聚酰亚胺纤维的定性鉴别方法研究

摘要：

本文通过FZ/T 01057―2007中纺织纤维鉴别试验常用方法分别研究了聚酰亚胺纤维的燃烧特征、外观形态、溶解性能，根据纤维的各项特征确定了聚酰亚胺纤维定性鉴别的方法。

关键词：聚酰亚胺；定性分析；燃烧特征；外观形态；溶解性能

1 引言

聚酰亚胺（PI）纤维集优异的机械性能、耐高低温性能、介电性能、耐磨性能、耐紫外性能、化学和尺寸稳定性能于一体[1]，是高性能纤维家族中的重要成员之一。PI纤维凭借其优异的综合性能，已成为国防军工、航空航天、环境产业和原子能工业等重要领域急需的纤维新材料。PI纤维的研究工作起始于20世纪60年代[2-5]。但是由于PI纤维合成技术难度高、纺丝工艺复杂、原料种类少、对设备要求高等原因，到目前为止，国内外关于PI纤维尤其是高强高模PI纤维的研究报道还比较少。东华大学张清华等[6]研究了不同体系聚酰亚胺纤维的性能。张春玲等[7]和黄森彪等[8]系统地研究了聚酰亚胺纤维的纺制方法、结构与性能的相关性。但由于成本和技术等原因，商品化的聚酰亚胺纤维只有奥地利Lenzing AG公司的P84?纤维、长春高琦聚酰亚胺材料有限公司的轶纶?纤维和江苏奥神新材料股份有限公司的ASPI纤维。

目前，国内检验机构尚没有一套系统的方法用于定性聚酰亚胺纤维。学术界对聚酰亚胺的研究多集中于纤维的制备和纤维的应用。随着我国经济的快速发展，聚酰亚胺纤维的应用也日益广泛和深入，研究和开发聚酰亚胺纤维与其他纤维的鉴别技术显得日益迫切。本文将通过FZ/T 01057―2007《纺织纤维鉴别试验方法》中纺织纤维鉴别试验常用方法，研究纤维的燃烧特征、外观形态、溶解性能，根据纤维的各项特征确定了聚酰亚胺纤维定性鉴别的方法。

2 试验

2.1 试验试剂

硫酸、盐酸、硝酸、次氯酸钠、氢氧化钠、甲酸、冰乙酸、硫氰酸钾、氢氟酸、氢氧化铜、氢氧化铵、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃、苯酚、四氯化碳、砒碇、1，4-丁内酯、二甲亚砜、环己酮、二氯甲烷、二氧六环、双氧水、二甲苯等。以上试剂均为分析纯。

2.2 试验仪器

TGA4000热重分析仪， 美国PE公司；nocilet380红外光谱，美国菲尼根质谱公司；CU-Ⅱ纤维细度分析仪等。

2.3 试样

奥地利Lenzing AG公司提供的P84纤维；江苏奥神提供的ASPI纤维；长春高琦提供的轶纶纤维。

2.4 试验结果及讨论

2.4.1 燃烧试验

用镊子夹住少许试样纤维，观察纤维靠近火焰、接触火焰和离开火焰时的状态及燃烧时产生的气味和燃烧后的残留物特征，并做记录。以上三种聚酰亚胺纤维燃烧过程的观察结果如表1所示。

2.4.2 显微镜观察试验

将待测的均匀平排列在载玻片上，加上一滴甘油盖上盖玻片，放在生物显微镜载物台上，在放大倍数200倍～500倍条件下观察纤维的纵向特征。将一小束纤维梳理整齐，夹入哈氏切片器的凹槽中间，按照FZ/T 01057.3―2007中纤维横截面切片的制备方法制得横截面切片，在放大倍数200倍～500倍条件下观察。

（a）P84 （b） ASPI （c） 轶纶

图1 聚酰亚胺纤维纵向显微镜照片

（a）P84 （b） ASPI （c） 轶纶

图2 聚酰亚胺纤维横截面显微镜照片

三种聚酰亚胺纤维纵向显微照片见图1。纵向观察结果：P84纤维表面平滑有沟槽，ASPI纤维和轶纶纤维表面光滑。三种聚酰亚胺纤维横截面显微照片见图2，P84纤维横截面为三叶形，ASPI和轶纶为圆形或近似圆形。

