聚酰亞胺纖維的定性鑒別方法研究

趙向旭++劉貴

摘要：

本文通過FZ/T 01057—2007中紡織纖維鑒別試驗常用方法分別研究了聚酰亞胺纖維的燃燒特征、外觀形態、溶解性能，根據纖維的各項特征確定了聚酰亞胺纖維定性鑒別的方法。

關鍵詞：聚酰亞胺；定性分析；燃燒特征；外觀形態；溶解性能

1 引言

聚酰亞胺（PI）纖維集優異的機械性能、耐高低溫性能、介電性能、耐磨性能、耐紫外性能、化學和尺寸穩定性能于一體[1]，是高性能纖維家族中的重要成員之一。PI纖維憑借其優異的綜合性能，已成為國防軍工、航空航天、環境產業和原子能工業等重要領域急需的纖維新材料。PI纖維的研究工作起始于20世紀60年代[2-5]。但是由于PI纖維合成技術難度高、紡絲工藝復雜、原料種類少、對設備要求高等原因，到目前為止，國內外關于PI纖維尤其是高強高模PI纖維的研究報道還比較少。東華大學張清華等[6]研究了不同體系聚酰亞胺纖維的性能。張春玲等[7]和黃森彪等[8]系統地研究了聚酰亞胺纖維的紡制方法、結構與性能的相關性。但由于成本和技術等原因，商品化的聚酰亞胺纖維只有奧地利Lenzing AG公司的P84?纖維、長春高琦聚酰亞胺材料有限公司的軼綸?纖維和江蘇奧神新材料股份有限公司的ASPI纖維。

目前，國內檢驗機構尚沒有一套系統的方法用于定性聚酰亞胺纖維。學術界對聚酰亞胺的研究多集中于纖維的制備和纖維的應用。隨著我國經濟的快速發展，聚酰亞胺纖維的應用也日益廣泛和深入，研究和開發聚酰亞胺纖維與其他纖維的鑒別技術顯得日益迫切。本文將通過FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗方法》中紡織纖維鑒別試驗常用方法，研究纖維的燃燒特征、外觀形態、溶解性能，根據纖維的各項特征確定了聚酰亞胺纖維定性鑒別的方法。

2 試驗

2.1 試驗試劑

硫酸、鹽酸、硝酸、次氯酸鈉、氫氧化鈉、甲酸、冰乙酸、硫氰酸鉀、氫氟酸、氫氧化銅、氫氧化銨、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、四氫呋喃、苯酚、四氯化碳、砒碇、1，4-丁內酯、二甲亞砜、環己酮、二氯甲烷、二氧六環、雙氧水、二甲苯等。以上試劑均為分析純。

2.2 試驗儀器

TGA4000熱重分析儀， 美國PE公司；nocilet380紅外光譜，美國菲尼根質譜公司；CU-Ⅱ纖維細度分析儀等。

2.3 試樣

奧地利Lenzing AG公司提供的P84纖維；江蘇奧神提供的ASPI纖維；長春高琦提供的軼綸纖維。

2.4 試驗結果及討論

2.4.1 燃燒試驗

用鑷子夾住少許試樣纖維，觀察纖維靠近火焰、接觸火焰和離開火焰時的狀態及燃燒時產生的氣味和燃燒后的殘留物特征，并做記錄。以上三種聚酰亞胺纖維燃燒過程的觀察結果如表1所示。

2.4.2 顯微鏡觀察試驗

將待測的均勻平排列在載玻片上，加上一滴甘油蓋上蓋玻片，放在生物顯微鏡載物臺上，在放大倍數200倍～500倍條件下觀察纖維的縱向特征。將一小束纖維梳理整齊，夾入哈氏切片器的凹槽中間，按照FZ/T 01057.3—2007中纖維橫截面切片的制備方法制得橫截面切片，在放大倍數200倍～500倍條件下觀察。

（a）P84 （b） ASPI （c） 軼綸

圖1 聚酰亞胺纖維縱向顯微鏡照片

（a）P84 （b） ASPI （c） 軼綸

圖2 聚酰亞胺纖維橫截面顯微鏡照片

三種聚酰亞胺纖維縱向顯微照片見圖1。縱向觀察結果：P84纖維表面平滑有溝槽，ASPI纖維和軼綸纖維表面光滑。三種聚酰亞胺纖維橫截面顯微照片見圖2，P84纖維橫截面為三葉形，ASPI和軼綸為圓形或近似圓形。

