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利用紅外光譜法對合成纖維進行分析檢測

日期: 21-11-18 14:43 瀏覽次數 :5

1研究背景

目前,在對紡織纖維進行定性分析時,根據FZ/T01057-2007紡織纖維鑒定試驗方法[1]的規定,可采用顯微鏡、燃燒、化學溶解和紅外光譜分析。前三種常規定性方法都有局限性。其中,顯微鏡法不適合區分形態特征不明顯的合成纖維;燃燒法不適用于細分合成纖維、復合纖維、化學改性纖維和阻燃纖維;化學溶解法經常使用有毒試劑會損害環境和人員健康。紅外光譜分析作為一種新的定性檢測方法,更適合判斷合成纖維、復合纖維和化學改性纖維,正好彌補了前三種常規定性方法的不足。為了積累紅外光譜定性分析的檢測經驗,提高檢測技術水平,本研究將對聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維和聚丙烯纖維進行紅外光譜定性試驗。

2試驗

2.1原則和方案。

利用纖維分子結構中化學鍵與紅外光中基團特征吸收峰的差異,利用紅外光譜儀掃描聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維和聚丙烯纖維,得到相應的紅外光譜圖,然后根據光譜圖上的主要吸收光譜帶和特征頻率識別纖維的類型。根據來源,紅外光譜圖上的吸收峰可分為官能團區和指紋區,在分析圖譜時,主要通過官能團區的特征峰來識別纖維類型。

2.2標準

根據FZ/T01057.8-2007《紡織纖維鑒定試驗方法》第8部分:紅外光譜法[2]試驗。

2.3試樣

純聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維樣品,約5cm×5cm、聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維標準襯里、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維由江蘇省出入境檢驗檢疫局紡織工業產品檢驗中心提供。由于相同規格的樣品來源不同,紅外光譜圖之間會有一些差異,主要體現在指紋區域的峰值強度不同,但官能區域的特征吸收峰值基本相同[3]。

2.4儀器

BokIR-100傅里葉紅外光譜儀(波數范圍:4000~400cm-1)。

2.5試驗條件。

溫度:20℃,相對濕度:60%(紅外光譜對檢測環境、樣品和檢測人員的生產技術要求較高)。建議紅外光譜測試室溫度控制在15~25℃,相對濕度不應大于60%。應有專門的溫度調節和除濕設備,以確保滿足環境溫度和濕度檢測的特殊要求);一般來說,ATR測試可以節省生產環節或實現樣品的無損檢測。本試驗采用ATR法。

2.6操作
將樣品放置在儀器樣品架上,啟動掃描程序,記錄4000~400 cm-1波數范圍的紅外光譜圖,根據譜圖上的主要吸收譜帶及特征頻率來判斷纖維的種類。
 
3 結果與討論
3.1聚酯纖維
在1720 cm-1附近有C=O強吸收峰,在1020、1100和1250 cm-1附近有C—O強吸收峰,在2950、725 cm-1附近有苯環—CH的明顯吸收峰,其他地方并無明顯吸收峰。結合分子結構式,從C=O、C—O、—CH這些基團推斷此纖維為聚酯纖維。聚酯纖維的主要特征基團羰基C=O、C—O、—CH在紅外光譜中有明顯吸收峰,鑒別比較容易。但是,要準確區分聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)有一定難度。
 
3.2聚酰胺纖維(錦綸)
在1659 cm-1、1545 cm-1兩處同時出現代表酰胺基的強吸收峰,在3260 cm-1處出現—NH的強吸收峰,在1718 cm-1處出現了代表芳香酸羧基中C=O的強吸收峰以及位于3100~2500 cm-1的成氫鍵的—OH伸縮振動,結合分子結構式推斷此纖維為聚酰胺纖維。由于聚酰胺纖維是大分子主鏈重復單元中含有酰胺基團的高聚物的總稱,主要品種有錦綸6、錦綸66、錦綸11、錦綸12、錦綸610、錦綸612、錦綸1010等。無論是哪個品種的錦綸,都是聚酰胺類聚合物,因而具有相同的官能團,且官能團的譜圖是一樣的。由于(CH2)n基團的長度不同,指紋區的譜圖稍有差異,但要準確區分有一定的難度。由于聚酰胺纖維是吸濕性纖維,含有大量的親水性基團如—OH,—NH2,—CONH—等。這些親水性基團吸附水分子后會影響特征基團的紅外吸收,建議在對其進行紅外光譜測試前進行干燥處理。
 
3.3聚丙烯腈纖維(腈綸)
在2250 cm-1附近有—CN氰基的強吸收峰,具有特征基團—CN氰基的纖維目前有聚丙烯腈纖維及牛奶纖維兩種,要區分這兩種纖維,主要看譜圖上是否有代表蛋白質纖維的特征基團—NH及C=O引起的強吸收峰。在3300、1650、1250 cm-1附近未出現代表—NH的強吸收峰,在1650 cm-1附近未出現C=O的強吸收峰,因此推斷此纖維為聚丙烯腈纖維,從紅外光譜圖的吸收峰可以很明顯地區分腈綸、牛奶纖維。
 
3.4聚乙烯纖維(乙綸)
試驗結果發現,在2919 cm-1處出現—CH2不對稱伸縮振動,在2851 cm-1處出現—CH2—對稱伸縮振動,在1467 cm-1處出現—CH2—彎曲振動,在725 cm-1處出現—(CH2)n—(n≥4)面內搖擺振動,結合分子結構式,推斷此纖維為聚乙烯纖維。各種類型的聚乙烯紅外光譜非常相似,在結晶聚乙烯中,720 cm-1處的吸收峰常分裂為雙峰。要用紅外光譜區分不同類型的聚乙烯,需要用到較厚的薄膜測繪紅外光譜。這些光譜之間的差別反映了聚乙烯結構與線性—CH2—鏈之間的差別,主要表現在1000~870 cm-1的不飽和基團吸收不同、甲基濃度不同以及在800~700 cm-1的支化吸收帶不同。
 
3.5聚丙烯纖維(丙綸)
在2953 cm-1處有—CH3—不對稱伸縮振動,在2917 cm-1有—CH2—不對稱伸縮振動,在2873 cm-1處有—CH3對稱伸縮振動,在2845 cm-1處有—CH2—對稱伸縮振動,在1459 cm-1有—CH2—彎曲振動,在1377 cm-1有—CH3對稱變形振動,在1156 cm-1處有—CH3面外搖擺振動,在971 cm-1處有—CH3面內搖擺振動,結合分子結構式,推斷此纖維為聚丙烯纖維。聚丙烯可分為無規聚丙烯和等規聚丙烯,在1250~830 cm-1區域出現一系列尖銳的中等強度吸收帶(如1165、998、895、840 cm-1),這些吸收與聚合物的化學結構和晶型無關,只與其分子鏈的螺旋狀排列有關。無規聚丙烯在1250~830 cm-1區域則不會出現強吸收帶。在利用紅外光譜法定性聚丙烯纖維時,無需分出具體種類,只需分出大類即可。
 
3.6建議與對策
在利用紅外光譜法對纖維進行分析時,不要過多依賴譜圖庫,應先分析譜圖上的強吸收峰是由哪些化學基團引起的,再結合分子結構式得出結論,在人工解譜的過程中逐漸積累經驗。紅外光譜法比較適合合成纖維、牛奶及大豆等復合蛋白質纖維的定性。
 
4 結語
運用紅外光譜技術對常見的幾種合成纖維進行掃描分析,結果表明:可通過譜圖上強吸收峰出現的位置推斷是何種特征基團引起的,再結合纖維分子結構式來準確鑒別纖維種類。


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