茶葉多酚類(lèi)衍生物熱解和氧化特性及其反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、材料熱解、氧化特性和相關(guān)機(jī)理研究為評(píng)估材料加工利用條件以及新用途開(kāi)發(fā)等方面提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。本項(xiàng)工作以天然來(lái)源的茶葉、衍生物茶多酚以及進(jìn)一步精提物茶兒茶素為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)樣品熱解和氧化特性表征評(píng)估茶葉多酚類(lèi)衍生物使用過(guò)程中的熱穩(wěn)定性隱患，探索相關(guān)材料用作膨脹型阻燃劑的可能性。開(kāi)展不同溫度條件下樣品加熱測(cè)試并觀察殘留物微觀形貌和結(jié)構(gòu)組成，分析茶葉多酚類(lèi)物質(zhì)受熱過(guò)程中的膨脹發(fā)泡現(xiàn)象及成因。最后，依次對(duì)比茶葉和不同提取級(jí)別多酚類(lèi)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(jié)構(gòu)演變過(guò)程，深入分析不同材料的熱解、氧化機(jī)理，檢討不同材料潛在阻燃特性的差異。本項(xiàng)工作豐富了特定樣品熱化學(xué)和物理屬性的科學(xué)認(rèn)識(shí)，揭示了材料屬性與其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系、也為開(kāi)發(fā)環(huán)保型阻燃劑奠定理論基礎(chǔ)。
　　利用同步熱分析(TGA/DSC)、紅外光譜分析(FT-IR)和質(zhì)譜分析(MS)聯(lián)用技術(shù)觀測(cè)茶多酚熱解過(guò)程中質(zhì)量變化及產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物，同時(shí)對(duì)不同熱處理溫度下固相殘留物的化學(xué)組成進(jìn)行表征。結(jié)果表明

3、，茶多酚為富含側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的芳香族化合物，主要由C、H、O和微量N元素構(gòu)成。溫度低于200℃時(shí)，茶多酚的熱失重基本源于所含自由水和結(jié)合水的蒸發(fā);熱解反應(yīng)起始于200℃附近，取決于其側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;在200～350℃間發(fā)生劇烈熱分解反應(yīng)，側(cè)鏈結(jié)構(gòu)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(yīng)變得緩慢而持久，反映了殘留物向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制。對(duì)茶多酚熱解特性的認(rèn)識(shí)為其有效利用和開(kāi)拓防火領(lǐng)域應(yīng)用提供理論

4、基礎(chǔ)。
　　通過(guò)空氣加熱實(shí)驗(yàn)分析茶多酚氧化特性及發(fā)泡膨脹過(guò)程和機(jī)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(yùn)用TGA/DSC-FTIR以及MS聯(lián)用技術(shù)分析樣品氧化過(guò)程中的質(zhì)量變化、熱效應(yīng)以及氣固相產(chǎn)物。對(duì)樣品在空氣氛圍中線(xiàn)性升溫過(guò)程中的質(zhì)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(shí)樣品質(zhì)量下降近70％，產(chǎn)生大量H2O和CO2等阻燃?xì)怏w，最后獲得的膨脹焦化物能夠在高溫下穩(wěn)定存在。對(duì)固體殘

5、留物的形貌和結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)其具體發(fā)泡過(guò)程為:隨溫度升高，茶多酚先轉(zhuǎn)變?yōu)榘肓黧w狀;伴隨著芳環(huán)側(cè)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(jié)構(gòu)而提升了熔點(diǎn)，使得體積固定，形成了表面致密、堅(jiān)固而內(nèi)部多孔疏松的黑色焦化物。茶多酚豐富的側(cè)鏈取代基能夠產(chǎn)生大量發(fā)泡氣體，同時(shí)含有的苯環(huán)因其良好的穩(wěn)定性可為碳源提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)組成的特點(diǎn)使得茶多酚作為阻燃劑有著巨大潛力。
　　對(duì)茶葉及其各級(jí)多酚類(lèi)衍生物熱解、氧化特性和

6、反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行對(duì)比分析。運(yùn)用TGA/DSC-FTIR-MS聯(lián)用技術(shù)，考察并比較茶葉以及茶多酚和茶兒茶素兩種級(jí)別多酚類(lèi)提取物在惰性和空氣氛圍中線(xiàn)性升溫時(shí)失重及氣相產(chǎn)物釋放規(guī)律，同時(shí)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(jié)果表明，材料產(chǎn)氣特性與其結(jié)構(gòu)斷裂次序有關(guān)，250℃之前主要是醇類(lèi)COH、醚類(lèi)C-O-C及-CH2-結(jié)構(gòu)的斷裂重組;250～400℃間，C=O結(jié)構(gòu)及羧酸類(lèi)C-OH裂解，產(chǎn)生CO2和H2O氣體;超過(guò)400℃，

7、主要是酚類(lèi)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(lèi)材料在低中溫階段存在氧吸附現(xiàn)象，相應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(cè)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(qiáng);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(duì)較多。源于茶多酚苯環(huán)相對(duì)更豐富的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得它能形成更穩(wěn)定和致密的膨