聚偏氟乙烯纤维与其他纤维混合物定量化学分析研究

文/陈安城

1 引言

聚偏氟乙烯（PVDF）一种含氟单体共聚物，具有聚乙烯型主链分子结构，含氟量可达60%左右，由C—H键相互交联而成的，化学分子式为[—CH—CF—]。因C—F键长短，键能高，其熔融温度范围可达155℃～192℃，热分解温度甚至可到316℃以上。由于PVDF分子结构式的特殊性，故在常温条件下，其化学性能稳定。PVDF 的化学分子结构如图1所示。

图1 PVDF的化学分子结构式

含氟纤维主要有聚四氟乙烯纤维、聚全氟乙丙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维等，含氟纤维因其C—F键的特性均具有较稳定的化学性能，PVDF除了与其他含氟纤维一样具有较好的耐酸碱性能外，在常规有机溶剂中如烃醇和醛等，体现良好的化学性能稳定性，经查阅大量文献和化学实验实践中可知PVDF只能溶解于二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺等强极性溶剂中。经纺丝而得的聚偏氟乙烯纤维是一种耐酸碱、耐强氧化、化学性能稳定的含氟纤维，应用于锂电池、电子电气、医用膜等领域。

根据查阅相关文献，目前大部分含氟纤维的制备方法主要有：熔体纺丝、载体纺丝等，相较于聚四氟乙烯材料的流动性差、不溶于有机溶剂的特点，PVDF能溶于强极性溶剂中，故对于聚偏氟乙烯纤维的制备主要采用熔体纺丝法，操作简便、效率高耗能低。目前，国内外的学者对于PVDF纤维的研究主要集中在纤维纺丝、纤维网的制备和性能，以及在医学、电学方面应用的研究。随着纺织行业的跨学科发展，聚偏氟乙烯纤维在高性能产业用纺织品的应用也日益深入，未来聚偏氟乙烯纤维也将应用于服用纺织品。因此一套完整的聚偏氟乙烯纤维混合物的定量分析方法迫在眉睫。

本文通过化学试验方法得出聚偏氟乙烯纤维的定性分析方法和在常规试剂中的质量修正系数，对该纤维与其他常规纤维和同类高性能纤维的混合物进行化学溶解试验，研究聚偏氟乙烯纤维行之有效的化学定量分析方法。

2 试验

本文首先选用常规的纺织品定性鉴别方法：显微镜观察法、燃烧法、化学试剂溶解法、红外光谱法等，对聚偏氟乙烯纤维进行定性鉴别分析。在定性鉴别的基础上，通过查阅文献和相关标准，结合实际的试验工作，制定各主要试剂对聚偏氟乙烯纤维的质量损失修正系数。确定聚偏氟乙烯纤维与其他常规纤维定量分析方案。

2.1 试验试剂

三氯甲烷、95%～98%硫酸、65%硫氰酸钾、硝基苯、2-氯苯酚、N,N-二甲基甲酰胺、三氯乙酸/三氯甲烷、二甲基亚砜、氨水等。以上试剂采购于西陇科技股份有限公司，均为分析纯。

2.2 试验仪器

加热板(C-MAG HP 7 S25)、高低温水浴振荡器(HD500B-16)、电子天平(AUY220)、纤维细度仪（BX41）、傅立叶变换红外光谱仪(NICOLET IS50)、烧杯等。

2.3 试验样品及预处理

试验样品：聚偏氟乙烯纤维单丝，由南通专门生产高性能单丝纤维的厂家提供；混纺用其他纤维，经日常检验中收集而得。

所有定量用纤维均需要前处理，具体的前处理方式参照纺织品定量标准GB/T 2910.1—2009《纺织品 定量化学分析 第1部分：试验通则》。

3 试验及结果分析

3.1 纤维定性分析试验

参照标准FZ/T 01057—2007 《纺织纤维鉴别试验方法》中的定性分析方法，本试验采用显微镜法、红外光谱法、燃烧法、溶解法对聚偏氟乙烯纤维进行定性鉴别，针对某些较不常见的化学试剂不在该标准试剂目录中，参照该标准的化学溶解方法进行溶解法试验。

由图1和图2可知，聚偏氟乙烯纤维显微镜形态与其他常规化纤差异不大；图4中该纤维红外光谱显示在1276cm和1170cm处基团的不对称伸缩振动为基团—CF—特征峰，可判定该纤维为含氟纤维；通过燃烧性能分析可推断其为高性能阻燃纤维（表1）；其溶解性能（表2）与其他阻燃纤维差异较大，特别是在N,N-二甲基甲酰胺、环己酮、硝基苯中能够溶解，可作为鉴别该纤维的有力依据。

图2 PVDF纤维在纤维细度仪下横截面形态

图3 PVDF纤维在纤维细度仪下纵截面形态

图4 PVDF纤维红外吸收光谱图

表1 PVDF纤维燃烧状态

表2 PVDF纤维化学溶解性能

在日常定性检验中，可通过以上几种方法的综合分析，对聚偏氟乙烯纤维进行准确鉴别。

3.2 聚偏氟乙烯纤维与常规纤维定量分析试验

根据纺织品定量化学分析标准GB/T 2910—2009《纺织品 定量化学分析》和GB/T 38015—2019 《纺织品 定量化学分析 氨纶与某些其他纤维的混合物》中的定量试验方法，随机抽取10个聚偏氟乙烯纤维样品并进行前处理，参照以上两份标准中规定的定量分析方法进行重复性试验，选取相应的化学试剂通过化学分析试验前后质量差异，取平均值，得出PVDF纤维在不同化学试剂中的质量修正系数，经试验优化和数据总结得出试验结果见表3。

