紅外光譜在紡織品纖維檢測(cè)中的研究與應(yīng)用

1 引言

作為紡織品生產(chǎn)加工的大國(guó)，紡織品制造在我國(guó)有著悠久的歷史，從早期的天然纖維的使用，到現(xiàn)在高性能纖維的應(yīng)用，從單一組分的織物到多種材料的混合加工，科技的進(jìn)步使得紡織纖維的檢測(cè)難度更進(jìn)一步。一般普遍紡織品單纖維的定性分析采用的是燃燒法、電鏡目測(cè)法，混紡紗的定量分析則采用化學(xué)溶解法，即根據(jù)纖維自身的性能，采用不同的溶劑對(duì)不同纖維進(jìn)行溶解，用稱重法計(jì)算各組分纖維的含量。雖然上述方法都可以準(zhǔn)確地得到結(jié)果，但是往往耗時(shí)較長(zhǎng)，且會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生破壞，同時(shí)化學(xué)試劑的使用還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。紅外光譜能夠很好地解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的缺陷，能夠簡(jiǎn)單、快速、最大程度地減少對(duì)樣品的破壞，因此對(duì)于紡織品纖維的定性、定量鑒別，結(jié)構(gòu)與性能的分析和對(duì)紡織品生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2 紅外光譜法對(duì)紡織纖維定性研究

2.1 單組分纖維的定性分析

對(duì)于單組分纖維鑒別，通常是利用纖維自身特征的吸收光譜，通過(guò)未知譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比，得到檢測(cè)結(jié)果。魏峰等人[1]采集4種動(dòng)物的毛纖維，用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行了毛纖維的分析，不同毛纖維的紅外光譜圖有很明顯的差距，因此可以用紅外光譜法進(jìn)行不同動(dòng)物毛的識(shí)別。Zhou J等人[2]采用紅外光譜法，根據(jù)化學(xué)鍵的變化記錄和分析了各纖維對(duì)應(yīng)的光譜特征，快速準(zhǔn)確地識(shí)別出7種常見(jiàn)的紡織纖維，為后續(xù)建立識(shí)別的紅外光譜庫(kù)提供了依據(jù)。在前人大量的試驗(yàn)與分析中，目前已經(jīng)建立的可直接用于紡織品鑒別的紅外光譜圖有許多，且常見(jiàn)的純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，可以很方便地從標(biāo)準(zhǔn)譜圖集里查到，有些紅外光譜儀軟件自帶譜圖檢索的功能，為試驗(yàn)研究提供了便利。

除了對(duì)不同種類的纖維進(jìn)行定性分析之外，紅外光譜也可以用于對(duì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)相近的纖維進(jìn)行區(qū)分，這是因?yàn)榧t外光譜法中不僅包含了纖維的化學(xué)組成信息，同時(shí)針對(duì)不同纖維的表面物理性能也能在紅外光譜圖中顯示出來(lái)。雖然棉和麻、羊毛和羊絨、棉和粘膠等纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，但物理特性不同，也可以用紅外光譜法進(jìn)行分析鑒別。朱軍軍等人[3]采用多種檢測(cè)方法等對(duì)棉和木棉進(jìn)行鑒別，其中紅外光譜法對(duì)于這兩種纖維能夠精準(zhǔn)快速地鑒別，雖然兩種纖維結(jié)構(gòu)相近，紅外譜圖比較接近，但是仍然可以發(fā)現(xiàn)不同特征吸收峰的存在，因此可以用來(lái)鑒別棉和木棉。王戈等人[4]將紅外吸收光譜技術(shù)應(yīng)用在竹纖維和麻纖維的鑒別中，測(cè)試了苧麻纖維、竹原纖維和竹漿纖維的近紅外光譜圖，并對(duì)譜圖進(jìn)行了一階導(dǎo)數(shù)的處理，建立了相應(yīng)的分析模型，該模型能夠快速有效地鑒別纖維。錢微君[5]等人對(duì)棉、麻纖維進(jìn)行了紅外光譜鑒別，兩種天然纖維素纖維的一維譜圖差別較小，但可以通過(guò)二維相關(guān)譜圖進(jìn)行明顯區(qū)別，二維相關(guān)紅外光譜圖的應(yīng)用相應(yīng)地?cái)U(kuò)大了纖維鑒別的范圍。金亞雯等人[6]對(duì)棉、粘纖、莫代爾、萊賽爾纖維進(jìn)行紅外分析，4種纖維素纖維的紅外光譜圖上的主要吸收譜帶相近，但通過(guò)二階導(dǎo)數(shù)紅外譜圖可進(jìn)行天然纖維素纖維與再生纖維素纖維種類的具體區(qū)分。賈凱凱等人[7]首先建立了天然纖維素纖維與再生纖維素纖維、竹類纖維和麻類纖維、竹漿纖維和粘膠纖維的3個(gè)紅外光譜校正模型，可以清晰快速地對(duì)竹纖維和竹漿纖維進(jìn)行鑒別，且避免了纖維物理性能相近對(duì)紅外光譜分析的影響，從而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷的纖維鑒別。

