纖維密度測定方法的研究

1纖維密度的檢測密度是纖維材料具有重要的物理性參數。其大小取決于其自身組成物質成分、內部微觀結構和形態(tài)結構。測定材料的密度,分析其變化規(guī)律,對研究纖維的結構和物理指標有著重要的意義。不同纖維的內部結晶度不同,纖維密度也不同,因此,纖維密度的測定可以提供纖維的均勻度、材料種類等信息,為評定纖維的品質提供了參考,為纖維鑒別提供依據,對于纖維的性能和結構具有實際意義。目前,我國常用的纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等,各種纖維密度的測定尚沒有統一的國家標準,現常用的測定方法有很多,如排水法、比重瓶(計)法、液體浮力法和氣體容積法等等。但每種方法都受精度、儀器、裝置、人為誤差等的限制,互存利弊,大大制約了其使用范圍。經過多年的實踐驗證,現被國際標準化組織承認,并列入相關標準的試驗方法有三種,即液體置換法、浮沉法、密度梯度柱法?，F在,本文對這三種測定纖維密度的方法進行研究分析。2方法和原理分析2.1纖維原料的尺寸測量液體置換法測定纖維密度是現階段最為常用的測定方法,其原理是將結狀纖維在常態(tài)下稱重,然后完全浸沒在已知密度小于纖維密度的液體中,將纖維再次稱重,求出纖維在該液體中的浮力,從而推導出纖維的體積,得出纖維的密度。計算公式為:w2g-w1g=ρLVg(1)ρ=w1V(2)ρ=w1w1?w2×ρL(3)ρ=w1V(2)ρ=w1w1-w2×ρL(3)式中:ρ——纖維的密度,單位g/cm3;V——纖維的體積,單位cm3;W1——試樣常態(tài)下重量,單位g;W2——試樣浸潤液中重量,單位g;ρL——浸潤液密度,單位g/cm3。試驗的操作步驟,首先取適當長度連續(xù)完整的纖維,使其成為結狀,經丙酮清洗、退漿處理后,置于烘箱內,烘燥2小時,取出后精確稱重w1。取一定量已知密度小于纖維密度的液體,將纖維通過懸絲浸沒在浸潤液中,排除黏附在纖維表面的氣泡后,再次稱重(如圖1所示)。影響試驗精度的主要因素有纖維表面氣泡,纖維或懸絲表面張力效應和試驗溫度變化等。其中,纖維夾雜的氣泡對密度測定的影響最大。去除氣泡的方法很多,其中便于快速測試的有真空泵法、煮沸法、超聲振蕩法、擠壓法和高速離心法(離心機)等,這些方法都是盡可能的去除纖維表面氣泡,促使水分子浸入纖維單絲間的縫隙。除上述方法外,我們還可以在浸潤液中加入一些微量的表面活性劑。使用液體置換法對日本東麗碳纖維T700S纖維密度進行實測,其密度報道值為1.80g/cm3,其密度實測值見表1。使用液體置換法對PBO(HM)有機纖維密度進行實測,其密度報道值為1.56g/cm3,其密度實測值見表2。試驗發(fā)現,經過去除氣泡處理的纖維通過液體置換法測定密度數值接近報道值,比較穩(wěn)定可靠,方法簡單易行,適合大批量連續(xù)試驗。2.2密度對纖維密度的測量和雙檢密度法浮沉法測定纖維密度的原理是基于混合溶液中纖維達到平衡狀態(tài)時的密度與溶液密度是近似一致的。浮沉法可通過兩個方法完成。方法一,選擇兩種浸潤液混合,混合液的密度小于試樣密度,將試樣打個結,置于混合液中,去除氣泡,滴入幾滴密度較大的液體,攪拌以確保充分混合,繼續(xù)添加,直至纖維處于懸浮狀態(tài)。如果試樣下沉,添加幾滴密度較大液體,如果試樣上浮,添加幾滴密度較小液體,直至纖維平衡靜止。過濾,使用比重計測量液體密度。方法二,制備浸潤液,使其密度在估計纖維密度范圍內增量為±0.2g/cm3。將密度不同的浸潤液分裝在若干個試管中,在每個試管中加入一定量碎紗(約100μg),塞住試管搖動,靜置1小時,觀察纖維在管中的位置。根據混合液的密度得出紗的密度,在此混合液中,大部分的紗處于懸浮狀態(tài)。