实验一 纺织纤维的鉴别

材料的性能与检测1实验一纺织纤维的鉴别一、实验目的纤维鉴别通常采用的方法有显微镜法、燃烧法、溶解法、熔点法等。对一般纤维，用单一的方法或用这些方法的组合便可比较准确、快捷的完成鉴别。否则将需借助红外光谱仪、气相色谱仪、热分析仪、X光衍射仪和电子显微镜等仪器进行分析。本实验采用常规方法对纤维进行鉴别。通过实验达到以下目的：1．学会以燃烧法、溶剂溶解及显微镜观察法鉴别各种纤维；2．熟练掌握手切法制作纤维切片的技术。二、实验原理纤维鉴别就是利用各种纤维的外观形态和内在性质的差异，采用物理、化学等方法将其区分开来，一般采用如下三个步序。1.显微镜法天然纤维中棉、毛、麻、丝由于动植物物种的差异及形成纤维的过程不同，致使纤维形态各异。化学纤维由于纺丝方法、成形条件不同，横截面形状也有所不同。借助显微镜观察纤维纵向外形、截面形状或配合染色等方法，可以进行大致的区分，对形态特征典型的试样即可进行较准确的判断。当然利用显微镜法进行观察首先能够判别样品是否为单一纤维构成，进而考虑分开鉴别。常见的几种纤维的形态特征见表1和图1。观察纤维的横截面须将纤维切成较薄的切片。用切片机制得的切片厚度可小于10µm，利于观察，但操作复杂，成本较高。常用的切片方法还有哈氏切片法，也可用金属孔板或塑料管等来制作切片。哈氏切片法可制得10～30µm的切片。后两种方法简捷，但切片较厚，影响观察，不过作为一般纤维的鉴别，这两种方法还是比较实用的。2.燃烧法不同纤维的化学组成不同，可以根据各种纤维燃烧现象进行鉴别。譬如，棉花与粘胶、麻类等纤维素纤维的主要成分均为纤维素，因此在与火焰接触时迅速燃烧，离开火焰后会继续燃烧，且伴有烧纸（主要成分亦为纤维素）气味，燃烧后留下少量灰烬；羊毛之类的动物纤维接触火焰时也能燃烧，燃烧时散发出类似烧头发的强烈臭味，这是因为它们的组成主要是角质蛋白，燃烧完毕留下黑色松脆的灰烬；上述方法能够粗略地区分纤维的大类。合成纤维一般组成差异较大，接近火焰时，也有各种气味，但很难从中确切判断的纤维品种。各种纤维的燃烧特征见表2。燃烧法简单易行，无需特殊的设备和仪器，但比较粗糙，仅能进行大致的区分。这种方法不适于混合的纤维及经阻燃处理的纤维。在纤维燃烧过程中可给出很多信息，如燃烧的状态、火焰的颜色、散发出的气味、燃烧后灰烬的颜色、形状和硬度等，均可作为鉴别的依据。对纤维热分解时产生的气体进行分析也会有助于纤维区分。即将纤维试样放入试管，加热试管，用pH试纸在试管口检验。纤维受热后释放出的气体可以是酸性、中性或碱性，通过鉴定释出的气体酸碱性。酸性：棉、麻、粘胶纤维、铜氨纤维、醋酸纤维素纤维、维纶、氯纶；中性：丙纶、腈纶；碱性：羊毛、蚕丝、锦纶等。3.溶解法材料的性能与检测2溶解法是利用各种纤维在不同的化学溶剂中的溶解特性来鉴别纤维的。采用这种方法，试剂准备简单，准确性较高，且不受混纺、染色的影响，故应用范围较广。对于混纺纤维可用一种试剂溶去一种组分，从而可以进行定量测定。各种纤维的溶解情况见表2。由于一种溶剂往往能溶解多种纤维，因此，需要进行几种溶剂的溶解试验，才能最终确认鉴别结果。三、仪器、试剂与试样仪器：哈氏切片器，光学显微镜，酒精灯；刀片、镊子、梳子、烧杯、试管、玻璃棒、载玻片、盖玻片、1mm×3mm×8mm的塑料管等。试剂：5％NaOH；35％HCl；70％H2SO4；40％甲酸；冰醋酸；铜氨溶液；65％硫氰酸钾；丙酮；二甲基甲酰胺；四氢呋喃；苯酚四氯乙烷混合液（1:1重量比）等。试样：棉、毛、粘胶纤维、醋酸纤维素纤维、涤纶、锦纶、腈纶、维纶、氯纶等。四、实验步骤1.显微镜法首先将需要鉴别的纤维用哈氏切片器切成薄片，置于滴有少许甘油的载玻片上，然后覆盖上盖玻片，即可进行观察，并粗略描绘其形状。也可采用简易手切法。该法所用工具包括长1mm×3mm×8mm的塑料管、刀片、载玻片、铜丝等。将纤维梳理成平行的纤维束，再用细铜丝钩住穿进塑料管，纤维的数量以恰好充满塑料管，略感张力为宜。