儀器分析法鑒別聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯纖維

丘文彬

廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院,廣東 廣州 510220

聚乙烯(PE)纖維、聚丙烯(PP)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維是常見的合成纖維。聚乙烯、聚丙烯屬于聚烯烴,是由碳元素和氫元素組成的聚合物;聚四氟乙烯是由碳元素和氟元素組成的,其化學(xué)結(jié)構(gòu)與聚乙烯相似,只不過聚乙烯分子結(jié)構(gòu)中的氫元素被氟元素所取代。

燃燒法、顯微鏡法、溶解法等常用于纖維成分的鑒別。但聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的燃燒特征比較相似,故使用燃燒法難以區(qū)分[1-3];它們作為合成纖維形態(tài)特征受工藝影響,因此顯微鏡法不適用;它們均具有良好的耐酸堿能力,需使用熱的有機(jī)溶劑才能將它們區(qū)分,但使用的溶劑毒性較大且耗時較長[4-6]。因此,引入其他分析方法,快速有效地鑒別聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維,具有積極的意義。

本文將利用紅外光譜(FT-IR)分析、熱重分析(TGA)、差示掃描量熱(DSC)分析、X射線衍射(XRD)分析等方法,對聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維進(jìn)行表征,提取每種纖維的特征數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的鑒別。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀,美國Thermo Fisher公司;Q500型熱重分析儀,美國TA公司;Q2000型差示掃描量熱儀,美國TA公司;MiniFlex600型臺式X射線粉末衍射儀,日本理學(xué)公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 紅外光譜分析

采用衰減全反射(attenuated total reflectance,ATR)模式,將纖維樣品直接放置在Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀樣品臺上進(jìn)行掃描分析。光譜范圍為650～4 000 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為32。

1.2.2 熱重分析

每種纖維取約10 mg樣品進(jìn)行測試。測試氣氛為N2,升溫范圍為100～1 000 ℃,升溫速率為10 ℃/min。參照GB/T 37631—2019《化學(xué)纖維 熱分解溫度試驗(yàn)方法》對得到的熱重曲線進(jìn)行分析,獲得纖維熱分解溫度。

1.2.3 差示掃描量熱分析

每種纖維取約10 mg樣品進(jìn)行測試,測試氣氛為N2。其中,聚乙烯纖維和聚丙烯纖維的升降溫程序?yàn)?先升溫至220 ℃,再以10 ℃/min的速率降溫至30 ℃,最后以10 ℃/min的速率升溫至220 ℃;聚四氟乙烯纖維的升降溫程序?yàn)?先升溫至380 ℃,再以10 ℃/min的速率降溫至30 ℃,再以10 ℃/min的速率升溫至380 ℃。

1.2.4 X射線衍射分析

將纖維剪成1～3 mm的短纖樣品,均勻地鋪放在進(jìn)樣凹槽中。測試掃描光源為Cu靶Kα譜線(λ=0.154 nm),掃描范圍為2°～90°,掃描速率為10(°)/min,掃描步長為0.02°。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外光譜分析

紅外光譜分析法是分析材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的一種方法[7],其以一定波長范圍的紅外光照射樣品,當(dāng)樣品分子中某個化學(xué)基團(tuán)的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率與紅外光的頻率一致時,分子就吸收能量并由原來的基態(tài)振(轉(zhuǎn))動能級躍遷到能量較高的振(轉(zhuǎn))動能級,表現(xiàn)為該波長光的能量被吸收。紅外光譜吸收峰的位置與強(qiáng)度能反映分子結(jié)構(gòu)的特征,因此可用來分析樣品的結(jié)構(gòu)組成,對樣品進(jìn)行成分分析和鑒別。

聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的紅外光譜圖及主要吸收峰[8]分別見圖1和表1～表3,可以看出,根據(jù)紅外特征吸收峰可對聚乙烯纖維、聚丙烯纖維及聚四氟乙烯纖維進(jìn)行鑒別。

