PTT与PET纤维热转变特征参数的提取与比较

程英超，蒋耀兴，王祥荣，杭志伟

(1.苏州大学a.纺织与服装工程学院;b.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州215123;2.苏州市纤维检验所，江苏苏州215021)

聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维同属聚酯纤维，PTT的基本结构单元比PET多一个亚甲基[1-2]。它们的分子式如图1所示。

图1 PTT、PET分子结构式Fig.1 Molecularstructural formula of PTT ＆ PET

由于PTT和PET的化学溶解性能非常相似，单纯利用常规纤维鉴别方法无法对其进行定性鉴别[3]，而由于PTT与PET的性能及价格均差异较大，因此有必要对两种纤维进行定性和定量分析研究。

当物质的物理状态和化学状态发生变化时(如结晶、熔融、晶型转变或发生化学反应)，往往伴随着热力学性质(如热焓、比热容、导热系数等)的变化，热分析技术的基础是通过测定物质热力学性能变化，来研究被测样品的物理、化学变化过程[4]。热分析法在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段，但在纺织标准中还未见其应用于PTT和PET的定性鉴别与定量分析中[5]。本研究从纤维的热转变角度出发，通过差示扫描量热仪、TG-DTA联用测试仪和同步热分析仪，对PTT、PET纤维的热转变曲线进行测量与表征，提取差异明显的特征参数，作为对两者鉴别的实验参考依据。

1 材料和仪器

1.1 材 料

分别选用4种PTT纤维、4种PET纤维作为实验材料，实验材料的规格、生产厂家和相对分子质量，如表1所示。

表1 实验材料的生产厂家、规格和相对分子质量Tab.1 Manufacturer，specification and relative molecular mass of experimental materials

1.2 仪 器

Diamond DSC差示扫描量热仪(美国 Perkin Elmer)，Diamond TG-DTA联用测试仪(美国 Perkin Elmer)，SDT Q600同步热分析仪(美国TA公司)，YG981B纤维油脂快速抽出器(南通宏大实验仪器有限公司)。

2 方法

2.1 样品预处理

为了消除纤维油脂等附着物对实验结果的影响，用萃取溶剂乙醚对样品进行去油脂处理，样品自然干燥，剪成粉末状品，再放入干燥皿中平衡24 h。

2.2 热转变特性测试

2.2.1 热重分析、差热分析

用TG-DTA联用测试仪测量PTT、PET纤维的热重分析TG曲线，并得到DTA曲线。实验参数:氮气氛围，流量100mL/min，以10℃/min速率从50℃升温至600℃，参比物为Al2O3，每个样品做3次重复实验，取平均值作为样品特征参数值。

2.2.2 微分热重法

微分热重DTG曲线是热重分析TG曲线的一次微分曲线。DTG曲线表示质量随时间变化率(d m/d t)与温度T的函数关系，d m/d t=f(T)，DTG曲线的峰顶(d m/d t=0)对应TG曲线的拐点，即失重速率的最大值。

2.2.3 差示扫描量热分析法

用差示量热扫描仪测量PTT、PET纤维的DSC曲线。首先，在高纯氮气氛(流量20.0mL/min)中，以10℃/min的加热速率扫描得到样品的第一次升温DSC曲线;当温度高出被测样品熔融峰温度30℃时，恒温10 min，以消除纤维熔体中残留的晶核;然后，以相同的冷却速率(10℃/min)，冷却至室温，擦去原来的“热机械历史记忆”[6]，得到被测样品的冷却曲线;最后以相同的条件加热扫描，得到被测样品的第二次升温DSC曲线。

3 结果与讨论

3.1 TG-DTG曲线的分析与特征参数提取

PTT、PET纤维的TG-DTG曲线如图2。从TG曲线中测量出被测样品的热降解起始温度(Ti)和热降解终了温度(Tf)2个特征参数，从DTG曲线中测量被测样品的最大失重速率温度(Ts)，实验结果如表2所示。

图2 PTT、PET纤维的TG-DTG曲线Fig.2 TG-DTG curve of PTT PEF fibers

表2 PTT和PET纤维的3种热转变特征参数Tab.2 Three characteristic parameters of thermal transformation of PTT＆PET fibers

