聚合物及聚合物纖維的分析方法簡(jiǎn)述

M.Bischoff，G.Seide，T.Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(德國(guó))

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聚合物及聚合物纖維的分析方法簡(jiǎn)述

M.Bischoff，G.Seide，T.Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(德國(guó))

摘要：介紹了常規(guī)聚合物及特殊纖維的分析方法，概述了幾種測(cè)試技術(shù)的基本要素與測(cè)試能力。

關(guān)鍵詞：聚合物；纖維；測(cè)試技術(shù)；分析方法

借助熱學(xué)、物理化學(xué)及顯微鏡測(cè)量技術(shù)，可以測(cè)試聚合物及其相關(guān)產(chǎn)品。本文將列舉如下幾種典型的測(cè)試技術(shù)。

——熱測(cè)試技術(shù)：包括差示掃描量熱(DSC)法、熱重分析(TGA)法及動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)法。

——物理測(cè)試技術(shù)：包括流變儀法、廣角X射線衍射(WXRD)法、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)法。

——化學(xué)分析方法：包括費(fèi)歇爾滴定法、顯微鏡成像法。其中，光學(xué)顯微鏡分析與電子顯微鏡分析[掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)]等表觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)可以從光學(xué)角度，系統(tǒng)且深入地研究聚合物纖維。

1熱分析

塑料和聚合物均具有對(duì)溫度變化十分敏感的特性，相對(duì)于金屬或混凝土而言，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在較小的溫差范圍內(nèi)即會(huì)發(fā)生改變。因此，在一定的熱力學(xué)條件下了解材料的特性十分重要。這也是熱分析法越來(lái)越重要的原因。它可以用來(lái)檢測(cè)幾類(lèi)熱態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、起始降解溫度或凝固溫度。DSC法研究的聚合物溫差范圍很小，對(duì)于半結(jié)晶性塑膠而言，溫度范圍一般為第一效應(yīng)溫度(-50 ℃)至熔點(diǎn)溫度(20 ℃)。測(cè)試過(guò)程中，試樣需歷經(jīng)設(shè)定的加熱、冷卻和再加熱過(guò)程。測(cè)試結(jié)果將給出因聚合物內(nèi)部變化導(dǎo)致的峰值和線性躍遷，由此可以推斷出聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、比熱容、結(jié)晶度、熔點(diǎn)和凝固溫度。在TGA法測(cè)試過(guò)程中，所分析的溫度范圍較高(通常熔化溫度為100～200 ℃)。如果試樣是由幾種降解溫度不同的材料組成的，就仍可進(jìn)行熱分析。且如果所用材料的成分已知，則可預(yù)測(cè)不同組分所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

DMA法可以研究纖維在不同溫度、壓力下的黏彈性。通過(guò)對(duì)兩端夾緊的纖維施加正弦型應(yīng)力并觀察其響應(yīng)情況，可以得到纖維的復(fù)數(shù)模量。復(fù)數(shù)模量E*包含儲(chǔ)能模量EⅠ和損耗模量EⅡ，其與相移角δ的關(guān)系如圖1所示。通過(guò)估算一定大小的應(yīng)力下纖維的應(yīng)變情況，可以對(duì)纖維的黏彈性等相關(guān)性能進(jìn)行研究。由此，可以推斷處于準(zhǔn)確設(shè)定環(huán)境(如溫度、不同頻率的外力作用)下的材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及蠕變性能。

圖1　復(fù)數(shù)模量、儲(chǔ)能模量、損耗模量及相移角的關(guān)系示意圖

2物理分析

除可以研究材料的化學(xué)成分變化外，也可以對(duì)材料的物理特性進(jìn)行分析。在WXRD法測(cè)試過(guò)程中，由于固態(tài)聚合物分子鏈的排列是確定的，因此可以檢測(cè)到其X射線衍射情況。通過(guò)將測(cè)試結(jié)果與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以分析聚合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、晶體粒度及晶體排列方向。利用WXRD法測(cè)試聚合物晶體排列方向是亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所(ITA)開(kāi)發(fā)的一種成熟的方法，尤其適用于研究分子鏈排列方向?qū)w維強(qiáng)度的影響。此外，研究試樣的結(jié)晶度可以推斷出聚合物的拉伸性能。同樣，聚合物中所含的雜質(zhì)及其他混合物也可被檢測(cè)出。盡管這不是WXRD技術(shù)最本質(zhì)的用途，但它是研究因物理組分導(dǎo)致力學(xué)缺陷的強(qiáng)有力的工具。

FTIR法可以檢測(cè)材料的特性，如結(jié)晶度和分子排列方向等，給出被測(cè)試樣特定的“指紋”信息。類(lèi)似于WXRD技術(shù)，它可以用于研究材料，尤其是材料的分子組成，并且還可以分析分子排列過(guò)程中的影響因素。

在毛細(xì)管流變儀測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)毛細(xì)管柱將纖維擠壓熔化并實(shí)時(shí)測(cè)量壓力可以測(cè)試材料的表觀黏彈性、一定溫度下的膨脹性及熱導(dǎo)率。這些特性對(duì)聚合物熔融紡絲或類(lèi)似的加工工藝而言是十分重要的。此外，也可以測(cè)定熔融狀態(tài)下聚合物的膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率。比重瓶測(cè)定法可用于測(cè)量材料的密度，該方法對(duì)于材料的研究和成分的計(jì)算十分重要，能為材料組成特性的研究提供可能。

3化學(xué)分析

通過(guò)費(fèi)歇爾滴定法可以定量測(cè)定試樣的含水量，從而可以評(píng)價(jià)試樣的吸水能力，進(jìn)而也可以準(zhǔn)確得出干燥試樣所需的時(shí)間。

4光學(xué)分析

外觀檢驗(yàn)可通過(guò)光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)。一般可根據(jù)要求的放大倍數(shù)，選擇相應(yīng)型號(hào)和種類(lèi)的顯微鏡。通過(guò)觀察不同放大倍數(shù)下的試樣，對(duì)其進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。采用電子顯微鏡可以非常細(xì)致地觀察材料的表面成分與結(jié)構(gòu)特征(SEM法和TEM法)，也可以通過(guò)觀察纖維的橫截面研究材料的內(nèi)部組成與結(jié)構(gòu)特性(TEM法)。

5分析儀器

文中介紹的所有分析測(cè)試方法均可在ITA完成。所使用的分析測(cè)試儀器及可能用到的測(cè)試方法如表1所示。

表1　ITA提供的幾種測(cè)量方法、測(cè)試指標(biāo)及相關(guān)測(cè)試儀器

(續(xù)表)

將不同測(cè)試與研究方法相結(jié)合，可以更詳細(xì)地分析了解試樣，甚至可以識(shí)別未知的聚合物。

謝旭升 譯李剛 校

Introduction to polymer and polymer fiber analysis

Merle Bischoff，Gunnar Seide，Thomas Gries

Institute für Textiltechnik(ITA)of RWTH,Aachen University，Aachen/Germany

Abstract:An introduction to analytical methods to investigate polymers in general and fibers in particular was given.The basics and capabilities of several measurement technics was introduced.

Key words:polymer；fiber；measurement technique；analytical method