覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯復合纖維的定性鑒別

1 引言

自新冠肺炎疫情發生以來，醫療物資需求井噴，特別是口罩的核心材料熔噴布緊缺。為了緩解口罩供給壓力，現在市場上已經開發出一種可循環使用的防護口罩。這種口罩的濾芯是以聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）復合纖維為纖維原料，在熔噴布上覆上聚四氟乙烯薄膜制成的[1]。PE/PP復合纖維的結構為皮芯結構，皮層為超細纖維PE，芯層為粗纖維PP，PP的疏水性和透氣性好，PE的輕薄好，其產品具有柔軟、蓬松和高效低阻的特點[2-3]。PTFE膜纖維直徑在100到200納米之間，厚度約0.2mm，吸濕率低，不依附靜電空氣中的顆粒物，使用壽命更持久，靠呼吸起到PM2.5至PM0.3物理篩分作用，形成高透氣、高過濾的濾芯。此濾芯結合了PP、PE、PTFE膜的優點，具有高效透濕的特點[4]。這種將不同特性材料進行復合，改變材料結構以滿足最佳功能的復合過濾材料，是熱門的發展方向[5]。在日常檢驗工作中，能否準確鑒別出復合纖維的種類，對纖維定量分析起決定性作用。目前對于覆薄膜的復合纖維的紡織品還沒有系統的鑒別方法，因此本文探討采用燃燒法、顯微鏡法、溶解法、紅外光譜法和熔點法綜合分析覆膜樣品，為后續應用更加廣泛的覆膜紡織品的定性鑒別提供一定的參考依據。

2 試驗樣品、設備和試劑

試驗樣品：覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯復合纖維的熔噴布（PE/PP復合纖維+PTFE膜），聚四氟乙烯纖維（PTFE），聚乙烯/聚丙烯復合纖維（PE/PP復合纖維）。

設備：水浴振蕩器，冷凝回流裝置，纖維細度分析儀，電熱臺，偏振光顯微鏡。

試劑：20% 鹽酸，濃鹽酸，75% 硫酸，濃硫酸，濃硝酸，二甲基甲酰胺(DMF)，98%甲酸，冰乙酸，三氯甲烷，二氯甲烷，氫氧化鈉/甲醇，二甲苯。

3 試驗原理

根據纖維特有的物理、化學等性能，采用燃燒法、溶解法、顯微鏡法鑒別PE/PP復合纖維+PTFE膜，確定樣品為不溶于硫酸的化學纖維，用二甲苯將覆在纖維的膜分離出來。采用紅外光譜儀進一步測試，將PE/PP復合纖維+PTFE膜與膜的紅外譜圖進行差譜分析，獲得纖維的紅外譜圖。之后通過纖維形態和熔點測試確認樣品成分。

4 測試結果與分析

4.1 燃燒法

用鑷子夾起一小撮樣品放入火源中，觀察樣品靠近火焰時、在火焰中和離開火焰后的燃燒狀態、燃燒時散發的氣味以及燃燒后殘留物形態，初步辨別纖維種類。試驗樣品的燃燒特征如表1所示。

PE/PP復合纖維+PTFE膜的熔噴布燃燒性能為合成纖維的燃燒特點，無法利用燃燒法準確鑒別出具體的纖維種類，需對樣品進一步定性分析。

表1 PE/PP復合纖維+PTFE膜的燃燒特性

4.2 顯微鏡法

抽取少量的纖維置于載玻片上，滴入1～2滴液體石蠟，蓋上蓋玻片，制成縱向樣片。將理順的試樣塞入哈氏切片器中，轉出適合的長度后用火棉膠包埋、切出，滴入1～2滴液體石蠟，蓋上蓋玻片，制成橫截面樣片。將制好的樣片放在纖維細度分析儀下放大，觀察其縱向、橫截面的特征，如圖1所示。PE/PP復合纖維+PTFE膜的纖維表面圓滑，有明顯的皮芯結構分界線，是兩種聚合物沿著縱向復合在一起的同心圓皮芯結構復合纖維。同時樣品表面有很多膠狀物。

