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聚乙烯(PE)纤维、聚丙烯(PP)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维是常见的合成纤维。聚乙烯、聚丙烯属于聚烯烃，是由碳元素和氢元素组成的聚合物；聚四氟乙...
聚乙烯(PE)纤维、聚丙烯(PP)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维是常见的合成纤维。聚乙烯、聚丙烯属于聚烯烃，是由碳元素和氢元素组成的聚合物；聚四氟乙烯是由碳元素和氟元素组成的，其化学结构与聚乙烯相似，只不过聚乙烯分子结构中的氢元素被氟元素所取代。
燃烧法、显微镜法、溶解法等常用于纤维成分的鉴别。但聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的燃烧特征比较相似，故使用燃烧法难以区分[1][2][3];它们作为合成纤维形态特征受工艺影响，因此显微镜法不适用；它们均具有良好的耐酸碱能力，需使用热的有机溶剂才能将它们区分，但使用的溶剂毒性较大且耗时较长[4][5][6]。因此，引入其他分析方法，快速有效地鉴别聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维，具有积极的意义。
本文将利用红外光谱(FT-IR)分析、热重分析(TGA)、差示扫描量热(DSC)分析、X射线衍射(XRD)分析等方法，对聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维进行表征，提取每种纤维的特征数据，实现对聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的鉴别。
1 试验与方法
1.1 试验仪器
Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司；Q500型热重分析仪，美国TA公司；Q2000型差示扫描量热仪，美国TA公司；MiniFlex600型台式X射线粉末衍射仪，日本理学公司。
1.2 试验方法
1.2.1 红外光谱分析
采用衰减全反射(attenuated total reflectance, ATR)模式，将纤维样品直接放置在Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪样品台上进行扫描分析。光谱范围为650～4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数为32。
1.2.2 热重分析
每种纤维取约10 mg样品进行测试。测试气氛为N2,升温范围为100～1 000 ℃,升温速率为10 ℃/min。参照GB/T 37631—2019《化学纤维 热分解温度试验方法》对得到的热重曲线进行分析，获得纤维热分解温度。
1.2.3 差示扫描量热分析
每种纤维取约10 mg样品进行测试，测试气氛为N2。其中，聚乙烯纤维和聚丙烯纤维的升降温程序为，先升温至220 ℃,再以10 ℃/min的速率降温至30 ℃,最后以10 ℃/min的速率升温至220 ℃;聚四氟乙烯纤维的升降温程序为，先升温至380 ℃,再以10 ℃/min的速率降温至30 ℃,再以10 ℃/min的速率升温至380 ℃。
1.2.4 X射线衍射分析
将纤维剪成1～3 mm的短纤样品，均匀地铺放在进样凹槽中。测试扫描光源为Cu靶Kα谱线(λ=0.154 nm),扫描范围为2°～90°,扫描速率为10(°)/min, 扫描步长为0.02°。
2 结果与分析
2.1 红外光谱分析
红外光谱分析法是分析材料化学结构的一种方法[7],其以一定波长范围的红外光照射样品，当样品分子中某个化学基团的振动频率或转动频率与红外光的频率一致时，分子就吸收能量并由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，表现为该波长光的能量被吸收。红外光谱吸收峰的位置与强度能反映分子结构的特征，因此可用来分析样品的结构组成，对样品进行成分分析和鉴别。
聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的红外光谱图及主要吸收峰[8]分别见图1和表1～表3,可以看出，根据红外特征吸收峰可对聚乙烯纤维、聚丙烯纤维及聚四氟乙烯纤维进行鉴别。
2.2 热重分析
热重分析法是基于温度程序控制下分析样品质量随温度变化的一种方法，其利用热天平对温度变化过程中的样品质量进行连续监测。不同的纤维，化学结构不同，其热分解过程不同，热分解温度不同。
聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的热重曲线见图2。参照GB/T 37631—2019分析得到，聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的热分解温度Tp分别为463、441及549 ℃,基于此可对这3种纤维进行鉴别。
2.3 差示扫描量热分析
差示扫描量热分析法也是一种常用的热分析方法，其在程序控温的条件下，测量样品与参比物的能量差随温度的变化，即主要测量样品在玻璃化转变、结晶、熔融、氧化和交联、分解等过程中热量的吸收和释放情况。聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯均为可结晶的聚合物，三者熔点相差较大(>20 ℃),因此可通过差示扫描量热分析实现对3种纤维的鉴别。
图1 3种纤维样品的红外光谱图
Fig.1 Infrared spectrogram of three kinds of fiber samples
表1 聚乙烯纤维样品的红外光谱主要吸收峰
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波数/cm-1 |
归属 |
波数/cm-1 |
归属 |
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|
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|
2 913 |
CH2振动 |
855 |
CH2振动 |
2 847 |
CH2振动 |
730 |
CH2振动 |
1 471 |
CH2振动 |
