新型紡織材料紅外光譜分析的制樣及測(cè)試

秦大可，彭偉良，蔣耀興

（蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州 215021）

新型紡織材料紅外光譜分析的制樣及測(cè)試

秦大可，彭偉良，蔣耀興

（蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州 215021）

對(duì)新型紡織材料樣品分別采用溴化鉀壓片法、ATR法、薄膜透射法等方法進(jìn)行制樣和測(cè)試，比較了不同方法得到的紅外譜圖的質(zhì)量，從而確立了幾種新型紡織材料比較適合的紅外光譜分析制樣和測(cè)試方法：氧化棉紗線適合用溴化鉀壓片法；多孔絲素支架材料適合用ATR法；絲素蛋白膜適合用薄膜透射法.

新型紡織材料；紅外光譜；制樣技術(shù)；測(cè)試技術(shù)

紅外光譜屬于分子光譜，與核磁共振光譜、質(zhì)譜、紫外光譜并稱(chēng)四大譜學(xué)，是確定分子組成和結(jié)構(gòu)的有力工具.作為紅外光譜測(cè)試儀器的傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）因具有靈敏度高、精確度高、分辨率高等優(yōu)勢(shì)，近年在包括紡織材料測(cè)試在內(nèi)的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.隨著與紅外光譜儀配套的各種附件的出現(xiàn)，不但簡(jiǎn)化制樣過(guò)程，而且拓寬了對(duì)紡織材料FT-IR分析的測(cè)試范圍和有效提高了譜圖質(zhì)量[1].紡織材料測(cè)試常用的附件包括衰減全反射法（ATR）附件和紅外顯微鏡等[2].紡織材料的紅外光譜對(duì)于研究紡織纖維、紗線、織物的結(jié)構(gòu)與性能具有重要的意義.紡織材料紅外光譜分析的制樣和測(cè)試技術(shù)對(duì)紅外譜圖的質(zhì)量有重要影響.不同樣品需要采用不同的紅外制樣技術(shù)，對(duì)于同一樣品也可以采用不同的制樣技術(shù).通過(guò)對(duì)不同制樣和測(cè)試技術(shù)的比較，找出適合特定紡織材料的特定制樣方法，從而得到高質(zhì)量的譜圖.國(guó)外在20世紀(jì)90年代初就有關(guān)于紡織材料傅里葉變換紅外光譜分析的制樣和測(cè)試技術(shù)的研究.例如1991年美國(guó)的Morris就比較了溴化鉀壓片、衰減全反射（ATR）和漫反射（DRIFTS）3種制樣和測(cè)試技術(shù)對(duì)于棉織物的紅外光譜測(cè)試結(jié)果的區(qū)別[3].隨著新型紡織材料的不斷出現(xiàn)，對(duì)這些紡織材料紅外光譜分析的制樣和測(cè)試技術(shù)研究是很有必要的.本文主要探討氧化棉紗線、多孔絲素支架材料、絲素蛋白膜等新型紡織材料適合的紅外光譜制樣和測(cè)試技術(shù).

1 制樣技術(shù)概述

對(duì)于固體樣品的制樣，常用的方法主要有3種[4].①壓片法：將固體樣品制成粉末，均勻地分散在堿金屬鹵化物（主要是溴化鉀）中，并使用壓片機(jī)壓成薄片；②薄膜法：將固體樣品溶解后把溶液鋪在玻璃片或KBr片上，待溶劑揮發(fā)后形成薄膜；③糊劑法：將固體粉末分散或懸浮于石蠟油等糊劑中，再將糊狀物夾于2片KBr等窗片間.目前，紅外光譜制樣常用的方法是壓片法和薄膜法.另外，衰減全反射（ATR）也是一種較為實(shí)用、無(wú)需制樣的無(wú)損測(cè)試方法.

1.1 溴化鉀壓片法

溴化鉀壓片法是最早、最常用的纖維樣品制備方法.氯化鉀也可以用于壓片法，但是由于氯化鉀比溴化鉀容易吸水，所以通常采用溴化鉀.只有對(duì)分子結(jié)構(gòu)中含有氯的樣品，由于溴化鉀和氯會(huì)發(fā)生離子交換影響譜圖質(zhì)量，才會(huì)使用氯化鉀壓片法[5].一般的紡織材料不涉及這一情況，因此在檢測(cè)纖維混合物的混合比例等對(duì)制樣技術(shù)要求很高的場(chǎng)合，常用的也是溴化鉀壓片法[6].

1.2 薄膜法

固體樣品采用堿金屬鹵化物壓片或糊狀法制樣時(shí)，稀釋劑或糊劑對(duì)得到的光譜會(huì)產(chǎn)生干擾.薄膜法制樣得到的是純樣品，紅外圖譜中只出現(xiàn)樣品的信息，避免了其他吸收峰的干擾，大大方便對(duì)紅外譜圖的分析，是一種很好的制樣方法.薄膜法主要分為溶液制膜和熔融制膜2種方法[7].