2.2 多組分纖維的定性分析

對(duì)于二組分和多組分混合物的定性鑒別同樣可以采用紅外光譜法。柴金朝等人[8]采集棉/滌、棉/氨等6種混紡布料的紅外圖譜，先對(duì)圖譜進(jìn)行了一階求導(dǎo)的預(yù)處理，再用化學(xué)計(jì)量方法建立聚類模型，對(duì)布料分別進(jìn)行了聚類，該模型能夠正確地區(qū)分各類布料，說(shuō)明近紅外光譜分析方法對(duì)于混合織物定性分析的可行性。一些研究者利用紅外光譜法在多組分纖維定性分析的應(yīng)用，將其用于廢舊棉紡織物中雜質(zhì)的檢測(cè)[9]。例如，李海洋等人[10]在對(duì)棉的混紡織物進(jìn)行紅外光譜分析時(shí)，建立了相關(guān)纖維的近紅外光譜分類模型，該模型預(yù)測(cè)精度高，且模型明顯具有更好的穩(wěn)定性，為廢舊紡織品的大規(guī)模精細(xì)分揀和分級(jí)奠定了一定的基礎(chǔ)。

3 紅外光譜法對(duì)紡織纖維定量研究

3.1 常規(guī)方法下的纖維定量分析

近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外所研究的紅外光譜分析法已經(jīng)不限于纖維的定性鑒別，同樣可用于纖維的定量分析中，且可以實(shí)現(xiàn)大部分的兩組分混紡纖維的分析。常規(guī)的利用紅外光譜定量分析的方法，是通過(guò)特征吸收峰的強(qiáng)度、面積，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線法、內(nèi)標(biāo)法、求解聯(lián)立方程等來(lái)確定混紡中纖維的混紡比。吳世容[11]對(duì)木棉/棉的混紡織物中木棉含量的中紅外光譜研究，紅外光譜中吸收峰的面積與木棉含量的呈線性關(guān)系，因此根據(jù)所得的標(biāo)準(zhǔn)曲線可以確定木棉/棉混紡織物中木棉的含量。韓非等人[12]同樣使用了紅外光譜法對(duì)棉/粘混紡纖維中棉含量進(jìn)行檢測(cè)，利用吸光度與含棉量呈線性關(guān)系的方程推斷棉纖維含量。趙珍玉等人[13]針對(duì)紗線顏色對(duì)混紡織物紅外光譜的影響，采用織物脫色、粉碎處理，再用近紅外法進(jìn)行線性預(yù)測(cè)，能夠得到很好的檢測(cè)。但是紅外光譜在定量分析中的應(yīng)用效果其實(shí)遠(yuǎn)不如紫外可見(jiàn)光譜法，主要是其圖譜具有一定的復(fù)雜性，峰的距離太近容易產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，且外界條件如水分、溫度、氣氛等不確定因素都會(huì)對(duì)紅外光譜技術(shù)產(chǎn)生影響，因此紅外光譜法在纖維定量分析中的應(yīng)用有一定的局限性。

