太极石纤维的定性方法研究

1 引言

在悠久的人类文明的发展历史中，矿物质资源在各个领域中起着至关重要的作用，如硅灰石由于较好的力学性能以及生物活性可用于制作骨替代材料，蒙脱石由于良好的吸附性能可用于污染治理，白云母类矿物有高绝缘强度用于电热材料等。近年来，将天然矿物质应用到纺织行业，从而开发新型功能纤维制品逐渐成为新兴课题，太极石就是一种。太极石主要由SiO2构成，它具有与人体细胞分子的共振频率相当接近的高频共振频率，具有促进人体吸收正能量、改善血流量等优点。在化学纤维当中，聚酯纤维是使用量最大的，适合于多种物理改性和化学改性。福建联邦三禾股份有限公司将太极石超细微粉与聚酯纤维母液混合，已成功制备出新型的太极石聚酯纤维。太极石聚酯纤维可以以任意比例和羊毛、棉、粘纤等纤维混纺制成服装面料，也可以制作口罩、面膜等产品，具有广泛的运用性[1-3]。

太极石聚酯纤维虽备受青睐，然而国内外对于太极石聚酯纤维仍然没有系统而完善的定性定量方法，本文按照一般纤维的定性定量方法研究，通过对太极石聚酯纤维的纵横截面图观察、燃烧状态分析、化学试剂溶解试验，建立红外光谱图、热重曲线以及热分解曲线等方法，分析和结合各个试验结果，建立了一个完善的太极石聚酯纤维定性定量研究体系，为后续研究提供依据。

2 试验

2.1 样品准备

太极石聚酯纤维：福建联邦三禾股份有限公司，原样为纱线，取一小部分制成散纤维，另取一部分纱线与纯PET充分混合，比例为1:1。如有需要，按标准进行前处理。

2.2 图像分析

所需仪器：载玻片、盖玻片、甘油、CU-II纤维细度仪、哈氏切片器。按FZ/T 01057.3—2007《纺织纤维鉴别试验方法 第3部分：显微镜法》进行操作。

2.3 燃烧法

按FZ/T 01057.2—2007《纺织纤维鉴别试验方法 第2部分：燃烧法》[4]进行操作，按表1记录燃烧现象。

表1 太极石聚酯纤维的燃烧现象灰烬

2.4 溶解

试剂：H2SO4(75%、95%～98%)，HCl(20%、36%～38%)，NaOCl(1mol/L)等常用的实验室试剂，详见表2。试剂浓度为分析纯或者单独标明。按FZ/T 01057.4—2007《纺织纤维鉴别试验方法 第4部分：溶解法》[5]进行操作。

表2 太极石聚酯纤维的溶解性能表

2.5 傅立叶变换红外光谱图(FTIR)

FTIR谱图测试仪器型号为Nocolet 380。测试在常温下进行，设置分辨率为64，扫描时间为8cm-1，将结果与PET标准谱图库进行对比，分析样品分子官能团吸收光能的振动情况[6]。

2.6 热失重试验(TG)与差示扫描量热仪 (DSC)

热分析所用仪器为DSC 8000 (Perkinelmer)。取4mg～10mg太极石聚酯纤维与聚酯纤维混合纤维压片并置于加热器，设定试验温度范围为50℃～300℃，升温速率为30℃/min，最终得到升温曲线图。另外单独取纯PET、纯太极石聚酯纤维样品升温至300℃，以30℃/min降温，记录降温曲线，氮气保护流速为20mL/min。热重分析仪TG 4000 (Perkinelmer)的试验参数如下：氮气保护流速为20mL/min，升温速率为20℃/min，升温范围为25℃～800℃。由此分析样品吸热过程中的物相变化。

3 试验结果

图1为太极石聚酯纤维在显微镜下的横截面（a、b）和纵截面（c、d）照片。与常见的合成纤维的形态不同，太极石聚酯纤维呈包芯结构，中间有沟槽，纤维上有小黑点，这主要由它的生产工艺决定的。太极石聚酯的纵截面表面呈椭圆形或者圆形，有中腔，没有明显的疤痕。太极石聚酯纤维的横截面与纵截面图类似于穿孔结构的聚酯纤维，但整体纤维颜色偏暗黄，形态特别，容易识别，依据经验在定性过程中可引起怀疑，但仍需要进一步分析才能确定成分。

图1 太极石聚酯纤维的纵截面、横截面图

从表1可以看出，与聚酯纤维燃烧现象相接近，靠近火焰时纤维迅速燃烧并且冒黑烟。两者燃烧现象的区别在于燃烧熔缩速度以及燃烧气味，太极石聚酯纤维的熔缩速度相对较慢，燃烧气味不如聚酯纤维浓郁，可以依据经验判断。

