聚乙烯/聚丙烯和聚乙烯/聚酰胺復(fù)合纖維定性鑒別方法研究

袁聰慧，許志強(qiáng)，黃 芽，錢 浩

(凱泰特種纖維科技有限公司，浙江 紹興 312071)

在20世紀(jì)80年代，日本Chisso公司成功開(kāi)發(fā)了第一代聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)復(fù)合纖維(簡(jiǎn)稱PE/PP纖維)[1]，它是一種以PE為皮，PP為芯的皮芯復(fù)合纖維。皮層在高于其熔點(diǎn)的熱處理?xiàng)l件下熔融，并與其他材料發(fā)生黏結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了自身黏合而無(wú)需使用黏合劑的工藝突破，主要用于非織造布領(lǐng)域。PE/PP纖維的問(wèn)世，是傳統(tǒng)非織造布生產(chǎn)工藝的巨大革新，使非織造布領(lǐng)域的產(chǎn)品品種和質(zhì)量得到了極大的豐富和提高[2]。之后，人們又開(kāi)發(fā)出了其他多種PE復(fù)合纖維品種，如PE/聚酰胺6(PA 6)復(fù)合纖維(簡(jiǎn)稱PE/PA 6纖維)，以PE為皮層，PA 6為芯層，制成截面為同心圓形狀的復(fù)合纖維，同樣可作為熱熔黏合纖維應(yīng)用于無(wú)紡布領(lǐng)域[3]。隨著PE/PP纖維和PE/PA 6纖維在市場(chǎng)上的廣泛推廣應(yīng)用，對(duì)兩者進(jìn)行有效區(qū)分鑒別也開(kāi)始受到關(guān)注。但目前并沒(méi)有針對(duì)這兩種復(fù)合纖維的定性分析的標(biāo)準(zhǔn)方法，因此，作者采用了燃燒法、溶解法、顯微鏡法、差示掃描量熱法(DSC法)、傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)對(duì)PE/PP纖維和PE/PA 6纖維的性能進(jìn)行了研究，并與PE纖維進(jìn)行了對(duì)比分析，為快速鑒別PE/PP纖維和PE/PA 6纖維提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及試樣

硫酸：分析純，衢州巨化試劑有限公司產(chǎn)；鹽酸：分析純，佛山市華希盛化工有限公司產(chǎn)；苯酚：分析純，西隴化工股份有限公司產(chǎn)；四氯乙烷：分析純，上海展云化工有限公司產(chǎn)；硝酸：分析純，佛山市華希盛化工有限公司產(chǎn)；甲酸：分析純，無(wú)錫市晶科化工有限公司產(chǎn)；碘(I2)：分析純，青島拓海碘制品有限公司產(chǎn)；碘化鉀(KI)：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；PE/PP纖維、PE/PA 6纖維、PE纖維試樣：凱泰特種纖維科技有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器和設(shè)備

哈氏切片器、YG002D型纖維細(xì)度分析儀：常州第二紡織儀器廠制；AQ-204電子天平：精度為0.1 mg，梅特勒-托利多公司制；Pyris-1型差示掃描量熱儀：美國(guó)珀金埃爾默公司制；Spotlight 400紅外光譜儀：美國(guó)珀金埃爾默公司制；XC881-3型烘箱：吳江市新成烘箱制造廠制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 燃燒法

按照FZ/T01057.2—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第2部分：燃燒法》標(biāo)準(zhǔn)要求，用鑷子夾住少許試樣，觀察試樣靠近火焰、接觸火焰和離開(kāi)火焰時(shí)的狀態(tài)，嗅聞燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣味，輕捻燃燒后殘留物的狀態(tài)，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)中附錄A的各種纖維燃燒狀態(tài)的描述，來(lái)判斷纖維種類。

1.3.2 溶解法

稱取約0.5 g纖維試樣，將纖維試樣置于小燒杯中，注入約50 mL試劑溶液，在常溫(20～30 °C)下?lián)u動(dòng)5 min，觀察試樣溶解情況，若完全溶解則實(shí)驗(yàn)結(jié)束。若不溶解或不完全溶解，則將裝有試樣的小燒杯加熱至沸騰，并保持3 min，觀察纖維的溶解情況。對(duì)照FZ/T 01057.4—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第4部分：溶解法》附錄A中常用紡織纖維的溶解性能，來(lái)判斷纖維種類。

