烤烟烟叶的热失重研究

    在5℃/min的升温速率和含氧量不同的载气气氛的实验条件下，研究了烤烟烟叶的热失重（TG）、微分热重（DTG）和差热分析（DTA）曲线。实验结果表明：载气中氧气的存在对烤烟烟叶的热分解曲线有强烈的影响。

关键词：微分热重、差热分析、烤烟、热失重

1 前言

    热失重（TG）、微分热重（DTG）和差热分析（DTA）的热分析方法经常被应用到**分析中（Burton，1975；Fenner，1988； Ishizu，1991；Bassilakis，2001；Longanezi，2002）。然而，这些研究所采用的气氛难以和**燃烧区的实际情况相匹配，因此，很有必要研究烟叶在接近**燃烧区氧气水平的实验条件下的热分解行为。

2 实验部分

2.1实验样品

    实验所用的烤烟、来自云南永胜，其等级为C3F。实验前将烟叶样品研磨过80目筛。

2.2实验仪器和方法

    使用热重/差热综合热分析器（Pyris Diamond TG/DTA，美国PE公司）的实验条件见表1。**燃烧区的动态条件主要包括温度、升温速率、氧气水平和气流条件等（Baker，1999），本实验模拟了温度和氧气水平这两个条件。**燃烧区的升温速率太高（高达每秒数百度），实验所用TG/DTA分析器难以达到。因此，本实验采用热失重分析常用的升温速率（5℃/min），如表1所示。

表1实验条件表

3 结果与讨论

3.1 不同气氛中烤烟烟叶的热失重和微分热重曲线

    在含氧量不同的载气气氛中，永胜烤烟烟叶的TG和DTG曲线见图1。如图所示，在N2气氛中，烤烟烟叶的TG曲线上有两段明显的下降，分别对应DTG曲线上峰顶温度为187℃和319℃的两个峰，峰顶温度为187℃的峰是由烟叶中大量的简单糖类（葡萄糖、果糖等）的热分解所造成的，而峰顶温度为319℃的峰是由烟叶中纤维素的热分解所造成的（Fenner，1988a）。DTG曲线上位于476℃的肩峰是由烟叶中氨基酸、蛋白质和酰胺类物质热分解造成的，而峰顶温度为624℃的峰是由烟叶中无机成分的分解造成的（Fenner，1988a）。在氧化性气氛中，DTG曲线上分别在478℃（含5％O2的N2气氛中）和450℃（含20％O2的N2气氛中）出现一个新峰，这是由在较低温度下分解的物质（例如纤维素）分解后残留的焦的氧化所形成的，DTG曲线上其它位置的峰的归属不变。对比惰性气氛和氧化性气氛中烤烟烟叶的热分解情况，可以看出氧化性气氛对烟叶中简单糖类的热分解影响很小，DTG曲线上其分解峰的形状和位置基本保持不变。而氧化性气氛对烟叶中纤维素及较低温度下分解物的残留焦的热分解行为影响较大，可以看到，随着氧气浓度的增加，DTG曲线上纤维素以及残留焦的分解氧化峰向低温方向移动，后者峰形的变化尤其明显。

图1 不同气氛中永胜烤烟烟叶的TG和DTG曲线图，升温速率为5℃/min，气氛：N₂ (·······)，含5% O₂的N₂ (   )，含20% O₂的N₂ (——)

图2不同气氛中永胜烤烟烟叶的DTA曲线图，升温速率为5℃/min，气氛：N₂ (·······)，含5% O₂的N₂ (   )，含20% O₂的N₂ (——)

3.2 不同气氛中烟叶的差热分析曲线

    不同气氛中，烤烟烟叶的DTA曲线见图2。在N2气氛中，DTA曲线上没有峰，表明在惰性气氛中，烤烟烟叶热分解时没有明显的热量变化（可能与DTA对热量的测定比较粗糙有关）。在氧化性气氛中，DTA曲线上分别有两个放热峰，分别与DTG曲线上纤维素和残留焦（和氨基酸、蛋白质等）的氧化分解峰相对应，见图1。从DTA曲线上放热峰的峰面积（尽管不能用于定量分析）可以推断，在氧化性气氛中，烤烟烟叶受热分解时释放的热量主要是由残留焦（和氨基酸、蛋白质等）的氧化分解所产生的。

4 小结

    基于以上研究，可以得出这样的结论：载气中氧气的存在对烟叶的热分解行为有强烈的影响，氧气可以加速烟叶的热分解，也可以氧化在惰性气氛中比较稳定的残留焦。以上情况也说明了**燃烧区的动态条件对实验结果的影响，在选择实验条件时要充分模拟**燃烧区的动态条件。

参考文献

Baker RR, (1999), in: Davis DL, Nielsen MT (Eds.), Tobacco: Production, Chemistry and Technology, Blackwell Science Limited, Oxford, UK, pp. 398-439.

Bassilakis R, Carangelo RM, Wójtowicz MA, (2001), TG-FTIR analysis of biomass pyrolysis. Fuel, 80, 1765-1786.

Burton HR, (1975), Thermal decomposition of tobacco V. Influence of temperature on the formation of carbon monoxide and carbon dioxide. Beitr. Tabakforsch., 8, 78-83.

Fenner RA, (1988),Thermoanalytical characterization of tobacco constituents. Rec. Adv. Tob. Sci., 14, 82-113.

Ishizu Y, kaneki K, Izawa K, (1991), Smoke production of cell wall materials of tobacco leaves. Beitr. Tabakforsch., 15,1-10.

Longanezi T, Campos MPA, Mothé CG, (2002), Thermal investigation of uncased and cased tobacco. Thermochim. Acta, 392-393, 51-54.

 

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