3.2 多元校準(zhǔn)法下的纖維定量分析

除了通過(guò)線性計(jì)算等常規(guī)的定量分析方法以外，紅外光譜分析法還結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)，采用建模和光譜信號(hào)分析的方法進(jìn)行纖維的定量分析。而多元校正法又是化學(xué)計(jì)量學(xué)中的一個(gè)重要部分，常用來(lái)解決復(fù)雜體系中的問(wèn)題。目前用于近紅外光譜定量分析的多元校正方法主要有主成分回歸(PCR)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、偏最小二乘法(PLS)、逐步回歸等[14-15]。劉榮欣[16]以毛滌混紡面料為研究對(duì)象，利用近紅外光譜法，并分別結(jié)合多元線性回歸、PCR、PLS分析模型對(duì)毛滌混紡面料的混紡比進(jìn)行了研究，其中偏最小二乘回歸分析模型的模擬結(jié)果最優(yōu)。趙珍玉等[17]應(yīng)用近紅外光譜法對(duì)羊毛/聚酯混紡產(chǎn)品進(jìn)行定量分析，對(duì)樣品進(jìn)行了分類與光譜預(yù)處理，采用PLS建立定量分析模型，從而定量分析羊毛與聚酯混紡比。韋樹琛等人[18]針對(duì)廢舊紡織品回收利用的問(wèn)題，收集了各類滌綸混紡織物，在初始紅外光譜圖的基礎(chǔ)上，采用PLS法建立了廢舊聚酯纖維制品的近紅外定量分析模型，這個(gè)模型可以檢測(cè)出不含雜質(zhì)的滌綸織物，對(duì)于廢舊織物的回收利用起到了作用。SHI Yao等人[19]以598件廢棉滌混紡織物為研究對(duì)象，利用便攜式近紅外光譜儀對(duì)樣品的近紅外光譜進(jìn)行了測(cè)定，并采用偏最小二乘法，結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)、平滑法、均值定心法和正交信號(hào)校正法，建立了廢滌棉混紡織物的定量分析模型，將近紅外技術(shù)與模型相結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)廢滌棉混紡法布里纖維的含量。Li Feng等人[20]采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)354種滌棉混紡織物進(jìn)行了研究，建立了近紅外定性分析模型最小二乘法與定性識(shí)別系數(shù)相結(jié)合，并將樣本分為正譜樣本集和斜譜樣本集兩類，分別建立了近紅外定性分析模型。建立模型后，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)預(yù)處理方法和因素進(jìn)行優(yōu)化，模型具有可靠性和操作性。除了上述兩組分之間混紡比的測(cè)量之外，目前也有研究對(duì)于多組分（三組分及以上）混紡織物在紅外光譜法的定量分析。楊欣卉等人[21]收集138個(gè)棉/滌/氨三組分的樣品，采用PLS建立該類織物纖維成分含量定量分析的校正模型，提高了多組分纖維的檢測(cè)精準(zhǔn)性。

