碳纖維的定性/定量鑒別技術研究

蔡濤

摘要：

本文通過紅外光譜和拉曼光譜研究了碳纖維的特殊波譜形態；應用定量技術對碳纖維和常規纖維混合物進行了定量方法研究，以區分碳纖維和其他纖維。

關鍵詞：碳纖維；拉曼光譜；定量分析

1 引言

碳纖維是一種主要由碳元素組成的特殊纖維，其顯著特點是強度高，模量高，密度小。碳纖維具有諸多優異的綜合性能，其應用領域廣泛，例如航空航天、文體用品、紡織、醫療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等方面[1-3]。碳纖維的表征技術已相當成熟，但目前對碳纖維的鑒別技術研究尚沒有相關報道，由此產生的經濟糾紛時有發生，研究和開發碳纖維的鑒別技術顯得日益迫切。

本文在研究碳纖維結構和性質的基礎上，對碳纖維定性和定量分析方法進行了研究。研究過程中采用拉曼光譜和紅外吸收光譜法對碳纖維進行定性鑒別，結合相關文獻和材料中對碳纖維進行準確定性；采用化學溶解方法對碳纖維和其他纖維混合物進行定量鑒別。

2 試驗部分

試驗試劑：硫酸、鹽酸、次氯酸鈉、氫氧化鈉、硝酸、甲酸、氫氟酸、冰乙酸、氫氧化銅、硫氰酸鉀、氫氧化銨、N，N-二甲基甲酰胺、二甲苯、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、乙酸乙酯。以上試劑均為分析純。

試樣：PAN基碳纖維長絲（中復神鷹生產，規格：12K）。

2.1 紅外光譜測試

試驗儀器：美國Thereto Nicolet公司生產的Nexus6700型傅立葉變換型紅外光譜儀。

試驗方法：將試樣整理成束，用哈氏切片器將纖維切成長度小于20微米的粉末，取約10mg的試樣粉末與200mg的光譜級溴化鉀混合，并以標準程序壓成透明的薄片在紅外光譜儀上測定它們的紅外光譜圖，測試光譜范圍為4000cm-1～650cm-1，光譜分辨率優于4cm-1。

2.2 拉曼光譜測試

試驗儀器：美國Thereto Nicolet Nexus670 + Raman-

Module。

試驗方法：將碳纖維表面清洗干凈，再從碳纖維絲束中任意抽取一根單絲，固定在樣品臺上，用氬激光器光源照射樣品，在縱向以10μm間隔測定20點的拉曼光譜線，并分別記錄I1480（D線）和I1580（G線）；計算相應的強度比R（I1480/I1580）以及變異系數（CV值）。

3 結果與討論

3.1 碳纖維光譜特征

紅外光譜將吸收的一部分光能轉換成振動能和轉動能，因此出現吸收峰。碳纖維結構中的分子為紅外非活性分子，如圖1所示，紅外光譜試驗顯示碳纖維基本不吸收紅外，無吸收峰，該特征可以作為碳纖維區別其他纖維的主要特征之一。一般而言，對于紅外活性弱的同核雙原子對，其Raman活性相對比較強，因此可以很容易在Raman光譜上檢測到峰值。

拉曼光譜是分子散射光譜，對拉曼光譜的分析基于光源激光束照射到試樣時發生散射現象。物質的分子不同，振動和轉動也不同，產生的散射光譜也不同。

利用傅立葉變換紅外-拉曼光譜儀獲得碳纖維表面不同部位的拉曼光譜圖（見圖2），6個不同部位的拉曼光譜圖具體參數見表1。

從圖表中可以看出碳纖維拉曼光譜的兩個主要峰D峰和G峰分別位于1350cm-1和1587cm-1處[4-6]，其位置基本上沒有變化。但顯示的R值略有不同，其變化主要在1.09到1.12范圍內，這表示石墨化程度和晶體中缺陷含量在碳纖維表面的分布情況，R位越高表示其石墨化程度越高，其微晶中缺陷的含量越大，從表中看出R值變化相對較小。碳纖維表面沿軸向的微晶分布情況相對較均勻。在結合其他定性鑒別方法的基礎上，可以通過D峰和G峰位置來判定是否為碳纖維。

3.2 碳纖維在不同溶劑中的質量修正系數

按照相關標準規定的試驗條件，確定碳纖維在不同溶劑中的質量修正系數，結果見表2。

3.3 碳纖維與其他纖維的混合定量分析

參照GB/T 2910—2009《紡織品 定量化學分析》所規定的試驗條件，計算碳纖維與其他纖維的混合物的定量試驗，結果如表3所示。

由表3看出，碳纖維與其他纖維定量試驗的最大誤差為0.13%，未超過纖維定量要求的1%，由此可以判斷碳纖維與其他纖維定量鑒別的方法有效可行。

4 結論

（1）通過對碳纖維的紅外光譜和拉曼光譜的研究，發現碳纖維的紅外光譜沒有吸收峰，該項特征可以作為定性鑒別碳纖維的方式之一；利用傅立葉變換紅外-拉曼光譜儀獲得碳纖維表面不同部位的拉曼光譜圖，可知碳纖維拉曼光譜的兩個主要峰D峰和G峰分別位于1350cm-1和1587cm-1處，其位置基本上沒有變化。因此在結合其他定性鑒別方法的基礎上，可以通過D峰和G峰位置來判定是否為碳纖維。

（2）通過化學溶解法定量鑒別碳纖維，得出碳纖維的質量修正系數，再根據得到的質量修正系數對碳纖維和其他纖維混合物進行定量鑒別。試驗結果顯示，定量試驗的最大誤差均未超過1%，可以判斷化學溶解法定量鑒別碳纖維的試驗有效可行。

參考文獻：

[1] 王茂章， 賀福. 碳纖維的制造、性質及其應用[M]. 北京：科學出版社， 1984：2-3.

[2] 柯澤豪， 林菁菁. 碳纖維研究發展之現狀與未來[J]. 高科技纖維與應用， 2000，25（6）：2-3.

[3] 楊國華. 碳素材料[M]. 北京：中國物資出版社， 1999：24-26.

[4] 任桂知. 拉曼光譜研究碳纖維的微觀結構及CNT/環氧樹脂體系中缺陷周圍的應力分布[D]. 上海：東華大學， 2014.

[5] 賀福. 用拉曼光譜研究碳纖維的結構[J]. 高科技纖維與應用， 2005（6）：20-25.

[6] 石彥平. 拉曼光譜研究碳纖維的微觀結構和性能[D]. 上海：東華大學， 2011.

（作者單位：福建省纖維檢驗局）