横切此塑料管，便可获得含有纤维的薄片，用镊子将薄片夹放于载玻片上，然后置于显微镜载物台上进行观察，记录各种纤维的横截面形状。与上述方法相似，将纤维束穿入20mm×20mm×1mm金属片上直径约1mm的小孔，然后紧贴金属片切掉两侧的纤维，含在小孔里的纤维也可在显微镜下进行横截面观察。2.燃烧鉴别法将需鉴别的纤维理成一束，用镊子夹住一端，使另一端慢慢靠近然后远离酒精灯火焰，仔细观察此过程中纤维的燃烧状态，发烟情况，辨别散发的气味，注意其冷却后的残渣性状。3.溶解法将少量纤维置于小试管中，注入某种溶剂或溶液（裕比：100:1），摇动试管或用玻璃棒搅拌515min，仔细观察溶解情况：溶解、不溶解、溶胀或部分溶解。室温下变化不明显时，还需将溶液缓慢加热至一定的温度甚至沸腾。加热过程须在通风厨内进行，使用易然溶剂时，不能用明火直接加热。五、数据处理将显微镜法、燃烧法及溶解法获得的鉴别结果与相关资料进行参照比对，以图、表方式汇总。表1常见纤维的燃烧特征纤维种类燃烧情况气味灰烬颜色及形状棉易燃，黄色火焰，烧焦部分呈黑褐色似烧纸量少，灰末细软，呈浅灰色麻同上同上同上羊毛徐徐冒烟起泡，同时放出火焰而燃烧似烧毛发量少，黑色有光泽，脆，呈块状蚕丝燃烧缓慢，燃烧时缩成一团似烧毛发黑褐色小球，手指捻压即碎粘胶纤维近火即燃，燃烧快，黄色火焰似烧纸量少，呈灰色或灰白色铜氨纤维同棉，烧焦部分比棉黑同棉同棉，灰量比棉少醋酯纤维缓慢燃烧似醋酸刺激味灰色光亮硬块或小球涤纶边熔化边缓慢燃烧，无烟或略显黄色火烟芳香族化合物气味黑褐色硬块，用手可捻碎锦纶冒黑烟，边熔化边缓慢燃烧，火焰很小有氨臭味浅褐色硬块，不易捻碎腈纶边熔化边缓慢燃烧，火焰呈白色，明亮，有时略有黑烟似鱼腥臭味黑色硬块，脆，易碎丙纶边卷缩边熔化燃烧，火焰明亮似烧石蜡黄褐色硬块材料的性能与检测3维纶燃烧时纤维迅速收缩，燃烧缓慢，火焰很小有特殊臭味褐色硬块，可用手捻碎氯纶难燃，接近火焰时收缩，离火即熄灭有氯的刺激气味不规则硬块，不易捻碎表2各种纤维的溶解情况表中：√溶解、○较难溶解、×不溶解六、思考题1.影响纤维溶解有哪些因素？如何确定涤毛混纺纤维的配比？2.如何从纤维的化学组成来说明燃烧时产生的气味、燃烧后残渣的形态等燃烧特征？3.从天然纤维和合成纤维形成的过程说明其形态结构的特殊性。参考文献1.陈稀、黄象安主编，化学纤维实验教程，纺织工业出版社，1988，12实验二密度梯度法测定纤维密度一、实验目的密度是纤维的一个重要物理参数，是纤维内在结构特点的一种表征。测定纤维的密度不但可以了解纤维的基本物理性能，而且可作为研究纤维的某些超分子结构和形态结构的一种有效手段。测定纤维密度还能鉴别纤维品种，定量分析二元混纺纱线和织物中某一纤维含量和混合均匀度，计算中空纤维的中空度和复合纤维的复合比例等。因此对纤维密度的研究具有较大的理论意义和实际意义。通过本实验应达到以下目的：试剂5%氢氧化钠20％盐酸35％盐酸60％硫酸70％甲酸40％甲酸冰醋酸铜氨溶液65％硫氰酸钾次氯酸钠80％丙酮100％丙酮二甲基甲酰胺四氢呋喃2：1苯：环己烷3：2苯酚：四氯乙烷温度（℃）沸室温室温23～3523～35沸沸18～2270～7523～2523～2523～2540～4523～2540～4540～45时间（min）15151520101520301020303020103020棉麻蚕丝羊毛粘胶纤维醋酯纤维锦纶维纶涤纶腈纶氯纶偏氯纶××√√××××××××××××××√√××××××√×√√√√××××××√×√√√√××××√√√--√√√√×××××××××√√√×××××××××√√×××××√√√×√×××××--××××××○×××√××××√√×××××××××××××√×××--×××××××√×××○××××××√××√√-○××××××√×××√○××××××××××√○×××××√√×√×○-××材料的性能与检测41.掌握密度梯度法测定纤维密度和结晶度的基本原理；2.