聚酰亚胺纤维的定性鉴别方法

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　　摘要：分别用燃烧法、显微镜观察法、化学溶解法、红外光谱分析法和热重分析法对聚酰亚胺（PI）纤维进行定性鉴别，并与芳纶（Kevlar）进行了比较分析。结果表明：聚酰亚胺纤维在燃烧性能、化学溶解性能上与芳纶基本相似，两种纤维在离开火焰时均能自灭，且化学性能稳定；聚酰亚胺纤维纵横截面与一般合成纤维相同，可根据需求做成不同形态的纤维；在红外光谱及热重分析中，聚酰亚胺纤维与芳纶有明显区别，可作为聚酰亚胺纤维定性鉴别的重要依据。
　　关键词：聚酰亚胺纤维；PI；红外光谱；热重分析法；定性；鉴别
　　1 引言
　　聚酰亚胺纤维是由聚酰胺酸或聚酰亚胺溶液纺制而成的，由于其分子结构中芳环密度较大，大分子中含有酞酰亚胺结构[1]，因此聚酰亚胺纤维具有优良的耐热、耐辐射、高强高模量、阻燃等性能，成为目前发展迅速的高性能纤维之一。随着其制造工艺的进展，聚酰亚胺纤维逐渐广泛应用到航空航天、新型建材、环境产业、防火材料等[2-3]。
　　聚酰亚胺纤维因其优异的阻燃性能也逐渐被应用到阻燃服装纺织品中，但这种新型纤维在当前纺织服装市场中尚属少见纤维，且目前还没有相关标准对其进行鉴别，对纺织品检测行业而言，随之而来的问题便是如何对聚酰亚胺纤维进行定性鉴别。
　　本文以聚酰亚胺为研究对象，采用燃烧法、显微镜观察法、化学溶解法、红外光谱法和热重分析法等对其进行测试分析，以探索聚酰亚胺纤维的综合鉴别方法。因聚酰亚胺纤维与芳纶在燃烧、化学溶解性能等方面相似，故本文增加了聚酰亚胺纤维与芳纶在红外光谱和热性能方面的比较。
　　2 试验部分
　　2.1 试验材料
　　样品来源于从市场上购买的聚酰亚胺纤维，从样品中随机抽取500g作为试验样品。
　　2.2 试验方法
　　2.2.1 燃烧法[4]
　　用镊子取一小束纤维点火燃烧，仔细观察纤维靠近火焰、火焰中、离开火焰时的燃烧特征和残渣的形态、颜色、软硬程度等，比较燃烧气味。
　　2.2.2 显微镜观察法[5]
　　用CU-I型纤维细度仪观察纤维横截面和纵向形态。首先将纤维束嵌入哈氏切片器的凹槽内，凝固后切成10μm～30μm的薄片，放置在细度仪下放大500倍观察横截面形态。将纤维束整理平放在载玻片上，滴加石蜡油后加盖盖玻片，用纤维细度仪放大500倍观察纤维纵向形态。
　　2.2.3 化学溶解法[6]
　　分别用浓硫酸、75%硫酸、浓盐酸、20%盐酸、1mol/L碱性次氯酸钠溶液、80%甲酸、丙酮、二氯甲烷、浓硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等化学试剂在不同的试验温度和溶解时间下对纤维进行溶解试验。
　　2.2.4 红外光谱分析法[7]
　　利用美国Thermo Nicolet 公司生产的型号为6700傅里叶红外光谱仪，采用ATR法对纤维进行红外光谱扫描，每个样扫描32次，选择自动增益，分辨率4cm-1，光谱范围为4500cm-1～400cm-1，并对光谱进行自动基线校正处理。
　　2.2.5 热重分析法
　　使用美国TA公司的Q500型热重分析仪，取10mg左右的纤维放入铂金坩埚中，升温程序为：氮气下（200mL/min）从30℃升温到800℃，升温速率为10℃/min。
　　3 结果与讨论
　　3.1 感官鉴别
　　图1（a）是进口产品（P84）的外观形态，图1（b）是国产产品（轶纶）的外观形态。感官鉴别是纤维鉴别中最直观的方法。从图1中可以看出，聚酰亚胺纤维呈金黄色，散纤维蓬松。目前市场上由聚酰亚胺纤维制成的阻燃成品也大都呈现为该颜色。
　　（a）P84 （b）轶纶
　　图1 聚酰亚胺纤维的外观形态
　　3.2 燃烧特征
　　由表1看出，聚酰亚胺纤维在燃烧时发红光，不熔不缩，无黑烟，纤维保持原状态；离开火焰时立即熄灭，红光消失，残留物呈黑色炭状。因聚酰亚胺纤维在火焰中较难燃烧，可知该纤维阻燃性能良好，是一种可以用来做阻燃防护服装产品的高性能纤维。
　　3.3 横截面和纵向形态
