趙 楊，申欽鵬，李世衛(wèi)，吳樹穎，段沅杏，雷 萍，楊 柳，郭丁榮，楊 飛*

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367 號(hào) 650231

2. 華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市天河區(qū)五山路381 號(hào) 510640

隨著人們對(duì)吸煙危害認(rèn)識(shí)的深入和全球控?zé)熯\(yùn)動(dòng)的推進(jìn)，人們開始尋找傳統(tǒng)卷煙的替代物，包括加熱卷煙（Heat-not-burn cigarette，HNB cigarette）、電子煙、口含煙等［1］。其中，HNB卷煙是一種使用加熱器在較低的溫度下（200～400 ℃）加熱煙絲，使煙草煙氣成分蒸發(fā)或裂解揮發(fā)的新型煙草制品［2］，具有有害物質(zhì)種類少［3］、釋放量降低［4］、無(wú)陰燃、抽吸方式和傳統(tǒng)卷煙相近等特點(diǎn)［5］。為了保證消費(fèi)者抽吸時(shí)的勁頭口感，HNB 卷煙和濾嘴的長(zhǎng)度往往比傳統(tǒng)卷煙更短，以減少煙支本身對(duì)煙氣的吸附，但也帶來(lái)了煙氣入口溫度較高的問題［6］。此外HNB卷煙煙氣中的水分含量較高，進(jìn)一步提高了HNB 煙氣的感官溫度。因此，HNB 卷煙設(shè)計(jì)中迫切需要一種高效的降溫材料，在有限的長(zhǎng)度范圍內(nèi)吸收煙氣熱量并截留水分。

以美國(guó)菲利普·莫里斯國(guó)際公司推出的iQOS產(chǎn)品為代表，HNB卷煙濾嘴通常采用三段式的結(jié)構(gòu)，其中第二段為降溫段，是HNB 卷煙的主要降溫段［7］。在現(xiàn)有的HNB卷煙產(chǎn)品和設(shè)計(jì)專利中，降溫段的材料主要采用醋纖和聚乳酸［8-11］。醋纖是傳統(tǒng)燃燒卷煙中濾嘴的主要材料，在HNB中以中空降溫單元的形式出現(xiàn)。醋纖中空段的制備工藝成熟，成本較低，但其降溫性能較差，往往不能滿足HNB 的降溫需求。聚乳酸（PLA）是一類可生物降解的新型降溫材料［12］，其玻璃化相轉(zhuǎn)變溫度（50～70 ℃）和熔點(diǎn)（150～170 ℃）都比較低［13］。當(dāng)煙氣通過濾嘴中的PLA 降溫濾棒時(shí)，PLA吸熱升溫發(fā)生玻璃化相轉(zhuǎn)變，從而發(fā)揮蓄熱作用，同時(shí)水蒸氣會(huì)在PLA表面冷凝，使煙氣的水分減少，感官溫度降低［14］。然而，現(xiàn)存的HNB卷煙PLA降溫材料存在兩個(gè)明顯的問題：第一，PLA薄膜較脆［15］，耐折性能有限，在將PLA薄膜折疊成蜷縮的降溫段的過程中容易斷裂；第二，PLA 的熔點(diǎn)低，在高溫?zé)煔獾募訜嵯氯菀总浕廴?，最終塌陷粘連，導(dǎo)致降溫段結(jié)構(gòu)破壞，吸阻增大，甚至阻塞氣流通道［16］。此外，受限于煙氣流速和煙支長(zhǎng)度，PLA薄膜降溫材料長(zhǎng)度有限，無(wú)法充分發(fā)揮降溫性能，導(dǎo)致HNB卷煙普遍存在入口溫度較高的問題。

為解決上述困難，有研究者嘗試?yán)冒ň垡叶己徒Y(jié)晶水合鹽類［17-20］在內(nèi)的其他相變材料，通過涂覆、噴淋、浸漬、靜電紡絲［21］等方式制備HNB卷煙降溫材料，取得了較好的降溫效果。然而這類降溫材料制備工藝較為繁瑣，生產(chǎn)成本較高，相變材料在載體上的負(fù)載量不高，且難以調(diào)控。早在多年前，楊飛等［22-25］就以PLA 纖維和竹纖維為原料，研究了造紙法生產(chǎn)植物纖維/PLA 復(fù)合材料的可行性。云南中煙技術(shù)中心科研人員［26］也系統(tǒng)研究并成功采用濕法造紙方式制備了植物纖維/PLA 復(fù)合材料。以上研究表明植物纖維/PLA 復(fù)合材料的制備是可行的。植物纖維可在復(fù)合材料內(nèi)充當(dāng)骨架，提高材料的耐折性能，且該制備方式具有工藝簡(jiǎn)單成熟、適于大規(guī)模生產(chǎn)、成本較低、植物纖維/PLA 比例可控的優(yōu)點(diǎn)。若將該植物纖維/PLA 復(fù)合材料應(yīng)用于HNB卷煙降溫段，替代傳統(tǒng)的PLA 薄膜降溫段，可解決PLA 薄膜脆性大、不耐加工和高溫下易熔融粘連的問題。

