干货！聚苯并咪唑纤维定性鉴别方法
聚苯并咪唑纤维（Polybenzimidazole Fiber，PBI）是指由四元胺及其衍生物、二元羧酸及其衍生物为原料经溶液或熔融聚合的方法合成制得。获取合成PBI的材料中，目前国内生产企业很难大批量获得制备四元胺，因此工业化的PBI纤维主要来自国外。该纤维具备非常出色的耐高温、断裂比强度、耐辐射、阻燃和绝缘性等物理性能，同时化学稳定性、耐化学腐蚀性和粘合性等化学性质也十分优良。目前，高性能耐高温阻燃纤维正在成为新型高性能面料的主要成分，是国际上技术最先进的消防服面料首选的纤维成分。PBI纤维它在400℃以上仍然有非常优良的物理性能，这主要得益于其特殊的化学分子结构，其分子结构如下：
本试验中采用的聚苯并咪唑纤维是经熔融聚合纺丝法获得的高性能有机纤维。在PBI纤维的性能被广泛研究的时候，其定性鉴定和定量分析的方法及相关标准尚未见报道。因此，本文建立聚苯并咪唑纤维定性定量测试技术和方法，在课题研究中对该纤维的综合性能进行了全面测试，获得了大量有效数据，并对关键定性特征进行了分析，这将对我国纤检机构的成分分析检验起到十分重要的指导意义。
试验部分
1 试剂
硝酸、冰乙酸、液体石蜡、硫酸、丙酮、二氧六环、盐酸、次氯酸钠、乙酸乙酯、四氯乙烷、氢氟酸、氢氧化铜、氢氧化钠、甲酸、硫氰酸钾、苯酚、间甲酚、发烟硫酸、三氟乙酸、吡啶、1,4-丁内酯、氢氧化铵、四氢呋喃、二甲亚砜、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、多聚磷酸、四氯化碳、二甲苯、环己酮、苯甲醇、二甲基乙酰胺。以上均为分析纯试剂。
2 仪器和设备
哈氏切片器、载玻片、烧杯、CU-II纤维细度仪、酒精灯、熔点仪、Perkin-Elmer热重分析仪、WRX-1S纤维热分析仪、(AS-1020E) 单击式热裂解器、Agilent 7890-5975C气质色谱质谱联用仪，CX21FS1C生物显微镜，分析天平（精度0.0002g）、坩埚、NICOLET 380红外光谱仪、封闭式电炉等。
3 试样准备
随机抽取一定量的聚苯并咪唑纤维，将其置于乙醚索氏萃取器中萃取1小时，待乙醚成分从纤维中彻底挥发完后，将样品浸入三级水冷水中浸渍1小时，最后采用离心脱水并晾干，最终获得待测样品。
4 定性鉴别测试过程
1） 燃烧测试
用镊子将少量聚苯并咪唑纤维夹起逐渐靠近点燃后的酒精灯火焰，观察并记录纤维在逐渐靠近、接触和离开火焰整个过程的完整燃烧状态，嗅辨燃烧释放气味种类，以及燃烧后的残余物外观特征，并分别做好完整记录。将聚
苯并咪唑纤维的燃烧特点与其他种类的纤维进行比较，总结其不同之处。聚苯并咪唑纤维在燃烧测试各个过程中观察结果记录如表1所示。
由表1可知，聚苯并咪唑纤维的燃烧现象可以与其他种类的天然纤维及常见的化学合成纤维迅速区分开来，尤其是它所体现出来的特殊阻燃性能，在与火焰接触时并无冒烟现象，也不会产生令人无法忍受的异味。这在其他种
类的纤维中比较少见，燃烧的残留物并未呈粉末状。因此，作为阻燃材料无疑是非常优秀的。经过燃烧法测试后，可将其归类到耐高温阻燃高性能纤维。
2 ）微观形貌测试
将一定量的均质聚苯并咪唑纤维均匀分散置于显微镜载玻片上，采用液体石蜡迅速覆盖在全部纤维上，然后迅速加上盖玻片，将制备好的玻片样品置于显微镜载物台，调用200倍物镜观察该纤维的纵向微观形貌综合特征并记
录。然后，另外准备一束聚苯并咪唑维，将其梳理整齐成平行束状后放入哈氏切片器的纤维凹槽中，制备该纤维横截面切片的方法应参考FZ/T 01057.3—2007标准，调用显微镜500倍物镜，观察获取的横截面切片形貌，并将观察结果与其他纤维进行比较，总结其不同点和特征描述。
聚苯并咪唑纤维纵向显微镜照片见图1，横截面显微镜照片见图2。
图1 聚苯并咪唑纤维纵向表面形态
图2 聚苯并咪唑纤维横截面形态
从图1和图2可知，聚苯并咪唑纤维在显微镜观察下，其纵向表面微观形貌与其他常见的一些合成纤维如涤纶、锦纶、腈纶等等并无明显区别，但其横截面特征比较明显，呈现出“哑铃状”或“腰圆状”，这在高性能阻燃纤维材料中非常少见。但是，仍需要结合其他方法进行全面鉴别。
3） 化学溶解性能测试
将一定量的聚苯并咪唑纤维置于烧杯中，按加入测试用化学试剂的不同进行分组测试，确保样品和试剂的比例为1:100。首先，在常温下进行测试，搅拌一小时后观察纤维的溶解情况；如果常温下没有纤维熔解，则采用加
