تحديد ألياف البولي أميد-إيميد العطرية

خلاصة
تم تحديد ألياف البولي أميد-إيميد العطرية باستخدام الاحتراق والمجهر والذوبان والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. وتمت مقارنتها بألياف الميتا-أراميد. بارا-أراميد ، وألياف P84، التي تتمتع بخصائص مماثلة. تُصدر ألياف البولي أميد-إيميد العطرية ضوءًا أحمر عند احتراقها، ولها مقطع عرضي دائري، وتذوب في ثنائي ميثيل فورماميد في درجة حرارة الغرفة. ويُظهر طيف امتصاصها للأشعة تحت الحمراء ترددات مميزة. ويمكن تحديد هذه الألياف بدقة باستخدام واحدة أو أكثر من هذه الخصائص.

0 مقدمة

يمكن تصنيف ألياف البولي أميد العطرية وفقًا لبنيتها الجزيئية إلى: ألياف البولي أميد العطرية المرتبطة بمجموعات الأميد، والتي تمثلها عادةً ألياف ميتا-أراميد ( ميتا أراميد ألياف بارا-أراميد (بارا-أراميد)؛ ألياف البوليميد العطرية المرتبطة بمجموعات الإيميد، مثل ألياف بولي فينيلين رباعي ميثيل إيميد و ألياف البوليميد (P84)؛ وألياف البولي أميد-إيميد المكونة من مجموعات أميد وإيميد متناوبة.

توجد حاليًا معايير تعريفية مُعتمدة لبعض ألياف البولي أميد العطرية. يُقدّم الملحق (أ) من المواصفة القياسية GB/T 41418-2022، بعنوان "التحليل الكيميائي الكمي للمنسوجات - مخاليط ألياف ميتا-أراميد وبارا-أراميد (طريقة كلوريد الليثيوم/N,N-ثنائي ميثيل أسيتاميد)"، طرقًا تعريفية واضحة لألياف ميتا-أراميد وبارا-أراميد؛ بينما يُسجّل الملحق (أ) من المواصفة القياسية GB/T 36976-2018، بعنوان "التحليل الكيميائي الكمي للمنسوجات - مخاليط ألياف البولي إيميد وبعض الألياف الأخرى"، طريقة تعريف P84. مع ذلك، لا توجد حاليًا طريقة تعريفية مُحددة لألياف البولي أميد-إيميد العطرية.

تستخدم هذه الورقة البحثية طريقة الاحتراق، والمجهر، وطريقة الذوبان، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحليل ألياف البولي أميد-إيميد العطرية نوعيًا، وتقارنها مع ألياف ميتا-أراميد، وبارا-أراميد، وP84 المشابهة لها هيكليًا، مما يشكل طريقة تعريف كاملة لألياف البولي أميد-إيميد العطرية، ويوفر أساسًا للاختبار الروتيني.

1. القسم التجريبي

1.1 الكواشف والأجهزة

المواد الكيميائية: البارافين السائل، حمض الكبريتيك (درجة تحليلية، 70٪)، حمض الكبريتيك المركز (درجة تحليلية، 95٪ ~ 98٪)، حمض النيتريك المركز (درجة تحليلية، 65٪ ~ 68٪)، هيبوكلوريت الصوديوم (نقي كيميائياً)، هيدروكسيد الصوديوم (درجة تحليلية، 30٪)، ثنائي ميثيل سلفوكسيد (درجة تحليلية، ≥ 99.5٪)، ثيوسيانات البوتاسيوم (درجة تحليلية، ≥ 98.5٪)، N،N-ثنائي ميثيل فورماميد (درجة تحليلية، ≥ 99.5٪)، بروميد البوتاسيوم [نقي طيفياً، 99.99٪].

الأجهزة: محلل نعومة الألياف E5723 CU-6، مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه Nicolet Summit Lite، مضخة تفريغ 2XZ-4D، هزاز حمام مائي بدرجة حرارة ثابتة، بوتقة زجاجية مسامية، دورق إرلنماير، مستخلص سوكسلت، أسطوانة مدرجة، كأس زجاجي، قطاعة هاستيلوي.