因此，本研究采用造紙法制備植物纖維/PLA 復(fù)合降溫功能材料，應(yīng)用于HNB 卷煙降溫段，探究不同纖維配比和壓光工藝對(duì)復(fù)合材料降溫性能的影響以及復(fù)合材料對(duì)煙氣主要成分的吸附性能。旨在探索植物纖維/PLA 復(fù)合材料在HNB 濾嘴中應(yīng)用的可行性，為后續(xù)植物纖維/PLA復(fù)合材料的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

漂白針葉木硫酸鹽漿（中煙摩迪紙業(yè)有限公司）；聚乳酸纖維（海寧賽優(yōu)普化工科技有限公司，平均纖維粗度1.3 D，平均纖維長(zhǎng)度6 mm，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)分別為69.0 ℃ 、157.2 ℃）；流延法PLA薄膜（云南恒萬(wàn)工貿(mào)有限公司）；加熱卷煙煙支（醋纖中空降溫段壁厚1.2 mm，云南中煙工業(yè)有限公司）和配套周向加熱型煙具。

煙堿（≥99%）、2-甲基喹啉標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99%）、1,3-丁二醇標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99.5%）（加拿大TRC 公司）；丙二醇（＞99.8%，北京百靈威公司）；丙三醇（＞99%，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；異丙醇、甲醇（色譜純，美國(guó)Fisher公司）。

Mark VI PFI 磨漿機(jī)（挪威 Hamjern Maskjn 公司）；MESSMER 255 手動(dòng)抄片器（美國(guó)Testing Machines 有限公司）；Labor Kalander S-CA5/300 實(shí)驗(yàn)室熱壓光機(jī)（德國(guó)Sumet Messtechnik 公司）；DSC214 差示掃描量熱儀（德國(guó)Netzsch 公司）；X500E 電子煙綜合測(cè)試平臺(tái)（上海新型煙草研究所）；Type09 溫度探針（德國(guó)Testo 公司）；TRACE 1310 型氣相色譜儀（配FID 和TCD 檢測(cè)器，美國(guó)Thermo 科技有限公司）；HY-8 型振蕩儀（常州國(guó)華電器有限公司）； 44 mm 劍橋?yàn)V片（德國(guó)Borgwaldt Technik 公司）；彈性石英毛細(xì)管色譜柱DB-ALC1、彈性石英毛細(xì)管色譜柱HP-PLOT/Q（美國(guó)Agilent Technologies 有限公司）；0.22 μm 有機(jī)相濾膜（上海訊同有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 植物纖維/PLA復(fù)合材料的制備

植物纖維在復(fù)合材料內(nèi)充當(dāng)骨架防止復(fù)合材料受熱粘連，同時(shí)提高復(fù)合材料的耐折性能。以植物纖維和PLA纖維為原料，采用造紙法制作植物纖維/PLA 復(fù)合材料，并對(duì)不同纖維比例的復(fù)合材料進(jìn)行降溫性能的評(píng)價(jià)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) QB/T 1463—1992［27］，采用 PFI 磨漿機(jī)對(duì)漂白針葉木漿進(jìn)行打漿處理，調(diào)節(jié)打漿度至40 °SR。將漿料搓揉分散，平衡24 h 后測(cè)定含水率。按照80 g/m2的紙張定量、植物纖維和PLA的絕干質(zhì)量比（下同）為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1，稱取兩種纖維混合于水中，充分疏解。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 3703—1999［28］，于實(shí)驗(yàn)室手動(dòng)抄片器上將植物纖維與PLA 混合抄造得到濕紙幅，經(jīng)壓榨與烘干后得到植物纖維/PLA復(fù)合材料。

1.2.2 復(fù)合材料吸熱性能表征

為考察不同纖維原料配比的復(fù)合材料的吸熱性能，采用差示掃描量熱儀對(duì)植物纖維/PLA纖維配比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1的復(fù)合材料的吸熱-升溫行為進(jìn)行表征。升溫速率設(shè)置為5 K/min，以氮?dú)鉃榇祾邭夂捅Ｗo(hù)氣，流量為100 mL/min，并采集20～200 ℃范圍的信號(hào)。

