顯微紅外光譜方法定性鑒別高溫濾料纖維研究

譚偉新，王向欽

（廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東廣州511447）

0 引言

鋼鐵、熱電、水泥、冶金和垃圾焚燒等工業(yè)領(lǐng)域排放的廢氣溫度高且含有大量的煙塵顆粒物，是造成大氣污染的主要因素。高溫廢氣中煙塵顆粒物的治理主要采用電除塵器和袋式除塵器。袋式除塵器過濾效率高，使用與維護(hù)較方便，隨著國家對煙塵排放要求的提高，袋式除塵器的應(yīng)用比例大幅提升。耐高溫濾料是耐高溫袋式除塵器的核心組成部分，用于生產(chǎn)耐高溫濾料的纖維具有優(yōu)良的耐高溫和耐化學(xué)性能，此類纖維主要有聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維、芳綸、聚酰亞胺纖維等[1-2]。

高溫濾料有些是由單一纖維生產(chǎn)制成的，但越來越多的高溫濾料由兩種甚至更多種纖維生產(chǎn)制成，多種纖維在性能方面可取長補(bǔ)短，使生產(chǎn)的濾料具有更好的綜合性能。由多種纖維組成的高溫濾料，在生產(chǎn)、流通、應(yīng)用等過程中都需要檢測纖維成分含量，一般先定性鑒別濾料的纖維組分，再進(jìn)行定量測試。在現(xiàn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，纖維成分含量定性檢測的方法主要有顯微鏡法、燃燒法、溶解法、紅外光譜法等，其中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》標(biāo)準(zhǔn)所使用的紅外光譜法是一種方便、快捷的儀器檢測方法。由于生產(chǎn)耐高溫濾料的纖維通常具有優(yōu)良的耐化學(xué)性能，難以通過溶解法進(jìn)行分離；而采用顯微紅外光譜方法可以采集高溫濾料樣品中單根纖維的紅外光譜進(jìn)行纖維定性鑒別。在科技文獻(xiàn)中有對單纖維紅外顯微光譜測量中基本問題的研究[3]，以及一些使用顯微-紅外光譜法對芳綸、滌綸等的研究[4-5]，也有對微量纖維樣品使用顯微紅外光譜進(jìn)行的研究[6]。

紅外顯微鏡是通過顯微鏡觀察被測樣品的微觀物理結(jié)構(gòu)或外觀形態(tài)，并在此基礎(chǔ)上采集樣品特定部位的紅外光譜，通過光譜研究樣品的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，此方法結(jié)合了紅外測試與微區(qū)形貌觀察的功能。紅外顯微鏡在設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面需要兼顧紅外測試與可見光成像方面的性能，在獲得高品質(zhì)紅外光譜圖的同時(shí)，又可收集樣品的視覺圖像。測試時(shí)樣品觀察和光譜采集同時(shí)進(jìn)行，準(zhǔn)確的采樣位置可保證紅外光譜圖的品質(zhì)。紅外顯微鏡常與傅里葉變換紅外光譜儀配合使用，光譜儀的光源引入紅外顯微鏡進(jìn)行分析，光源能量高，分辨率高；也可以使用操作簡便、無需外接傅里葉變換紅外光譜儀的顯微紅外顯微鏡一體機(jī)進(jìn)行測試，但該類儀器的分辨率與信噪比較低。

在單根纖維的顯微紅外光譜采集中，采用紅外顯微鏡與傅里葉變換光譜儀聯(lián)用的方式進(jìn)行檢測，光譜采集的方式通常有透射法、反射法和衰減全反射法。透射法是指檢測被物鏡聚焦在樣品上方且不被樣品吸收而透過的那部分能量，上述能量在樣品下方被聚光器集中后到達(dá)檢測器，從而得到紅外光譜。透射法測試的樣品通常要求是扁平的或被切割成非常薄的形狀，單根纖維或經(jīng)過碾壓扁平化處理的纖維使用透射法采集顯微紅外光譜較為簡便，譜圖質(zhì)量較優(yōu)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維（單絲直徑為0．03 mm）、芳綸和聚酰亞胺纖維，四種纖維試樣均為短纖維。

1.2 試驗(yàn)儀器

Nicolet is50型傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技公司）和Nicolet Continuμm紅外顯微鏡（美國賽默飛世爾科技公司）。

1.3 單纖維紅外光譜采集

使用Nicolet is50型傅里葉變換紅外光譜儀和Nicolet Continuμm紅外顯微鏡以透射方式采集單根纖維的紅外光譜，掃描次數(shù)為50次，分辨率為8cm-1。

2 結(jié)果與分析

紅外光譜中的特征吸收峰與特征吸收譜帶反映了材料分子中基團(tuán)和化學(xué)鍵的信息，不同的物質(zhì)與材料具有不同的分子結(jié)構(gòu)與紅外光譜，將未知單根纖維的顯微紅外光譜與已知單根纖維的顯微紅外光譜進(jìn)行比較，可以定性鑒別纖維成分。

