基于热分析技术对纺织纤维热学性能的研究
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热可以导致高聚物的物理和化学变化, 这些变化可用来鉴别和表征高聚物[1]。热分析是指在程序控制温度的条件下, 测量物质的物理性质与温度关系的一种技术, 常用的热分析技术包括热重分析 (TGA) 、差示扫描量热分析 (DSC) 、差热分析 (DTA) 和热机械分析 (TMA) , 目前比较常用的热分析技术有TGA和DSC。
热重分析是在程序控温和一定气氛下, 测量试样质量与温度或时间关系的技术;差示扫描量热分析是在程序控温和一定气氛下, 测量流入流出试样和参比物的热流或输给试样和参比物的加热功率与温度或时间关系的一种技术[2]。利用TGA和DSC可以测量在升温过程中纺织纤维的物理和化学变化, 如质量、相变温度、热焓等性质, 基于这些变化可以对纺织纤维进行定性定量分析[3,4,5,6]。
1 试验部分
1.1 试验样品
纤维素类纤维:天然纤维素纤维 (棉、苎麻、亚麻) , 再生纤维素纤维 (黏纤、莫代尔、莱赛尔、醋酯纤维、三醋酯纤维) ;蛋白质类纤维:毛 (羊毛、兔毛、驼绒、马海毛) , 丝 (桑蚕丝) ;化学合成纤维 (聚酯纤维、锦纶、腈纶、维纶、氨纶、聚烯烃纤维、聚乳酸纤维、丙纶、大豆蛋白纤维、乙纶) 。
其中棉、苎麻、黏纤、羊毛、桑蚕丝、聚酯纤维、锦纶和腈纶为用于色牢度试验的标准贴衬布, 其他纤维为平常检验所收集样品。
所有试样均经过干燥处理, 用哈氏切片器将纤维切成长度不到1 mm的细段。
1.2 仪器和试验条件
Perkin Elmer TGA 4000热重分析仪, 升温速率为10℃/min, 温度变化范围为100~800℃, 在氮气氛围中进行测试, 氮气流量为20 m L/min。
Perkin Elmer DSC 8000差示扫描量热分析, 升温速率为10℃/min, 温度变化范围为100~300℃, 在氮气氛围中进行测试, 氮气流量为20 m L/min。
2 结果与讨论
2.1 TGA试验
按照纤维素类、蛋白质类和化学合成纤维对纤维进行分类, 3大类纤维的热失重曲线分别见图1, 纤维热失重曲线对比见表1。
由表1可知, 纤维素类纤维的热失重曲线基本相似, 开始分解后质量损失迅速, 有一个明显的失重台阶, 除醋酯纤维和三醋酯纤维外, 天然纤维素纤维相比再生纤维素纤维均具有较高的初始分解温度和终止分解温度。由于三醋酯纤维的酯化程度比醋酯纤维高, 具有较强的耐热性, 其初始分解温度也较高。另外, 800℃时纤维素纤维热分解比较彻底, 其质量残余量较低。
蛋白质纤维中毛绒类纤维的热失重曲线基本相同, 其主要热分解过程分两个阶段进行, 第一阶段在250℃左右失重速率达到最大值, 随后继续分解, 并在325℃左右达到峰值, 800℃时质量残留率较高。另外, 桑蚕丝的热失重曲线和其他蛋白质纤维有明显的区别, 其初始分解温度和最大分解速率温度均较高, 但终止分解温度和800℃时质量残留率却比较低, 而且热分解台阶明显。
化学合成纤维的热失重曲线特征明显, 比较容易区分, 其中大部分化学合成纤维的热分解台阶均比较明显, 只有腈纶、维纶、氨纶和聚烯烃纤维的热分解过程分两个阶段进行。
通过对比不同纤维的热重曲线可知, 不同类型的纤维拥有其特定的热失重曲线, 对于热失重曲线差异较大的两种纤维, 在升温过程中会出现不同的降解台阶, 由此可以区别出两种纤维, 还可根据微分热失重分析 (DTG) 得到纤维在一定温度范围内DTG曲线上的峰面积与纤维百分含量的线性回归方程[7], 对两种纤维的混合物进行定量分析。
表1 纤维热重对比表 下载原表
2.2 DSC试验
根据试验, 大部分纤维素类纤维、蛋白质类纤维和部分合成纤维 (醋纤、氨纶和聚烯烃纤维) 的DSC曲线无明显峰出现, 其他纤维的DSC曲线见图2, 不同纤维的DSC曲线对比见表2。
在相同条件下, 除腈纶为放热峰外, 其他纤维均有其相对稳定的吸热峰, 而纤维熔融所需要的热量与质量成正比[8], 因此, 可以通过建立各个纤维熔融所需要的热量与质量的线性回归方程, 对两种纤维的混合物进行定性定量分析。
表2 不同纤维的DSC曲线对比 下载原表
3 结论
3.1
纤维素类纤维、蛋白质类纤维和化学合成纤维均拥有特定的热失重曲线, 可以通过升温过程中降解台阶的不同来对纤维进行区分, 另外, 根据微分热失重分析可以得到纤维在一定温度范围内峰面积与纤维百分含量的线性回归方程, 对两种纤维的混合物进行定量分析。
3.2
除了大部分纤维素类纤维、蛋白质类纤维和部分合成纤维的DSC曲线无明显峰出现, 以及腈纶的DSC曲线为放热峰外, 其他纤维在相同的升温条件下, 每种纤维的吸热峰出峰位置相对固定, 可用来定性分析, 另外, 根据DSC曲线可建立各个纤维熔融所需热量与质量的线性回归方程进行定量分析。