2.4.3 溶解试验

将少量的聚酰亚胺纤维置于烧杯或三角烧瓶中注入适量的试剂，样品和试剂的比例1：100。常温（20℃～30℃）条件时摇动5min观察纤维的溶解情况；沸煮条件时保持沸腾3min，观察纤维的溶解情况。三种聚酰亚胺纤维溶解性能见表2。

2.4.4 热失重试验

图3为三种聚酰亚胺纤维的热失重曲线图。从图3可以看出，P84、轶纶和ASPI三种纤维均显示出相似的热失重行为，表现出了很好的热稳定性，所有的纤维在温度达到500℃之前质量损失很小。P84、轶纶和ASPI三种纤维的外推始点温度分别为527℃、577℃和584℃，最大分解速率温度分别为604℃、609℃和614。在840℃时，P84、轶纶和ASPI纤维质量分别下降至60%、55%和56%。

图3 三种聚酰亚胺纤维的热失重曲线图

2.4.5 红外光谱分析

P84、轶纶和ASPI三种聚酰亚胺纤维的分子结构基本项目，表现出极为类似的红外光谱特性。图4为轶纶纤维的红外光谱图，其中1778cm-1、1716 cm-1处为酰亚胺环上C=O的不对称伸缩振动和对称伸缩振动，1381cm-1处为酰亚胺环上C―N 伸缩振动，724cm-1处为酰亚胺环上C=O弯曲振动。

图4 轶纶纤维的红外光谱图

根据其红外谱图和谱带的分布，可以有效地鉴别聚酰亚胺纤维，但该法只能用于鉴别纯纤维的定性，且操作复杂、仪器昂贵，一般只用于有疑问纤维的进一步确认。

3 结论

本文对收集到的三种聚酰亚胺纤维进行了燃烧试验、外观形态观察、溶解性能试验、热失重试验和红外光谱分析，可以发现聚酰亚胺纤维的特殊性能，从而得出其可行的定性鉴别方法。首先通过聚酰亚胺纤维在靠近火焰、接触火焰、离开火焰以及残留物的特征，初步对纤维进行鉴别和区分；聚酰亚胺纤维的外观形态具有一定的特殊性，但是在显微镜观察条件下尚不能完全确定纤维；而根据聚酰亚胺纤维在95%～98%硫酸条件下的溶解现象以及其在65%～68%硝酸煮沸条件下的溶解现象，可初步确定该纤维的种类。随着纤维种类的不断增加，具有相似溶解性能的纤维可能也会不断涌现。外光谱试验中，得到了聚酰亚胺纤维1778cm-1、1716 cm-1、1381cm-1及724cm-1四处的特征峰，对该纤维的类别进行进一步的确认。热重分析法则进一步分析了聚酰亚胺纤维的热稳定性能。因此，以上5种方法从各种可能的鉴别方法入手，比较全面地研究了聚酰亚胺纤维的定性分析方法，完全可以顺利实现聚酰亚胺纤维的鉴别。

参考文献：

[1] 丁孟贤. 聚酰亚胺――化学、结构与性能的关系及材料[M]. 北京： 科学出版社， 2006.

[2]Sasaki I， Itatani H， Kashima M， et al. Aromatic polyimide resin composition[P]. US Pat， 4247443. 1981-1-27.

[3] Makino H， Kusuki Y， Harada T， et al. Process for producing aromatic polyimide hollow filaments[P].US Pat， 4460526. 1984-7-17.

[4] Ohmura K， shibasaki I， kimura T. Polyamideimide composition and articles for electrical use prepared therefrom[P]. US Pat， 4377652. 1983-3-22.

[5] Koton MM， Florinsky FS， Frenkel SY， etal. Method for obtaing polyimide fibers [P]. Br Pat，2025311.1980-1-23.

[6] Zhang Q H， Luo W Q， Gao L X， et al.Thermal Mechanical and Dynamic Mechanical Property of Biphenyl Polyimide Fibers[J]. J Appl Polym Sci， 2004， 92（3）： 1653-1657.

[7] 张春玲，邱学鹏，薛彦虎，等.牵伸倍率对联苯型聚酰亚胺纤维形貌、取向及性能的影响[J]. 高等学校化学学报，2011，32（ 1） ： 7-9.

[8] 黄森彪，马晓野，郭海泉，等.BPDA/PPD/OTOL 聚酰亚胺纤维的力学性能、形貌和结构[J]. 应用化学， 2012， 29（8）： 863-867.

（作者单位：赵向旭， 东华大学、福建省纺织产品检测技术重点实验室；刘贵，福建省纺织产品检测技术重点实验室、福建省纤维检验局）