表3 PVDF纤维在不同化学试剂中的质量修正系数

根据表3中所得的聚偏氟乙烯纤维在不同化学试剂中的修正系数，并结合标准GB/T 2910—2009和GB/T 38015—2019中规定的测试方法，再根据实验室检测实际总结得出定量试验方法。将经预处理的已知干重的聚偏氟乙烯纤维与其他常规纤维进行混纺，并按照以下化学定量分析方法进行试验，具体的试验方法如下：

（1）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与常见的纤维素纤维、弹性纤维氨纶的混合物定量化学分析方法：选用75% 硫酸溶解去除纤维素纤维或氨纶剩余聚偏氟乙烯纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

（2）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与常见的天然蛋白质纤维的混合物定量化学分析方法：选用1mol/L 碱性次氯酸钠溶解去除蛋白质纤维剩余聚偏氟乙烯纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

（3）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与聚酯纤维的混合物定量化学分析方法：选用三氯乙酸/三氯甲烷溶解去除聚酯纤维剩余聚偏氟乙烯纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

（4）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与锦纶或维纶的混合物定量化学分析方法：选用20%盐酸溶解去除锦纶或维纶剩余聚偏氟乙烯纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

（5）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与醋纤或三醋酯纤维的混合物定量化学分析方法：选用丙酮溶解去除醋纤剩余聚偏氟乙烯纤维，二氯甲烷溶解去除三醋酯纤维剩余聚偏氟乙烯纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

（6）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与腈纶的混合物定量化学分析方法：选用65%硫氰酸钾溶解去除腈纶剩余聚偏氟乙烯纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

3.3 聚偏氟乙烯纤维与同类高性能纤维定量分析试验

聚偏氟乙烯纤维属于高性能纤维，具有耐强酸碱性和对烃醇和醛等有机溶剂的化学性能稳定，在同类纤维中化学性能相似的纤维包括聚四氟乙烯纤维（PEEK）、聚苯硫醚纤维（PPS）、丙纶和乙纶。这几种纤维在实际生产中应用于不同领域，发挥着各具特色的作用，因此该纤维与同类高性能纤维的混纺定量分析尤为重要，参照FZ/T 01057—2007和GB/T 35249—2017中标准方法和表2中PVDF纤维的溶解性能，得出3种高性能纤维溶解性能对比，见表4。

表4 3种高性能纤维化学溶解性能对比

通过表2和表4对比聚偏氟乙烯纤维和其他同类纤维的化学溶解性能差异，并查阅纺织品相关定量标准GB/T 2910—2009和GB/T 35249—2017中的定量试验方法，再根据实验室检测实际，总结得出相应的化学定量分析方法。将经预处理的已知干重的聚偏氟乙烯纤维与其他同类高性能纤维进行混纺，并按照以下化学定量分析方法进行试验：

（1）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与聚四氟乙烯纤维（PEEK）或聚苯硫醚纤维（PPS）的混合物定量化学分析方法：选用N,N-二甲基甲酰胺溶解去除聚偏氟乙烯纤维剩余聚四氟乙烯纤维或聚苯硫醚纤维，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

（2）经前处理，去除非纤维物质后的聚偏氟乙烯纤维与乙纶或者丙纶的混合物定量化学分析方法：选用N,N-二甲基甲酰胺溶解聚偏氟乙烯纤维剩余乙纶或者丙纶，并结合相应的质量修正系数，得出每种纤维的百分含量。

3.4 纤维定量结果分析

根据以上定量分析方法，将经前处理的聚偏氟乙烯纤维和其他纤维按相应混纺比进行混合，对该混合物进行化学定量分析，试验结果见表5。

表5 聚偏氟乙烯纤维（PVDF）与其他纤维混纺定量试验结果 %

由表5可得，聚偏氟乙烯纤维与其他纤维混合物平行样定量试验重现性良好，试验结果稳定。最大误差绝对值均没超过1%，均在GB/T 2910—2009和GB/T 38015—2019标准偏差范围内。以上方法可作为聚偏氟乙烯纤维与其他纤维混合物的定量分析方法。

4 结论

本文探讨了聚偏氟乙烯纤维的定性和定量分析方法。其中该纤维在显微镜形态与其他常规化纤差异不大，通过燃烧性能分析可推断其为高性能阻燃纤维，但其溶解性能与其他阻燃纤维差异较大，特别是在N,N-二甲基甲酰胺、环己酮、硝基苯中能够溶解，可作为鉴别该纤维的有力依据。综合红外光谱分析显示基团—CF—的特征峰，即可判定该纤维为含氟纤维。本文分别确定了聚偏氟乙烯纤维与常规纤维以及同类高性能纤维的定量分析方法，最终得出的试验结果与已知混纺比的最大绝对值误差在1%以内，符合标准和实际检验要求，能对该纤维的定量提供理论依据，并应用于日常检验。