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聚四氟乙烯纤维的定性鉴别研究
发布时间:2023-05-29 16:56 来源:网络
>摘要：
中国本文通过燃烧法、熔点法、光学显微镜法、红外光谱法、扫描电子显微镜法以及热裂解等方法研究聚四氟乙烯纤维燃烧特征、熔点、显微形态和纤维结构，并结合纤维的溶解特性，为聚四氟乙烯纤维提供一系列定性鉴别方法。
关键词：聚四氟乙烯纤维；红外光谱；热裂解；定性分析
1 引言
聚四氟乙烯纤维简称PTFE。PTFE 纤维具有优良的耐腐蚀性，低摩擦因数，不燃，耐强酸、强碱、强氧化剂等强腐蚀性试剂或溶剂，耐高、低温性能优良，符合全天候使用的条件。由于PTFE纤维具有优良的性能，因而PTFE纤维已经广泛应用于航空航天以及其他工程领域。聚四氟乙烯纤维加工的缝合线能延长雨篷等户外织物的寿命；膨体聚四氟乙烯纤维可加工制成从宇航服到整日曝晒于日光下的建筑工业用的能抵御自然界恶劣环境的纺织品。除此之外， 聚四氟乙烯纤维还应用于化工和其他产业过滤加工等苛刻环境中[1]。目前，国内外关于PTFE已有了较多的研究，但主要集中在其各方面的性能以及应用领域等，而关于该纤维系统鉴别方法及定量方法的研究尚没有相关的报道。因此本项目以此为出发点，对聚四氟乙烯纤维与其他纤维进行定性和定量方法的系统研究，最终得到准确的定量方法，为贸易及质量控制时提供检测依据。
本项目在利用燃烧法、显微镜观察法、熔点法、溶解法、红外光谱法、热裂解法对聚四氟乙烯纤维进行定性分析的基础上，研究出聚四氟乙烯纤维与其他纤维的系统鉴别方法。在此基础上，对聚四氟乙烯纤维与其他纤维混纺的不同情况做定量分析。
按照FZ/T 01057.3―2007中纤维横截面切片的制备方法制得PTFE的横截面切片，在CU-Ⅱ纤维细度分析仪下放大500倍观察。其横截面图像见图3。聚四氟乙烯其横截面呈腰圆形，有裂纹。少部分呈不规则多边形。
聚四氟乙烯纤维在显微镜下纵面形态特征及横截面的形态特征及电镜图纵面形态特征的观察结果显示，与天然纤维、合成纤维、再生纤维素纤维在外观形态上有明显的差别。但随着工艺的改进，作为化学纤维的聚四氟乙烯纤维，其纵向及横向形态会随着工艺改变而改变，因此，要成功鉴别聚四氟乙烯纤维还需结合燃烧法、溶解法等一种或多种方法进行确认后最终确定准确鉴别。
2.4.3 熔点试验
取少量聚四氟乙烯纤维放在载玻片并覆盖盖玻片，在显微熔点仪下进行熔点试验。当加热温度升至300℃时，聚四氟乙烯纤维中有部分物质开始熔融，温度升至327℃～345℃，该纤维迅速熔融。由于该纤维熔融温度范围较大，熔融过程需严格控制升温速度（在300℃前按6℃/min～8℃/min升温，在300℃以后按3℃/min～4℃/min升温）。
2.4.4 红外光谱试验
聚四氟乙烯纤维样品通过红外光谱仪扫描后，纤维中的分子将吸收一部分光能并转变为分子的振动能和转动能。
仪器测试条件为：检测器DTGS-KBr；采用分辨率4cm-1；扫描次数32次；波数范围为600cm-1～4000cm-1（ATR法）和400cm-1～4000 cm-1（透射法）。
聚四氟乙烯是单体四氟乙烯的均聚物，由透射法和ATR法的红外光谱图可知， PTFE在1210cm-1和1150cm-1附近有两个较强的峰。1210cm-1附近的峰是由CF2 基团的反对称伸缩振动引起，而1150 cm-1则是由于CF2 基团对称伸缩振动引起。CF2 基团的振动所对应的吸收峰在PTFE 的谱图中是最强的，这也可以证明CF2 是聚四氟乙烯分子链中的基本单元。此外，因透射法的强度比ATR法强，在透射法的红外光谱图中，还可以看到由C―F 弯曲振动引起的位于640cm-1附近的吸收峰； 以及C―F 变形振动引起的550cm-1、 500cm-1处的吸收峰，而ATR法因其反射深度较浅，无法测得。
2.4.5 溶解试验
