覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維的定性鑒別

1 引言

自新冠肺炎疫情發(fā)生以來(lái)，醫(yī)療物資需求井噴，特別是口罩的核心材料熔噴布緊缺。為了緩解口罩供給壓力，現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種可循環(huán)使用的防護(hù)口罩。這種口罩的濾芯是以聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）復(fù)合纖維為纖維原料，在熔噴布上覆上聚四氟乙烯薄膜制成的[1]。PE/PP復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)為皮芯結(jié)構(gòu)，皮層為超細(xì)纖維PE，芯層為粗纖維PP，PP的疏水性和透氣性好，PE的輕薄好，其產(chǎn)品具有柔軟、蓬松和高效低阻的特點(diǎn)[2-3]。PTFE膜纖維直徑在100到200納米之間，厚度約0.2mm，吸濕率低，不依附靜電空氣中的顆粒物，使用壽命更持久，靠呼吸起到PM2.5至PM0.3物理篩分作用，形成高透氣、高過(guò)濾的濾芯。此濾芯結(jié)合了PP、PE、PTFE膜的優(yōu)點(diǎn)，具有高效透濕的特點(diǎn)[4]。這種將不同特性材料進(jìn)行復(fù)合，改變材料結(jié)構(gòu)以滿足最佳功能的復(fù)合過(guò)濾材料，是熱門(mén)的發(fā)展方向[5]。在日常檢驗(yàn)工作中，能否準(zhǔn)確鑒別出復(fù)合纖維的種類(lèi)，對(duì)纖維定量分析起決定性作用。目前對(duì)于覆薄膜的復(fù)合纖維的紡織品還沒(méi)有系統(tǒng)的鑒別方法，因此本文探討采用燃燒法、顯微鏡法、溶解法、紅外光譜法和熔點(diǎn)法綜合分析覆膜樣品，為后續(xù)應(yīng)用更加廣泛的覆膜紡織品的定性鑒別提供一定的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)樣品、設(shè)備和試劑

試驗(yàn)樣品：覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維的熔噴布（PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜），聚四氟乙烯纖維（PTFE），聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維（PE/PP復(fù)合纖維）。

設(shè)備：水浴振蕩器，冷凝回流裝置，纖維細(xì)度分析儀，電熱臺(tái)，偏振光顯微鏡。

試劑：20% 鹽酸，濃鹽酸，75% 硫酸，濃硫酸，濃硝酸，二甲基甲酰胺(DMF)，98%甲酸，冰乙酸，三氯甲烷，二氯甲烷，氫氧化鈉/甲醇，二甲苯。

3 試驗(yàn)原理

根據(jù)纖維特有的物理、化學(xué)等性能，采用燃燒法、溶解法、顯微鏡法鑒別PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜，確定樣品為不溶于硫酸的化學(xué)纖維，用二甲苯將覆在纖維的膜分離出來(lái)。采用紅外光譜儀進(jìn)一步測(cè)試，將PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜與膜的紅外譜圖進(jìn)行差譜分析，獲得纖維的紅外譜圖。之后通過(guò)纖維形態(tài)和熔點(diǎn)測(cè)試確認(rèn)樣品成分。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 燃燒法

用鑷子夾起一小撮樣品放入火源中，觀察樣品靠近火焰時(shí)、在火焰中和離開(kāi)火焰后的燃燒狀態(tài)、燃燒時(shí)散發(fā)的氣味以及燃燒后殘留物形態(tài)，初步辨別纖維種類(lèi)。試驗(yàn)樣品的燃燒特征如表1所示。

PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的熔噴布燃燒性能為合成纖維的燃燒特點(diǎn)，無(wú)法利用燃燒法準(zhǔn)確鑒別出具體的纖維種類(lèi)，需對(duì)樣品進(jìn)一步定性分析。

表1 PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的燃燒特性

4.2 顯微鏡法

抽取少量的纖維置于載玻片上，滴入1～2滴液體石蠟，蓋上蓋玻片，制成縱向樣片。將理順的試樣塞入哈氏切片器中，轉(zhuǎn)出適合的長(zhǎng)度后用火棉膠包埋、切出，滴入1～2滴液體石蠟，蓋上蓋玻片，制成橫截面樣片。將制好的樣片放在纖維細(xì)度分析儀下放大，觀察其縱向、橫截面的特征，如圖1所示。PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的纖維表面圓滑，有明顯的皮芯結(jié)構(gòu)分界線，是兩種聚合物沿著縱向復(fù)合在一起的同心圓皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維。同時(shí)樣品表面有很多膠狀物。