热煮沸，应保持试剂沸腾状态至少3分钟，同时认真观察试样是否有熔解现象。每一次测试后均对剩余纤维进行烘干，并记录烘干后称量纤维的质量，分析纤维溶解状况。
聚苯并咪唑纤维在不同温度下、不同化学试剂中的溶解性能观察结果见表2。
从表2可知，在常温环境下，该纤维表现出极其稳定的化学性能不溶于所有常见试剂。但在煮沸时，可部分溶解于95%~98%硫酸。由此可见，该纤维的常温耐化学腐蚀性能非常突出，这在高性能阻燃纤维中也比较少见。
因此，在多组分面料中和常见纤维进行化学溶解试验时，其区分度比较好，易于快速鉴别。只需将面料中对应的其他成分纤维直接溶解掉，即可剩余聚苯并咪唑纤维。
4） 红外光谱试验
将少量的聚苯并咪唑纤维按红外光谱测试要求进行试前准备，然后在ATR附件平台上测试。测试时，样品的关键特征分子基团将吸收部分光能转变为分子振动能和转动能，这种能量往往具有特征意义，经过仪器检测这种能量
便可推断样品中分子的关键基团特征。聚苯并咪唑纤维的红外吸收光谱见图3。
图3 聚苯并咪唑纤维红外光谱图
从图3可知，聚苯并咪唑纤维在3408.85 cm-1处的吸收谱带均最强，它们是由一般是—NH、—NH2以及—OH的伸缩振动引起的；2920.29 cm-1和2850.88cm-1吸收谱带是由饱和亚甲基的不对称和对称振动引起的；苯环最重要的特征带（1650~1450）cm-1上，可以看到1625.83cm-1、1562.58cm-1、1453.88cm-1都是弱的吸收峰，来自苯环C—H振动引起的，可以证明该纤维分子团中有苯环的存在。根据聚苯并咪唑纤维的红外谱图和谱带分布以及特征吸收峰（表3），可以用于定性鉴别聚苯并咪唑纤维，但只能用于纯纤维的定性鉴别。
5）热失重测试
采用的热重分析仪试验参数设定如下：氮气流速20mL/min，升温速率10℃/min，环境升温区间为110℃~800℃。当仪器调整好状态后，将随机抽取的一定量聚苯并咪唑纤维放到坩埚中，称取质量并随即开展热失重测试。通过在测试时环境温度逐渐提高的过程中称量纤维质量的一系列变化，从而获取这种纤维的部分性能结果，该测试方法的结果可以用来分析完整的升温过程中试样的各个阶段的物相变化情况。聚苯并咪唑纤维热失重曲线图，见图4。
图4 聚苯并咪唑纤维热失重曲线
由图4、表4可知，聚苯并咪唑纤维表现出优异的热稳定性。第一阶段：外推起始点温度：384.21℃，主要是水分挥发造成的质量损失，质量损失为2.461%，最大分解速率温度：454.46℃。第二阶段：外推起始点温度：
683.37℃，这是分子部分基团氧化分解造成，最大分解速率温度：734.76℃。第三阶段：800℃时纤维残余物质量为原质量的60.764%。由测试结果可知，该纤维残余物质量仍比较高。
6） 气相色谱质谱分析
将热裂解后产物气化，经气相色谱质谱联用仪分析鉴定后，获得如表5的产物清单。经色谱质谱分析，对13.113min和20.311min出峰时间的产物进行扫描分别获得图5和图6的质谱谱图，并从谱图数据库中分别检索到了两
种产物的化学结构式,如图7和图8所示。从产物碎片离子峰、分子离子峰的谱图结合红外光谱谱图结果，共同印证了聚苯并咪唑纤维的化学结构。
图5 热裂解分析测试谱图
图6 苯并咪唑产物色谱质谱分析
图7 苯并咪唑化学结构示意图
图8 2-苯基苯并咪唑化学结构示意图
如图5和表5所示，从图中可鉴别出两个关键特征裂解产物，出峰时间在13.113min和20.311min，分别解读出苯并咪唑和2-苯基苯并咪唑。另外，在整个裂解过程中，可以观察到一系列的裂解产物，分别有苯、苯乙烯、苯胺、咔唑、邻苯二甲腈等。
结论
结合上文定性鉴别试验中的多种测试方法，聚苯并咪唑纤维作为一种新型高性能阻燃纤维，尽管其化学稳定性能非常突出，但在常规测试方法下仍可以获得相关有效鉴别特征，如燃烧性能测试、显微镜微观形貌观察试验、部分化学溶解试验、红外光谱测试、热失重测试和热裂解气相色谱质谱测试等多种方法将其进行分类定性，从而完成定性测试。本文的试验方法和测试结果对分析特种纤维面料成分定性方面具有较强的指导和参考价值。
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