顯微紅外光譜法定性鑒別除塵濾料中纖維

曾 曉,陸振乾

(1.鹽城纖維檢驗所,江蘇 鹽城 224051;2.鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,空氣污染問題日益突出,霧霾天氣出現(xiàn)也越發(fā)頻繁。據(jù)統(tǒng)計,火電、鋼鐵、水泥和冶金行業(yè)的煙塵排放是大氣粉塵的主要來源,是造成大氣污染的主要因素。因此,我國對這些重點行業(yè)的煙氣排放制定了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了減少煙氣中粉塵的排放,通常采用袋式除塵器來對煙氣中的粉塵進(jìn)行過濾,從而使煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。工業(yè)除塵器的核心部件為除塵濾袋,通常由除塵濾料縫合而成。除塵濾料一般采用非織造工藝制備而成,采用的纖維原料根據(jù)具體的使用環(huán)境來選擇,如煙氣溫度在130 ℃以下時,采用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維、聚丙烯腈纖維制備的低溫濾料;煙氣溫度在130～250 ℃時,采用耐中高溫的纖維原料,如聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、間位芳綸、聚四氟乙烯(PTFE)纖維和聚砜酰胺(PSA)纖維等;當(dāng)煙氣溫度超過250 ℃時,采用耐高溫的纖維原料,如陶瓷纖維、不銹鋼纖維、玻璃纖維等[3-4]。

為了提高濾料的性能和降低生產(chǎn)成本,越來越多的除塵濾料采用兩種甚至更多種纖維制備,多種纖維在性能方面可取長補(bǔ)短,從而提高濾料的綜合性能。另外,市場上也出現(xiàn)了一些以次充好的現(xiàn)象,采用普通纖維來代替價格昂貴的耐腐蝕耐高溫纖維制備除塵濾料,造成濾袋使用壽命縮短,質(zhì)量不過關(guān)等。因此,在濾料產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用等過程中檢測纖維成分及含量十分必要。目前,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,其中紅外光譜法是一種簡單、快捷的儀器檢測方法,在纖維定性定量方面應(yīng)用廣泛。常用的紅外光譜技術(shù)包括透射紅外光譜技術(shù)、衰減全反射紅外光譜技術(shù)、近紅外漫反射紅外光譜技術(shù)、顯微紅外光譜技術(shù)等[5-6],其中顯微紅外光譜技術(shù)結(jié)合了顯微鏡法和紅外光譜法的優(yōu)點,通過顯微鏡觀測纖維的縱向或橫向微觀形態(tài),并在此基礎(chǔ)上采集特定位置的紅外光譜,獲得高品質(zhì)紅外光譜圖譜,從而給出化學(xué)組成和結(jié)構(gòu),完成定性分析[7-8]。

顯微紅外光譜法可以實現(xiàn)微量分析,極少的樣品就能獲得高質(zhì)量的紅外光譜圖譜,可以進(jìn)行單根纖維的檢測,具有檢測限低、靈敏度高的優(yōu)點。同時,該方法制樣簡便,甚至不需要制樣,實現(xiàn)無損檢測,可以完成難分離的混合纖維制品和微量纖維樣品的測試,且顯微鏡光路調(diào)節(jié)簡單,可以實現(xiàn)對纖維束中的特定部位精確定位分析。以上的諸多優(yōu)點,使得顯微紅外光譜法成為一種更直接的纖維定性鑒別方法,有效地補(bǔ)充了現(xiàn)有的檢測方法。作者采用顯微紅外光譜儀對幾種常用的除塵濾料用纖維進(jìn)行定性分析,以期為除塵濾料中纖維的鑒別提供參考。

1 實驗

1.1 主要原料

PI纖維：短纖維,德國贏創(chuàng)公司產(chǎn);PPS纖維：短纖維,韓國匯維仕公司產(chǎn);PTFE纖維、間位芳綸、PET纖維、PSA纖維：短纖維,國產(chǎn)。

