高温过滤材料定性鉴别方法分析

2021-11-12徐燕金玉霞丁敏俊

纺织检测与标准 2021年5期

徐燕，金玉霞，丁敏俊

（1.上海市纺织工业技术监督所，上海200082；2.上海纺织集团检测标准有限公司，上海200082）

0 引言

高温过滤材料一般指耐温性能在200℃以上的材料，因具有优异的热稳定性、耐酸碱性以及高强度、高模量、耐磨性好等优点被广泛应用于化工、钢铁、冶金、电力以及垃圾焚烧等领域，在控制高温烟（粉）尘排放物方面具有很好的效果[1]。随着我国对于环境保护和大气污染治理力度的加大，对高温过滤材料的研究和开发显得日益迫切，然而国内检验检测机构尚未制定一套系统的方法用于鉴别高温过滤材料。

目前，市场上应用较多的高温过滤材料主要有聚酯纤维、聚酰亚胺纤维、芳纶1313、聚噁二唑纤维、聚苯硫醚纤维、玻璃纤维、聚四氟乙烯纤维[2-4]等，但在实际应用和生产过程中，为了最大程度地发挥各种纤维的优势，通常将多种高温过滤材料混合使用。然而，由于大部分高温过滤材料在纺织纤维鉴别方法中较为少见，且缺少相关的技术文件的指导，导致检测人员在滤料纤维的鉴别上遇到了挑战。本文参照FZ/T 01057《纺织纤维鉴别试验方法》的第2～4部分、第6部分和第8部分，借助燃烧法、显微镜法、溶解法、熔点法以及红外光谱法对上述常见高温过滤材料的定性鉴别方法进行探究，希望研究结果可为检测人员对高温过滤材料的鉴定提供帮助。

1 试验部分

1.1 试剂

硫酸、硝酸、环己酮、氢氟酸、N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷/三氯乙酸（三氯甲烷与三氯乙酸的质量比为1∶1）。

1.2 试验仪器

Leica DM7508生物显微镜、显微热分析仪、IS10傅里叶变换红外光谱仪。

1.3 试样

聚酯纤维、聚酰亚胺纤维（圆形聚酰亚胺和三叶形聚酰亚胺）、芳纶1313、聚噁二唑纤维、聚苯硫醚纤维、玻璃纤维、聚四氟乙烯纤维。

1.4 试验方法

1.4.1 燃烧法试验

参照FZ/T 01057.2—2007《纺织纤维鉴别试验方法第2部分：燃烧法》执行。试验时，从样品上取少许试样，用镊子夹住试样慢慢靠近火焰，同时观察纤维的燃烧状态、燃烧时的气味以及残留物特征等情况，并做好记录。

1.4.2 显微镜法试验

参照FZ/T 01057.3—2007《纺织纤维鉴别试验方法第3部分：显微镜法》执行。试验时，用镊子取适量试样纤维平铺于载玻片上，加上一滴液体石蜡后盖上盖玻片，置于显微镜载物台上，在400倍放大倍数下观察纤维的形貌特征。其中，玻璃纤维的横截面参考引用标准AATCC 20—2018《纤维定性分析》。

1.4.3 溶解法试验

参照FZ/T 01057.4—2007《纺织纤维鉴别试验方法第4部分：溶解法》执行。试验时，将上述1.3试样中的纤维分别放置于1.1试剂所配制的溶液中，样品与试剂的质量比为1∶100，在不同的温度下观察不同纤维在各种试剂中的溶解性能。

1.4.4 熔点试验

用镊子取适量试样纤维平铺于载玻片上，盖上盖玻片，放于熔点仪显微镜的电热板上，并调焦使纤维成像清晰。使电热板以（3~4）K/min的速率升温，从显微镜中观察此过程中纤维形态的变化。记录下纤维熔化时的温度，即为此纤维的熔点。

1.4.5 红外光谱试验

参照FZ/T 01057.8—2007《纺织纤维鉴别试验方法第8部分：红外光谱法》执行。采用ATR法对纤维进行红外光谱扫描，每个试样分别扫描32次，波数4 000～400 cm-1。

2 结果及讨论

2.1 燃烧法

各纤维燃烧时的状态及表现特征详见表1。由表1可知，根据纤维燃烧的状态（靠近火焰、接触火焰和离开火焰时的状态）、燃烧时产生的气味和燃烧后的残留物特征可辨别纤维类别。但在实际的检测过程中，很多滤料产品并不是单一成分，因而仅通过观察纤维的燃烧现象很难确定滤料产品的成分。

