红外、拉曼光谱和裂解气-质联用技术鉴别弹性纤维

黎海洋，刘 旺，程鑫桥，韩丽屏

（深圳市计量质量检测研究院，广东深圳518109）

0 引言

近年来，随着生活水平的不断提高和消费观念的转变，人们对于纺织产品的要求也越来越高。聚烯烃弹性纤维、聚酯类弹性纤维、二烯类弹性纤维、氨纶等弹性纤维因能提高面料的柔软性和弹性而被广泛地用于各类纺织产品中。聚烯烃弹性纤维是由烯烃聚合成的纤维；二烯类弹性纤维是由聚异戊二烯构成的纤维；聚酯类弹性纤维是以聚酯为原料,经纺丝所得的弹性纤维；氨纶是聚氨酯弹性纤维的简称，是以聚氨酯为原料纺丝制得的弹性纤维。对于这四种常见的弹性纤维的鉴别，一般通过燃烧法、显微镜观察法、化学溶剂溶解法等方法进行鉴别[1]，但这些方法鉴别弹性纤维时会存在误判的问题。红外光谱仪、拉曼光谱仪、热裂解气相色谱-质谱联用技术（Py∕GC-MS）的运用可以弥补传统方法的不足，提高测试的实效性和重复性，可为弹性纤维的准确鉴别提供有力的支撑[2-6]。

1 试验部分

1.1 试验仪器

iS50傅里叶变换红外光谱仪（美国Thermo Sci⁃entific公司）、DXR2xi色散型显微共聚焦激光拉曼光谱仪（美国Thermo Scientific公司）、热重分析仪（瑞士METTLER-TOLEDO公司）、裂解气相色谱-质谱联用仪（美国Thermo Scientific公司）和EGA∕PY3030D炉式热裂解器（日本Frontier公司）。

1.2 试验样品

聚烯烃弹性纤维、聚酯类弹性纤维、二烯类弹性纤维、氨纶，均取样于深圳市计量质量检测研究院的检测样品。

1.3 试验方法

1.3.1 红外光谱

采用衰减全反射法（attenuated total refraction，简称ATR），在波数4 000～600 cm-1、分辨率4 cm-1的测试条件下扫描32次，采集样品的红外光谱。

1.3.2 拉曼光谱

将试样放入拉曼光谱仪激光器的聚焦台上，移动样品平台，调节样品至合适的位置，然后选用532 nm激光器测试扫描采集样品，测量记录3 700～100 cm-1的拉曼散射光谱。试样测试部位应覆盖样品中的所有纤维。

1.3.3 裂解气相色谱-质谱联用分析

裂解条件：裂解产物与相连的气象色谱仪进行分离和鉴别，裂解温度为600℃。

色谱条件：DB-5MS（5%联苯-95%聚二甲基硅氧烷）石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升温前柱温在50℃保持2min，然后以10K∕min速率升至280℃，保持10min；载气（氦气）流速0.80 mL∕min，分流比为50∶1。

质谱条件：电子轰击离子源，电子能力为70 eV，离子源温度为200℃，传输线温度为300℃，质荷比29～600（m∕z），采用NIST库谱进行搜索。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

将纤维整理成束，采用ATR金刚石附件，采集得到的聚烯烃弹性纤维、聚酯类弹性纤维、二烯类弹性纤维和氨纶的红外光谱图见图1。

图1（a）是聚烯烃弹性纤维的红外光谱图，在2 916 cm-1的特征峰对应的是─CH2反对称伸缩振动，在2 848 cm-1的特征峰对应的是─CH2对称伸缩振动，在1 462 cm-1的特征峰对应的是─CH2弯曲振动，这些特征峰与乙烯的特征峰相对应。图1（b）是二烯类弹性纤维的红外光谱图，在3 038 cm-1和834 cm-1处的特征峰对应的是==CH─H，在2959 cm-1、1 446cm-1和1 375 cm-1处的特征峰对应的是─CH3，在2 914 cm-1和2 852 cm-1处的特征峰对应的是─CH2，在1 660 cm-1处的特征峰对应的是C==C。图1（c）是聚酯类弹性纤维的红外光谱图，2921cm-1处的吸收峰归属于─CH2的不对称伸缩振动，1716cm-1处的特征峰对应的是C==O，1 340 cm-1处吸收峰归属于─CH2，1 018 cm-1、872 cm-1和 725 cm-1处吸收峰归属于弹性聚酯纤维分子苯环中的C─H。图1（d）是氨纶红外光谱图，2939cm-1和2855cm-1处的吸收峰归属于氨纶分子中的─CH2和─CH3，1730 cm-1处的特征峰对应的是C==O，1 530 cm-1处吸收峰归属于氨纶分子中的C─N和N─H，1 220 cm-1处吸收峰归属于脂肪酯中的C─O。

