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卷烟燃烧锥形态参数测定及与燃烧速度间的关系

卷烟的燃烧是烟丝与卷烟纸配合完成并产生烟气的过程,也是消费卷烟的过程,这决定了卷烟燃烧性能的重要性。对卷烟燃烧性能的基本要求是不熄火,而提高卷烟的自由燃烧速度、降低燃烧温度已然成为降焦减害的重要手段和卷烟燃烧性能研究的重要内容[1-2]。随着卷烟包灰性能日益受到关注,相关研究成果不断涌现[3-6],进一步丰富了卷烟燃烧性能的内涵、扩大了研究领域。
 
燃烧锥是卷烟燃烧过程中形成的碳化锥形体,燃烧锥的形态,如锥长、锥面积、倾斜度等是烟丝、卷烟纸、烟支卷制特性及燃烧过程综合作用的结果,通过燃烧锥形态及其与燃烧性能间的关系研究,则可能从新的视角探索影响卷烟燃烧性能的因素及规律性,为全面优化卷烟燃烧性能提供更充分的依据。近年来,国内围绕卷烟燃烧锥的研究已经取得了一些成果,如李斌等[7]开展了卷烟燃烧锥受力分析研究、并建立了落头倾向检测方法,赵秋荣等[8]研究了烟丝结构对卷烟燃烧锥掉落率的影响,以上研究关注的重点是卷烟抽吸过程中的燃烧锥脱落,即“掉火头”问题。在燃烧锥形态研究方面,李斌、刘昌民、崔晓梦等[9-11]在建立卷烟燃吸过程中温度分布检测系统基础上,开展了卷烟燃烧锥温度分布的表征方法、燃烧锥区域特征分析等方面的研究,试图从温度变化角度表征燃烧锥的形态。此外,刘峰、王琼等[12-13]发明了用于测量燃烧锥锥长及碳线宽度的方法,何沛[14]等发明了一种卷烟燃烧锥截面积测量装置,用于测定燃烧锥面积。
 
综上所述,目前关于卷烟燃烧锥形态的研究主要集中在形态参数的测量及表征方面,且未形成公认的标准化方法;而关于不同卷烟燃烧锥形态参数间的差异性、影响因素,以及燃烧锥形态与相关燃烧性能间关系方面的研究则少见报道。为此,本文建立了一种基于图像处理技术的卷烟燃烧锥形态多指标综合测量方法,对国内40余种不同牌号卷烟的燃烧锥形态参数进行了测量及统计分析,并探讨了卷烟自由燃烧速度与燃烧锥形态参数间的关系。
 
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
48种不同中烟公司、不同档次的市售烤烟型卷烟样品,长度均为84mm,圆周为24.2~24.5mm之间,零售价格介于5~100元/包,分别用1#~48#表示,其中1#~27#属于一类烟,28#~34#属于二类烟,35#~46#为三类烟,47#、48#为四类烟。
主要实验仪器包括烟支燃烧性能测试箱(自制);KBF240恒温恒湿箱(德国Binder公司);佳能EOS70D数码相机。图片处理软件为ImageJ、Abode Photoshop CC 2105;数据处理与分析软件为Spss 17.0。
 
1.2 实验方法
1.2.1 卷烟燃烧锥形态参数测定方法
卷烟燃烧锥形态参数的测定主要包括样品准备、燃烧锥制作、锥形态图片获取及参数测定四个部分。
(1)样品准备
随机选取待测样品15支,每3支为一组分为5组,置于温度(22±1) ℃,相对湿度(60±2)%的恒温恒湿箱中平衡48h备用。在距离接装纸5mm、10mm位置处分别划线作为标记,其中5mm位置用作图片分析时的标尺距离,10mm位置为烟支燃烧高度标记。
(2)燃烧锥制作
点燃烟支并竖直放置于卷烟燃烧性能测试箱内的烟支架上,待烟支静燃至距离接装纸10mm处时立即使用试管从烟支燃烧端往下盖住卷烟,使其与外部空气隔绝,从烟支架上取下已熄灭的烟支,使用吸耳球轻轻、匀速吹去燃烧锥表面的烟灰,待到没有浮灰落下时视为卷烟燃烧锥已制作好。
(3)锥形态图片采集
将制作好的燃烧锥重新置于烟支架上,采用数码相机拍照,测试箱内照明条件良好。相机镜头距离烟支架距离为215mm,参数设定为:感光度400,对焦500,光圈5.6,照明条件为白炽灯,曝光模式选择AV(光圈优先自动曝光),单点伺服对焦。
(4)燃烧锥形态参数测定
启动ImageJ软件并打开图片,采用标尺工具设定比例尺,即测量标记距离(5mm)的像素长度,进而通过像素比转换为实际长度;使用长度测量工具测定燃烧锥锥长L;选用角度测量工具以烟支外轮廓的两侧为切边、锥面外边缘的两边为临边测量燃烧锥的左右边角,并计算角差,用以表征卷烟燃烧锥的偏离程度,以下称作偏离角ɑ[15],如图1所示。
启动Photoshop软件打开图片,选用标尺工具测量标记位置距离的像素长度,记为X,使用“魔法棒”功能调节容差并扣除图片背景,选用“磁性套索”工具截选锥形态,点击“记录测量”得到卷烟燃烧锥像素面积(如图2),记为Y,运用公式(1)计算得到燃烧锥实际面积M。
 
1.2.2 卷烟燃烧速度测定方法
参照文献[16-17],采用棉线法进行卷烟自由燃烧速度测定,实验开始前将烟样于恒温恒湿箱中平衡48h。各牌号随机选取16支,取16支测定结果的平均值表示牌号卷烟自由燃烧速度V。
1.3 统计方法
运用正态性检验(Kolmogorov-Smirnov)、单因素方差分析、LSD及SNK多重比较、多元回归等方法对测量结果进行统计分析。
 