表1 各种纤维的燃烧状态及表现特征

2.2 显微镜法

图2 芳纶1313的扫描电镜图

图3 聚酰亚胺（圆形）扫描电镜图

图1 ～图8展示了不同类别纤维在显微镜下的纵面和横截面形态。由图1～图8可以看出：聚酯纤维纵面光滑，部分纤维表面有小黑点，横截面呈圆形；芳纶1313纵面有疤痕，不太光滑，横截面呈圆形；圆形聚酰亚胺纤维外观多呈金黄色，纵面光滑，横截面呈圆形；三叶形聚酰亚胺纤维纵面有很明显的沟槽，横截面呈三叶形；聚噁二唑纤维纵面表面粗糙，纵面纵向有明显条纹，横向有竹状横节，横截面呈不规则圆形，有中腔；玻璃纤维纵面光滑透明，横截面呈圆形；聚苯硫醚纤维纵面光滑，横截面呈圆形；聚四氟乙烯纤维纵面呈扁平带状，有明显纵向条纹及横向条纹，纤维间直径差异较大，横截面呈不规则长方形。在上述纤维中，聚四氟乙烯纤维、三叶形聚酰亚胺纤维以及聚噁二唑纤维的形态较为独特，易通过显微镜观察鉴别出来，而其他纤维的横截面大多为圆形，纵面形态差异不大，难以通过显微镜法进行鉴别。

图1 聚酯纤维的扫描电镜图

图4 聚酰亚胺（三叶形）的扫描电镜图

图5 聚噁二唑纤维的扫描电镜图

图6 玻璃纤维的扫描电镜图

图8 聚四氟乙烯纤维的扫描电镜图

图7 聚苯硫醚纤维的扫描电镜图

2.3 溶解法

表2 总结了纤维在各试剂中的溶解性能。由表2可知：聚酯纤维在常温98%硫酸和三氯甲烷/三氯乙酸中可溶解；芳纶1313在常温98%硫酸和煮沸的环己酮中可溶解；聚酰亚胺（圆形）在常温98%硫酸下部分溶解，加热可全部溶解；聚酰亚胺（三叶形）在常温98%硫酸、煮沸的65%～68%硝酸和N,N-二甲基甲酰胺中可溶解；聚噁二唑纤维在常温98%硫酸、煮沸的75%硫酸中可溶解；聚苯硫醚纤维在煮沸的98%硫酸或煮沸的65%～68%硝酸中可溶解；玻璃纤维在常温氢氟酸中可溶解；聚四氟乙烯纤维在目前已知的试剂中均不溶解。可见，仅用溶解法也是难以鉴别出上述8种纤维的。

表2 8种纤维在不同试剂中的的溶解性能

2.4 熔点法

高温过滤材料耐温性能一般都超过200℃。其中，聚酯纤维的熔点为（255～260）℃，聚苯硫醚纤维熔点为（285～300）℃，聚四氟乙烯纤维的熔点为（329～333）℃，玻璃纤维没有明显的熔点，而其他4种纤维的热稳定性极佳，难以通过常规的熔点法进行区分。因此，仅通过熔点法鉴别上述纤维较为困难。

2.5 红外光谱法

图9 ～图16分别给出了8种纤维的红外特征光谱图。由图9可以看出，聚酯纤维的特征吸收峰主要在波长1 713 cm-1与723 cm-1左右处，分别由分子链中的C==O键伸缩振动和苯环的面外弯曲振动引起。由图10可以看出，芳纶1313的特征吸收峰主要在波长1 640 cm-1与780 cm-1左右处，分别由分子链中酰胺键（—NHCO—）伸缩振动和间位取代苯环的弯曲振动引起。由图11和图12可以看出：圆形和三叶形聚酰亚胺的特征吸收峰相似，在波长1 780 cm-1和1 710 cm-1左右有两个吸收峰，这是由亚胺环上C==O键的对称和不对称伸缩振动引起；在波长1 380 cm-1左右的吸收峰是由于亚胺环上的C—N键伸缩振动引起；在波长720 cm-1处的吸收峰是由于亚胺环上的C==O键弯曲振动引起。由图13可以看出，聚噁二唑纤维的特征吸收峰主要在波长1 480 cm-1、850 cm-1和715 cm-1左右处，其中1 480 cm-1处的特征峰是由于芳环中的C=N键伸缩振动引起的，850 cm-1和715 cm-1处的特征吸收峰是由于苯环中的==C—H面外弯曲振动引起的。由图14可以看出，聚苯硫醚纤维的特征吸收峰主要在波长1 572 cm-1、1470cm-1、1179cm-1和805cm-1左右处，其中1572cm-1、1 470 cm-1处的特征吸收峰是由于苯环的骨架振动引起，1 179 cm-1处的特征吸收峰是C—S键伸缩振动引起，805 cm-1处的特征吸收峰是对位取代苯环的特征峰。由图15可以看出，聚四氟乙烯纤维只有在波长1 200 cm-1和1 145 cm-1左右处有两个吸收峰，这是C—F键的对称伸缩和不对称伸缩振动引起的。由图16可以看出，玻璃纤维最强的吸收峰在波长930 cm-1左右处，这是由于Si—O—Si键的伸缩振动引起的。