1.3.3 顯微鏡法

按照FZ/T 01057.3—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第3部分：顯微鏡法》標(biāo)準(zhǔn)要求，先將適量纖維均勻平鋪于載玻片上，加上一滴甘油或液體石蠟，蓋上蓋玻片，在纖維細(xì)度分析儀上放大200倍，觀察纖維的縱面形態(tài)。再取適量纖維，使用哈氏切片器切取試樣薄片，置于載玻片上，再加上一滴I2-KI溶液，使其浸潤(rùn)試樣薄片，在纖維細(xì)度分析儀上放大400倍，觀察纖維的橫截面形態(tài)和顯色情況。

1.3.4 DSC法

在氮?dú)夥諊?，?0 °C/min的速率從室溫升至280 °C，并在該溫度下平衡5 min，消除熱歷史；然后以20 °C/min的速率降溫至30 °C，在該溫度下平衡5 min；最后以20 °C/min的速率從室溫升至280 °C，得到二次升溫曲線，以此作為纖維鑒別的主要依據(jù)。

1.3.5 FTIR法

取小束待測(cè)試樣，切取約1 cm長(zhǎng)的纖維段，放在兩片載玻片中間壓實(shí)，將其放置到加熱臺(tái)上，升溫到一定溫度待纖維段完全熔融后，在載玻片上施加一定的壓力，將熔融的纖維熱壓成薄片置于紅外光譜儀中掃描，掃描波數(shù)為550～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為16，分辨率為4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒法

將PE/PP纖維與PE/PA 6纖維進(jìn)行燃燒測(cè)試，并將其與PE纖維的燃燒性能進(jìn)行對(duì)比，3種纖維的燃燒特征如表1所示。

表1 纖維的燃燒性能Tab.1 Combustion properties of fibers

由表1可知，PE/PP纖維與PE/PA 6纖維在燃燒過(guò)程中有一定的差異。PE/PP纖維與PE纖維的燃燒狀態(tài)與殘留物狀態(tài)相同，燃燒過(guò)程中有石蠟味，殘留物呈灰白色蠟片狀。而PE/PA 6纖維在燃燒過(guò)程中有氨基味，這是因?yàn)槠浜蠵A 6纖維成分，殘留物呈硬淡棕色透明圓珠狀。因此根據(jù)燃燒時(shí)的氣味和殘留物特征，可將PE/PA 6纖維與PE/PP纖維區(qū)分出來(lái)。

2.2 溶解法

選用8種不同溶劑對(duì)PE/PP纖維、PE/PA 6纖維、PE纖維進(jìn)行溶解實(shí)驗(yàn)，試樣在不同溶劑中的溶解性能如表2所示。

表2 試樣在不同溶劑中的溶解性能Tab.2 Solubility of samples in different solvents

由表2可知，PE/PP纖維與PE纖維在選用的8種常用溶劑中均不溶解，而PE/PA 6纖維的溶解性能結(jié)合了PE纖維和PA 6纖維的復(fù)合特性。PA 6纖維在上述溶劑中均能溶解，但由于PA 6纖維成分在PE/PA 6纖維的芯層，溶劑較難滲透進(jìn)去，無(wú)法與芯層充分接觸，只能溶解纖維斷面的較少芯層部分[4]，在溶解過(guò)程中，可觀察到有少量細(xì)小顆粒溶出，但不明顯。因此，溶解法較難區(qū)分出PE/PP纖維和PE/PA 6纖維。

2.3 顯微鏡法

在纖維細(xì)度分析儀觀察PE/PP纖維、PE/PA 6纖維、PE纖維的橫截面和縱面形態(tài)。結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 試樣橫截面形態(tài)的顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Microscopic photographs of cross section morphology of samples

圖2 試樣縱面形態(tài)的顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Microscopic photographs of longitudinal surface morphology of samples

