近紅外光譜分析技術(shù)在紡織品成分檢測(cè)中的應(yīng)用

陶志強(qiáng)

(上海紡織集團(tuán)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有限公司,上海200082)

在紡織品檢測(cè)中,纖維成分檢測(cè)是一項(xiàng)非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目,作為第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu),必須擁有準(zhǔn)確、快速、環(huán)保的檢測(cè)手段和檢測(cè)儀器,來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。然而,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如顯微鏡法、手工拆分法、化學(xué)分析法、熔點(diǎn)法等,檢測(cè)周期長(zhǎng),步驟繁瑣,化學(xué)試劑有毒有害,對(duì)環(huán)境污染大,且檢測(cè)過(guò)程中對(duì)樣品需要破壞。因此,為了滿足生產(chǎn)、貿(mào)易和消費(fèi)的需要,開(kāi)發(fā)一種高效、簡(jiǎn)捷、無(wú)化學(xué)試劑傷害的檢測(cè)方法是紡織檢測(cè)人員所期待的,而近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)就具有檢測(cè)周期短、操作方便、無(wú)污染的特點(diǎn),并且能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出多種成分及其含量,降低了紡織品檢測(cè)的成本,大大提高了紡織品成分檢測(cè)的效率。

1 近紅外光譜分析技術(shù)的內(nèi)容及近況

1.1 近紅外光譜分析技術(shù)的主要內(nèi)容

近紅外光譜,英文名稱(chēng)為Near Infrared Spectroscopy(NIRS),當(dāng)紡織品樣品受近紅外光的照射時(shí),近紅外光就會(huì)被樣品中的一些成分吸收并融合,而組成該材質(zhì)的紡織品的分子會(huì)發(fā)生變形,形成近紅外光譜。相對(duì)于過(guò)去檢測(cè)紡織品質(zhì)量的方式,近紅外光譜分析技術(shù)具有較多的優(yōu)點(diǎn):(1)高效率、高速率;(2)適用對(duì)象較多;(3)對(duì)紡織品無(wú)傷害,對(duì)環(huán)境無(wú)污染;(4)使用儀器造價(jià)低,購(gòu)買(mǎi)成本低,能進(jìn)行在線分析;(5)操作儀器的步驟簡(jiǎn)單易懂,操作人員無(wú)需較高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。但是,該技術(shù)也存在一定的不足:(1)受其自身缺陷的影響,不可以使用痕量分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;(2)由于其檢測(cè)對(duì)象的束縛,其檢測(cè)限定于一些具有特定屬性的紡織品;(3)受間接測(cè)量方式的影響,其檢測(cè)的精度有一定的上限?？傮w而言,近紅外光譜分析技術(shù)在檢測(cè)紡織品成分的方式里算是不錯(cuò)的選擇對(duì)象。

1.2 近紅外光譜分析技術(shù)的近況

英國(guó)天文學(xué)家William Herschel第一次發(fā)現(xiàn)近紅外光譜技術(shù)時(shí),并不能夠直接使用它進(jìn)行分析工作,而是作為一種間接分析技術(shù)加以利用,但隨著時(shí)間飛逝,近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)有了更大的發(fā)展,特別是它的研究與使用過(guò)程上。近紅外光譜技術(shù)將在使用傳統(tǒng)的檢測(cè)方式獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后,開(kāi)始建立數(shù)據(jù)模型來(lái)展開(kāi)紡織品樣品的鑒別、檢測(cè)工作。近紅外光譜技術(shù)也開(kāi)始更多地應(yīng)用于其他的包括農(nóng)業(yè)、石油、醫(yī)藥、食品材料等的領(lǐng)域。在紡織品檢測(cè)方面,也有了一定的發(fā)展:

1.2.1 紡織質(zhì)量的有效控制

經(jīng)過(guò)多人的研究與試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)紡織工業(yè)的質(zhì)量控制起到了極大的推進(jìn)作用,它能有效保障其質(zhì)量。

