顯微紅外光譜法定性鑒別除塵濾料中纖維

曾 曉,陸振乾

(1.鹽城纖維檢驗所,江蘇 鹽城 224051;2.鹽城工學院 紡織服裝學院,江蘇 鹽城 224051)

隨著我國經濟的快速發展,空氣污染問題日益突出,霧霾天氣出現也越發頻繁。據統計,火電、鋼鐵、水泥和冶金行業的煙塵排放是大氣粉塵的主要來源,是造成大氣污染的主要因素。因此,我國對這些重點行業的煙氣排放制定了嚴格的排放標準。為了減少煙氣中粉塵的排放,通常采用袋式除塵器來對煙氣中的粉塵進行過濾,從而使煙氣達到排放標準[1-2]。工業除塵器的核心部件為除塵濾袋,通常由除塵濾料縫合而成。除塵濾料一般采用非織造工藝制備而成,采用的纖維原料根據具體的使用環境來選擇,如煙氣溫度在130 ℃以下時,采用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維、聚丙烯腈纖維制備的低溫濾料;煙氣溫度在130～250 ℃時,采用耐中高溫的纖維原料,如聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、間位芳綸、聚四氟乙烯(PTFE)纖維和聚砜酰胺(PSA)纖維等;當煙氣溫度超過250 ℃時,采用耐高溫的纖維原料,如陶瓷纖維、不銹鋼纖維、玻璃纖維等[3-4]。

為了提高濾料的性能和降低生產成本,越來越多的除塵濾料采用兩種甚至更多種纖維制備,多種纖維在性能方面可取長補短,從而提高濾料的綜合性能。另外,市場上也出現了一些以次充好的現象,采用普通纖維來代替價格昂貴的耐腐蝕耐高溫纖維制備除塵濾料,造成濾袋使用壽命縮短,質量不過關等。因此,在濾料產品的設計、生產、應用等過程中檢測纖維成分及含量十分必要。目前,纖維成分含量定性檢測的方法主要有顯微鏡法、燃燒法、溶解法、紅外光譜法等,其中紅外光譜法是一種簡單、快捷的儀器檢測方法,在纖維定性定量方面應用廣泛。常用的紅外光譜技術包括透射紅外光譜技術、衰減全反射紅外光譜技術、近紅外漫反射紅外光譜技術、顯微紅外光譜技術等[5-6],其中顯微紅外光譜技術結合了顯微鏡法和紅外光譜法的優點,通過顯微鏡觀測纖維的縱向或橫向微觀形態,并在此基礎上采集特定位置的紅外光譜,獲得高品質紅外光譜圖譜,從而給出化學組成和結構,完成定性分析[7-8]。

顯微紅外光譜法可以實現微量分析,極少的樣品就能獲得高質量的紅外光譜圖譜,可以進行單根纖維的檢測,具有檢測限低、靈敏度高的優點。同時,該方法制樣簡便,甚至不需要制樣,實現無損檢測,可以完成難分離的混合纖維制品和微量纖維樣品的測試,且顯微鏡光路調節簡單,可以實現對纖維束中的特定部位精確定位分析。以上的諸多優點,使得顯微紅外光譜法成為一種更直接的纖維定性鑒別方法,有效地補充了現有的檢測方法。作者采用顯微紅外光譜儀對幾種常用的除塵濾料用纖維進行定性分析,以期為除塵濾料中纖維的鑒別提供參考。

1 實驗

1.1 主要原料

PI纖維：短纖維,德國贏創公司產;PPS纖維：短纖維,韓國匯維仕公司產;PTFE纖維、間位芳綸、PET纖維、PSA纖維：短纖維,國產。

1.2 主要儀器

Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀：美國賽默飛世爾科技公司制;Nicolet iN5型傅里葉變換紅外顯微鏡：通過管路與Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀連接,美國賽默飛世爾科技公司制。