1.2 主要儀器

Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀：美國賽默飛世爾科技公司制;Nicolet iN5型傅里葉變換紅外顯微鏡：通過管路與Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀連接,美國賽默飛世爾科技公司制。

1.3 實驗方法

采用Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀和Nicolet iN5型傅里葉變換紅外顯微鏡以反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8 cm-1。首先,將纖維放置在載玻片上,通過紅外顯微鏡測纖維的縱向形態(tài),并將需要檢測的纖維進(jìn)行定位,通過調(diào)整紅外捕捉框的大小,使紅外光僅作用于該纖維上,減少測試的誤差。然后,開始紅外掃描,獲取定位纖維的紅外光譜,通過分析軟件進(jìn)行快速比對,確定其成分,從而實現(xiàn)定性分析。

2 結(jié)果與討論

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 PTFE纖維

PTFE是由四氟乙烯單體聚合制得全氟化的直鏈高聚物,具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能,被稱為“塑料之王”。PTFE纖維濾料是目前耐溫性和耐化學(xué)性能最好的一種有機(jī)纖維濾料,連續(xù)使用溫度為260 ℃,瞬間使用溫度可達(dá)300 ℃。PTFE纖維濾料被廣泛地應(yīng)用于垃圾焚燒高溫?zé)煔忸I(lǐng)域[9]。

PTFE纖維的紅外光譜如圖1所示。在波數(shù)為1 200 cm-1和1 150 cm-1處有非常強(qiáng)的吸收帶,其中,1 200 cm-1附近的特征峰是—CF2的反對稱伸縮振動峰,1 150 cm-1為—CF2的對稱伸縮振動峰;波數(shù)為624 cm-1和637 cm-1處為 C—F彎曲振動峰。通過上述兩處含氟基團(tuán)的特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PTFE纖維。

圖1 PTFE纖維的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of PTFE fiber

2.2 PSA纖維

PSA纖維又名芳砜綸,是一種在高分子主鏈上含有砜基(—SO2—)的芳香族聚酰胺纖維,該纖維為我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化新型耐高溫合成纖維,具有優(yōu)異的阻燃性,極限氧指數(shù)達(dá)到30%。PSA纖維濾料可在250 ℃高溫?zé)煔鈼l件下長期使用,同時耐酸性能、抗氧化性能良好,主要應(yīng)用于水泥生產(chǎn)線的窯頭和窯尾,以及鋼鐵行業(yè)的高溫?zé)煔獬龎m。

PSA纖維的紅外光譜如圖2所示。在波數(shù)為3 300～3 430 cm-1處為氨基(—NH—)伸縮振動吸收峰;1 668 cm-1處為羰基(C=O)伸縮振動吸收峰,即酰胺 I 吸收帶;1 594 cm-1和1 533 cm-1附近為苯環(huán)骨架的伸縮振動峰;約 1 276 cm-1處是—NH—鍵和—CN—鍵的偶合振動峰,1 070 cm-1處為—SO2—的伸縮振動峰。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PSA纖維。

圖2 PSA纖維的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of PSA fiber

2.3 PI纖維

PI纖維的主鏈含有酰亞胺環(huán),具有高強(qiáng)高模的特點,其濾料的耐溫性能優(yōu)異,連續(xù)使用溫度為 230 ℃,瞬間使用溫度達(dá)到260 ℃。PI纖維濾料的抗氧化性能很好,但抗水解性能差,常應(yīng)用于低含硫量的爐窯中,如水泥生產(chǎn)線窯尾的煙氣除塵。

PI纖維的紅外光譜如圖3所示。在波數(shù)為1 777 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,分別稱為酰亞胺Ⅰ帶和Ⅱ帶,1 510 cm-1附近的吸收峰為芳環(huán)上C=C骨架振動,1 367 cm-1附近的特征峰是亞胺環(huán)上的C—N伸縮振動峰,稱為酰亞胺Ⅲ帶,718 cm-1附近的特征峰是亞胺環(huán)上的C=O彎曲振動峰。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PI纖維。