　　从聚酰亚胺纤维的横截面形态（见图2和图4，放大倍数500倍），可以看出聚酰亚胺有两种不同的截面形态，其中轶纶横截面呈圆形，而P84纤维的横截面呈三叶形；图3和图4为聚酰亚胺纤维的纵向形态，可以看出轶纶纵向表面光滑，无条纹，而P84纤维纵向有较清晰的条纹。因此，聚酰亚胺纤维的形态特征为：横截面呈三叶形或异形截面及圆形，纵向表面有沟槽，有的为光滑圆柱。
　　图2 聚酰亚胺纤维（轶纶）横截面形态（×500）
　　图3 聚酰亚胺纤维（轶纶）的纵向形态（×500）
　　图4 聚酰亚胺纤维（P84）横截面形态（×500）
　　图5 聚酰亚胺纤维（P84）的纵向形态（×500）
　　3.4 化学溶解性能
　　从表2可以看出，聚酰亚胺纤维在煮沸的浓硫酸中可以溶解，在75%硫酸、浓盐酸、20%盐酸、1mol/L碱性次氯酸钠溶液、80%甲酸、丙酮、二氯甲烷、浓硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等化学试剂中都不溶解，说明其化学性质稳定。
　　3.5 红外光谱特征
　　不同种类的纤维具有不同的化学基团，在红外光谱图上呈现各自不同的特征吸收谱带，红外特征吸收谱带可反映材料中分子基团和化学键的信息。
　　图6 聚酰亚胺纤维和芳纶的红外光谱图
　　（红外谱图建议标峰）
　　从图6可以看出，聚酰亚胺纤维在1774.75cm-1出现C=O反对称伸缩振动吸收峰，在1709.51 cm-1出现了C=O对称伸缩振动吸收峰，在1393 cm-1处出现苯环C=C骨架吸收振动峰，在716 cm-1处出现了C=O弯曲振动吸收峰，这些特征峰都是酰亚胺基团的特征，可以作为聚酰亚胺定性鉴别的依据。从图6中可知芳纶在―C=O―基团的伸缩振动吸收峰（1580cm-1～1660cm-1）和―N―H―基团的弯曲振动吸收峰（1470cm-1～1530cm-1）两处，与聚酰亚胺纤维有明显的区别。 　　3.6 热重分析法
　　热重分析法是利用热重分析仪在程序控温下测量样品的质量随温度（或时间）的变化关系，可以用来分析高聚物结晶态和热学性能。图7所示为聚酰亚胺纤维和芳纶的热重分析谱图。
　　从图7可以看出，聚酰亚胺纤维具有耐高温的特性，其在30℃～500℃左右纤维的质量基本不变，聚酰亚胺的开始分解温度为563.12℃，分解结束温度为597.13℃，其热分解温度为580.22℃，可以作为聚酰亚胺纤维的定性依据。从图7中还可以看出聚酰亚胺纤维比芳纶的热分解温度要高。
　　4 结论
　　从上述试验可知，聚酰亚胺纤维的定性鉴别可参照FZ/T 01057标准中的常规鉴别法，并辅以热重分析法等来确定结果。对聚酰亚胺纤维的鉴别可按如下程序操作：
　　（1）聚酰亚胺纤维外观多呈金黄色，不易燃烧且在火焰中发红，化学溶解性能稳定；
　　（2）红外光谱法可以分析聚酰亚胺纤维所含的分子基团，是鉴别聚酰亚胺纤维的重要依据；
　　（3）热重分析法可以测得聚酰亚胺纤维的热分解温度约在563℃～597℃之间，可辅助用于鉴别聚酰亚胺纤维。
　　（4）聚酰亚胺纤维的一般鉴别流程：先用燃烧法、显微镜观察、化学溶解等常规方法对纤维进行观察，再结合红外光谱和热重分析法来鉴别该纤维是否为聚酰亚胺纤维。
　　参考文献：
　　[1] 汪家铭.聚酰亚胺纤维发展概况与应用前景[J].石油化工技术与经济，2011，（8）：58-62.
　　[2] 尹朝清.聚酰亚胺纤维及其阻燃特性[J].纺织学报，2012，（6）：116-120.
　　[3] 张银峰. 聚酰亚胺纤维的制备及其结构性能研究[D].杭州：浙江理工大学，2013.
　　[4] FZ/T 01057.2―2007 纺织纤维鉴别试验方法第2部分：燃烧法[S].
　　[5] FZ/T 01057.3―2007 纺织纤维鉴别试验方法第3部分：显微镜法[S].
　　[6] FZ/T 01057.4―2007 纺织纤维鉴别试验方法第4部分：溶解法[S].
　　[7] FZ/T 01057.8―2012 纺织纤维鉴别试验方法第8部分：红外光谱法[S].
　　[作者单位：广州纤维产品检测研究院、国家纺织品服装服饰产品质量监督检验中心（广州）]
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