从表2可以看出，与PET相比，太极石聚酯纤维化学性质较为活泼，如可在煮沸的75%硫酸、65%硝酸中溶解，相同情况下聚酯纤维为部分溶解；在沸腾的5%氢氧化钠中部分溶解，相同情况下聚酯纤维不溶。这是由于太极石粉末与PET共溶纺丝，是一种物理混合方法，太极石粉末并未改变聚酯纤维的分子链结构，而是分散在聚酯纤维基体中，因此太极石聚酯纤维并未明显改变聚酯纤维的溶解性能，只是轻微地影响聚酯纤维的溶解特性。若需要鉴别太极石聚酯纤维与聚酯纤维，则需要从两者溶解性能不同的试剂着手。

图2是太极石聚酯纤维的常温FTIR谱图。太极石纳米粉末的引入并未改变聚酯纤维分子主链的断裂，并且粉末总含量较少（1%～2%），因此太极石聚酯纤维的FTIR谱图与PET几乎一样，吸收峰的位置没有明显改变，也没有产生新的强吸收峰，一般只是影响峰的强度。谱图中1717.30cm-1峰属于酯基C=O的伸缩振动，1253.60cm-1峰属于酯基C(O)—O的伸缩振动，1103.05cm-1峰属于苯环1，4的取代振动，而727.70cm-1芳香环两个取代羰基面的弯曲振动。如果太极石纳米粉末的量足够多，在 645cm-1和800cm-1波长附近可以观察到SiO2上 的Si—O—Si 键的伸缩振动峰，在 492cm-1附近存在Si—O—Si 键的弯曲振动峰，本次试验经过多次红外测试，这两个峰均不明显，表明太极石粉末添加量为1%～2%难以被红外识别。[4-5]

图2 太极石聚酯纤维的FTIR

图3是太极石聚酯纤维与聚酯纤维混合纤维的升温过程热重曲线图。整个升温过程曲线平滑，有且仅有一个峰250.87℃，这个值与标准上纯PET的熔点相一致，表明太极石聚酯纤维的熔点与PET没有明显差别，无法以熔点来辨别聚酯纤维中是否含有太极石粉末。

图3 太极石聚酯纤维的升温DSC

图4是纯太极石聚酯纤维、纯PET的降温过程热重曲线图。图4a为纯太极石聚酯纤维的降温曲线，在203.86℃有一个峰，是样品的结晶峰。图4b为纯PET的降温曲线，在193.33℃也有结晶峰，对比两者的纵坐标值，结晶过程放出的热量远低于纯太极石聚酯纤维，并且并非所有的PET都有这个峰，如图4c整个降温过程并未出现结晶峰。这是由于PET高分子分子支链取代基太多，整个分子不呈现明显的对称，在降温过程分子难以重新排列整齐，因而只能处于半结晶状态。而分散的太极石纳米粉末能成为异相结晶核，在冷却过程吸收分子间的内聚能，使得晶核继续长大，最终促进分子结晶而形成结晶峰。通过DSC降温曲线能区别出部分太极石聚酯纤维与纯PET。

图4 纯太极石聚酯纤维、纯PET的降温DSC

图5是太极石聚酯纤维的TG图。由图5中可知。太极石聚酯纤维从425.82℃附近开始分解，这个值比聚酯纤维（分解温度范围在300℃～400℃）的高，说明太极石粉末的加入能提高聚酯纤维的热稳定性。随着温度继续升高，聚酯纤维的大分子主链开始分解，质量急剧下降，在448.12℃附近分解速率最大。这个温度也与纯PET相差不大，继续升温到800℃，太极石聚酯纤维的残重率为10%附近，这个值比纯PET（＜10%）高，表明即使在高温中，太极石粉末也可以提高聚酯纤维的热稳定性，这可能是因为SiO2本身熔点高，Si—O—Si键稳定性强，在一定程度也能提高PET的稳定性[6]。

图5 太极石聚酯纤维的TG

4 结论

本文主要从多种定性分析方法对太极石聚酯纤维做了系统研究。太极石聚酯纤维的横、纵截面与一般的合成纤维有明显区别，但纤维的生产工艺决定其呈现不同形态，因而仅凭显微镜法无法准确地鉴定出太极石聚酯纤维，只能列为疑似样品。太极石粉末的加入并未改变聚酯纤维的分子链，两者表现出许多相似的物理和化学性质，如燃烧现象、FTIR谱图和DSC图。但太极石粉末的引入仍然对聚酯纤维的性质有一定影响，太极石聚酯纤维溶解性质较为活泼，可以溶解于几种聚酯纤维不能溶解的试剂。红外光谱图则需要调整分辨率和扫描时间，在太极石粉末量较高时能观察到SiO2吸收光能的振动峰。综上，作者认为通过纤维截面图、观察燃烧现象、FTIR谱图、DSC降温曲线图及TG图结合可以鉴别出太极石聚酯纤维。