高溫過濾材料定性鑒別方法分析

徐燕，金玉霞，丁敏俊

（1.上海市紡織工業技術監督所，上海200082；2.上海紡織集團檢測標準有限公司，上海200082）

0 引言

高溫過濾材料一般指耐溫性能在200℃以上的材料，因具有優異的熱穩定性、耐酸堿性以及高強度、高模量、耐磨性好等優點被廣泛應用于化工、鋼鐵、冶金、電力以及垃圾焚燒等領域，在控制高溫煙（粉）塵排放物方面具有很好的效果[1]。隨著我國對于環境保護和大氣污染治理力度的加大，對高溫過濾材料的研究和開發顯得日益迫切，然而國內檢驗檢測機構尚未制定一套系統的方法用于鑒別高溫過濾材料。

目前，市場上應用較多的高溫過濾材料主要有聚酯纖維、聚酰亞胺纖維、芳綸1313、聚噁二唑纖維、聚苯硫醚纖維、玻璃纖維、聚四氟乙烯纖維[2-4]等，但在實際應用和生產過程中，為了最大程度地發揮各種纖維的優勢，通常將多種高溫過濾材料混合使用。然而，由于大部分高溫過濾材料在紡織纖維鑒別方法中較為少見，且缺少相關的技術文件的指導，導致檢測人員在濾料纖維的鑒別上遇到了挑戰。本文參照FZ/T 01057《紡織纖維鑒別試驗方法》的第2～4部分、第6部分和第8部分，借助燃燒法、顯微鏡法、溶解法、熔點法以及紅外光譜法對上述常見高溫過濾材料的定性鑒別方法進行探究，希望研究結果可為檢測人員對高溫過濾材料的鑒定提供幫助。

1 試驗部分

1.1 試劑

硫酸、硝酸、環己酮、氫氟酸、N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷/三氯乙酸（三氯甲烷與三氯乙酸的質量比為1∶1）。

1.2 試驗儀器

Leica DM7508生物顯微鏡、顯微熱分析儀、IS10傅里葉變換紅外光譜儀。

1.3 試樣

聚酯纖維、聚酰亞胺纖維（圓形聚酰亞胺和三葉形聚酰亞胺）、芳綸1313、聚噁二唑纖維、聚苯硫醚纖維、玻璃纖維、聚四氟乙烯纖維。

1.4 試驗方法

1.4.1 燃燒法試驗

參照FZ/T 01057.2—2007《紡織纖維鑒別試驗方法 第2部分：燃燒法》執行。試驗時，從樣品上取少許試樣，用鑷子夾住試樣慢慢靠近火焰，同時觀察纖維的燃燒狀態、燃燒時的氣味以及殘留物特征等情況，并做好記錄。

1.4.2 顯微鏡法試驗

參照FZ/T 01057.3—2007《紡織纖維鑒別試驗方法 第3部分：顯微鏡法》執行。試驗時，用鑷子取適量試樣纖維平鋪于載玻片上，加上一滴液體石蠟后蓋上蓋玻片，置于顯微鏡載物臺上，在400倍放大倍數下觀察纖維的形貌特征。其中，玻璃纖維的橫截面參考引用標準AATCC 20—2018《纖維定性分析》。

1.4.3 溶解法試驗

參照FZ/T 01057.4—2007《紡織纖維鑒別試驗方法 第4部分：溶解法》執行。試驗時，將上述1.3試樣中的纖維分別放置于1.1試劑所配制的溶液中，樣品與試劑的質量比為1∶100，在不同的溫度下觀察不同纖維在各種試劑中的溶解性能。

1.4.4 熔點試驗

用鑷子取適量試樣纖維平鋪于載玻片上，蓋上蓋玻片，放于熔點儀顯微鏡的電熱板上，并調焦使纖維成像清晰。使電熱板以（3~4）K/min的速率升溫，從顯微鏡中觀察此過程中纖維形態的變化。記錄下纖維熔化時的溫度，即為此纖維的熔點。

1.4.5 紅外光譜試驗

參照FZ/T 01057.8—2007《紡織纖維鑒別試驗方法 第8部分：紅外光譜法》執行。采用ATR法對纖維進行紅外光譜掃描，每個試樣分別掃描32次，波數4 000～400 cm-1。

