茶葉多酚類衍生物熱解和氧化特性及其反應機理研究.pdf

1、材料熱解、氧化特性和相關機理研究為評估材料加工利用條件以及新用途開發(fā)等方面提供理論依據(jù)和指導。本項工作以天然來源的茶葉、衍生物茶多酚以及進一步精提物茶兒茶素為研究對象，通過對樣品熱解和氧化特性表征評估茶葉多酚類衍生物使用過程中的熱穩(wěn)定性隱患，探索相關材料用作膨脹型阻燃劑的可能性。開展不同溫度條件下樣品加熱測試并觀察殘留物微觀形貌和結構組成，分析茶葉多酚類物質受熱過程中的膨脹發(fā)泡現(xiàn)象及成因。最后，依次對比茶葉和不同提取級別多酚類樣品間熱解

2、、氧化特性、氣相產(chǎn)物釋放規(guī)律及固相產(chǎn)物結構演變過程，深入分析不同材料的熱解、氧化機理，檢討不同材料潛在阻燃特性的差異。本項工作豐富了特定樣品熱化學和物理屬性的科學認識，揭示了材料屬性與其結構的內(nèi)在聯(lián)系、也為開發(fā)環(huán)保型阻燃劑奠定理論基礎。
　　利用同步熱分析(TGA/DSC)、紅外光譜分析(FT-IR)和質譜分析(MS)聯(lián)用技術觀測茶多酚熱解過程中質量變化及產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物，同時對不同熱處理溫度下固相殘留物的化學組成進行表征。結果表明

3、，茶多酚為富含側鏈結構的芳香族化合物，主要由C、H、O和微量N元素構成。溫度低于200℃時，茶多酚的熱失重基本源于所含自由水和結合水的蒸發(fā);熱解反應起始于200℃附近，取決于其側鏈結構的穩(wěn)定性;在200～350℃間發(fā)生劇烈熱分解反應，側鏈結構出現(xiàn)斷裂和重組，生成以H2O和CO2為主的氣相產(chǎn)物;在350～800℃溫度區(qū)間，熱解反應變得緩慢而持久，反映了殘留物向穩(wěn)定結構轉變的機制。對茶多酚熱解特性的認識為其有效利用和開拓防火領域應用提供理論

4、基礎。
　　通過空氣加熱實驗分析茶多酚氧化特性及發(fā)泡膨脹過程和機理。用加熱爐在空氣中加熱將特定厚度茶多酚樣品以觀察其表現(xiàn)，運用TGA/DSC-FTIR以及MS聯(lián)用技術分析樣品氧化過程中的質量變化、熱效應以及氣固相產(chǎn)物。對樣品在空氣氛圍中線性升溫過程中的質量變化和釋放氣體的跟蹤表明，由常溫以10℃/min的速率升溫至～550℃時樣品質量下降近70％，產(chǎn)生大量H2O和CO2等阻燃氣體，最后獲得的膨脹焦化物能夠在高溫下穩(wěn)定存在。對固體殘

5、留物的形貌和結構研究，發(fā)現(xiàn)其具體發(fā)泡過程為:隨溫度升高，茶多酚先轉變?yōu)榘肓黧w狀;伴隨著芳環(huán)側鏈大量裂解而產(chǎn)氣，熔融體系體積迅速膨脹。固相殘留物因逐漸累積了大量苯環(huán)結構而提升了熔點，使得體積固定，形成了表面致密、堅固而內(nèi)部多孔疏松的黑色焦化物。茶多酚豐富的側鏈取代基能夠產(chǎn)生大量發(fā)泡氣體，同時含有的苯環(huán)因其良好的穩(wěn)定性可為碳源提供結構基礎，結構組成的特點使得茶多酚作為阻燃劑有著巨大潛力。
　　對茶葉及其各級多酚類衍生物熱解、氧化特性和

6、反應機理進行對比分析。運用TGA/DSC-FTIR-MS聯(lián)用技術，考察并比較茶葉以及茶多酚和茶兒茶素兩種級別多酚類提取物在惰性和空氣氛圍中線性升溫時失重及氣相產(chǎn)物釋放規(guī)律，同時研討不同氣氛和溫度條件下樣品殘留物表面組成的紅外光譜數(shù)據(jù)。結果表明，材料產(chǎn)氣特性與其結構斷裂次序有關，250℃之前主要是醇類COH、醚類C-O-C及-CH2-結構的斷裂重組;250～400℃間，C=O結構及羧酸類C-OH裂解，產(chǎn)生CO2和H2O氣體;超過400℃，

7、主要是酚類C-OH和殘留的芳環(huán)共軛取代基的裂解和氧化?？諝鈼l件下，多酚類材料在低中溫階段存在氧吸附現(xiàn)象，相應失重速率放緩。就幾種樣品而言，茶葉含有較多的不穩(wěn)定結構，這使得它在低中溫階段生成大量氣體。茶多酚和茶兒茶素含有的芳環(huán)側鏈在低中溫階段大量裂解，但還仍有部分隨溫度升高演變?yōu)榕c芳環(huán)共軛的取代基，穩(wěn)定性得到增強;在高溫下才逐漸被裂解和氧化。這使得二者高溫階段成氣量相對較多。源于茶多酚苯環(huán)相對更豐富的結構特點，使得它能形成更穩(wěn)定和致密的膨