1.2.3 降溫濾棒的制備成型

將復(fù)合材料在烘箱中烘干至恒重后，裁成幅寬為55、60、65 mm，長(zhǎng)度為15 mm的紙條，之后使用自制的雙壓輥壓紋機(jī)進(jìn)行壓紋，手動(dòng)卷制成直徑5 mm的濾棒。因未經(jīng)壓光的不同植物纖維/PLA 纖維配比的降溫材料厚度存在明顯差異，導(dǎo)致相同幅寬的材料卷制成的濾棒橫截面的流通面積不同，吸阻不同，影響濾棒最終的降溫效果。為克服降溫濾棒松緊程度的影響，針對(duì)不同纖維配比的復(fù)合材料（未壓光）的厚度確定了不同的幅寬。其中，由于1∶9 植物纖維/PLA纖維配比的復(fù)合材料強(qiáng)度過低，無(wú)法滿足濾棒制備過程的加工需求，故缺少其相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 不同纖維配比的復(fù)合材料（未壓光）的濾棒卷制幅寬Tab.1 Width of the composite materials（without calendaring）with different fiber ratios

針對(duì)經(jīng)過壓光處理的復(fù)合材料，由于不同壓光條件下材料厚度差別很小，所有材料均按照幅寬65 mm×長(zhǎng)度15 mm，制備濾棒進(jìn)行后續(xù)降溫性能測(cè)試。

1.2.4 煙氣溫度的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)所用的加熱卷煙的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為考察復(fù)合材料濾棒的降溫性能，保留加熱卷煙的發(fā)煙芯材段、中空支撐段和過濾段，僅替換降溫段，與過濾段一同組裝成測(cè)試樣品，研究不同降溫材料的降溫特性及其對(duì)煙氣的影響。

圖1 加熱卷煙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of heated tobacco product structure

采用電子煙綜合測(cè)試平臺(tái)參照文獻(xiàn)［10］所用的加熱卷煙抽吸方法抽吸樣品卷煙（抽吸曲線：鐘形；抽吸容量：（55.0±0.2）mL；抽吸持續(xù)時(shí)間：2 s；抽吸間隔：30 s），同時(shí)采用熱電偶實(shí)時(shí)在線測(cè)試不同降溫材料煙支的氣溶膠的入口溫度。

為比較復(fù)合材料的降溫效果，測(cè)試了醋纖中空降溫段及PLA 制成的降溫濾棒（質(zhì)量和幅寬65 mm×長(zhǎng)度15 mm的復(fù)合材料相當(dāng)）的降溫效果。

1.2.5 復(fù)合材料的壓光

隨著植物纖維與PLA 纖維比例發(fā)生變化，復(fù)合材料的松厚度、表面粗糙度和孔隙率也不同，這些變化導(dǎo)致復(fù)合材料和煙氣之間的有效接觸面積不同。因此采用壓光方式使植物纖維從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，在壓力下發(fā)生永久性形變，從而起到整飾紙張表面和調(diào)控緊度的作用。并對(duì)不同條件下壓光復(fù)合材料進(jìn)行降溫性能的評(píng)價(jià)。

選擇降溫效果最佳植物纖維/PLA 纖維質(zhì)量比的復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行壓光處理，壓光機(jī)的核心部件為兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的光輥，其中下輥為加熱輥，復(fù)合材料通過兩輥的壓區(qū)時(shí)，紙張纖維受熱軟化，在壓力的作用下發(fā)生蠕變，從而提高材料的緊度和表面平滑度。復(fù)合材料的壓光處理分為兩組，一組考察壓光溫度對(duì)降溫效果的影響，壓光壓力設(shè)為15 N/mm，壓光溫度分別為110、130、150、170、190 ℃；另一組考察壓光壓力對(duì)降溫效果的影響，壓光溫度設(shè)定為130 ℃，壓光壓力分別為10、20、25 N/mm。

1.2.6 加熱卷煙氣溶膠主要成分逐口分析

參考蔡君蘭等［29］報(bào)道的方法對(duì)氣溶膠中煙堿、丙二醇和丙三醇進(jìn)行定量分析。將捕集有氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片置于錐形瓶中，加入25 mL 含內(nèi)標(biāo)的萃取液，振蕩30 min，取1 mL 萃取液過濾，進(jìn)行GC-FID分析。分析條件：