2 結果及討論

2.1 燃燒法

各纖維燃燒時的狀態及表現特征詳見表1。由表1可知，根據纖維燃燒的狀態（靠近火焰、接觸火焰和離開火焰時的狀態）、燃燒時產生的氣味和燃燒后的殘留物特征可辨別纖維類別。但在實際的檢測過程中，很多濾料產品并不是單一成分，因而僅通過觀察纖維的燃燒現象很難確定濾料產品的成分。

表1 各種纖維的燃燒狀態及表現特征

2.2 顯微鏡法

圖2 芳綸1313的掃描電鏡圖

圖3 聚酰亞胺（圓形）掃描電鏡圖

圖1 ～圖8展示了不同類別纖維在顯微鏡下的縱面和橫截面形態。由圖1～圖8可以看出：聚酯纖維縱面光滑，部分纖維表面有小黑點，橫截面呈圓形；芳綸1313縱面有疤痕，不太光滑，橫截面呈圓形；圓形聚酰亞胺纖維外觀多呈金黃色，縱面光滑，橫截面呈圓形；三葉形聚酰亞胺纖維縱面有很明顯的溝槽，橫截面呈三葉形；聚噁二唑纖維縱面表面粗糙，縱面縱向有明顯條紋，橫向有竹狀橫節，橫截面呈不規則圓形，有中腔；玻璃纖維縱面光滑透明，橫截面呈圓形；聚苯硫醚纖維縱面光滑，橫截面呈圓形；聚四氟乙烯纖維縱面呈扁平帶狀，有明顯縱向條紋及橫向條紋，纖維間直徑差異較大，橫截面呈不規則長方形。在上述纖維中，聚四氟乙烯纖維、三葉形聚酰亞胺纖維以及聚噁二唑纖維的形態較為獨特，易通過顯微鏡觀察鑒別出來，而其他纖維的橫截面大多為圓形，縱面形態差異不大，難以通過顯微鏡法進行鑒別。

圖1 聚酯纖維的掃描電鏡圖

圖4 聚酰亞胺（三葉形）的掃描電鏡圖

圖5 聚噁二唑纖維的掃描電鏡圖

圖6 玻璃纖維的掃描電鏡圖

圖8 聚四氟乙烯纖維的掃描電鏡圖

圖7 聚苯硫醚纖維的掃描電鏡圖

2.3 溶解法

表2 總結了纖維在各試劑中的溶解性能。由表2可知：聚酯纖維在常溫98%硫酸和三氯甲烷/三氯乙酸中可溶解；芳綸1313在常溫98%硫酸和煮沸的環己酮中可溶解；聚酰亞胺（圓形）在常溫98%硫酸下部分溶解，加熱可全部溶解；聚酰亞胺（三葉形）在常溫98%硫酸、煮沸的65%～68%硝酸和N,N-二甲基甲酰胺中可溶解；聚噁二唑纖維在常溫98%硫酸、煮沸的75%硫酸中可溶解；聚苯硫醚纖維在煮沸的98%硫酸或煮沸的65%～68%硝酸中可溶解；玻璃纖維在常溫氫氟酸中可溶解；聚四氟乙烯纖維在目前已知的試劑中均不溶解。可見，僅用溶解法也是難以鑒別出上述8種纖維的。

表2 8種纖維在不同試劑中的的溶解性能

2.4 熔點法

高溫過濾材料耐溫性能一般都超過200℃。其中，聚酯纖維的熔點為（255～260）℃，聚苯硫醚纖維熔點為（285～300）℃，聚四氟乙烯纖維的熔點為（329～333）℃，玻璃纖維沒有明顯的熔點，而其他4種纖維的熱穩定性極佳，難以通過常規的熔點法進行區分。因此，僅通過熔點法鑒別上述纖維較為困難。

