偏振光显微镜定性分析PET和PTT纤维

摘要：

传统的纤维成分定性分析测试方法如FZ/T 01057.2-4—2007虽然可以区分芳香族聚酯和其他纤维材料，但无法进一步鉴别PET和PTT。正是由于大多数纤维都具有各向异性的特性，其在偏振光下会发生双折射的现象，产生各种纤维独有干涉条纹，可以利用偏振光显微镜（PLM）对纤维进行区分。该检验方法操作简单、快捷，操作过程中不产生任何污染，能有效地区分PET和PTT纤维，值得推广应用。

关键词：偏振光显微镜；PET；PTT；双折射率；定性分析

二元酸和二元醇缩聚而成的高分子化合物称作聚酯，聚酯纤维中最常见的是聚对苯二甲酸乙二酯纤维（英文缩写PET），俗名涤纶。涤纶耐热性和热稳定性好，回潮率低，强力大，结实耐用，且洗后可达到不皱、免烫的效果，可与多种纤维混纺等优点，使其成为用量最大的服用纤维之一。PTT是聚酯纤维家族中的一类新产品，PTT即聚对苯二甲酸丙二酯的英文缩写。PTT分子链的Z字折线形构造，使纤维具有比涤纶和尼龙更好的优点，即手感更柔软，更易护理和染色，且具有很好的耐洗色牢度和抗紫外线性能，耐酸耐碱、不易老化、面料尺寸稳定性好，可织造各种弹性织物，广泛应用于针织运动服、健美服等产品。由于PET和PTT的化学结构非常相似，两者的物理、化学性能差别很微小。按照传统的纤维成分分析方法，即通过手感目测法、普通显微镜观察法、燃烧法、溶剂溶解法、染料着色法等无法进行PET和PTT的定性分析[1，2，3]。有研究称，利用密度法、差示扫描量热法、熔点法或气相色谱分析法都可以定性区分不同的聚酯成分，但要么存在成本高，或者可靠程度不高，或者操作不方便，或者由于纤维在织物中的存在状态难以用于日常检验等原因，而不能在纺织品检验中得到有效的推广和应用[4-5]。

1 PET和PTT的化学机构式、分子构象[6]

图1 PET和PTT的化学结构式 图2 PET和PTT的分子构象

从图1和图2中，可以看出PET和PTT两者的结构非常接近，在聚合物的链中每个重复的结构单元只相差一个或两个CH2基团，所以两者的物理化学性能非常接近。但由于PTT的“奇碳效应”，让其与PET之间有更大的分子取向度。

2 偏振光显微镜的原理

偏振光显微镜是鉴定物质细微结构光学性质的一种显微镜，就是将普通光改变为偏振光对物质进行镜检。凡具有双折射性的物质，在偏光显微镜下都能分辨得清楚。

图3 偏振光显微镜的原理

如图3所示，经过起偏器形成的偏振光，垂直于纤维晶体光轴入射，产生两束偏振光（o光和e光）。其中的一条折射光服从折射定律，沿各个方向的光的传播速度相同，各向折射率no 相同，且在入射面内传播，这一条光线称为寻常光，简称o光。另一条折射光不服从折射定律，沿各个方向的光的传播速度不相同，各向折射率ne不相同，并且不一定在入射面内传播，这一条光线称为非常光，简称e光。在双折射晶体内存在一个固定的方向，在该方向上，o光、e光的传播速度相同，折射率相同，两光线重合。这个方向称为晶体的光轴。平行于光轴方向，o光，e光重合，不产生双折射现象。垂直于光轴方向，no、 ne相差最大，o、e光偏离最大。

由于o光和e光的相位差不同而合成为直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，而且o光和e光的相位差由两束光在纤维晶体中折射率和纤维晶体的厚度决定。纤维晶体一般形成椭圆偏振光。椭圆偏振光，用检偏振镜检查时不发生消光现象，所以当我们旋转载物台时都可以看到纤维。此两束偏振光（o光和e光）有相同的频率，稳定的相位差，有光程差，且是由一束光分解得到的，满足干涉条件，所以当纤维用偏振光照射时，可观察到干涉条纹。干涉条纹颜色主要是由光程差决定（=n×d），而光程差又是由纤维双折射率决定，纤维的分子取向度决定了各种纤维都有自己独特的双折射率，从而各种纤维有自己独特的干涉色，这也是偏振光显微镜能够用于鉴别纤维的依据[7]。

3 纤维的双折射率

常见纺织纤维双折射率见表1。

表1 常见纺织纤维双折射率[8-9]

由表1中可见，纤维的双折射率一般在0～0.2 ，三醋酯纤维的为-0.005 ，是纤维中最小的； PET的为0.188，是纤维中最大的，而PTT的为0.043～0.046。可见，PET的比PTT的双折射率大很多，这为通过POM区分PET和PTT纤维提供了充分的理论支持。