(注:比重瓶可用50或100mL的容量瓶改制。)所使用的浸潤液一般為:丙酮、甲醇、乙醇、汽油、三氯乙烷、四氯化碳、二溴乙烷、三溴甲烷等,這些溶液的混合液可以達到我們所需的密度范圍。浮沉法測定纖維密度是根據物理學中浮力的基本原理,在某一密度的液體中,纖維密度小于液體密度時上浮,纖維密度大于液體密度時下沉,當纖維密度近似等于液體密度時應懸浮于溶液中任意位置。使用浮沉法對日本東麗碳纖維T700S纖維密度進行實測,其密度報道值為1.80g/cm3,使用液體比重計測定浸潤液密度,由于人為因素及客觀情況存在,當浸潤液密度在1.78～1.82g/cm3之間時,細小的纖維均處于懸浮狀態(tài),如確定其終點狀態(tài),則需要較長的時間,終點狀態(tài)亦不是十分明顯,所以我們認為這樣試驗將存在較大誤差。對其它種類纖維進行測定亦存在這種情況。2.3密度梯度柱法密度法密度梯度柱法測定纖維密度的原理是將兩種密度不同但能相互混溶的液體以一定比例和方法進行混合,利用分子擴散作用,使混合液的密度自上至下逐漸增大,且具有線性。而后根據懸浮原理,將纖維投入密度梯度管內,達到平衡后,平衡位置的液體密度即為該纖維的密度。試驗首先應制備密度梯度管(圖2),然后小心地將纖維放入管的頂部,直至它降到平衡位置。防止細絲上升至表面,以及氣泡停留在試樣內部。當處于平衡狀態(tài)時,根據纖維平衡狀態(tài)的位置,記錄下管的梯度值,根據管的刻度曲線測定相應的密度值。獲得平衡狀態(tài)的時間,可能是幾分鐘或幾小時,它的決定因素主要是試樣形狀,管中的密度梯度,和所需的試驗精度。密度梯度管中溶液的選擇,要根據待測纖維的密度選擇適當密度范圍且能相互混合的液體,液體與待測纖維不能起任何反應,且所選溶液要具備較低的粘度和揮發(fā)性。反復實驗發(fā)現,揮發(fā)性過大且容易滲入纖維的溶液,對纖維密度的測定有很大的影響。一般我們選用的溶液有甲醇、乙醇、甲苯、苯甲醇、異丙醇、四氯化碳、二溴丙烷、二溴乙烷等。使用密度梯度柱法對日本東麗碳纖維T700S纖維密度進行實測,其密度報道值為1.80g/cm3,其密度實測值見表3。使用密度梯度柱法對PBO(HM)有機纖維密度進行實測,其密度報道值為1.56g/cm3,其密度實測值見表4。測定纖維密度密度梯度法操作簡單,具有較高的準確性,適用于纖維密度的測定。每個密度梯度管都具有一定范圍的密度梯度,因此,其可以測定一定范圍內不同纖維的密度。3種方法的對比分析針對同批號碳纖維T700S、PBO有機纖維密度測定,分別使用液體置換法、浮沉法、密度梯度柱法三種方法,數據對照見表5、表6。由于浮沉法操作中,已知密度纖維對應的配比溶液所需密度很難達到,未知密度纖維對應的配比溶液所需密度無法確定,纖維是否懸浮態(tài)很難確定,試驗持續(xù)時間可能過長,以及其它客觀、人為因素的存在,所以,實測數據與報告值偏差較大,我們難以確定其準確值。通過對以上三種測定纖維密度方法的研究及數據的分析,我們可以得出以下結論:1.根據不同種類纖維、因情況而異選擇相應的測定方法。2.液體置換法測定纖維密度,制備較為簡單,操作步驟較為簡便易行,測定值比較穩(wěn)定可靠。3.沉浮法測定纖維密度,操作較粗略,影響因素過多,存在較大偶然性,可能導致試驗誤差較大。4.密度梯度柱法測定纖維密度,應選用適當的兩種溶液制備密度梯度管。測定操作較簡單,具有較高的準確性。另外,在測定纖維密度的各種方法中,我們還應注意的影響因素有:1)試驗中,附著在纖維表面和纖維單絲間夾雜氣泡的存在使數據誤差較大,如何去除氣泡尤為重要。2)解決纖維或懸絲等的表面張力效應和溫度變化對密度測定的影響。3)準確選用各方法中浸潤液所需的溶液。4)纖維懸浮態(tài)的判定。5)正