多种合成纤维混合物DSC定量分析

戎斐，曾晓知，戴景，沈佳宏，戴晴

（上海市质量监督检验技术研究院，上海200040）

检测技术

多种合成纤维混合物DSC定量分析

戎斐，曾晓知，戴景，沈佳宏，戴晴

（上海市质量监督检验技术研究院，上海200040）

利用差示扫描量热法测定了四种合成纤维二组分混合物的DSC曲线，研究了不同热效应峰的热焓与样品组成的线性关系，建立了合成纤维混合物的定量分析函数模型。试验结果表明，差示扫描量热法可以准确地对合成纤维混合物进行定量分析。

差示扫描量热法；定量分析；合成纤维

0 引言

目前各类合成纤维混合物的定量分析方法主要以化学溶解法为主，这类检测方法存在环境污染大、效率低、检测人员劳动强度大等突出问题，且部分合成纤维因化学性质相似难以利用化学溶解法进行定量分析，因此有必要探索新的检测方法对各类合成纤维混合物进行快速、准确地定量分析，从而提升相关技术机构的检测能力。差示扫描量热法（DSC）是在样品处于程序控制的温度下，观察样品和参比物之间的热流差随温度或时间变化的函数，可用于测量与研究材料的熔融与结晶过程、玻璃化转变温度、反应热、特征温度、相转变等特性。利用差示扫描量热法不仅可以测定合成纤维混合物的DSC曲线，还可通过研究DSC曲线上各个热效应峰的峰面积（热焓）与混合物组成比例的线性关系建立定量分析函数模型，利用该方法可以对合成纤维混纺制品进行快速、准确地定量分析。本文利用差示扫描量热法研究了PTT/PET、PA66/PET、PAN/PET和PP/PET四种合成纤维混合物的定量分析方法。

1 试验

1.1 仪器

耐驰（Netzsch）STA449 F3 Jupiter同步热分析仪、铝坩埚、高纯氮气、哈氏切片器。

1.2 材料

聚丙烯（PP）纤维、尼龙-66（PA66）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）纤维、聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）纤维。

1.3 试验

1.3.1 试样制备

用哈氏切片器将纤维切成粉末状，取一种纤维样品粉末置于铝坩埚内利用同步热分析仪的内部天平称重，然后加入另一种纤维样品粉末再次称重，同时将样品总质量控制在3~5 mg，通过改变两种纤维的质量比制备不同比例的合成纤维混合样品。按上述方法制备不同比例的PTT/PET、PA66/ PET、PAN/PET、PP/PET混合试样。

1.3.2 样品测试

用流量为20 mL/min，初始温度为50℃的氮气作保护气，以10℃/min的速率升温至300℃并保持5 min，将装有样品的坩埚取出并立即投入冷水中淬火以使各个试样具有相同的热处理过程。再次以初始温度50℃，升温速率为10℃/min升温至300℃，并记录样品的DSC曲线。

1.3.3 函数模型的建立

根据差示扫描量热法测得已知比例合成纤维混合样品中各组分的熔融热焓或结晶热焓，用最小二乘法求得二次拟合曲线，从而得到样品中各组分的热焓与质量分数关系的函数模型。

2 结果与讨论

2.1 PTT/PET混合物的定量函数模型

图1PTT/PET混合物的DSC曲线

图1 为PTT/PET混合物的DSC曲线，其中PET的冷结晶峰（132℃）、PTT熔融峰（226℃）及PET熔融峰（254℃）均相互独立（由于受仪器条件所限，无法精确测定PTT的冷结晶热焓，故暂不研究），且它们的热焓与样品组成之间的线性关系均较好，因此上述三个峰均可以用来建立PET/PTT混合物的定量函数模型。

表1为一系列PTT/PET混合物的测试结果，对其中PTT的百分含量及其熔融热焓的数据点进行二次拟合，得到PTT熔融热焓与样品PTT含量关系的函数模型公式（1）：

表1 PTT/PET混合物的DSC测试结果

式（1）中：A——PTT的百分含量/%

X——混合物中PTT的熔融热焓/（J·g-1）

对其中PET的百分含量及其熔融热焓的数据点进行二次拟合，得到PET熔融热焓与样品PET含量关系的函数模型公式（2）：

式（2）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的熔融热焓/（J·g-1）。

对其中PET的百分含量及其结晶热焓的数据点进行二次拟合，得到PET结晶热焓与样品PET含量关系的函数模型公式（3）：

式（3）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的结晶热焓/（J·g-1）。

2.2 PA66/PET混合物的定量函数模型

图2PA66/PET混合物的DSC曲线

图2 是PA66/PET混合物的DSC曲线，由于PA66与PET的熔点分别为257℃和254℃，故混合物DSC曲线上两者的熔融峰几乎完全重合，因此从DSC曲线上只能得到混合物的总熔融热焓及PET的冷结晶热焓。