2.5 紅外光譜法

圖9 ～圖16分別給出了8種纖維的紅外特征光譜圖。由圖9可以看出，聚酯纖維的特征吸收峰主要在波長1 713 cm-1與723 cm-1左右處，分別由分子鏈中的C==O鍵伸縮振動和苯環的面外彎曲振動引起。由圖10可以看出，芳綸1313的特征吸收峰主要在波長1 640 cm-1與780 cm-1左右處，分別由分子鏈中酰胺鍵（—NHCO—）伸縮振動和間位取代苯環的彎曲振動引起。由圖11和圖12可以看出：圓形和三葉形聚酰亞胺的特征吸收峰相似，在波長1 780 cm-1和1 710 cm-1左右有兩個吸收峰，這是由亞胺環上C==O鍵的對稱和不對稱伸縮振動引起；在波長1 380 cm-1左右的吸收峰是由于亞胺環上的C—N鍵伸縮振動引起；在波長720 cm-1處的吸收峰是由于亞胺環上的C==O鍵彎曲振動引起。由圖13可以看出，聚噁二唑纖維的特征吸收峰主要在波長1 480 cm-1、850 cm-1和715 cm-1左右處，其中1 480 cm-1處的特征峰是由于芳環中的C=N鍵伸縮振動引起的，850 cm-1和715 cm-1處的特征吸收峰是由于苯環中的==C—H面外彎曲振動引起的。由圖14可以看出，聚苯硫醚纖維的特征吸收峰主要在波長1 572 cm-1、1470cm-1、1179cm-1和805cm-1左右處，其中1572cm-1、1 470 cm-1處的特征吸收峰是由于苯環的骨架振動引起，1 179 cm-1處的特征吸收峰是C—S鍵伸縮振動引起，805 cm-1處的特征吸收峰是對位取代苯環的特征峰。由圖15可以看出，聚四氟乙烯纖維只有在波長1 200 cm-1和1 145 cm-1左右處有兩個吸收峰，這是C—F鍵的對稱伸縮和不對稱伸縮振動引起的。由圖16可以看出，玻璃纖維最強的吸收峰在波長930 cm-1左右處，這是由于Si—O—Si鍵的伸縮振動引起的。

圖9 聚酯纖維的紅外光譜圖

圖10 芳綸1313的紅外光譜圖

圖11 聚酰亞胺（三葉形）的紅外光譜圖

圖12 聚酰亞胺（圓形）的紅外光譜圖

圖13 聚噁二唑纖維的紅外光譜圖

圖14 聚苯硫醚纖維的紅外光譜圖

圖15 聚四氟乙烯纖維的紅外光譜圖

圖16 玻璃纖維的紅外光譜圖

3 結論

（1）根據8種纖維的燃燒表征現象、顯微鏡下的縱面和橫截面形態、纖維的溶解性能、熔點以及紅外特征吸收峰，可以系統地鑒別出常見高溫過濾材料的成分。

（2）聚酯纖維在顯微鏡下縱面光滑，部分有黑點，橫截面呈圓形，在三氯甲烷/三氯乙酸中可溶解。此外，還可借助在波長1 713 cm-1與723 cm-1處的紅外特征吸收峰和（255～260）℃熔點來進行鑒別。

（3）芳綸1313在顯微鏡下縱面有疤痕，橫截面呈圓形，在煮沸的98%硫酸或環己酮中可溶解。必要時，可借助紅外光譜法在1 640 cm-1與780 cm-1處的特征吸收峰來進行鑒別。

（4）三葉形聚酰亞胺纖維在顯微鏡下縱面有明顯溝槽，橫截面呈三葉形，在煮沸的N,N-二甲基甲酰胺中可溶解；圓形聚酰亞胺纖維顯微鏡下縱面光滑，橫截面呈圓形，在98%硫酸下可溶解。此外，也可根據在1 780 cm-1、1710 cm-1以 及1 380 cm-1處的紅外特征吸收峰來進行鑒別。

（5）聚噁二唑纖維在顯微鏡下縱面有縱向條紋，橫向有竹狀橫節，橫截面呈不規則圓形，有中腔，在煮沸的75%硫酸中可溶解。紅外光譜法在850 cm-1和715 cm-1處的特征吸收峰也能將之鑒別。

（6）聚苯硫醚纖維顯微鏡下縱面表面光滑，橫截面呈圓形，在煮沸的98%硫酸或65%~68%硝酸中可溶解。同時，也可借助（285～300）℃熔點和紅 外 光譜法在1 572 cm-1、1 470 cm-1、1 179 cm-1和805 cm-1處的特征吸收峰來進行鑒別。

（7）玻璃纖維在顯微鏡下縱面光滑透明，橫截面呈圓形，在氫氟酸中可溶解。借助紅外光譜法在930 cm-1處的特征吸收峰也可將其鑒別出來。

（8）聚四氟乙烯纖維在顯微鏡下縱面呈扁平帶狀，有明顯縱向條紋及橫向條紋，橫截面呈不規則長方形，且在目前已知試劑中均不能溶解。必要時，可借助（329～333）℃熔點和在波長1 200 cm-1和1 145 cm-1處的紅外特征吸收峰進行鑒別。