聚苯硫醚纖維的定性鑒別

陸 艷

聚苯硫醚纖維(polyphenylene sulfide fiber)具有優(yōu)良的耐熱性能、耐化學(xué)性能、阻燃性能、電學(xué)性能和力學(xué)性能[1],因而聚苯硫醚纖維在高溫、化學(xué)腐蝕環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。分析燃燒法、顯微鏡法、化學(xué)溶解法、熔點法和紅外吸收光譜法對聚苯硫醚纖維進(jìn)行定性鑒別。

1 試樣

試驗材料為進(jìn)口聚苯硫醚纖維,2.75 dtex×51mm。

2 試驗方法和結(jié)果

2.1 燃燒法

燃燒法是依據(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[2]。聚苯硫醚纖維的燃燒特征見表1所示。

表1 聚苯硫醚纖維的燃燒特征

結(jié)果表明,聚苯硫醚纖維的燃燒特征與大部分的合成纖維類似,鑒別時需要操作人員具有豐富的工作經(jīng)驗。

2.2 顯微鏡法

顯微鏡法是通過顯微鏡分別觀察纖維橫截面和縱向形態(tài),從而來鑒別纖維的種類。聚苯硫醚纖維的截面切片制作使用Y172型哈式切片器,需將聚苯硫醚纖維切成薄而均勻、10～30μm的橫截面薄片,縱向制片則需將纖維梳理整齊,然后用剪刀將纖維剪成2～3 mm的片段。再利用CU-Ⅰ型纖維細(xì)度儀觀察聚苯硫醚纖維的橫截面和縱向形態(tài)特征,聚苯硫醚纖維的橫截面和縱向微細(xì)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征見圖1。

圖1 聚苯硫醚纖維的縱、橫向微細(xì)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征

從圖1可以看出,聚苯硫醚纖維的橫截面形態(tài)為圓形或近似圓形,其縱向形態(tài)為表面平滑,形態(tài)結(jié)構(gòu)跟多數(shù)合成纖維類似,故顯微鏡法無法準(zhǔn)確鑒別該纖維。

2.3 化學(xué)溶解法

化學(xué)溶解法是利用各種纖維的化學(xué)組成不同,在各種化學(xué)溶液中溶解性能各異的原理來鑒別纖維[3]。在試驗時,必須嚴(yán)格控制測試條件,按照規(guī)定的溶液濃度、溶液溫度和作用時間來處理。選用的6種化學(xué)試劑對聚苯硫醚纖維的溶解試驗結(jié)果見表2。

從表2中可以看出,聚苯硫醚纖維溶解于沸騰的硫酸(95%～98%)和硝酸(65%),溶液顏色分別呈現(xiàn)黑色和黃色。

表2 聚苯硫醚纖維的溶解性能

2.4 熔點法

高聚物內(nèi)晶體完全消失時的溫度,即晶體熔化時的溫度稱為熔點。熔點法一般適用于鑒別熔點特征明顯的合成纖維,因為合成纖維在高溫作用下,大分子鏈接結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,先軟化而熔融;熔點法不適用于天然纖維素纖維、再生纖維素纖維和蛋白質(zhì)纖維,這是因為它們的熔點高于分解點,在高溫作用下不熔融而分解或炭化。經(jīng)測試,聚苯硫醚纖維的熔點為284℃,熔點法適用于純聚苯硫醚纖維鑒別,不適用于混紡產(chǎn)品。

2.5 紅外吸收光譜法

當(dāng)一定波長的紅外光照射到被測樣品上時,該物質(zhì)分子中某個基團(tuán)的振動頻率和它一樣,兩者就會發(fā)生共振,此時光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子,這個基團(tuán)就會吸收該頻率的紅外光而發(fā)生振動能級的躍遷,產(chǎn)生紅外吸收峰。紅外光譜法鑒別纖維是根據(jù)組成纖維分子的各種化學(xué)基團(tuán),無論存在于何種化合物中都有自己特定的紅外吸收帶的位置,不同纖維有不同的紅外吸收譜圖,將測得試樣的紅外光譜圖與已知纖維的紅外光譜圖核對比較,就可以推斷出纖維含有哪種基團(tuán)和化學(xué)鍵以及各自數(shù)量的多少,以此來鑒別纖維的種類。紅外光譜的波長范圍大約為0.75～1 000μm,通常將紅外光譜分為近紅外區(qū)、中紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外三個區(qū)域,其波長、波數(shù)之間的關(guān)系見表3。

