聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混合物定量化學(xué)分析研究

張金良

（上饒幼兒師范高等專科學(xué)校，江西 上饒 334000）

1 聚偏氟乙烯

聚偏氟乙烯簡(jiǎn)稱PVDF，屬于高分子共聚物，其中含有單體氟，分子結(jié)構(gòu)呈聚乙烯型主鏈排列，其中氟元素在全體分子組成中占比六成，且炭氫化學(xué)鍵將氟連接起來(lái)，分子式為(-CH2-CF2-)n。

由于C—F 鍵相對(duì)較短，故而擁有較大鍵能，較高溫度下C—F 鍵才會(huì)發(fā)生斷裂。一般情況下，當(dāng)溫度為155～192℃時(shí)，C—F 鍵會(huì)斷裂，出現(xiàn)溶解現(xiàn)象。分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的含氟高分子共聚物，高溫分解溫度還能達(dá)到316℃以上[1]。由此得出，常溫狀態(tài)下的聚偏氟乙烯分子結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，不易受到分解。除此之外，將聚偏氟乙烯置于有機(jī)溶劑中同樣能夠保持分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。從相關(guān)文獻(xiàn)著作中了解到，目前已知的能夠讓聚偏氟乙烯溶解的化學(xué)試劑為二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺等，這類溶液具有極強(qiáng)的溶解性。

聚偏氟乙烯通過(guò)紡絲處理成為聚偏氟乙烯纖維，該物質(zhì)延續(xù)了聚偏氟乙烯的化學(xué)性能，常溫狀態(tài)下化學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定，不溶于酸堿性溶液，且抗氧化能力強(qiáng)，該類型纖維在鋰電池、醫(yī)用膜中有所應(yīng)用。從相關(guān)理論資料中了解到，熔體紡絲、載體紡絲均為制作含氟纖維的有效方法[2]。

2 化學(xué)試驗(yàn)

為明確聚偏氟乙烯纖維的定性分析方法，筆者通過(guò)顯微鏡法、燃燒法、溶解法、紅外光譜法完成探究。同時(shí)參照以上定性分析，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料反饋，配置多種化學(xué)溶液，分析聚偏氟乙烯纖維在其中的溶解情況，進(jìn)而得出修正系數(shù)。最終明確聚偏氟乙烯同其他纖維混合物的定量分析方法。

2.1 試劑

參與本次化學(xué)試驗(yàn)的溶劑純度較高，分析測(cè)定中不會(huì)受無(wú)關(guān)變量影響。試劑包括三氯甲烷、95%～98%硫酸、硝基苯、2-氯苯酚、三氯乙酸/三氯甲烷、氨水等。

2.2 試驗(yàn)器具及試驗(yàn)方法

2.2.1 常規(guī)器具

加熱板、高低溫水浴振蕩器、電子天平、纖維細(xì)度儀、傅立葉變換紅外光譜儀、燒杯等。

2.2.2 常規(guī)纖維鑒別分析法測(cè)試

收集相關(guān)文獻(xiàn)資料，此次常規(guī)纖維鑒別測(cè)試選為燃燒法。試驗(yàn)人員點(diǎn)燃酒精燈，用鑷子夾住纖維一端，另一端先靠近火焰，之后置于其中，最后移出火焰，分別觀察纖維狀態(tài)，記錄火焰燃燒情況、燃燒后產(chǎn)生的味道、灰燼的特點(diǎn)。以FZ/T 01057—2007 的纖維定性鑒別分析方法為依據(jù)，再次對(duì)纖維進(jìn)行顯微鏡法、溶解法、紅外光譜法、熔點(diǎn)法的試驗(yàn)，同時(shí)將纖維在試驗(yàn)中表現(xiàn)出的理化性能記錄在案。

2.2.3 熱失重試驗(yàn)

熱失重試驗(yàn)需要用到熱重分析儀，該儀器能夠事先設(shè)定一個(gè)基礎(chǔ)溫度，之后以10℃/min 的速度調(diào)整溫度，最低溫度不得低于105℃，最高不得超過(guò)800℃，溫度的改變會(huì)使試驗(yàn)纖維重量發(fā)生改變，進(jìn)而自動(dòng)生成失重曲線圖，從圖中可以了解到纖維熱失重性能。專業(yè)領(lǐng)域經(jīng)常以該試驗(yàn)方法明確纖維在升溫狀態(tài)下的物相變化。這里規(guī)定儀器中的氮?dú)饧尤肓繛?0mL/min。

