高溫過濾材料定性鑒別方法分析

徐燕，金玉霞，丁敏俊

（1.上海市紡織工業(yè)技術(shù)監(jiān)督所，上海200082；2.上海紡織集團(tuán)檢測標(biāo)準(zhǔn)有限公司，上海200082）

0 引言

高溫過濾材料一般指耐溫性能在200℃以上的材料，因具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐酸堿性以及高強(qiáng)度、高模量、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化工、鋼鐵、冶金、電力以及垃圾焚燒等領(lǐng)域，在控制高溫?zé)煟ǚ郏m排放物方面具有很好的效果[1]。隨著我國對于環(huán)境保護(hù)和大氣污染治理力度的加大，對高溫過濾材料的研究和開發(fā)顯得日益迫切，然而國內(nèi)檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)尚未制定一套系統(tǒng)的方法用于鑒別高溫過濾材料。

目前，市場上應(yīng)用較多的高溫過濾材料主要有聚酯纖維、聚酰亞胺纖維、芳綸1313、聚噁二唑纖維、聚苯硫醚纖維、玻璃纖維、聚四氟乙烯纖維[2-4]等，但在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)過程中，為了最大程度地發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢，通常將多種高溫過濾材料混合使用。然而，由于大部分高溫過濾材料在紡織纖維鑒別方法中較為少見，且缺少相關(guān)的技術(shù)文件的指導(dǎo)，導(dǎo)致檢測人員在濾料纖維的鑒別上遇到了挑戰(zhàn)。本文參照FZ/T 01057《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法》的第2～4部分、第6部分和第8部分，借助燃燒法、顯微鏡法、溶解法、熔點(diǎn)法以及紅外光譜法對上述常見高溫過濾材料的定性鑒別方法進(jìn)行探究，希望研究結(jié)果可為檢測人員對高溫過濾材料的鑒定提供幫助。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑

硫酸、硝酸、環(huán)己酮、氫氟酸、N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷/三氯乙酸（三氯甲烷與三氯乙酸的質(zhì)量比為1∶1）。

1.2 試驗(yàn)儀器

Leica DM7508生物顯微鏡、顯微熱分析儀、IS10傅里葉變換紅外光譜儀。

1.3 試樣

聚酯纖維、聚酰亞胺纖維（圓形聚酰亞胺和三葉形聚酰亞胺）、芳綸1313、聚噁二唑纖維、聚苯硫醚纖維、玻璃纖維、聚四氟乙烯纖維。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 燃燒法試驗(yàn)

參照FZ/T 01057.2—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第2部分：燃燒法》執(zhí)行。試驗(yàn)時，從樣品上取少許試樣，用鑷子夾住試樣慢慢靠近火焰，同時觀察纖維的燃燒狀態(tài)、燃燒時的氣味以及殘留物特征等情況，并做好記錄。

1.4.2 顯微鏡法試驗(yàn)

參照FZ/T 01057.3—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第3部分：顯微鏡法》執(zhí)行。試驗(yàn)時，用鑷子取適量試樣纖維平鋪于載玻片上，加上一滴液體石蠟后蓋上蓋玻片，置于顯微鏡載物臺上，在400倍放大倍數(shù)下觀察纖維的形貌特征。其中，玻璃纖維的橫截面參考引用標(biāo)準(zhǔn)AATCC 20—2018《纖維定性分析》。

1.4.3 溶解法試驗(yàn)

參照FZ/T 01057.4—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第4部分：溶解法》執(zhí)行。試驗(yàn)時，將上述1.3試樣中的纖維分別放置于1.1試劑所配制的溶液中，樣品與試劑的質(zhì)量比為1∶100，在不同的溫度下觀察不同纖維在各種試劑中的溶解性能。

1.4.4 熔點(diǎn)試驗(yàn)

用鑷子取適量試樣纖維平鋪于載玻片上，蓋上蓋玻片，放于熔點(diǎn)儀顯微鏡的電熱板上，并調(diào)焦使纖維成像清晰。使電熱板以（3~4）K/min的速率升溫，從顯微鏡中觀察此過程中纖維形態(tài)的變化。記錄下纖維熔化時的溫度，即為此纖維的熔點(diǎn)。

1.4.5 紅外光譜試驗(yàn)

參照FZ/T 01057.8—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第8部分：紅外光譜法》執(zhí)行。采用ATR法對纖維進(jìn)行紅外光譜掃描，每個試樣分別掃描32次，波數(shù)4 000～400 cm-1。

