差示扫描量热仪法鉴别PET、PTT和PBT纤维
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差示扫描量热仪法鉴别PET、PTT和PBT纤维

1 引言
随着生产技术和工艺的进步, 聚酯纤维家族中聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 纤维、聚对苯二甲酸丙二酯 (PTT) 纤维和聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT) 纤维的应用日渐增多。PTT纤维除具有PET纤维的基本特性之外还具备优良的可染性、伸长和回弹性;PBT纤维强度高、结晶速度快, 有极好的伸长弹性回复率和柔软易染色的特点。要鉴别这3种聚酯纤维, 以现有的纤维定性分析方法存在一定困难。目前检测机构针对合成纤维的定性分析手段主要有溶解法、熔点法和红外光谱法。由于PET、PTT和PBT同属于芳香族聚酯, 分子结构相似, 无法通过化学溶解法加以区分, 三者重复结构单元的差异仅仅是亚甲基的数量不同, 导致其红外光谱也十分相似, 难以通过红外光谱法加以区分。熔点法由于依靠人工判断被测纤维是否熔融, 测试结果存在主观性, 难以对熔点接近的PTT和PBT准确区分。
差示扫描量热法 (DSC) 是使样品处于程序控制的温度下, 观察样品和参比物之间的热流差随温度或时间变化的函数, 可精确测定材料的熔融与结晶过程、玻璃化转变温度、反应热、特征温度、相转变等特性。本文利用差示扫描量热法测定并研究了PET、PTT及PBT 3种聚酯纤维的DSC曲线, 建立了这3种聚酯纤维的定性鉴别方法。
2 试验部分
2.1 仪器耗材及样品
仪器耗材:耐驰 (Netzsch) STA449 F3 Jupiter同步热分析仪、铝坩埚、高纯氮气、哈氏切片器等。
样品:PET纤维、PTT纤维、PBT纤维。
2.2 试验步骤
用哈氏切片器将纤维切成粉末状并称取3mg~5mg做样品置于铝坩埚内, 以氮气做保护气, 流量20m L/min, 初始温度为50℃, 以10℃/min的速率升温至300℃并保持5min, 记录样品的第一次升温曲线。取出装有样品的坩埚立即投入冷水中淬冷, 再次以初始温度50℃、10℃/min的速率升温至300℃, 记录样品的第二次升温曲线。
2.3 结果与讨论
PET纤维、PTT纤维及PBT纤维的第一次升温曲线如图1所示, 3条曲线上都仅有一个熔融吸热峰, 峰值温度分别为252.9℃、226.2℃及221.5℃。可见在原始样品的DSC曲线上, PET纤维比较容易通过熔点与其他两种聚酯纤维区分开来, 而由于PTT纤维和PBT纤维的熔点接近, 彼此相差不到5℃, 因此根据原始样品的DSC测试结果并不能很好地对PTT纤维和PBT纤维加以区分。
图2为3种聚酯纤维经过淬冷处理后的第二次升温曲线。经过熔融并淬冷后, PET纤维及PTT纤维的熔融峰值温度分别为253.2℃及225.9℃, 与淬冷处理前的测试结果相差不大。而PBT纤维淬冷后熔融峰的峰形发生了变化, 由淬冷前的单峰变为双峰, 峰值温度分别为220.5℃和226.0℃。这种现象一般认为是由于PBT纤维经过淬冷处理后存在的不够完善的晶区熔化-再结晶或结晶的重组所导致的多重熔融行为[1-2]。PBT纤维在上述试验条件下熔融淬冷后产生熔融双峰的现象可以作为鉴别PBT纤维尤其是区分与其熔点接近的PTT纤维的依据之一。此外, 在第二次升温过程中, PET纤维和PTT纤维均出现了冷结晶峰, 峰值温度分别为139.0℃和65.3℃, 而PBT纤维在测试温度范围内未出现冷结晶峰。冷结晶峰是聚合物中应当结晶部分受结晶温度和时间限制未能完全结晶, 当温度高于玻璃化转变温度后未完全结晶部分的分子链又具有足够的运动能力重新排列成新的晶区, 从而在DSC曲线上产生放热峰。而由于PET、PTT、PBT的结晶能力依次增大[3], 它们在相同的淬冷条件下的结晶完善程度也依次增高, 从而造成了三者冷结晶峰的差异。因此, 根据样品淬冷后不同的冷结晶峰也能够对这3种聚酯纤维进行鉴别。

图1 3种聚酯纤维的第一次升温曲线   下载原图

图2 3种聚酯纤维的第二次升温曲线   下载原图
3 结论
试验表明, 通过比较PET、PTT及PBT聚酯纤维DSC图谱上各个热效应峰的峰形、峰位等特征可以准确地对它们进行定性鉴别。同时, 纤维样品经熔融淬冷前后的DSC测试结果显示, 将样品进行熔融淬冷处理后再进行测试所得到的DSC图谱能更清楚地反映纤维自身的特性, 有利于对这3种纤维进行区分。