聚乙烯/聚丙烯复合纤维定性方法研究

曹月婵++陆佳英++谷小辉++罗峻++楚珮

摘要：

采用燃烧法、显微镜法、化学溶解法、红外光谱法以及差示扫描量热法（DSC）对聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）复合纤维进行定性鉴别，并与聚乙烯纤维、聚丙烯纤维进行比较研究。测试结果表明：PE/PP复合纤维在燃烧性能和化学溶解性能上与聚乙烯纤维、聚丙烯纤维相似。PE/PP复合纤维横纵截面为皮芯结构，而单组分的这两种纤维为圆形结构；在红外光谱与DSC测试分析中，PE/PP复合纤维与聚乙烯纤维、聚丙烯纤维有明显的区别，它们可以快速准确地定性鉴别PE/PP复合纤维和单组分纤维的成分，这一方法也为其他两组分复合纤维的定性提供了参考。

关键词：聚乙烯/聚丙烯复合纤维；差示扫描量热法；定性

1 引 言

复合纤维是由两种及两种以上聚合物或由不同性质的同类聚合物经复合纺丝工艺过程而制成的化学纤维，聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）复合纤维是典型的皮芯结构复合纤维，皮层组织熔点低且柔软性好，芯层组织则熔点高、强度高[1-3]。PE/PP复合纤维经过热处理后，皮层一部分熔融而起粘结作用，其余仍保留纤维状态，具有热收缩率小的特征，特别适合用作热风穿透工艺生产卫生材料、保暖填充料、过滤材料等产品[4]。随着PE/PP复合纤维在纺织行业广泛应用于纺织品，其纤维成分的定性鉴别需求日益增大，但目前并没有针对PE/PP复合纤维及其他两组分复合纤维的定性标准方法，造成检测人员在复合纤维的定性鉴别中容易与常规的纤维混淆，从而给出错误的定性结果。本文采用燃烧法、显微镜法、化学溶解法、红外光谱法和差示扫描量热法（DSC法）对PE/PP复合纤维的定性鉴别进行了研究，并与聚乙烯纤维和聚丙烯纤维进行比较分析，展示了PE/PP复合纤维与聚乙烯纤维、聚丙烯纤维在各种测试方法中的差异，为快速准确地定性鉴别PE/PP复合纤维提供了方法参考。

2 试验部分仪器和试剂

仪器：纤维细度成分显微分析仪；梅特勒-托利多AE200电子天平；AS型水浴恒温振荡器；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪；ULE400型恒温烘箱；差示扫描量热分析仪（DSC）。

试剂：75%硫酸、浓硫酸、20%盐酸、浓盐酸、88%甲酸、浓硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、苯酚。

3 结果与分析

3.1 燃烧法

燃烧鉴别法是依据纤维接近火焰时、在火焰中和离开火焰后的不同燃烧状态和熔融情况，燃烧时散发的气味以及燃烧剩余物的颜色、形状、硬度等来鉴别纤维的方法。用镊子夹持纤维的一端，缓慢地移近火焰，观察纤维在整个燃烧过程中所发生的现象。PE/PP复合纤维的燃烧特征如表1。

由表1可知：PE/PP复合纤维与标准FZ/T 01057.2—2007《纺织纤维鉴别试验方法 第2部分：燃烧法》中聚乙烯纤维、聚丙烯纤维的燃烧状态、火焰颜色、燃烧气味以及残渣形态等燃烧特征无明显差异，三种纤维的燃烧特征相似，无法利用燃烧法进行初步区分。在实际检测过程中，也只能依据燃烧法区分纤维的大类，不能准确鉴别出具体的纤维种类，需对样品进一步定性分析。

3.2 显微镜法

用纤维细度成分显微分析仪采集聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、PE/PP复合纤维的横、纵向形态特征图。将纤维手扯伸直平行，抽取少量置于载玻片上，滴上石蜡油，覆上盖玻片，在显微镜下观察纤维纵向形态；横截面制片采用哈氏切片器，将整理好的纤维嵌于切片器凹槽中，切出10μm～30μm的薄片，用火棉胶凝固，在显微镜下观察纤维横截面形态。三种纤维相应的横纵截面如图1所示。（使用OLYMPUS BX53纤维细度分析仪观察，放大倍数：×1000）

3.3 化学溶解法

化学溶解法是利用纤维在温度下的不同化学溶剂中的溶解特性来鉴别纤维的方法。本测试中选用10种常用化学试剂在相同的浓度、处理温度和溶解时间下对PE/PP复合纤维进行溶解试验，结果见表3。

从表3可以看出，PE/PP复合纤维在常温和煮沸的75%硫酸、浓硫酸、20%盐酸、浓盐酸、88%甲酸、浓硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、苯酚这10种试剂中都不溶解，与标准FZ/T 01057.4—2007《纺织纤维鉴别试验方法 第4部分：溶解法》中聚乙烯纤维和聚丙烯纤维的溶解性能相似且化学稳定性好。由此可知，通过化学溶解的方法无法对PE/PP复合纤维进行定性，需要其他方法来进一步定性。

