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多元非线性回归法探讨细支烟材料参数对焦油释放量的影响

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陈昆燕, 戴亚, 周学政, 等. 多元非线性回归法探讨细支烟材料参数对焦油释放量的影响[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2022, 47(2): 50-55. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2022.02.010
引用本文: 陈昆燕, 戴亚, 周学政, 等. 多元非线性回归法探讨细支烟材料参数对焦油释放量的影响[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2022, 47(2): 50-55. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2022.02.010
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CHEN Kunyan, DAI Ya, ZHOU Xuezheng, et al. Influence of Cigarette Material Parameters on Tar Deliver in Mainstream Smoke of Slime Cigarette Based on Multivariate Nonlinear Regression Method[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2022, 47(2): 50-55. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2022.02.010
Citation: CHEN Kunyan, DAI Ya, ZHOU Xuezheng, et al. Influence of Cigarette Material Parameters on Tar Deliver in Mainstream Smoke of Slime Cigarette Based on Multivariate Nonlinear Regression Method[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2022, 47(2): 50-55. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2022.02.010
shu

多元非线性回归法探讨细支烟材料参数对焦油释放量的影响

  • 1.

    重庆中烟工业有限责任公司技术中心，重庆 400060

  • 2.

    重庆宏声实业(集团)有限责任公司，重庆 400060

  • 基金项目: 重庆中烟工业有限责任公司科技项目(2018hx020)
详细信息
    作者简介:

    陈昆燕，硕士，高级工程师，主要从事卷烟工艺及卷烟材料的研究 .

    通讯作者: 汪长国，硕士，研究员

  • 中图分类号: S572

Influence of Cigarette Material Parameters on Tar Deliver in Mainstream Smoke of Slime Cigarette Based on Multivariate Nonlinear Regression Method

  • 1.

    Technical Center, China Tobacco Chongqing Industrial Co., Ltd., Chongqing 400060, China

  • 2.

    Chongqing Hongsheng Industry (Group) Co., Ltd., Chongqing 400060, China

  • 摘要: 为研究细支烟主流烟气焦油释放量受材料参数(卷烟纸透气度、接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束规格)的影响程度，运用均匀设计实验方案制备了不同材料组合的卷烟样品，采用多元非线性回归法，通过单因素、主效应、边际效应等分析方法对建立的焦油释放量(因变量)与材料参数(自变量)数学模型进行了数据分析，进一步优化参数与验证实验. 结果表明: 卷烟纸透气度对细支烟主流烟气焦油释放量影响无统计学意义，其余因子对细支烟主流烟气焦油释放量影响由大到小依次为接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束纵向表面积等效描述指数(以下简称滤棒丝束指数); 细支卷烟主流烟气焦油释放量较低的材料参数组合为卷烟纸透气度为100 CU，接装纸透气度为800 CU，成型纸透气度为6 000 CU，滤棒丝束规格为8.0Y/15 000.
    Abstract: In slimmer cigarette, in order to investigate the influence of patterns of cigarettes material parameters on tar deliver in the mainstream smoke including cigarette paper air permeability, tipping paper air permeability, plug wrapper air permeability and the tow specification in the filter were investigated by uniform design, the test cigarettes with various material paremeters were prepared. And the main effect, single factor effect, actual effect analysis, parameter optimization and experimental verification of the model were applied. The results show that: the air permeability of cigarette paper had no significant effect on the tar deliver in mainstream smoke of slim cigarettes; the other factors affected the tar deliver in the mainstream smoke of slim cigarettes as follows: the air permeability of tipping paper>the air permeability of plug wrapper paper>the tow specification in the filter; the optimized material combination for low tar deliver were: cigarette paper air permeability 100 CU, the air permeability of plug wrapper paper 800 CU, the air permeability of plug wrapper paper 6 000 CU, tow specifications in the filter 8.0Y/15 000.
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  • 图 1  各因素与主流烟气焦油释放量关系图

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    表 1  实验因素与水平

    因素 水平
    1 2 3 4 5
    卷烟纸(x1)/CU 50 60 70 80 100
    接装纸(x2)/CU 200 400 600 800 1 000
    成型纸(x3)/CU 6 000 10 000 16 000 20 000 26 000
    滤棒丝束指数(x4) 5 303.3 5 842.37 6 940.22
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    表 2  样品焦油释放量

