显微红外光谱法定性鉴别除尘滤料中纤维

曾 晓,陆振乾

(1.盐城纤维检验所,江苏 盐城 224051;2.盐城工学院 纺织服装学院,江苏 盐城 224051)

随着我国经济的快速发展,空气污染问题日益突出,雾霾天气出现也越发频繁。据统计,火电、钢铁、水泥和冶金行业的烟尘排放是大气粉尘的主要来源,是造成大气污染的主要因素。因此,我国对这些重点行业的烟气排放制定了严格的排放标准。为了减少烟气中粉尘的排放,通常采用袋式除尘器来对烟气中的粉尘进行过滤,从而使烟气达到排放标准[1-2]。工业除尘器的核心部件为除尘滤袋,通常由除尘滤料缝合而成。除尘滤料一般采用非织造工艺制备而成,采用的纤维原料根据具体的使用环境来选择,如烟气温度在130 ℃以下时,采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、聚丙烯腈纤维制备的低温滤料;烟气温度在130～250 ℃时,采用耐中高温的纤维原料,如聚苯硫醚(PPS)纤维、聚酰亚胺(PI)纤维、间位芳纶、聚四氟乙烯(PTFE)纤维和聚砜酰胺(PSA)纤维等;当烟气温度超过250 ℃时,采用耐高温的纤维原料,如陶瓷纤维、不锈钢纤维、玻璃纤维等[3-4]。

为了提高滤料的性能和降低生产成本,越来越多的除尘滤料采用两种甚至更多种纤维制备,多种纤维在性能方面可取长补短,从而提高滤料的综合性能。另外,市场上也出现了一些以次充好的现象,采用普通纤维来代替价格昂贵的耐腐蚀耐高温纤维制备除尘滤料,造成滤袋使用寿命缩短,质量不过关等。因此,在滤料产品的设计、生产、应用等过程中检测纤维成分及含量十分必要。目前,纤维成分含量定性检测的方法主要有显微镜法、燃烧法、溶解法、红外光谱法等,其中红外光谱法是一种简单、快捷的仪器检测方法,在纤维定性定量方面应用广泛。常用的红外光谱技术包括透射红外光谱技术、衰减全反射红外光谱技术、近红外漫反射红外光谱技术、显微红外光谱技术等[5-6],其中显微红外光谱技术结合了显微镜法和红外光谱法的优点,通过显微镜观测纤维的纵向或横向微观形态,并在此基础上采集特定位置的红外光谱,获得高品质红外光谱图谱,从而给出化学组成和结构,完成定性分析[7-8]。

显微红外光谱法可以实现微量分析,极少的样品就能获得高质量的红外光谱图谱,可以进行单根纤维的检测,具有检测限低、灵敏度高的优点。同时,该方法制样简便,甚至不需要制样,实现无损检测,可以完成难分离的混合纤维制品和微量纤维样品的测试,且显微镜光路调节简单,可以实现对纤维束中的特定部位精确定位分析。以上的诸多优点,使得显微红外光谱法成为一种更直接的纤维定性鉴别方法,有效地补充了现有的检测方法。作者采用显微红外光谱仪对几种常用的除尘滤料用纤维进行定性分析,以期为除尘滤料中纤维的鉴别提供参考。

1 实验

1.1 主要原料

PI纤维：短纤维,德国赢创公司产;PPS纤维：短纤维,韩国汇维仕公司产;PTFE纤维、间位芳纶、PET纤维、PSA纤维：短纤维,国产。

1.2 主要仪器

Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪：美国赛默飞世尔科技公司制;Nicolet iN5型傅里叶变换红外显微镜：通过管路与Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪连接,美国赛默飞世尔科技公司制。

1.3 实验方法

采用Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪和Nicolet iN5型傅里叶变换红外显微镜以反射方式采集单根纤维的红外光谱,扫描次数为50次,分辨率为8 cm-1。首先,将纤维放置在载玻片上,通过红外显微镜测纤维的纵向形态,并将需要检测的纤维进行定位,通过调整红外捕捉框的大小,使红外光仅作用于该纤维上,减少测试的误差。然后,开始红外扫描,获取定位纤维的红外光谱,通过分析软件进行快速比对,确定其成分,从而实现定性分析。

2 结果与讨论

红外光谱中的特征吸收峰与特征吸收谱带反映了材料分子中基团和化学键的信息,不同的物质与材料具有不同的分子结构与红外光谱,将未知单根纤维的显微红外光谱与已知单根纤维的显微红外光谱进行比较,可以定性鉴别纤维成分。

2.1 PTFE纤维

PTFE是由四氟乙烯单体聚合制得全氟化的直链高聚物,具有优异的耐化学腐蚀性能,被称为“塑料之王”。PTFE纤维滤料是目前耐温性和耐化学性能最好的一种有机纤维滤料,连续使用温度为260 ℃,瞬间使用温度可达300 ℃。PTFE纤维滤料被广泛地应用于垃圾焚烧高温烟气领域[9]。

PTFE纤维的红外光谱如图1所示。在波数为1 200 cm-1和1 150 cm-1处有非常强的吸收带,其中,1 200 cm-1附近的特征峰是—CF2的反对称伸缩振动峰,1 150 cm-1为—CF2的对称伸缩振动峰;波数为624 cm-1和637 cm-1处为 C—F弯曲振动峰。通过上述两处含氟基团的特征峰可以鉴别除尘滤料中是否含有PTFE纤维。