1.2 تحضير العينة

تم اختيار ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، وألياف ميتا-أراميد، وألياف بارا-أراميد، وألياف P84 السائبة كعينات اختبار. ولضمان دقة وموثوقية بيانات الاختبار، تم اختيار أربع عينات لكل نوع من الألياف باستخدام طريقة أخذ العينات متعددة النقاط.

1.3 طرق الاختبار

1.3.1 طريقة الاحتراق

وفقًا لمتطلبات الاختبار للمعايير ذات الصلة، تمت مراقبة العينات وتسجيلها على النحو التالي: عند تقريب العينة من اللهب، تمت مراقبة تفاعلها مع الحرارة، مع ملاحظة ما إذا كان هناك انكماش أو انصهار؛ أثناء ملامسة العينة للهب، تم تسجيل حالة احتراقها، بما في ذلك ما إذا كانت تنبعث منها ضوء ولون اللهب؛ بعد إبعاد العينة عن اللهب، تمت مراقبة حالة الاحتراق بشكل مستمر؛ عند انطفاء لهب العينة، تم شم رائحتها؛ بعد أن بردت العينة، تم تسجيل حالة البقايا، بما في ذلك لونها وشكلها.

1.3.2 طريقة المجهر

وفقًا للمعايير ذات الصلة، جُمعت حزم الألياف أولًا، وقُطعت كمية مناسبة من أجزاء الألياف باستخدام ميكروتوم هارتش. وُضعت قطرات من البارافين السائل على شريحة زجاجية لتوزيع الألياف بالتساوي، ما أدى إلى تحضير شريحة زجاجية طولية. بعد ذلك، طُبق الكولوديون على ميكروتوم هارتش. بعد التبخر، قُطعت مقاطع من الألياف بسماكة 10-30 ميكرومتر باستخدام الميكروتوم، ما أدى إلى تحضير شرائح عرضية. أخيرًا، وُضعت الشرائح الطولية والعرضية المُحضرة تحت المجهر بتكبير 500 ضعف لمراقبة الخصائص المورفولوجية للمقاطع العرضية للألياف بدقة وتسجيل النتائج.

1.3.3 طريقة الإذابة

وفقًا للمتطلبات القياسية ذات الصلة، وُضعت العينات والكواشف بنسبة 1:50 في ظروف بيئية مختلفة للمراقبة. حُفظت إحدى المجموعات في درجة حرارة الغرفة (20-30 درجة مئوية) مع رجّ مستمر لمدة 5 دقائق، وتمت مراقبة ذوبان الألياف خلال هذه الفترة وتسجيله بدقة. أما المجموعة الأخرى، فتم غليها لمدة 3 دقائق، وتمت مراقبة ذوبان الألياف خلال هذه العملية وتسجيله فورًا.

1.3.4 مطيافية الأشعة تحت الحمراء

وفقًا للمعايير ذات الصلة، تم تحضير عينات الأغشية باستخدام طريقة قرص بروميد البوتاسيوم. استُخدمت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه لمسح وتسجيل طيف الأشعة تحت الحمراء في نطاق الأعداد الموجية من 4000 إلى 400 سم⁻¹.

2. النتائج والمناقشة

2.1 نتائج اختبار الاحتراق

تظهر سجلات اختبار الاحتراق لأربعة ألياف - ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، والميتا-أراميد، والبارا-أراميد، وP84 - في الجدول 1.


كما هو موضح في الجدول 1، ينبعث من ألياف البولي أميد-إيميد العطرية لهب أحمر أثناء الاحتراق، تاركةً بقايا سوداء صلبة بعد الاحتراق. يتشابه سلوك الاحتراق هذا إلى حد كبير مع سلوك احتراق البارا-أراميد وP84، بينما لا يُظهر الميتا-أراميد لهبًا أحمر أثناء الاحتراق. بناءً على هذه الخاصية، يمكن لطريقة الاحتراق التمييز بفعالية بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية والميتا-أراميد.