2 結(jié)果及討論

2.1 燃燒法

各纖維燃燒時的狀態(tài)及表現(xiàn)特征詳見表1。由表1可知，根據(jù)纖維燃燒的狀態(tài)（靠近火焰、接觸火焰和離開火焰時的狀態(tài)）、燃燒時產(chǎn)生的氣味和燃燒后的殘留物特征可辨別纖維類別。但在實(shí)際的檢測過程中，很多濾料產(chǎn)品并不是單一成分，因而僅通過觀察纖維的燃燒現(xiàn)象很難確定濾料產(chǎn)品的成分。

表1 各種纖維的燃燒狀態(tài)及表現(xiàn)特征

2.2 顯微鏡法

圖2 芳綸1313的掃描電鏡圖

圖3 聚酰亞胺（圓形）掃描電鏡圖

圖1 ～圖8展示了不同類別纖維在顯微鏡下的縱面和橫截面形態(tài)。由圖1～圖8可以看出：聚酯纖維縱面光滑，部分纖維表面有小黑點(diǎn)，橫截面呈圓形；芳綸1313縱面有疤痕，不太光滑，橫截面呈圓形；圓形聚酰亞胺纖維外觀多呈金黃色，縱面光滑，橫截面呈圓形；三葉形聚酰亞胺纖維縱面有很明顯的溝槽，橫截面呈三葉形；聚噁二唑纖維縱面表面粗糙，縱面縱向有明顯條紋，橫向有竹狀橫節(jié)，橫截面呈不規(guī)則圓形，有中腔；玻璃纖維縱面光滑透明，橫截面呈圓形；聚苯硫醚纖維縱面光滑，橫截面呈圓形；聚四氟乙烯纖維縱面呈扁平帶狀，有明顯縱向條紋及橫向條紋，纖維間直徑差異較大，橫截面呈不規(guī)則長方形。在上述纖維中，聚四氟乙烯纖維、三葉形聚酰亞胺纖維以及聚噁二唑纖維的形態(tài)較為獨(dú)特，易通過顯微鏡觀察鑒別出來，而其他纖維的橫截面大多為圓形，縱面形態(tài)差異不大，難以通過顯微鏡法進(jìn)行鑒別。

圖1 聚酯纖維的掃描電鏡圖

圖4 聚酰亞胺（三葉形）的掃描電鏡圖

圖5 聚噁二唑纖維的掃描電鏡圖

圖6 玻璃纖維的掃描電鏡圖

圖8 聚四氟乙烯纖維的掃描電鏡圖

圖7 聚苯硫醚纖維的掃描電鏡圖

2.3 溶解法

表2 總結(jié)了纖維在各試劑中的溶解性能。由表2可知：聚酯纖維在常溫98%硫酸和三氯甲烷/三氯乙酸中可溶解；芳綸1313在常溫98%硫酸和煮沸的環(huán)己酮中可溶解；聚酰亞胺（圓形）在常溫98%硫酸下部分溶解，加熱可全部溶解；聚酰亞胺（三葉形）在常溫98%硫酸、煮沸的65%～68%硝酸和N,N-二甲基甲酰胺中可溶解；聚噁二唑纖維在常溫98%硫酸、煮沸的75%硫酸中可溶解；聚苯硫醚纖維在煮沸的98%硫酸或煮沸的65%～68%硝酸中可溶解；玻璃纖維在常溫氫氟酸中可溶解；聚四氟乙烯纖維在目前已知的試劑中均不溶解。可見，僅用溶解法也是難以鑒別出上述8種纖維的。

表2 8種纖維在不同試劑中的的溶解性能

2.4 熔點(diǎn)法

高溫過濾材料耐溫性能一般都超過200℃。其中，聚酯纖維的熔點(diǎn)為（255～260）℃，聚苯硫醚纖維熔點(diǎn)為（285～300）℃，聚四氟乙烯纖維的熔點(diǎn)為（329～333）℃，玻璃纖維沒有明顯的熔點(diǎn)，而其他4種纖維的熱穩(wěn)定性極佳，難以通過常規(guī)的熔點(diǎn)法進(jìn)行區(qū)分。因此，僅通過熔點(diǎn)法鑒別上述纖維較為困難。

