Identyfikacja włókien poliamidowo-imidowych aromatycznych

Abstrakcyjny
Włókna poliamidoimidowe aromatyczne zidentyfikowano metodą spalania, mikroskopii, rozpuszczania i spektroskopii w podczerwieni. Porównano je z włóknami meta-aramidowymi, para-aramid , i włókna P84, które mają podobne właściwości. Aromatyczne włókna poliamidoimidowe emitują czerwone światło po spaleniu, mają okrągły przekrój poprzeczny i rozpuszczają się w N,N-dimetyloformamidzie w temperaturze pokojowej. Ich widmo absorpcji w podczerwieni wykazuje charakterystyczne częstotliwości. Dokładną identyfikację tego włókna można uzyskać, wykorzystując jedną lub więcej z tych cech.

0 Wprowadzenie

Włókna poliamidowe aromatyczne można klasyfikować według ich struktury cząsteczkowej na: włókna poliamidowe aromatyczne połączone grupami amidowymi, zwykle reprezentowane przez włókna meta-aramidowe ( meta-aramid ) i włókna para-aramidowe (para-aramid); włókna z poliimidu aromatycznego połączone grupami imidowymi, takie jak włókna polifenylenotetrametyloimidowe i włókna poliimidowe (P84); oraz włókna poliamidoimidowe składające się z naprzemiennie ułożonych grup amidowych i imidowych.

Obecnie opracowano odpowiednie standardy identyfikacji dla niektórych włókien poliamidowych aromatycznych. Załącznik A do normy GB/T 41418-2022 „Ilościowa analiza chemiczna tekstyliów – mieszanki włókien meta-aramidowych i para-aramidowych (metoda chlorku litu/N,N-dimetyloacetamidu)” jasno określa metody identyfikacji włókien meta-aramidowych i para-aramidowych; Załącznik A do normy GB/T 36976-2018 „Ilościowa analiza chemiczna tekstyliów – mieszanki włókien poliimidowych i niektórych innych włókien” zawiera metodę identyfikacji dla P84. Jednakże obecnie nie ma konkretnej metody identyfikacji włókien poliamido-imidowych aromatycznych.

W artykule wykorzystano metodę spalania, mikroskopię, metodę rozpuszczania i spektroskopię w podczerwieni do jakościowej analizy włókien poliamidoimidowych aromatycznych i porównano je ze strukturalnie podobnymi włóknami meta-aramidowymi, para-aramidowymi i P84, tworząc kompletną metodę identyfikacji włókien poliamidoimidowych aromatycznych, stanowiącą podstawę do rutynowych badań.

1. Sekcja Eksperymentalna

1.1 Odczynniki i instrumenty

Odczynniki: Parafina ciekła, kwas siarkowy (czystość analityczna, 70%), stężony kwas siarkowy (czystość analityczna, 95%~98%), stężony kwas azotowy (czystość analityczna, 65%~68%), podchloryn sodu (chemicznie czysty), wodorotlenek sodu (czystość analityczna, 30%), dimetylosulfotlenek (czystość analityczna, ≥99,5%), tiocyjanian potasu (czystość analityczna, ≥98,5%), N,N-dimetyloformamid (czystość analityczna, ≥99,5%), bromek potasu [czystość spektralna, 99,99%].

Przyrządy: analizator grubości włókien E5723 CU-6, spektrometr podczerwieni z transformacją Fouriera Nicolet Summit Lite, pompa próżniowa 2XZ-4D, wytrząsarka do kąpieli wodnej o stałej temperaturze, tygiel szklany, kolba Erlenmeyera, aparat Soxhleta, cylinder miarowy, zlewka, krajalnica Hastelloy.

1.2 Przygotowanie próbek

Jako obiekty testowe wybrano włókno z aromatycznego poliamidu imidowego, meta-aramidu, para-aramidu oraz luźne włókno P84. Aby zapewnić dokładność i wiarygodność danych testowych, dla każdego włókna wybrano cztery próbki, stosując metodę próbkowania wielopunktowego.

1.3 Metody testowe

1.3.1 Metoda spalania

Zgodnie z wymaganiami testowymi odpowiednich norm próbki obserwowano i rejestrowano w następujący sposób: gdy próbkę zbliżono do płomienia, obserwowano jej reakcję na ciepło, odnotowując, czy nastąpiło kurczenie się lub topienie; podczas kontaktu próbki z płomieniem rejestrowano jej stan spalania, w tym czy emitowała światło i jaki był kolor płomienia; po usunięciu próbki z płomienia stale obserwowano stan spalania; po zgaszeniu płomienia próbki wyczuwano jego zapach; po ostygnięciu próbki rejestrowano stan pozostałości, w tym jej kolor i kształt.

