幾種常見合成纖維的紅外光譜分析

賴淦珠，馬 芳，陳建紅

（南京海關(guān)紡織工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 研究背景

目前，在對(duì)紡織纖維作定性分析時(shí)，根據(jù)FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法》[1]的規(guī)定，可采用顯微鏡法、燃燒法、化學(xué)溶解法及紅外光譜分析法。前3種常規(guī)定性方法都存在局限性。其中，顯微鏡法不適合判別形態(tài)特征不明顯的合成纖維；燃燒法不適用于細(xì)分合成纖維、復(fù)合纖維、化學(xué)改性纖維及阻燃纖維；化學(xué)溶解法則因經(jīng)常使用有毒試劑會(huì)對(duì)環(huán)境及人員健康造成損害。紅外光譜分析法作為一種新的定性檢測(cè)手段，比較適合判別合成纖維、復(fù)合纖維和化學(xué)改性纖維，正好彌補(bǔ)了前3種常規(guī)定性方法的不足。為了積累采用紅外光譜定性分析法的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)、提高檢測(cè)技術(shù)水平，本研究將對(duì)聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維幾種常見的合成纖維進(jìn)行紅外光譜定性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)

2.1 原理與方案

利用纖維分子結(jié)構(gòu)式中化學(xué)鍵和基團(tuán)在紅外光中特征吸收峰存在的差異，采用紅外光譜儀對(duì)聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維這幾種常見的合成纖維進(jìn)行掃描得到相應(yīng)的紅外光譜圖，然后根據(jù)譜圖上的主要吸收譜帶以及特征頻率來(lái)鑒別纖維的種類。紅外光譜圖上的吸收峰按來(lái)源可分為官能團(tuán)區(qū)和指紋區(qū)，在對(duì)圖譜進(jìn)行分析時(shí)，主要是通過(guò)官能團(tuán)區(qū)的特征峰來(lái)鑒別纖維種類。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)

按FZ/T 01057.8—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第8部分：紅外光譜法》[2]試驗(yàn)。

2.3 試樣

純聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維和聚丙烯纖維樣品各制備一份，大小約為5 cm×5 cm，聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維使用標(biāo)準(zhǔn)貼襯，聚乙烯纖維和聚丙烯纖維由江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局紡織工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中心提供。相同規(guī)格的樣品由于來(lái)源不同，得到的紅外光譜圖之間會(huì)存在一些差異，主要體現(xiàn)在指紋區(qū)的峰強(qiáng)弱不同，但官能團(tuán)區(qū)的特征吸收峰基本一致[3]。

2.4 儀器

Spectrum 100傅里葉紅外分光光度計(jì)（波數(shù)范圍：4 000～400 cm-1，美國(guó)PE公司）。

2.5 試驗(yàn)條件

溫度：20 ℃，相對(duì)濕度：60%（紅外光譜對(duì)檢測(cè)環(huán)境、樣品和檢測(cè)人員的制片技術(shù)要求很高，建議紅外光譜測(cè)試室溫度控制在15～25 ℃，相對(duì)濕度以不大于60%為宜，應(yīng)有特別的調(diào)溫去濕設(shè)備，以保證滿足檢測(cè)對(duì)環(huán)境溫濕度的特別要求）；一般采用ATR法測(cè)試可省去制片環(huán)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)樣品的無(wú)損檢測(cè)，本試驗(yàn)采用ATR法。

2.6 操作

將樣品放置在儀器樣品架上，啟動(dòng)掃描程序，記錄4 000～400 cm-1波數(shù)范圍的紅外光譜圖，根據(jù)譜圖上的主要吸收譜帶及特征頻率來(lái)判斷纖維的種類。

3 結(jié)果與討論

3.1 聚酯纖維

在1 720 cm-1附近有C=O強(qiáng)吸收峰，在1 020、1 100和1 250 cm-1附近有C—O強(qiáng)吸收峰，在2 950、725 cm-1附近有苯環(huán)—CH的明顯吸收峰，其他地方并無(wú)明顯吸收峰。結(jié)合分子結(jié)構(gòu)式，從C=O、C—O、—CH這些基團(tuán)推斷此纖維為聚酯纖維。聚酯纖維的主要特征基團(tuán)羰基C=O、C—O、—CH在紅外光譜中有明顯吸收峰，鑒別比較容易。但是，要準(zhǔn)確區(qū)分聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚對(duì)苯二甲酸丙二酯（PTT）、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）有一定難度。