2.5 紅外光譜法

圖9 ～圖16分別給出了8種纖維的紅外特征光譜圖。由圖9可以看出，聚酯纖維的特征吸收峰主要在波長1 713 cm-1與723 cm-1左右處，分別由分子鏈中的C==O鍵伸縮振動和苯環(huán)的面外彎曲振動引起。由圖10可以看出，芳綸1313的特征吸收峰主要在波長1 640 cm-1與780 cm-1左右處，分別由分子鏈中酰胺鍵（—NHCO—）伸縮振動和間位取代苯環(huán)的彎曲振動引起。由圖11和圖12可以看出：圓形和三葉形聚酰亞胺的特征吸收峰相似，在波長1 780 cm-1和1 710 cm-1左右有兩個吸收峰，這是由亞胺環(huán)上C==O鍵的對稱和不對稱伸縮振動引起；在波長1 380 cm-1左右的吸收峰是由于亞胺環(huán)上的C—N鍵伸縮振動引起；在波長720 cm-1處的吸收峰是由于亞胺環(huán)上的C==O鍵彎曲振動引起。由圖13可以看出，聚噁二唑纖維的特征吸收峰主要在波長1 480 cm-1、850 cm-1和715 cm-1左右處，其中1 480 cm-1處的特征峰是由于芳環(huán)中的C=N鍵伸縮振動引起的，850 cm-1和715 cm-1處的特征吸收峰是由于苯環(huán)中的==C—H面外彎曲振動引起的。由圖14可以看出，聚苯硫醚纖維的特征吸收峰主要在波長1 572 cm-1、1470cm-1、1179cm-1和805cm-1左右處，其中1572cm-1、1 470 cm-1處的特征吸收峰是由于苯環(huán)的骨架振動引起，1 179 cm-1處的特征吸收峰是C—S鍵伸縮振動引起，805 cm-1處的特征吸收峰是對位取代苯環(huán)的特征峰。由圖15可以看出，聚四氟乙烯纖維只有在波長1 200 cm-1和1 145 cm-1左右處有兩個吸收峰，這是C—F鍵的對稱伸縮和不對稱伸縮振動引起的。由圖16可以看出，玻璃纖維最強(qiáng)的吸收峰在波長930 cm-1左右處，這是由于Si—O—Si鍵的伸縮振動引起的。

圖9 聚酯纖維的紅外光譜圖

圖10 芳綸1313的紅外光譜圖

圖11 聚酰亞胺（三葉形）的紅外光譜圖

圖12 聚酰亞胺（圓形）的紅外光譜圖

圖13 聚噁二唑纖維的紅外光譜圖

圖14 聚苯硫醚纖維的紅外光譜圖

圖15 聚四氟乙烯纖維的紅外光譜圖

圖16 玻璃纖維的紅外光譜圖

3 結(jié)論

（1）根據(jù)8種纖維的燃燒表征現(xiàn)象、顯微鏡下的縱面和橫截面形態(tài)、纖維的溶解性能、熔點(diǎn)以及紅外特征吸收峰，可以系統(tǒng)地鑒別出常見高溫過濾材料的成分。

（2）聚酯纖維在顯微鏡下縱面光滑，部分有黑點(diǎn)，橫截面呈圓形，在三氯甲烷/三氯乙酸中可溶解。此外，還可借助在波長1 713 cm-1與723 cm-1處的紅外特征吸收峰和（255～260）℃熔點(diǎn)來進(jìn)行鑒別。

（3）芳綸1313在顯微鏡下縱面有疤痕，橫截面呈圓形，在煮沸的98%硫酸或環(huán)己酮中可溶解。必要時，可借助紅外光譜法在1 640 cm-1與780 cm-1處的特征吸收峰來進(jìn)行鑒別。

（4）三葉形聚酰亞胺纖維在顯微鏡下縱面有明顯溝槽，橫截面呈三葉形，在煮沸的N,N-二甲基甲酰胺中可溶解；圓形聚酰亞胺纖維顯微鏡下縱面光滑，橫截面呈圓形，在98%硫酸下可溶解。此外，也可根據(jù)在1 780 cm-1、1710 cm-1以 及1 380 cm-1處的紅外特征吸收峰來進(jìn)行鑒別。

（5）聚噁二唑纖維在顯微鏡下縱面有縱向條紋，橫向有竹狀橫節(jié)，橫截面呈不規(guī)則圓形，有中腔，在煮沸的75%硫酸中可溶解。紅外光譜法在850 cm-1和715 cm-1處的特征吸收峰也能將之鑒別。

（6）聚苯硫醚纖維顯微鏡下縱面表面光滑，橫截面呈圓形，在煮沸的98%硫酸或65%~68%硝酸中可溶解。同時，也可借助（285～300）℃熔點(diǎn)和紅 外 光譜法在1 572 cm-1、1 470 cm-1、1 179 cm-1和805 cm-1處的特征吸收峰來進(jìn)行鑒別。

（7）玻璃纖維在顯微鏡下縱面光滑透明，橫截面呈圓形，在氫氟酸中可溶解。借助紅外光譜法在930 cm-1處的特征吸收峰也可將其鑒別出來。

（8）聚四氟乙烯纖維在顯微鏡下縱面呈扁平帶狀，有明顯縱向條紋及橫向條紋，橫截面呈不規(guī)則長方形，且在目前已知試劑中均不能溶解。必要時，可借助（329～333）℃熔點(diǎn)和在波長1 200 cm-1和1 145 cm-1處的紅外特征吸收峰進(jìn)行鑒別。