聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維定性方法研究

曹月嬋++陸佳英++谷小輝++羅峻++楚珮

摘要：

采用燃燒法、顯微鏡法、化學(xué)溶解法、紅外光譜法以及差示掃描量熱法（DSC）對聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）復(fù)合纖維進行定性鑒別，并與聚乙烯纖維、聚丙烯纖維進行比較研究。測試結(jié)果表明：PE/PP復(fù)合纖維在燃燒性能和化學(xué)溶解性能上與聚乙烯纖維、聚丙烯纖維相似。PE/PP復(fù)合纖維橫縱截面為皮芯結(jié)構(gòu)，而單組分的這兩種纖維為圓形結(jié)構(gòu)；在紅外光譜與DSC測試分析中，PE/PP復(fù)合纖維與聚乙烯纖維、聚丙烯纖維有明顯的區(qū)別，它們可以快速準確地定性鑒別PE/PP復(fù)合纖維和單組分纖維的成分，這一方法也為其他兩組分復(fù)合纖維的定性提供了參考。

關(guān)鍵詞：聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維；差示掃描量熱法；定性

1 引 言

復(fù)合纖維是由兩種及兩種以上聚合物或由不同性質(zhì)的同類聚合物經(jīng)復(fù)合紡絲工藝過程而制成的化學(xué)纖維，聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）復(fù)合纖維是典型的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維，皮層組織熔點低且柔軟性好，芯層組織則熔點高、強度高[1-3]。PE/PP復(fù)合纖維經(jīng)過熱處理后，皮層一部分熔融而起粘結(jié)作用，其余仍保留纖維狀態(tài)，具有熱收縮率小的特征，特別適合用作熱風(fēng)穿透工藝生產(chǎn)衛(wèi)生材料、保暖填充料、過濾材料等產(chǎn)品[4]。隨著PE/PP復(fù)合纖維在紡織行業(yè)廣泛應(yīng)用于紡織品，其纖維成分的定性鑒別需求日益增大，但目前并沒有針對PE/PP復(fù)合纖維及其他兩組分復(fù)合纖維的定性標準方法，造成檢測人員在復(fù)合纖維的定性鑒別中容易與常規(guī)的纖維混淆，從而給出錯誤的定性結(jié)果。本文采用燃燒法、顯微鏡法、化學(xué)溶解法、紅外光譜法和差示掃描量熱法（DSC法）對PE/PP復(fù)合纖維的定性鑒別進行了研究，并與聚乙烯纖維和聚丙烯纖維進行比較分析，展示了PE/PP復(fù)合纖維與聚乙烯纖維、聚丙烯纖維在各種測試方法中的差異，為快速準確地定性鑒別PE/PP復(fù)合纖維提供了方法參考。

2 試驗部分儀器和試劑

儀器：纖維細度成分顯微分析儀；梅特勒-托利多AE200電子天平；AS型水浴恒溫振蕩器；Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀；ULE400型恒溫烘箱；差示掃描量熱分析儀（DSC）。

試劑：75%硫酸、濃硫酸、20%鹽酸、濃鹽酸、88%甲酸、濃硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、苯酚。

3 結(jié)果與分析

3.1 燃燒法

燃燒鑒別法是依據(jù)纖維接近火焰時、在火焰中和離開火焰后的不同燃燒狀態(tài)和熔融情況，燃燒時散發(fā)的氣味以及燃燒剩余物的顏色、形狀、硬度等來鑒別纖維的方法。用鑷子夾持纖維的一端，緩慢地移近火焰，觀察纖維在整個燃燒過程中所發(fā)生的現(xiàn)象。PE/PP復(fù)合纖維的燃燒特征如表1。

由表1可知：PE/PP復(fù)合纖維與標準FZ/T 01057.2—2007《紡織纖維鑒別試驗方法 第2部分：燃燒法》中聚乙烯纖維、聚丙烯纖維的燃燒狀態(tài)、火焰顏色、燃燒氣味以及殘渣形態(tài)等燃燒特征無明顯差異，三種纖維的燃燒特征相似，無法利用燃燒法進行初步區(qū)分。在實際檢測過程中，也只能依據(jù)燃燒法區(qū)分纖維的大類，不能準確鑒別出具體的纖維種類，需對樣品進一步定性分析。

3.2 顯微鏡法

用纖維細度成分顯微分析儀采集聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、PE/PP復(fù)合纖維的橫、縱向形態(tài)特征圖。將纖維手扯伸直平行，抽取少量置于載玻片上，滴上石蠟油，覆上蓋玻片，在顯微鏡下觀察纖維縱向形態(tài)；橫截面制片采用哈氏切片器，將整理好的纖維嵌于切片器凹槽中，切出10μm～30μm的薄片，用火棉膠凝固，在顯微鏡下觀察纖維橫截面形態(tài)。三種纖維相應(yīng)的橫縱截面如圖1所示。（使用OLYMPUS BX53纖維細度分析儀觀察，放大倍數(shù)：×1000）

3.3 化學(xué)溶解法

化學(xué)溶解法是利用纖維在溫度下的不同化學(xué)溶劑中的溶解特性來鑒別纖維的方法。本測試中選用10種常用化學(xué)試劑在相同的濃度、處理溫度和溶解時間下對PE/PP復(fù)合纖維進行溶解試驗，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，PE/PP復(fù)合纖維在常溫和煮沸的75%硫酸、濃硫酸、20%鹽酸、濃鹽酸、88%甲酸、濃硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、苯酚這10種試劑中都不溶解，與標準FZ/T 01057.4—2007《紡織纖維鑒別試驗方法 第4部分：溶解法》中聚乙烯纖維和聚丙烯纖維的溶解性能相似且化學(xué)穩(wěn)定性好。由此可知，通過化學(xué)溶解的方法無法對PE/PP復(fù)合纖維進行定性，需要其他方法來進一步定性。