图1 4种弹性纤维的红外光谱图

2.2 拉曼光谱分析

当激光照射样品时，样品分子与光子之间产生非弹性碰撞，即产生拉曼散射。借助于仪器将拉曼散射的强度值与相应拉曼位移值作图，即可获得该样品的拉曼光谱，光谱图中每一个拉曼位移特征峰都包含了样品分子结构的信息，不同分子会产生不同的拉曼光谱图。4种弹性纤维的拉曼光谱图详见图2。

图2（a）是聚烯烃弹性纤维的拉曼光谱图，主要的特征峰有1060cm-1、1126 cm-1、1294 cm-1、1437cm-1；图2（b）是二烯类弹性纤维的拉曼光谱图，主要的特征峰有 1 002cm-1、1311 cm-1、1375 cm-1、1 452 cm-1、1 666 cm-1；图2（c）是聚酯类弹性纤维的拉曼光谱图，主要的特征峰有 631 cm-1、857 cm-1、1 094 cm-1、1289 cm-1、1 613 cm-1、1 726 cm-1；图 2（d）是氨纶的拉曼光谱图，主要的特征峰有1 289 cm-1、1613 cm-1、2916 cm-1。

图2 4种弹性纤维的拉曼光谱图

2.3 热解气相色谱-质谱联用分析

把待测样品置于裂解器中，利用有机物的热不稳定性，在隔氧的条件下加热使其快速分解，然后将裂解产物随气体进入色谱柱中进行分离分析，结合质谱对裂解产物进行分析，可以研究裂解产物和原样品的组成结构。对4种弹性纤维分别在600℃的温度下进行热裂解，总离子流色谱图详见图3。

图3（a）是聚烯烃弹性纤维的裂解气相色谱图，主要的裂解产物有丙烷、1-戊烯、1-己烯、1,5-己二炔等；图3（b）是二烯烃类弹性纤维的裂解气相色谱图，主要裂解产物有异戊二烯和异戊二烯二聚体；图3（c）是聚酯类弹性纤维的裂解气相色谱图，主要裂解产物有苯甲酸、苯甲酸乙二酯、邻苯二甲酸乙二酯断裂成相对分子质量较高的碎片；图3（d）是氨纶的裂解气相色谱图，主要裂解产物有1,3-丙二烯、环戊酮、1,4-丁二醇等。

图3 4种弹性纤维的裂解气相色谱图

3 结论

（1）聚烯烃弹纤维的红外特征峰包括2916 cm-1、2 848 cm-1和1 462 cm-1处的峰；拉曼特征峰包括1060 cm-1、1 126 cm-1、1 294 cm-1和 1 437 cm-1处的峰；主要的裂解产物有丙烷、1-戊烯、1-己烯、1,5-己二炔等。

（2）二烯类弹性纤维的红外特征峰包括3 038 cm-1、2959cm-1、2914cm-1、2852cm-1、1446cm-1和1375 cm-1处的峰；拉曼特征峰包括1 002 cm-1、1 311 cm-1、1 375 cm-1、1 452 cm-1和1 666 cm-1处的峰；主要的裂解产物有异戊二烯、异戊二烯二聚体等。

（3）聚酯类弹性纤维的红外特征峰包括1716 cm-1、1247cm-1、1101cm-1、1018cm-1、872cm-1、725 cm-1处的峰；拉曼特征峰包括631cm-1、857cm-1、1 094cm-1、1 289 cm-1、1 613 cm-1和 1 726 cm-1处的峰；主要的裂解产物有苯甲酸、苯甲酸乙二酯、邻苯二甲酸乙二酯断裂成相对分子质量较高的碎片等。

（4）氨纶红外特征峰包括3317cm-1、1 730 cm-1、1 530 cm-1、1 220 cm-1处的峰；拉曼特征峰包括1 289 cm-1、1 613 cm-1、2 916 cm-1处的峰；主要的裂解产物有1,3-丙二烯、环戊酮、1,4-丁二醇等。

（5）通过红外光谱法、拉曼光谱法和热裂解气相色谱-质谱联用技术对聚烯烃弹性纤维、聚酯类弹性纤维、二烯类弹性纤维和氨纶进行了比对检测，结果可为这4种弹性纤维的检测提供鉴别依据，也可以满足纺织行业对弹性纤维的快速、准确鉴定的需求。