聚乙烯/聚丙烯和聚乙烯/聚酰胺复合纤维定性鉴别方法研究

2021-01-08袁聪慧许志强

合成纤维工业 2020年6期

袁聪慧，许志强，黄芽，钱浩

(凯泰特种纤维科技有限公司，浙江绍兴 312071)

在20世纪80年代，日本Chisso公司成功开发了第一代聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)复合纤维(简称PE/PP纤维)[1]，它是一种以PE为皮，PP为芯的皮芯复合纤维。皮层在高于其熔点的热处理条件下熔融，并与其他材料发生黏结，从而实现了自身黏合而无需使用黏合剂的工艺突破，主要用于非织造布领域。PE/PP纤维的问世，是传统非织造布生产工艺的巨大革新，使非织造布领域的产品品种和质量得到了极大的丰富和提高[2]。之后，人们又开发出了其他多种PE复合纤维品种，如PE/聚酰胺6(PA 6)复合纤维(简称PE/PA 6纤维)，以PE为皮层，PA 6为芯层，制成截面为同心圆形状的复合纤维，同样可作为热熔黏合纤维应用于无纺布领域[3]。随着PE/PP纤维和PE/PA 6纤维在市场上的广泛推广应用，对两者进行有效区分鉴别也开始受到关注。但目前并没有针对这两种复合纤维的定性分析的标准方法，因此，作者采用了燃烧法、溶解法、显微镜法、差示扫描量热法(DSC法)、傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对PE/PP纤维和PE/PA 6纤维的性能进行了研究，并与PE纤维进行了对比分析，为快速鉴别PE/PP纤维和PE/PA 6纤维提供了参考。

1 实验

1.1 试剂及试样

硫酸：分析纯，衢州巨化试剂有限公司产；盐酸：分析纯，佛山市华希盛化工有限公司产；苯酚：分析纯，西陇化工股份有限公司产；四氯乙烷：分析纯，上海展云化工有限公司产；硝酸：分析纯，佛山市华希盛化工有限公司产；甲酸：分析纯，无锡市晶科化工有限公司产；碘(I2)：分析纯，青岛拓海碘制品有限公司产；碘化钾(KI)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司产；PE/PP纤维、PE/PA 6纤维、PE纤维试样：凯泰特种纤维科技有限公司产。

1.2 仪器和设备

哈氏切片器、YG002D型纤维细度分析仪：常州第二纺织仪器厂制；AQ-204电子天平：精度为0.1 mg，梅特勒-托利多公司制；Pyris-1型差示扫描量热仪：美国珀金埃尔默公司制；Spotlight 400红外光谱仪：美国珀金埃尔默公司制；XC881-3型烘箱：吴江市新成烘箱制造厂制。

1.3 实验方法

1.3.1 燃烧法

按照FZ/T01057.2—2007《纺织纤维鉴别试验方法第2部分：燃烧法》标准要求，用镊子夹住少许试样，观察试样靠近火焰、接触火焰和离开火焰时的状态，嗅闻燃烧时产生的气味，轻捻燃烧后残留物的状态，对照标准中附录A的各种纤维燃烧状态的描述，来判断纤维种类。

1.3.2 溶解法

称取约0.5 g纤维试样，将纤维试样置于小烧杯中，注入约50 mL试剂溶液，在常温(20～30 °C)下摇动5 min，观察试样溶解情况，若完全溶解则实验结束。若不溶解或不完全溶解，则将装有试样的小烧杯加热至沸腾，并保持3 min，观察纤维的溶解情况。对照FZ/T 01057.4—2007《纺织纤维鉴别试验方法第4部分：溶解法》附录A中常用纺织纤维的溶解性能，来判断纤维种类。

1.3.3 显微镜法

按照FZ/T 01057.3—2007《纺织纤维鉴别试验方法第3部分：显微镜法》标准要求，先将适量纤维均匀平铺于载玻片上，加上一滴甘油或液体石蜡，盖上盖玻片，在纤维细度分析仪上放大200倍，观察纤维的纵面形态。再取适量纤维，使用哈氏切片器切取试样薄片，置于载玻片上，再加上一滴I2-KI溶液，使其浸润试样薄片，在纤维细度分析仪上放大400倍，观察纤维的横截面形态和显色情况。

1.3.4 DSC法

在氮气氛围下，以20 °C/min的速率从室温升至280 °C，并在该温度下平衡5 min，消除热历史；然后以20 °C/min的速率降温至30 °C，在该温度下平衡5 min；最后以20 °C/min的速率从室温升至280 °C，得到二次升温曲线，以此作为纤维鉴别的主要依据。

1.3.5 FTIR法

取小束待测试样，切取约1 cm长的纤维段，放在两片载玻片中间压实，将其放置到加热台上，升温到一定温度待纤维段完全熔融后，在载玻片上施加一定的压力，将熔融的纤维热压成薄片置于红外光谱仪中扫描，扫描波数为550～4 000 cm-1，扫描次数为16，分辨率为4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 燃烧法