圖1 PE/PP復合纖維+PTFE膜的縱向和橫截面向形態圖

4.3 溶解法

利用纖維在不同溫度下對不同溶劑具有不同的溶解性能來鑒別纖維。選用12種常用的試劑在同等溫度、同等溶解時間、同等試劑用量條件下進行溶解試驗，PE/PP復合纖維+PTFE膜的溶解性能如表2所示。

PE/PP復合纖維+PTFE膜化學性能穩定，與大部分試劑不相溶，只對二甲苯試劑有反應，在煮沸時PE/PP復合纖維+PTFE膜中PE/PP復合纖維完全溶解，只殘留一張薄薄的PTFE膜。

表2 PE/PP復合纖維+PTFE膜的溶解性能

4.4 紅外光譜法

選擇衰減全反射傅里葉紅外光譜法（ATR法）對樣品進行紅外光譜測試，每個樣掃描32次，分辨率為4cm-1，測試光譜范圍為4000cm-1～450cm-1。樣品的紅外譜圖如圖2所示。

圖2 PE/PP復合纖維+ PTFE膜、PTFE膜、PE/PP復合纖維、PTFE的紅外譜圖

PE/PP復合纖維+PTFE膜的主要特征峰為：1210 cm-1（—CF2—不對稱伸縮振動）、1151cm-1（—CF2—對稱伸縮振動）、637.40cm-1、554.17cm-1、522.42cm-1[—(CF2)n—面內搖擺振動]為PTFE的特征峰；2916.65cm-1（—CH2—不對稱伸縮振動），2849.02cm-1（—CH2—對稱伸縮振動），1476.22cm-1（—CH2—彎曲振動），702.22cm-1[—(CH2)n—面內搖擺振動]，為PE的特征峰；在1377.00cm-1（—CH3—對稱變形振動）有弱峰，這是因為紅外光穿透能力不超過波長，它不能完全穿透到復合纖維的芯層，所以采集到的芯層PP的峰強較弱。

將PE/PP復合纖維+PTFE膜與PTFE膜（4.3溶解法中溶于沸騰二甲苯的殘留物）進行差譜分析，分離出纖維的紅外譜圖與標準樣品聚乙烯/聚丙烯復合纖維的紅外特征峰吻合，紅外譜圖匹配度為90%，由此可知PE/PP復合纖維+PTFE膜中的纖維為PE/PP復合纖維。

4.5 熔點法

為了進一步驗證紅外結果的準確性，選擇熔點裝置進行熔點測試。取少量的纖維放在兩片圓形蓋玻片之間，置于偏振光顯微鏡的電熱臺上，調節起偏振鏡和檢偏振鏡相互垂直，使視野黑暗，放置試樣，使大多數纖維的幾何軸在直交的起偏振鏡和檢偏振鏡間的45°位置上。電熱臺加熱至100℃后以4℃/min的升溫速率加熱，觀察纖維的溶解情況及對應的溫度。PE/PP復合纖維+PTFE膜在131.4℃時突然變亮后亮點消失，纖維皮層熔化，出現液體，為聚乙烯（乙綸的熔點范圍為130℃～132℃）；在161℃時芯層纖維開始熔化，至167℃時纖維全部熔化，為聚丙烯（丙綸的熔點范圍為130℃～132℃）[6]，由此可知該同心圓皮芯結構的復合纖維為PE/PP復合纖維。

5 結論

通過燃燒法確定只含有化學纖維，采用顯微鏡法結合樣品的橫縱截面可觀察到樣品為同心圓皮芯結構的復合纖維和膠狀物的膜，采用溶解法將復合纖維和膜分離，進一步用紅外光譜法進行分析，鑒別出膜為PTFE膜，用差譜技術將分離出聚乙烯/聚丙烯復合纖維組分紅外譜圖，最終用熔點測試驗證，鑒別出皮層為聚乙烯/芯層為聚丙烯，因此可以確定復合纖維為PE/PP復合纖維。該樣品為覆聚四氟乙烯膜的聚乙烯/聚丙烯復合纖維。對于其他覆膜的紡織品也可以用此方法進行綜合分析，即用顯微鏡法觀測樣品形態，用溶解法將復合纖維和膜分離，進一步用紅外光譜技術將提取出的復合纖維紅外譜圖與標準圖譜比對，最后熔點法驗證。