1.3 實驗方法

采用Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀和Nicolet iN5型傅里葉變換紅外顯微鏡以反射方式采集單根纖維的紅外光譜,掃描次數為50次,分辨率為8 cm-1。首先,將纖維放置在載玻片上,通過紅外顯微鏡測纖維的縱向形態,并將需要檢測的纖維進行定位,通過調整紅外捕捉框的大小,使紅外光僅作用于該纖維上,減少測試的誤差。然后,開始紅外掃描,獲取定位纖維的紅外光譜,通過分析軟件進行快速比對,確定其成分,從而實現定性分析。

2 結果與討論

紅外光譜中的特征吸收峰與特征吸收譜帶反映了材料分子中基團和化學鍵的信息,不同的物質與材料具有不同的分子結構與紅外光譜,將未知單根纖維的顯微紅外光譜與已知單根纖維的顯微紅外光譜進行比較,可以定性鑒別纖維成分。

2.1 PTFE纖維

PTFE是由四氟乙烯單體聚合制得全氟化的直鏈高聚物,具有優異的耐化學腐蝕性能,被稱為“塑料之王”。PTFE纖維濾料是目前耐溫性和耐化學性能最好的一種有機纖維濾料,連續使用溫度為260 ℃,瞬間使用溫度可達300 ℃。PTFE纖維濾料被廣泛地應用于垃圾焚燒高溫煙氣領域[9]。

PTFE纖維的紅外光譜如圖1所示。在波數為1 200 cm-1和1 150 cm-1處有非常強的吸收帶,其中,1 200 cm-1附近的特征峰是—CF2的反對稱伸縮振動峰,1 150 cm-1為—CF2的對稱伸縮振動峰;波數為624 cm-1和637 cm-1處為 C—F彎曲振動峰。通過上述兩處含氟基團的特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PTFE纖維。

圖1 PTFE纖維的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of PTFE fiber

2.2 PSA纖維

PSA纖維又名芳砜綸,是一種在高分子主鏈上含有砜基(—SO2—)的芳香族聚酰胺纖維,該纖維為我國擁有自主知識產權的國產化新型耐高溫合成纖維,具有優異的阻燃性,極限氧指數達到30%。PSA纖維濾料可在250 ℃高溫煙氣條件下長期使用,同時耐酸性能、抗氧化性能良好,主要應用于水泥生產線的窯頭和窯尾,以及鋼鐵行業的高溫煙氣除塵。

PSA纖維的紅外光譜如圖2所示。在波數為3 300～3 430 cm-1處為氨基(—NH—)伸縮振動吸收峰;1 668 cm-1處為羰基(C=O)伸縮振動吸收峰,即酰胺 I 吸收帶;1 594 cm-1和1 533 cm-1附近為苯環骨架的伸縮振動峰;約 1 276 cm-1處是—NH—鍵和—CN—鍵的偶合振動峰,1 070 cm-1處為—SO2—的伸縮振動峰。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PSA纖維。

圖2 PSA纖維的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of PSA fiber

2.3 PI纖維

PI纖維的主鏈含有酰亞胺環,具有高強高模的特點,其濾料的耐溫性能優異,連續使用溫度為 230 ℃,瞬間使用溫度達到260 ℃。PI纖維濾料的抗氧化性能很好,但抗水解性能差,常應用于低含硫量的爐窯中,如水泥生產線窯尾的煙氣除塵。

PI纖維的紅外光譜如圖3所示。在波數為1 777 cm-1附近的特征峰是C=O反對稱伸縮振動吸收峰,1 720 cm-1附近的特征峰是C=O對稱伸縮振動峰,分別稱為酰亞胺Ⅰ帶和Ⅱ帶,1 510 cm-1附近的吸收峰為芳環上C=C骨架振動,1 367 cm-1附近的特征峰是亞胺環上的C—N伸縮振動峰,稱為酰亞胺Ⅲ帶,718 cm-1附近的特征峰是亞胺環上的C=O彎曲振動峰。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PI纖維。