取向度是影响双折射大小的一个主要因素。取向度越大，各向异性显著，双折射率越大。全部大分子与纤维轴平行排列时，双折射最大。当大分子排列紊乱时，双折射为0。影响双折射大小另外一个因素 ，是大分子本身的不对称性。大分子链呈曲折状或螺旋状，或主链上有侧基，都会使双折射率下降。羊毛大分子的多侧基和螺旋构象，双折射率比蚕丝小得多；腈纶的侧基（氰基）极性极大，又含有12%以上的第二单体和第三单体，大分子纵向排列无法整齐，而侧向有序，以至于纤维的双折射率接近零，甚至为负值。三醋酯纤维分子上的侧基多，致使其双折射率是负值。

4 主要常规纤维在POM下的纵截面形态特征介绍

4.1 棉

呈扁平状，不规则，天然扭曲，有中腔，循环出现蓝色、金黄色，见图4和图5。

图4 棉典型形态特征1 图5 棉典型形态特征2

4.2 羊毛

鳞片结构，循环出现明亮蓝色、深黄色，见图6和图7。

图6 羊毛典型形态特征1 图7 羊毛典型形态特征2

4.3 桑蚕丝

自然光滑，粗细不完全均匀，循环出现浅绿色、亮黄色，见图8和图9。

图8 桑蚕丝典型形态特征1 图9 桑蚕丝典型形态特征2

4.4 粘纤

光滑、细度均匀，笔直条纹分布均匀，循环出现蓝色、深黄色，见图10和图11。

图10 粘纤典型形态特征1 图11 粘纤典型形态特征2

4.5 莱赛尔

光滑、细度均匀，循环均匀出现浅蓝色/浅黄色/蓝色相间、黄色/深黄色相间，见图12和图13。

图12 莱赛尔典型形态特征1 图13 莱赛尔典型形态特征2

4.6 锦纶

细度均匀，有斑点，循环均匀出现浅绿色/浅蓝色相间、黄色/深黄色/浅蓝色相间，见图14和图15。

图14 锦纶典型形态特征1 图15 锦纶典型形态特征2

4.7 腈纶

细度均匀，有斑点，循环出现橘黄色，深蓝色，见图16和图17。

图16 腈纶典型形态特征1 图17 腈纶典型形态特征2

4.8 PET

细度均匀，有斑点，循环出现浅红色/浅绿色相间，玫红色/深蓝色相间，见图18和图19。

图18 PET典型形态特征1 图19 PET典型形态特征2

4.9 PTT

细度均匀，有斑点，循环出现浅紫色/黄色相间，深蓝色/浅黄色相间，见图20和图21。

图20 PTT典型形态特征1 图21 PTT典型形态特征2

从以上的纤维纵截面形态以及颜色变化特征，可以明确地区分PET和PTT纤维，它们之间在偏振光显微镜下呈现与别的纤维明显不同的特点，可见此方法具有实际操作可行性。

5 存在的主要问题

5.1 纤维颜色的影响

部分染深色纤维，特别是分散染料染聚酯纤维染黑色后，对纤维的鉴别会带来一定的影响。所以，必要时，需对样品进行剥色处理，这给检验工作带来一定的难度和麻烦。

5.2 图像传输色彩失真

图像传输色彩失真，即检验员在目镜上面看到的颜色，与通过CCD传输到电脑屏幕的照片的颜色存在较大的差异，一方面拍摄的照片的色彩发生了一定变化；另一方面，看到的颜色的种类没有从目镜看到的多。这使希望通过制定标准样照存在很大的难度，一定程度上影响了作为检验方法进行推广和交流。

6 结论

利用偏振光显微镜区分PET和PTT是可行的，新方法可以避免强腐蚀性化学试剂对环境的污染和对检测人员身体的损害，符合以人为本、节能减排和可持续发展的方针，其绿色环保的特质符合现代测试技术的发展趋势。但是，由于存在的“图像传输色彩失真”问题，使制定标准样照存在一定的难度，给检验方法的推广和交流带来一定的难度，有待进一步完善和解决。

参考文献：

[1] FZ/T 01057.2—2007纺织纤维鉴别试验方法 第2部分 燃烧试验方法[S].

[2] FZ/T 01057.3—2007纺织纤维鉴别试验方法 第3部分 显微镜观察方法[S].

[3] FZ/T 01057.4—2007纺织纤维鉴别试验方法 第4部分 溶解性试验方法[S].

[4] FZ T 01053—2007纤维含量的标识[S].

[5] 倪永，刘志红，胡腾蛟.PET、PTT与PBT材料的定性与定量鉴别方法[J].纺织学报，2012，33（10）： 28-32.

[6] 张文徽，袁传刚.PTT纤维与PET纤维鉴别方法的研究[J].上海纺织科技，2009.37（7）：17-18.

[7] 东华大学.一种基于偏振光显微镜的纱线成分检测方法[P].中国专利：G01N21/17，2008-08-20.

[8] 姚穆，张冬霞，曹昌虹. 纺织材料学[M].第3 版.北京：中国纺织出版社，2009：335-336.

[9] 张俊华.PTT长丝纱形态记忆特性的研究[D].苏州：苏州大学，2004.

（作者单位：广州市纤维产品检测院）