由圖1可見(jiàn)，在未加I2-KI溶液時(shí)，PE/PP纖維和PE/PA 6纖維的橫截面均為圓形或近似圓形，且呈現(xiàn)出明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，PE纖維的橫截面為圓形或近似圓形，無(wú)皮芯結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)圖2縱面形態(tài)，同樣可看出PE/PP纖維和PE/PA 6纖維較明顯的皮芯分界線。在3種纖維的橫截面薄片上，滴加I2-KI溶液，觀察著色情況發(fā)現(xiàn)，只有PE/PA 6纖維的芯層變深褐色，另外兩種纖維不顯色，這是因?yàn)镻A 6纖維可被I2-KI溶液著色[5]，PE和PP無(wú)法著色。因此，通過(guò)觀察在纖維橫截面薄片滴加I2-KI溶液后的著色情況，可明顯區(qū)分PE/PP纖維和PE/PA 6纖維。

2.4 DSC法

由圖3可見(jiàn)，PE/PP纖維熔融過(guò)程中出現(xiàn)了2個(gè)熔融峰，分別為132.2 °C和162.1 °C，分別與PE和PP的熔融峰相吻合。PE/PA 6纖維熔融過(guò)程中也有2個(gè)熔融峰，分別為131.0 °C和216.4 °C，分別與PE和PA 6的熔融峰相吻合。因此，通過(guò)PP、PA 6的熔融溫度可準(zhǔn)確區(qū)分PE/PP纖維和PE/PA 6纖維。

圖3 試樣的DSC曲線Fig.3 DSC curves of samples1—PE/PP纖維；2—PE/PA 6纖維；3—PE纖維

2.5 FTIR法

由圖4可知，PE纖維的FTIR中，PE的各特征峰為2 915.03 cm-1為—CH2—的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，2 847.78 cm-1為—CH2—的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 462.11 cm-1為—CH2—的彎曲振動(dòng)，717.99 cm-1歸屬為—CH2—的面內(nèi)搖擺振動(dòng)。

圖4 試樣的FTIRFig.4 FTIR spectra of samples1—PE/PP纖維；2—PE/PA 6纖維；3—PE纖維

對(duì)比PE纖維的FTIR，PE/PP纖維的FTIR，除了PE的特征吸收峰外，還出現(xiàn)了歸屬于PP的特征吸收峰：2 949.93 cm-1為—CH3的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)， 1 375.66 cm-1為—CH3的對(duì)稱變形振動(dòng)，1 166.72 cm-1為—CH3的面外搖擺振動(dòng)，972.43 cm-1為—CH3的面內(nèi)搖擺振動(dòng)。由這些紅外特征峰可知PE/PP纖維中含有PE和PP兩種組分。

對(duì)比PE纖維的FTIR，PE/PA 6纖維的FTIR除了PE的特征吸收峰外，還出現(xiàn)了PA 6的特征吸收峰：3 295.5 cm-1歸屬為酰胺基中—NH伸縮振動(dòng)吸收峰，1 633.84 cm-1為酰胺基中C—O鍵伸縮振動(dòng)吸收引起(為酰胺Ⅰ帶)，1 538.12 cm-1為酰胺基中N—H鍵彎曲振動(dòng)和C—N鍵伸縮振動(dòng)的組合吸收峰(為酰胺Ⅱ帶)，1 261.53 cm-1歸屬為酰胺基的彎曲振動(dòng)(為酰胺Ⅲ帶)，3 072.22 cm-1附近為酰胺Ⅱ波段的倍頻帶。因此，由這些紅外特征峰可推斷復(fù)合纖維中含有PE和PA 6兩種組分。

3 結(jié)論

a. 燃燒法可以區(qū)分出PE/PP纖維和PE/PA 6纖維，而溶解法無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分這兩種復(fù)合纖維；用顯微鏡法并輔以I2-KI溶液著色，可觀察到PE/PA 6纖維的芯層變深褐色，由此可區(qū)分這兩種復(fù)合纖維。

b. PE/PP纖維和PE/PA 6纖維的DSC曲線中分別呈現(xiàn)出其所含兩種成分對(duì)應(yīng)的熔融峰，由其熔融溫度可以準(zhǔn)確區(qū)分出這兩種復(fù)合纖維。

c. PE/PP纖維和PE/PA 6纖維的FTIR中分別呈現(xiàn)出其所含兩種成分的復(fù)合特征峰，由PE、PP、PA 6的的紅外光譜特征峰可以準(zhǔn)確區(qū)分出這兩種復(fù)合纖維。