将PE/PP纤维与PE/PA 6纤维进行燃烧测试，并将其与PE纤维的燃烧性能进行对比，3种纤维的燃烧特征如表1所示。

表1 纤维的燃烧性能Tab.1 Combustion properties of fibers

由表1可知，PE/PP纤维与PE/PA 6纤维在燃烧过程中有一定的差异。PE/PP纤维与PE纤维的燃烧状态与残留物状态相同，燃烧过程中有石蜡味，残留物呈灰白色蜡片状。而PE/PA 6纤维在燃烧过程中有氨基味，这是因为其含有PA 6纤维成分，残留物呈硬淡棕色透明圆珠状。因此根据燃烧时的气味和残留物特征，可将PE/PA 6纤维与PE/PP纤维区分出来。

2.2 溶解法

选用8种不同溶剂对PE/PP纤维、PE/PA 6纤维、PE纤维进行溶解实验，试样在不同溶剂中的溶解性能如表2所示。

表2 试样在不同溶剂中的溶解性能Tab.2 Solubility of samples in different solvents

由表2可知，PE/PP纤维与PE纤维在选用的8种常用溶剂中均不溶解，而PE/PA 6纤维的溶解性能结合了PE纤维和PA 6纤维的复合特性。PA 6纤维在上述溶剂中均能溶解，但由于PA 6纤维成分在PE/PA 6纤维的芯层，溶剂较难渗透进去，无法与芯层充分接触，只能溶解纤维断面的较少芯层部分[4]，在溶解过程中，可观察到有少量细小颗粒溶出，但不明显。因此，溶解法较难区分出PE/PP纤维和PE/PA 6纤维。

2.3 显微镜法

在纤维细度分析仪观察PE/PP纤维、PE/PA 6纤维、PE纤维的横截面和纵面形态。结果如图1、图2所示。

图1 试样横截面形态的显微镜照片Fig.1 Microscopic photographs of cross section morphology of samples

图2 试样纵面形态的显微镜照片Fig.2 Microscopic photographs of longitudinal surface morphology of samples

由图1可见，在未加I2-KI溶液时，PE/PP纤维和PE/PA 6纤维的横截面均为圆形或近似圆形，且呈现出明显的皮芯结构，PE纤维的横截面为圆形或近似圆形，无皮芯结构特征。通过图2纵面形态，同样可看出PE/PP纤维和PE/PA 6纤维较明显的皮芯分界线。在3种纤维的横截面薄片上，滴加I2-KI溶液，观察着色情况发现，只有PE/PA 6纤维的芯层变深褐色，另外两种纤维不显色，这是因为PA 6纤维可被I2-KI溶液着色[5]，PE和PP无法着色。因此，通过观察在纤维横截面薄片滴加I2-KI溶液后的着色情况，可明显区分PE/PP纤维和PE/PA 6纤维。

2.4 DSC法

由图3可见，PE/PP纤维熔融过程中出现了2个熔融峰，分别为132.2 °C和162.1 °C，分别与PE和PP的熔融峰相吻合。PE/PA 6纤维熔融过程中也有2个熔融峰，分别为131.0 °C和216.4 °C，分别与PE和PA 6的熔融峰相吻合。因此，通过PP、PA 6的熔融温度可准确区分PE/PP纤维和PE/PA 6纤维。

图3 试样的DSC曲线Fig.3 DSC curves of samples1—PE/PP纤维；2—PE/PA 6纤维；3—PE纤维

2.5 FTIR法

由图4可知，PE纤维的FTIR中，PE的各特征峰为2 915.03 cm-1为—CH2—的不对称伸缩振动，2 847.78 cm-1为—CH2—的对称伸缩振动，1 462.11 cm-1为—CH2—的弯曲振动，717.99 cm-1归属为—CH2—的面内摇摆振动。

图4 试样的FTIRFig.4 FTIR spectra of samples1—PE/PP纤维；2—PE/PA 6纤维；3—PE纤维

对比PE纤维的FTIR，PE/PP纤维的FTIR，除了PE的特征吸收峰外，还出现了归属于PP的特征吸收峰：2 949.93 cm-1为—CH3的不对称伸缩振动， 1 375.66 cm-1为—CH3的对称变形振动，1 166.72 cm-1为—CH3的面外摇摆振动，972.43 cm-1为—CH3的面内摇摆振动。由这些红外特征峰可知PE/PP纤维中含有PE和PP两种组分。

对比PE纤维的FTIR，PE/PA 6纤维的FTIR除了PE的特征吸收峰外，还出现了PA 6的特征吸收峰：3 295.5 cm-1归属为酰胺基中—NH伸缩振动吸收峰，1 633.84 cm-1为酰胺基中C—O键伸缩振动吸收引起(为酰胺Ⅰ带)，1 538.12 cm-1为酰胺基中N—H键弯曲振动和C—N键伸缩振动的组合吸收峰(为酰胺Ⅱ带)，1 261.53 cm-1归属为酰胺基的弯曲振动(为酰胺Ⅲ带)，3 072.22 cm-1附近为酰胺Ⅱ波段的倍频带。因此，由这些红外特征峰可推断复合纤维中含有PE和PA 6两种组分。