1 研究背景
目前,在对纺织纤维作定性分析时,根据FZ/T 01057—2007《纺织纤维鉴别试验方法》[1]的规定,可采用显微镜法、燃烧法、化学溶解法及红外光谱分析法。前3种常规定性方法都存在局限性。其中,显微镜法不适合判别形态特征不明显的合成纤维;燃烧法不适用于细分合成纤维、复合纤维、化学改性纤维及阻燃纤维;化学溶解法则因经常使用有毒试剂会对环境及人员健康造成损害。红外光谱分析法作为一种新的定性检测手段,比较适合判别合成纤维、复合纤维和化学改性纤维,正好弥补了前3种常规定性方法的不足。为了积累采用红外光谱定性分析法的检测经验、提高检测技术水平,本研究将对聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维几种常见的合成纤维进行红外光谱定性试验。
2 试验
2.1原理与方案
利用纤维分子结构式中化学键和基团在红外光中特征吸收峰存在的差异,采用红外光谱仪对聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维这几种常见的合成纤维进行扫描得到相应的红外光谱图,然后根据谱图上的主要吸收谱带以及特征频率来鉴别纤维的种类。红外光谱图上的吸收峰按来源可分为官能团区和指纹区,在对图谱进行分析时,主要是通过官能团区的特征峰来鉴别纤维种类。
2.2标准
按FZ/T 01057.8—2007《纺织纤维鉴别试验方法第8部分:红外光谱法》[2]试验。
2.3试样
纯聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯纤维和聚丙烯纤维样品各制备一份,大小约为5 cm×5 cm,聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维使用标准贴衬,聚乙烯纤维和聚丙烯纤维由江苏出入境检验检疫局纺织工业产品检测中心提供。相同规格的样品由于来源不同,得到的红外光谱图之间会存在一些差异,主要体现在指纹区的峰强弱不同,但官能团区的特征吸收峰基本一致[3]。
2.4仪器
Spectrum 100傅里叶红外分光光度计(波数范围:4000～400 cm-1,美国PE公司)。
2.5试验条件
温度:20℃,相对湿度:60%(红外光谱对检测环境、样品和检测人员的制片技术要求很高,建议红外光谱测试室温度控制在15～25℃,相对湿度以不大于60%为宜,应有特别的调温去湿设备,以保证满足检测对环境温湿度的特别要求);一般采用ATR法测试可省去制片环节,也可实现样品的无损检测,本试验采用ATR法。
2.6操作
将样品放置在仪器样品架上,启动扫描程序,记录4000～400 cm-1波数范围的红外光谱图,根据谱图上的主要吸收谱带及特征频率来判断纤维的种类。
3 结果与讨论
3.1聚酯纤维
在1720 cm-1附近有C=O强吸收峰,在1020、1100和1250 cm-1附近有C—O强吸收峰,在2950、725 cm-1附近有苯环—CH的明显吸收峰,其他地方并无明显吸收峰。结合分子结构式,从C=O、C—O、—CH这些基团推断此纤维为聚酯纤维。聚酯纤维的主要特征基团羰基C=O、C—O、—CH在红外光谱中有明显吸收峰,鉴别比较容易。但是,要准确区分聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)有一定难度。
3.2聚酰胺纤维(锦纶)
在1659 cm-1、1545 cm-1两处同时出现代表酰胺基的强吸收峰,在3260 cm-1处出现—NH的强吸收峰,在1718 cm-1处出现了代表芳香酸羧基中C=O的强吸收峰以及位于3100～2500 cm-1的成氢键的—OH伸缩振动,结合分子结构式推断此纤维为聚酰胺纤维。由于聚酰胺纤维是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称,主要品种有锦纶6、锦纶66、锦纶11、锦纶12、锦纶610、锦纶612、锦纶1010等。无论是哪个品种的锦纶,都是聚酰胺类聚合物,因而具有相同的官能团,且官能团的谱图是一样的。由于(CH2)n基团的长度不同,指纹区的谱图稍有差异,但要准确区分有一定的难度。由于聚酰胺纤维是吸湿性纤维,含有大量的亲水性基团如—OH,—NH2,—CONH—等。这些亲水性基团吸附水分子后会影响特征基团的红外吸收,建议在对其进行红外光谱测试前进行干燥处理。
3.3聚丙烯腈纤维(腈纶)
在2250 cm-1附近有—CN氰基的强吸收峰,具有特征基团—CN氰基的纤维目前有聚丙烯腈纤维及牛奶纤维两种,要区分这两种纤维,主要看谱图上是否有代表蛋白质纤维的特征基团—NH及C=O引起的强吸收峰。在3300、1650、1250 cm-1附近未出现代表—NH的强吸收峰,在1650 cm-1附近未出现C=O的强吸收峰,因此推断此纤维为聚丙烯腈纤维,从红外光谱图的吸收峰可以很明显地区分腈纶、牛奶纤维。
3.4聚乙烯纤维(乙纶)
试验结果发现,在2919 cm-1处出现—CH2不对称伸缩振动,在2851 cm-1处出现—CH2—对称伸缩振动,在1467 cm-1处出现—CH2—弯曲振动,在725 cm-1处出现—(CH2)n—(n≥4)面内摇摆振动,结合分子结构式,推断此纤维为聚乙烯纤维。各种类型的聚乙烯红外光谱非常相似,在结晶聚乙烯中,720 cm-1处的吸收峰常分裂为双峰。要用红外光谱区分不同类型的聚乙烯,需要用到较厚的薄膜测绘红外光谱。这些光谱之间的差别反映了聚乙烯结构与线性—CH2—链之间的差别,主要表现在1000～870 cm-1的不饱和基团吸收不同、甲基浓度不同以及在800～700 cm-1的支化吸收带不同。
3.5聚丙烯纤维(丙纶)
在2953 cm-1处有—CH3—不对称伸缩振动,在2917 cm-1有—CH2—不对称伸缩振动,在2873 cm-1处有—CH3对称伸缩振动,在2845 cm-1处有—CH2—对称伸缩振动,在1459 cm-1有—CH2—弯曲振动,在1377 cm-1有—CH3对称变形振动,在1156 cm-1处有—CH3面外摇摆振动,在971 cm-1处有—CH3面内摇摆振动,结合分子结构式,推断此纤维为聚丙烯纤维。聚丙烯可分为无规聚丙烯和等规聚丙烯,在1250～830 cm-1区域出现一系列尖锐的中等强度吸收带(如1165、998、895、840 cm-1),这些吸收与聚合物的化学结构和晶型无关,只与其分子链的螺旋状排列有关。无规聚丙烯在1250～830 cm-1区域则不会出现强吸收带。在利用红外光谱法定性聚丙烯纤维时,无需分出具体种类,只需分出大类即可。
3.6建议与对策
在利用红外光谱法对纤维进行分析时,不要过多依赖谱图库,应先分析谱图上的强吸收峰是由哪些化学基团引起的,再结合分子结构式得出结论,在人工解谱的过程中逐渐积累经验。红外光谱法比较适合合成纤维、牛奶及大豆等复合蛋白质纤维的定性。
4 结语
运用红外光谱技术对常见的几种合成纤维进行扫描分析,结果表明:可通过谱图上强吸收峰出现的位置推断是何种特征基团引起的,再结合纤维分子结构式来准确鉴别纤维种类。
