魏孟媛 隋阳华 薛文良

(1.上海出入境检验检疫局，上海，200135;2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

高性能纤维(high performance fibers)是近年来纤维高分子材料领域迅速发展的一类特种纤维，通常是指具有高强度、高模量、耐高温、耐环境、耐摩擦、耐化学药品等特性的纤维。这类纤维主要应用于产业用纺织品中，特别是国防尖端工业领域用纺织品和复合材料。

高性能纤维的品种很多，主要分为高强高模纤维和功能型纤维两大类。目前工业用纺织品的高强高模纤维主要有碳纤维和芳纶，工业用纺织品中用量最大的功能型纤维是耐高温和阻燃纤维。本文主要分析了碳纤维、芳砜纶 (PSA)、芳纶1414(PPTA)、芳纶1313(PMIA)的理化性能。

1 纤维的表面形态分析

如图1所示。

图1 纤维的形态特征

采用光学投影显微镜法观察、鉴别纺织纤维是一种最直观的方法。将适量的纤维置于载玻片上，加上一滴去离子水为介质，盖上盖玻片，放在光学显微镜(OLYMPS BX51型)的载物台上，在放大倍数为100倍的条件下观察纤维的纵面形态结构，

由图1可知，碳纤维较粗，在显微镜下完全不透光，呈黑色长杆状，与其他常用纤维有较大差异，因此显微镜法可作为定性区分碳纤维和其他常用纤维的一种有效方法。PSA和PMIA纤维在纵向表面上有一条清晰的条纹，而PPTA纤维表面形态则与大部分合成纤维相似，均为光滑圆形截面。因此，单纯通过显微镜法无法区分 PSA、PPTA和PMIA纤维。

2 纤维的聚集态结构分析

红外吸收光谱法是定性鉴定化合物及其结构的重要方法之一。取适量纤维，使用红外光谱仪(Thermo Scientific Nicolet Is 10型)，采用衰减全反射法(ATR)，扫描波数范围:为4 000 ～400 cm－1，得到各种纤维的红外特征谱图，如图2所示。

图2 纤维的红外光谱图

从图2(a)中可以看出，碳纤维为无机纤维，没有官能团，所以其红外光谱没有特征吸收峰，这与其他常用纤维的红外吸收有较大不同。因此，红外光谱法可作为定性区分碳纤维和其他常用纤维的一种有效方法。

图2(b)所示为PSA纤维的红外光谱图，其特征谱带非常明显:酰胺中N—H键伸缩振动吸收峰为3 300～3 430 cm－1范围内的单峰，具有仲酰胺吸收谱带的典型特征;羰基的伸缩振动峰在1 666 cm－1附近;苯环骨架的伸缩振动峰在1 590和1 530 cm－1附近;飒基的不对称伸缩振动吸收峰在1 300 cm－1附近;飒基的对称伸缩振动吸收峰在1 150 cm－1附近。通过上述特征谱带分析就可以实现对PSA纤维的快速定性鉴别［1-3］。

从图2(c)和图2(d)可以看出，因 PPTA和PMIA纤维具有相同的化学基团，它们的红外吸收光谱非常相似;但由于前者是对位结构而后者是间位结构。因此，PMIA纤维在1 485和1 605 cm－1处苯环的特征吸收峰有异于PPTA纤维。由此可见，红外光谱法也是有效鉴别PPTA和PMIA纤维的有效手段［4-8］。

3 纤维的热性能

3.1 燃烧法

燃烧法是鉴别纺织纤维常用的方法，它简单易行，不需要任何仪器设备，但需要有一定的经验。纤维的组成成分不同，它们对燃烧所产生的化学反应及燃烧特征是不同的，据此可对纤维进行鉴别。用镊子夹住少量纤维，缓慢靠近酒精灯火焰，观察纤维靠近火焰、接触火焰和离开火焰时的状态情况;当纤维火焰熄灭时，嗅其气味;当纤维冷却后，观察残留物的状态。高性能纤维燃烧状态的描述如表1所示。

表1 纤维的燃烧特征

碳纤维遇热不熔不缩，在火焰中像烧铁丝一样发红，离开火焰后不燃烧，燃烧时会释放出辛辣味，燃烧后的残留物与原碳纤维状态相似。可见，碳纤维的燃烧状态与其他常用纤维有较大不同，因此，燃烧法可作为定性区分碳纤维和其他常用纤维的一种有效方法。

3.2 热失重法

利用德国Netzsch公司生产的STA449C型热分析仪对纤维进行TGA测试。试验条件一为:氮气气氛，气流速度为20 mL/min;保护气体亦为氮气，流速为10 mL/min;温度范围为25～1 400℃，升温速率为20℃/min。试验条件二为:在20 mL/min氮气气氛下从25℃升温至600℃，升温速率为20℃/min，保护气体10 mL/min氮气;然后将气氛切换为20 mL/min氧气，并在600℃下保持10 min。