1.2.2 廢舊紡織品檢測(cè)的近況

一些團(tuán)隊(duì)為進(jìn)一步分析近紅外光譜技術(shù),選擇用此類(lèi)技術(shù)檢測(cè)棉制產(chǎn)品中存有的雜質(zhì),發(fā)現(xiàn)如果較好地利用近紅外光譜技術(shù)可以有效地檢測(cè)并挑出其中使用了廢舊棉制成的紡織品。而有另一團(tuán)隊(duì)也對(duì)此做了相似的實(shí)驗(yàn),該團(tuán)隊(duì)以Fortier為代表,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)廢舊棉質(zhì)紡織品的檢測(cè)率高達(dá)97%以上。以李楓為代表的科學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)也做了相關(guān)實(shí)驗(yàn),他們主要是針對(duì)廢舊混紡織物采用近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行光譜樣本的測(cè)量與分析,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)率竟也徘徊于90%上下。

1.2.3 紡織成分檢測(cè)的近況

有團(tuán)隊(duì)通過(guò)選擇BRUKER公司的近紅外光譜儀來(lái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),又使用混紡毛織品進(jìn)行近紅外光譜技術(shù)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn),通過(guò)形成一個(gè)高效的數(shù)學(xué)模型針對(duì)采用了不相同的染料制成的混紡毛織品來(lái)更好地做定量分析工作,該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了近紅外光譜分析技術(shù)的可靠性。

2 近紅外光譜分析技術(shù)在紡織品定性分析中的應(yīng)用

紡織品定性檢測(cè)是紡織品質(zhì)量檢測(cè)中非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目,也是成分檢測(cè)的基礎(chǔ)。近紅外光譜作為定性檢測(cè)的新型技術(shù),具有快速、準(zhǔn)確、對(duì)樣品不破壞等特點(diǎn),越來(lái)越被各個(gè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)所應(yīng)用。近紅外光譜區(qū)的波長(zhǎng)范圍為750～2 500 nm,有機(jī)物的近紅外光譜不僅包括分子的結(jié)構(gòu)、組成、狀態(tài)等信息,還反映了樣品的密度、粒度,以及高分子的聚合度和纖維的直徑等物理狀態(tài)信息。因此,通過(guò)掃描已知樣品成分獲得各種成分的標(biāo)準(zhǔn)近紅外光譜圖,比對(duì)已知樣品標(biāo)準(zhǔn)光譜圖,便可獲得未知樣品的成分。近紅外光譜定性分析就是采用樣品光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜比較,獲得樣品的具體成分,因此,建立可靠的標(biāo)準(zhǔn)光譜圖是定性分析的重要前提。所以,建立標(biāo)準(zhǔn)光譜圖必須對(duì)實(shí)驗(yàn)中每個(gè)樣品掃描數(shù)十次以上,取同類(lèi)樣品的平均光譜作為該類(lèi)樣品的標(biāo)準(zhǔn)光譜。2009年,柴金朝利用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)75個(gè)純棉、純滌、棉/滌、棉/氨樣品進(jìn)行定性聚類(lèi)分析,采取主成分分析法提取特征光譜,利用馬氏距離對(duì)樣品進(jìn)行聚類(lèi)分析,取得了很好的歸類(lèi)效果,驗(yàn)證了近紅外光譜法應(yīng)用于紡織品定性分析的可行性。同年,王丹紅采用判別分析、主成分分析和Mahalanobis距離對(duì)Tencel、棉、粘膠、銅氨等纖維進(jìn)行快速鑒別,分析結(jié)果表明該方法為T(mén)encel、棉、粘膠、銅氨進(jìn)行歸類(lèi)提供了一種可靠、簡(jiǎn)便的手段,盲樣檢測(cè)的準(zhǔn)確率可達(dá)97%。2010年,趙國(guó)利用5批羊毛羊絨共30個(gè)樣品采用定性方法進(jìn)行了建模,并采用模型對(duì)原樣品進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果良好。2016年,付建華分析了892個(gè)樣品,包括滌、麻、棉、絲、羊毛、滌棉和滌毛等,開(kāi)展了短波中波近紅外光譜分析技術(shù)在紡織品成分檢測(cè)中的應(yīng)用,研究分析了同Savitzky-Golay SG滑方式對(duì)模型效果的影響,提出了wald-wolfowitz法對(duì)校集和預(yù)測(cè)集樣品的光譜和理化值進(jìn)行檢驗(yàn),建立了基于中波近紅外光譜的紡織品成分鑒別和含量檢測(cè)模型,提出了稀疏分析SPCA方法,克服了樣品顏色對(duì)模型的影響,建立了基于短波近紅外光譜的紡織品成分鑒別模型。大量的研究成果表明,利用近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)紡織品實(shí)現(xiàn)快速無(wú)破環(huán)性鑒別是可行的。