表1 聚乙烯纖維樣品的紅外光譜主要吸收峰

表2 聚丙烯纖維樣品的紅外光譜主要吸收峰

表3 聚四氟乙烯纖維樣品的紅外光譜主要吸收峰

圖1 3種纖維樣品的紅外光譜圖

2.2 熱重分析

熱重分析法是基于溫度程序控制下分析樣品質(zhì)量隨溫度變化的一種方法,其利用熱天平對溫度變化過程中的樣品質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。不同的纖維,化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,其熱分解過程不同,熱分解溫度不同。

聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的熱重曲線見圖2。參照GB/T 37631—2019分析得到,聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的熱分解溫度Tp分別為463、441及549 ℃,基于此可對這3種纖維進(jìn)行鑒別。

圖2 3種纖維樣品的熱重曲線

2.3 差示掃描量熱分析

差示掃描量熱分析法也是一種常用的熱分析方法,其在程序控溫的條件下,測量樣品與參比物的能量差隨溫度的變化,即主要測量樣品在玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶、熔融、氧化和交聯(lián)、分解等過程中熱量的吸收和釋放情況。聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯均為可結(jié)晶的聚合物,三者熔點(diǎn)相差較大(>20 ℃),因此可通過差示掃描量熱分析實(shí)現(xiàn)對3種纖維的鑒別。

聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的差示掃描量熱曲線分別見圖3,可以看出,聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維二次升溫時的熔融溫度Tm分別為132、165和329 ℃,纖維二次升溫時的熔融溫度可作為特征數(shù)據(jù)用于區(qū)分和鑒別這3種纖維。

圖3 3種纖維樣品的差示掃描量熱曲線

2.4 X射線衍射分析

X射線衍射分析法是基于材料X射線衍射得到的圖譜,分析材料成分、內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的一種研究手段,是進(jìn)行無機(jī)物相和有機(jī)物相分析的一種方法。當(dāng)X射線的波長與物質(zhì)晶區(qū)的周期性結(jié)構(gòu)尺寸相仿時,X射線照射到樣品的結(jié)晶區(qū)域會被相干散射,形成衍射花樣。固體聚合物由結(jié)晶區(qū)、半結(jié)晶區(qū)、非晶區(qū)等多個相區(qū)組成。不同聚合物具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu),其晶相結(jié)構(gòu)也不相同。合成纖維為了滿足紡絲及實(shí)際使用時的力學(xué)性能要求,一般都是具有結(jié)晶或半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的聚合物,且紡絲時的牽引拉伸也會促進(jìn)纖維材料分子鏈的取向,形成結(jié)晶。因此,不同的合成纖維在X射線衍射下會得到不同的衍射圖譜,利用X射線可以對合成纖維的成分進(jìn)行鑒別。

聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維的X射線衍射圖分別見圖4,其主要衍射峰及對應(yīng)的晶面指數(shù)[9]見表4～表6,可以看出,根據(jù)樣品的X射線衍射譜圖可以實(shí)現(xiàn)對這3種纖維的鑒別。

表4 聚乙烯纖維樣品的主要X射線衍射峰位置及晶面指數(shù)

表5 聚丙烯纖維樣品的主要X射線衍射峰位置及晶面指數(shù)

表6 聚四氟乙烯纖維樣品的主要X射線衍射峰位置及晶面指數(shù)

圖4 3種纖維樣品的X射線衍射圖

3 結(jié)論

常用的燃燒法、顯微鏡法、溶解法等難以對聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維進(jìn)行區(qū)分和鑒別。本文利用紅外光譜分析法、熱重分析法、差示掃描量熱分析法和X射線衍射分析法,對聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚四氟乙烯纖維分別進(jìn)行了表征,得到了各自的特征譜圖和數(shù)據(jù),可用于對這3種纖維進(jìn)行區(qū)分和鑒別。多種方法的相互結(jié)合、相互印證,能實(shí)現(xiàn)纖維的鑒別。可將紅外光譜分析法、熱重分析法、差示掃描量熱分析法和X射線衍射分析法推廣至其他化學(xué)纖維,特別是高性能纖維,為纖維的鑒別提供新的依據(jù)。