圖1 PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的縱向和橫截面向形態(tài)圖

4.3 溶解法

利用纖維在不同溫度下對(duì)不同溶劑具有不同的溶解性能來(lái)鑒別纖維。選用12種常用的試劑在同等溫度、同等溶解時(shí)間、同等試劑用量條件下進(jìn)行溶解試驗(yàn)，PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的溶解性能如表2所示。

PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜化學(xué)性能穩(wěn)定，與大部分試劑不相溶，只對(duì)二甲苯試劑有反應(yīng)，在煮沸時(shí)PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜中PE/PP復(fù)合纖維完全溶解，只殘留一張薄薄的PTFE膜。

表2 PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的溶解性能

4.4 紅外光譜法

選擇衰減全反射傅里葉紅外光譜法（ATR法）對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，每個(gè)樣掃描32次，分辨率為4cm-1，測(cè)試光譜范圍為4000cm-1～450cm-1。樣品的紅外譜圖如圖2所示。

圖2 PE/PP復(fù)合纖維+ PTFE膜、PTFE膜、PE/PP復(fù)合纖維、PTFE的紅外譜圖

PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜的主要特征峰為：1210 cm-1（—CF2—不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)）、1151cm-1（—CF2—對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)）、637.40cm-1、554.17cm-1、522.42cm-1[—(CF2)n—面內(nèi)搖擺振動(dòng)]為PTFE的特征峰；2916.65cm-1（—CH2—不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)），2849.02cm-1（—CH2—對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)），1476.22cm-1（—CH2—彎曲振動(dòng)），702.22cm-1[—(CH2)n—面內(nèi)搖擺振動(dòng)]，為PE的特征峰；在1377.00cm-1（—CH3—對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)）有弱峰，這是因?yàn)榧t外光穿透能力不超過(guò)波長(zhǎng)，它不能完全穿透到復(fù)合纖維的芯層，所以采集到的芯層PP的峰強(qiáng)較弱。

將PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜與PTFE膜（4.3溶解法中溶于沸騰二甲苯的殘留物）進(jìn)行差譜分析，分離出纖維的紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)樣品聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維的紅外特征峰吻合，紅外譜圖匹配度為90%，由此可知PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜中的纖維為PE/PP復(fù)合纖維。

4.5 熔點(diǎn)法

為了進(jìn)一步驗(yàn)證紅外結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇熔點(diǎn)裝置進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)試。取少量的纖維放在兩片圓形蓋玻片之間，置于偏振光顯微鏡的電熱臺(tái)上，調(diào)節(jié)起偏振鏡和檢偏振鏡相互垂直，使視野黑暗，放置試樣，使大多數(shù)纖維的幾何軸在直交的起偏振鏡和檢偏振鏡間的45°位置上。電熱臺(tái)加熱至100℃后以4℃/min的升溫速率加熱，觀察纖維的溶解情況及對(duì)應(yīng)的溫度。PE/PP復(fù)合纖維+PTFE膜在131.4℃時(shí)突然變亮后亮點(diǎn)消失，纖維皮層熔化，出現(xiàn)液體，為聚乙烯（乙綸的熔點(diǎn)范圍為130℃～132℃）；在161℃時(shí)芯層纖維開(kāi)始熔化，至167℃時(shí)纖維全部熔化，為聚丙烯（丙綸的熔點(diǎn)范圍為130℃～132℃）[6]，由此可知該同心圓皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維為PE/PP復(fù)合纖維。

5 結(jié)論

通過(guò)燃燒法確定只含有化學(xué)纖維，采用顯微鏡法結(jié)合樣品的橫縱截面可觀察到樣品為同心圓皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維和膠狀物的膜，采用溶解法將復(fù)合纖維和膜分離，進(jìn)一步用紅外光譜法進(jìn)行分析，鑒別出膜為PTFE膜，用差譜技術(shù)將分離出聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維組分紅外譜圖，最終用熔點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證，鑒別出皮層為聚乙烯/芯層為聚丙烯，因此可以確定復(fù)合纖維為PE/PP復(fù)合纖維。該樣品為覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯復(fù)合纖維。對(duì)于其他覆膜的紡織品也可以用此方法進(jìn)行綜合分析，即用顯微鏡法觀測(cè)樣品形態(tài)，用溶解法將復(fù)合纖維和膜分離，進(jìn)一步用紅外光譜技術(shù)將提取出的復(fù)合纖維紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對(duì)，最后熔點(diǎn)法驗(yàn)證。