1.3 衰減全反射法

對(duì)纖維、織物、涂層的研究，衰減全反射法（ATR）可獲得很好的結(jié)果[1].這種方法不需要樣品制備，直接將樣品放在ATR附件上測(cè)定，屬于一種無(wú)損、快速的檢測(cè)方法.為了得到高質(zhì)量的譜圖，必須要使樣品表面非常平整，以便使樣品與棱鏡平面之間保持的緊密接觸.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

氧化棉紗線；多孔絲素支架材料；絲素蛋白膜.均為自制.

2.2 儀器及測(cè)試參數(shù)

尼高力5700型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)熱電公司生產(chǎn)；測(cè)試時(shí)使用DTGS檢測(cè)器，掃描次數(shù)32次，分辨率為4 cm－1；使用透射法測(cè)量時(shí)，測(cè)定范圍是4 000～400 cm－1，使用 ATR 附件時(shí)，測(cè)定范圍是 4 000～670 cm－1.

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

將氧化棉紗線和多孔絲素支架材料切碎后用溴化鉀壓片法進(jìn)行制樣；將氧化棉紗線、多孔絲素支架材料和絲素蛋白膜直接在ATR附件上進(jìn)行測(cè)試；將絲素蛋白膜制成2 cm×2 cm的方形薄膜，夾在溴化鉀壓片用的樣品夾上進(jìn)行測(cè)試.

3 結(jié)果與討論

氧化棉紗線、多孔絲素支架材料、絲素蛋白膜分別使用溴化鉀壓片法和ATR法、薄膜透射法和ATR法、薄膜透射法和ATR法進(jìn)行測(cè)試得到的紅外譜圖如圖1、圖2、圖3所示.

3.1 氧化棉紗線的紅外譜圖比較

氧化棉纖維作為纖維素衍生物的一種，其纖維素單元上的羥基發(fā)生反應(yīng)后改變了纖維素的結(jié)構(gòu)，并賦予纖維素許多新的功能，具有生物相容性、可降解性好和對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn).氧化棉纖維的紅外譜圖中在1 729.9 cm－1處的醛基（C＝O伸縮振動(dòng)）吸收峰，是有限氧化棉纖維方法引入的活性醛基基團(tuán)的特征峰[8].由圖1可見(jiàn)，采用溴化鉀壓片法得到的紅外圖譜中這一吸收峰比較明顯，而ATR法得到的紅外圖譜中這一特征峰不易辨別.這主要是由于壓片法的分辨率一般都要高于ATR法.同時(shí)紗線樣品在進(jìn)行ATR法測(cè)試時(shí)，因其表面比較粗糙而無(wú)法保證其與棱鏡平面之間緊密接觸，進(jìn)一步降低了譜圖的質(zhì)量，得到的譜圖信噪比和分辨率都比較差.因此對(duì)于這類(lèi)纖維適合采用溴化鉀壓片法制樣.

值得注意的是，通常的樣品采用溴化鉀壓片制樣時(shí)要求將樣品和溴化鉀混合物顆粒尺寸研磨到2.5 μm以下.若顆粒尺寸在2.5～25 μm之間，就會(huì)引起中紅外光的散射使光譜的高波段基線抬高，同時(shí)這也是檢查混合物是否研磨得足夠細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)[5].而棉纖維粉末在研磨時(shí)極不容易通過(guò)研磨變細(xì)，因此棉纖維制樣前應(yīng)使用哈氏切片器或手術(shù)剪刀將其切細(xì)后過(guò)篩方可進(jìn)行制樣.過(guò)篩后的棉纖維粉末與溴化鉀長(zhǎng)時(shí)間研磨時(shí)也容易再次發(fā)生團(tuán)聚.因此制樣時(shí)將溴化鉀烘干、磨細(xì)后，直接與棉纖維粉末進(jìn)行混合、壓片，這樣得到的譜圖質(zhì)量較高.

3.2 多孔絲素支架材料的紅外譜圖比較

多孔絲素支架材料是以絲素為主要原料，通過(guò)一定的成型方法制成的一種多孔、海棉狀材料，具有一定的彈性，是一種組織工程用的新型材料[9].由圖2可以看出，采用溴化鉀壓片法得到的譜圖質(zhì)量較差，譜圖的分辨率和靈敏度都很低，許多絲素的結(jié)構(gòu)特征峰未能清晰地顯示出來(lái).這種新型材料是在絲素溶液中加入了粘度較高的添加劑，使將其切成粉末的過(guò)程非常困難，即使制得的絲素粉末也非常容易再次發(fā)生團(tuán)聚，無(wú)法達(dá)到溴化鉀壓片法的制樣要求.而使用ATR法得到的譜圖質(zhì)量較好，分辨率和靈敏度也都比較高，可以清楚地分辨出絲素纖維在低波數(shù)的結(jié)構(gòu)特征吸收峰[10].

