聚醚醚酮纖維的定性鑒別方法研究

文/劉貴

1 引言

聚醚醚酮(PEEK)1978年首次由英國ICI公司合成，是一種特殊的熱塑性聚合物。PEEK纖維是一種全芳香族的纖維，其大分子主鏈上含有醚鍵與酮鍵，具有高強度、耐腐蝕、耐水解、抗疲勞等優異性能，在航空航天、電子電氣、自動化等領域應用較為廣泛。

目前，常州創贏新材料科技有限公司經多年研發已形成100噸/年的產能，產品質量的穩定性和一致性較好，打破了英美壟斷，產品廣泛應用于航空航天、汽車制造、石油化工、造紙、醫療衛生及文化體育用品領域。學術界對聚醚醚酮的研究主要關注于纖維的制備及應用。有大量研究集中在PEEK纖維的改性及其復合材料方面的研究，如沈鎮等人探討了碳纖維/聚醚醚酮復合材料的激光原位成型工藝，方良超等人則研究了PEEK的改性及其應用，魏勝敏等人則研究了聚醚醚酮的紅外光譜特性。國內紡織服裝相關檢驗機構還沒有對PEEK纖維進行定性的方法。隨著功能性纖維的快速需求，聚醚醚酮纖維的應用越來越受關注，研究和開發聚醚醚酮纖維與其他纖維的鑒別技術十分有必要。本文參考FZ/T 01057相關試驗方法，通過燃燒、橫截面和縱向形態觀察、溶解、熔點、紅外光譜、熱重及差熱分析等試驗和方法，研究了該纖維的各項綜合特征，得到了聚醚醚酮纖維的定性分析方法。

2 試驗

2.1 試驗試劑

硫酸、鹽酸、硝酸、次氯酸鈉、氫氧化鈉、甲酸、冰乙酸、硫氰酸鉀、氫氟酸、銅氨、四氯化碳、環己酮、丙酮、二甲苯、苯酚、乙酸乙酯、雙氧水、四氫呋喃、二甲亞砜、N，N二甲基甲酰胺、二氧六環、二氯甲烷、1，4-丁內酯、吡啶等。上述試劑均為分析純。

2.2 試驗儀器

熱重分析儀（TGA4000）、差示掃描量熱儀（DSC8000）、紅外光譜儀（nocilet380）、纖維細度分析儀（CU6）等。

2.3 試樣

聚醚醚酮纖維長絲，由常州創贏新材料科技有限公司提供。

2.4 試驗結果及討論

2.4.1 燃燒試驗

觀察聚醚醚酮纖維靠近、接觸和離開火焰時的狀態，記錄燃燒時產生的氣味和燃燒后的殘留物特征。記錄結果見表1。

表1 聚醚醚酮纖維燃燒性能

2.4.2 顯微鏡觀察試驗

依據FZ/T 01057.3方法，制取聚醚醚酮纖維橫截面切片。將適量聚醚醚酮纖維均勻平鋪于載玻片上，滴一滴液體石蠟并蓋上蓋玻片，得到其縱面觀察片。將橫截面切片和縱面觀察片置于纖維細度分析儀載物臺上，放大200～500倍，觀察其特征，結果見圖1。

圖1 聚醚醚酮纖維面形態

從圖1可以看出，聚醚醚酮纖維的橫截面為近似圓形，呈透明狀態；縱向表面光滑。

2.4.3 溶解試驗

按照FZ/T 01057.4—2007標準要做，采用其規定的試劑，將適量的聚醚醚酮纖維放入燒杯中，加入適量上述試劑。聚醚醚酮樣品和試劑的質量比大約1∶100。在室溫下搖動燒杯5分鐘，觀察其溶解情況；沸煮條件下，保持沸騰3分鐘，觀察其溶解情況。結果見表2。

表2 聚醚醚酮纖維化學溶解性能

由表2可知，聚醚醚酮纖維在絕大多數的化學試劑中都不溶解，僅在常溫95%～98%硫酸中部分溶解，煮沸的95%～98%硫酸中完全溶解。

2.4.4 紅外光譜試驗

聚醚醚酮纖維的紅外吸收光譜圖如圖2所示。1653cm處為C=0的伸縮振動，1598cm、1491cm和1306cm處為Ar-O-Ar ( Ar為芳基，下同)的平面振動；1278cm、1228cm和1187cm處為Ar-O-Ar的不對稱伸縮振動，927cm處為Ar-CO-Ar的對稱伸縮振動；1159cm和1011cm處為C—H面內彎曲振動，866cm和767cm處為C—H面外彎曲振動。

圖2 聚醚醚酮纖維紅外光譜譜圖

2.4.5 熱重分析試驗

參照GB/T 37631—2019《化學纖維 熱分解溫度試驗方法》，采用熱重分析儀測定聚醚醚酮纖維的熱分解溫度，結果見圖3。

圖3 聚醚醚酮纖維TG和DTG圖

圖3表明聚醚醚酮纖維的熱降解溫度在500℃～700℃之間，最大熱失重速率峰為591.18℃。800℃條件下，該纖維的殘留物為黑色膠狀小球。

2.4.6 熔點和差熱分析（DSC）試驗

取少量PEEK纖維放在兩蓋玻片之間，置于熔點儀的電熱板上，調焦使纖維圖像清晰，逐漸升溫并用熔點儀上的顯微鏡觀察該纖維的形態變化。從室溫升到300℃的過程中，PEEK纖維受熱并沒有明顯變化。結果表明通過現有熔點儀無法測定該纖維的熔點。為此對聚醚醚酮纖維進一步開展DSC試驗，結果見圖4。

圖4 聚醚醚酮纖維DSC升溫曲線

從圖4可以看到聚醚醚酮纖維在345.28℃處出現熔融峰，從而推斷該纖維熔點在345℃附近。

3 結論

本文依據FZ/T 01057相關方法，研究了聚醚醚酮纖維的燃燒、形態、溶解、紅外光譜、熱重、差熱分析等6個方面的特征。通過燃燒試驗，初步進行大類鑒別和區分；進行橫縱向觀察，發現橫截面接近圓形，縱向光滑，可判斷為合成纖維；依據該纖維僅在常溫95%～98%硫酸中部分溶解，煮沸的95%～98%硫酸中完全溶解，可知為非常規合成纖維。通過紅外光譜試驗，得到了1653cm、1598cm、1491cm、1306cm、1278cm、1228cm、1187cm和927cm多處特征峰，確認該纖維大分子含有酮鍵和醚鍵，從而對其類別作更進一步的確認。熱重及差熱分析法則進一步分析了該纖維的熱穩定性能，得到了相關溫度曲線。因此，本文基于以上6種鑒別方法，較全面地研究了聚醚醚酮纖維的定性分析方法，可以實現對聚醚醚酮纖維的鑒別。