3.4 紅外光譜分析

由于本試驗需要分析復(fù)合纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)定性，紅外透射光譜法制樣繁瑣、耗時且分析周期長，不利于快速準確地對纖維的成分進行定性。故選擇衰減全反射傅里葉紅外光譜法（ATR法）對聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、PE/PP復(fù)合纖維進行紅外光譜測試，每個試樣掃描32次，選擇自動增益，分辨率為4cm-1，測試光譜范圍為4500cm-1～400cm-1，并對測試光譜進行自動基線校正處理。三種纖維的紅外譜圖如圖2所示。

由圖2可知：圖2A中，振動峰2949.17cm-1為聚丙烯纖維的—CH2—不對稱伸縮振動，2916.36 cm-1為—CH2—不對稱伸縮振動，2866.17 cm-1為—CH2—對稱伸縮振動，2837.00 cm-1為—CH2—對稱伸縮振動，1454.08 cm-1為—CH2—彎曲振動，1375.22 cm-1為—CH2—對稱變形振動；聚乙烯纖維各振動峰2912.89 cm-1為—CH2—不對稱伸縮振動，2847.44 cm-1為—CH2—對稱伸縮振動，1471.12 cm-1為—CH2—彎曲振動，715.51 cm-1為—（CH2）n—面內(nèi)搖擺振動（如圖2B所示）。圖2C中PE/PP復(fù)合纖維紅外譜圖主要呈現(xiàn)為聚乙烯的特征譜圖，同時在1375.18cm-1處有出峰，該特征峰為聚丙烯分子—CH3對稱變形振動峰，主要原因在于ATR紅外光譜采集的即為皮層物質(zhì)，紅外光的穿透能力較差，不足以完全穿過皮層到達芯層，由此可知PE/PP復(fù)合纖維的皮層成分為聚乙烯，芯層為聚丙烯。

因此PE/PP復(fù)合纖維紅外測試中會出現(xiàn)聚乙烯與聚丙烯分子基團的特征峰，但聚丙烯的特征峰較弱。由以上分析可知，不能單一通過ATR法對復(fù)合纖維進行準確的定性，需要進一步分析。

3.5 DSC測試分析

鑒于紅外測試中發(fā)現(xiàn)1375.18cm-1處的聚丙烯特征峰較弱，為進一步確認樣品纖維成分，采用DSC測試。DSC是在程序控制溫度條件下，測量輸入給樣與參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種熱分析方法，測試過程中考察聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和PE/PP復(fù)合纖維在非等溫降溫過程中的結(jié)晶峰、升溫過程中熔融峰的位置，來對纖維進行快速準確定性。

DSC測試的條件為：環(huán)境氣氛為氮氣，纖維以50℃/min的速度升溫到300℃，并在該溫度下平衡5min，消除纖維的熱歷史，以10℃/min的速度降溫至50℃，在該溫度下平衡0.5min，再以10℃/min速度升溫到280℃?？紤]到纖維其結(jié)晶與降溫過程熱歷史密切相關(guān)，因此選擇纖維的二次升溫曲線作為纖維成分定性鑒別的主要依據(jù)。

由圖3可知，二次升溫過程中，復(fù)合纖維出現(xiàn)了160.12℃的特征峰與聚丙烯纖維的熔融峰159.03℃相吻合，圖3B中132.13℃的特征峰與聚乙烯纖維的熔融峰137.30℃基本一致，所以PE/PP復(fù)合纖維二次升溫過程中出現(xiàn)了兩個熔融特征峰，與聚乙烯纖維和聚丙烯纖維的熔融峰一致，因此，可通過三種纖維的DSC測試，快速準確判斷三種纖維的成分，特別適用于復(fù)合纖維的成分定性。

由以上一系列測試結(jié)果可知，由于三種纖維的燃燒特征一致，又無法采用化學(xué)溶解法進行溶解而區(qū)分，顯微鏡只能區(qū)分纖維特征明顯的纖維，對于形態(tài)特征類似的化學(xué)纖維無法定性，對于皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維只能觀察其結(jié)構(gòu)，不能進行定性，而ATR法鑒別皮芯型復(fù)合纖維時，容易只鑒別到皮層成分，芯層成分的特征峰出峰弱，易被覆蓋，而采用DSC掃描可以快速準確地對復(fù)合纖維進行定性。

4 結(jié)論

研究表明：在采用燃燒法無法對纖維成分進行分類時，可以結(jié)合顯微鏡法，通過纖維橫縱截面圖初步判斷復(fù)合纖維為皮芯型結(jié)構(gòu)，而采用常規(guī)化學(xué)試劑進行溶解試驗，纖維無法溶解表明復(fù)合纖維為化學(xué)纖維，進一步采用紅外光譜法進行分析，鑒別出皮層為聚乙烯材質(zhì)，而芯層成分無法準確確認，因此最終采用DSC測試，可快速準確地定性出復(fù)合纖維的芯層為聚丙烯，由此定性為PE/PP復(fù)合纖維。這一測試方法也為測試其他兩組分復(fù)合纖維的成分提供了參考。

參考文獻：

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[4] 程愛民. PE/PP雙組分復(fù)合紡粘法非織造的結(jié)構(gòu)與性能研究[D]. 上海： 東華大學(xué)， 2008.

（作者單位：廣州市纖維產(chǎn)品檢測研究院）