溶解试验选择了FZ/T 01057.4―2007标准中所有的试剂和GB/T 2910―2009标准中的二甲苯等试剂，将少量的聚四氟乙烯纤维置于烧杯以1：100的试剂比例加入容器中，在不同温度条件下，观察聚四氟乙烯纤维在不同试剂中的溶解性能。聚四氟乙烯纤维溶解性能见表3。
从表3中得知，没有一种溶剂能快速有效地溶解聚四氟乙烯纤维，但该纤维在萘钠溶液中被碳化，纤维颜色逐步变深最后变黑，继续加热纤维仍不被溶解，但溶液颜色变深；经四氢呋喃洗涤后碳化的纤维由黑色变成褐色，这些溶解特征是鉴别该纤维的重要依据。表3的结果也可作为聚四氟乙烯纤维与其他纤维交织或混纺产品定量分析的重要依据。
3 结论
3.1聚四氟乙烯纤维的燃烧特征与其他纤维的燃烧特征有明显的不同，因此可通过燃烧方法鉴别该纤维，但该方法对试验人员的经验要求较高，因此在纤维鉴别过程中，可先采用燃烧法初步鉴别出聚四氟乙烯纤维后，尽可能用其他鉴别方法如溶解法等进一步确认。
3.2显微镜观察能初步鉴别出聚四氟乙烯纤维与天然纤维和某些合成纤维具有明显外部特征的化学纤维，但很难辨别出与其他化学纤维的区别，还需结合燃烧法、溶解法等一种或多种方法进行确认后最终确定待测纤维的种类。
3.3 聚四氟乙烯纤维熔点在273℃至345℃，熔融温度范围较宽是聚四氟乙烯纤维的重要特征，但一般熔点仪可测试最高温度为300℃，不能满足测试聚四氟乙烯纤维熔点的试验要求，因此尽可能不单独采用熔点法来鉴别聚四氟乙烯纤维。
3.4 利用红外光谱能快速准确有效地鉴别出聚四氟乙烯纤维及其他各类纺织纤维。
3.5 热裂解分析的裂解产物只有一种，就是四氟乙烯，能快速准确有效地鉴别出聚四氟乙烯纤维。
3.6 采用溶解法鉴别聚四氟乙烯纤维具有经济实用、可操作性强的特点，可直接用于鉴别聚四氟乙烯纤维和其他纤维。红外光谱及热裂解分析也能准确有效地鉴别出聚四氟乙烯纤维，但考虑到这两种方法的成本较高，各实验室可依据自身试验条件选择相应的方法。
参考文献：
[1] 李燕青，魏晓伟.聚四氟乙烯在表面处理中的研究[J].塑料，2005，34（1）：6-8.
[2] FZ/T 01057―2007 纺织纤维鉴别试验方法[S].
中国本文通过燃烧法、熔点法、光学显微镜法、红外光谱法、扫描电子显微镜法以及热裂解等方法研究聚四氟乙烯纤维燃烧特征、熔点、显微形态和纤维结构，并结合纤维的溶解特性，为聚四氟乙烯纤维提供一系列定性鉴别方法。
关键词：聚四氟乙烯纤维；红外光谱；热裂解；定性分析
1 引言
聚四氟乙烯纤维简称PTFE。PTFE 纤维具有优良的耐腐蚀性，低摩擦因数，不燃，耐强酸、强碱、强氧化剂等强腐蚀性试剂或溶剂，耐高、低温性能优良，符合全天候使用的条件。由于PTFE纤维具有优良的性能，因而PTFE纤维已经广泛应用于航空航天以及其他工程领域。聚四氟乙烯纤维加工的缝合线能延长雨篷等户外织物的寿命；膨体聚四氟乙烯纤维可加工制成从宇航服到整日曝晒于日光下的建筑工业用的能抵御自然界恶劣环境的纺织品。除此之外， 聚四氟乙烯纤维还应用于化工和其他产业过滤加工等苛刻环境中[1]。目前，国内外关于PTFE已有了较多的研究，但主要集中在其各方面的性能以及应用领域等，而关于该纤维系统鉴别方法及定量方法的研究尚没有相关的报道。因此本项目以此为出发点，对聚四氟乙烯纤维与其他纤维进行定性和定量方法的系统研究，最终得到准确的定量方法，为贸易及质量控制时提供检测依据。
本项目在利用燃烧法、显微镜观察法、熔点法、溶解法、红外光谱法、热裂解法对聚四氟乙烯纤维进行定性分析的基础上，研究出聚四氟乙烯纤维与其他纤维的系统鉴别方法。在此基础上，对聚四氟乙烯纤维与其他纤维混纺的不同情况做定量分析。
按照FZ/T 01057.3―2007中纤维横截面切片的制备方法制得PTFE的横截面切片，在CU-Ⅱ纤维细度分析仪下放大500倍观察。其横截面图像见图3。聚四氟乙烯其横截面呈腰圆形，有裂纹。少部分呈不规则多边形。