2.1 聚苯硫醚纖維的顯微紅外光譜

聚苯硫醚纖維是由聚苯硫醚通過熔融紡絲工藝制得。聚苯硫醚分子中硫原子連接在苯環(huán)對位形成剛性主鏈，大π鍵的存在使其性能極其穩(wěn)定。聚苯硫醚纖維具有優(yōu)良的耐高溫性能和耐化學(xué)性能，制品主要用于高溫?zé)煔膺^濾、防火織物、消防服裝等，其耐化學(xué)性僅次于聚四氟乙烯纖維。使用顯微紅外光譜方法以透射方式采集的聚苯硫醚纖維的紅外光譜圖（見圖1）中，3 300 cm-1、3 065 cm-1和2 920 cm-1處的特征峰是C—H伸縮振動峰，1 600 cm-1附近的特征峰是與S原子連接的苯環(huán)C==C鍵伸縮振動峰，1 470 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)的骨架振動吸收峰，1 180cm-1附近的特征峰是芳環(huán)上C—S鍵的伸縮振動峰，1 090 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)的面內(nèi)彎曲峰，810 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)對位取代的彎曲振動峰。

2.2 聚四氟乙烯纖維的顯微紅外光譜

聚四氟乙烯纖維是以聚四氟乙烯為原料經(jīng)熔融紡絲、乳液紡絲或裂膜紡絲工藝制成。聚四氟乙烯分子鏈中氟原子體積大，氟碳鍵結(jié)合力強(qiáng)，對碳碳主鏈具有較好的保護(hù)作用，使得聚四氟乙烯纖維化學(xué)穩(wěn)定性極好，常用來制作高溫?zé)煔膺^濾的濾袋和耐腐蝕性的液體過濾材料。使用顯微紅外光譜方法以透射方式采集的聚四氟乙烯纖維的紅外光譜圖（見圖2）中，1 210 cm-1附近的特征峰是—CF2的反對稱伸縮振動峰，1150cm-1附近的特征峰是—CF2的對稱伸縮振動峰，通過上述兩處含氟基團(tuán)的特征峰可以較為方便地鑒別出聚四氟乙烯纖維。

2.3 芳綸的顯微紅外光譜

芳綸的全稱為芳香族聚酰胺纖維，有分子鏈呈直線狀排列的對位芳綸和分子鏈呈鋸齒狀排列的間位芳綸，芳綸具有高強(qiáng)高模、耐高溫和耐化學(xué)優(yōu)異性能，是高性能纖維的重要品種，也是生產(chǎn)高溫?zé)煔膺^濾材料的主要纖維原材料。使用顯微紅外光譜方法以透射方式采集的芳綸紅外光譜圖（見圖3）中，3 320 cm-1附近的特征峰是N—H伸縮振動峰，1 642 cm-1附近的特征峰是酰胺Ⅰ譜帶，1 530 cm-1附近的特征峰是酰胺Ⅱ譜帶，1 410 cm-1和1 310 cm-1附近的特征峰是酰胺Ⅲ譜帶，1 115 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)上的C—H變形振動峰，1 016 cm-1附近的特征峰是C—N伸縮振動峰，820 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)上兩個(gè)相鄰氫的面外彎曲振動,表明苯環(huán)上的取代基為對位取代，因此測試的樣品為對位芳綸。

圖1 聚苯硫醚纖維的顯微紅外光譜圖

2.4 聚酰亞胺纖維的顯微紅外光譜

聚酰亞胺是主鏈含有酰亞胺環(huán)的一類聚合物，聚酰亞胺纖維通常采用兩步紡絲法制得，先將聚酰胺酸的濃溶液紡絲制成聚酰胺酸纖維，再經(jīng)化學(xué)環(huán)化或熱環(huán)化得到聚酰亞胺纖維。聚酰亞胺纖維耐溫性極佳，耐化學(xué)性和力學(xué)性能優(yōu)良，是后期發(fā)展和應(yīng)用于生產(chǎn)高溫濾料的優(yōu)質(zhì)纖維原材料。使用顯微紅外光譜方法以透射方式采集的聚酰亞胺纖維的紅外光譜圖（見圖4）中，1 775 cm-1附近的特征峰是C==O反對稱伸縮振動吸收峰，1 720 cm-1附近的特征峰是C==O對稱伸縮振動峰，1 370 cm-1附近的特征峰是亞胺環(huán)上的C—N伸縮振動峰，722 cm-1附近的特征峰是亞胺環(huán)上的C==O彎曲振動峰。

3 結(jié)論

（1） 使用顯微紅外光譜方法可以采集高溫濾料中分離的單根纖維的紅外光譜，該方法較傳統(tǒng)的紅外光譜方法更加直接和有針對性，是高溫濾料纖維成分定性鑒別的有效技術(shù)手段。

（2） 使用顯微紅外光譜方法以透射方式采集單根纖維的紅外光譜，與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》標(biāo)準(zhǔn)中以KBr鹽片透射法或衰減全反射法采集的紅外光譜相比，在個(gè)別峰的位置和相對強(qiáng)度方面存在差異。使用顯微紅外光譜方法進(jìn)行纖維定性鑒別時(shí)，應(yīng)與以同等條件下采集的已知纖維的紅外光譜進(jìn)行對照。

圖2 聚四氟乙烯纖維的顯微紅外光譜圖

圖3 芳綸的顯微紅外光譜圖

圖4 聚酰亞胺纖維的顯微紅外光譜圖