聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混合物定量化學分析研究

文/陳安城

1 引言

聚偏氟乙烯（PVDF）一種含氟單體共聚物，具有聚乙烯型主鏈分子結構，含氟量可達60%左右，由C—H鍵相互交聯而成的，化學分子式為[—CH—CF—]。因C—F鍵長短，鍵能高，其熔融溫度范圍可達155℃～192℃，熱分解溫度甚至可到316℃以上。由于PVDF分子結構式的特殊性，故在常溫條件下，其化學性能穩定。PVDF 的化學分子結構如圖1所示。

圖1 PVDF的化學分子結構式

含氟纖維主要有聚四氟乙烯纖維、聚全氟乙丙烯纖維、聚偏氟乙烯纖維等，含氟纖維因其C—F鍵的特性均具有較穩定的化學性能，PVDF除了與其他含氟纖維一樣具有較好的耐酸堿性能外，在常規有機溶劑中如烴醇和醛等，體現良好的化學性能穩定性，經查閱大量文獻和化學實驗實踐中可知PVDF只能溶解于二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺等強極性溶劑中。經紡絲而得的聚偏氟乙烯纖維是一種耐酸堿、耐強氧化、化學性能穩定的含氟纖維，應用于鋰電池、電子電氣、醫用膜等領域。

根據查閱相關文獻，目前大部分含氟纖維的制備方法主要有：熔體紡絲、載體紡絲等，相較于聚四氟乙烯材料的流動性差、不溶于有機溶劑的特點，PVDF能溶于強極性溶劑中，故對于聚偏氟乙烯纖維的制備主要采用熔體紡絲法，操作簡便、效率高耗能低。目前，國內外的學者對于PVDF纖維的研究主要集中在纖維紡絲、纖維網的制備和性能，以及在醫學、電學方面應用的研究。隨著紡織行業的跨學科發展，聚偏氟乙烯纖維在高性能產業用紡織品的應用也日益深入，未來聚偏氟乙烯纖維也將應用于服用紡織品。因此一套完整的聚偏氟乙烯纖維混合物的定量分析方法迫在眉睫。

本文通過化學試驗方法得出聚偏氟乙烯纖維的定性分析方法和在常規試劑中的質量修正系數，對該纖維與其他常規纖維和同類高性能纖維的混合物進行化學溶解試驗，研究聚偏氟乙烯纖維行之有效的化學定量分析方法。

2 試驗

本文首先選用常規的紡織品定性鑒別方法：顯微鏡觀察法、燃燒法、化學試劑溶解法、紅外光譜法等，對聚偏氟乙烯纖維進行定性鑒別分析。在定性鑒別的基礎上，通過查閱文獻和相關標準，結合實際的試驗工作，制定各主要試劑對聚偏氟乙烯纖維的質量損失修正系數。確定聚偏氟乙烯纖維與其他常規纖維定量分析方案。

2.1 試驗試劑

三氯甲烷、95%～98%硫酸、65%硫氰酸鉀、硝基苯、2-氯苯酚、N,N-二甲基甲酰胺、三氯乙酸/三氯甲烷、二甲基亞砜、氨水等。以上試劑采購于西隴科技股份有限公司，均為分析純。

2.2 試驗儀器

加熱板(C-MAG HP 7 S25)、高低溫水浴振蕩器(HD500B-16)、電子天平(AUY220)、纖維細度儀（BX41）、傅立葉變換紅外光譜儀(NICOLET IS50)、燒杯等。

2.3 試驗樣品及預處理

試驗樣品：聚偏氟乙烯纖維單絲，由南通專門生產高性能單絲纖維的廠家提供；混紡用其他纖維，經日常檢驗中收集而得。

所有定量用纖維均需要前處理，具體的前處理方式參照紡織品定量標準GB/T 2910.1—2009《紡織品 定量化學分析 第1部分：試驗通則》。

3 試驗及結果分析

3.1 纖維定性分析試驗

參照標準FZ/T 01057—2007 《紡織纖維鑒別試驗方法》中的定性分析方法，本試驗采用顯微鏡法、紅外光譜法、燃燒法、溶解法對聚偏氟乙烯纖維進行定性鑒別，針對某些較不常見的化學試劑不在該標準試劑目錄中，參照該標準的化學溶解方法進行溶解法試驗。

由圖1和圖2可知，聚偏氟乙烯纖維顯微鏡形態與其他常規化纖差異不大；圖4中該纖維紅外光譜顯示在1276cm和1170cm處基團的不對稱伸縮振動為基團—CF—特征峰，可判定該纖維為含氟纖維；通過燃燒性能分析可推斷其為高性能阻燃纖維（表1）；其溶解性能（表2）與其他阻燃纖維差異較大，特別是在N,N-二甲基甲酰胺、環己酮、硝基苯中能夠溶解，可作為鑒別該纖維的有力依據。

圖2 PVDF纖維在纖維細度儀下橫截面形態

圖3 PVDF纖維在纖維細度儀下縱截面形態

圖4 PVDF纖維紅外吸收光譜圖

表1 PVDF纖維燃燒狀態

表2 PVDF纖維化學溶解性能

在日常定性檢驗中，可通過以上幾種方法的綜合分析，對聚偏氟乙烯纖維進行準確鑒別。

3.2 聚偏氟乙烯纖維與常規纖維定量分析試驗

根據紡織品定量化學分析標準GB/T 2910—2009《紡織品 定量化學分析》和GB/T 38015—2019 《紡織品 定量化學分析 氨綸與某些其他纖維的混合物》中的定量試驗方法，隨機抽取10個聚偏氟乙烯纖維樣品并進行前處理，參照以上兩份標準中規定的定量分析方法進行重復性試驗，選取相應的化學試劑通過化學分析試驗前后質量差異，取平均值，得出PVDF纖維在不同化學試劑中的質量修正系數，經試驗優化和數據總結得出試驗結果見表3。

