CN107271312B - 一种基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，在热重分析仪中选择一定的热解条件，在程序升温的过程中获取若干种具有已知梗丝含量的烟丝样品的重量变化曲线，通过对样品热解曲线进行分析，找出样品在某一温度下具有明显差异的瞬时质量分数值或者样品热解曲线差异较大的某一温度区间，随后对所得数据进行相应处理并线性拟合，获得梗丝含量标准曲线方程，然后对未知样品进行实验，将所获数据代入该方程实现对某一烟丝样品中梗丝含量的测定。本发明利用烟丝和梗丝间的化学组成及性质的差异而导致的热解行为的不同，从而采用热重分析仪对在程序升温过程中获取不同样品的质量变化曲线，通过对热解曲线进行差异性解析，最终获取烟丝中梗丝的含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，具体是在热重分析仪中选择热解条件，在程序升温的过程中获取重量变化曲线，通过对不同烟丝样品热解曲线的差异性解析，获取烟丝中梗丝含量的方法，属于卷烟及卷烟在制品质量检测领域。
背景技术
烟丝中梗丝含量的测定，是判断和评价卷烟烟丝中梗丝含量及梗丝在卷烟烟丝中掺配质量的关键。卷烟中所使用的原料一般是由叶丝、梗丝、膨胀烟丝和再造烟叶丝掺配而成，卷烟中这四种成分含量的稳定对卷烟产品的抽吸品质影响极大。
目前，烟丝中梗丝在卷烟危害性的降低、卷烟烟气水平的调控和原料应用效率的提高等方面发挥着越来越重要的作用，其在配方中的掺配比例以及在卷烟烟支中的掺配均匀性也越来越受到重视，因而烟丝中梗丝含量的测定技术开发受到行业内工艺技术和质量检测人员的广泛关注。
现阶段，卷烟烟支中四种烟丝成分含量的测定方法多采用人工肉眼观察或借助视觉放大系统来进行挑选、称重获得。该方法简单，容易获取，但存在时间长、准确度差、人为影响大等不足。随着梗丝制造技术的不断发展，卷烟加工中生产出来的梗丝形态与叶丝形态几乎没有差异，通过人工视觉挑选变得愈加困难。另外，由于表观密度的不同，膨胀烟丝的测量可以采用液体悬浮法对其进行分离后进行称量测定，但叶丝、梗丝和再造烟叶丝表观密度相近，无法利用密度的差异将其分离。同时，采用烟草原料本身常规化学成分的差异（总糖、还原糖、总氮、钾、氯等）、元素差异（碳氢氧氮硫）或是工业分析差异（水分、固定碳、挥发分和灰分）等，由于测试方法的问题导致测定过程存在样品区分度较小和重复性差的问题，均不足以达到对烟丝中的梗丝含量进行测定的目的。综上，目前对于梗丝在烟丝中含量的准确、客观的测定方法尚属空白，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的正是基于上述应用背景和现有技术状况，而提供的一种测定烟丝中梗丝含量的新方法。
本发明的发明机理在于：利用叶丝和梗丝间的化学组成及性质的差异而导致的热解行为的不同，从而采用热重分析仪对在程序升温过程中获取不同样品的质量变化曲线，通过对热解曲线进行差异性解析，最终获取烟丝中梗丝的含量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，在热重分析仪中选择一定的热解条件，在程序升温的过程中获取若干种具有已知梗丝含量的烟丝样品的重量变化曲线，通过对样品热解曲线进行分析，找出样品在某一温度下具有明显差异的瞬时质量分数值或者样品热解曲线差异较大的某一温度区间，随后对所得数据进行相应处理并线性拟合，获得梗丝含量标准曲线方程，然后利用热重分析仪对对未知样品进行实验，将获得数据代入标准曲线方程中，实现对某一烟丝样品中的梗丝含量的测定。该方法具体步骤包括：
（1）样品前处理。选取已知配方叶丝（可以由叶丝、膨胀烟丝、再造烟叶丝等三种不同比例混合而成，以下简称叶丝）和计划混入的梗丝，用粉碎机将其分别打成粉末；随后将上述叶丝粉和梗丝粉转移到烘箱中，在100℃下干燥2小时，干燥完成后按设定的掺用比例将叶丝粉和梗丝粉进行掺配，得到具有不同梗丝含量的烟丝掺配样品，并记录设定的梗丝含量值，形成标准样品。
（2）标准样品的热解实验。采用热重分析仪进行热解曲线分析，吹扫气为惰性气体，吹扫气速率为20mL/min，每次进样5-15mg上述掺配样品；热重分析仪的升温程序设置分为样品干燥和样品热解两个阶段，为了避免空气中水分对样品的影响，样品干燥阶段结束后立刻进入热解阶段；其中，样品干燥阶段升温程序为：以一定升温速率从室温升至100℃并在该温度下保持30min；样品热解阶段升温程序为：设置初始温度40℃，以一定的升温速率升至900℃，最后得到掺配样品的热解曲线；