学会以连续注入法制备密度梯度管及用密度比重小球法标定密度梯度管的技术；3.利用密度梯度法测定纤维的密度并计算纤维的结晶度。二、实验原理测定纤维密度的方法很多，密度梯度法由于具有设备简单、操作容易、应用灵活、准确快速，并能同时测定在一个相当密度范围内不同密度试样的特点，因而今年来得到了广泛的应用，尤其是对于密度相差较小的试样更是一种有效的高灵敏度的测定方法。密度梯度法是利用悬浮原理来测定固体密度的一种方法，密度梯度管是将两种密度不同而又能相互混合的液体在玻璃管中进行适当的混合，使混合的液体从上部到下部的密度逐渐变大且连续分布形成梯度而成。管中混合液体形成梯度的原因是由于扩散速度与沉降速度相等时分散体系到达了平衡。密度梯度管配制后须进行标定，做出密度——高度关系曲线，如图1所示。然后向管中投入被测试样，根据悬浮原理，试样在液柱中静止时，此平衡位置的液层密度恰等于式样密度。因此只要测出管中试样的体积中心高度，就可以从标准曲线上求出被测试样的密度值。50556065707580851.3201.3251.3301.3351.3401.3451.3501.3551.3601.365B图1-1梯度管的密度-高度曲线（正庚烷—四氯化碳混合体系）三、仪器和试剂仪器：水浴恒温槽（长方形或原形均可，高度与梯度管高度相当）；恒温装置；晶体管继电器；导电表（0~50。C）；电动搅拌器；电热棒；精密温度计（1~50。。℃）；磨口塞玻璃管（梯度管）；磁力搅拌器；平底三角烧瓶及两通管；玻璃毛细管（孔径0.1cm）；精密比重小球（标准玻璃小球）；韦氏天平秤；索氏萃取器；真空烘箱；电动离心机（转速2000r/min）；测高仪。试剂：以涤纶为试样；正庚烷（CP，25。。℃时密度0.6837g/cm3）；四氯化碳（CP，25。。℃时密度1.596g/cm3）；无水乙醇，四、实验步骤1．拟订密度梯度管的测定范围密度梯度管的可测定范围在上限（液体底部的密度ρb）和下限（液体上部的密度ρa）之间。实验前应先根据被测试样的密度范围确定梯度管的上限ρb和下限ρa，通常上限应比试样的最大密度略高，下限应比试样的最小密度略低。本实验上限ρb和下限ρa分别应比试样密度的上、下限增大和减小0.005g/cm3.材料的性能与检测52．选择配制密度梯度管的液体许多液体都可以用来配制密度梯度管，但在实际应用中要求所用的两种液体必须相互不起化学反应；粘度和挥发性较低；能相互混合并且在混合中有体积加合性；不被试样吸收且对试样是惰性的；对试样不发生溶剂诱导效应；价廉、易得并且密度相差要适当（既能满足一定的测定密度的范围又要保证较高的灵敏度）。具体选择何种溶液体系应根据试样的性质而定。一般纺织纤维通常选用二甲苯—四氯化碳体系，但丙纶溶于二甲苯，故通常选用异丙醇—水体系（也可以用乙醇—水体系，但它们会发生缔合而使混合液发热，使密度的测定值偏低）；由于二甲苯对涤纶的结晶度有影响，故本实验选用正庚烷—四氯化碳体系。3．轻液和重液的配制在配制梯度管之前需先根据所需密度梯度管上、下限的密度要求配制两份密度均匀的溶液，分别称为重液和轻液。按连续注入托起法配制梯度管，取轻液的密度ρ0B等于密度梯度管的下限ρt,重液的密度ρ0A可按下式计算：VVBbBBA)(20000VVtbBt)(20(1)式中2V0B——轻掖的体积，cm3；V——梯度管内液体的累计体积，cm3.用连续注入堆叠法配制梯度管，取重液的密度ρ0A等于密度梯度管的上限ρb，轻掖的密度ρ0B可按下式计算：VVtAAAB)(20000VVtbAb)(20(2)为了保证密度梯度管的高度灵敏，轻液和重液的密度差应小于0.08~0.12g/cm3。附表1列举了几种化学纤维试样可选用的轻液和重液的密度范围，以供参考。若选用的配制梯度管的纯溶液满足轻液和重液的密度要求，可以直接用轻液和重液。但在多数情况下应把两种纯溶剂配成混合液才能满足要求。配成指定密度的混合液所需的两种溶剂