兩種無(wú)機(jī)纖維的分析鑒別方法*

劉政杰 來(lái)燕芳 張?zhí)祢?/p>

(1.北京服裝學(xué)院服裝材料研究開發(fā)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100029)(2.嘉興出入境檢驗(yàn)檢疫局，嘉興，314000)

產(chǎn)業(yè)用紡織品作為我國(guó)紡織行業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，近幾年發(fā)展非常迅速，在很多產(chǎn)業(yè)部門和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著重要作用［1］。陶瓷纖維是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱容小等優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械、冶金、化工、石油、交通運(yùn)輸、船舶、電子及輕工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，在航空航天及原子能等尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用亦日益增多，發(fā)展前景十分看好［2-3］。玄武巖纖維是經(jīng)高溫熔融后拉絲成型的一種高性能無(wú)機(jī)纖維，它的高強(qiáng)力、高模量、耐高溫、耐低溫等特性使其成為高級(jí)玻璃纖維的升級(jí)換代產(chǎn)品，在國(guó)防軍工、土木建筑、消防防彈、交通運(yùn)輸、體育休閑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用［4-6］。然而，這兩種無(wú)機(jī)纖維的分析鑒定方法目前還是空白，對(duì)技術(shù)升級(jí)、市場(chǎng)接軌以及國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展都極為不利，因此急需對(duì)此進(jìn)行深入研究，盡快填補(bǔ)空白。

本文以陶瓷纖維和玄武巖纖維作為研究對(duì)象，采用一系列物理和化學(xué)鑒別方法對(duì)其進(jìn)行研究，初步總結(jié)出一套行之有效的鑒別方法，為今后進(jìn)一步分析其混紡產(chǎn)品、混紡比例提供理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

陶瓷纖維紗線/玻璃絲增強(qiáng)，青島賽頓陶瓷纖維有限公司(該纖維分為皮芯兩層結(jié)構(gòu)，其中皮層為陶瓷纖維，芯層為玻璃絲，本文以皮層為研究對(duì)象);玄武巖纖維紗線，東莞市俄金玄武巖纖維有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 感官法

通過眼觀、手感、耳聞、鼻嗅對(duì)纖維進(jìn)行鑒別，此法適用于呈散纖維狀態(tài)的紡織原料［7-8］。

1.2.2 顯微鏡觀察法

儀器:偏光顯微鏡(BX41，OLYMPUS);掃描電子顯微鏡(JSM-6360LV，JEOL)。

1.2.3 燃燒法

器具:試驗(yàn)用酒精燈等［9］。

1.2.4 溶解法

溶劑:硫酸(AR.，北京化工廠)，甲酸(AR.，天津市永大化學(xué)試劑有限公司)，硝酸(AR.，天津市永大化學(xué)試劑有限公司)，N，N-二甲基甲酰胺(AR.，北京化工廠)等溶劑［10］。

1.2.5 熒光法

器具:紫外線熒光燈(波長(zhǎng)為365 nm)。

1.2.6 密度法

儀器:密度天平(XS105，梅特勒公司)。

1.2.7 紅外吸收光譜法

儀器:FT-IR傅立葉紅外光譜儀(NEXUS，美國(guó)Nicolet公司)。

1.2.8 熱分析法

儀器:熱重/差熱綜合熱分析儀(TG/DTA6300，日本Selko Instruments Ino公司);

測(cè)試條件:升溫速率10℃/min，氮?dú)夥諊?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 感官法

對(duì)兩種纖維的感官描述如表1所示。

表1 纖維感官描述

這兩種纖維的外觀均與普通有機(jī)纖維相差較大，且其相互之間也有很大差別。因此，感官法可以作為對(duì)這兩種纖維進(jìn)行初步鑒別的一種方法。

2.2 顯微鏡觀察

用于本文研究的陶瓷纖維為短纖維，強(qiáng)度低、易碎、不易制樣，故僅采用光學(xué)顯微鏡觀察其縱面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。纖維縱表面平滑、透明，且粗細(xì)差異較大。玄武巖纖維縱表面的掃描電鏡照片及橫截面的光學(xué)顯微鏡照片如圖2所示，纖維表面較光滑，但有不規(guī)則的氣孔;橫截面為規(guī)則的圓形，纖維直徑粗細(xì)較均勻。

這兩種無(wú)機(jī)纖維的表面微觀形態(tài)有一定的區(qū)別，可作為其系統(tǒng)鑒別方法中的一個(gè)參考手段。

圖1 陶瓷纖維縱表面光學(xué)顯微鏡照片

圖2 玄武巖纖維縱表面掃描電鏡照片及橫截面光學(xué)顯微鏡照片

2.3 纖維的燃燒特征

兩種纖維對(duì)燃燒所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)及燃燒特征如表2所示。

表2 兩種無(wú)機(jī)纖維的燃燒特征

這兩種無(wú)機(jī)纖維的燃燒特征明顯區(qū)別于一般的有機(jī)纖維，可作為未知纖維是否屬于無(wú)機(jī)纖維的判斷。這兩種纖維的燃燒特征相互之間也存在明顯的不同，由于燃燒試驗(yàn)易于操作，它較適合作為這兩種纖維的簡(jiǎn)易鑒別方法之一。

2.4 纖維的溶解特性

本文選用60%硫酸、95% ～98%硫酸、37%鹽酸、65% ～68%硝酸、88%甲酸、30%氫氧化鈉、75%甲酸—氯化鋅、次氯酸鈉、99%冰乙酸、N，N-二甲基甲酰胺、苯胺、銅氨溶液、苯酚、二甲亞砜、99.5%丙酮、99.5%環(huán)己酮、二氯甲烷、99.5% 乙酸乙酯、四氯化碳、二甲苯、四氫呋喃、吡啶、65%硫氰酸鉀等試劑對(duì)兩種纖維分別進(jìn)行了溶解試驗(yàn)(所用溶劑均為體積分?jǐn)?shù))，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陶瓷纖維和玄武巖纖維在常溫及煮沸的情況下均不溶于以上溶劑。此特征與目前所知的一般有機(jī)纖維有較大的區(qū)別，是這兩種纖維的重要特征，可作為定性鑒別的一個(gè)重要驗(yàn)證依據(jù)。

