聚酰亞胺纖維的定性鑒別方法

張笑冬++++楚珮++++郭榮幸++++曾有娣

摘要：分別用燃燒法、顯微鏡觀察法、化學溶解法、紅外光譜分析法和熱重分析法對聚酰亞胺（PI）纖維進行定性鑒別，并與芳綸（Kevlar）進行了比較分析。結果表明：聚酰亞胺纖維在燃燒性能、化學溶解性能上與芳綸基本相似，兩種纖維在離開火焰時均能自滅，且化學性能穩定；聚酰亞胺纖維縱橫截面與一般合成纖維相同，可根據需求做成不同形態的纖維；在紅外光譜及熱重分析中，聚酰亞胺纖維與芳綸有明顯區別，可作為聚酰亞胺纖維定性鑒別的重要依據。

關鍵詞：聚酰亞胺纖維；PI；紅外光譜；熱重分析法；定性；鑒別

1 引言

聚酰亞胺纖維是由聚酰胺酸或聚酰亞胺溶液紡制而成的，由于其分子結構中芳環密度較大，大分子中含有酞酰亞胺結構[1]，因此聚酰亞胺纖維具有優良的耐熱、耐輻射、高強高模量、阻燃等性能，成為目前發展迅速的高性能纖維之一。隨著其制造工藝的進展，聚酰亞胺纖維逐漸廣泛應用到航空航天、新型建材、環境產業、防火材料等[2-3]。

聚酰亞胺纖維因其優異的阻燃性能也逐漸被應用到阻燃服裝紡織品中，但這種新型纖維在當前紡織服裝市場中尚屬少見纖維，且目前還沒有相關標準對其進行鑒別，對紡織品檢測行業而言，隨之而來的問題便是如何對聚酰亞胺纖維進行定性鑒別。

本文以聚酰亞胺為研究對象，采用燃燒法、顯微鏡觀察法、化學溶解法、紅外光譜法和熱重分析法等對其進行測試分析，以探索聚酰亞胺纖維的綜合鑒別方法。因聚酰亞胺纖維與芳綸在燃燒、化學溶解性能等方面相似，故本文增加了聚酰亞胺纖維與芳綸在紅外光譜和熱性能方面的比較。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

樣品來源于從市場上購買的聚酰亞胺纖維，從樣品中隨機抽取500g作為試驗樣品。

2.2 試驗方法

2.2.1 燃燒法[4]

用鑷子取一小束纖維點火燃燒，仔細觀察纖維靠近火焰、火焰中、離開火焰時的燃燒特征和殘渣的形態、顏色、軟硬程度等，比較燃燒氣味。

2.2.2 顯微鏡觀察法[5]

用CU-I型纖維細度儀觀察纖維橫截面和縱向形態。首先將纖維束嵌入哈氏切片器的凹槽內，凝固后切成10μm～30μm的薄片，放置在細度儀下放大500倍觀察橫截面形態。將纖維束整理平放在載玻片上，滴加石蠟油后加蓋蓋玻片，用纖維細度儀放大500倍觀察纖維縱向形態。

2.2.3 化學溶解法[6]

分別用濃硫酸、75%硫酸、濃鹽酸、20%鹽酸、1mol/L堿性次氯酸鈉溶液、80%甲酸、丙酮、二氯甲烷、濃硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等化學試劑在不同的試驗溫度和溶解時間下對纖維進行溶解試驗。

2.2.4 紅外光譜分析法[7]

利用美國Thermo Nicolet 公司生產的型號為6700傅里葉紅外光譜儀，采用ATR法對纖維進行紅外光譜掃描，每個樣掃描32次，選擇自動增益，分辨率4cm-1，光譜范圍為4500cm-1～400cm-1，并對光譜進行自動基線校正處理。

2.2.5 熱重分析法

使用美國TA公司的Q500型熱重分析儀，取10mg左右的纖維放入鉑金坩堝中，升溫程序為：氮氣下（200mL/min）從30℃升溫到800℃，升溫速率為10℃/min。

3 結果與討論

3.1 感官鑒別

圖1（a）是進口產品（P84）的外觀形態，圖1（b）是國產產品（軼綸）的外觀形態。感官鑒別是纖維鑒別中最直觀的方法。從圖1中可以看出，聚酰亞胺纖維呈金黃色，散纖維蓬松。目前市場上由聚酰亞胺纖維制成的阻燃成品也大都呈現為該顏色。

（a）P84 （b）軼綸

圖1 聚酰亞胺纖維的外觀形態

3.2 燃燒特征

由表1看出，聚酰亞胺纖維在燃燒時發紅光，不熔不縮，無黑煙，纖維保持原狀態；離開火焰時立即熄滅，紅光消失，殘留物呈黑色炭狀。因聚酰亞胺纖維在火焰中較難燃燒，可知該纖維阻燃性能良好，是一種可以用來做阻燃防護服裝產品的高性能纖維。