色譜柱：DB-ALC1 彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×1.8 μm）；程序升溫：初始溫度100 ℃，保持1 min，以15 ℃/min 速率升至220 ℃，保持6 min；總運(yùn)行時(shí)間15 min；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；檢測(cè)器溫度：275 ℃；載氣：氦氣，恒流流速1.8 mL/min；尾吹氣：氮?dú)?，流?0 mL/min；進(jìn)樣體積：1.0 μL，分流比：50∶1。

參考 YC/T 345—2010［30］的方法對(duì)氣溶膠中水分含量進(jìn)行定量分析。將捕集有氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片置于錐形瓶中，加入25 mL 含異丙醇內(nèi)標(biāo)的萃取液，振蕩30 min，取1 mL 萃取液過濾，進(jìn)行GC-TCD分析。分析條件：

色譜柱：HP-PLOT/Q彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm×40 μm）；固定液：鍵合聚苯乙烯-二乙烯基苯（DVB）；程序升溫：170 ℃，保持6 min；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；檢測(cè)器溫度：250 ℃；載氣：氦氣，流速8.0 mL/min；尾吹氣：氦氣，流速10 mL/min；參比流量：25 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；分流比：5∶1。

為考察優(yōu)選的復(fù)合材料降溫濾棒對(duì)煙氣主要成分的吸附性能，測(cè)定并比較了醋纖中空降溫段、優(yōu)選復(fù)合材料（幅寬55、60、65 mm）及PLA 薄膜（幅寬55、60、65 mm）制得的降溫濾棒作為加熱卷煙降溫功能段時(shí)的煙氣主要成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維配比對(duì)植物纖維/PLA 復(fù)合材料吸熱性能的影響

植物纖維/PLA 纖維配比分別為 1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1的復(fù)合材料的DSC曲線如圖2所示。從圖2可以看到，不同纖維配比的植物纖維/PLA復(fù)合材料的DSC曲線形狀相似：100 ℃之前為上凸曲線，之后接近直線，在150～170 ℃之間存在一個(gè)熔融吸熱峰。不同纖維配比材料的熔融峰大小關(guān)系為：1∶9復(fù)合材料＞3∶7復(fù)合材料＞5∶5復(fù)合材料＞7∶3復(fù)合材料＞9∶1 復(fù)合材料。復(fù)合材料在150～170 ℃間的吸熱行為主要來(lái)自于PLA 的熔化吸收潛熱，植物纖維在該溫度段的吸熱量相對(duì)較少。因此，當(dāng)復(fù)合材料中PLA纖維的配比減少時(shí)，相應(yīng)的熔融吸熱量也隨之減少，表現(xiàn)為150～170 ℃熔融峰變小。

圖2 不同配比植物纖維/PLA復(fù)合材料的DSC曲線Fig.2 DSC curves of the composite materials with different fiber ratios

圖2 中縱軸表示單位質(zhì)量的復(fù)合材料吸收的熱流量，故曲線越高，說(shuō)明材料吸收的熱量越多，可以推斷對(duì)應(yīng)材料制成降溫濾棒的降溫性能越好。加熱卷煙抽吸過程中流經(jīng)降溫過濾段的煙氣溫度小于100 ℃，故復(fù)合材料的降溫性能主要取決20～100 ℃范圍內(nèi)吸熱性能，即在該范圍內(nèi)的DSC 曲線越高則吸熱量越大。根據(jù)圖2 的DSC 曲線可知，在20～100 ℃范圍內(nèi)復(fù)合材料的吸熱量5∶5復(fù)合材料＞3∶7復(fù)合材料＞1∶9復(fù)合材料＞7∶3復(fù)合材料≈9∶1復(fù)合材料。

2.2 纖維配比對(duì)植物纖維/PLA 復(fù)合材料降溫濾棒降溫性能的影響

2.2.1 進(jìn)出口煙氣溫度曲線圖對(duì)比

加熱卷煙PLA薄膜降溫濾棒的進(jìn)出口煙氣溫度曲線如圖3所示?？梢钥吹皆诔槲? s內(nèi)進(jìn)出口的溫度急速上升，抽吸結(jié)束后熱量散去，溫度以指數(shù)衰減的形式下降，等到下一個(gè)抽吸循環(huán)開始時(shí)再次急速上升，如此周而復(fù)始。而出口溫度曲線一直位于進(jìn)口溫度曲線之下，說(shuō)明被測(cè)樣品能夠發(fā)揮降溫效果，兩條曲線的距離大小即為樣品降溫性能的直觀表現(xiàn)。

