覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯复合纤维的定性鉴别

1 引言

自新冠肺炎疫情发生以来，医疗物资需求井喷，特别是口罩的核心材料熔喷布紧缺。为了缓解口罩供给压力，现在市场上已经开发出一种可循环使用的防护口罩。这种口罩的滤芯是以聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）复合纤维为纤维原料，在熔喷布上覆上聚四氟乙烯薄膜制成的[1]。PE/PP复合纤维的结构为皮芯结构，皮层为超细纤维PE，芯层为粗纤维PP，PP的疏水性和透气性好，PE的轻薄好，其产品具有柔软、蓬松和高效低阻的特点[2-3]。PTFE膜纤维直径在100到200纳米之间，厚度约0.2mm，吸湿率低，不依附静电空气中的颗粒物，使用寿命更持久，靠呼吸起到PM2.5至PM0.3物理筛分作用，形成高透气、高过滤的滤芯。此滤芯结合了PP、PE、PTFE膜的优点，具有高效透湿的特点[4]。这种将不同特性材料进行复合，改变材料结构以满足最佳功能的复合过滤材料，是热门的发展方向[5]。在日常检验工作中，能否准确鉴别出复合纤维的种类，对纤维定量分析起决定性作用。目前对于覆薄膜的复合纤维的纺织品还没有系统的鉴别方法，因此本文探讨采用燃烧法、显微镜法、溶解法、红外光谱法和熔点法综合分析覆膜样品，为后续应用更加广泛的覆膜纺织品的定性鉴别提供一定的参考依据。

2 试验样品、设备和试剂

试验样品：覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯复合纤维的熔喷布（PE/PP复合纤维+PTFE膜），聚四氟乙烯纤维（PTFE），聚乙烯/聚丙烯复合纤维（PE/PP复合纤维）。

设备：水浴振荡器，冷凝回流装置，纤维细度分析仪，电热台，偏振光显微镜。

试剂：20% 盐酸，浓盐酸，75% 硫酸，浓硫酸，浓硝酸，二甲基甲酰胺(DMF)，98%甲酸，冰乙酸，三氯甲烷，二氯甲烷，氢氧化钠/甲醇，二甲苯。

3 试验原理

根据纤维特有的物理、化学等性能，采用燃烧法、溶解法、显微镜法鉴别PE/PP复合纤维+PTFE膜，确定样品为不溶于硫酸的化学纤维，用二甲苯将覆在纤维的膜分离出来。采用红外光谱仪进一步测试，将PE/PP复合纤维+PTFE膜与膜的红外谱图进行差谱分析，获得纤维的红外谱图。之后通过纤维形态和熔点测试确认样品成分。

4 测试结果与分析

4.1 燃烧法

用镊子夹起一小撮样品放入火源中，观察样品靠近火焰时、在火焰中和离开火焰后的燃烧状态、燃烧时散发的气味以及燃烧后残留物形态，初步辨别纤维种类。试验样品的燃烧特征如表1所示。

PE/PP复合纤维+PTFE膜的熔喷布燃烧性能为合成纤维的燃烧特点，无法利用燃烧法准确鉴别出具体的纤维种类，需对样品进一步定性分析。

表1 PE/PP复合纤维+PTFE膜的燃烧特性

4.2 显微镜法

抽取少量的纤维置于载玻片上，滴入1～2滴液体石蜡，盖上盖玻片，制成纵向样片。将理顺的试样塞入哈氏切片器中，转出适合的长度后用火棉胶包埋、切出，滴入1～2滴液体石蜡，盖上盖玻片，制成横截面样片。将制好的样片放在纤维细度分析仪下放大，观察其纵向、横截面的特征，如图1所示。PE/PP复合纤维+PTFE膜的纤维表面圆滑，有明显的皮芯结构分界线，是两种聚合物沿着纵向复合在一起的同心圆皮芯结构复合纤维。同时样品表面有很多胶状物。