圖3 PI纖維的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of PI fiber

2.4 間位芳綸

間位芳綸的分子鏈主鏈由苯環(huán)酰胺鍵組成,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,屬于難燃纖維。間位芳綸濾料的耐溫性能優(yōu)于PPS纖維濾料,其長期使用溫度為200 ℃,瞬間使用溫度達(dá)到240 ℃。間位芳綸濾料主要應(yīng)用領(lǐng)域為燃煤電廠、鋼鐵行業(yè)及瀝青攪拌等高溫?zé)煔獬龎m。

間位芳綸的紅外光譜如圖4所示。

圖4 間位芳綸的紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of m-aramid fiber

由圖4可以看出,3 500～3 290 cm-1附近是—OH和N—H的伸縮振動峰,1 644 cm-1附近是酰胺Ⅰ譜帶的特征峰,1 524 cm-1附近是酰胺Ⅱ譜帶的特征峰,1 411 cm-1和1 300 cm-1附近是酰胺Ⅲ譜帶的特征峰,1 115 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)上的C—H變形振動峰。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有間位芳綸。

2.5 PPS纖維

PPS纖維的分子鏈主要由硫原子連接在苯環(huán)對位交替形成,具優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕特性。PPS纖維濾料可在190 ℃的溫度下長期使用,瞬間使用溫度可達(dá)210 ℃,廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、垃圾焚燒爐等高溫?zé)煔獾倪^濾。

PPS纖維的紅外光譜如圖5所示。在波數(shù)為3 064 cm-1、2 924 cm-1、2 851 cm-1處的特征峰是苯環(huán)C—H鍵伸縮振動峰,1 907 cm-1、1 652 cm-1處為苯環(huán)C—H鍵面外彎曲振動,1 571 cm-1、1 474 cm-1、1 386 cm-1處為苯環(huán)C=C鍵的骨架振動峰,1 257 cm-1處為芳環(huán)上C—S鍵的伸縮振動峰,1 097 cm-1附近的特征峰為苯環(huán)C—H鍵面內(nèi)彎曲振動峰,1 075 cm-1處為對稱苯環(huán)上C—S鍵的伸縮振動峰,814 cm-1附近的特征峰是苯環(huán)對位取代的彎曲振動峰。通過以上苯環(huán)和1,4位上的C—S鍵可以鑒別除塵濾料中是否含有PPS纖維。

圖5 PPS纖維的紅外光譜Fig.5 Infrared spectrum of PPS fiber

2.6 PET纖維

PET纖維大分子鏈中的各鏈節(jié)通過酯基連結(jié)而成,具有強(qiáng)度高、彈性回復(fù)性能和耐磨性能好、價格低廉等優(yōu)點。此外,PET纖維耐酸性好,但不耐堿。PET纖維濾料的使用溫度不超過130 ℃,屬于中常溫濾料。

PET纖維的紅外光譜如圖6所示。在波數(shù)為1 711 cm-1處為酯羰基C=O伸縮振動吸收峰,1 239 cm-1、1 092 cm-1處為 C—O—C 反對稱、對稱伸縮振動吸收峰,是對苯二甲酸基團(tuán)的特征峰,700～900 cm-1附近的吸收峰說明苯環(huán)的存在,720 cm-1附近的特征峰為對位雙取代苯環(huán)上氫的面外彎曲振動。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PET纖維。

圖6 PET纖維的紅外光譜Fig.6 Infrared spectrum of PET fiber

3 結(jié)論

a.對除塵濾料中纖維進(jìn)行定性檢測時,采用顯微紅外光譜法能直接觀測纖維的外形,并可針對性地采集紅外光譜,所需的試樣數(shù)量少,無需制樣。該方法是除塵濾料中纖維定性鑒別的有效測試手段,可以在商業(yè)糾紛仲裁、司法鑒定等方面發(fā)揮重要的作用。

b.與傳統(tǒng)的壓片法和衰減全反射法相比,采用反射方式采集的6種纖維的紅外光譜的一致性較好,但在個別峰的位置和相對強(qiáng)度方面存在差異。