3.4 红外光谱分析

由于本试验需要分析复合纤维内部结构定性，红外透射光谱法制樣繁琐、耗时且分析周期长，不利于快速准确地对纤维的成分进行定性。故选择衰减全反射傅里叶红外光谱法（ATR法）对聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、PE/PP复合纤维进行红外光谱测试，每个试样扫描32次，选择自动增益，分辨率为4cm-1，测试光谱范围为4500cm-1～400cm-1，并对测试光谱进行自动基线校正处理。三种纤维的红外谱图如图2所示。

由图2可知：图2A中，振动峰2949.17cm-1为聚丙烯纤维的—CH2—不对称伸缩振动，2916.36 cm-1为—CH2—不对称伸缩振动，2866.17 cm-1为—CH2—对称伸缩振动，2837.00 cm-1为—CH2—对称伸缩振动，1454.08 cm-1为—CH2—弯曲振动，1375.22 cm-1为—CH2—对称变形振动；聚乙烯纤维各振动峰2912.89 cm-1为—CH2—不对称伸缩振动，2847.44 cm-1为—CH2—对称伸缩振动，1471.12 cm-1为—CH2—弯曲振动，715.51 cm-1为—（CH2）n—面内摇摆振动（如图2B所示）。图2C中PE/PP复合纤维红外谱图主要呈现为聚乙烯的特征谱图，同时在1375.18cm-1处有出峰，该特征峰为聚丙烯分子—CH3对称变形振动峰，主要原因在于ATR红外光谱采集的即为皮层物质，红外光的穿透能力较差，不足以完全穿过皮层到达芯层，由此可知PE/PP复合纤维的皮层成分为聚乙烯，芯层为聚丙烯。

因此PE/PP复合纤维红外测试中会出现聚乙烯与聚丙烯分子基团的特征峰，但聚丙烯的特征峰较弱。由以上分析可知，不能单一通过ATR法对复合纤维进行准确的定性，需要进一步分析。

3.5 DSC测试分析

鉴于红外测试中发现1375.18cm-1处的聚丙烯特征峰较弱，为进一步确认样品纤维成分，采用DSC测试。DSC是在程序控制温度条件下，测量输入给样与参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法，测试过程中考察聚丙烯纤维、聚乙烯纤维和PE/PP复合纤维在非等温降温过程中的结晶峰、升温过程中熔融峰的位置，来对纤维进行快速准确定性。

DSC测试的条件为：环境气氛为氮气，纤维以50℃/min的速度升温到300℃，并在该温度下平衡5min，消除纤维的热历史，以10℃/min的速度降温至50℃，在该温度下平衡0.5min，再以10℃/min速度升温到280℃。考虑到纤维其结晶与降温过程热历史密切相关，因此选择纤维的二次升温曲线作为纤维成分定性鉴别的主要依据。

由图3可知，二次升温过程中，复合纤维出现了160.12℃的特征峰与聚丙烯纤维的熔融峰159.03℃相吻合，图3B中132.13℃的特征峰与聚乙烯纤维的熔融峰137.30℃基本一致，所以PE/PP复合纤维二次升温过程中出现了两个熔融特征峰，与聚乙烯纤维和聚丙烯纤维的熔融峰一致，因此，可通过三种纤维的DSC测试，快速准确判断三种纤维的成分，特别适用于复合纤维的成分定性。

由以上一系列测试结果可知，由于三种纤维的燃烧特征一致，又无法采用化学溶解法进行溶解而区分，显微镜只能区分纤维特征明显的纤维，对于形态特征类似的化学纤维无法定性，对于皮芯结构的复合纤维只能观察其结构，不能进行定性，而ATR法鉴别皮芯型复合纤维时，容易只鉴别到皮层成分，芯层成分的特征峰出峰弱，易被覆盖，而采用DSC掃描可以快速准确地对复合纤维进行定性。

4 结论

研究表明：在采用燃烧法无法对纤维成分进行分类时，可以结合显微镜法，通过纤维横纵截面图初步判断复合纤维为皮芯型结构，而采用常规化学试剂进行溶解试验，纤维无法溶解表明复合纤维为化学纤维，进一步采用红外光谱法进行分析，鉴别出皮层为聚乙烯材质，而芯层成分无法准确确认，因此最终采用DSC测试，可快速准确地定性出复合纤维的芯层为聚丙烯，由此定性为PE/PP复合纤维。这一测试方法也为测试其他两组分复合纤维的成分提供了参考。

参考文献：

[1] 崔卫国， 吴峰. PE/PP皮芯型复合纤维[J]. 化纤与纺织技术，2005， 1672（4） ：50-53.

[2] 芦长椿. 国内外双组分纤维的技术发展动向[J]. 纺织导报，2010 （1）：51-55.

[3] 钱鑫. 国内外双组分纤维的生产现状及发展趋势[J]. 合成树脂及塑料， 2013， 30（4）：80-84.

[4] 程爱民. PE/PP双组分复合纺粘法非织造的结构与性能研究[D]. 上海： 东华大学， 2008.

（作者单位：广州市纤维产品检测研究院）