    样品 卷烟纸(x1) 接装纸(x2) 成型纸(x3) 滤棒丝束指数(x4) 焦油/(mg·支-1)
    XZB-1 0.200 0 0.250 0 1.000 0 0.000 0 8.15
    XZB-2 1.000 0 0.750 0 0.500 0 0.000 0 6.41
    XZB-3 0.400 0 0.000 0 0.000 0 0.329 3 9.41
    XZB-4 0.000 0 1.000 0 0.200 0 0.329 3 7.22
    XZB-5 0.400 0 0.500 0 0.700 0 1.000 0 6.78
    XZB-6 0.600 0 0.500 0 0.500 0 1.000 0 6.58
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    表 3  实验样品主流烟气焦油释放量的描述统计

    指标 最大值
    /(mg·支-1)    		 最小值
    /(mg·支-1)    		 平均值
    /(mg·支-1)    		 标准差
    /(mg·支-1)    		 变异系数
    /%    		 偏度 峰度
    焦油释放量 9.41 6.41 7.43 1.15 15.55 1.22 0.66
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    表 4  各因子偏导分析结果

    因子 偏导方程
    x2 $ \frac{\partial y}{\partial {{x}_{2}}}=10.24+16.04{{x}_{2}}$
    x3 $ \frac{\partial y}{\partial {{x}_{3}}}=1.6744{{x}_{3}}$
    x4 $ \frac{\partial y}{\partial {{x}_{4}}}=0.1147$
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    表 5  主流烟气焦油释放量较低的卷烟材料优化参数组合验证实验

    试验编号 样品主流烟气焦油释放量
    检测值/(mg·支-1) 平圴值/(mg·支-1) 预测值/(mg·支-1) 相对偏差/%
    1 5.81 5.90 6.10 3.39
    2 6.03
    3 5.76
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    表 6  不同透气度卷烟纸主流烟气焦油释放量测定值

    样品编号 检测值/(mg·支-1)
    xzyz-50 6.20
    xzyz-60 6.10
    xzyc-70 6.10
    xzyz-80 5.90
    xzyz-100 5.90
    注: 样品编号后缀数字分别代表卷烟纸的透气度.
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图( 1) 表( 6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-19
  • 刊出日期:  2022-02-20

多元非线性回归法探讨细支烟材料参数对焦油释放量的影响

    通讯作者: 汪长国，硕士，研究员
    作者简介: 陈昆燕，硕士，高级工程师，主要从事卷烟工艺及卷烟材料的研究
  • 1. 重庆中烟工业有限责任公司技术中心，重庆 400060
  • 2. 重庆宏声实业(集团)有限责任公司，重庆 400060
  • 收稿日期:  2020-03-19
基金项目:  重庆中烟工业有限责任公司科技项目(2018hx020)

摘要: 为研究细支烟主流烟气焦油释放量受材料参数(卷烟纸透气度、接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束规格)的影响程度，运用均匀设计实验方案制备了不同材料组合的卷烟样品，采用多元非线性回归法，通过单因素、主效应、边际效应等分析方法对建立的焦油释放量(因变量)与材料参数(自变量)数学模型进行了数据分析，进一步优化参数与验证实验. 结果表明: 卷烟纸透气度对细支烟主流烟气焦油释放量影响无统计学意义，其余因子对细支烟主流烟气焦油释放量影响由大到小依次为接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束纵向表面积等效描述指数(以下简称滤棒丝束指数); 细支卷烟主流烟气焦油释放量较低的材料参数组合为卷烟纸透气度为100 CU，接装纸透气度为800 CU，成型纸透气度为6 000 CU，滤棒丝束规格为8.0Y/15 000.

English Abstract

    全文HTML

  • 卷烟材料，三纸一棒(主要指丝束)的合理组配不仅可以实现卷烟产品的特定风格，而且被证实对卷烟烟气指标、物理指标等均有较大影响，尤其对焦油这一重要指标的释放量影响较大，一直都是“降焦减害”的热点研究领域[1-3]. 然而，近年来逐步成为国内外新消费热点的细支卷烟，对其焦油释放量的相关研究却甚少，主要集中在设备改造、梗丝形态对其品质稳定性的影响、不同抽吸模式间烟气指标的差异等方面[4-5]. 较常规卷烟，细支卷烟具有圆周较小、烟支长等外观显著特点，烟支燃烧时烟气分布状态必然会有较大差异[6]. 针对细支卷烟燃烧时区别于常规卷烟的烟气分布差异，选定叶组品牌，基于均匀设计的实验基础，采用多元非线性回归法探讨细支卷烟材料参数对焦油释放量的影响，建立相关预测模型，旨在为细支卷烟设计时材料的选择提供帮助，达到科学合理地控制细支卷烟焦油释放量的目的.

