聚醚醚酮纖維的定性鑒別方法研究

文/劉貴

1 引言

聚醚醚酮(PEEK)1978年首次由英國ICI公司合成，是一種特殊的熱塑性聚合物。PEEK纖維是一種全芳香族的纖維，其大分子主鏈上含有醚鍵與酮鍵，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐水解、抗疲勞等優(yōu)異性能，在航空航天、電子電氣、自動(dòng)化等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

目前，常州創(chuàng)贏新材料科技有限公司經(jīng)多年研發(fā)已形成100噸/年的產(chǎn)能，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性較好，打破了英美壟斷，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、石油化工、造紙、醫(yī)療衛(wèi)生及文化體育用品領(lǐng)域。學(xué)術(shù)界對聚醚醚酮的研究主要關(guān)注于纖維的制備及應(yīng)用。有大量研究集中在PEEK纖維的改性及其復(fù)合材料方面的研究，如沈鎮(zhèn)等人探討了碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料的激光原位成型工藝，方良超等人則研究了PEEK的改性及其應(yīng)用，魏勝敏等人則研究了聚醚醚酮的紅外光譜特性。國內(nèi)紡織服裝相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)還沒有對PEEK纖維進(jìn)行定性的方法。隨著功能性纖維的快速需求，聚醚醚酮纖維的應(yīng)用越來越受關(guān)注，研究和開發(fā)聚醚醚酮纖維與其他纖維的鑒別技術(shù)十分有必要。本文參考FZ/T 01057相關(guān)試驗(yàn)方法，通過燃燒、橫截面和縱向形態(tài)觀察、溶解、熔點(diǎn)、紅外光譜、熱重及差熱分析等試驗(yàn)和方法，研究了該纖維的各項(xiàng)綜合特征，得到了聚醚醚酮纖維的定性分析方法。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)試劑

硫酸、鹽酸、硝酸、次氯酸鈉、氫氧化鈉、甲酸、冰乙酸、硫氰酸鉀、氫氟酸、銅氨、四氯化碳、環(huán)己酮、丙酮、二甲苯、苯酚、乙酸乙酯、雙氧水、四氫呋喃、二甲亞砜、N，N二甲基甲酰胺、二氧六環(huán)、二氯甲烷、1，4-丁內(nèi)酯、吡啶等。上述試劑均為分析純。

2.2 試驗(yàn)儀器

熱重分析儀（TGA4000）、差示掃描量熱儀（DSC8000）、紅外光譜儀（nocilet380）、纖維細(xì)度分析儀（CU6）等。

2.3 試樣

聚醚醚酮纖維長絲，由常州創(chuàng)贏新材料科技有限公司提供。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.4.1 燃燒試驗(yàn)

觀察聚醚醚酮纖維靠近、接觸和離開火焰時(shí)的狀態(tài)，記錄燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣味和燃燒后的殘留物特征。記錄結(jié)果見表1。

表1 聚醚醚酮纖維燃燒性能

2.4.2 顯微鏡觀察試驗(yàn)

依據(jù)FZ/T 01057.3方法，制取聚醚醚酮纖維橫截面切片。將適量聚醚醚酮纖維均勻平鋪于載玻片上，滴一滴液體石蠟并蓋上蓋玻片，得到其縱面觀察片。將橫截面切片和縱面觀察片置于纖維細(xì)度分析儀載物臺(tái)上，放大200～500倍，觀察其特征，結(jié)果見圖1。

圖1 聚醚醚酮纖維面形態(tài)

從圖1可以看出，聚醚醚酮纖維的橫截面為近似圓形，呈透明狀態(tài)；縱向表面光滑。

2.4.3 溶解試驗(yàn)