716 |
CH2振动 |
1 462 |
CH2振动 |
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表2 聚丙烯纤维样品的红外光谱主要吸收峰
Tab.2 Main absorption peaks of infrared spectrum of PP fiber samples
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波数/cm-1 |
归属 |
波数/cm-1 |
归属 |
2 951 |
CH3振动 |
1 455 |
CH2振动 |
2 916 |
CH振动 |
1 375 |
CH3振动 |
2 868 |
CH3振动 |
1 167 |
CH3振动 |
2 837 |
CH2振动 |
972 |
CH3振动 |
表3 聚四氟乙烯纤维样品的红外光谱主要吸收峰
Tab.3 Main absorption peaks of infrared spectrum of PTFE fiber samples
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波数/cm-1 |
归属 |
波数/cm-1 |
归属 |
1 211 |
C—C振动 |
1 145 |
C—F振动 |
图2 3种纤维样品的热重曲线
Fig.2 Thermogravimetric curves of three kinds of fiber samples
聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的差示扫描量热曲线分别见图3,可以看出，聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维二次升温时的熔融温度Tm分别为132、165和329 ℃,纤维二次升温时的熔融温度可作为特征数据用于区分和鉴别这3种纤维。
图3 3种纤维样品的差示扫描量热曲线
Fig.3 Differential scanning calorimetric curves of three kinds of fiber samples
2.4 X射线衍射分析
X射线衍射分析法是基于材料X射线衍射得到的图谱，分析材料成分、内部原子或分子的结构或形态等信息的一种研究手段，是进行无机物相和有机物相分析的一种方法。当X射线的波长与物质晶区的周期性结构尺寸相仿时，X射线照射到样品的结晶区域会被相干散射，形成衍射花样。固体聚合物由结晶区、半结晶区、非晶区等多个相区组成。不同聚合物具有不同的化学结构，其晶相结构也不相同。合成纤维为了满足纺丝及实际使用时的力学性能要求，一般都是具有结晶或半结晶结构的聚合物，且纺丝时的牵引拉伸也会促进纤维材料分子链的取向，形成结晶。因此，不同的合成纤维在X射线衍射下会得到不同的衍射图谱，利用X射线可以对合成纤维的成分进行鉴别。
图4 3种纤维样品的X射线衍射图
Fig.4 X-ray diffraction patterns of three kinds of fiber samples
聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维的X射线衍射图分别见图4,其主要衍射峰及对应的晶面指数[9]见表4～表6,可以看出，根据样品的X射线衍射谱图可以实现对这3种纤维的鉴别。
表4 聚乙烯纤维样品的主要X射线衍射峰位置及晶面指数
Tab.4 Main X-ray diffraction peaks position and crystal plane indices of PE fiber samples
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2θ/(°) |
晶面指数 |
2θ/(°) |
晶面指数 |
|
|
|
|
|
21.20 |
(110) |
29.66 |
(210) |
23.56 |
(200) |
35.94 |
(020) |
|
|
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表5 聚丙烯纤维样品的主要X射线衍射峰位置及晶面指数
Tab.5 Main X-ray diffraction peaks position and crystal plane indices of PP fiber samples
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2θ/(°) |
晶面指数 |
2θ/(°) |
晶面指数 |
|
|
|
|
|
14.48 |
(110) |
22.04 |
(041) |
17.20 |
(040) |
25.92 |
(060) |
18.88 |
(130) |
|
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表6 聚四氟乙烯纤维样品的主要X射线 衍射峰位置及晶面指数
Tab.6 Main X-ray diffraction peaks position and crystal plane indices of PTFE fiber samples
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2θ/(°) |
晶面指数 |
2θ/(°) |
晶面指数 |
|
|
|
|
|
18.38 |
(100) |
36.86 |
(200) |
31.88 |
(110) |
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3 结论
常用的燃烧法、显微镜法、溶解法等难以对聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维进行区分和鉴别。本文利用红外光谱分析法、热重分析法、差示扫描量热分析法和X射线衍射分析法，对聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维分别进行了表征，得到了各自的特征谱图和数据，可用于对这3种纤维进行区分和鉴别。多种方法的相互结合、相互印证，能实现纤维的鉴别。可将红外光谱分析法、热重分析法、差示扫描量热分析法和X射线衍射分析法推广至其他化学纤维，特别是高性能纤维，为纤维的鉴别提供新的依据。
