聚酰亞胺纖維的定性鑒別方法

張笑冬++++楚珮++++郭榮幸++++曾有娣

摘要：分別用燃燒法、顯微鏡觀察法、化學(xué)溶解法、紅外光譜分析法和熱重分析法對聚酰亞胺（PI）纖維進(jìn)行定性鑒別，并與芳綸（Kevlar）進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：聚酰亞胺纖維在燃燒性能、化學(xué)溶解性能上與芳綸基本相似，兩種纖維在離開火焰時(shí)均能自滅，且化學(xué)性能穩(wěn)定；聚酰亞胺纖維縱橫截面與一般合成纖維相同，可根據(jù)需求做成不同形態(tài)的纖維；在紅外光譜及熱重分析中，聚酰亞胺纖維與芳綸有明顯區(qū)別，可作為聚酰亞胺纖維定性鑒別的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺纖維；PI；紅外光譜；熱重分析法；定性；鑒別

1 引言

聚酰亞胺纖維是由聚酰胺酸或聚酰亞胺溶液紡制而成的，由于其分子結(jié)構(gòu)中芳環(huán)密度較大，大分子中含有酞酰亞胺結(jié)構(gòu)[1]，因此聚酰亞胺纖維具有優(yōu)良的耐熱、耐輻射、高強(qiáng)高模量、阻燃等性能，成為目前發(fā)展迅速的高性能纖維之一。隨著其制造工藝的進(jìn)展，聚酰亞胺纖維逐漸廣泛應(yīng)用到航空航天、新型建材、環(huán)境產(chǎn)業(yè)、防火材料等[2-3]。

聚酰亞胺纖維因其優(yōu)異的阻燃性能也逐漸被應(yīng)用到阻燃服裝紡織品中，但這種新型纖維在當(dāng)前紡織服裝市場中尚屬少見纖維，且目前還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行鑒別，對紡織品檢測行業(yè)而言，隨之而來的問題便是如何對聚酰亞胺纖維進(jìn)行定性鑒別。

本文以聚酰亞胺為研究對象，采用燃燒法、顯微鏡觀察法、化學(xué)溶解法、紅外光譜法和熱重分析法等對其進(jìn)行測試分析，以探索聚酰亞胺纖維的綜合鑒別方法。因聚酰亞胺纖維與芳綸在燃燒、化學(xué)溶解性能等方面相似，故本文增加了聚酰亞胺纖維與芳綸在紅外光譜和熱性能方面的比較。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

樣品來源于從市場上購買的聚酰亞胺纖維，從樣品中隨機(jī)抽取500g作為試驗(yàn)樣品。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 燃燒法[4]

用鑷子取一小束纖維點(diǎn)火燃燒，仔細(xì)觀察纖維靠近火焰、火焰中、離開火焰時(shí)的燃燒特征和殘?jiān)男螒B(tài)、顏色、軟硬程度等，比較燃燒氣味。

2.2.2 顯微鏡觀察法[5]

用CU-I型纖維細(xì)度儀觀察纖維橫截面和縱向形態(tài)。首先將纖維束嵌入哈氏切片器的凹槽內(nèi)，凝固后切成10μm～30μm的薄片，放置在細(xì)度儀下放大500倍觀察橫截面形態(tài)。將纖維束整理平放在載玻片上，滴加石蠟油后加蓋蓋玻片，用纖維細(xì)度儀放大500倍觀察纖維縱向形態(tài)。

2.2.3 化學(xué)溶解法[6]

分別用濃硫酸、75%硫酸、濃鹽酸、20%鹽酸、1mol/L堿性次氯酸鈉溶液、80%甲酸、丙酮、二氯甲烷、濃硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等化學(xué)試劑在不同的試驗(yàn)溫度和溶解時(shí)間下對纖維進(jìn)行溶解試驗(yàn)。

2.2.4 紅外光譜分析法[7]

利用美國Thermo Nicolet 公司生產(chǎn)的型號為6700傅里葉紅外光譜儀，采用ATR法對纖維進(jìn)行紅外光譜掃描，每個(gè)樣掃描32次，選擇自動增益，分辨率4cm-1，光譜范圍為4500cm-1～400cm-1，并對光譜進(jìn)行自動基線校正處理。

2.2.5 熱重分析法

使用美國TA公司的Q500型熱重分析儀，取10mg左右的纖維放入鉑金坩堝中，升溫程序?yàn)椋旱獨(dú)庀拢?00mL/min）從30℃升溫到800℃，升溫速率為10℃/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 感官鑒別

圖1（a）是進(jìn)口產(chǎn)品（P84）的外觀形態(tài)，圖1（b）是國產(chǎn)產(chǎn)品（軼綸）的外觀形態(tài)。感官鑒別是纖維鑒別中最直觀的方法。從圖1中可以看出，聚酰亞胺纖維呈金黃色，散纖維蓬松。目前市場上由聚酰亞胺纖維制成的阻燃成品也大都呈現(xiàn)為該顏色。

（a）P84 （b）軼綸

圖1 聚酰亞胺纖維的外觀形態(tài)

3.2 燃燒特征

由表1看出，聚酰亞胺纖維在燃燒時(shí)發(fā)紅光，不熔不縮，無黑煙，纖維保持原狀態(tài)；離開火焰時(shí)立即熄滅，紅光消失，殘留物呈黑色炭狀。因聚酰亞胺纖維在火焰中較難燃燒，可知該纖維阻燃性能良好，是一種可以用來做阻燃防護(hù)服裝產(chǎn)品的高性能纖維。

