聚苯硫醚纤维的定性鉴别

陆 艳

聚苯硫醚纤维(polyphenylene sulfide fiber)具有优良的耐热性能、耐化学性能、阻燃性能、电学性能和力学性能[1],因而聚苯硫醚纤维在高温、化学腐蚀环境等领域得到广泛应用。分析燃烧法、显微镜法、化学溶解法、熔点法和红外吸收光谱法对聚苯硫醚纤维进行定性鉴别。

1 试样

试验材料为进口聚苯硫醚纤维,2.75 dtex×51mm。

2 试验方法和结果

2.1 燃烧法

燃烧法是依据纤维接近火焰时、在火焰中和离开火焰后的不同燃烧状态和熔融情况,燃烧时散发的气味以及燃烧剩余物的颜色、形状、硬度等来鉴别纤维[2]。聚苯硫醚纤维的燃烧特征见表1所示。

表1 聚苯硫醚纤维的燃烧特征

结果表明,聚苯硫醚纤维的燃烧特征与大部分的合成纤维类似,鉴别时需要操作人员具有丰富的工作经验。

2.2 显微镜法

显微镜法是通过显微镜分别观察纤维横截面和纵向形态,从而来鉴别纤维的种类。聚苯硫醚纤维的截面切片制作使用Y172型哈式切片器,需将聚苯硫醚纤维切成薄而均匀、10～30μm的横截面薄片,纵向制片则需将纤维梳理整齐,然后用剪刀将纤维剪成2～3 mm的片段。再利用CU-Ⅰ型纤维细度仪观察聚苯硫醚纤维的横截面和纵向形态特征,聚苯硫醚纤维的横截面和纵向微细结构形态特征见图1。

图1 聚苯硫醚纤维的纵、横向微细结构形态特征

从图1可以看出,聚苯硫醚纤维的横截面形态为圆形或近似圆形,其纵向形态为表面平滑,形态结构跟多数合成纤维类似,故显微镜法无法准确鉴别该纤维。

2.3 化学溶解法

化学溶解法是利用各种纤维的化学组成不同,在各种化学溶液中溶解性能各异的原理来鉴别纤维[3]。在试验时,必须严格控制测试条件,按照规定的溶液浓度、溶液温度和作用时间来处理。选用的6种化学试剂对聚苯硫醚纤维的溶解试验结果见表2。

从表2中可以看出,聚苯硫醚纤维溶解于沸腾的硫酸(95%～98%)和硝酸(65%),溶液颜色分别呈现黑色和黄色。

表2 聚苯硫醚纤维的溶解性能

2.4 熔点法

高聚物内晶体完全消失时的温度,即晶体熔化时的温度称为熔点。熔点法一般适用于鉴别熔点特征明显的合成纤维,因为合成纤维在高温作用下,大分子链接结构发生变化,先软化而熔融;熔点法不适用于天然纤维素纤维、再生纤维素纤维和蛋白质纤维,这是因为它们的熔点高于分解点,在高温作用下不熔融而分解或炭化。经测试,聚苯硫醚纤维的熔点为284℃,熔点法适用于纯聚苯硫醚纤维鉴别,不适用于混纺产品。

2.5 红外吸收光谱法

当一定波长的红外光照射到被测样品上时,该物质分子中某个基团的振动频率和它一样,两者就会发生共振,此时光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子,这个基团就会吸收该频率的红外光而发生振动能级的跃迁,产生红外吸收峰。红外光谱法鉴别纤维是根据组成纤维分子的各种化学基团,无论存在于何种化合物中都有自己特定的红外吸收带的位置,不同纤维有不同的红外吸收谱图,将测得试样的红外光谱图与已知纤维的红外光谱图核对比较,就可以推断出纤维含有哪种基团和化学键以及各自数量的多少,以此来鉴别纤维的种类。红外光谱的波长范围大约为0.75～1 000μm,通常将红外光谱分为近红外区、中红外区和远红外三个区域,其波长、波数之间的关系见表3。

表3 红外光谱波长、波数之间的关系

一般近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的,中红外光谱属于分子的基频振动光谱,远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区,因此中红外区是研究和应用最多的区域,通常所说的红外光谱即指中红外光谱。

用Nicolet i S10型傅里叶红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)和i TR附件(晶体板为硒化锌ZnSe),扫描次数32,分辨率4 c m-1,波数范围4 000～400 c m-1,镜速0.632 9 c m·s-1[4]。聚苯硫醚纤维的红外光谱吸收图谱如图2所示。

图2 聚苯硫醚纤维的红外光谱吸收图谱

在1 571.83 c m-1出现苯环C-C双键的伸缩振动吸收峰,1 469.80 c m-1和1 385.39 c m-1是苯环骨架振动吸收峰,1 090.69 c m-1和1 073.49 c m-1是C=CH苯环面内弯曲振动吸收峰,805.61 c m-1强峰是苯环对位取代质子特征峰,是面外弯曲振动吸收峰[5]。

在聚苯硫醚纤维的几个特征峰中,1 090.69 c m-1和1 073.49 c m-1是苯环面内对称和不对称的伸缩振动峰,最能代表无定形结构和结晶度的特征峰。但是1 073.49 c m-1特征峰的强度同时受结晶部分和无定形部分影响,而1 090.69 c m-1特征峰的强度仅受无定形部分控制。因此,观察1 090.69 c m-1特征峰是判断聚苯硫醚结晶度的一种有效手段。故通过红外吸收光谱法可以快速准确鉴别聚苯硫醚纤维,但该法使用的仪器昂贵,操作复杂,成本较高,适用于仲裁性试验。

3 结论

(1)聚苯硫醚纤维在接近火焰时收缩,在火焰中熔融燃烧,冒些许黑烟,离开火焰不延燃,有臭味,残渣为黑褐色硬块。

(2)聚苯硫醚纤维的横截面形态为圆形或近似圆形,其纵向形态为表面平滑,与大部分合成纤维类似。

(3)聚苯硫醚纤维溶解于沸腾的硫酸(95%～98%)和硝酸(65%),溶液颜色分别呈现黑色和黄色。

(4)聚苯硫醚纤维的熔点为284℃。

(5)观察1 090.69 c m-1特征峰是判断聚苯硫醚结晶度的一种方法,故通过红外谱图和谱带的分布可以有效鉴别聚苯硫醚纤维。

(6)聚苯硫醚纤维的系统鉴别法为:首先通过燃烧法确定纤维的类别,即合成纤维,然后通过化学溶解法以及熔点法最终确定纤维的种类。而红外吸收光谱法可以对纯聚苯硫醚纤维进一步的确认,适用于仲裁性试验。

[1] 王 桦.聚苯硫醚纤维的发展现状及其应用[J].产业用纺织品,2007,(7):1-4.

[2] 马顺彬,吴佩云.维纶基大豆纤维与维纶的鉴别和性能比较[J].产业用纺织品,2011,(7):11-15.

[3] 耿琴玉.纺织材料检测[M].上海:东华大学出版社,2013.

[4] 马顺彬,吴佩云.竹浆纤维与粘胶纤维的鉴别及性能测试[J].毛纺科技,2010,38(1):42-46.

[5] 田 菁.高性能聚苯硫醚(PPS)纤维的制备与改性[D].上海:东华大学,2007.