多種合成纖維混合物DSC定量分析

戎斐，曾曉知，戴景，沈佳宏，戴晴

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040）

檢測技術(shù)

多種合成纖維混合物DSC定量分析

戎斐，曾曉知，戴景，沈佳宏，戴晴

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040）

利用差示掃描量熱法測定了四種合成纖維二組分混合物的DSC曲線，研究了不同熱效應(yīng)峰的熱焓與樣品組成的線性關(guān)系，建立了合成纖維混合物的定量分析函數(shù)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，差示掃描量熱法可以準(zhǔn)確地對(duì)合成纖維混合物進(jìn)行定量分析。

差示掃描量熱法；定量分析；合成纖維

0 引言

目前各類合成纖維混合物的定量分析方法主要以化學(xué)溶解法為主，這類檢測方法存在環(huán)境污染大、效率低、檢測人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等突出問題，且部分合成纖維因化學(xué)性質(zhì)相似難以利用化學(xué)溶解法進(jìn)行定量分析，因此有必要探索新的檢測方法對(duì)各類合成纖維混合物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地定量分析，從而提升相關(guān)技術(shù)機(jī)構(gòu)的檢測能力。差示掃描量熱法（DSC）是在樣品處于程序控制的溫度下，觀察樣品和參比物之間的熱流差隨溫度或時(shí)間變化的函數(shù)，可用于測量與研究材料的熔融與結(jié)晶過程、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、反應(yīng)熱、特征溫度、相轉(zhuǎn)變等特性。利用差示掃描量熱法不僅可以測定合成纖維混合物的DSC曲線，還可通過研究DSC曲線上各個(gè)熱效應(yīng)峰的峰面積（熱焓）與混合物組成比例的線性關(guān)系建立定量分析函數(shù)模型，利用該方法可以對(duì)合成纖維混紡制品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地定量分析。本文利用差示掃描量熱法研究了PTT/PET、PA66/PET、PAN/PET和PP/PET四種合成纖維混合物的定量分析方法。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器

耐馳（Netzsch）STA449 F3 Jupiter同步熱分析儀、鋁坩堝、高純氮?dú)?、哈氏切片器?/p>

1.2 材料

聚丙烯（PP）纖維、尼龍-66（PA66）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）纖維、聚對(duì)苯二甲酸丙二酯（PTT）纖維。

1.3 試驗(yàn)

1.3.1 試樣制備

用哈氏切片器將纖維切成粉末狀，取一種纖維樣品粉末置于鋁坩堝內(nèi)利用同步熱分析儀的內(nèi)部天平稱重，然后加入另一種纖維樣品粉末再次稱重，同時(shí)將樣品總質(zhì)量控制在3~5 mg，通過改變兩種纖維的質(zhì)量比制備不同比例的合成纖維混合樣品。按上述方法制備不同比例的PTT/PET、PA66/ PET、PAN/PET、PP/PET混合試樣。

1.3.2 樣品測試

用流量為20 mL/min，初始溫度為50℃的氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣，以10℃/min的速率升溫至300℃并保持5 min，將裝有樣品的坩堝取出并立即投入冷水中淬火以使各個(gè)試樣具有相同的熱處理過程。再次以初始溫度50℃，升溫速率為10℃/min升溫至300℃，并記錄樣品的DSC曲線。

1.3.3 函數(shù)模型的建立

根據(jù)差示掃描量熱法測得已知比例合成纖維混合樣品中各組分的熔融熱焓或結(jié)晶熱焓，用最小二乘法求得二次擬合曲線，從而得到樣品中各組分的熱焓與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系的函數(shù)模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTT/PET混合物的定量函數(shù)模型

圖1PTT/PET混合物的DSC曲線

圖1 為PTT/PET混合物的DSC曲線，其中PET的冷結(jié)晶峰（132℃）、PTT熔融峰（226℃）及PET熔融峰（254℃）均相互獨(dú)立（由于受儀器條件所限，無法精確測定PTT的冷結(jié)晶熱焓，故暫不研究），且它們的熱焓與樣品組成之間的線性關(guān)系均較好，因此上述三個(gè)峰均可以用來建立PET/PTT混合物的定量函數(shù)模型。

表1為一系列PTT/PET混合物的測試結(jié)果，對(duì)其中PTT的百分含量及其熔融熱焓的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次擬合，得到PTT熔融熱焓與樣品PTT含量關(guān)系的函數(shù)模型公式（1）：

表1 PTT/PET混合物的DSC測試結(jié)果

式（1）中：A——PTT的百分含量/%

X——混合物中PTT的熔融熱焓/（J·g-1）

對(duì)其中PET的百分含量及其熔融熱焓的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次擬合，得到PET熔融熱焓與樣品PET含量關(guān)系的函數(shù)模型公式（2）：

式（2）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的熔融熱焓/（J·g-1）。

對(duì)其中PET的百分含量及其結(jié)晶熱焓的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次擬合，得到PET結(jié)晶熱焓與樣品PET含量關(guān)系的函數(shù)模型公式（3）：

式（3）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的結(jié)晶熱焓/（J·g-1）。

2.2 PA66/PET混合物的定量函數(shù)模型

圖2PA66/PET混合物的DSC曲線

圖2 是PA66/PET混合物的DSC曲線，由于PA66與PET的熔點(diǎn)分別為257℃和254℃，故混合物DSC曲線上兩者的熔融峰幾乎完全重合，因此從DSC曲線上只能得到混合物的總?cè)廴跓犰始癙ET的冷結(jié)晶熱焓。