3.3 橫截面和縱向形態(tài)

從聚酰亞胺纖維的橫截面形態(tài)（見圖2和圖4，放大倍數(shù)500倍），可以看出聚酰亞胺有兩種不同的截面形態(tài)，其中軼綸橫截面呈圓形，而P84纖維的橫截面呈三葉形；圖3和圖4為聚酰亞胺纖維的縱向形態(tài)，可以看出軼綸縱向表面光滑，無條紋，而P84纖維縱向有較清晰的條紋。因此，聚酰亞胺纖維的形態(tài)特征為：橫截面呈三葉形或異形截面及圓形，縱向表面有溝槽，有的為光滑圓柱。

圖2 聚酰亞胺纖維（軼綸）橫截面形態(tài)（×500）

圖3 聚酰亞胺纖維（軼綸）的縱向形態(tài)（×500）

圖4 聚酰亞胺纖維（P84）橫截面形態(tài)（×500）

圖5 聚酰亞胺纖維（P84）的縱向形態(tài)（×500）

3.4 化學(xué)溶解性能

從表2可以看出，聚酰亞胺纖維在煮沸的濃硫酸中可以溶解，在75%硫酸、濃鹽酸、20%鹽酸、1mol/L堿性次氯酸鈉溶液、80%甲酸、丙酮、二氯甲烷、濃硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等化學(xué)試劑中都不溶解，說明其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

3.5 紅外光譜特征

不同種類的纖維具有不同的化學(xué)基團(tuán)，在紅外光譜圖上呈現(xiàn)各自不同的特征吸收譜帶，紅外特征吸收譜帶可反映材料中分子基團(tuán)和化學(xué)鍵的信息。

圖6 聚酰亞胺纖維和芳綸的紅外光譜圖

（紅外譜圖建議標(biāo)峰）

從圖6可以看出，聚酰亞胺纖維在1774.75cm-1出現(xiàn)C=O反對稱伸縮振動吸收峰，在1709.51 cm-1出現(xiàn)了C=O對稱伸縮振動吸收峰，在1393 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)C=C骨架吸收振動峰，在716 cm-1處出現(xiàn)了C=O彎曲振動吸收峰，這些特征峰都是酰亞胺基團(tuán)的特征，可以作為聚酰亞胺定性鑒別的依據(jù)。從圖6中可知芳綸在—C=O—基團(tuán)的伸縮振動吸收峰（1580cm-1～1660cm-1）和—N—H—基團(tuán)的彎曲振動吸收峰（1470cm-1～1530cm-1）兩處，與聚酰亞胺纖維有明顯的區(qū)別。

3.6 熱重分析法

熱重分析法是利用熱重分析儀在程序控溫下測量樣品的質(zhì)量隨溫度（或時(shí)間）的變化關(guān)系，可以用來分析高聚物結(jié)晶態(tài)和熱學(xué)性能。圖7所示為聚酰亞胺纖維和芳綸的熱重分析譜圖。

從圖7可以看出，聚酰亞胺纖維具有耐高溫的特性，其在30℃～500℃左右纖維的質(zhì)量基本不變，聚酰亞胺的開始分解溫度為563.12℃，分解結(jié)束溫度為597.13℃，其熱分解溫度為580.22℃，可以作為聚酰亞胺纖維的定性依據(jù)。從圖7中還可以看出聚酰亞胺纖維比芳綸的熱分解溫度要高。

4 結(jié)論

從上述試驗(yàn)可知，聚酰亞胺纖維的定性鑒別可參照FZ/T 01057標(biāo)準(zhǔn)中的常規(guī)鑒別法，并輔以熱重分析法等來確定結(jié)果。對聚酰亞胺纖維的鑒別可按如下程序操作：

（1）聚酰亞胺纖維外觀多呈金黃色，不易燃燒且在火焰中發(fā)紅，化學(xué)溶解性能穩(wěn)定；

（2）紅外光譜法可以分析聚酰亞胺纖維所含的分子基團(tuán)，是鑒別聚酰亞胺纖維的重要依據(jù)；

（3）熱重分析法可以測得聚酰亞胺纖維的熱分解溫度約在563℃～597℃之間，可輔助用于鑒別聚酰亞胺纖維。

（4）聚酰亞胺纖維的一般鑒別流程：先用燃燒法、顯微鏡觀察、化學(xué)溶解等常規(guī)方法對纖維進(jìn)行觀察，再結(jié)合紅外光譜和熱重分析法來鑒別該纖維是否為聚酰亞胺纖維。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪家銘.聚酰亞胺纖維發(fā)展概況與應(yīng)用前景[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2011，（8）：58-62.

[2] 尹朝清.聚酰亞胺纖維及其阻燃特性[J].紡織學(xué)報(bào)，2012，（6）：116-120.

[3] 張銀峰. 聚酰亞胺纖維的制備及其結(jié)構(gòu)性能研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2013.

[4] FZ/T 01057.2—2007 紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法第2部分：燃燒法[S].

[5] FZ/T 01057.3—2007 紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法第3部分：顯微鏡法[S].

[6] FZ/T 01057.4—2007 紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法第4部分：溶解法[S].

[7] FZ/T 01057.8—2012 紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法第8部分：紅外光譜法[S].

[作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院、國家紡織品服裝服飾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（廣州）]