Nhận dạng các sợi polyamit-imide thơm

Tóm tắt
Các sợi polyamit-imide thơm được xác định bằng phương pháp đốt cháy, kính hiển vi, hòa tan và quang phổ hồng ngoại. Chúng được so sánh với meta-aramid. para-aramid , và các sợi P84, có tính chất tương tự. Các sợi polyamit-imide thơm phát ra ánh sáng đỏ khi bị đốt cháy, có tiết diện tròn và tan trong N,N-dimethylformamide ở nhiệt độ phòng. Phổ hấp thụ hồng ngoại của chúng thể hiện các tần số đặc trưng. Có thể nhận dạng chính xác loại sợi này bằng cách sử dụng một hoặc nhiều đặc điểm này.

0 Giới thiệu

Sợi polyamit thơm có thể được phân loại theo cấu trúc phân tử thành: sợi polyamit thơm liên kết bởi các nhóm amit, điển hình là sợi meta-aramid ( meta-aramid ) và sợi para-aramid (para-aramid); sợi polyimide thơm liên kết bởi các nhóm imide, chẳng hạn như sợi polyphenylenetetramethylimide và sợi polyimide (P84); và các sợi polyamit-imide được cấu tạo từ các nhóm amit và imide xen kẽ.

Hiện nay, các tiêu chuẩn nhận dạng tương ứng đã được thiết lập cho một số loại sợi polyamit thơm. Phụ lục A của tiêu chuẩn GB/T 41418—2022, "Phân tích hóa học định lượng hàng dệt - Hỗn hợp sợi meta-aramid và para-aramid (Phương pháp Lithium Chloride/N,N-Dimethylacetamide)", quy định rõ phương pháp nhận dạng sợi meta-aramid và para-aramid; Phụ lục A của tiêu chuẩn GB/T 36976—2018, "Phân tích hóa học định lượng hàng dệt - Hỗn hợp sợi polyimide và một số loại sợi khác", ghi lại phương pháp nhận dạng cho P84. Tuy nhiên, hiện nay chưa có phương pháp nhận dạng cụ thể nào cho sợi polyamit-imide thơm.

Bài báo này sử dụng phương pháp đốt cháy, kính hiển vi, phương pháp hòa tan và quang phổ hồng ngoại để phân tích định tính các sợi polyamit-imide thơm, và so sánh chúng với meta-aramid, para-aramid và P84 có cấu trúc tương tự, tạo thành một phương pháp nhận dạng hoàn chỉnh cho các sợi polyamit-imide thơm, cung cấp cơ sở cho việc kiểm tra thường quy.

1. Phần Thí nghiệm

1.1 Thuốc thử và dụng cụ

Thuốc thử: Parafin lỏng, axit sulfuric (loại phân tích, 70%), axit sulfuric đậm đặc (loại phân tích, 95%~98%), axit nitric đậm đặc (loại phân tích, 65%~68%), natri hypoclorit (tinh khiết hóa học), natri hydroxit (loại phân tích, 30%), dimetyl sunfua (loại phân tích, ≥99,5%), kali thiocyanat (loại phân tích, ≥98,5%), N,N-dimetylformamit (loại phân tích, ≥99,5%), kali bromua [tinh khiết quang phổ, 99,99%].

Dụng cụ: Máy phân tích độ mịn sợi E5723 CU-6, máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Nicolet Summit Lite, bơm chân không 2XZ-4D, máy lắc bể nước ổn định nhiệt độ, chén nung thủy tinh, bình Erlenmeyer, máy chiết Soxhlet, ống đong chia vạch, cốc đong, máy cắt Hastelloy.

1.2 Chuẩn bị mẫu

Sợi polyamit-imide thơm, meta-aramid, para-aramid và sợi rời P84 được chọn làm đối tượng thử nghiệm. Để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thử nghiệm, bốn mẫu được chọn cho mỗi loại sợi bằng phương pháp lấy mẫu đa điểm.

1.3 Phương pháp thử nghiệm

1.3.1 Phương pháp đốt cháy

Theo yêu cầu thử nghiệm của các tiêu chuẩn liên quan, các mẫu được quan sát và ghi nhận như sau: Khi đưa mẫu lại gần ngọn lửa, phản ứng của mẫu với nhiệt được quan sát, ghi nhận xem có bị co lại hoặc nóng chảy hay không; trong quá trình tiếp xúc của mẫu với ngọn lửa, trạng thái cháy của mẫu được ghi lại, bao gồm cả việc mẫu có phát ra ánh sáng hay không và màu sắc của ngọn lửa; sau khi lấy mẫu ra khỏi ngọn lửa, tình trạng cháy được quan sát liên tục; khi ngọn lửa của mẫu tắt, mùi của mẫu được ngửi; sau khi mẫu nguội, trạng thái của phần còn lại được ghi lại, bao gồm cả màu sắc và hình dạng của nó.