使用這2種方法得到的譜圖之間具有很大差異，原因在于絲素中粘度較高的添加劑.這種粘性添加劑，一方面使將多孔絲素支架材料切成粉末的過(guò)程非常困難，且絲素粉末也容易再次發(fā)生團(tuán)聚；另一方面，也使多孔絲素支架材料具有更好的彈性.在使用ATR法測(cè)試時(shí)，雖然其表面不是非常平整，但是材料的彈性十分有利于保持樣品與棱鏡平面之間的緊密接觸，最終得到高質(zhì)量的譜圖.因此這類(lèi)材料適合采用ATR法測(cè)試.

3.3 絲素蛋白膜的紅外譜圖比較

絲素蛋白膜是以絲素為主要原料制成的薄膜狀透明材料，這種薄膜材料切成粉末十分困難，一般采用ATR法測(cè)試.但由圖3可見(jiàn)，采用ATR法得到的紅外圖譜質(zhì)量不高，譜圖的分辨率和靈敏度都較低，一些絲素的特征吸收峰未能清晰地顯示出來(lái).主要原因在于絲素蛋白膜表面不夠平整，并且由于膜本身較薄，在厚度方向上發(fā)生彈性形變的程度較低，不利于樣品與棱鏡平面之間保持緊密接觸.而采用薄膜透射法測(cè)試的樣品得到了高質(zhì)量的紅外譜圖，具有很高的信噪比，可以清楚地分辨出絲素纖維在低波數(shù)的結(jié)構(gòu)特征峰.因此這類(lèi)材料適合采用薄膜透射法測(cè)試.

在絲素蛋白膜的薄膜透射法測(cè)試過(guò)程中，必須注意的問(wèn)題是薄膜厚度.若膜厚太大，很容易造成吸收峰峰值過(guò)大形成“平頭峰”.在測(cè)試過(guò)程中，可以利用膜厚存在不均勻的現(xiàn)象，調(diào)整樣品夾上薄膜的位置，選擇較薄的部分進(jìn)行透射.若還不能得到合適的譜圖，也可以將溶液進(jìn)一步稀釋?zhuān)瞥筛〉谋∧みM(jìn)行測(cè)試.薄膜透射法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以排除壓片過(guò)程中溴化鉀中水汽對(duì)樣品譜圖的影響.

3.4 其他注意事項(xiàng)

對(duì)于一些需要考察紡織材料降解性能以及蛋白質(zhì)纖維的樣品，在使用溴化鉀壓片時(shí)，研磨混合物不應(yīng)在紅外燈下進(jìn)行，否則會(huì)引起紡織材料結(jié)構(gòu)的變化.應(yīng)該將溴化鉀烘干、磨細(xì)后，馬上與樣品粉末進(jìn)行混合、壓片及測(cè)試.

4 結(jié)論

本文中選用的氧化棉紗線適合用溴化鉀壓片法測(cè)試；多孔絲素支架材料適合用ATR法測(cè)試；絲素蛋白膜適合用薄膜透射法測(cè)試.新型紡織材料紅外光譜分析的制樣需要根據(jù)樣品的具體情況進(jìn)行選擇，即使相同組成的材料（如都是絲素）也可能需要使用不同的制樣方法.

[1]溫演慶，朱譜新，吳大誠(chéng).紅外光譜技術(shù)在紡織品檢測(cè)中的應(yīng)用[J].紡織科技進(jìn)展，2007，19（2）：1－4.

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[5]林志洪.壓片法紅外光譜圖譜的影響因素[J].海峽藥學(xué)，2007，19（5）：47-49.

[6]MORRIS Nancy M，PITTMAN Robert A，BERNI Ralph J.Fourier transform infrared analysis of textiles [J].Textile Chemist and Colorist，1984，16（2）：30-34.

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Sampling and testing of new textile material′s infrared spectroscopy

QIN Da-ke，PENG Wei-liang，JIANG Yao-xing
（College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University，Suzhou 215021，China）

The sampling and testing techniques of the new textile materials′infrared spectroscopy are introduced.Different sampling and testing techniques，such as the KBr disk method，attenuated total reflectance method（ATR）and film transmission method are compared.The result shows that oxidized cotton yarn should be tested by KBr disk method，porous silk fibroin scaffold material should be tested by ATR method，silk fibroin film should be tested by film transmission method.

new textile materials；infrared spectroscopy；sampling technique；testing technique

TS101.3

A

1671－024X（2010）05－0019－03

2010-05-19

秦大可（1981—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師.

秦大可（1981—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師.E-mail：qindake@suda.edu.cn