1.3.2 Metoda mikroskopowa

Zgodnie z odpowiednimi normami, najpierw pobrano wiązki włókien i wycięto odpowiednią liczbę segmentów włókien za pomocą mikrotomu Hartscha. Na szkiełko mikroskopowe nakroplono ciekłą parafinę, aby równomiernie rozprowadzić włókna, przygotowując w ten sposób podłużne szkiełko mikroskopowe. Następnie na mikrotom Hartscha naniesiono kolodion. Po odparowaniu, za pomocą mikrotomu pocięto skrawki włókien o grubości 10–30 μm, przygotowując w ten sposób preparaty przekrojów poprzecznych. Na koniec, przygotowane preparaty podłużne i poprzeczne umieszczono pod mikroskopem przy powiększeniu 500x, aby dokładnie zbadać cechy morfologiczne przekrojów włókien i zarejestrować wyniki.

1.3.3 Metoda rozpuszczania

Zgodnie z odpowiednimi standardowymi wymaganiami, próbki i odczynniki umieszczono w stosunku 1:50 w różnych warunkach środowiskowych w celu obserwacji. Jedną grupę utrzymywano w temperaturze pokojowej (20–30°C) z ciągłym wstrząsaniem przez 5 minut, a rozpuszczanie włókien w tym czasie uważnie obserwowano i rejestrowano. Drugą grupę gotowano, utrzymując roztwór w stanie wrzenia przez 3 minuty, a rozpuszczanie włókien w trakcie tego procesu monitorowano i rejestrowano na bieżąco.

1.3.4 Spektroskopia w podczerwieni

Zgodnie z odpowiednimi normami, próbki folii przygotowano metodą peletek bromku potasu. Do skanowania i rejestracji widma podczerwieni w zakresie liczb falowych 4000–400 cm⁻¹ wykorzystano spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera.

2 Wyniki i dyskusja

2.1 Wyniki testu spalania

Wyniki testów spalania dla czterech włókien — włókna poliamidoimidu aromatycznego, meta-aramidu, para-aramidu i P84 — przedstawiono w tabeli 1.


Jak pokazano w tabeli 1, włókno poliamidoimidowo-aramidowe aromatyczne emituje czerwony płomień podczas spalania, pozostawiając po nim czarny, twardy osad. To zachowanie podczas spalania jest bardzo podobne do paraaramidu i P84, podczas gdy metaaramid nie wykazuje czerwonego płomienia podczas spalania. Na podstawie tej cechy, metoda spalania pozwala skutecznie odróżnić włókno poliamidoimidowo-aramidowe aromatyczne od metaaramidu.

2.2 Wyniki badań mikroskopowych

Opisy morfologiczne przekroju poprzecznego i podłużnego czterech włókien przedstawiono w tabeli 2.


Odnosząc się do opisów morfologicznych czterech włókien w tabeli 2, można zauważyć, że przekrój poprzeczny włókien poliamidoimidowych aromatycznych jest kołowy. Ta cecha jest podobna do włókien meta-aramidowych i para-aramidowych, natomiast przekrój poprzeczny włókien P84 jest trójpłatkowy, co znacząco różni się od przekroju poprzecznego włókien poliamidoimidowych aromatycznych. Pod względem morfologii podłużnej włókna poliamidoimidowe aromatyczne wykazują gładką powierzchnię charakterystyczną dla włókien chemicznych, podczas gdy włókna para-aramidowe wykazują widoczną segmentowaną morfologię w przekroju podłużnym. Zatem, obserwując morfologię podłużną, włókna poliamidoimidowe aromatyczne można odróżnić od włókien para-aramidowych.

Podsumowując, staranna obserwacja przekroju poprzecznego i morfologii podłużnej włókien pod mikroskopem pozwala na wyraźne odróżnienie włókien poliamidoimidu aromatycznego od włókien paraaramidowych i włókien P84.

2.3 Wyniki testu rozpuszczania

Właściwości rozpuszczania czterech włókien pokazano w tabeli 3.


Tabela 3 przedstawia rozpuszczalność czterech włókien. W temperaturze pokojowej i warunkach wrzenia przeprowadzono testy z użyciem 70% kwasu siarkowego, stężonego kwasu siarkowego, stężonego kwasu azotowego, 30% wodorotlenku sodu i 65% tiocyjanianu potasu. Wyniki rozpuszczalności włókien z aromatycznego poliamidoimidu, meta-aramidu, para-aramidu i włókien P84 wykazały niewielkie różnice. W warunkach 70% kwasu siarkowego, P84 uległ częściowemu rozpuszczeniu, podczas gdy pozostałe trzy włókna nie. W stężonym kwasie siarkowym, aromatyczne włókno poliamidoimidu, meta-aramid i P84 uległy rozpuszczeniu, podczas gdy tylko para-aramid częściowo rozpuścił się w temperaturze pokojowej. W stężonym kwasie azotowym prawie wszystkie cztery włókna nie uległy rozpuszczeniu, a jedynie aromatyczne włókno poliamidoimidu i P84 częściowo rozpuściły się w warunkach wrzenia. Sytuacja była podobna w przypadku 30% wodorotlenku sodu; Włókno poliamidoimidowo-aramidowe aromatyczne, meta-aramid i P84 rozpuszczały się tylko częściowo po ugotowaniu. W warunkach 65% stężenia tiocyjanianu potasu żadne z czterech włókien nie uległo rozpuszczeniu.

