LIP卷烟与不同类型卷烟混合热解研究

笔者将3种LIP卷烟纸分别和进口混合型、国产烤烟型卷烟搭配，并采用热重-红外光谱-气相色谱-质谱联用设备进行分析，模拟卷烟燃烧状态，避免离线分析所产生的二次反应问题。结果显示所考察的LIP卷烟纸在用于烤烟型卷烟中时虽然对某些烟气成分相对含量有一定的改变，可能引起吸味的变化，但并不会给烟气成分带来显著改变。

卷烟纸:进口LIP卷烟纸a，b，c 3种样品纸。

卷烟:国产烤烟型卷烟Y和进口混合型卷烟M。

卷烟纸样品:a、b、c 3种样品纸按全涂覆（t）、未涂覆（nt）和半涂覆（m），各取相同面积3种样品（如图6-21所示），即a-t，a-nt，a-m；b-t，b-nt，b-m；c-t，c-nt，c-m。

图6-21　LIP卷烟纸取样示意图

卷烟纸和卷烟样品搭配:如a号纸样的全涂覆样品与Y成品烟丝搭配，则表示为a-t-Y；以此类推，即所有样品可分为a-t-Y，a-nt-Y，a-m-Y，b-t-Y，b-nt-Y，b-m-Y，c-t-Y，c-nt-Y，c-m-Y，a-t-M，a-nt-M，a-m-M，b-t-M，b-nt-M，b-m-M，c-t-M，c-nt-M，c-m-M。

由于实际卷烟中卷烟纸的质量相对于烟丝重量很少，为了避免由于量过少而产生的现象不明显情况，笔者在实验中将卷烟纸对烟丝质量比提高至1︰1；在热重分析仪中的纯样品放入量都控制在8～9 mg，混合样品则控制在17～18 mg范围内。

试验方法:将8～9 mg的样品（混合样品为17～18 mg）放入热重分析仪中，缓慢升温至50℃，启动热重分析程序快速升温，同时开启红外光谱程序实时监测。根据热重谱线判断，样品的最大失重曲线拐点位于320℃附近。因此，选择320℃时的热分解产物切入气相色谱-质谱联用仪进行检测。采用的分析条件为:

热重实验条件:初始温度:50℃，自50℃以20℃/min升至900℃，热解氛围为氮气，流量为50mL/min。热重分析仪与红外光谱传输线温度为270℃。

FT-IR条件:红外光谱仪的传输线温度和吸收池温度分别设为270℃。

GC-MS分析条件:HP-5MS色谱柱，进样口温度:250℃，GC升温程序:80℃（1min）200℃250℃（1min）。质谱传输线温度:280℃，离子源温度:220℃。

a，b，c 3种纸样和Y、M两种烟丝及其混合物的热重图谱如图6-22所示。

从图6-22中可以看出，纯纸样（包括全涂覆、未涂覆和半涂覆）的热失重主要分为五个阶段。第一阶段为50℃到230℃左右，这一阶段的主要热失重为卷烟纸中失去水分和小分子；第二阶段为230℃左右到约370℃，这一阶段主要是纸张中纤维成分的分解［26，27］；第三阶段为370℃左右到约630℃，这一阶段失重较为平缓，是纸张中添加剂等成分的分解；第四阶段为630℃左右到约750℃，此阶段主要是卷烟纸中CaCO3的分解阶段［26，27］；高于750℃后为第五阶段，此时，有机物已基本分解完全，可能主要是稳定性较高的少量无机物的热裂解阶段，所以在图中表现得较为平缓［27］。

图6-22　卷烟纸a，b，c和卷烟Y、M的烟丝及组合样品的热重曲线

图6-22中的6组曲线的整体趋势是一致的，说明涂覆LIP阻燃涂料不能对卷烟纸的热裂解温度产生较大的影响。在第二阶段中未涂覆和半涂覆的样品热分解温度略高于完全涂覆的样品。这一变化可能是由于LIP阻燃涂料中的某些成分的热分解温度较低所导致的。

其中，混合后的a号与c号卷烟纸样品（a-t-Y，a-nt-Y，a-m-Y，c-t-Y，c-nt-Y，c-m-Y，a-t-M，a-nt-M，a-m-M，c-t-M，c-nt-M，c-m-M）的热重曲线斜率介于纯烟丝（Y或M）和卷烟纸（a-t，a-nt，a-m，c-t，c-nt，c-m，b-t，b-nt，b-m）之间，很好地满足加和规律。然而，当b-nt与Y混合时，其第二阶段热失重比原卷烟纸更多；与M混合时，第二阶段热失重则比b-nt少。这表示b-nt本身的成分会与Y和M发生不同的反应；其中，与Y混合热分解新生成的易挥发性物质更多。(www.xing528.com)

图6-23　a，b，c三种卷烟纸的全涂覆（a-t，b-t，c-t），未涂覆（a-nt，b-nt，c-nt）和半涂覆（a-m，b-m，c-m）样品的热分解产物随时间变化的红外光谱图