按照FZ/T 01057.4—2007標(biāo)準(zhǔn)要做，采用其規(guī)定的試劑，將適量的聚醚醚酮纖維放入燒杯中，加入適量上述試劑。聚醚醚酮樣品和試劑的質(zhì)量比大約1∶100。在室溫下?lián)u動(dòng)燒杯5分鐘，觀察其溶解情況；沸煮條件下，保持沸騰3分鐘，觀察其溶解情況。結(jié)果見表2。

表2 聚醚醚酮纖維化學(xué)溶解性能

由表2可知，聚醚醚酮纖維在絕大多數(shù)的化學(xué)試劑中都不溶解，僅在常溫95%～98%硫酸中部分溶解，煮沸的95%～98%硫酸中完全溶解。

2.4.4 紅外光譜試驗(yàn)

聚醚醚酮纖維的紅外吸收光譜圖如圖2所示。1653cm處為C=0的伸縮振動(dòng)，1598cm、1491cm和1306cm處為Ar-O-Ar ( Ar為芳基，下同)的平面振動(dòng)；1278cm、1228cm和1187cm處為Ar-O-Ar的不對稱伸縮振動(dòng)，927cm處為Ar-CO-Ar的對稱伸縮振動(dòng)；1159cm和1011cm處為C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)，866cm和767cm處為C—H面外彎曲振動(dòng)。

圖2 聚醚醚酮纖維紅外光譜譜圖

2.4.5 熱重分析試驗(yàn)

參照GB/T 37631—2019《化學(xué)纖維 熱分解溫度試驗(yàn)方法》，采用熱重分析儀測定聚醚醚酮纖維的熱分解溫度，結(jié)果見圖3。

圖3 聚醚醚酮纖維TG和DTG圖

圖3表明聚醚醚酮纖維的熱降解溫度在500℃～700℃之間，最大熱失重速率峰為591.18℃。800℃條件下，該纖維的殘留物為黑色膠狀小球。

2.4.6 熔點(diǎn)和差熱分析（DSC）試驗(yàn)

取少量PEEK纖維放在兩蓋玻片之間，置于熔點(diǎn)儀的電熱板上，調(diào)焦使纖維圖像清晰，逐漸升溫并用熔點(diǎn)儀上的顯微鏡觀察該纖維的形態(tài)變化。從室溫升到300℃的過程中，PEEK纖維受熱并沒有明顯變化。結(jié)果表明通過現(xiàn)有熔點(diǎn)儀無法測定該纖維的熔點(diǎn)。為此對聚醚醚酮纖維進(jìn)一步開展DSC試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

圖4 聚醚醚酮纖維DSC升溫曲線

從圖4可以看到聚醚醚酮纖維在345.28℃處出現(xiàn)熔融峰，從而推斷該纖維熔點(diǎn)在345℃附近。

3 結(jié)論

本文依據(jù)FZ/T 01057相關(guān)方法，研究了聚醚醚酮纖維的燃燒、形態(tài)、溶解、紅外光譜、熱重、差熱分析等6個(gè)方面的特征。通過燃燒試驗(yàn)，初步進(jìn)行大類鑒別和區(qū)分；進(jìn)行橫縱向觀察，發(fā)現(xiàn)橫截面接近圓形，縱向光滑，可判斷為合成纖維；依據(jù)該纖維僅在常溫95%～98%硫酸中部分溶解，煮沸的95%～98%硫酸中完全溶解，可知為非常規(guī)合成纖維。通過紅外光譜試驗(yàn)，得到了1653cm、1598cm、1491cm、1306cm、1278cm、1228cm、1187cm和927cm多處特征峰，確認(rèn)該纖維大分子含有酮鍵和醚鍵，從而對其類別作更進(jìn)一步的確認(rèn)。熱重及差熱分析法則進(jìn)一步分析了該纖維的熱穩(wěn)定性能，得到了相關(guān)溫度曲線。因此，本文基于以上6種鑒別方法，較全面地研究了聚醚醚酮纖維的定性分析方法，可以實(shí)現(xiàn)對聚醚醚酮纖維的鑒別。