4 紅外光譜法對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

4.1 紡織纖維的結(jié)構(gòu)分析

在紅外光譜圖中，隨著纖維結(jié)構(gòu)中結(jié)晶度的不同，對(duì)于譜帶也會(huì)產(chǎn)生一定影響。通常，將與結(jié)晶度成正比的譜帶稱為結(jié)晶譜帶，與結(jié)晶度成反比的稱為非結(jié)晶譜帶，而與結(jié)晶度變化無(wú)關(guān)的譜帶則稱為參考譜帶。根據(jù)這3種譜帶的特性，可以用于不同纖維結(jié)晶譜帶的鑒別以及同種纖維結(jié)構(gòu)的變化。付春生等人[22]研究溫度對(duì)于錦綸結(jié)構(gòu)的變化，通過(guò)紅外光譜法技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)錦綸分子中晶區(qū)與非晶區(qū)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性不同，在晶區(qū)對(duì)于溫度的敏感性要高于非晶區(qū)。除了結(jié)晶度以外，纖維大分子的取向度、大分子鏈的排列方式等都會(huì)在紅外光譜圖上有一定的顯示。纖維分子上的某些化合物的官能團(tuán)具有一定的方向性，如果受到的光的振動(dòng)不同，光譜圖也會(huì)有所不同，從而可以研究大分子鏈的取向結(jié)構(gòu)和取向度。耿響等人[23]應(yīng)用PLS分別建立了棉、麻纖維取向度的定量分析模型，通過(guò)該模型可以預(yù)測(cè)棉、麻取向度的大小，由此來(lái)鑒別兩種纖維。在棉纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，棉纖維的成熟度會(huì)影響到紡織品的質(zhì)量，在不同成熟階段的棉纖維，其含有的纖維素的含量會(huì)有所不同，則在紅外光譜吸收譜帶的強(qiáng)度也會(huì)有所不同，因此可以通過(guò)紅外光譜測(cè)試棉纖維的組分含量，對(duì)生產(chǎn)加工過(guò)程在棉纖維的成熟度進(jìn)行控制。棉纖維在不同成熟階段，其纖維素與非纖維素物質(zhì)的含量不同，采用紅外光譜法對(duì)纖維素含量的檢測(cè)，可以判斷棉纖維的成熟度，從而加以控制。

4.2 紡織纖維性能分析

纖維經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)等處理方式進(jìn)行改性，這種改性往往會(huì)造成纖維大分子鏈的變化、化學(xué)成分的改變，通過(guò)紅外光譜法的檢測(cè)，可以從特征吸收峰強(qiáng)度的變化推斷出纖維性能的變化。張鑠等人[24]用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜技術(shù)研究了亞麻纖維的一維和二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜隨溫度變化的情況，從而分析了亞麻纖維的熱穩(wěn)定。纖維的回潮率或者含水率同樣對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的影響，常規(guī)方法是采用烘干法，但是這種方法存在時(shí)間長(zhǎng)、易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)，而紅外光譜法卻可以簡(jiǎn)單地判斷出水分的含量，根據(jù)水的特征吸收峰的強(qiáng)度進(jìn)行判斷，因此在棉纖維的生產(chǎn)中，可以采用紅外光譜對(duì)棉纖維中的含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的可控性[25]。

5 結(jié)語(yǔ)

紅外光譜技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使紅外光譜在紡織品中的應(yīng)用不僅僅局限在了化合物組成推斷的階段，紅外光譜技術(shù)與其他檢測(cè)方式的結(jié)合，使紡織品檢驗(yàn)的精準(zhǔn)性、多樣性得到提高，例如紅外光譜技術(shù)與色譜、質(zhì)譜的聯(lián)用，顯微鏡觀察法的結(jié)合等。紅外光譜法應(yīng)用的不斷拓展，為推動(dòng)傳統(tǒng)紡織業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步起到了重要作用。但因?yàn)榧徔椨美w維的多樣性和復(fù)雜性，使得紅外光譜在紡織檢測(cè)中的應(yīng)用也存在一定的局限性。紅外光譜法分析最重要的部分是對(duì)于樣品紅外光譜圖的大量采集和模型的建立及校正，如果想要獲得更加精準(zhǔn)的結(jié)果，需要花費(fèi)較多的時(shí)間；且由于紅外儀器的不同，想要得到準(zhǔn)確的校正模型也比較困難，同一個(gè)模型有時(shí)候不能適用于對(duì)應(yīng)纖維的檢測(cè)，且對(duì)于不同的織物組織結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程中染料、助劑的添加對(duì)于紅外光譜的檢測(cè)分析都有一定的影響，因此需要更深一步的研究與發(fā)展。