2.3 試驗(yàn)樣品及預(yù)處理

本次試驗(yàn)對(duì)象為聚偏氟乙烯纖維單絲，混紡用的其他纖維為日常檢驗(yàn)中收集而得。需要注意的是，參與定量分析的纖維必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 燃燒法

采取燃燒法觀察聚偏氟乙烯纖維燃燒狀態(tài)，當(dāng)纖維移出火焰時(shí)，火焰瞬間熄滅，由此判斷出該纖維有阻燃性。同芳綸、聚芳酯纖維作比較，該類型纖維表現(xiàn)出不同的燃燒特征，即聚偏氟乙烯纖維燃燒時(shí)伴隨辛辣氣味，灰燼較硬且呈黑色焦炭狀，以上現(xiàn)象與腈綸、聚酯纖維這類普通合成纖維燃燒后的表現(xiàn)比較接近，不過(guò)從火焰情況來(lái)看，又能看出不同[3]。聚偏氟乙烯纖維置于火焰中時(shí)會(huì)有黑煙生成，且火焰顏色也與常規(guī)合成纖維不同。至于該類型纖維有別于其他纖維的更具體內(nèi)容，則需要開(kāi)展其他實(shí)驗(yàn)加以明確。

3.2 顯微鏡法

將聚偏氟乙烯纖維放在載玻片上，調(diào)焦后進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果表明，該類型纖維的顯微結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)合成纖維。從縱向角度觀察，纖維表面平整不粗糙，細(xì)小條紋分布其間，纖維橫截面呈圓形[4]。由此分析出該試驗(yàn)方法無(wú)法給出聚偏氟乙烯纖維的鑒別數(shù)據(jù)，若想進(jìn)一步分析此纖維性能，還需其他實(shí)驗(yàn)方法的加入。

3.3 定量分析試驗(yàn)

本次試驗(yàn)參照紡織品定量分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，隨機(jī)選擇10 個(gè)聚偏氟乙烯纖維參與試驗(yàn)。正式試驗(yàn)前，對(duì)這些纖維實(shí)行預(yù)處理，根據(jù)定量分析的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定展開(kāi)多次試驗(yàn)，將試樣放入不同試劑中，根據(jù)前后試劑質(zhì)量變化，作平均值計(jì)算，最終明確聚偏氟乙烯纖維在不同化學(xué)試劑溶液中的質(zhì)量修正系數(shù)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

常溫狀態(tài)下，聚偏氟乙烯纖維在三氯乙酸或三氯甲烷試劑中放置15min，修正系數(shù)為1.00；45～55℃狀態(tài)下，在75%硫酸中靜置1h，修正系數(shù)為1.00；20～30℃狀態(tài)下，在80%甲酸中放置15 min，修正系數(shù)為1.00；20℃狀態(tài)下，在濃度為1mol/L 的堿性次氯酸鈉中靜置40 min，修正系數(shù)為1.00；常溫狀態(tài)下，在丙酮中靜置30 min，修正系數(shù)為1.00；10～30℃狀態(tài)下，在80%甲酸中靜置15 min，修正系數(shù)為1.00；69～75℃狀態(tài)下，在65%硫氰酸鉀中靜置10 min，修正系數(shù)為1.00；常溫狀態(tài)下，在99%冰乙酸中靜置1h，修正系數(shù)為1.00；常溫狀態(tài)下，在20%鹽酸中靜置25 min，修正系數(shù)為1.00；35～45℃狀態(tài)下，在苯酚或四氯乙烷中靜置10 min，修正系數(shù)為1.00；常溫狀態(tài)下，在75%甲酸中靜置20 min，修正系數(shù)為1.00。

參照上述修正系數(shù)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2910—2009和GB/T 38015—2019 中規(guī)定的測(cè)試方法，并借助試驗(yàn)檢測(cè)，最終明確去除非纖維物質(zhì)后的聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混合物定量化學(xué)分析方法有如下6 種。

其一，選用75%硫酸溶解去除纖維素纖維或氨綸中剩余的聚偏氟乙烯纖維，參照以上對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)，明確各類型纖維的含量；其二，將蛋白質(zhì)纖維放入濃度為1mol/L 的堿性次氯酸鈉中，去除其中的聚偏氟乙烯纖維，根據(jù)修正系數(shù)明確各類型纖維含量；其三，將聚酯纖維放入三氯乙酸/三氯甲烷中，溶解其中的聚偏氟乙烯纖維，參照對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)，明確各纖維含量；其四，將棉綸或維綸放入20%鹽酸中，消除其中的聚偏氟乙烯纖維，根據(jù)對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)，明確各纖維含量；其五，將醋纖放入丙酮試劑中，去除剩余聚偏氟乙烯纖維，三醋纖放入二氯甲烷中，溶解剩余聚偏氟乙烯纖維，根據(jù)相關(guān)修正系數(shù)，明確各纖維含量；其六，將腈綸放入65%硫氰酸鉀中，消除剩余聚偏氟乙烯纖維，用同樣步驟得出各纖維百分含量。