3 近紅外光譜分析技術(shù)在紡織品定量分析中的運(yùn)用

3.1 試樣的準(zhǔn)備

從常規(guī)檢驗(yàn)的樣品中選取50塊已知成分不同顏色的混紡樣品,選取的樣品混紡均勻,且進(jìn)行了無(wú)涂層和粘合劑處理。選取的樣品大小不得小于A4紙,把樣品對(duì)折再對(duì)折,疊好的樣品大于掃描光圈,不能讓光源透過(guò)。目前公司建立的數(shù)據(jù)庫(kù)包括棉/氨綸、粘膠纖維/氨綸、聚酯纖維/氨綸、錦綸/氨綸、聚酯纖維/粘膠纖維/氨綸、聚酯纖維/棉/氨綸等。

3.2 試驗(yàn)方法

掃描前,近紅外光譜儀需預(yù)熱1 h,自檢和標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)通過(guò)后方可使用,掃描過(guò)程中保持室內(nèi)溫度在(25±2)℃,嚴(yán)格控制室內(nèi)濕度。用近紅外光譜分析儀對(duì)每塊樣品進(jìn)行正反兩面掃描,并對(duì)兩條光譜進(jìn)行比較,若存在明顯形狀差異或者漂移擴(kuò)大,需對(duì)該樣品進(jìn)行重新掃描,取其平均值,即可得到該織物的成分定量結(jié)果。

3.3 結(jié)果分析

選取10塊聚酯纖維/氨綸樣品分別用化學(xué)分析法和近紅外光譜法進(jìn)行試驗(yàn),得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 10塊聚酯纖維/氨綸樣品中氨綸含量測(cè)試結(jié)果

可以看出,10個(gè)樣品的兩種方法的檢測(cè)結(jié)果都具有很高的準(zhǔn)確性。比較可知,氨綸含量最大絕對(duì)偏差為0.8%,最小絕對(duì)偏差為0.2%,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29862-2013《纖維含量的標(biāo)識(shí)》規(guī)定,當(dāng)標(biāo)簽上某種纖維含量≤10%時(shí),纖維含量允許偏差為±3%,因此,近紅外光譜分析技術(shù)在進(jìn)行定量分析時(shí),掃描的結(jié)果達(dá)到了成分定量的要求。另外,對(duì)棉/氨綸、粘膠纖維/氨綸、錦綸/氨綸、聚酯纖維/粘膠纖維/氨綸、聚酯纖維/棉/氨綸進(jìn)行同樣的檢測(cè),也達(dá)到了理想的效果,證明近紅外光譜技術(shù)在成分定量分析中是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

為加快檢測(cè)出近紅外光譜分析技術(shù)在檢測(cè)紡織品成分的效率好壞與否,對(duì)近紅外光譜分析技術(shù)的具體內(nèi)容和近況進(jìn)行了了解,分析了近紅外光譜分析技術(shù)在紡織品定性分析和定量分析中的運(yùn)用,較好地展現(xiàn)了近紅外光譜分析技術(shù)的分析過(guò)程與應(yīng)用。該技術(shù)在質(zhì)量與效率方面都是具有較好的效果,在一定程度上為人民的生活提供了質(zhì)量保障,同時(shí)也推進(jìn)了我國(guó)紡織業(yè)的發(fā)展。