碳纤维的定性/定量鉴别技术研究

蔡涛

摘要：

本文通过红外光谱和拉曼光谱研究了碳纤维的特殊波谱形态；应用定量技术对碳纤维和常规纤维混合物进行了定量方法研究，以区分碳纤维和其他纤维。

关键词：碳纤维；拉曼光谱；定量分析

1 引言

碳纤维是一种主要由碳元素组成的特殊纤维，其显著特点是强度高，模量高，密度小。碳纤维具有诸多优异的综合性能，其应用领域广泛，例如航空航天、文体用品、纺织、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面[1-3]。碳纤维的表征技术已相当成熟，但目前对碳纤维的鉴别技术研究尚没有相关报道，由此产生的经济纠纷时有发生，研究和开发碳纤维的鉴别技术显得日益迫切。

本文在研究碳纤维结构和性质的基础上，对碳纤维定性和定量分析方法进行了研究。研究过程中采用拉曼光谱和红外吸收光谱法对碳纤维进行定性鉴别，结合相关文献和材料中对碳纤维进行准确定性；采用化学溶解方法对碳纤维和其他纤维混合物进行定量鉴别。

2 试验部分

试验试剂：硫酸、盐酸、次氯酸钠、氢氧化钠、硝酸、甲酸、氢氟酸、冰乙酸、氢氧化铜、硫氰酸钾、氢氧化铵、N，N-二甲基甲酰胺、二甲苯、丙酮、四氢呋喃、苯酚、四氯化碳、砒碇、1，4-丁内酯、二甲亚砜、环己酮、二氯甲烷、二氧六环、乙酸乙酯。以上试剂均为分析纯。

试样：PAN基碳纤维长丝（中复神鹰生产，规格：12K）。

2.1 红外光谱测试

试验仪器：美国Thereto Nicolet公司生产的Nexus6700型傅立叶变换型红外光谱仪。

试验方法：将试样整理成束，用哈氏切片器将纤维切成长度小于20微米的粉末，取约10mg的试样粉末与200mg的光谱级溴化钾混合，并以标准程序压成透明的薄片在红外光谱仪上测定它们的红外光谱图，测试光谱范围为4000cm-1～650cm-1，光谱分辨率优于4cm-1。

2.2 拉曼光谱测试

试验仪器：美国Thereto Nicolet Nexus670 + Raman-

Module。

试验方法：将碳纤维表面清洗干净，再从碳纖维丝束中任意抽取一根单丝，固定在样品台上，用氩激光器光源照射样品，在纵向以10μm间隔测定20点的拉曼光谱线，并分别记录I1480（D线）和I1580（G线）；计算相应的强度比R（I1480/I1580）以及变异系数（CV值）。

3 结果与讨论

3.1 碳纤维光谱特征

红外光谱将吸收的一部分光能转换成振动能和转动能，因此出现吸收峰。碳纤维结构中的分子为红外非活性分子，如图1所示，红外光谱试验显示碳纤维基本不吸收红外，无吸收峰，该特征可以作为碳纤维区别其他纤维的主要特征之一。一般而言，对于红外活性弱的同核双原子对，其Raman活性相对比较强，因此可以很容易在Raman光谱上检测到峰值。

拉曼光谱是分子散射光谱，对拉曼光谱的分析基于光源激光束照射到试样时发生散射现象。物质的分子不同，振动和转动也不同，产生的散射光谱也不同。

利用傅立叶变换红外-拉曼光谱仪获得碳纤维表面不同部位的拉曼光谱图（见图2），6个不同部位的拉曼光谱图具体参数见表1。

从图表中可以看出碳纤维拉曼光谱的两个主要峰D峰和G峰分别位于1350cm-1和1587cm-1处[4-6]，其位置基本上没有变化。但显示的R值略有不同，其变化主要在1.09到1.12范围内，这表示石墨化程度和晶体中缺陷含量在碳纤维表面的分布情况，R位越高表示其石墨化程度越高，其微晶中缺陷的含量越大，从表中看出R值变化相对较小。碳纤维表面沿轴向的微晶分布情况相对较均匀。在结合其他定性鉴别方法的基础上，可以通过D峰和G峰位置来判定是否为碳纤维。

3.2 碳纤维在不同溶剂中的质量修正系数

按照相关标准规定的试验条件，确定碳纤维在不同溶剂中的质量修正系数，结果见表2。

3.3 碳纤维与其他纤维的混合定量分析

参照GB/T 2910—2009《纺织品 定量化学分析》所规定的试验条件，计算碳纤维与其他纤维的混合物的定量试验，结果如表3所示。

由表3看出，碳纤维与其他纤维定量试验的最大误差为0.13%，未超过纤维定量要求的1%，由此可以判断碳纤维与其他纤维定量鉴别的方法有效可行。

4 结论

（1）通过对碳纤维的红外光谱和拉曼光谱的研究，发现碳纤维的红外光谱没有吸收峰，该项特征可以作为定性鉴别碳纤维的方式之一；利用傅立叶变换红外-拉曼光谱仪获得碳纤维表面不同部位的拉曼光谱图，可知碳纤维拉曼光谱的两个主要峰D峰和G峰分别位于1350cm-1和1587cm-1处，其位置基本上没有变化。因此在结合其他定性鉴别方法的基础上，可以通过D峰和G峰位置来判定是否为碳纤维。

（2）通过化学溶解法定量鉴别碳纤维，得出碳纤维的质量修正系数，再根据得到的质量修正系数对碳纤维和其他纤维混合物进行定量鉴别。试验结果显示，定量试验的最大误差均未超过1%，可以判断化学溶解法定量鉴别碳纤维的试验有效可行。

参考文献：

[1] 王茂章， 贺福. 碳纤维的制造、性质及其应用[M]. 北京：科学出版社， 1984：2-3.

[2] 柯泽豪， 林菁菁. 碳纤维研究发展之现状与未来[J]. 高科技纤维与应用， 2000，25（6）：2-3.

[3] 杨国华. 碳素材料[M]. 北京：中国物资出版社， 1999：24-26.

[4] 任桂知. 拉曼光谱研究碳纤维的微观结构及CNT/环氧树脂体系中缺陷周围的应力分布[D]. 上海：东华大学， 2014.

[5] 贺福. 用拉曼光谱研究碳纤维的结构[J]. 高科技纤维与应用， 2005（6）：20-25.

[6] 石彦平. 拉曼光谱研究碳纤维的微观结构和性能[D]. 上海：东华大学， 2011.

（作者单位：福建省纤维检验局）