PLA薄膜降溫濾棒（圖3）的降溫效果比較有限：出口溫度在抽吸的2 s中升溫幅度大，在第1口抽吸中出口溫度達(dá)到整個(gè)抽吸過程的最高值，煙氣離開降溫材料時(shí)的溫度超過了70 ℃。

圖3 PLA薄膜降溫濾棒的進(jìn)出口煙氣溫度曲線Fig.3 Aerosol temperature curves at inlet and outlet of PLA film filter rod with cooling effect

同時(shí)，在后6 次抽吸過程中，進(jìn)出口煙氣溫度的最高值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即溫度曲線的峰從左到右逐漸變低，該趨勢(shì)可能是由所采用煙具的溫控程序造成的，即煙具的加熱功率隨著時(shí)間的增加而降低。煙具預(yù)熱階段蓄積的熱量及煙芯材料中大多數(shù)水分都集中在第1口和第2口中釋放，導(dǎo)致前兩口溫度明顯高于之后5 口的溫度。而第1 口的入口溫度低于第2口，則是因?yàn)榈?口抽吸時(shí)處于室溫的降溫材料吸收了較多的熱量。

圖4 為植物纖維/PLA 纖維配比為 4∶6 的復(fù)合材料制成的濾棒的進(jìn)出口溫度曲線圖。從該圖可以看出，和對(duì)照樣（PLA 薄膜降溫濾棒）相比，4∶6 復(fù)合材料濾棒的煙氣出口溫度得到了有效降低，在每個(gè)抽吸周期中出口溫度的峰值均比對(duì)照樣更低，且出口煙氣溫度在每次抽吸過程中升溫幅度更小，降溫段的溫度最低點(diǎn)也更低（從對(duì)照樣的接近50 ℃降低至40 ℃左右）。4∶6復(fù)合材料濾棒的煙氣進(jìn)出口溫度曲線的間隔也比對(duì)照樣更大，即煙氣進(jìn)出口溫度差更大。這表明在整個(gè)抽吸測(cè)試的過程中，4∶6纖維配比的復(fù)合材料發(fā)揮了更佳的降溫效果。

圖4 植物纖維/PLA纖維（4∶6）降溫濾棒的進(jìn)出口煙氣溫度曲線Fig.4 Aerosol temperature curves at inlet and outlet of composite material filter rod with cooling effect at plant fiber to PLA fiber ratio of 4∶6

2.2.2 材料煙氣降溫性能的定量計(jì)算

為定量表示測(cè)試材料的降溫性能，使用進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)計(jì)算材料的最高溫度降溫效果ΔTm和平均溫度降溫效果ΔTa。其中最高溫度降溫效果為抽吸測(cè)試過程中逐口進(jìn)出口溫度峰值差值的平均數(shù)，即公式（1）：

平均溫度降溫效果ΔTa通過公式（2）～（4）計(jì)算：

植物纖維/PLA 配比對(duì)復(fù)合降溫材料的降溫效果的影響結(jié)果見表2。從表2可以看到，與目前HNB卷煙中主流的PLA 薄膜降溫濾棒相比，復(fù)合材料降溫濾棒的降溫性能有明顯的提升（ΔTa：11.4 ℃＞10.7 ℃，ΔTm：14.3 ℃＞12.3 ℃），在4∶6 和5∶5 的纖維配比下其最高溫度和平均溫度降溫效果增幅超過了100%。同時(shí)，所有纖維配比下的植物纖維/PLA復(fù)合材料降溫濾棒均展現(xiàn)出了遠(yuǎn)優(yōu)于醋纖中空降溫段的降溫效果（Δ Ta：11.4 ℃＞5.5 ℃，Δ Tm：14.3 ℃＞5.6 ℃）。這表明通過造紙工藝制備的植物纖維/PLA復(fù)合材料成功利用了兩種纖維的特點(diǎn)，用作HNB卷煙降溫功能材料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)勢(shì)可能來(lái)自于紙張固有的多孔性和造紙濕法成網(wǎng)賦予材料的均一性：復(fù)合材料由兩種纖維混合交織而成，其中較為硬挺的PLA 纖維賦予了材料較大的松厚度，紙張較大的孔隙率和比表面積為材料和煙氣充分、良好的接觸提供了條件，而均勻分布在材料內(nèi)部的植物纖維則發(fā)揮了支撐的作用，防止材料在較高溫度下的熔融和塌陷，維持降溫段的通道結(jié)構(gòu)，從而使氣流可以高效地通過并進(jìn)行熱交換。