1.   材料与方法

    1.1.   材料与仪器

    1.1.1.   材料

  • 卷烟纸、接装纸、成型纸5种(透气度不同)、3种不同规格的滤棒丝束(为了方便单一指标进行量化，本文在数据处理中采用文献[7]的方法对滤棒丝束特性进行替代).

    某卷烟牌号叶组配方烟丝，重庆中烟涪陵分厂提供.

    • 1.1.2.   仪器

  • 吸烟机(RM200A)，BORGWALDT; 气相色谱(7890GC/5975MSD)，Agilent; 电子天平(BAS224S-CW)，Sartorius; 恒温恒湿箱(KBF720)，Binder.

    • 1.2.   方法

    1.2.1.   样品卷制

  • 按实验设计表 1进行实验，其余参数保持一致. 圆周设定值为17.2 mm，烟支其余物理指标在规定允许的误差范围内使用. 上机测试抽吸前，样品平衡条件: 温度(22±1)℃，相对湿度(60±3)%. 样品调节时间为48 h以上，按照(540±5) mg分选样品.

    • 1.2.2.   焦油的检测

  • 卷烟抽吸及焦油检测依据相应的国家标准进行[8-11].

    • 1.2.3.   实验设计

  • 以选定的细支卷烟各卷接材料为因素，以“均匀设计的计算机辅助设计”进行实验方案[12-13]设计，其因素及水平见表 1.

    • 1.2.4.   数据处理

  • 采用DPS 17.10，SPSS 18.0软件，以各材料因子为自变量，主流烟气中焦油释放量为因变量，利用多因子及平方项逐步回归方法建立数学模型进行检验; 采用文献[14]的方法计算得到各因子的贡献率; 结合实际生产中使用的材料参数，采用极值寻优和综合平衡法[15-18]，得到主流烟气焦油释放量较低的参数优化组合，并进行验证.

2.   结果与分析

    2.1.   实验结果

  • 依据表 1进行了6组、每组3次重复的参数组合实验，结果见表 2，由于各因素的数量级和量纲不同，采用极差归一化[19-20]对各因素进行变换.

    依据表 2的检测结果，其描述统计结果见表 3.

    从表 3可知，各组合得到的细支卷烟样品焦油释放量偏度系数大于0，为正偏峰; 峰度系数大于0，为尖峭峰，数据集中在均值附近; 变异系数和标准差均较小，表明其统计结果基本符合正态分布的特征，可将其作为一个整体来进行分析和评价.

    • 2.2.   逐步回归分析模型

  • 以表 2中规格化后的参数为自变量，焦油释放量为因变量，采用二次多项式逐步回归方法建立模型:

    因素与焦油释放量的R2=0.999 9，模型拟合度良好; F=3 463 790.5>F0.01(4，1)=5 624.6，F检验结果表明该回归方程达到极显著水平，差异有统计学意义; p=0.000 4 < 0.01，T检验表明方程中各自变量的系数差异有统计学意义; 模型的残差独立性检验，Durbin-Watson统计量为2.61，残差无自相关，模型具有很强的解释能力.

    • 2.3.   因子主效应分析结果[15]

  • 计算得到各要素的贡献率: 接装纸透气度为1.999、成型纸透气度为0.998、滤棒丝束指数为0.992. 数据分析表明，在实验范围内，卷烟纸透气度对细支烟主流烟气中焦油释放量影响无统计学意义，其余各因素对焦油释放量的影响程度由大到小依次为接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束指数.

    • 2.4.   单因素效应分析结果

  • 为进一步研究各单因素对主流烟气焦油释放量的影响，将其余因素分别置于高(1.0)、中(0.5)、低(0)水平时，对回归数学模型进行各因素与主流烟气焦油释放量的关系研究. 以其他因子中水平为例，得到各因子与目标释放量的关系，见图 1.

    由图 1可知，在实验范围内，其他因素取中水平时，各因子对细支卷烟主流烟气焦油释放量的影响差异较大. 接装纸透气度在0≤x2≤0.638之间取值时，接装纸透气度与焦油释放量呈负相关; 当0.638 <x2≤1时，接装纸透气度与焦油释放量呈正相关; x2=0.638时，焦油释放量最小. x3与焦油释放量呈曲线正相关，x3=0时为最小值. 滤棒丝束指数(x4)在实验范围内与焦油释放量呈线性正相关，在x4=0时，焦油释放量为最小值.