图1 PE/PP复合纤维+PTFE膜的纵向和横截面向形态图

4.3 溶解法

利用纤维在不同温度下对不同溶剂具有不同的溶解性能来鉴别纤维。选用12种常用的试剂在同等温度、同等溶解时间、同等试剂用量条件下进行溶解试验，PE/PP复合纤维+PTFE膜的溶解性能如表2所示。

PE/PP复合纤维+PTFE膜化学性能稳定，与大部分试剂不相溶，只对二甲苯试剂有反应，在煮沸时PE/PP复合纤维+PTFE膜中PE/PP复合纤维完全溶解，只残留一张薄薄的PTFE膜。

表2 PE/PP复合纤维+PTFE膜的溶解性能

4.4 红外光谱法

选择衰减全反射傅里叶红外光谱法（ATR法）对样品进行红外光谱测试，每个样扫描32次，分辨率为4cm-1，测试光谱范围为4000cm-1～450cm-1。样品的红外谱图如图2所示。

图2 PE/PP复合纤维+ PTFE膜、PTFE膜、PE/PP复合纤维、PTFE的红外谱图

PE/PP复合纤维+PTFE膜的主要特征峰为：1210 cm-1（—CF2—不对称伸缩振动）、1151cm-1（—CF2—对称伸缩振动）、637.40cm-1、554.17cm-1、522.42cm-1[—(CF2)n—面内摇摆振动]为PTFE的特征峰；2916.65cm-1（—CH2—不对称伸缩振动），2849.02cm-1（—CH2—对称伸缩振动），1476.22cm-1（—CH2—弯曲振动），702.22cm-1[—(CH2)n—面内摇摆振动]，为PE的特征峰；在1377.00cm-1（—CH3—对称变形振动）有弱峰，这是因为红外光穿透能力不超过波长，它不能完全穿透到复合纤维的芯层，所以采集到的芯层PP的峰强较弱。

将PE/PP复合纤维+PTFE膜与PTFE膜（4.3溶解法中溶于沸腾二甲苯的残留物）进行差谱分析，分离出纤维的红外谱图与标准样品聚乙烯/聚丙烯复合纤维的红外特征峰吻合，红外谱图匹配度为90%，由此可知PE/PP复合纤维+PTFE膜中的纤维为PE/PP复合纤维。

4.5 熔点法

为了进一步验证红外结果的准确性，选择熔点装置进行熔点测试。取少量的纤维放在两片圆形盖玻片之间，置于偏振光显微镜的电热台上，调节起偏振镜和检偏振镜相互垂直，使视野黑暗，放置试样，使大多数纤维的几何轴在直交的起偏振镜和检偏振镜间的45°位置上。电热台加热至100℃后以4℃/min的升温速率加热，观察纤维的溶解情况及对应的温度。PE/PP复合纤维+PTFE膜在131.4℃时突然变亮后亮点消失，纤维皮层熔化，出现液体，为聚乙烯（乙纶的熔点范围为130℃～132℃）；在161℃时芯层纤维开始熔化，至167℃时纤维全部熔化，为聚丙烯（丙纶的熔点范围为130℃～132℃）[6]，由此可知该同心圆皮芯结构的复合纤维为PE/PP复合纤维。

5 结论

通过燃烧法确定只含有化学纤维，采用显微镜法结合样品的横纵截面可观察到样品为同心圆皮芯结构的复合纤维和胶状物的膜，采用溶解法将复合纤维和膜分离，进一步用红外光谱法进行分析，鉴别出膜为PTFE膜，用差谱技术将分离出聚乙烯/聚丙烯复合纤维组分红外谱图，最终用熔点测试验证，鉴别出皮层为聚乙烯/芯层为聚丙烯，因此可以确定复合纤维为PE/PP复合纤维。该样品为覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯复合纤维。对于其他覆膜的纺织品也可以用此方法进行综合分析，即用显微镜法观测样品形态，用溶解法将复合纤维和膜分离，进一步用红外光谱技术将提取出的复合纤维红外谱图与标准图谱比对，最后熔点法验证。