29g/m2，透气度为60CU的卷烟纸（其添加剂在卷烟纸中的添加量为0.97g/m2）。利用Sodim公司的全自动纸张扩散率仪测试纸张的扩散率。测试纸张加热前后扩散率变化试验过程如下：在第一次测试纸张扩散率时将测试的区域划上记号，纸张在240～300℃下加热20min，加热完后测试纸张扩散率时，对准记号再次测试该区域扩散率。同一样品选择10个点测试，结果见表1。表1结果表明，卷烟主流烟气CO释放量与烘烤后卷烟纸的扩散率呈正相关关系，烘烤后扩散率越大，其CO释放量越低。烘烤前后卷烟纸1～100nm范围内的孔结构采用氮气吸脱附的方法测试，100nm～200μm范围内的孔结构采用全自动孔径分布仪进行测试；其孔径分布结果见图1与图2，孔容分布结果见表2。由图1、图2及表2可知，卷烟主流烟气CO的释放量仅与0.1～8.0μm孔径范围内的孔容相关，该范围内的孔容越大（孔数目越多），CO释放量越低。将制得的功能性卷烟纸与普通卷烟纸用于湖南中烟某一牌号的卷烟生产，对卷制的卷烟进行主流烟气CO、焦油等有害成分分析和感官质量评价。以普通卷烟纸作为对照样，结果分别见表3、表4。
实施例3
将95份乳酸钾、3份柠檬酸三钙、2份葡萄糖酸锌溶解于500份水中，充分搅拌均匀，测得溶液的pH为7.9。将配制好的添加剂溶液在卷烟纸生产的施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机均匀添加到卷烟纸中，调整生产工艺和纸机设备参数，制得定量为29g/m2，透气度为60CU的卷烟纸（其添加剂在卷烟纸中的添加量为1.06g/m2）。利用Sodim公司的全自动纸张扩散率仪测试纸张的扩散率。测试纸张加热前后扩散率变化试验过程如下：在第一次测试纸张扩散率时将测试的区域划上记号，纸张在240～300℃下加热20min，加热完后测试纸张扩散率时，对准记号再次测试该区域扩散率。同一样品选择10个点测试，结果见表1。表1结果表明，卷烟主流烟气CO释放量与烘烤后卷烟纸的扩散率呈正相关关系，烘烤后扩散率越大，其CO释放量越低。烘烤前后卷烟纸1～100nm范围内的孔结构采用氮气吸脱附的方法测试，100nm～200μm范围内的孔结构采用全自动孔径分布仪进行测试；其孔径分布结果见图1与图2，孔容分布结果见表2。由图1、图2及表2可知，卷烟主流烟气CO的释放量仅与0.1～8.0μm孔径范围内的孔容相关，该范围内的孔容越大（孔数目越多），CO释放量越低。将制得的功能性卷烟纸与普通卷烟纸用于湖南中烟某一牌号的卷烟生产，对卷制的卷烟进行主流烟气CO、焦油等有害成分分析和感官质量评价。以普通卷烟纸作为对照样，结果分别见表3、表4。
实施例4
将92份山梨酸钾、6份乳酸葡萄糖酸钙、2份乳酸亚铁溶解于500份水中，充分搅拌均匀，测得溶液的pH为7.6。将配制好的添加剂溶液在卷烟纸生产的施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机均匀添加到卷烟纸中，调整生产工艺和纸机设备参数，制得定量为29g/m2，透气度为60CU的卷烟纸（其添加剂在卷烟纸中的添加量为1.05g/m2）。利用Sodim公司的全自动扩散率仪测试纸张的扩散率。测试纸张加热前后扩散率变化试验过程如下：在第一次测试纸张扩散率时将测试的区域划上记号，纸张在240～300℃下加热20min，加热完后测试纸张扩散率时，对准记号再次测试该区域扩散率。同一样品选择10个点测试，结果见表1。烘烤前后卷烟纸1～100nm范围内的孔结构采用氮气吸脱附的方法测试，100nm～200μm范围内的孔结构采用全自动孔径分布仪进行测试，其孔容分布结果见表2。将制得的功能性卷烟纸与普通卷烟纸用于湖南中烟某一牌号的卷烟生产，对卷制的卷烟进行主流烟气CO、焦油等有害成分分析和感官质量评价。以普通卷烟纸为对照样，结果分别见表3、表4。
实施例5
