Identifizierung von aromatischen Polyamid-Imid-Fasern

Abstrakt
Aromatische Polyamid-Imid-Fasern wurden mittels Verbrennung, Mikroskopie, Auflösung und Infrarotspektroskopie identifiziert. Sie wurden mit Meta-Aramid verglichen. Para-Aramid , und P84-Fasern, die ähnliche Eigenschaften aufweisen. Aromatische Polyamidimidfasern emittieren beim Verbrennen rotes Licht, haben einen kreisförmigen Querschnitt und lösen sich bei Raumtemperatur in N,N-Dimethylformamid. Ihr Infrarot-Absorptionsspektrum zeigt charakteristische Frequenzen. Die genaue Identifizierung dieser Faser kann durch die Nutzung einer oder mehrerer dieser Eigenschaften erfolgen.

0 Einleitung

Aromatische Polyamidfasern können nach ihrer Molekularstruktur in folgende Kategorien eingeteilt werden: aromatische Polyamidfasern, die durch Amidgruppen gebunden sind und typischerweise durch Meta-Aramidfasern repräsentiert werden ( Meta-Aramid ) und Para-Aramidfasern (Para-Aramid); aromatische Polyimidfasern, die durch Imidgruppen gebunden sind, wie z. B. Polyphenylentetramethylimidfasern und Polyimidfasern (P84); und Polyamid-Imid-Fasern, die aus alternierenden Amid- und Imidgruppen bestehen.

Aktuell existieren entsprechende Identifizierungsstandards für einige aromatische Polyamidfasern. Anhang A der Norm GB/T 41418—2022, „Quantitative chemische Analyse von Textilien – Gemische aus Meta-Aramid- und Para-Aramidfasern (Lithiumchlorid/N,N-Dimethylacetamid-Methode)“, beschreibt eindeutig die Identifizierungsmethoden für Meta-Aramid- und Para-Aramidfasern; Anhang A der Norm GB/T 36976—2018, „Quantitative chemische Analyse von Textilien – Gemische aus Polyimidfasern und bestimmten anderen Fasern“, dokumentiert die Identifizierungsmethode für P84. Für aromatische Polyamidimidfasern existiert jedoch derzeit keine spezifische Identifizierungsmethode.

In dieser Arbeit werden aromatische Polyamid-Imid-Fasern qualitativ mittels Verbrennungsmethode, Mikroskopie, Auflösungsmethode und Infrarotspektroskopie analysiert und mit strukturell ähnlichen Meta-Aramid-, Para-Aramid- und P84-Fasern verglichen. Dadurch wird eine vollständige Identifizierungsmethode für aromatische Polyamid-Imid-Fasern entwickelt und eine Grundlage für Routineprüfungen geschaffen.

1. Experimenteller Teil

1.1 Reagenzien und Instrumente

Reagenzien: Flüssiges Paraffin, Schwefelsäure (analytische Qualität, 70%), konzentrierte Schwefelsäure (analytische Qualität, 95%~98%), konzentrierte Salpetersäure (analytische Qualität, 65%~68%), Natriumhypochlorit (chemisch rein), Natriumhydroxid (analytische Qualität, 30%), Dimethylsulfoxid (analytische Qualität, ≥99,5%), Kaliumthiocyanat (analytische Qualität, ≥98,5%), N,N-Dimethylformamid (analytische Qualität, ≥99,5%), Kaliumbromid [spektral rein, 99,99%].

Instrumente: E5723 CU-6 Faserfeinheitsanalysator, Nicolet Summit Lite Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer, 2XZ-4D Vakuumpumpe, Konstanttemperatur-Wasserbadschüttler, Glasfritte, Erlenmeyerkolben, Soxhlet-Extraktor, Messzylinder, Becherglas, Hastelloy-Schneider.

1.2 Probenvorbereitung

Aromatische Polyamidimidfasern, Meta-Aramid, Para-Aramid und lose P84-Fasern wurden als Testobjekte ausgewählt. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Testdaten zu gewährleisten, wurden für jede Faser vier Proben mittels Mehrpunktprobenahme entnommen.

1.3 Testmethoden

1.3.1 Verbrennungsverfahren

Gemäß den Prüfanforderungen der einschlägigen Normen wurden die Proben wie folgt beobachtet und dokumentiert: Beim Annähern der Probe an die Flamme wurde ihre Reaktion auf die Hitze beobachtet und auf Schrumpfung oder Schmelzen geachtet; während des Flammenkontakts wurde ihr Verbrennungszustand dokumentiert, einschließlich der Frage, ob die Probe Licht abgab und welche Farbe die Flamme hatte; nach dem Entfernen der Probe aus der Flamme wurde der Verbrennungsverlauf weiter beobachtet; nach dem Erlöschen der Flamme wurde der Geruch der Probe geprüft; nach dem Abkühlen der Probe wurde der Zustand des Rückstands, einschließlich seiner Farbe und Form, dokumentiert.