3.3 橫截面和縱向形態

從聚酰亞胺纖維的橫截面形態（見圖2和圖4，放大倍數500倍），可以看出聚酰亞胺有兩種不同的截面形態，其中軼綸橫截面呈圓形，而P84纖維的橫截面呈三葉形；圖3和圖4為聚酰亞胺纖維的縱向形態，可以看出軼綸縱向表面光滑，無條紋，而P84纖維縱向有較清晰的條紋。因此，聚酰亞胺纖維的形態特征為：橫截面呈三葉形或異形截面及圓形，縱向表面有溝槽，有的為光滑圓柱。

圖2 聚酰亞胺纖維（軼綸）橫截面形態（×500）

圖3 聚酰亞胺纖維（軼綸）的縱向形態（×500）

圖4 聚酰亞胺纖維（P84）橫截面形態（×500）

圖5 聚酰亞胺纖維（P84）的縱向形態（×500）

3.4 化學溶解性能

從表2可以看出，聚酰亞胺纖維在煮沸的濃硫酸中可以溶解，在75%硫酸、濃鹽酸、20%鹽酸、1mol/L堿性次氯酸鈉溶液、80%甲酸、丙酮、二氯甲烷、濃硝酸、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等化學試劑中都不溶解，說明其化學性質穩定。

3.5 紅外光譜特征

不同種類的纖維具有不同的化學基團，在紅外光譜圖上呈現各自不同的特征吸收譜帶，紅外特征吸收譜帶可反映材料中分子基團和化學鍵的信息。

圖6 聚酰亞胺纖維和芳綸的紅外光譜圖

（紅外譜圖建議標峰）

從圖6可以看出，聚酰亞胺纖維在1774.75cm-1出現C=O反對稱伸縮振動吸收峰，在1709.51 cm-1出現了C=O對稱伸縮振動吸收峰，在1393 cm-1處出現苯環C=C骨架吸收振動峰，在716 cm-1處出現了C=O彎曲振動吸收峰，這些特征峰都是酰亞胺基團的特征，可以作為聚酰亞胺定性鑒別的依據。從圖6中可知芳綸在—C=O—基團的伸縮振動吸收峰（1580cm-1～1660cm-1）和—N—H—基團的彎曲振動吸收峰（1470cm-1～1530cm-1）兩處，與聚酰亞胺纖維有明顯的區別。

3.6 熱重分析法

熱重分析法是利用熱重分析儀在程序控溫下測量樣品的質量隨溫度（或時間）的變化關系，可以用來分析高聚物結晶態和熱學性能。圖7所示為聚酰亞胺纖維和芳綸的熱重分析譜圖。

從圖7可以看出，聚酰亞胺纖維具有耐高溫的特性，其在30℃～500℃左右纖維的質量基本不變，聚酰亞胺的開始分解溫度為563.12℃，分解結束溫度為597.13℃，其熱分解溫度為580.22℃，可以作為聚酰亞胺纖維的定性依據。從圖7中還可以看出聚酰亞胺纖維比芳綸的熱分解溫度要高。

4 結論

從上述試驗可知，聚酰亞胺纖維的定性鑒別可參照FZ/T 01057標準中的常規鑒別法，并輔以熱重分析法等來確定結果。對聚酰亞胺纖維的鑒別可按如下程序操作：

（1）聚酰亞胺纖維外觀多呈金黃色，不易燃燒且在火焰中發紅，化學溶解性能穩定；

（2）紅外光譜法可以分析聚酰亞胺纖維所含的分子基團，是鑒別聚酰亞胺纖維的重要依據；

（3）熱重分析法可以測得聚酰亞胺纖維的熱分解溫度約在563℃～597℃之間，可輔助用于鑒別聚酰亞胺纖維。

（4）聚酰亞胺纖維的一般鑒別流程：先用燃燒法、顯微鏡觀察、化學溶解等常規方法對纖維進行觀察，再結合紅外光譜和熱重分析法來鑒別該纖維是否為聚酰亞胺纖維。

參考文獻：

[1] 汪家銘.聚酰亞胺纖維發展概況與應用前景[J].石油化工技術與經濟，2011，（8）：58-62.

[2] 尹朝清.聚酰亞胺纖維及其阻燃特性[J].紡織學報，2012，（6）：116-120.

[3] 張銀峰. 聚酰亞胺纖維的制備及其結構性能研究[D].杭州：浙江理工大學，2013.

[4] FZ/T 01057.2—2007 紡織纖維鑒別試驗方法第2部分：燃燒法[S].

[5] FZ/T 01057.3—2007 紡織纖維鑒別試驗方法第3部分：顯微鏡法[S].

[6] FZ/T 01057.4—2007 紡織纖維鑒別試驗方法第4部分：溶解法[S].

[7] FZ/T 01057.8—2012 紡織纖維鑒別試驗方法第8部分：紅外光譜法[S].

[作者單位：廣州纖維產品檢測研究院、國家紡織品服裝服飾產品質量監督檢驗中心（廣州）]