将90份葡萄糖酸钾、5份醋酸钙、5葡萄糖酸锌溶解于500份水中，充分搅拌均匀，测得溶液的pH为7.9。将配制好的助燃剂及助催化剂溶液在卷烟纸生产的施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机均匀添加到卷烟纸中，调整生产工艺和纸机设备参数，制得定量为29g/m2，透气度为60CU的卷烟纸（其添加剂在卷烟纸中的添加量为1.02g/m2）。利用Sodim公司的全自动扩散率仪测试纸张的扩散率。测试纸张加热前后扩散率变化试验过程如下：在第一次测试纸张扩散率时将测试的区域划上记号，纸张在240～300℃下加热20min，加热完后测试纸张扩散率时，对准记号再次测试该区域扩散率。同一样品选择10个点测试，结果见表1。烘烤前后卷烟纸1～100nm范围内的孔结构采用氮气吸脱附的方法测试，100nm～200μm范围内的孔结构采用全自动孔径分布仪进行测试，其孔容分布结果见表2。将制得的功能性卷烟纸与普通卷烟纸用于湖南中烟某一牌号的卷烟生产，对卷制的卷烟进行主流烟气CO、焦油等有害成分分析和感官质量评价。以普通卷烟纸为对照样，结果分别见表3、表4。
实施例6
将90份柠檬酸钾、6份乳酸钙、2份乳酸锌、2份柠檬酸铁溶解于500份水中，充分搅拌均匀，测得溶液的pH为7.7。将配制好的添加剂溶液在卷烟纸生产的施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机均匀添加到卷烟纸中，调整生产工艺和纸机设备参数，制得定量为29g/m2，透气度为60CU的卷烟纸（其添加剂在卷烟纸中的添加量为1.10g/m2）。利用Sodim公司的全自动扩散率仪测试纸张的扩散率。测试纸张加热前后扩散率变化试验过程如下：在第一次测试纸张扩散率时将测试的区域划上记号，纸张在240～300℃下加热20min，加热完后测试纸张扩散率时，对准记号再次测试该区域扩散率。同一样品选择10个点测试，结果见表1。烘烤前后卷烟纸1～100nm范围内的孔结构采用氮气吸脱附的方法测试，100nm～200μm范围内的孔结构采用全自动孔径分布仪进行测试，其孔容分布结果见表2。将制得的功能性卷烟纸与普通卷烟纸用于湖南中烟某一牌号的卷烟生产，对卷制的卷烟进行主流烟气CO、焦油等有害成分分析和感官质量评价。以普通卷烟纸为对照样，结果分别见表3、表4。
表1大生产卷烟纸烘烤前后扩散率的变化
| 卷烟试样 | 烘烤前扩散率(cm/s) | 烘烤后扩散率(cm/s) | 增加率 |
| 对照样 | 1.68 | 3.02 | 79.7% |
| 实施例1 | 1.67 | 3.25 | 94.6% |
| 实施例2 | 1.70 | 3.76 | 121.2% |
| 实施例3 | 1.69 | 4.32 | 155.6% |
| 实施例4 | 1.71 | 4.12 | 140.9% |
| 实施例5 | 1.69 | 3.95 | 133.7% |
| 实施例6 | 1.70 | 4.45 | 161.8% |
表2卷烟纸孔径分布与孔容的关系
表3卷烟主流烟气常规烟气数据
表4卷烟纸试制卷烟感官质量评吸表(评委人数9人)
| 卷烟试样 | 光泽(5) | 香气(32) | 协调(6) | 杂气(12) | 刺激性(20) | 余味(25) | 合计 |
| 对照样 | 5.0 | 29.6 | 5.0 | 10.8 | 17.4 | 22.2 | 90.0 |
| 实施例1 | 5.0 | 30.1 | 5.1 | 10.8 | 17.6 | 22.3 | 90.9 |
| 实施例2 | 5.0 | 30.1 | 5.2 | 10.8 | 17.8 | 22.3 | 91.2 |
| 实施例3 | 5.0 | 30.2 | 5.2 | 10.9 | 18.0 | 22.4 | 91.7 |
