热重及其联用技术在烟草热分析中的应用

热重及其联用技术在烟草热分析中的应用

陈梦莹1,2,尚斌1,2 ,吕丽莎1,3,焦雷1,3 ,姚彬彬2,郑轩2, 赵喆1,2,王坤1,2

1 山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，山东 济南 250100

2 山东中烟工业有限责任公司技术中心，山东 济南 250014

3 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东 青岛 266100

摘要：对热重分析技术及其相关的联用技术在烟草热分析中的应用进行了综述和展望。主要介绍了热重分析技术在烟草种类辨别、热解动力学分析中的应用。分析了热重及其主要联用技术的应用和优缺点。

关键词：热重；烟草；热分析

热重分析技术是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术。热重分析仪 (TGA)，作为目前使用最为普遍的热分析仪器，可实时检测烟草在特定燃烧热解环境下质量随温度的变化关系，通过热失重（TG）及微分热失重曲线（DTG），获得烟草燃烧热解过程关键特征参数，包括起始热解温度、最大失重温度、最大失重速率、热解残留量等，从而判断烟草的热稳定性[1]。热重分析技术在烟草及其烟用材料的热分析研究领域已得到广泛地应用。

1 热重分析技术在烟草热分析中的应用

1.1热重分析技术在烟草（烟用材料）判别中的应用

烟草作为一种农作物，由于受种类、品种、产地的影响，化学组成和结构会有所差异，导致其热解特性也会有所区别。王洪波[2]等利用微分热重曲线，通过比较失重阶段、失重量、特征峰温度等信息，可以将烤烟、白肋烟和香料烟区分开，膨胀烟丝与膨胀梗丝区分开。李巧灵[3]等基于热重技术并 结合标准均方根误差NRMSE，建立了可客观描述不同烟草样品之间热解差异度的方法，并通过多因素方差分析研究年份、区域和部位对烟草热解差异度的影响程度，发现部位和省级对烟草热解差异度存在极显著的影响，县级、年份和市级对烟草热解差异度的影响不显著。通过热解差异度的计算，形成基于热解差异度的烟叶配方替代方案，达到了人工替代的水平[4]。马鹏飞[5]等利用热解差异度的方法成功区分了传统烟用薄片和加热非燃烧烟草薄片。张亚平[6]等引入TG 曲线相似度和TG曲线相似度阈值的概念，建立了基于热重分析法判定不同批次卷烟纸质量稳定性的方法，该方法得到的结果与烟气测试结果基本一致。

1.2热重分析技术在燃烧热解动力学分析中的应用

烟草物质在无氧氛围中为热解反应，而在有氧气氛围中可发生燃烧反应。钟仙芳[7]等考察了不同升温速率、氧含量、烟梗粒径下的热重曲线、微分热重曲线，进而计算不同热解条件下的燃烧特性指数和表观活化能。童保云[8]等采用热重分析研究了烤烟烟叶叶片和烟梗样品在氧化气氛中的热分解过程，并运用 Coats-Redfern 法和 Malek 法对样品在经历了吸附水的蒸发过程以后的各热失重阶段进行了动力学分析。

2热重及其联用技术在烟草热分析中的应用

2.1热重（TG）-红外（IR）联用技术在烟草热分析中的应用

TG-IR技术是利用吹扫气（通常为氮气或空气）将热失重过程中产生的挥发分或分解产物，通过恒定在高温下的金属管道及玻璃气体池，引入红外光谱仪的光路中，并通过红外检测、分析判断逸出气组分结构的一种技术。由于该技术弥补了热重法只能给出热分解温度、热失重百分含量，而无法确切给出挥发气体组分定性结果的不足，因而在各种有机、无机材料的热稳定性和热分解机理方面得到了广泛应用。但由于红外谱图测得的是混合组分，且由于红外方法对物质定性和同系物分析有一定的限制，很难鉴定复杂有机物[9]。

