聚醚醚酮纤维的定性鉴别方法研究

文/刘贵

1 引言

聚醚醚酮(PEEK)1978年首次由英国ICI公司合成，是一种特殊的热塑性聚合物。PEEK纤维是一种全芳香族的纤维，其大分子主链上含有醚键与酮键，具有高强度、耐腐蚀、耐水解、抗疲劳等优异性能，在航空航天、电子电气、自动化等领域应用较为广泛。

目前，常州创赢新材料科技有限公司经多年研发已形成100吨/年的产能，产品质量的稳定性和一致性较好，打破了英美垄断，产品广泛应用于航空航天、汽车制造、石油化工、造纸、医疗卫生及文化体育用品领域。学术界对聚醚醚酮的研究主要关注于纤维的制备及应用。有大量研究集中在PEEK纤维的改性及其复合材料方面的研究，如沈镇等人探讨了碳纤维/聚醚醚酮复合材料的激光原位成型工艺，方良超等人则研究了PEEK的改性及其应用，魏胜敏等人则研究了聚醚醚酮的红外光谱特性。国内纺织服装相关检验机构还没有对PEEK纤维进行定性的方法。随着功能性纤维的快速需求，聚醚醚酮纤维的应用越来越受关注，研究和开发聚醚醚酮纤维与其他纤维的鉴别技术十分有必要。本文参考FZ/T 01057相关试验方法，通过燃烧、横截面和纵向形态观察、溶解、熔点、红外光谱、热重及差热分析等试验和方法，研究了该纤维的各项综合特征，得到了聚醚醚酮纤维的定性分析方法。

2 试验

2.1 试验试剂

硫酸、盐酸、硝酸、次氯酸钠、氢氧化钠、甲酸、冰乙酸、硫氰酸钾、氢氟酸、铜氨、四氯化碳、环己酮、丙酮、二甲苯、苯酚、乙酸乙酯、双氧水、四氢呋喃、二甲亚砜、N，N二甲基甲酰胺、二氧六环、二氯甲烷、1，4-丁内酯、吡啶等。上述试剂均为分析纯。

2.2 试验仪器

热重分析仪（TGA4000）、差示扫描量热仪（DSC8000）、红外光谱仪（nocilet380）、纤维细度分析仪（CU6）等。

2.3 试样

聚醚醚酮纤维长丝，由常州创赢新材料科技有限公司提供。

2.4 试验结果及讨论

2.4.1 燃烧试验

观察聚醚醚酮纤维靠近、接触和离开火焰时的状态，记录燃烧时产生的气味和燃烧后的残留物特征。记录结果见表1。

表1 聚醚醚酮纤维燃烧性能

2.4.2 显微镜观察试验

依据FZ/T 01057.3方法，制取聚醚醚酮纤维横截面切片。将适量聚醚醚酮纤维均匀平铺于载玻片上，滴一滴液体石蜡并盖上盖玻片，得到其纵面观察片。将横截面切片和纵面观察片置于纤维细度分析仪载物台上，放大200～500倍，观察其特征，结果见图1。

图1 聚醚醚酮纤维面形态

从图1可以看出，聚醚醚酮纤维的横截面为近似圆形，呈透明状态；纵向表面光滑。

2.4.3 溶解试验

按照FZ/T 01057.4—2007标准要做，采用其规定的试剂，将适量的聚醚醚酮纤维放入烧杯中，加入适量上述试剂。聚醚醚酮样品和试剂的质量比大约1∶100。在室温下摇动烧杯5分钟，观察其溶解情况；沸煮条件下，保持沸腾3分钟，观察其溶解情况。结果见表2。

表2 聚醚醚酮纤维化学溶解性能

由表2可知，聚醚醚酮纤维在绝大多数的化学试剂中都不溶解，仅在常温95%～98%硫酸中部分溶解，煮沸的95%～98%硫酸中完全溶解。

2.4.4 红外光谱试验

聚醚醚酮纤维的红外吸收光谱图如图2所示。1653cm处为C=0的伸缩振动，1598cm、1491cm和1306cm处为Ar-O-Ar ( Ar为芳基，下同)的平面振动；1278cm、1228cm和1187cm处为Ar-O-Ar的不对称伸缩振动，927cm处为Ar-CO-Ar的对称伸缩振动；1159cm和1011cm处为C—H面内弯曲振动，866cm和767cm处为C—H面外弯曲振动。

图2 聚醚醚酮纤维红外光谱谱图

2.4.5 热重分析试验

参照GB/T 37631—2019《化学纤维 热分解温度试验方法》，采用热重分析仪测定聚醚醚酮纤维的热分解温度，结果见图3。

图3 聚醚醚酮纤维TG和DTG图

图3表明聚醚醚酮纤维的热降解温度在500℃～700℃之间，最大热失重速率峰为591.18℃。800℃条件下，该纤维的残留物为黑色胶状小球。

2.4.6 熔点和差热分析（DSC）试验

取少量PEEK纤维放在两盖玻片之间，置于熔点仪的电热板上，调焦使纤维图像清晰，逐渐升温并用熔点仪上的显微镜观察该纤维的形态变化。从室温升到300℃的过程中，PEEK纤维受热并没有明显变化。结果表明通过现有熔点仪无法测定该纤维的熔点。为此对聚醚醚酮纤维进一步开展DSC试验，结果见图4。

图4 聚醚醚酮纤维DSC升温曲线

从图4可以看到聚醚醚酮纤维在345.28℃处出现熔融峰，从而推断该纤维熔点在345℃附近。

3 结论

本文依据FZ/T 01057相关方法，研究了聚醚醚酮纤维的燃烧、形态、溶解、红外光谱、热重、差热分析等6个方面的特征。通过燃烧试验，初步进行大类鉴别和区分；进行横纵向观察，发现横截面接近圆形，纵向光滑，可判断为合成纤维；依据该纤维仅在常温95%～98%硫酸中部分溶解，煮沸的95%～98%硫酸中完全溶解，可知为非常规合成纤维。通过红外光谱试验，得到了1653cm、1598cm、1491cm、1306cm、1278cm、1228cm、1187cm和927cm多处特征峰，确认该纤维大分子含有酮键和醚键，从而对其类别作更进一步的确认。热重及差热分析法则进一步分析了该纤维的热稳定性能，得到了相关温度曲线。因此，本文基于以上6种鉴别方法，较全面地研究了聚醚醚酮纤维的定性分析方法，可以实现对聚醚醚酮纤维的鉴别。