综述：纤维素材料热分解的机制与产物演化研究

这篇综述系统解析了纤维素（cellulose）及其衍生材料（如棉、纸）在热分解过程中的反应机制与产物分布，重点探讨了热解（pyrolysis）和热氧化（thermo-oxidation）路径下挥发物（volatiles）、焦油（tar）和炭渣（char）的生成竞争关系，并深入分析了加热速率、水分含量、金属离子及阻燃剂（flame retardants）等关键影响因素。

　　

引言

纤维素作为自然界最丰富的多糖之一，是棉、纸及木材的主要结构成分，广泛应用于纺织、建筑、电力设备绝缘（如变压器用牛皮纸）及文化遗产保护领域。其热稳定性直接关系到材料性能退化、火灾风险及文物保存，因此深入理解热分解机制至关重要。

纤维素热分解阶段

纤维素热分解呈现多阶段特性：初始阶段（约200-280°C）以脱水反应为主，生成水和小分子气体；随着温度升高（280-350°C），糖苷键断裂引发解聚（depolymerization），产生左旋葡聚糖（levoglucosan）等挥发性产物；高温区（>350°C）则通过芳构化反应形成多环芳烃（PAHs）和炭渣。值得注意的是，分解温度T_d和极限氧指数（LOI）是评估材料耐火性的关键参数，棉纤维的LOI约为18%，远低于阻燃改性后的数值。

影响炭化/挥发竞争的关键因素

1. 1.

   加热速率：快速加热（如>100°C/min）促进挥发物生成，而慢速加热利于炭化。

2. 2.

   金属离子：碱金属（如Na⁺、K⁺）催化脱水反应，使炭产率提升30%-50%。

3. 3.

   水分：吸湿纤维素在低温区（<200°C）优先发生水解，改变后续分解路径。

4. 4.

   形态学效应：微晶纤维素（MCC）比天然纤维更易生成左旋葡聚糖，因其高结晶度抑制了交联反应。

5. 5.

   阻燃剂处理：磷系阻燃剂通过促进磷酸酯形成，在材料表面构建隔热炭层，将LOI提升至28%以上。

结论

纤维素热分解的产物分布受多因素动态调控，其中阻燃剂改性和金属离子掺杂可显著改变炭/挥发物比例。这一机制为开发防火建材、稳定电力绝缘材料及文物保护涂层提供了理论依据。未来研究需结合原位表征技术（如热重-红外联用TG-FTIR）进一步揭示中间体演化规律。