2.2 نتائج الاختبار المجهري

يوضح الجدول 2 الأوصاف المورفولوجية للقطاعات العرضية والطولية للألياف الأربعة.


بالرجوع إلى الأوصاف المورفولوجية للألياف الأربعة في الجدول 2، يتضح أن المقطع العرضي لألياف البولي أميد-إيميد العطرية دائري. هذه الخاصية مشابهة لألياف الميتا-أراميد والبارا-أراميد، بينما يكون المقطع العرضي لألياف P84 ثلاثي الفصوص، وهو ما يختلف اختلافًا كبيرًا عن ألياف البولي أميد-إيميد العطرية. أما من حيث المورفولوجيا الطولية، فتُظهر ألياف البولي أميد-إيميد العطرية سطحًا أملسًا، وهي سمة شائعة في الألياف الكيميائية، بينما تُظهر ألياف البارا-أراميد مورفولوجيا مجزأة واضحة في مقطعها الطولي. لذلك، من خلال ملاحظة المورفولوجيا الطولية، يمكن تمييز ألياف البولي أميد-إيميد العطرية عن ألياف البارا-أراميد.

باختصار، يمكن للملاحظة الدقيقة للشكل العرضي والطولي للألياف باستخدام المجهر أن تميز بوضوح ألياف البولي أميد-إيميد العطرية عن ألياف البارا-أراميد وألياف P84.

2.3 نتائج اختبار الذوبان

تظهر خصائص الذوبان للألياف الأربعة في الجدول 3.


يوضح الجدول 3 ذوبانية الألياف الأربعة. أُجريت الاختبارات في درجة حرارة الغرفة وظروف الغليان باستخدام حمض الكبريتيك بتركيز 70%، وحمض الكبريتيك المركز، وحمض النيتريك المركز، وهيدروكسيد الصوديوم بتركيز 30%، وثيوسيانات البوتاسيوم بتركيز 65%. لم يُظهر أداء ذوبانية ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، والميتا-أراميد، والبارا-أراميد، وP84 اختلافًا يُذكر. في وجود حمض الكبريتيك بتركيز 70%، ذابت ألياف P84 جزئيًا، بينما لم تذب الألياف الثلاثة الأخرى. في وجود حمض الكبريتيك المركز، ذابت ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، والميتا-أراميد، وP84 جميعها، بينما ذابت ألياف البارا-أراميد جزئيًا فقط عند درجة حرارة الغرفة. في وجود حمض النيتريك المركز، لم تذب جميع الألياف الأربعة تقريبًا، ولم تذب ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وP84 جزئيًا إلا عند الغليان. كان الوضع مشابهًا مع هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 30%. لم تذوب ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، والميتا-أراميد، وP84 إلا جزئياً عند الغليان. وفي ظل ظروف ثيوسيانات البوتاسيوم بنسبة 65%، لم تذوب أي من الألياف الأربعة.

في وجود هيبوكلوريت الصوديوم، تكون جميع الألياف الأربعة غير قابلة للذوبان في درجة حرارة الغرفة. مع ذلك، عند غليها، تذوب ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، بينما تبقى الألياف الثلاثة الأخرى غير قابلة للذوبان. يمكن استخدام خاصية الذوبان هذه لتمييز ألياف البولي أميد-إيميد العطرية عن الألياف الثلاثة الأخرى. في ثنائي ميثيل فورماميد، يكون الفرق في الذوبان بين الألياف الأربعة أكثر وضوحًا. تذوب ألياف البولي أميد-إيميد العطرية في درجة حرارة الغرفة، وهي حالة اختبار يسهل تحقيقها وتميزها بسهولة عن الألياف الأخرى. في وجود ثنائي ميثيل سلفوكسيد في درجة حرارة الغرفة، تكون جميع الألياف الأربعة غير قابلة للذوبان. عند غليها، تذوب ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وP84. يمكن استخدام خاصية الذوبان هذه لتمييز ألياف البولي أميد-إيميد العطرية عن ألياف ميتا-أراميد وبارا-أراميد.