1.3.2 Phương pháp kính hiển vi

Theo các tiêu chuẩn liên quan, trước tiên người ta lấy các bó sợi, sau đó dùng máy cắt lát Hartsch để cắt một lượng sợi thích hợp. Nhỏ paraffin lỏng lên lam kính để phân bố đều các sợi, tạo thành lam kính dọc. Tiếp theo, nhỏ dung dịch keo collodion lên máy cắt lát Hartsch. Sau khi bay hơi, cắt các lát sợi có độ dày 10–30 μm bằng máy cắt lát, tạo thành các lam kính mặt cắt ngang. Cuối cùng, đặt các lam kính dọc và mặt cắt ngang đã chuẩn bị dưới kính hiển vi với độ phóng đại 500x để quan sát cẩn thận các đặc điểm hình thái của mặt cắt ngang sợi và ghi lại kết quả.

1.3.3 Phương pháp hòa tan

Tuân thủ các yêu cầu tiêu chuẩn liên quan, mẫu và thuốc thử được đặt theo tỷ lệ 1:50 trong các điều kiện môi trường khác nhau để quan sát. Một nhóm được giữ ở nhiệt độ phòng (20–30°C) và lắc liên tục trong 5 phút, đồng thời quan sát và ghi lại cẩn thận quá trình hòa tan của các sợi trong thời gian này. Nhóm còn lại được đun sôi, dung dịch được giữ sôi trong 3 phút, và quá trình hòa tan của các sợi trong quá trình này được theo dõi và ghi lại ngay lập tức.

1.3.4 Quang phổ hồng ngoại

Theo các tiêu chuẩn liên quan, các mẫu phim được chuẩn bị bằng phương pháp viên nén kali bromua. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier được sử dụng để quét và ghi lại phổ hồng ngoại trong dải số sóng từ 4000–400 cm⁻¹.

2. Kết quả và thảo luận

2.1 Kết quả thử nghiệm đốt cháy

Bảng 1 trình bày kết quả thử nghiệm khả năng cháy của bốn loại sợi—sợi polyamit-imide thơm, meta-aramid, para-aramid và P84.


Như thể hiện trong Bảng 1, sợi polyamit-imide thơm phát ra ngọn lửa màu đỏ trong quá trình cháy, để lại cặn cứng màu đen sau khi cháy. Hành vi cháy này rất giống với para-aramid và P84, trong khi meta-aramid không thể hiện ngọn lửa màu đỏ trong quá trình cháy. Dựa trên đặc điểm này, phương pháp đốt cháy có thể phân biệt hiệu quả sợi polyamit-imide thơm với meta-aramid.

2.2 Kết quả kiểm tra hiển vi

Bảng 2 trình bày mô tả hình thái mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của bốn loại sợi.


Dựa vào mô tả hình thái của bốn loại sợi trong Bảng 2, có thể thấy rằng mặt cắt ngang của sợi polyamit-imide thơm có dạng hình tròn. Đặc điểm này tương tự như sợi meta-aramid và para-aramid, trong khi mặt cắt ngang của sợi P84 có dạng ba thùy, khác biệt đáng kể so với sợi polyamit-imide thơm. Về hình thái dọc, sợi polyamit-imide thơm thể hiện đặc điểm bề mặt nhẵn thường thấy ở các loại sợi hóa học, trong khi sợi para-aramid cho thấy hình thái phân đoạn rõ rệt trong mặt cắt dọc của chúng. Do đó, bằng cách quan sát hình thái dọc, có thể phân biệt sợi polyamit-imide thơm với sợi para-aramid.

Tóm lại, việc quan sát kỹ mặt cắt ngang và hình thái dọc của các sợi bằng kính hiển vi có thể phân biệt rõ ràng các sợi polyamit-imide thơm với các sợi para-aramid và P84.

2.3 Kết quả thử nghiệm độ hòa tan

Tính chất hòa tan của bốn loại sợi được thể hiện trong Bảng 3.


Bảng 3 thể hiện độ hòa tan của bốn loại sợi. Các thử nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng và điều kiện sôi bằng cách sử dụng axit sulfuric 70%, axit sulfuric đậm đặc, axit nitric đậm đặc, natri hydroxit 30% và kali thiocyanat 65%. Hiệu suất hòa tan của sợi polyamit-imide thơm, meta-aramid, para-aramid và sợi P84 cho thấy sự khác biệt không đáng kể. Trong điều kiện axit sulfuric 70%, sợi P84 hòa tan một phần, trong khi ba loại sợi còn lại thì không. Trong axit sulfuric đậm đặc, sợi polyamit-imide thơm, meta-aramid và P84 đều hòa tan, trong khi chỉ có para-aramid hòa tan một phần ở nhiệt độ phòng. Trong axit nitric đậm đặc, hầu hết cả bốn loại sợi đều không hòa tan, chỉ có sợi polyamit-imide thơm và P84 hòa tan một phần trong điều kiện sôi. Tình hình tương tự với natri hydroxit 30%; sợi polyamit-imide thơm, meta-aramid và P84 chỉ hòa tan một phần khi sôi. Trong điều kiện kali thiocyanat 65%, không có loại sợi nào trong bốn loại sợi hòa tan.