2.4.3 溶解試驗

將少量的聚酰亞胺纖維置于燒杯或三角燒瓶中注入適量的試劑，樣品和試劑的比例1：100。常溫（20℃～30℃）條件時搖動5min觀察纖維的溶解情況；沸煮條件時保持沸騰3min，觀察纖維的溶解情況。三種聚酰亞胺纖維溶解性能見表2。

2.4.4 熱失重試驗

圖3為三種聚酰亞胺纖維的熱失重曲線圖。從圖3可以看出，P84、軼綸和ASPI三種纖維均顯示出相似的熱失重行為，表現出了很好的熱穩定性，所有的纖維在溫度達到500℃之前質量損失很小。P84、軼綸和ASPI三種纖維的外推始點溫度分別為527℃、577℃和584℃，最大分解速率溫度分別為604℃、609℃和614。在840℃時，P84、軼綸和ASPI纖維質量分別下降至60%、55%和56%。

圖3 三種聚酰亞胺纖維的熱失重曲線圖

2.4.5 紅外光譜分析

P84、軼綸和ASPI三種聚酰亞胺纖維的分子結構基本項目，表現出極為類似的紅外光譜特性。圖4為軼綸纖維的紅外光譜圖，其中1778cm-1、1716 cm-1處為酰亞胺環上C=O的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動，1381cm-1處為酰亞胺環上C—N 伸縮振動，724cm-1處為酰亞胺環上C=O彎曲振動。

圖4 軼綸纖維的紅外光譜圖

根據其紅外譜圖和譜帶的分布，可以有效地鑒別聚酰亞胺纖維，但該法只能用于鑒別純纖維的定性，且操作復雜、儀器昂貴，一般只用于有疑問纖維的進一步確認。

3 結論

本文對收集到的三種聚酰亞胺纖維進行了燃燒試驗、外觀形態觀察、溶解性能試驗、熱失重試驗和紅外光譜分析，可以發現聚酰亞胺纖維的特殊性能，從而得出其可行的定性鑒別方法。首先通過聚酰亞胺纖維在靠近火焰、接觸火焰、離開火焰以及殘留物的特征，初步對纖維進行鑒別和區分；聚酰亞胺纖維的外觀形態具有一定的特殊性，但是在顯微鏡觀察條件下尚不能完全確定纖維；而根據聚酰亞胺纖維在95%～98%硫酸條件下的溶解現象以及其在65%～68%硝酸煮沸條件下的溶解現象，可初步確定該纖維的種類。隨著纖維種類的不斷增加，具有相似溶解性能的纖維可能也會不斷涌現。外光譜試驗中，得到了聚酰亞胺纖維1778cm-1、1716 cm-1、1381cm-1及724cm-1四處的特征峰，對該纖維的類別進行進一步的確認。熱重分析法則進一步分析了聚酰亞胺纖維的熱穩定性能。因此，以上5種方法從各種可能的鑒別方法入手，比較全面地研究了聚酰亞胺纖維的定性分析方法，完全可以順利實現聚酰亞胺纖維的鑒別。endprint

參考文獻：

[1] 丁孟賢. 聚酰亞胺——化學、結構與性能的關系及材料[M]. 北京： 科學出版社， 2006.

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[3] Makino H， Kusuki Y， Harada T， et al. Process for producing aromatic polyimide hollow filaments[P].US Pat， 4460526. 1984-7-17.

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[7] 張春玲，邱學鵬，薛彥虎，等.牽伸倍率對聯苯型聚酰亞胺纖維形貌、取向及性能的影響[J]. 高等學校化學學報，2011，32（ 1） ： 7-9.

[8] 黃森彪，馬曉野，郭海泉，等.BPDA/PPD/OTOL 聚酰亞胺纖維的力學性能、形貌和結構[J]. 應用化學， 2012， 29（8）： 863-867.

（作者單位：趙向旭， 東華大學、福建省紡織產品檢測技術重點實驗室；劉貴，福建省紡織產品檢測技術重點實驗室、福建省纖維檢驗局）endprint