DSC定量分析聚乙烯纤维与其他纤维混纺织物方法的研究

1 引言

差示扫描量热法（DSC）是一种热分析法，指在程序控温和一定气氛下，测量流入流出试样和参比物的热流或输给试样和参比物的加热功率与温度或时间关系的一种技术[1]。DSC可以测定纤维的多种热力学参数，例如熔点、热焓等，DSC还具有分辨率高、试样用量少、分析速度快等优点。对于两种熔点区分明显的纤维混纺材料，可以使用DSC对两种纤维混纺材料进行测试，确定其质量和焓变的关系以进行定量分析[2-3]。

聚乙烯纤维的熔点在130℃～132℃之间[4]，与其他纤维区别明显，因此，可以在合适的温度范围内测量聚乙烯纤维质量和热焓的关系，进而对聚乙烯纤维和其他纤维的混纺织物进行定量分析。

2 试验

2.1 样品和仪器

样品：聚乙烯纤维。仪器：Perkin-Elmer热重分析仪TGA4000，Perkin-Elmer差示扫描量热分析仪DSC8000。

2.2 试验条件的确定

使用哈氏切片器将聚乙烯纤维切割成不到1mm的碎段，备样前对试样进行烘干处理，称取不同质量的试样进行备样。

2.2.1 温度范围

为了避免DSC测试升温过程中温度过高导致样品分解污染炉体，测试之前需要使用热重分析仪测试聚乙烯纤维的热分解温度。将聚乙烯纤维放入坩埚内，待重量稳定后，开始升温程序：氮气保护流速为20mL/min，升温速率为10℃/min，升温范围为100℃～600℃。图1为聚乙烯纤维的热失重曲线，从图1中可以得知，聚乙烯纤维的初始分解温度为463.52℃，为了避免试验过程中纤维分解污染炉体，且兼顾试验效率和准确性的前提下，将DSC试验的温度范围确定为50℃～200℃。

图1 聚乙烯纤维的热失重曲线

2.2.2 热历史

二是健全河湖保护法规政策体系。参照《恩施州酉水河保护条例》《襄阳市汉江流域水环境保护条例》和《宜昌市黄柏河流域保护条例》模式，加快推进重点河湖立法保护工作，形成以《湖北省河湖长制工作条例》《湖北省湖泊保护条例》等河湖总体保护法律法规为骨架、单个河湖保护条例为脉络、多种保护方案、实施方案为基础的河湖保护法规政策体系。

对样品的DSC分析可以根据升温程序分为两部分：一次升温和二次升温。一次升温是指样品在程序控温条件下由常温状态升温至熔融状态的过程；二次升温是指样品在程序控温条件下由熔融状态降温至晶态或非晶态后再次升温至熔融状态的过程[5]。

经过加工或整理后的纺织品，不同的厂家可能会因为工艺的不同，使用的添加剂也不尽相同，有些会在一次升温过程中对纤维的DSC曲线造成一定的影响，通过对样品做循环升温可以消除这种热历史。循环升温程序为：先将样品以30℃/min从50℃升温至200℃并保温2min，再以30℃/min降温至50℃并保温2min，然后再以30℃/min升温至200℃。图2对比了两种来自不同厂家的聚乙烯纤维的两次升温曲线。

图2 两种聚乙烯纤维的一次升温及二次升温DSC曲线对比

由图2可见，a纤维一次升温的熔融峰出现重叠峰，这会对热焓的计算产生不利影响，而二次升温在消除了热历史后，其DSC曲线与b纤维的二次升温DSC曲线近似。

2.2.3 升温速率

升温速率对纤维的热效应影响显著，以同一聚乙烯纤维为样品，研究不同二次升温速率对热焓的影响。升温程序为：先将样品以30℃/min从50℃升温至200℃并保温2min，再以30℃/min降温至50℃并保温2min，然后再分别以5℃/min、10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/min、50℃/min、60℃/min升温至200℃。图3对比了同一样品不同升温速率下的二次升温曲线。