聚四氟乙烯纤维在显微镜下纵面形态特征及横截面的形态特征及电镜图纵面形态特征的观察结果显示，与天然纤维、合成纤维、再生纤维素纤维在外观形态上有明显的差别。但随着工艺的改进，作为化学纤维的聚四氟乙烯纤维，其纵向及横向形态会随着工艺改变而改变，因此，要成功鉴别聚四氟乙烯纤维还需结合燃烧法、溶解法等一种或多种方法进行确认后最终确定准确鉴别。
2.4.3 熔点试验
取少量聚四氟乙烯纤维放在载玻片并覆盖盖玻片，在显微熔点仪下进行熔点试验。当加热温度升至300℃时，聚四氟乙烯纤维中有部分物质开始熔融，温度升至327℃～345℃，该纤维迅速熔融。由于该纤维熔融温度范围较大，熔融过程需严格控制升温速度（在300℃前按6℃/min～8℃/min升温，在300℃以后按3℃/min～4℃/min升温）。
2.4.4 红外光谱试验
聚四氟乙烯纤维样品通过红外光谱仪扫描后，纤维中的分子将吸收一部分光能并转变为分子的振动能和转动能。
仪器测试条件为：检测器DTGS-KBr；采用分辨率4cm-1；扫描次数32次；波数范围为600cm-1～4000cm-1（ATR法）和400cm-1～4000 cm-1（透射法）。
聚四氟乙烯是单体四氟乙烯的均聚物，由透射法和ATR法的红外光谱图可知， PTFE在1210cm-1和1150cm-1附近有两个较强的峰。1210cm-1附近的峰是由CF2 基团的反对称伸缩振动引起，而1150 cm-1则是由于CF2 基团对称伸缩振动引起。CF2 基团的振动所对应的吸收峰在PTFE 的谱图中是最强的，这也可以证明CF2 是聚四氟乙烯分子链中的基本单元。此外，因透射法的强度比ATR法强，在透射法的红外光谱图中，还可以看到由C―F 弯曲振动引起的位于640cm-1附近的吸收峰； 以及C―F 变形振动引起的550cm-1、 500cm-1处的吸收峰，而ATR法因其反射深度较浅，无法测得。
2.4.5 溶解试验
溶解试验选择了FZ/T 01057.4―2007标准中所有的试剂和GB/T 2910―2009标准中的二甲苯等试剂，将少量的聚四氟乙烯纤维置于烧杯以1：100的试剂比例加入容器中，在不同温度条件下，观察聚四氟乙烯纤维在不同试剂中的溶解性能。聚四氟乙烯纤维溶解性能见表3。
从表3中得知，没有一种溶剂能快速有效地溶解聚四氟乙烯纤维，但该纤维在萘钠溶液中被碳化，纤维颜色逐步变深最后变黑，继续加热纤维仍不被溶解，但溶液颜色变深；经四氢呋喃洗涤后碳化的纤维由黑色变成褐色，这些溶解特征是鉴别该纤维的重要依据。表3的结果也可作为聚四氟乙烯纤维与其他纤维交织或混纺产品定量分析的重要依据。
3 结论
3.1聚四氟乙烯纤维的燃烧特征与其他纤维的燃烧特征有明显的不同，因此可通过燃烧方法鉴别该纤维，但该方法对试验人员的经验要求较高，因此在纤维鉴别过程中，可先采用燃烧法初步鉴别出聚四氟乙烯纤维后，尽可能用其他鉴别方法如溶解法等进一步确认。
3.2显微镜观察能初步鉴别出聚四氟乙烯纤维与天然纤维和某些合成纤维具有明显外部特征的化学纤维，但很难辨别出与其他化学纤维的区别，还需结合燃烧法、溶解法等一种或多种方法进行确认后最终确定待测纤维的种类。
3.3 聚四氟乙烯纤维熔点在273℃至345℃，熔融温度范围较宽是聚四氟乙烯纤维的重要特征，但一般熔点仪可测试最高温度为300℃，不能满足测试聚四氟乙烯纤维熔点的试验要求，因此尽可能不单独采用熔点法来鉴别聚四氟乙烯纤维。
3.4 利用红外光谱能快速准确有效地鉴别出聚四氟乙烯纤维及其他各类纺织纤维。
3.5 热裂解分析的裂解产物只有一种，就是四氟乙烯，能快速准确有效地鉴别出聚四氟乙烯纤维。
3.6 采用溶解法鉴别聚四氟乙烯纤维具有经济实用、可操作性强的特点，可直接用于鉴别聚四氟乙烯纤维和其他纤维。红外光谱及热裂解分析也能准确有效地鉴别出聚四氟乙烯纤维，但考虑到这两种方法的成本较高，各实验室可依据自身试验条件选择相应的方法。
参考文献：
[1] 李燕青，魏晓伟.聚四氟乙烯在表面处理中的研究[J].塑料，2005，34（1）：6-8.
[2] FZ/T 01057―2007 纺织纤维鉴别试验方法[S].