2 结果与分析
2.1 不同卷烟燃烧锥形态参数及自由燃烧速度的描述统计
1#~48#卷烟的燃烧锥形态参数及自由燃烧速度测定结果与描述统计结果如表1所示。①锥长、锥面积、偏离角及自由燃烧速度的Kolmogorov-Smirnov检验结果均不显着(p值分别为0.228、0.182、0.115、0.688),表明四项指标均呈随机、正态分布。②不同卷烟的燃烧锥锥长介于6.604~14.017mm间,平均为9.243mm;锥面积介于38.729~92.825mm2间,平均为48.870mm2;偏离角介于2.778~7.636°间,平均为4.574°;自由燃烧速度介于4.405~6.377mm·min-1间,平均为5.146 mm·min-1。
 
对48种不同牌号卷烟的燃烧锥形态各参数进行单因素方差分析,结果表明,锥长、锥面积及偏离角均呈极显着差异性(p值分别为0.000、0.000和0.002)。

 
2.2 卷烟燃烧锥形态测定方法的重复性及灵敏度
2.2.1 方法的重复性
如表1所示,48种卷烟燃烧锥锥长的RSD介于2.7%~10.1%间,平均值为6.07%;锥面积的RSD介于1.1%~10.1%间,平均值为5.99%;偏离角的RSD介于12.0%~78.3%间,平均值为43.89%。锥长及锥面积两项指标的平均RSD均明显低于对应指标的样品间RSD,说明利用所建方法测定这两项指标时,测量结果的重复性较好,而不同样品的RSD的差异较大,主要是由样品自身的均匀程度不同造成的。燃烧锥偏离角的平均RSD明显高于该指标的样品间RSD,说明利用所建方法测定该项指标时,测量结果的重复性较差。
 
2.2.2 区分样品间差异性的灵敏度
不同牌号间的单因素方差分析结果似乎说明,利用所建方法的测定结果区分不同样品间的差异性时,三项指标均具有较高的灵敏度,但进一步分析发现并非如此。采用LSD多重比较法进行样品间的两两比较、并统计达到显着差异的样品间的最小均值差,结果如表2所示,①达到极显着差异(p<0.01)的样品间锥长、锥面积、偏离角的最小均值差分别为0.597mm、4.154mm2和2.209°,分别占三项指标48种样品间极差的8.05、7.68和45.47%;②达到显着差异(p<0.05)的样品间锥长、锥面积、偏离角的最小均值差分别为0.442mm、2.689mm2和1.830°,分别占三项指标48种样品间极差的5.96、4.97和37.67%。最小均值差越小、一定程度说明方法的灵敏度越高,用三项指标的最小均值差除以各自的极差以消除量纲的影响后可以看出,利用本方法测量结果区分不同样品的锥长和锥面积时的灵敏度明显高于偏离角。另外,由SNK多重比较结果可以更直观的看出(见表3),48种样品按照锥长和锥面积的差异性分别被分成了15个组别,而偏离角仅被分成了2个组别,且其中只有2#和4#样品表现为显着差异,其余牌号均无显着性差异。可见,所建方法用于区分样品间燃烧锥锥长及锥面积时具有较高的灵敏度,而区分偏离角时的灵敏度较差,这主要是因为偏离角测量结果的重复性较差造成的。

 
综上所述,所建方法在测量卷烟燃烧锥锥长和锥面积时,具有较好的重复性,利用测量结果区分样品间差异性时具有较高的灵敏度。
 
2.3 卷烟燃烧锥形态参数与自由燃烧速度间的相关性
各项指标间的简单相关分析结果见表4,自由燃烧速度与锥长、锥面积均呈极显着的正相关关系。这可能是因为燃烧锥越长、面积越大,与空气的接触面积就越大、阴燃时的氧气供应更充足所致。
以自由燃烧速度为因变量,锥长(L)和锥面积(M)为自变量进行多元回归分析,结果见表5、6。①自由燃烧速度与锥长和锥面积均呈极显着的二次方关系,且两者间存在极显着的交互作用。②回归方程的复相关系数为0.751,大于自由燃烧速度与锥长和锥面积各自的简单相关系数;且由标准化回归系数的绝对值可以看出,两者间交互作用的影响最大,其次是锥面积和锥长。可见,自由燃烧速度是锥长和锥面积综合作用的结果,而考虑到燃烧锥过长有可能增加“掉火头”倾向,通过控制锥长、增大锥面积来提升卷烟的自由燃烧速度或许是更好的选择。③回归方程的决定系数只有0.564,说明除了燃烧锥形态之外,还存在影响自由燃烧速度的其它关键因素,如烟丝自身燃烧性、烟支卷制特性等。
综上所述,通过增加燃烧锥锥长或锥面积有利于提高自由燃烧速度、减少抽吸口数,进而达到降焦减害的目的。因此,有必要进一步开展卷烟燃烧锥形态及影响因素研究。
 
3 结论
(1)建立了一种基于图像处理技术的卷烟燃烧锥锥长、锥面积和偏离角等形态参数的测定方法,该方法测量燃烧锥长度和面积时的重复性较好、区分样品间差异性的灵敏度较高。
(2)对48种不同牌号卷烟的燃烧锥形态参数进行了测量和统计分析,结果表明,锥长、锥面积和偏离角三项指标分别介于6.604~14.017mm、38.729~92.825mm2、2.778~7.636°之间。方差分析结果表明不同牌号卷烟的燃烧锥形态存在极显着差异性。
(3)燃烧锥锥长和锥面积与卷烟自由燃烧速度间存在极显着相关关系,随着锥长和锥面积增大,自由燃烧速度加快。

 

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