表3 PVDF纖維在不同化學試劑中的質量修正系數

根據表3中所得的聚偏氟乙烯纖維在不同化學試劑中的修正系數，并結合標準GB/T 2910—2009和GB/T 38015—2019中規定的測試方法，再根據實驗室檢測實際總結得出定量試驗方法。將經預處理的已知干重的聚偏氟乙烯纖維與其他常規纖維進行混紡，并按照以下化學定量分析方法進行試驗，具體的試驗方法如下：

（1）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與常見的纖維素纖維、彈性纖維氨綸的混合物定量化學分析方法：選用75% 硫酸溶解去除纖維素纖維或氨綸剩余聚偏氟乙烯纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

（2）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與常見的天然蛋白質纖維的混合物定量化學分析方法：選用1mol/L 堿性次氯酸鈉溶解去除蛋白質纖維剩余聚偏氟乙烯纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

（3）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與聚酯纖維的混合物定量化學分析方法：選用三氯乙酸/三氯甲烷溶解去除聚酯纖維剩余聚偏氟乙烯纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

（4）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與錦綸或維綸的混合物定量化學分析方法：選用20%鹽酸溶解去除錦綸或維綸剩余聚偏氟乙烯纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

（5）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與醋纖或三醋酯纖維的混合物定量化學分析方法：選用丙酮溶解去除醋纖剩余聚偏氟乙烯纖維，二氯甲烷溶解去除三醋酯纖維剩余聚偏氟乙烯纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

（6）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與腈綸的混合物定量化學分析方法：選用65%硫氰酸鉀溶解去除腈綸剩余聚偏氟乙烯纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

3.3 聚偏氟乙烯纖維與同類高性能纖維定量分析試驗

聚偏氟乙烯纖維屬于高性能纖維，具有耐強酸堿性和對烴醇和醛等有機溶劑的化學性能穩定，在同類纖維中化學性能相似的纖維包括聚四氟乙烯纖維（PEEK）、聚苯硫醚纖維（PPS）、丙綸和乙綸。這幾種纖維在實際生產中應用于不同領域，發揮著各具特色的作用，因此該纖維與同類高性能纖維的混紡定量分析尤為重要，參照FZ/T 01057—2007和GB/T 35249—2017中標準方法和表2中PVDF纖維的溶解性能，得出3種高性能纖維溶解性能對比，見表4。

表4 3種高性能纖維化學溶解性能對比

通過表2和表4對比聚偏氟乙烯纖維和其他同類纖維的化學溶解性能差異，并查閱紡織品相關定量標準GB/T 2910—2009和GB/T 35249—2017中的定量試驗方法，再根據實驗室檢測實際，總結得出相應的化學定量分析方法。將經預處理的已知干重的聚偏氟乙烯纖維與其他同類高性能纖維進行混紡，并按照以下化學定量分析方法進行試驗：

（1）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與聚四氟乙烯纖維（PEEK）或聚苯硫醚纖維（PPS）的混合物定量化學分析方法：選用N,N-二甲基甲酰胺溶解去除聚偏氟乙烯纖維剩余聚四氟乙烯纖維或聚苯硫醚纖維，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

（2）經前處理，去除非纖維物質后的聚偏氟乙烯纖維與乙綸或者丙綸的混合物定量化學分析方法：選用N,N-二甲基甲酰胺溶解聚偏氟乙烯纖維剩余乙綸或者丙綸，并結合相應的質量修正系數，得出每種纖維的百分含量。

3.4 纖維定量結果分析

根據以上定量分析方法，將經前處理的聚偏氟乙烯纖維和其他纖維按相應混紡比進行混合，對該混合物進行化學定量分析，試驗結果見表5。

表5 聚偏氟乙烯纖維（PVDF）與其他纖維混紡定量試驗結果 %

由表5可得，聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混合物平行樣定量試驗重現性良好，試驗結果穩定。最大誤差絕對值均沒超過1%，均在GB/T 2910—2009和GB/T 38015—2019標準偏差范圍內。以上方法可作為聚偏氟乙烯纖維與其他纖維混合物的定量分析方法。

4 結論

本文探討了聚偏氟乙烯纖維的定性和定量分析方法。其中該纖維在顯微鏡形態與其他常規化纖差異不大，通過燃燒性能分析可推斷其為高性能阻燃纖維，但其溶解性能與其他阻燃纖維差異較大，特別是在N,N-二甲基甲酰胺、環己酮、硝基苯中能夠溶解，可作為鑒別該纖維的有力依據。綜合紅外光譜分析顯示基團—CF—的特征峰，即可判定該纖維為含氟纖維。本文分別確定了聚偏氟乙烯纖維與常規纖維以及同類高性能纖維的定量分析方法，最終得出的試驗結果與已知混紡比的最大絕對值誤差在1%以內，符合標準和實際檢驗要求，能對該纖維的定量提供理論依據，并應用于日常檢驗。