（3）标准曲线方程的建立。对上述得到的掺配样品的热解曲线进行比较分析，采用以下两种方法建立标准曲线方程；
方法一：找出各个样品在热解区间内某一温度下具有明显差异的瞬时质量分数并记录该值，随后以掺配样品的梗丝含量为纵坐标，该温度下样品的瞬时质量分数为横坐标，对所得数据进行线性拟合，得到梗丝含量的标准曲线方程：Y=A+B*X，其中，Y为梗丝含量；A、B为具体拟合参数；X为某一温度下样品的瞬时质量分数；
方法二：找出各个样品热解曲线差异较大的某一温度区间，采用离散条件下的平方可积函数，即公式对该温度区间内的数据进行处理，得到每个掺配样品在所取温度区间内与纯叶丝粉的累计标准差：
①
其中，Z表示为掺配样品在所取温度区间内与纯叶丝粉（即梗丝含量为0%，下同）的累计标准差，T表示瞬时温度，a表示所取温度区间的最小温度值，b表示所取温度区间的最大温度值，X0为纯叶丝粉在温度为T时的瞬时质量分数，Xn为具有一定梗丝含量的掺配样品在温度为T时的瞬时质量分数，为采样温度间隔；随后以掺配样品的梗丝含量为纵坐标，该温度区间内掺配烟丝样品的累计标准差为横坐标，对所得数据进行线性拟合，得到梗丝含量的标准曲线方程：Y=C+D*Z，其中，Y为梗丝含量；C、D为具体拟合参数；Z为掺配样品在所取温度区间内与纯叶丝粉的累计标准差；
（4）具有未知梗丝含量的混合烟丝样品测试：取一定量需要测定的混合烟丝样品，用粉碎机将其打成粉末，按步骤（2）中的方法测定样品的热解曲线，得到与步骤（3）中方法一相同温度点下样品的瞬时质量分数值，同时得到与步骤（3）中方法二相同的温度区间内每个掺配样品与纯叶丝粉的累计标准差；利用步骤（3）中得到的梗丝含量标准曲线方程和标准曲线方程，分别计算混合烟丝样品中的梗丝含量；
在本发明中，步骤（1）所述叶丝粉和梗丝粉的粒径小于500μm。步骤（2）所述惰性气体为氮气、氩气和氦气中的任意一种。步骤（2）所述升温速率为1～50℃/min；
本发明为有效地测定烟丝中的梗丝含量提供了一种较为完整、可行的方法，该方法的采用能够为准确控制配方烟丝中梗丝的掺用比例提供技术参考，同时也可为稳定卷烟制品的物理质量和感官品质提供支持。
附图说明
图1为具有不同梗丝含量的烟丝样品的热解曲线图。
图2为具有不同梗丝含量的烟丝样品在750℃时梗丝含量与瞬时质量分数相关关系的标准曲线图。
图3为具有不同梗丝含量的烟丝样品在550-800℃区间内梗丝含量与累计标准差相关关系的标准曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的操作过程和原理进行进一步的说明：
样品为国内某牌号烤烟型卷烟所用配方叶丝和计划掺入的梗丝；
1、人工称取一定质量的配方叶丝和梗丝，分别用粉碎机将其打成粉末，随后将上述叶丝粉和梗丝粉转移到烘箱中在100℃下干燥2小时，干燥完成后按设定的掺用比例将叶丝粉和梗丝粉进行掺配，得到具有不同梗丝含量的烟丝样品，并记录设定的梗丝含量值，掺配结果如下：
2、采用热重分析仪进行热解曲线分析，吹扫气为高纯氮气，吹扫气速率为20mL/min，每次进样约10mg上述掺配样品；A1、A2、A3、A4、A5、A6依次进行，以10K/min的升温速率从室温升至100℃并在该温度下保持至样品质量不再发生变化；紧接着，设置升温程序初始温度为40℃，以10K/min的升温速率升至900℃，得到上述掺配样品的热解曲线，见附图1；
3、由附图1可以看出各掺配样品在750℃时的瞬时质量分数及在550-800℃区间的热解曲线具有较为显著的差异，750℃时样品的瞬时质量分数及550-800℃区间累计标准差(累计标准差由公式①计算得出)结果如下：
4、以掺配样品的梗丝含量为纵坐标，750℃下样品的瞬时质量分数为横坐标，对步骤3中所得数据进行线性拟合，得到梗丝含量的标准曲线方程：Y=-498.102+18.126*X，相关系数R2=0.9984，见附图2；
5、以掺配样品的梗丝含量为纵坐标，550-800℃区间累计标准差为横坐标，对步骤3中所得数据进行线性拟合，得到梗丝含量的标准曲线方程：Y=2.485+1.989*Z，相关系数R2=0.9946；
