多種合成纖維混合物DSC定量分析

戎斐，曾曉知，戴景，沈佳宏，戴晴

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海200040）

檢測技術

多種合成纖維混合物DSC定量分析

戎斐，曾曉知，戴景，沈佳宏，戴晴

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海200040）

利用差示掃描量熱法測定了四種合成纖維二組分混合物的DSC曲線，研究了不同熱效應峰的熱焓與樣品組成的線性關系，建立了合成纖維混合物的定量分析函數模型。試驗結果表明，差示掃描量熱法可以準確地對合成纖維混合物進行定量分析。

差示掃描量熱法；定量分析；合成纖維

0 引言

目前各類合成纖維混合物的定量分析方法主要以化學溶解法為主，這類檢測方法存在環境污染大、效率低、檢測人員勞動強度大等突出問題，且部分合成纖維因化學性質相似難以利用化學溶解法進行定量分析，因此有必要探索新的檢測方法對各類合成纖維混合物進行快速、準確地定量分析，從而提升相關技術機構的檢測能力。差示掃描量熱法（DSC）是在樣品處于程序控制的溫度下，觀察樣品和參比物之間的熱流差隨溫度或時間變化的函數，可用于測量與研究材料的熔融與結晶過程、玻璃化轉變溫度、反應熱、特征溫度、相轉變等特性。利用差示掃描量熱法不僅可以測定合成纖維混合物的DSC曲線，還可通過研究DSC曲線上各個熱效應峰的峰面積（熱焓）與混合物組成比例的線性關系建立定量分析函數模型，利用該方法可以對合成纖維混紡制品進行快速、準確地定量分析。本文利用差示掃描量熱法研究了PTT/PET、PA66/PET、PAN/PET和PP/PET四種合成纖維混合物的定量分析方法。

1 試驗

1.1 儀器

耐馳（Netzsch）STA449 F3 Jupiter同步熱分析儀、鋁坩堝、高純氮氣、哈氏切片器。

1.2 材料

聚丙烯（PP）纖維、尼龍-66（PA66）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）纖維、聚對苯二甲酸丙二酯（PTT）纖維。

1.3 試驗

1.3.1 試樣制備

用哈氏切片器將纖維切成粉末狀，取一種纖維樣品粉末置于鋁坩堝內利用同步熱分析儀的內部天平稱重，然后加入另一種纖維樣品粉末再次稱重，同時將樣品總質量控制在3~5 mg，通過改變兩種纖維的質量比制備不同比例的合成纖維混合樣品。按上述方法制備不同比例的PTT/PET、PA66/ PET、PAN/PET、PP/PET混合試樣。

1.3.2 樣品測試

用流量為20 mL/min，初始溫度為50℃的氮氣作保護氣，以10℃/min的速率升溫至300℃并保持5 min，將裝有樣品的坩堝取出并立即投入冷水中淬火以使各個試樣具有相同的熱處理過程。再次以初始溫度50℃，升溫速率為10℃/min升溫至300℃，并記錄樣品的DSC曲線。

1.3.3 函數模型的建立

根據差示掃描量熱法測得已知比例合成纖維混合樣品中各組分的熔融熱焓或結晶熱焓，用最小二乘法求得二次擬合曲線，從而得到樣品中各組分的熱焓與質量分數關系的函數模型。

2 結果與討論

2.1 PTT/PET混合物的定量函數模型

圖1PTT/PET混合物的DSC曲線

圖1 為PTT/PET混合物的DSC曲線，其中PET的冷結晶峰（132℃）、PTT熔融峰（226℃）及PET熔融峰（254℃）均相互獨立（由于受儀器條件所限，無法精確測定PTT的冷結晶熱焓，故暫不研究），且它們的熱焓與樣品組成之間的線性關系均較好，因此上述三個峰均可以用來建立PET/PTT混合物的定量函數模型。

表1為一系列PTT/PET混合物的測試結果，對其中PTT的百分含量及其熔融熱焓的數據點進行二次擬合，得到PTT熔融熱焓與樣品PTT含量關系的函數模型公式（1）：

表1 PTT/PET混合物的DSC測試結果

式（1）中：A——PTT的百分含量/%

X——混合物中PTT的熔融熱焓/（J·g-1）

對其中PET的百分含量及其熔融熱焓的數據點進行二次擬合，得到PET熔融熱焓與樣品PET含量關系的函數模型公式（2）：

式（2）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的熔融熱焓/（J·g-1）。

對其中PET的百分含量及其結晶熱焓的數據點進行二次擬合，得到PET結晶熱焓與樣品PET含量關系的函數模型公式（3）：

式（3）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的結晶熱焓/（J·g-1）。

2.2 PA66/PET混合物的定量函數模型

圖2PA66/PET混合物的DSC曲線

圖2 是PA66/PET混合物的DSC曲線，由于PA66與PET的熔點分別為257℃和254℃，故混合物DSC曲線上兩者的熔融峰幾乎完全重合，因此從DSC曲線上只能得到混合物的總熔融熱焓及PET的冷結晶熱焓。