由表2的測試結(jié)果可知，由于純PA66的熔融熱焓高于純PET，因此隨著混合物中PA66含量的提高，混合物的總?cè)廴跓犰室脖憩F(xiàn)出增大的趨勢，另一方面PET冷結(jié)晶熱焓也有隨PET含量增加而增大的趨勢。但對(duì)上述數(shù)據(jù)分別進(jìn)行二次擬合后發(fā)現(xiàn)混合物的總?cè)廴跓犰逝cPET含量的線性關(guān)系較差（R2=0.920 0），而PET的結(jié)晶熱焓與與PET含量的線性關(guān)系較好（R2=0.987 4）。這可能是因?yàn)镻A66及PET發(fā)生相互成核作用，改變了混合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而影響了混合物的熔融熱焓[1-2]。因此通過混合物中PET的百分含量及其結(jié)晶熱焓的關(guān)系建立了PA66/PET混合物的定量分析函數(shù)模型：

式（4-5）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的結(jié)晶熱焓/（J·g-1）

B——PA66的百分含量/%

2.3 PAN/PET混合物的定量函數(shù)模型

圖3是PAN/PET混合物的DSC曲線，圖中PET的熔融峰（254℃）受PAN環(huán)化反應(yīng)的放熱峰的影響而發(fā)生變形，影響PET的熔融峰面積的計(jì)算，而由于PET的冷結(jié)晶峰在142℃附近，并不受PAN放熱峰的影響，因此對(duì)于PAN/PET混合樣品可以利用PET的冷結(jié)晶峰建立其結(jié)晶熱焓與混合物組成比的函數(shù)模型。

表2 PA66/PET混合物的DSC測試結(jié)果

圖3PAN/PET混合物的DSC曲線

表3 PAN/PET混合物的DSC測試結(jié)果

表3為不同比例PAN/PET混合物的測試結(jié)果，對(duì)其中PET的百分含量及其結(jié)晶熱焓的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次擬合，得到PET結(jié)晶熱焓與樣品含量關(guān)系的函數(shù)模型：

式（6-7）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的結(jié)晶熱焓/（J·g-1）

B——PAN的百分含量/%

2.4 PP/PET混合物的定量函數(shù)模型

圖4是PP/PET混合物的DSC曲線，其中PP熔融峰（157℃）與PET冷結(jié)晶峰（142℃）存在部分重疊的現(xiàn)象，不能精確計(jì)算PP的熔融熱焓，而PET的熔融峰（254℃）則不受影響，可以通過PET的熔融熱焓計(jì)算混合物的比例。

圖4PP/PET混合物的DSC曲線

表4 PP/PET混合物的DSC測試結(jié)果

對(duì)表4中PP/PET混合物中PET的百分含量和其熔融熱焓的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次擬合，得到了PET熔融熱焓與樣品含量關(guān)系的函數(shù)模型：

式（8-9）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的熔融熱焓/（J·g-1）

B——PP的百分含量/%

2.5 函數(shù)模型的驗(yàn)證

取由上述幾種合成纖維組成且已知比例的雙組分混紡面料及復(fù)合纖維樣品進(jìn)行DSC測試，并按上述函數(shù)模型計(jì)算樣品的組分含量，結(jié)果見表5。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)的測試結(jié)果

驗(yàn)證試驗(yàn)表明，各組試驗(yàn)中DSC定量分析結(jié)果的最大誤差為2.0%，均符合GB/T 29862─2013《紡織品纖維含量的標(biāo)識(shí)》中規(guī)定的纖維含量允差的要求，因此上述合成纖維定量分析函數(shù)模型是準(zhǔn)確有效的。

3 結(jié)論

差示掃描量熱法可以對(duì)各類合成纖維的混合物進(jìn)行定量分析。針對(duì)不同類型的合成纖維混合物，可根據(jù)相應(yīng)的DSC曲線靈活選取不同類型的熱效應(yīng)峰（熔融峰、結(jié)晶峰等），避開發(fā)生相互干擾的熱效應(yīng)峰，建立定量分析函數(shù)模型。經(jīng)實(shí)際樣品的測試比對(duì)，本試驗(yàn)得到的定量函數(shù)模型的測試結(jié)果符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紡織品纖維含量允差的要求，可以用于相關(guān)產(chǎn)品的定量分析測試。對(duì)于其他合成纖維混合物，也可以采用類似的方法建立相應(yīng)的DSC定量分析函數(shù)模型。

[1]吳國金,潘恩黎.PA66/PET共混物的結(jié)晶行為[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（4）:58-62.

[2]李威,陳藝章,郭朝霞,等.PA66/PET共混體系的相互成核及結(jié)晶行為[J].塑料，2010（5）:51-54.

Analysis of multi synthetic fiber quantitatively by differential scanning calorimetry

RONG Fei,ZENG Xiaozhi,DAI Jing,SHEN Jiahong,DAI Qing
(Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research,Shanghai 200040,China)

The DSC curve of two components mixtures of four kinds of synthetic fiber is tested by differ?ential scanning calorimetry.The linear relationship about the heat enthalpy different heating peak with the samples’components is studied.The quantitative analytic models of the mixtures are obtained.The results show that differential scanning calorimetry can be used for quantitative analysis of mixtures of synthetic fiber accurately．

differential scanning calorimetry,quantitative analysis,synthetic fiber

TS107

A

1001-7046（2017）03-0014-05

2017-03-30

戎斐（1984-），男，工程師，主要從事紡織品的質(zhì)量檢測及相關(guān)研究工作。