表2 纖維配比對(duì)復(fù)合降溫材料降溫效果的影響Tab.2 Influence of fiber ratio on cooling effect of the composite material

纖維配比對(duì)復(fù)合材料降溫濾棒的降溫效果具有明顯影響?？傮w而言，復(fù)合材料的降溫性能隨著植物纖維配比的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。復(fù)合材料的降溫性能在植物纖維/PLA纖維配比為4∶6時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)的最高溫度降溫效果ΔTm和平均溫度降溫效果ΔTa分別為29.3 ℃和25.3 ℃。并且，1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1纖維配比的復(fù)合材料的煙氣溫度測(cè)試結(jié)果和DSC 測(cè)試結(jié)果相符，這印證了2.1 節(jié)中“復(fù)合材料的降溫性能主要取決20～100 ℃范圍內(nèi)吸熱性能”的理論推測(cè)。

纖維配比對(duì)材料結(jié)構(gòu)影響顯著。隨著植物纖維配比的減少，復(fù)合材料的松厚度、表面粗糙度和孔隙率明顯增大［25］。這些變化導(dǎo)致材料和煙氣之間的有效接觸面積增加，有利于傳熱過程的進(jìn)行。同時(shí)，更多的PLA纖維也增強(qiáng)了復(fù)合材料通過相轉(zhuǎn)變吸收熱量的能力。這兩種因素均有利于復(fù)合材料降溫性能的增強(qiáng)。但是，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)的植物纖維組成下降到某一閾值（4∶6）后，植物纖維充當(dāng)骨架支撐材料不發(fā)生熱變形的能力被破壞，PLA受熱熔融坍縮，影響煙氣的流動(dòng)和換熱，導(dǎo)致材料降溫性能下降，煙氣出口溫度升高。多種因素協(xié)同作用，最終導(dǎo)致纖維配比發(fā)生變化時(shí)復(fù)合材料的降溫性能呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

2.3 壓光溫度對(duì)植物纖維/PLA 復(fù)合材料降溫濾棒降溫性能的影響

為定量表征壓光復(fù)合材料制得的降溫濾棒的降溫性能，使用煙氣進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)計(jì)算濾棒的平均降溫效果和最高降溫效果，計(jì)算方法同2.2，結(jié)果見表3。

表3 壓光溫度對(duì)復(fù)合材料降溫效果的影響Tab.3 Influence of calendaring temperature on cooling effect of the composite material

對(duì)比壓光前和壓光后的復(fù)合材料的降溫性能，可知壓光后材料的降溫效果出現(xiàn)明顯下降，而不同的壓光溫度對(duì)材料的降溫性能無(wú)明顯影響。盡管如此，110～190 ℃壓光復(fù)合材料仍都具有與PLA 薄膜相近或略勝一籌的降溫性能，且其降溫效果明顯優(yōu)于醋纖中空降溫段。壓光作為造紙流程中的最后一環(huán)，其原理為利用植物纖維在高溫下從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，在壓力下發(fā)生永久性形變，從而起到紙張表面整飾和緊度調(diào)控的作用。研究使用的PLA 纖維，其玻璃化相轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)均比通常的植物纖維低得多（PLA 纖維的相轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)分別為69.0 ℃和157.2 ℃），在壓光的條件下，PLA 纖維將發(fā)生軟化和熔融，并在壓力的作用下流動(dòng)，填充紙張內(nèi)部纖維間的孔隙并涂覆在植物纖維表面，從而增強(qiáng)植物纖維和PLA 之間的結(jié)合，使得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更加致密，材料的力學(xué)強(qiáng)度得到提高［25］。但壓光同時(shí)也降低了材料的孔隙率、表面粗糙度和厚度，這影響了煙氣和材料的有效接觸面積和煙氣的流通面積，進(jìn)而影響了煙氣的湍動(dòng)程度，最終導(dǎo)致材料的降溫效果降低。

2.4 壓光壓力對(duì)植物纖維/PLA 復(fù)合材料降溫濾棒降溫性能的影響

表4為130 ℃壓光溫度，不同壓光壓力下復(fù)合材料降溫濾棒的平均溫度降溫效果和最高溫度降溫效果，計(jì)算方法見2.2節(jié)。比較不同壓光壓力下復(fù)合材料的降溫效果，可知10、15 N/mm壓光壓力下的復(fù)合材料降溫效果接近，而20、25 N/mm壓光壓力下的復(fù)合材料降溫效果出現(xiàn)了明顯的下降。這可能是由于較大的壓光壓力賦予了材料更大的緊度，PLA纖維在熱量和壓力的共同作用下開始熔融并且填充了紙張孔隙，降低了材料的透氣度，進(jìn)而阻礙了煙氣的傳熱。