1.3.2 Mikroskopische Methode

Gemäß den geltenden Standards wurden zunächst Faserbündel entnommen und mit einem Hartsch-Mikrotom eine geeignete Anzahl von Fasersegmenten herausgeschnitten. Flüssiges Paraffin wurde auf einen Objektträger getropft, um die Fasern gleichmäßig zu verteilen und so einen Längsschnitt zu erzeugen. Anschließend wurde Kollodium auf das Hartsch-Mikrotom aufgetragen. Nach dem Verdampfen wurden mit dem Mikrotom 10–30 µm dicke Faserabschnitte geschnitten, wodurch Querschnittpräparate entstanden. Abschließend wurden die Längs- und Querschnittpräparate unter einem Mikroskop bei 500-facher Vergrößerung untersucht, um die morphologischen Merkmale der Faserquerschnitte genau zu beobachten und die Ergebnisse zu dokumentieren.

1.3.3 Auflösungsmethode

Gemäß den geltenden Normen wurden Proben und Reagenzien im Verhältnis 1:50 unter verschiedenen Umgebungsbedingungen für die Beobachtung bereitgestellt. Eine Gruppe wurde 5 Minuten lang bei Raumtemperatur (20–30 °C) unter kontinuierlichem Schütteln gehalten, wobei die Auflösung der Fasern während dieser Zeit sorgfältig beobachtet und dokumentiert wurde. Die andere Gruppe wurde gekocht, wobei die Lösung 3 Minuten lang siedete, und die Auflösung der Fasern während dieses Prozesses wurde umgehend überwacht und dokumentiert.

1.3.4 Infrarotspektroskopie

Gemäß den einschlägigen Normen wurden Probenfilme mittels der Kaliumbromid-Pressling-Methode hergestellt. Die Infrarotspektren wurden mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie im Wellenzahlenbereich von 4000–400 cm⁻¹ aufgenommen und aufgezeichnet.

2 Ergebnisse und Diskussion

2.1 Ergebnisse des Verbrennungstests

Die Ergebnisse der Verbrennungsprüfung für vier Fasern – aromatische Polyamid-Imid-Faser, Meta-Aramid, Para-Aramid und P84 – sind in Tabelle 1 dargestellt.


Wie Tabelle 1 zeigt, erzeugt aromatische Polyamidimidfaser bei der Verbrennung eine rote Flamme und hinterlässt einen schwarzen, harten Rückstand. Dieses Verbrennungsverhalten ähnelt dem von Para-Aramid und P84, während Meta-Aramid keine rote Flamme zeigt. Aufgrund dieser Eigenschaft kann die Verbrennungsmethode aromatische Polyamidimidfaser effektiv von Meta-Aramid unterscheiden.

2.2 Ergebnisse der mikroskopischen Untersuchung

Die morphologischen Beschreibungen der vier Fasern im Querschnitt und im Längsschnitt sind in Tabelle 2 dargestellt.


Anhand der morphologischen Beschreibungen der vier Fasern in Tabelle 2 lässt sich erkennen, dass der Querschnitt aromatischer Polyamid-Imid-Fasern kreisförmig ist. Diese Eigenschaft ähnelt der von Meta-Aramid- und Para-Aramid-Fasern. Der Querschnitt von P84-Fasern hingegen ist trilobal und unterscheidet sich deutlich von dem aromatischer Polyamid-Imid-Fasern. In Längsrichtung weisen aromatische Polyamid-Imid-Fasern die für Chemiefasern typische glatte Oberfläche auf, während Para-Aramid-Fasern in Längsrichtung eine deutlich segmentierte Morphologie zeigen. Daher lassen sich aromatische Polyamid-Imid-Fasern anhand ihrer Längsrichtung von Para-Aramid-Fasern unterscheiden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch sorgfältige Beobachtung der Querschnitts- und Längsmorphologie der Fasern mithilfe eines Mikroskops aromatische Polyamid-Imid-Fasern eindeutig von Para-Aramid- und P84-Fasern unterschieden werden können.

2.3 Ergebnisse des Auflösungstests

Die Auflösungseigenschaften der vier Fasern sind in Tabelle 3 dargestellt.


Tabelle 3 zeigt die Löslichkeit der vier Fasern. Die Tests wurden bei Raumtemperatur und unter Siedebedingungen mit 70%iger Schwefelsäure, konzentrierter Schwefelsäure, konzentrierter Salpetersäure, 30%iger Natronlauge und 65%igem Kaliumthiocyanat durchgeführt. Die Löslichkeit der aromatischen Polyamid-Imid-Faser, der Meta-Aramid-Faser, der Para-Aramid-Faser und der P84-Faser unterschied sich kaum. In 70%iger Schwefelsäure löste sich P84 teilweise auf, während die anderen drei Fasern unlöslich waren. In konzentrierter Schwefelsäure lösten sich die aromatische Polyamid-Imid-Faser, die Meta-Aramid-Faser und P84 vollständig auf, während sich bei Raumtemperatur nur die Para-Aramid-Faser teilweise auflöste. In konzentrierter Salpetersäure lösten sich fast alle vier Fasern nicht auf; lediglich die aromatische Polyamid-Imid-Faser und P84 lösten sich unter Siedebedingungen teilweise auf. Ein ähnliches Ergebnis zeigte sich mit 30%iger Natronlauge: Auch hier lösten sich die aromatische Polyamid-Imid-Faser, die Meta-Aramid-Faser und P84 unter Siedebedingungen nur teilweise auf. Unter Bedingungen mit 65%igem Kaliumthiocyanat löste sich keine der vier Fasern auf.