由表2的測試結果可知，由于純PA66的熔融熱焓高于純PET，因此隨著混合物中PA66含量的提高，混合物的總熔融熱焓也表現出增大的趨勢，另一方面PET冷結晶熱焓也有隨PET含量增加而增大的趨勢。但對上述數據分別進行二次擬合后發現混合物的總熔融熱焓與PET含量的線性關系較差（R2=0.920 0），而PET的結晶熱焓與與PET含量的線性關系較好（R2=0.987 4）。這可能是因為PA66及PET發生相互成核作用，改變了混合物的結晶結構，從而影響了混合物的熔融熱焓[1-2]。因此通過混合物中PET的百分含量及其結晶熱焓的關系建立了PA66/PET混合物的定量分析函數模型：

式（4-5）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的結晶熱焓/（J·g-1）

B——PA66的百分含量/%

2.3 PAN/PET混合物的定量函數模型

圖3是PAN/PET混合物的DSC曲線，圖中PET的熔融峰（254℃）受PAN環化反應的放熱峰的影響而發生變形，影響PET的熔融峰面積的計算，而由于PET的冷結晶峰在142℃附近，并不受PAN放熱峰的影響，因此對于PAN/PET混合樣品可以利用PET的冷結晶峰建立其結晶熱焓與混合物組成比的函數模型。

表2 PA66/PET混合物的DSC測試結果

圖3PAN/PET混合物的DSC曲線

表3 PAN/PET混合物的DSC測試結果

表3為不同比例PAN/PET混合物的測試結果，對其中PET的百分含量及其結晶熱焓的數據點進行二次擬合，得到PET結晶熱焓與樣品含量關系的函數模型：

式（6-7）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的結晶熱焓/（J·g-1）

B——PAN的百分含量/%

2.4 PP/PET混合物的定量函數模型

圖4是PP/PET混合物的DSC曲線，其中PP熔融峰（157℃）與PET冷結晶峰（142℃）存在部分重疊的現象，不能精確計算PP的熔融熱焓，而PET的熔融峰（254℃）則不受影響，可以通過PET的熔融熱焓計算混合物的比例。

圖4PP/PET混合物的DSC曲線

表4 PP/PET混合物的DSC測試結果

對表4中PP/PET混合物中PET的百分含量和其熔融熱焓的數據點進行二次擬合，得到了PET熔融熱焓與樣品含量關系的函數模型：

式（8-9）中：A——PET的百分含量/%

X——混合物中PET的熔融熱焓/（J·g-1）

B——PP的百分含量/%

2.5 函數模型的驗證

取由上述幾種合成纖維組成且已知比例的雙組分混紡面料及復合纖維樣品進行DSC測試，并按上述函數模型計算樣品的組分含量，結果見表5。

表5 驗證試驗的測試結果

驗證試驗表明，各組試驗中DSC定量分析結果的最大誤差為2.0%，均符合GB/T 29862─2013《紡織品纖維含量的標識》中規定的纖維含量允差的要求，因此上述合成纖維定量分析函數模型是準確有效的。

3 結論

差示掃描量熱法可以對各類合成纖維的混合物進行定量分析。針對不同類型的合成纖維混合物，可根據相應的DSC曲線靈活選取不同類型的熱效應峰（熔融峰、結晶峰等），避開發生相互干擾的熱效應峰，建立定量分析函數模型。經實際樣品的測試比對，本試驗得到的定量函數模型的測試結果符合相關國家標準對紡織品纖維含量允差的要求，可以用于相關產品的定量分析測試。對于其他合成纖維混合物，也可以采用類似的方法建立相應的DSC定量分析函數模型。

[1]吳國金,潘恩黎.PA66/PET共混物的結晶行為[J].南京化工大學學報，1998（4）:58-62.

[2]李威,陳藝章,郭朝霞,等.PA66/PET共混體系的相互成核及結晶行為[J].塑料，2010（5）:51-54.

Analysis of multi synthetic fiber quantitatively by differential scanning calorimetry

RONG Fei,ZENG Xiaozhi,DAI Jing,SHEN Jiahong,DAI Qing
(Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research,Shanghai 200040,China)

The DSC curve of two components mixtures of four kinds of synthetic fiber is tested by differ?ential scanning calorimetry.The linear relationship about the heat enthalpy different heating peak with the samples’components is studied.The quantitative analytic models of the mixtures are obtained.The results show that differential scanning calorimetry can be used for quantitative analysis of mixtures of synthetic fiber accurately．

differential scanning calorimetry,quantitative analysis,synthetic fiber

TS107

A

1001-7046（2017）03-0014-05

2017-03-30

戎斐（1984-），男，工程師，主要從事紡織品的質量檢測及相關研究工作。