يمكن استخدام ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) للتمييز بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وألياف الميتا-أراميد والبارا-أراميد عبر طريقة الإذابة. كما يمكن استخدام ثنائي ميثيل فورماميد (NDM) وهيبوكلوريت الصوديوم (NSC) للتمييز بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وألياف الميتا-أراميد والبارا-أراميد وألياف P84. ويتميز ثنائي ميثيل فورماميد (NDM) بسهولة استخدامه وسهولة تحقيق الظروف التجريبية.

2.4 نتائج التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء

يوضح الجدول 4 نطاقات الامتصاص الرئيسية والترددات المميزة لأطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء للألياف الأربعة.


في الجدول 4، تظهر قمم امتصاص الأشعة تحت الحمراء لألياف البولي أميد-إيميد العطرية عند 3379، 2923، 1704، 1505، 1361، 1081، و719 سم⁻¹. تختلف هذه الخاصية الطيفية اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بألياف الميتا-أراميد، والبارا-أراميد، وP84. وبالمقارنة مع ألياف P84 تحديدًا، يكون الاختلاف واضحًا جدًا وسهل التمييز. وبناءً على ذلك، لا يقتصر دور مطيافية الأشعة تحت الحمراء على تحديد ألياف البولي أميد-إيميد العطرية بدقة فحسب، بل يمكنها أيضًا تمييزها بسهولة عن الأنواع الثلاثة الأخرى من الألياف.

3. الاستنتاجات

(1) الاحتراق والمجهر تُتيح طريقة الاحتراق التمييز الفعال بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وألياف الميتا-أراميد؛ بينما يُمكن استخدام المجهر للتمييز بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وألياف البارا-أراميد وP84. كما يُمكن الجمع بين طريقتي الاحتراق والمجهر للتمييز بشكل أدق بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وألياف الميتا-أراميد، وألياف البارا-أراميد، وP84.

(2) طريقة الذوبان: يمكن استخدام هيبوكلوريت الصوديوم وثنائي ميثيل فورماميد لتمييز ألياف البولي أميد-إيميد العطرية عن ألياف ميتا-أراميد، وألياف بارا-أراميد، وP84؛ كما يمكن استخدام ثنائي ميثيل سلفوكسيد لتمييز ألياف البولي أميد-إيميد العطرية عن ألياف ميتا-أراميد وألياف بارا-أراميد. ومن بين هذه المذيبات، يُعد ثنائي ميثيل فورماميد أبسط الطرق وأكثرها ملاءمة لتحديد ألياف البولي أميد-إيميد العطرية، ويتميز بجدواه العالية في التطبيقات العملية.

(3) التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء: يمكن لتقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء التمييز بين ألياف البولي أميد-إيميد العطرية وألياف ميتا-أراميد وبارا-أراميد وP84. ومن خلال تحليل مواقع الذروة المميزة في طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء، يمكن تحديد ألياف البولي أميد-إيميد العطرية بدقة، مما يجعلها طريقة فعالة للغاية للتعرف عليها.

استنادًا إلى النتائج التجريبية المذكورة أعلاه، يمكن تحديد ألياف البولي أميد-إيميد العطرية بناءً على عدة خصائص مهمة: فهي تُصدر ضوءًا أحمر عند احتراقها، ويكون مقطعها العرضي دائريًا تحت المجهر، وتذوب في ثنائي ميثيل فورماميد عند درجة حرارة الغرفة، كما أنها تتميز بترددات محددة في طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء. في عملية التحديد العملي، يمكننا الاعتماد على إحدى هذه الخصائص أو الجمع بين عدة خصائص بمرونة لتحقيق تحديد أكثر دقة وموثوقية.