Trong điều kiện natri hypoclorit, cả bốn loại sợi đều không tan ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, khi đun sôi, sợi polyamit-imide thơm tan ra, trong khi ba loại sợi còn lại vẫn không tan. Đặc tính tan này có thể được sử dụng để phân biệt sợi polyamit-imide thơm với ba loại sợi còn lại. Trong N,N-dimethylformamide, sự khác biệt về độ tan giữa bốn loại sợi thậm chí còn rõ rệt hơn. Sợi polyamit-imide thơm tan ở nhiệt độ phòng, một điều kiện thử nghiệm dễ dàng đạt được và dễ dàng phân biệt nó với các loại sợi khác. Trong điều kiện dimethyl sulfoxide ở nhiệt độ phòng, cả bốn loại sợi đều không tan. Khi đun sôi, sợi polyamit-imide thơm và P84 tan ra. Đặc tính tan này có thể được sử dụng để phân biệt sợi polyamit-imide thơm với sợi meta-aramid và para-aramid.

Dimethyl sulfoxide (DMSO) có thể được sử dụng để phân biệt các sợi polyamide-imide thơm với các sợi meta-aramid và para-aramid thông qua phương pháp hòa tan. N,N-dimethylformamide (NDM) và natri hypoclorit (NSC) có thể phân biệt các sợi polyamide-imide thơm với các sợi meta-aramid, para-aramid và P84. Đặc biệt, NDM dễ sử dụng và các điều kiện thí nghiệm dễ đạt được.

2.4 Kết quả quang phổ hồng ngoại

Bảng 4 trình bày các dải hấp thụ chính và tần số đặc trưng của phổ hấp thụ hồng ngoại của bốn loại sợi.


Trong Bảng 4, các đỉnh hấp thụ hồng ngoại của sợi polyamit-imide thơm xuất hiện ở 3379, 2923, 1704, 1505, 1361, 1081 và 719 cm⁻¹. Đặc điểm quang phổ này khác biệt đáng kể so với sợi meta-aramid, para-aramid và P84. Đặc biệt so với sợi P84, sự khác biệt rất rõ ràng và dễ phân biệt. Dựa trên điều này, quang phổ hồng ngoại không chỉ có thể xác định chính xác sợi polyamit-imide thơm mà còn dễ dàng phân biệt chúng với ba loại sợi còn lại.

3. Kết luận

(1) Sự cháy và kính hiển vi Phương pháp đốt cháy có thể phân biệt hiệu quả các sợi polyamit-imide thơm với các sợi meta-aramid; trong khi phương pháp hiển vi có thể được sử dụng để phân biệt các sợi polyamit-imide thơm với các sợi para-aramid và P84. Kết hợp phương pháp đốt cháy và phương pháp hiển vi có thể phân biệt rõ hơn các sợi polyamit-imide thơm với các sợi meta-aramid, sợi para-aramid và P84.

(2) Phương pháp hòa tan: Natri hypoclorit và N,N-dimethylformamide có thể được sử dụng để phân biệt sợi polyamit-imide thơm với sợi meta-aramid, sợi para-aramid và P84; dimethyl sulfoxide có thể được sử dụng để phân biệt sợi polyamit-imide thơm với sợi meta-aramid và sợi para-aramid. Trong số các dung môi này, N,N-dimethylformamide là phương pháp đơn giản và tiện lợi nhất để xác định sợi polyamit-imide thơm, và nó có tính khả thi cao trong các ứng dụng thực tế.

(3) Quang phổ hồng ngoại: Quang phổ hồng ngoại có thể phân biệt các sợi polyamit-imide thơm với meta-aramid, para-aramid và P84. Bằng cách phân tích vị trí đỉnh đặc trưng trong phổ hấp thụ hồng ngoại, các sợi polyamit-imide thơm có thể được xác định chính xác, làm cho nó trở thành một phương pháp nhận dạng hiệu quả cao.

Dựa trên các kết quả thực nghiệm trên, sợi polyamit-imide thơm có thể được nhận biết dựa trên một số đặc điểm quan trọng: chúng phát ra ánh sáng đỏ khi bị đốt cháy; mặt cắt ngang của chúng có hình tròn dưới kính hiển vi; chúng hòa tan trong N,N-dimethylformamide ở nhiệt độ phòng; và chúng có các tần số đặc trưng riêng trong phổ hấp thụ hồng ngoại. Trong nhận dạng thực tế, chúng ta có thể dựa vào một trong những đặc điểm này hoặc kết hợp linh hoạt nhiều đặc điểm để đạt được kết quả nhận dạng chính xác và đáng tin cậy hơn.