图1 PTFE纤维的红外光谱Fig.1 Infrared spectra of PTFE fiber

2.2 PSA纤维

PSA纤维又名芳砜纶,是一种在高分子主链上含有砜基(—SO2—)的芳香族聚酰胺纤维,该纤维为我国拥有自主知识产权的国产化新型耐高温合成纤维,具有优异的阻燃性,极限氧指数达到30%。PSA纤维滤料可在250 ℃高温烟气条件下长期使用,同时耐酸性能、抗氧化性能良好,主要应用于水泥生产线的窑头和窑尾,以及钢铁行业的高温烟气除尘。

PSA纤维的红外光谱如图2所示。在波数为3 300～3 430 cm-1处为氨基(—NH—)伸缩振动吸收峰;1 668 cm-1处为羰基(C=O)伸缩振动吸收峰,即酰胺 I 吸收带;1 594 cm-1和1 533 cm-1附近为苯环骨架的伸缩振动峰;约 1 276 cm-1处是—NH—键和—CN—键的偶合振动峰,1 070 cm-1处为—SO2—的伸缩振动峰。通过以上特征峰可以鉴别除尘滤料中是否含有PSA纤维。

图2 PSA纤维的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of PSA fiber

2.3 PI纤维

PI纤维的主链含有酰亚胺环,具有高强高模的特点,其滤料的耐温性能优异,连续使用温度为 230 ℃,瞬间使用温度达到260 ℃。PI纤维滤料的抗氧化性能很好,但抗水解性能差,常应用于低含硫量的炉窑中,如水泥生产线窑尾的烟气除尘。

PI纤维的红外光谱如图3所示。在波数为1 777 cm-1附近的特征峰是C=O反对称伸缩振动吸收峰,1 720 cm-1附近的特征峰是C=O对称伸缩振动峰,分别称为酰亚胺Ⅰ带和Ⅱ带,1 510 cm-1附近的吸收峰为芳环上C=C骨架振动,1 367 cm-1附近的特征峰是亚胺环上的C—N伸缩振动峰,称为酰亚胺Ⅲ带,718 cm-1附近的特征峰是亚胺环上的C=O弯曲振动峰。通过以上特征峰可以鉴别除尘滤料中是否含有PI纤维。

图3 PI纤维的红外光谱Fig.3 Infrared spectrum of PI fiber

2.4 间位芳纶

间位芳纶的分子链主链由苯环酰胺键组成,具有良好的化学稳定性和热稳定性,属于难燃纤维。间位芳纶滤料的耐温性能优于PPS纤维滤料,其长期使用温度为200 ℃,瞬间使用温度达到240 ℃。间位芳纶滤料主要应用领域为燃煤电厂、钢铁行业及沥青搅拌等高温烟气除尘。

间位芳纶的红外光谱如图4所示。

图4 间位芳纶的红外光谱Fig.4 Infrared spectrum of m-aramid fiber

由图4可以看出,3 500～3 290 cm-1附近是—OH和N—H的伸缩振动峰,1 644 cm-1附近是酰胺Ⅰ谱带的特征峰,1 524 cm-1附近是酰胺Ⅱ谱带的特征峰,1 411 cm-1和1 300 cm-1附近是酰胺Ⅲ谱带的特征峰,1 115 cm-1附近的特征峰是苯环上的C—H变形振动峰。通过以上特征峰可以鉴别除尘滤料中是否含有间位芳纶。

2.5 PPS纤维

PPS纤维的分子链主要由硫原子连接在苯环对位交替形成,具优异的耐化学腐蚀特性。PPS纤维滤料可在190 ℃的温度下长期使用,瞬间使用温度可达210 ℃,广泛应用于燃煤电厂、垃圾焚烧炉等高温烟气的过滤。

PPS纤维的红外光谱如图5所示。在波数为3 064 cm-1、2 924 cm-1、2 851 cm-1处的特征峰是苯环C—H键伸缩振动峰,1 907 cm-1、1 652 cm-1处为苯环C—H键面外弯曲振动,1 571 cm-1、1 474 cm-1、1 386 cm-1处为苯环C=C键的骨架振动峰,1 257 cm-1处为芳环上C—S键的伸缩振动峰,1 097 cm-1附近的特征峰为苯环C—H键面内弯曲振动峰,1 075 cm-1处为对称苯环上C—S键的伸缩振动峰,814 cm-1附近的特征峰是苯环对位取代的弯曲振动峰。通过以上苯环和1,4位上的C—S键可以鉴别除尘滤料中是否含有PPS纤维。

图5 PPS纤维的红外光谱Fig.5 Infrared spectrum of PPS fiber

2.6 PET纤维

PET纤维大分子链中的各链节通过酯基连结而成,具有强度高、弹性回复性能和耐磨性能好、价格低廉等优点。此外,PET纤维耐酸性好,但不耐碱。PET纤维滤料的使用温度不超过130 ℃,属于中常温滤料。

PET纤维的红外光谱如图6所示。在波数为1 711 cm-1处为酯羰基C=O伸缩振动吸收峰,1 239 cm-1、1 092 cm-1处为 C—O—C 反对称、对称伸缩振动吸收峰,是对苯二甲酸基团的特征峰,700～900 cm-1附近的吸收峰说明苯环的存在,720 cm-1附近的特征峰为对位双取代苯环上氢的面外弯曲振动。通过以上特征峰可以鉴别除尘滤料中是否含有PET纤维。

图6 PET纤维的红外光谱Fig.6 Infrared spectrum of PET fiber

3 结论

a.对除尘滤料中纤维进行定性检测时,采用显微红外光谱法能直接观测纤维的外形,并可针对性地采集红外光谱,所需的试样数量少,无需制样。该方法是除尘滤料中纤维定性鉴别的有效测试手段,可以在商业纠纷仲裁、司法鉴定等方面发挥重要的作用。

b.与传统的压片法和衰减全反射法相比,采用反射方式采集的6种纤维的红外光谱的一致性较好,但在个别峰的位置和相对强度方面存在差异。