5、取实际过程中需要测定的烟丝样品，用粉碎机将其打成粉末，按步骤2中的方法测定样品的热解曲线，得到750℃下样品的瞬时质量分数值及550-800℃区间累计标准差；
6、利用步骤3和步骤4得到的梗丝含量标准曲线方程和标准曲线方程，分别代入步骤5得到的瞬时质量分数值和累计标准差，计算实际过程需要测定的烟丝样品中的梗丝含量，样品测定5次，计算结果为：
Claims (4)
1.一种基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，其特征在于：在热重分析仪中选择一定的热解条件，在程序升温的过程中获取若干种具有已知梗丝含量的烟丝样品的重量变化曲线，通过对样品热解曲线进行分析，找出样品在某一温度下具有明显差异的瞬时质量分数值或者样品热解曲线差异较大的某一温度区间，随后对所得数据进行相应处理并线性拟合，获得梗丝含量标准曲线方程，然后利用热重分析仪对对未知样品进行实验，将获得数据代入标准曲线方程中，实现对某一烟丝样品中的梗丝含量的测定；具体步骤包括：
（1）样品前处理：选取已知配方叶丝和计划混入的梗丝，用粉碎机将其分别打成粉末；随后将上述叶丝粉和梗丝粉转移到烘箱中，在100℃下干燥2小时，干燥完成后按设定的掺用比例将叶丝粉和梗丝粉进行掺配，得到具有不同梗丝含量的烟丝掺配样品，并记录设定的梗丝含量值，形成标准样品；
（2）标准样品的热解实验：采用热重分析仪进行热解曲线分析，吹扫气为惰性气体，吹扫气速率为20mL/min，每次进样5-15mg上述掺配样品；热重分析仪的升温程序设置分为样品干燥和样品热解两个阶段，为了避免空气中水分对样品的影响，样品干燥阶段结束后立刻进入热解阶段；其中，样品干燥阶段升温程序为：以一定升温速率从室温升至100℃并在该温度下保持30min；样品热解阶段升温程序为：设置初始温度40℃，以一定的升温速率升至900℃，最后得到掺配样品的热解曲线；
（3）标准曲线方程的建立：对上述得到的掺配样品的热解曲线进行比较分析，采用以下两种方法建立标准曲线方程；
方法一：找出各个样品在热解区间内某一温度下具有明显差异的瞬时质量分数并记录该值，随后以掺配样品的梗丝含量为纵坐标，该温度下样品的瞬时质量分数为横坐标，对所得数据进行线性拟合，得到梗丝含量的标准曲线方程 ：Y=A+B*X，其中，Y为梗丝含量；A、B为具体拟合参数；X为某一温度下样品的瞬时质量分数；
方法二：找出各个样品热解曲线差异较大的某一温度区间，采用离散条件下的平方可积函数，即公式对该温度区间内的数据进行处理，得到每个掺配样品在所取温度区间内与纯叶丝粉的累计标准差：
①
其中，Z表示为掺配样品在所取温度区间内与梗丝含量为0%的纯叶丝粉的累计标准差，T表示瞬时温度，a表示所取温度区间的最小温度值，b表示所取温度区间的最大温度值，X0为纯叶丝粉在温度为T时的瞬时质量分数，Xn为具有一定梗丝含量的掺配样品在温度为T时的瞬时质量分数，为采样温度间隔；随后以掺配样品的梗丝含量为纵坐标，该温度区间内掺配烟丝样品的累计标准差为横坐标，对所得数据进行线性拟合，得到梗丝含量的标准曲线方程：Y=C+D*Z，其中，Y为梗丝含量；C、D为具体拟合参数；Z为掺配样品在所取温度区间内与纯叶丝粉的累计标准差；
（4）具有未知梗丝含量的混合烟丝样品测试：取一定量需要测定的混合烟丝样品，用粉碎机将其打成粉末，按步骤（2）中的方法测定样品的热解曲线，得到与步骤（3）中方法一相同温度点下样品的瞬时质量分数值，同时得到与步骤（3）中方法二相同的温度区间内每个掺配样品与纯叶丝粉的累计标准差；利用步骤（3）中得到的梗丝含量标准曲线方程和标准曲线方程，分别计算混合烟丝样品中的梗丝含量。
2.根据权利要求1所述的基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，其特征在于：步骤（1）所述叶丝粉和梗丝粉的粒径小于500μm。
3.根据权利要求1所述的基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，其特征在于：步骤（2）所述惰性气体为氮气、氩气和氦气中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于热分析技术测定烟丝中梗丝含量的方法，其特征在于：步骤（2）所述升温速率为1～50℃/min。
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