表4 壓光壓力對(duì)復(fù)合材料降溫效果的影響Tab.4 Influence of calendaring pressure on cooling effect of the composite material

2.5 優(yōu)選復(fù)合材料降溫濾棒對(duì)HNB 卷煙氣溶膠主要成分吸附性能分析

通過上述的對(duì)比和討論，可知5∶5植物纖維/PLA纖維配比，130 ℃壓光溫度、15 N/mm壓光壓力是較為適宜的一組制備條件。因此以該條件制備了幅寬55、60、65 mm，長(zhǎng)度15 mm 降溫濾棒，考察其作為HNB 卷煙降溫段材料時(shí)，降溫材料的幅寬對(duì)加熱卷煙煙氣中主要成分釋放的影響。

2.5.1 總粒相物逐口釋放情況

優(yōu)選的復(fù)合材料及兩種對(duì)照樣品（1.2 mm 壁厚醋纖中空濾棒，幅寬55、60、65 mm PLA薄膜卷制而成的降溫濾棒）作為HNB卷煙濾嘴降溫段時(shí)煙氣氣溶膠總粒相物（TPM）的逐口釋放情況如圖5 所示。圖5中TPM曲線均呈現(xiàn)出先略有增加再持續(xù)減少的趨勢(shì)，這表明TPM的逐口釋放變化趨勢(shì)與卷煙的降溫功能材料種類無(wú)關(guān)。注意到TPM曲線基本在第2口處抵達(dá)其最大值，這和圖2、3中抽吸過程煙氣入口溫度最大值的位置一致，且TPM逐口釋放量的變化趨勢(shì)和煙氣入口溫度最大值變化趨勢(shì)相吻合，表明TMP 的釋放量主要由發(fā)煙芯材段的溫度決定，取決于所用煙具的升溫曲線，煙氣中主要成分的逐口釋放與加熱的升溫速率和溫度有直接關(guān)系。這一結(jié)果和前人研究得到的結(jié)論相一致［31］。

圖5 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙總粒相物的逐口釋放量Fig.5 Puff-by-puff releases of total particulate matter from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

對(duì)比3 種材料TPM 逐口釋放曲線，可知1.2 mm壁厚的醋纖中空濾棒的TPM 釋放量大于PLA 薄膜材料和復(fù)合材料，即復(fù)合材料對(duì)煙氣總粒相物的吸收性大于PLA薄膜和醋纖中空材料。對(duì)比同一種材料3 種幅寬下的TPM 釋放曲線，可以看到隨著幅寬的增加，曲線呈下移趨勢(shì)，這說(shuō)明降溫材料的幅寬越長(zhǎng)，其吸附性越強(qiáng)。

2.5.2 丙二醇逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)丙二醇的逐口釋放情況如圖6所示。不同濾嘴材料對(duì)丙二醇逐口釋放的趨勢(shì)有顯著的影響，對(duì)于醋纖中空材料，加熱卷煙氣溶膠中丙二醇的釋放趨勢(shì)呈先增加再減少到再增加再減少的“M”型趨勢(shì)，而對(duì)于PLA 薄膜和植物纖維/PLA復(fù)合材料，加熱卷煙氣溶膠中丙二醇的釋放趨勢(shì)表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定。

圖6 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙丙二醇的逐口釋放量Fig.6 Puff-by-puff releases of propylene glycol from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

對(duì)比3種材料丙二醇逐口釋放曲線，可知1.2 mm壁厚的醋纖中空濾棒的釋放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PLA薄膜材料和復(fù)合材料，即復(fù)合材料對(duì)丙二醇的吸收性強(qiáng)于PLA 薄膜，前兩者又遠(yuǎn)強(qiáng)于醋纖中空濾棒。對(duì)比同一種材料3種幅寬下丙二醇逐口釋放曲線，可知幅寬對(duì)材料丙二醇吸附性影響較小。

2.5.3 丙三醇逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)的丙三醇的逐口釋放情況如圖7所示。丙三醇逐口釋放量呈先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，材料種類和幅寬對(duì)丙三醇釋放量的影響和丙二醇的基本一致。

圖7 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙丙三醇的逐口釋放量Fig.7 Puff-by-puff releases of glycerol from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