    • 2.5.   边际效应分析结果

  • 为比较各自变量对目标释放量影响的速率，对模型各因子求偏导，以其他因子中水平(0.5)为例，求得各因子与焦油的边际效应关系式，结果见表 4.

    由表 4可知，当其他因子取值0.5水平时，在实验范围内，x2，x3的边际释放效应关系是两组斜率为正值的斜线，呈正效应，x2和x3对细支烟焦油释放量的影响速率均随自身水平的增加而逐渐变大; x4对焦油释放量的影响速率为正效应，且为常数，不随其他因子水平的变化而变化.

    在实验范围内，x2的边际焦油效应直线斜率大于x3，说明x2变化对焦油释放量的影响较x3大，与因子主效应分析结果一致.

    • 2.6.   优化与验证结果

    2.6.1.   参数优化验证

  • 根据生产实际和已建立的数学模型，在各因素的变化范围内，运用综合平衡法并结合公司常用辅材规格，寻求得到了在实验范围内主流烟气焦油释放量的低值因子组合，即当x1=1，x2=0.638，x3=0，x4=0时，目标值焦油释放量较小. 经反归一化可得参数优化组合: 卷烟纸透气度为100 CU、接装纸透气度为800 CU、成型纸透气度为6 000 CU、滤棒丝束规格为8.0 Y/15 000.

    按上述所得参数优化组合进行3次验证实验，分别测定样品的焦油释放量，结果见表 5.

    由表 5可知，寻优参数组合的样品焦油释放量较低，与预测值有较好的一致性，相对偏差小.

    • 2.6.2.   卷烟纸透气度影响验证

  • 前述实验结果数据分析表明，卷烟纸对细支烟主流烟气中焦油释放量影响无统计学意义. 根据因子主效应分析结果和数学模型的寻优结果，采用其他条件固定不同透气度卷烟纸，进一步验证卷烟纸透气度对细支烟焦油释放量的影响.

    结合生产实际，分别选用50，60，70，80，100 CU这5种不同透气度的卷烟纸(除透气度外，其余条件相同)，搭配其余材料，x2选用800 CU，x3选用6 000 CU，x4选用8.0 Y/15 000，按照上述参数组合随机进行了5组验证实验，每组实验3次重复，分别测定卷烟样品主流烟气的焦油释放量，结果见表 6.

    由表 6可以看出，不同卷烟纸透气度细支卷烟样品主流烟气焦油释放量差异较小，几组实验样品的最大相对偏差仅为5.08%，说明在实验范围内，不同透气度卷烟纸对细支烟主流烟气焦油释放量的影响极小，其验证结果与因子主效应卷烟纸透气度影响无统计学意义的分析结果相吻合.

    与传统卷烟相比，当卷烟纸透气度从50 CU增加到100 CU时，细支烟焦油释放量差异无统计学意义，这与常规卷烟的焦油释放量随卷烟纸透气度增加而减小的规律差异较大. 究其原因，可能是细支烟直径变小，燃烧锥明显变细增长，卷烟纸透气度对烟支的燃烧状态的影响相对较小.

3.   结论与讨论

  • 1) 本文应用了主效应分析、单因素分析、边际效应分析等多种分析方法研究了卷烟纸透气度、接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束指数这几种卷烟基本材料对细支烟主流烟气焦油释放量的影响规律. 除卷烟纸透气度外，其余各因子对细支烟主流烟气焦油释放量影响由大到小依次为接装纸透气度、成型纸透气度、滤棒丝束指数.

    2) 在实验范围内，卷烟纸透气度对细支烟主流烟气焦油释放量影响无统计学意义，这与常规卷烟纸透气度对其主流烟气焦油释放量影响较大的结论不同，可能是由于细支卷烟直径较小、燃烧锥细长、卷烟纸透气度对烟支抽吸时不充分燃烧的影响相对较小所致.

    3) 得到并验证了主流烟气焦油释放量较低时的优化参数组合，结果表明对于实验所用烟丝，在卷烟纸透气度为100 CU、接装纸透气度为800 CU、成型纸透气度为6 000 CU、滤棒丝束规格为8.0 Y/15 000时，卷烟主流烟气焦油释放量可以达到相对较低值，为5.90 mg/支.

    上述研究结论是针对同一叶组配方及生产工艺流程得出的，是否适用实验范围以外的情况还需进一步验证.

参考文献 (20)

目录

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