圖3 PI纖維的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of PI fiber

2.4 間位芳綸

間位芳綸的分子鏈主鏈由苯環酰胺鍵組成,具有良好的化學穩定性和熱穩定性,屬于難燃纖維。間位芳綸濾料的耐溫性能優于PPS纖維濾料,其長期使用溫度為200 ℃,瞬間使用溫度達到240 ℃。間位芳綸濾料主要應用領域為燃煤電廠、鋼鐵行業及瀝青攪拌等高溫煙氣除塵。

間位芳綸的紅外光譜如圖4所示。

圖4 間位芳綸的紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of m-aramid fiber

由圖4可以看出,3 500～3 290 cm-1附近是—OH和N—H的伸縮振動峰,1 644 cm-1附近是酰胺Ⅰ譜帶的特征峰,1 524 cm-1附近是酰胺Ⅱ譜帶的特征峰,1 411 cm-1和1 300 cm-1附近是酰胺Ⅲ譜帶的特征峰,1 115 cm-1附近的特征峰是苯環上的C—H變形振動峰。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有間位芳綸。

2.5 PPS纖維

PPS纖維的分子鏈主要由硫原子連接在苯環對位交替形成,具優異的耐化學腐蝕特性。PPS纖維濾料可在190 ℃的溫度下長期使用,瞬間使用溫度可達210 ℃,廣泛應用于燃煤電廠、垃圾焚燒爐等高溫煙氣的過濾。

PPS纖維的紅外光譜如圖5所示。在波數為3 064 cm-1、2 924 cm-1、2 851 cm-1處的特征峰是苯環C—H鍵伸縮振動峰,1 907 cm-1、1 652 cm-1處為苯環C—H鍵面外彎曲振動,1 571 cm-1、1 474 cm-1、1 386 cm-1處為苯環C=C鍵的骨架振動峰,1 257 cm-1處為芳環上C—S鍵的伸縮振動峰,1 097 cm-1附近的特征峰為苯環C—H鍵面內彎曲振動峰,1 075 cm-1處為對稱苯環上C—S鍵的伸縮振動峰,814 cm-1附近的特征峰是苯環對位取代的彎曲振動峰。通過以上苯環和1,4位上的C—S鍵可以鑒別除塵濾料中是否含有PPS纖維。

圖5 PPS纖維的紅外光譜Fig.5 Infrared spectrum of PPS fiber

2.6 PET纖維

PET纖維大分子鏈中的各鏈節通過酯基連結而成,具有強度高、彈性回復性能和耐磨性能好、價格低廉等優點。此外,PET纖維耐酸性好,但不耐堿。PET纖維濾料的使用溫度不超過130 ℃,屬于中常溫濾料。

PET纖維的紅外光譜如圖6所示。在波數為1 711 cm-1處為酯羰基C=O伸縮振動吸收峰,1 239 cm-1、1 092 cm-1處為 C—O—C 反對稱、對稱伸縮振動吸收峰,是對苯二甲酸基團的特征峰,700～900 cm-1附近的吸收峰說明苯環的存在,720 cm-1附近的特征峰為對位雙取代苯環上氫的面外彎曲振動。通過以上特征峰可以鑒別除塵濾料中是否含有PET纖維。

圖6 PET纖維的紅外光譜Fig.6 Infrared spectrum of PET fiber

3 結論

a.對除塵濾料中纖維進行定性檢測時,采用顯微紅外光譜法能直接觀測纖維的外形,并可針對性地采集紅外光譜,所需的試樣數量少,無需制樣。該方法是除塵濾料中纖維定性鑒別的有效測試手段,可以在商業糾紛仲裁、司法鑒定等方面發揮重要的作用。

b.與傳統的壓片法和衰減全反射法相比,采用反射方式采集的6種纖維的紅外光譜的一致性較好,但在個別峰的位置和相對強度方面存在差異。