2.5.4 煙堿逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)煙堿的逐口釋放情況如圖8所示。從圖中可見各材料煙堿逐口釋放曲線變化規(guī)律和丙二醇的情況基本一致，即材料煙堿吸附性：復(fù)合材料＞PLA薄膜＞1.2 mm壁厚醋纖中空材料；材料幅寬對(duì)吸附性影響較小且無(wú)明顯趨勢(shì)。

圖8 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙煙堿的逐口釋放量Fig.8 Puff-by-puff releases of nicotine from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

2.5.5 水分逐口釋放情況

3種降溫材料作HNB卷煙降溫材料時(shí)煙氣水分的逐口釋放情況如圖9所示。不同濾嘴材料對(duì)煙堿逐口釋放的趨勢(shì)有較為明顯的影響，對(duì)于醋纖中空材料，加熱卷煙氣溶膠中水分釋放呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，而對(duì)于PLA 薄膜和植物纖維/PLA 復(fù)合材料，加熱卷煙氣溶膠中水分釋放趨勢(shì)呈現(xiàn)為先增加后減少。對(duì)比3 種材料的水分逐口釋放曲線，可知PLA薄膜的水分釋放量最高，而醋纖中空材料介于中間，復(fù)合材料釋放量最低。不同幅寬下材料的水分釋放量情況表明材料的幅寬越大，水分釋放量越低，但降低值較小，即幅寬對(duì)水分吸收性的影響較小。

圖9 不同材料降溫濾棒的HNB卷煙水分的逐口釋放量Fig.9 Puff-by-puff release of moisture from heated tobacco products with different filter rod cooling materials

綜合2.5 各小節(jié)的分析討論，3 種材料對(duì)煙氣主要成分的過濾吸附性能強(qiáng)弱為：復(fù)合材料＞PLA薄膜＞1.2 mm 壁厚醋纖中空材料；增加材料幅寬會(huì)在一定程度上增強(qiáng)材料對(duì)煙氣主要成分的過濾吸附性能。植物纖維/PLA 復(fù)合材料較強(qiáng)的吸附性能可能來(lái)自于植物纖維對(duì)水分、丙二醇等物質(zhì)較好的吸收性。丙二醇、丙三醇和水均可以和植物纖維表面的羥基形成分子間氫鍵，這促進(jìn)了植物纖維對(duì)這些煙氣組分的吸收。此外，復(fù)合材料較佳的降溫性能也有利于煙氣中水分的冷凝，冷凝的液態(tài)水又能以溶解互溶的方式吸收煙氣中的醇和煙堿。這兩種效應(yīng)賦予了復(fù)合材料相較純PLA薄膜更強(qiáng)的吸收性。

3 結(jié)論

成功使用造紙法制備了植物纖維/PLA復(fù)合材料并將其應(yīng)用于HNB卷煙的降溫濾棒中，考察了纖維配比、壓光工藝條件對(duì)材料降溫性能的影響以及優(yōu)選的復(fù)合材料幅寬對(duì)HNB煙氣主流成分的吸收性能。研究表明：①對(duì)不同植物纖維/PLA配比（1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1）復(fù)合材料的DSC測(cè)試表明，植物纖維/PLA配比約為5∶5的復(fù)合材料在20～100 ℃范圍具有較優(yōu)的吸熱性能。②對(duì)植物纖維/PLA復(fù)合材料煙氣溫度測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步表明：復(fù)合材料的降溫性能隨植物纖維的增加而先增強(qiáng)后減弱，并于植物纖維/PLA 纖維配比為4∶6時(shí)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)其平均溫度降溫效果和最高溫度降溫效果分別為25.3 ℃和29.3 ℃。該結(jié)果和復(fù)合材料的DSC測(cè)試結(jié)果一致。③壓光使復(fù)合材料變得致密，降低了材料的孔隙率和比表面積，使材料和煙氣間的有效接觸面積減少，對(duì)復(fù)合材料的降溫性能存在不利影響。④壓光溫度對(duì)降溫性能影響較小，而壓光壓力超過10 N/mm后材料的降溫性能出現(xiàn)明顯降低。⑤3種材料對(duì)煙氣主要成分（總粒相物、丙二醇、丙三醇、煙堿和水分）的過濾吸附性能強(qiáng)弱為：復(fù)合材料＞PLA薄膜＞1.2 mm壁厚醋纖中空材料，且增加材料幅寬會(huì)在一定程度上增強(qiáng)材料的過濾吸附性能。復(fù)合材料較強(qiáng)的吸附性能可能來(lái)源于其對(duì)水分較好的吸收性及較強(qiáng)的冷凝效果。