3.2 聚酰胺纖維（錦綸）

在1 659 cm-1、1 545 cm-1兩處同時(shí)出現(xiàn)代表酰胺基的強(qiáng)吸收峰，在3 260 cm-1處出現(xiàn)—NH的強(qiáng)吸收峰，在1 718 cm-1處出現(xiàn)了代表芳香酸羧基中C=O的強(qiáng)吸收峰以及位于3 100～2 500 cm-1的成氫鍵的—OH伸縮振動(dòng)，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)式推斷此纖維為聚酰胺纖維。由于聚酰胺纖維是大分子主鏈重復(fù)單元中含有酰胺基團(tuán)的高聚物的總稱，主要品種有錦綸6、錦綸66、錦綸11、錦綸12、錦綸610、錦綸612、錦綸1010等。無(wú)論是哪個(gè)品種的錦綸，都是聚酰胺類聚合物，因而具有相同的官能團(tuán)，且官能團(tuán)的譜圖是一樣的。由于（CH2）n基團(tuán)的長(zhǎng)度不同，指紋區(qū)的譜圖稍有差異，但要準(zhǔn)確區(qū)分有一定的難度。由于聚酰胺纖維是吸濕性纖維，含有大量的親水性基團(tuán)如—OH，—NH2，—CONH—等。這些親水性基團(tuán)吸附水分子后會(huì)影響特征基團(tuán)的紅外吸收，建議在對(duì)其進(jìn)行紅外光譜測(cè)試前進(jìn)行干燥處理。

3.3 聚丙烯腈纖維（腈綸）

在2 250 cm-1附近有—CN氰基的強(qiáng)吸收峰，具有特征基團(tuán)—CN氰基的纖維目前有聚丙烯腈纖維及牛奶纖維兩種，要區(qū)分這兩種纖維，主要看譜圖上是否有代表蛋白質(zhì)纖維的特征基團(tuán)—NH及C=O引起的強(qiáng)吸收峰。在3 300、1 650、1 250 cm-1附近未出現(xiàn)代表—NH的強(qiáng)吸收峰，在1 650 cm-1附近未出現(xiàn)C=O的強(qiáng)吸收峰，因此推斷此纖維為聚丙烯腈纖維，從紅外光譜圖的吸收峰可以很明顯地區(qū)分腈綸、牛奶纖維。

3.4 聚乙烯纖維（乙綸）

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在2 919 cm-1處出現(xiàn)—CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在2 851 cm-1處出現(xiàn)—CH2—對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在1 467 cm-1處出現(xiàn)—CH2—彎曲振動(dòng)，在725 cm-1處出現(xiàn)—（CH2）n—（n≥4）面內(nèi)搖擺振動(dòng)，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)式，推斷此纖維為聚乙烯纖維。各種類型的聚乙烯紅外光譜非常相似，在結(jié)晶聚乙烯中，720 cm-1處的吸收峰常分裂為雙峰。要用紅外光譜區(qū)分不同類型的聚乙烯，需要用到較厚的薄膜測(cè)繪紅外光譜。這些光譜之間的差別反映了聚乙烯結(jié)構(gòu)與線性—CH2—鏈之間的差別，主要表現(xiàn)在1 000～870 cm-1的不飽和基團(tuán)吸收不同、甲基濃度不同以及在800～700 cm-1的支化吸收帶不同。

3.5 聚丙烯纖維（丙綸）

在2 953 cm-1處有—CH3—不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在2 917 cm-1有—CH2—不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在2 873 cm-1處有—CH3對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在2 845 cm-1處有—CH2—對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在1 459 cm-1有—CH2—彎曲振動(dòng)，在1 377 cm-1有—CH3對(duì)稱變形振動(dòng)，在1 156 cm-1處有—CH3面外搖擺振動(dòng)，在971 cm-1處有—CH3面內(nèi)搖擺振動(dòng)，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)式，推斷此纖維為聚丙烯纖維。聚丙烯可分為無(wú)規(guī)聚丙烯和等規(guī)聚丙烯，在1 250～830 cm-1區(qū)域出現(xiàn)一系列尖銳的中等強(qiáng)度吸收帶（如1 165、998、895、840 cm-1），這些吸收與聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和晶型無(wú)關(guān)，只與其分子鏈的螺旋狀排列有關(guān)。無(wú)規(guī)聚丙烯在1 250～830 cm-1區(qū)域則不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)吸收帶。在利用紅外光譜法定性聚丙烯纖維時(shí)，無(wú)需分出具體種類，只需分出大類即可。

3.6 建議與對(duì)策

在利用紅外光譜法對(duì)纖維進(jìn)行分析時(shí)，不要過(guò)多依賴譜圖庫(kù)，應(yīng)先分析譜圖上的強(qiáng)吸收峰是由哪些化學(xué)基團(tuán)引起的，再結(jié)合分子結(jié)構(gòu)式得出結(jié)論，在人工解譜的過(guò)程中逐漸積累經(jīng)驗(yàn)。紅外光譜法比較適合合成纖維、牛奶及大豆等復(fù)合蛋白質(zhì)纖維的定性。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用紅外光譜技術(shù)對(duì)常見的幾種合成纖維進(jìn)行掃描分析，結(jié)果表明：可通過(guò)譜圖上強(qiáng)吸收峰出現(xiàn)的位置推斷是何種特征基團(tuán)引起的，再結(jié)合纖維分子結(jié)構(gòu)式來(lái)準(zhǔn)確鑒別纖維種類。