| 实施例4 | 5.0 | 30.0 | 5.2 | 10.9 | 17.8 | 22.4 | 91.3 |
| 实施例5 | 5.0 | 30.0 | 5.2 | 10.8 | 17.7 | 22.3 | 91.0 |
| 实施例6 | 5.0 | 30.1 | 5.2 | 10.8 | 17.8 | 22.2 | 91.2 |
Claims (12)
1.一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸，其特征在于，由助燃剂和助催化剂复配组成的添加剂添加在普通卷烟纸中制成；其中，助燃剂:助催化剂的质量比为90～98：2～10；所述的助燃剂由摩尔比为1:5～50:1的钾盐和钙盐组成，所述的助催化剂为有机金属铁盐和/或锌盐。
2.根据权利要求1所述的卷烟纸，其特征在于，所述的添加剂在普通卷烟纸中的添加量为0.2～3.0g/m2。
3.根据权利要求1所述的卷烟纸，其特征在于，所述的钾盐为柠檬酸钾、碳酸氢钾、醋酸钾、乳酸钾、葡萄糖酸钾、山梨酸钾中的一种或几种；所述的钙盐为乳酸钙、醋酸钙、葡萄糖酸钙、柠檬酸三钙、乳酸葡萄糖酸钙、磷酸二氢钙中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的卷烟纸，其特征在于，所述的有机金属铁盐为柠檬酸铁和/或乳酸亚铁；所述的有机金属锌盐为乳酸锌和/或葡萄糖酸锌。
5.根据权利要求1～4任一项所述的卷烟纸，其特征在于，所述的卷烟纸由以下方法制得：将助燃剂和助催化剂的复配添加剂配成质量百分比浓度为5～30%的水溶液，调节pH值为7.5～9.0后，在施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机添加在普通卷烟纸中，即得。
6.一种具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸的应用，其特征在于，由助燃剂和助催化剂复配组成的添加剂添加在普通卷烟纸中制成的具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸应用于降低卷烟主流烟气中一氧化碳释放量；其中，助燃剂由钾盐和钙盐组成，助催化剂为有机金属铁盐和/或锌盐。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的添加剂中助燃剂:助催化剂的质量比为90～98：2～10。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的助燃剂由摩尔比为1:5～50:1的钾盐和钙盐组成。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的钾盐为柠檬酸钾、碳酸氢钾、醋酸钾、乳酸钾、葡萄糖酸钾、山梨酸钾中的一种或几种；所述的钙盐为乳酸钙、醋酸钙、葡萄糖酸钙、柠檬酸三钙、乳酸葡萄糖酸钙、磷酸二氢钙中的一种或几种。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的有机金属锌盐为乳酸锌和/或葡萄糖酸锌；所述的有机金属铁盐为柠檬酸铁和/或乳酸亚铁。
11.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的添加剂在普通卷烟纸中的添加量为0.2～3.0g/m2。
12.根据权利要求6～11任一项所述的应用，其特征在于，所述的具有可变扩散率与孔结构的卷烟纸由以下方法制得：将助燃剂和助催化剂的复配添加剂配成质量百分比浓度为5～30%的水溶液，调节pH值为7.5～9.0后，在施胶工段通过计量棒式膜转移施胶机添加在普通卷烟纸中，即得。
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