王树荣等[10] 利用热重红外联用技术在线分析研究了纤维素在20K/min升温速率下的热裂解行为。周顺等[11] 使用热失重/傅里叶变换红外联用(TG-FTIR)技术研究了柠檬酸的热裂解特性,测定并比较了不同氧气浓度下柠檬酸的热重(TG)和微商热重(DTG)曲线,以及柠檬酸热解气相产物相对含量和生成规律,探讨了柠檬酸可能的热解机制。周顺[12]等采用热重-红外联用模拟考察了3种烟草在卷烟阴燃状态下主要热解气相产物CO2、CO、H2O和羰基化合物的生成规律，及氧气浓度对CO2、CO、H2O和羰基化合物形成的影响。 

TG-IR联用技术，通过分析红外吸收谱图，可以对热解对象热解过程中不同成分热解产物种类进行推断，但由于技术的局限性，不能确定分解产物具体是哪种物质。

2.2热重（TG）-质谱（MS）联用技术在烟草热分析中的应用

TG-MS耦合联用，可以实现研究材料热分解过程中质量变化的同时，监测热分解过程中逸出气体产物，推测材料的微观热反应过程。但由于热解后的气体常为混合物，常出现重叠质谱峰，对解析带来一定的困难[9]。

李晓亮[13]等采用热分析质谱技术研究国产烤烟、白肋烟以及烟草的主成分纤维素、木质素、果胶的热解及热解产物。烟草热解分为三个阶段，大分子物质分解引起的失重为最主要的失重阶段。果胶、木质素、纤维素的分解主要发生在 200℃ 至 450℃ 之间。烟气中羧酸类物质、醚类物质、酯类物质生成温度较低，主要来自于纤维素和果胶的分解， 而苯系物和酚类物质则需要较高的热解温度，主要来自于木质素的分解。

由于烟草物质热解成分的复杂性，TG-MS联用直接用于烟草热分析中的较少，采用TG结合Py-GC/MS（热裂解-气相色谱/质谱联用）的方法来分析热解产物的较多[14-17]。

热重分析技术作为传统的材料热分析技术在烟草的热解特性研究中有着重要的作用，其与其他技术的耦合连用将为烟草热解特性的进一步研究提供良好的研究途径。

参考文献

[1] 周顺, 烟草及烟草制品燃烧&热解检测分析技术研究进展, 中国烟草学报 23(2) (2017) 130-142.

[2] 王洪波, 部分国产烟草样品的热重分析, 烟草科技 9 (2009) 47-49.

[3] 李巧灵, 基于热重的烟草热解差异度分析, 烟草科技 50(8) (2017) 75-79.

[4] 李巧灵, 基于烟草热解差异度分析的烟叶替代方法, 烟草科技 51(8) (2018) 77-84.

[5] 马鹏飞, 加热非燃烧烟草薄片的热解特征研究_马鹏飞  有均方根误差计算公式, 食品与机械 34(4) (2018) 71-74.

[6] 张亚平, 基于热重分析法评价卷烟纸批次间质量稳定性, 中国烟草学报 24(6) (2018) 34-41.

[7] 钟仙芳, 生物质烟梗热解和燃烧特性研究, 生物质化学工程 47(1) (2013) 39-44.

[8] 童保云, 烤烟烟叶叶片及其烟梗的热分解过程和动力学, 烟草科技 12 (2013) 54-58.

[9] 杨锐, 热分析联用技术在高分子材料热性能研究中的应用, 高分子通报 12 (2012) 16-21.

[10] 王树荣, 基于热重红外联用分析的纤维素热裂解机理研究, 浙江大学学报 40(7) (2006) 1154-1158.

[11] 周顺, 柠檬酸的热解特性, 烟草科技 9 (2011) 45-49.

[12] 周顺, 烤烟、白肋烟和香料烟的燃烧行为和热解气相产物比较, 烟草科技 2 (2011) 35-38.

[13] 李晓亮, 烟草及其主要组分的热分析质谱研究, 化学研究与应用 25(5) (2013) 670-674.

[14] 贾伟萍, 9几种烟草薄片的性能及热裂解产物分析, 中国造纸 40(1) (2021) 34-39.

[15] 杨继, 加热不燃烧卷烟烟草材料的热分析研究, 中国烟草学报 21(6) (2015) 7-13.

[16] 朱桂华, 加热卷烟烟草材料分段裂解分析, 食品与机械 36(2) (2020) 62-72.

[17] 潘曦, 加热非燃烧烟草薄片理化特性及热裂解性能研究, 食品与机械 36(11) (2020) 39-45.