由图2和表2可知:4种PTT纤维的Ti平均值为 375.63℃，方差为 0.88，标准差为 0.94;Tf平均值为439.98 ℃，方差为2.85，标准差为1.69;Ts平均值为404.75 ℃，方差为 0.60，标准差为 0.77。PET 纤维的Ti平均值为408.31℃，方差为1.53，标准差为1.24;Tf平均值为 492.68 ℃，方差为 1.53，标准差为1.24;Ts平均值为 422.70 ℃，方差为 1.8，标准差为1.34。比较发现，以上各特征参数的方差均小于3，数据离散性较小，表明同种纤维的特征参数值比较稳定，生产厂家、产品规格、相对分子质量大小的不同对其影响很小。

PTT纤维的Ti平均值比PET纤维低32.68℃，Tf平均值比 PET纤维低52.70℃，Ts的平均值比PET纤维低17.95℃。由此可知，PTT和PET纤维的失重过程差别较大，Ti、Tf、Ts3个特征参数可以作为PTT和PET纤维定性鉴别的比较依据。

3.2 DSC曲线的分析与特征参数的提取

通过差示扫描量热仪测试得到被测样品的DSC曲线。实验过程如下:先从－30℃以10℃/min速率加热到280℃;在280℃时保温10min;再从280℃以10℃/min的速率冷却到25℃;最后从25℃以10℃/min速率升温至300℃。从第二次升温曲线中测量试样的玻璃化温度(Tg)和熔融温度(Tm)，见表3。

表3 PTT和PET纤维的DSC实验热转变特征参数Tab.3 Characteristic parameters of thermal transformation of PTT＆PET fibers in DSC experiment

由表3可知，4种PTT纤维的Tg平均值52.62℃，方差为0.26，标准差为0.51;Tm平均值为223.62 ℃，方差为1.04，标准差1.02。4种PET纤维的Tg平均值为 70.74 ℃，方差为 1.37，标准差为 1.17;Tm平均值为251.40 ℃，方差为 1.72，标准差为 1.3。对比发现，同种纤维的Tg比较集中，离散性较小，说明同种纤维的生产厂家、产品规格、生产工艺的差别对其影响很小。

对比可知，PTT纤维的Tg比PET纤维低18.12℃，玻璃化转变过程差异较大;Tm平均值比PET低27.79℃。对比Tg及Tm发现，PTT和PET纤维的热转变过程具有明显的差异，可以作为PTT和PET纤维的定性鉴别的实验依据。

3.3 PTT和PET混合样品的DSC曲线分析

在3.2的基础上，取 PTT纤维6 mg，PET纤维14mg，按照3︰7比例混合，研磨使其混合均匀，取8.2mg作为测试样品，通过差示扫描量热仪测试得到被测样品的DSC曲线，第二次升温曲线如图3所示。

图3 PTT及PET纤维混合样品的DSC曲线Fig.3 DSC curve of PTT ＆ PET fibers

观察发现，PTT纤维的熔融吸热峰处于PET纤维的无热效应区域，并且在加热过程中，两种纤维几乎没有相互作用。因为熔融热与纤维质量有直接的关系[7]，因此可以通过PTT/PET混合纤维中PTT纤维熔融峰面积对两者进行定量分析。

4 结论与展望

1)不同生产厂家、不同产品规格及不同相对分子质量的同种纤维的热转变过程相似。同种纤维的热降解起始温度、热降解终了温度、最大失重速率温度、熔融温度、玻璃化温度5个特征参数差异较小，稳定性高。

2)PTT和PET纤维的热转变过程差异明显，热转变特征参数值差别较大。热降解起始温度、热降解终了温度、最大失重速率温度、熔融温度、玻璃化温度5个特征参数可作为对PTT和PET纤维定性鉴别的比较依据。

3)PTT纤维的熔融吸热峰处于PET纤维的无热效应区域，并且在加热过程中，两种纤维没有相互作用。因为熔融热与纤维质量有直接的关系，因此可以通过PTT/PET混合纤维中PTT纤维熔融峰面积对两者进行定量分析。PTT和PET纤维的热转变特征参数的提取与比较，即基于热分析基础上的定性鉴别，为后续对两种纤维的混纺产品进行定量分析奠定了理论基础。

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