表3 紅外光譜波長、波數(shù)之間的關(guān)系

一般近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的,中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜,遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動光譜和某些基團(tuán)的振動光譜。由于絕大多數(shù)有機(jī)物和無機(jī)物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū),因此中紅外區(qū)是研究和應(yīng)用最多的區(qū)域,通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜。

用Nicolet i S10型傅里葉紅外光譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)和i TR附件(晶體板為硒化鋅ZnSe),掃描次數(shù)32,分辨率4 c m-1,波數(shù)范圍4 000～400 c m-1,鏡速0.632 9 c m·s-1[4]。聚苯硫醚纖維的紅外光譜吸收圖譜如圖2所示。

圖2 聚苯硫醚纖維的紅外光譜吸收圖譜

在1 571.83 c m-1出現(xiàn)苯環(huán)C-C雙鍵的伸縮振動吸收峰,1 469.80 c m-1和1 385.39 c m-1是苯環(huán)骨架振動吸收峰,1 090.69 c m-1和1 073.49 c m-1是C=CH苯環(huán)面內(nèi)彎曲振動吸收峰,805.61 c m-1強(qiáng)峰是苯環(huán)對位取代質(zhì)子特征峰,是面外彎曲振動吸收峰[5]。

在聚苯硫醚纖維的幾個特征峰中,1 090.69 c m-1和1 073.49 c m-1是苯環(huán)面內(nèi)對稱和不對稱的伸縮振動峰,最能代表無定形結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度的特征峰。但是1 073.49 c m-1特征峰的強(qiáng)度同時受結(jié)晶部分和無定形部分影響,而1 090.69 c m-1特征峰的強(qiáng)度僅受無定形部分控制。因此,觀察1 090.69 c m-1特征峰是判斷聚苯硫醚結(jié)晶度的一種有效手段。故通過紅外吸收光譜法可以快速準(zhǔn)確鑒別聚苯硫醚纖維,但該法使用的儀器昂貴,操作復(fù)雜,成本較高,適用于仲裁性試驗。

3 結(jié)論

(1)聚苯硫醚纖維在接近火焰時收縮,在火焰中熔融燃燒,冒些許黑煙,離開火焰不延燃,有臭味,殘渣為黑褐色硬塊。

(2)聚苯硫醚纖維的橫截面形態(tài)為圓形或近似圓形,其縱向形態(tài)為表面平滑,與大部分合成纖維類似。

(3)聚苯硫醚纖維溶解于沸騰的硫酸(95%～98%)和硝酸(65%),溶液顏色分別呈現(xiàn)黑色和黃色。

(4)聚苯硫醚纖維的熔點為284℃。

(5)觀察1 090.69 c m-1特征峰是判斷聚苯硫醚結(jié)晶度的一種方法,故通過紅外譜圖和譜帶的分布可以有效鑒別聚苯硫醚纖維。

(6)聚苯硫醚纖維的系統(tǒng)鑒別法為:首先通過燃燒法確定纖維的類別,即合成纖維,然后通過化學(xué)溶解法以及熔點法最終確定纖維的種類。而紅外吸收光譜法可以對純聚苯硫醚纖維進(jìn)一步的確認(rèn),適用于仲裁性試驗。

[1] 王 樺.聚苯硫醚纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2007,(7):1-4.

[2] 馬順彬,吳佩云.維綸基大豆纖維與維綸的鑒別和性能比較[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2011,(7):11-15.

[3] 耿琴玉.紡織材料檢測[M].上海:東華大學(xué)出版社,2013.

[4] 馬順彬,吳佩云.竹漿纖維與粘膠纖維的鑒別及性能測試[J].毛紡科技,2010,38(1):42-46.

[5] 田 菁.高性能聚苯硫醚(PPS)纖維的制備與改性[D].上海:東華大學(xué),2007.