W warunkach podchlorynu sodu wszystkie cztery włókna są nierozpuszczalne w temperaturze pokojowej. Jednak po ugotowaniu aromatyczne włókno poliamidoimidowe rozpuszcza się, podczas gdy pozostałe trzy włókna pozostają nierozpuszczalne. Ta właściwość rozpuszczalności może być wykorzystana do odróżnienia aromatycznego włókna poliamidoimidowego od pozostałych trzech włókien. W N,N-dimetyloformamidzie różnica w rozpuszczalności między czterema włóknami jest jeszcze wyraźniejsza. Aromatyczne włókno poliamidoimidowe rozpuszcza się w temperaturze pokojowej – jest to warunek testowy, który jest łatwy do osiągnięcia i łatwo odróżnia go od innych włókien. W warunkach dimetylosulfotlenku w temperaturze pokojowej wszystkie cztery włókna są nierozpuszczalne. Po ugotowaniu aromatyczne włókno poliamidoimidowe i P84 rozpuszczają się. Ta właściwość rozpuszczalności może być wykorzystana do odróżnienia aromatycznego włókna poliamidoimidowego od włókien meta- i para-aramidowych.

Dimetylosulfotlenek (DMSO) można stosować do odróżniania aromatycznych włókien poliamidoimidowych od włókien meta-aramidowych i para-aramidowych metodą rozpuszczania. N,N-dimetyloformamid (NDM) i podchloryn sodu (NSC) pozwalają odróżnić aromatyczne włókna poliamidoimidowe od włókien meta-aramidowych, para-aramidowych i P84. W szczególności NDM jest prosty w obsłudze, a warunki eksperymentalne są łatwe do osiągnięcia.

2.4 Wyniki spektroskopii w podczerwieni

Główne pasma absorpcji i charakterystyczne częstotliwości widm absorpcji w podczerwieni czterech włókien przedstawiono w tabeli 4.


W tabeli 4, piki absorpcji w podczerwieni włókien aromatycznego poliamidoimidu występują przy 3379, 2923, 1704, 1505, 1361, 1081 i 719 cm⁻¹. Ta charakterystyka widmowa znacząco różni się od charakterystyki włókien meta-aramidowych, para-aramidowych i P84. Szczególnie w porównaniu z włóknami P84, różnica jest bardzo oczywista i łatwa do rozróżnienia. Na tej podstawie spektroskopia w podczerwieni pozwala nie tylko dokładnie identyfikować włókna aromatycznego poliamidoimidu, ale także łatwo odróżnić je od pozostałych trzech rodzajów włókien.

3. Wnioski

(1) Spalanie i mikroskopia Metoda spalania pozwala skutecznie odróżnić aromatyczne włókna poliamidoimidowe od włókien meta-aramidowych; natomiast mikroskopia pozwala odróżnić aromatyczne włókna poliamidoimidowe od włókien para-aramidowych i P84. Połączenie metod spalania i mikroskopii pozwala na dalsze odróżnienie aromatycznych włókien poliamidoimidowych od włókien meta-aramidowych, para-aramidowych i P84.

(2) Metoda rozpuszczania: Podchloryn sodu i N,N-dimetyloformamid mogą być stosowane do odróżniania aromatycznych włókien poliamidoimidowych od włókien meta-aramidowych, para-aramidowych i P84; dimetylosulfotlenek może być stosowany do odróżniania aromatycznych włókien poliamidoimidowych od włókien meta-aramidowych i para-aramidowych. Spośród tych rozpuszczalników, N,N-dimetyloformamid jest najprostszą i najwygodniejszą metodą identyfikacji aromatycznych włókien poliamidoimidowych i charakteryzuje się wysoką wykonalnością w zastosowaniach praktycznych.

(3) Spektroskopia w podczerwieni: Spektroskopia w podczerwieni pozwala odróżnić włókna poliamidoimidowo-aramidowe aromatyczne od włókien meta-aramidowych, para-aramidowych i P84. Analiza charakterystycznych pozycji pików w widmie absorpcyjnym w podczerwieni umożliwia dokładną identyfikację włókien poliamidoimidowo-aramidowych aromatycznych, co czyni ją wysoce skuteczną metodą identyfikacji.

Na podstawie powyższych wyników eksperymentalnych, aromatyczne włókna poliamidoimidowe można zidentyfikować na podstawie kilku istotnych cech: emitują czerwone światło po spaleniu; ich przekrój poprzeczny jest okrągły pod mikroskopem; są rozpuszczalne w N,N-dimetyloformamidzie w temperaturze pokojowej; oraz posiadają charakterystyczne częstotliwości w widmie absorpcji w podczerwieni. W praktyce możemy polegać na jednej z tych cech lub elastycznie łączyć wiele cech, aby uzyskać dokładniejszą i bardziej wiarygodną identyfikację.