Unter Natriumhypochloritbedingungen sind alle vier Fasern bei Raumtemperatur unlöslich. Beim Kochen löst sich jedoch die aromatische Polyamid-Imid-Faser, während die anderen drei Fasern unlöslich bleiben. Diese Löslichkeitseigenschaft ermöglicht die Unterscheidung der aromatischen Polyamid-Imid-Faser von den anderen drei Fasern. In N,N-Dimethylformamid ist der Unterschied in der Löslichkeit der vier Fasern noch deutlicher. Die aromatische Polyamid-Imid-Faser löst sich bei Raumtemperatur, einer leicht zu erreichenden Testbedingung, die sie eindeutig von den anderen Fasern unterscheidet. Unter Dimethylsulfoxidbedingungen sind bei Raumtemperatur alle vier Fasern unlöslich. Beim Kochen lösen sich die aromatische Polyamid-Imid-Faser und P84. Diese Löslichkeitseigenschaft ermöglicht die Unterscheidung der aromatischen Polyamid-Imid-Faser von Meta-Aramid- und Para-Aramidfasern.

Dimethylsulfoxid (DMSO) kann mittels eines Auflösungsverfahrens zur Unterscheidung aromatischer Polyamidimidfasern von Meta-Aramid- und Para-Aramidfasern eingesetzt werden. N,N-Dimethylformamid (NDM) und Natriumhypochlorit (NSC) ermöglichen die Unterscheidung aromatischer Polyamidimidfasern von Meta-Aramid-, Para-Aramid- und P84-Fasern. Insbesondere NDM ist einfach in der Handhabung und die Versuchsbedingungen sind leicht zu realisieren.

2.4 Ergebnisse der Infrarotspektroskopie

Die wichtigsten Absorptionsbanden und charakteristischen Frequenzen der Infrarot-Absorptionsspektren der vier Fasern sind in Tabelle 4 dargestellt.


In Tabelle 4 sind die Infrarot-Absorptionsmaxima aromatischer Polyamid-Imid-Fasern bei 3379, 2923, 1704, 1505, 1361, 1081 und 719 cm⁻¹ aufgeführt. Dieses Spektrum unterscheidet sich deutlich von dem von Meta-Aramid-, Para-Aramid- und P84-Fasern. Insbesondere im Vergleich zu P84-Fasern ist der Unterschied sehr deutlich und leicht erkennbar. Daher kann die Infrarotspektroskopie aromatische Polyamid-Imid-Fasern nicht nur präzise identifizieren, sondern sie auch leicht von den drei anderen Fasertypen unterscheiden.

3. Schlussfolgerungen

(1) Verbrennung und Mikroskopie Die Verbrennungsmethode ermöglicht eine effektive Unterscheidung von aromatischen Polyamidimidfasern und Meta-Aramidfasern; die Mikroskopie dient der Unterscheidung von aromatischen Polyamidimidfasern von Para-Aramidfasern und P84. Die Kombination beider Methoden erlaubt eine weitere Differenzierung von aromatischen Polyamidimidfasern von Meta-Aramidfasern, Para-Aramidfasern und P84.

(2) Auflösungsmethode: Natriumhypochlorit und N,N-Dimethylformamid eignen sich zur Unterscheidung aromatischer Polyamidimidfasern von Meta-Aramidfasern, Para-Aramidfasern und P84; Dimethylsulfoxid kann zur Unterscheidung aromatischer Polyamidimidfasern von Meta-Aramidfasern und Para-Aramidfasern verwendet werden. Unter diesen Lösungsmitteln ist N,N-Dimethylformamid die einfachste und bequemste Methode zur Identifizierung aromatischer Polyamidimidfasern und zeichnet sich durch hohe Praxistauglichkeit aus.

(3) Infrarotspektroskopie: Mithilfe der Infrarotspektroskopie lassen sich aromatische Polyamidimidfasern von Meta-Aramid, Para-Aramid und P84 unterscheiden. Durch die Analyse der charakteristischen Peakpositionen im Infrarot-Absorptionsspektrum können aromatische Polyamidimidfasern präzise identifiziert werden, was die Methode zu einem hocheffektiven Identifizierungsverfahren macht.

Auf Grundlage der oben genannten experimentellen Ergebnisse lassen sich aromatische Polyamidimidfasern anhand mehrerer charakteristischer Merkmale identifizieren: Sie emittieren beim Verbrennen rotes Licht; ihr Querschnitt ist unter dem Mikroskop kreisförmig; sie sind bei Raumtemperatur in N,N-Dimethylformamid löslich; und sie weisen spezifische charakteristische Frequenzen in ihrem Infrarot-Absorptionsspektrum auf. Für die praktische Identifizierung kann man sich auf eines dieser Merkmale stützen oder mehrere Merkmale flexibel kombinieren, um eine genauere und zuverlässigere Bestimmung zu erreichen.