聚偏氟乙烯纖維的化學(xué)溶解性能如表1 所示。

表1 聚偏氟乙烯纖維化學(xué)溶解性能

分析PEEK（聚醚醚酮）纖維與PPS（聚苯硫醚）纖維的化學(xué)溶解性能得出以下結(jié)論。

其一，將PEEK 纖維放入95%～98%的硫酸溶液中，常溫、煮沸狀態(tài)下均不溶解；PPS 纖維常溫下不溶解，煮沸狀態(tài)下溶于硫酸之中。

其二，75%硫酸溶液中，PEEK 纖維在常溫和煮沸狀態(tài)下均不溶解，PPS 纖維在常溫下不溶解，煮沸狀態(tài)下溶于硫酸溶液。

其三，65%～68%硝酸溶液中，PEEK 纖維在常溫和煮沸狀態(tài)下均不發(fā)生溶解，PPS 纖維在常溫下不溶解，煮沸狀態(tài)下發(fā)生溶解。

其四，在三氯乙酸/三氯甲烷溶液、濃度為1mol/L的堿性次氯酸鈉溶液、65%硫氯酸鉀溶液、80%甲酸溶液、環(huán)已酮溶液、N，N-二甲基甲酰胺溶液、苯酚或四氯乙烷溶液以及硝基苯溶液中，PEEK 纖維與PPS 纖維在常溫與煮沸狀態(tài)下均不發(fā)生溶解。

3.4 聚偏氟乙烯纖維與同類高性能纖維定量分析試驗(yàn)

聚偏氟乙烯纖維屬于高分子聚合物，可以經(jīng)受強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液的腐蝕，而且在部分有機(jī)溶劑中也不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠保持穩(wěn)定性能。該類型纖維的性能表現(xiàn)與PEEK、PPS、丙綸等纖維極為相似，這些纖維憑借優(yōu)良性能在諸多領(lǐng)域有所應(yīng)用。這也顯示出做好聚偏氟乙烯纖維與以上同類型纖維混紡的定量分析的重要意義。表2 為聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混紡定量試驗(yàn)結(jié)果。

表2 聚偏氟乙烯纖維（PVDF）與其他纖維混紡定量試驗(yàn)結(jié)果（單位：%）

根據(jù)聚偏氟乙烯纖維與其他纖維在不同試劑中的溶解性的差異及相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)，參照紡織品定量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最終得出相應(yīng)的定量化學(xué)分析法：在N,N-二甲基甲酰胺中溶解掉聚偏氟乙烯纖維中剩余的PEEK或PPS 纖維，根據(jù)對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)明確3 種纖維的占比含量；在相同試劑中溶解聚偏氟乙烯纖維中剩余的乙綸或丙綸，同樣步驟得出各纖維占比。

3.5 纖維定量結(jié)果分析

參照上面分析出的纖維定量分析法，可以明確聚偏氟乙烯纖維同其他纖維混合物平行樣定量試驗(yàn)重現(xiàn)性良好，經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，得出的結(jié)果比較穩(wěn)定，誤差均在1%以內(nèi)，符合紡織品定量分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。以上定量分析法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

文章采取化學(xué)試驗(yàn)的方法，以燃燒法大致判斷出聚偏氟乙烯纖維具有阻燃性，從火焰和灰燼表現(xiàn)可以看出該類型纖維不同于其他化學(xué)合成纖維。顯微鏡法則沒(méi)有得出聚偏氟乙烯纖維有別于其他纖維的特點(diǎn)。應(yīng)用溶解法得出，該纖維與同類型纖維表現(xiàn)出較大差異，其能在環(huán)已銅、硝基苯中發(fā)生溶解，該發(fā)現(xiàn)可以為之后的纖維定性定量分析提供依據(jù)。將聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混合物放在各種化學(xué)試劑中，按照溶解差異及相應(yīng)的質(zhì)量修正系數(shù)，得出定量分析方法。最終試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，能夠被應(yīng)用于實(shí)際的混合纖維檢驗(yàn)中。