图3 同一样品不同升温速率下的二次升温曲线对比

由图3可知，随着升温速率的增加，同一样品的出峰位置向高温方向漂移，且峰宽也逐渐增大，较高的升温速率虽然可以获得比较明显的特征峰，但由于出峰位置向高温方向漂移，如果遇到出峰位置相近的两种纤维，就有可能会发生两种纤维的出峰位置重叠的情况。但是过低的升温速率又会造成试验时间延长，降低试验效率。综合考虑选取30℃/min的升温速率比较合适，既能获得特征明显的峰，又节省了时间。

2.2.4 降温速率

降温过程是纤维结晶的过程，降温速率也影响了纤维结晶的快慢，一定程度上也会影响二次升温的热焓，以同一聚乙烯纤维为样品，研究不同降温速率对热焓的影响。升温程序为：先将样品以30℃/min从50℃升温至200℃并保温2min，再分别以5℃/min、10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/min、50℃/min、60℃/min降温至50℃并保温2min，然后再以30℃/min升温至200℃。图4对比了同一样品不同降温速率下的二次升温曲线。

图4 同一样品不同降温速率下的二次升温曲线对比

由图4可知，随着降温速率的增加，同一样品的出峰位置向低温方向漂移，这是由于降温速率越大，聚合物在短时间内快速结晶，结晶程度越低，这就导致二次升温的特征峰起始温度降低，不利于特征峰峰面积的计算，但降温速率过低会导致试验时间大大增加，影响试验效率。综合考虑选取30℃/min的降温速率比较合适。

2.2.5 样品质量

选取不同质量的试样分别进行DSC测试，升温程序为：先将样品以30℃/min从50℃升温至200℃并保温2min，再分别以30℃/min降温至50℃并保温2min，然后再以30℃/min升温至200℃。图5对比了不同质量样品的二次升温曲线。

由图5可知，样品质量对熔融峰的峰面积（焓变）有决定性影响，样品质量越大，DSC灵敏度越大，焓变也就越大，特征峰变宽，若试样质量过大，出峰位置相近的两种纤维就会因为特征峰变宽而发生重叠，且样品质量过大还会发生样品无法完全装进铝盘的情况。但样品质量过小又会产生混合物取样不均匀的情况，造成结果误差。因此，样品质量应在5mg～10mg比较好。

图5 不同质量样品的二次升温曲线对比

2.3 线性关系的确定

通过对不同质量的试样进行DSC测试，可以得出样品质量与焓变之间的关系，所得结果见表1和图6。

表1 聚乙烯纤维线性关系测试结果

图6 聚乙烯纤维质量与焓变关系曲线

由图6可知，聚乙烯纤维的质量与焓变具有良好的线性关系（线性回归确定系数R2=0.9994），根据其线性回归方程，可以通过测试混合物中聚乙烯纤维的焓变来计算其质量，进而计算出聚乙烯纤维在混合物中的百分含量。

2.4 验证试验

将聚乙烯纤维分别与棉、粘纤、羊毛、聚酯纤维、锦纶和腈纶6种常见的纤维以不同比例混合，通过DSC测试混合物中聚乙烯纤维的焓变，根据聚乙烯纤维质量与焓变的关系曲线计算出聚乙烯纤维在混合物中的百分含量，并将测试结果与设计值比较，判断该方法的可行性。为了结果的一致性，所有结果均为净干含量，试验结果对比见表2。

由表2可知，所得结果与设计值相比均在允许偏差范围内，符合GB/T 29862—2013《纺织品 纤维含量的标识》[6]规定。

表2 聚乙烯纤维净干含量差异的比较

3 结论

采用DSC对聚乙烯纤维进行热分析，分析结果显示聚乙烯纤维的质量与焓变（峰面积）具有良好的线性关系。对聚乙烯纤维和其他纤维的混合物使用DSC测试分析，通过测得的聚乙烯纤维的焓变值，并结合其线性关系可以得出聚乙烯纤维的质量，进而得出其含量，所得结果与设计值相比均在允许偏差范围内，具有可行性。该方法具有方便快捷、操作简单、无污染等优点。但考虑到一方面样品研究数量有限，另一方面不同生产厂商的仪器也会有一定差异，这就导致本方法研究所得的线性关系会有一定的局限性，建议不同实验室根据本方法获得合适的线性关系，以便在后续试验得出更准确的结果。