由表2的测试结果可知，由于纯PA66的熔融热焓高于纯PET，因此随着混合物中PA66含量的提高，混合物的总熔融热焓也表现出增大的趋势，另一方面PET冷结晶热焓也有随PET含量增加而增大的趋势。但对上述数据分别进行二次拟合后发现混合物的总熔融热焓与PET含量的线性关系较差（R2=0.920 0），而PET的结晶热焓与与PET含量的线性关系较好（R2=0.987 4）。这可能是因为PA66及PET发生相互成核作用，改变了混合物的结晶结构，从而影响了混合物的熔融热焓[1-2]。因此通过混合物中PET的百分含量及其结晶热焓的关系建立了PA66/PET混合物的定量分析函数模型：

式（4-5）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的结晶热焓/（J·g-1）

B——PA66的百分含量/%

2.3 PAN/PET混合物的定量函数模型

图3是PAN/PET混合物的DSC曲线，图中PET的熔融峰（254℃）受PAN环化反应的放热峰的影响而发生变形，影响PET的熔融峰面积的计算，而由于PET的冷结晶峰在142℃附近，并不受PAN放热峰的影响，因此对于PAN/PET混合样品可以利用PET的冷结晶峰建立其结晶热焓与混合物组成比的函数模型。

表2 PA66/PET混合物的DSC测试结果

图3PAN/PET混合物的DSC曲线

表3 PAN/PET混合物的DSC测试结果

表3为不同比例PAN/PET混合物的测试结果，对其中PET的百分含量及其结晶热焓的数据点进行二次拟合，得到PET结晶热焓与样品含量关系的函数模型：

式（6-7）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的结晶热焓/（J·g-1）

B——PAN的百分含量/%

2.4 PP/PET混合物的定量函数模型

图4是PP/PET混合物的DSC曲线，其中PP熔融峰（157℃）与PET冷结晶峰（142℃）存在部分重叠的现象，不能精确计算PP的熔融热焓，而PET的熔融峰（254℃）则不受影响，可以通过PET的熔融热焓计算混合物的比例。

图4PP/PET混合物的DSC曲线

表4 PP/PET混合物的DSC测试结果

对表4中PP/PET混合物中PET的百分含量和其熔融热焓的数据点进行二次拟合，得到了PET熔融热焓与样品含量关系的函数模型：

式（8-9）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的熔融热焓/（J·g-1）

B——PP的百分含量/%

2.5 函数模型的验证

取由上述几种合成纤维组成且已知比例的双组分混纺面料及复合纤维样品进行DSC测试，并按上述函数模型计算样品的组分含量，结果见表5。

表5 验证试验的测试结果

验证试验表明，各组试验中DSC定量分析结果的最大误差为2.0%，均符合GB/T 29862─2013《纺织品纤维含量的标识》中规定的纤维含量允差的要求，因此上述合成纤维定量分析函数模型是准确有效的。

3 结论

差示扫描量热法可以对各类合成纤维的混合物进行定量分析。针对不同类型的合成纤维混合物，可根据相应的DSC曲线灵活选取不同类型的热效应峰（熔融峰、结晶峰等），避开发生相互干扰的热效应峰，建立定量分析函数模型。经实际样品的测试比对，本试验得到的定量函数模型的测试结果符合相关国家标准对纺织品纤维含量允差的要求，可以用于相关产品的定量分析测试。对于其他合成纤维混合物，也可以采用类似的方法建立相应的DSC定量分析函数模型。

[1]吴国金,潘恩黎.PA66/PET共混物的结晶行为[J].南京化工大学学报，1998（4）:58-62.

[2]李威,陈艺章,郭朝霞,等.PA66/PET共混体系的相互成核及结晶行为[J].塑料，2010（5）:51-54.

Analysis of multi synthetic fiber quantitatively by differential scanning calorimetry

RONG Fei,ZENG Xiaozhi,DAI Jing,SHEN Jiahong,DAI Qing
(Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research,Shanghai 200040,China)

The DSC curve of two components mixtures of four kinds of synthetic fiber is tested by differ⁃ential scanning calorimetry.The linear relationship about the heat enthalpy different heating peak with the samples’components is studied.The quantitative analytic models of the mixtures are obtained.The results show that differential scanning calorimetry can be used for quantitative analysis of mixtures of synthetic fiber accurately．

differential scanning calorimetry,quantitative analysis,synthetic fiber

TS107

A

1001-7046（2017）03-0014-05

2017-03-30

戎斐（1984-），男，工程师，主要从事纺织品的质量检测及相关研究工作。