2.5 纖維的熒光反應(yīng)

用波長(zhǎng)為365 nm的紫外燈管對(duì)兩種纖維進(jìn)行照射，不論照射時(shí)間長(zhǎng)短，均未發(fā)現(xiàn)任何熒光現(xiàn)象。

2.6 纖維的密度測(cè)試

采用密度天平，利用固體物質(zhì)在空氣和水中所受浮力不同計(jì)算出不同纖維的密度，陶瓷纖維和玄武巖纖維的密度分別為2.099和2.441 g/cm3。陶瓷纖維為松散短纖維，因此所得數(shù)據(jù)有可能因在水中測(cè)定時(shí)無(wú)法排除全部氣泡而使所得密度值比實(shí)際偏小。鑒于密度法易產(chǎn)生較大誤差，它暫時(shí)還不適合作為短纖維的鑒別手段。

2.7 纖維的紅外吸收光譜分析

本試驗(yàn)采用ATR采樣，掃描次數(shù)為64次，對(duì)兩種纖維進(jìn)行了紅外光譜分析。結(jié)果見圖3。

圖3 兩種纖維的紅外光譜圖

陶瓷纖維和玄武巖纖維的主體成分均為金屬氧化物，其特征吸收峰見表3。由于陶瓷纖維和玄武巖纖維均為各種金屬氧化物的混合物，從它們的紅外光譜圖上并不能很清晰地鑒別出具體成分。但從兩張譜圖上的出峰位置看，兩者的成分有明顯不同，從文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，它們更適合在遠(yuǎn)紅外區(qū)進(jìn)行光譜鑒別。

表3 金屬氧化物的紅外光譜特征吸收峰

2.8 纖維的熱分析

陶瓷纖維和玄武巖纖維的TG/DTA曲線如圖4所示。

圖4 兩種纖維的TG/DTA曲線

測(cè)試結(jié)果顯示:陶瓷纖維的熱降解初始溫度為287℃，在350℃時(shí)，失重率達(dá)到12%，隨后失重趨緩，溫度超過1 000℃時(shí)，失重率也不超過15%。而玄武巖纖維的最大分解速率對(duì)應(yīng)的溫度為364℃，當(dāng)溫度達(dá)1 400℃時(shí)仍繼續(xù)失重，但失重率僅為5.5%左右。

陶瓷纖維在失重率達(dá)到5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為310℃;而玄武巖纖維在失重率達(dá)到5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為1 300℃，兩者存在明顯差異。因此，可依據(jù)纖維在失重率達(dá)到5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)鑒別陶瓷纖維和玄武巖纖維。

3 結(jié)語(yǔ)

在每一單項(xiàng)鑒別測(cè)試中，不免會(huì)存在特征不明顯或易產(chǎn)生誤差的現(xiàn)象。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合鑒定是必要的，以建立一套對(duì)陶瓷纖維和玄武巖纖維進(jìn)行系統(tǒng)定性鑒別的方法。

通過對(duì)上述8種鑒別方法的論證和比較分析，可以得出關(guān)于陶瓷纖維和玄武巖纖維比較系統(tǒng)的鑒別方法。首先，用感官法可初步確定纖維的歸屬類別，即是否為無(wú)機(jī)纖維，溶解法可以作為這個(gè)判斷的重要驗(yàn)證依據(jù);然后再根據(jù)熱失重測(cè)試結(jié)果(失重5%時(shí)的溫度)達(dá)到鑒別陶瓷纖維和玄武巖纖維的目的;而紅外吸收光譜法可以作為此項(xiàng)判斷進(jìn)一步確認(rèn)的手段。

燃燒法不僅可以用于判斷纖維是否屬于無(wú)機(jī)纖維，也可作為判斷纖維是否屬于陶瓷纖維或玄武巖纖維的方法。因此，它可以作為鑒別這兩種纖維的一個(gè)簡(jiǎn)單的直接判斷方法。

［1］姚穆，周錦芳，黃淑珍，等.紡織材料學(xué)［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2009.

［2］邢聲遠(yuǎn).陶瓷纖維性能及其產(chǎn)品開發(fā)［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2005(5):64-67.

［3］李湘洲.陶瓷纖維發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.佛山陶瓷，2005(7):1-4.

［4］崔毅華.玄武巖連續(xù)纖維的基本特性［J］.紡織學(xué)報(bào)，2005，26(10):120-121.

［5］謝爾蓋.玄武巖纖維的特性及其在中國(guó)的應(yīng)用前景［J］.玻璃纖維，2005(5):46.

［6］曹海琳，郎海軍，孟松鶴.連續(xù)玄武巖纖維結(jié)構(gòu)與性能試驗(yàn)研究［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2007，32(5):8-13.

［7］邢聲遠(yuǎn)，孔麗萍.紡織纖維鑒別方法［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2004.

［8］李青山.紡織纖維鑒別手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2009.

［9］國(guó)家棉紡織品質(zhì)量檢測(cè)中心.FZ/T 01057.2—2007紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法，第2部分:燃燒法［S］.中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)，1989-05-29.

［10］國(guó)家棉紡織品質(zhì)量檢測(cè)中心.FZ/T 01057.4—2007紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法，第4部分:溶解法［S］.中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)，2007-05-29.