因此，从热分解的角度上看，不同的LIP卷烟纸在用于烤烟型卷烟时，可能会发生少量不同的热分解反应，但整体趋势不会变化，基本保持了原有卷烟和卷烟纸的特性。

与热重联机的红外光谱仪检测所得的a，b，c 3种卷烟纸的全涂覆，未涂覆和半涂覆样品的热分解产物随时间变化的红外光谱图如图6-23所示。

从图6-23中可以看出，3种纸样无论是全涂覆，未涂覆还是半涂覆，其热分解产物的红外吸收峰的位置基本变化不大，但位于2 500 cm-1左右的峰强度随时间变化较为明显。对比a-nt，b-nt和c-nt可以发现，3种纸样未涂覆部分热分解的各种产物的含量并不完全相同，在600～900 s的范围内（第二阶段失重），c-nt的热裂解产物在2 500 cm-1附近的红外吸收明显高于a-nt和b-nt，但在涂覆LIP阻燃涂料后，c-t和c-m在该阶段的吸收强度又与a号和b号纸样基本相同，这表示c号纸样涂覆的LIP阻燃材料在卷烟纸的热分解过程中的化学反应与a号和b号并不完全相同。这一结果同样说明，不同的LIP卷烟纸所用的卷烟原纸和阻燃材料都不尽相同，因此所产生的烟气成分在含量上存在差异，但整体产物种类并没有发生明显改变。

根据图6-22中卷烟纸热重图谱的失重拐点判断，卷烟纸第二阶段失重拐点的温度点为320℃，对应时间为810 s。因此选择810 s时的红外光谱图作为对比谱图，3种卷烟纸样品的320℃时热分解产物的红外光谱图如图6-24所示，由图6-24中可以看出，每幅图中的各吸收峰的位置都没有变化，也没有发现明显的不同于其他谱图的吸收峰，这表明LIP阻燃材料的加入不会使卷烟纸燃烧产生新类型的化合物。但由于卷烟原纸本身的差异，在其余各吸收峰强度变化不大的情况下，位于2 500～2 000 cm-1的吸收峰强度却有着较大的差异。其中a-t和a-m差别不大，但略高于a-nt；b号样品的高度顺序则为b-nt>b-t>b-m；c号样品的c-t和c-m基本相同，但明显低于c-nt。这一区域主要是三键或累积双键的伸缩振动区。这一变化说明a-nt纸样本身热裂解产生的易挥发性不饱和非芳香族化合物较少，所涂覆的LIP阻燃材料也不能较为显著地产生该类化合物；b号纸样和c号纸样有些类似，本身产生的不饱和非芳香族化合物较多，但在涂覆各自所用的LIP阻燃材料后产生的该类化合物反而大幅度减少。

图6-24　a，b，c 3种卷烟纸的全涂覆（a-t，b-t，c-t），未涂覆（a-nt，b-nt，c-nt）和半涂覆（a-m，b-m，c-m）样品320℃时的热分解产物红外光谱图

当a，b，c 3种卷烟纸分别与Y和M混合后，其320℃时热分解产物的红外光谱图如图6-25所示。

由于混合样品中卷烟纸和烟丝的总量大于纯烟丝样品，因此在红外光谱图中混合样品热分解产物的红外峰高都高于纯烟丝样品产物的峰高；但各吸收峰的位置都没有明显的变化，这表示无论LIP卷烟纸的全涂覆、未涂覆或是半涂覆部分与烤烟型的Y或混合型的M组合时热分解产生物质的类型并没有发生变化。

图6-25　a，b，c 3种卷烟纸的全涂覆（a-t，b-t，c-t），未涂覆（a-nt，b-nt，c-nt）和半涂覆（a-m，b-m，c-m）部分与Y和M组合样品的320℃时的热分解产物红外光谱图

将以上样品在320℃时的各种热分解产物进行GC-MS分析，气相色谱-质谱联用以a号卷烟纸为例，其各纸样与Y、M，及其混合物320℃热分解所得的气相色谱图如图6-26所示。

图6-26　烟丝Y和M以及卷烟纸a的气相色谱

由图6-26中可以发现，所有色谱图9.00以下的主峰基本类似，少许色谱峰位置略有漂移主要是由于仪器状态的不稳定导致的。其中，位于9.33和17.02附近存在两个烟草特有的色谱峰，在纯卷烟纸样品中没有发现。经质谱分析，位于9.33处的峰归属于双戊烯（CAS:138-86-3，Wiley8ST质谱库），位于17.02处的峰则归属于烟碱（CAS:54-11-5，Wiley8ST质谱库）。当烟丝与卷烟纸混合后，在不发生任何化学变化的情况下，由于烟丝和卷烟纸共有产物峰的累积增高，烟草特有产物峰的高度应该减小为原高度的一半左右。如图6-26中的a-t-Y，a-t-M，a-nt-Y，a-nt-M，a-m-Y和a-m-M，位于17.02附近的烟碱峰都较好地满足这一规律。当3种卷烟纸与M混合时，9.33附近的双戊烯的峰高也同样降为了原烟丝产物峰高的一半左右；但在与Y混合后，此处峰高则出现大幅度降低，即产生的该物质的量减小。这说明，烤烟型烟丝和这3种卷烟纸组合后，热分解生成的双戊烯的量会减少，而混合型则变化不大。这一现象表明，选取的3种LIP卷烟纸与混合型烟丝搭配时，不会明显地改变烟气成分；但与烤烟型烟丝搭配则会出现烟气某些成分的变化，进而可能会影响造成卷烟吸味的改变。但其烟气主要成分的种类和含量都没有出现明显的变化。

综上所述，同一种LIP卷烟纸可能会对烤烟型和混合型卷烟烟气产生不同的影响，导致吸味的改变，但其主要成分改变并不明显。此外，在真实的卷烟中，卷烟纸占烟支的比例很小，其影响会更加微弱。