由图3(a)可以看出，碳纤维在氮气气氛下在1 000℃左右时才开始呈现轻微失重的现象，且当温度升至1 250℃时也只有约12%的失重。由此可知，在氮气气氛下碳纤维的耐热性能非常好。但是，如果在600℃时将气氛切换成20 mL/min氧气，即使在温度远低于1 000℃(图中的600℃)也会迅速完全失重，这是碳纤维的独特性能。可见，热失重法也不失为鉴别碳纤维的有效方法之一。

由图3(b)可以看出，PSA、PPTA和PMIA三种纤维的TGA谱图比较相似，它们的TGA曲线都可划分成两个阶段。其中第一阶段的失重率较大，是试样的分解，为最主要的失重阶段。PSA纤维的起始分解温度为445.2℃，低于PPTA纤维的分解温度542.5℃，略高于PMIA纤维的分解温度422.1℃;三种纤维终止温度时的残渣量差距不大，分别为41.29%、42.71%、44.51%。PSA 纤维失重率为10%时的温度为403℃，低于PPTA纤维，略低于PMIA纤维。综上所述，根据TGA曲线分析，PSA纤维的耐热稳定性和PMIA纤维较为接近，低于PPTA纤维。

图3 高性能纤维的TGA曲线

4 其他性能

4.1 纤维的广角X衍射测试

本文采用日本理学公司的D/max-2500PC型X-光衍射仪，试验条件为:CuKα靶，电压40 kV，电流350 mA，扫描速度 10°/min，扫描范围 5°～60°。测试结果见图4。

从图4(a)中可以看出，无论是腈纶基碳纤维还是纤维素基碳纤维，都只在2θ=24°处出现一个特征衍射峰，因此广角X衍射法(WAXD)也是定性鉴别碳纤维的方法。从图4(b)、图4(c)和图4(d)中可以看出，PSA、PPTA和PMIA纤维的特征峰都不止一个，详细情况参见表2。

从表2中可以看出，PSA纤维在2θ=18.7°和2θ=41.5°处两个特征衍射峰，分别对应 101、002晶面;PPTA 纤维在 2θ=22.6°、2θ=22.9°和 2θ=28.6°处的三个特征衍射峰，分别对应110、200和004 晶面;而 PMIA 纤维在 2θ=17.8°、2θ=23.5°和2θ=27.2°处的三个特征衍射峰，也分别对应110、200和004晶面。结合图4和表2可以看出，WAXD可有效区分碳纤维、PSA纤维、PPTA纤维和 PMITA 纤维［9-11］。

图4 高性能纤维的WAXD图谱

表2 纤维的特征衍射峰

4.2 纤维的化学溶解性能

溶解法是鉴别纤维材料最常用的方法之一，具有简单、快速、准确性高的优点。其基本原理是根据纤维的溶解特性，在一定条件下，不同纤维在特定溶剂中表现出不同的溶解特性。对于混纺产品，如果纤维的溶解性能不同，也可以采用溶解法对纤维成分进行定量检测。

将少量纤维试样置于小烧杯中，注入适量溶剂或溶液，在常温下摇动5 min，观察纤维的溶解情况。对于有些在常温下难于溶解的纤维，将装有试样和溶剂或溶液的小烧杯加热至沸腾并保持3 min，观察纤维的溶解情况。碳纤维、PSA纤维、PPTA纤维和PMIA纤维的溶解情况如表3所示。

5 结语

(1)碳纤维较粗，在显微镜下完全不透光，呈黑色长杆状。显微镜法可作为定性区分碳纤维和其他常用纤维的一种有效方法。但是，单纯通过显微镜法无法对PSA、PPTA和PMIA纤维进行区分。

表3 纤维的溶解性能

(2)红外吸收光谱法可快速区分碳纤维、PSA纤维、PPTA纤维和PMIA纤维，因此，它是鉴别这几种纤维的有效途径之一。

(3)碳纤维在氮气气氛下1 450℃时只有约12%的失重，而在氧气气氛下即使只有600℃也会迅速完全失重。PSA、PPTA和PMIA纤维也呈现出不同的玻璃化转变温度和裂解温度。因此TGADSC同步热分析也可以作为这几种纤维的定性判别手段。

(4)碳纤维、PSA纤维、PPTA纤维和PMIA纤维在广角X衍射下会呈现不同的特征衍射峰，因此通过WAXD图谱即可实现对这四种纤维的定性鉴别。

(5)这四种纤维的化学溶解性能各有差异，可通过这些差异对其混纺织物进行定量分析。

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