基于物理法的紡織品導(dǎo)電纖維含量測定研究

文/郭瑾

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紡織品也漸漸不再局限于簡單的布料，而是加入了更多的功能性因子，這些功能性因子不僅能提升紡織品的美觀度，還能實(shí)現(xiàn)防靜電、抗干擾等功能。這些功能性紡織品給人們的生活帶來了便利，也帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。目前，功能性紡織品類型有很多，例如運(yùn)動(dòng)、國防等，都有各自的專屬用途，國際上對(duì)功能性紡織品的需求量也越來越大。導(dǎo)電纖維加入紡織品后可以消除紡織品中的靜電，解決了人們的困擾。常見的導(dǎo)電纖維以滌綸和尼龍為基料，當(dāng)導(dǎo)電纖維與不同成分的纖維混合時(shí)，可以通過化學(xué)方法進(jìn)行定量分析，但常規(guī)的化學(xué)測定方法無法對(duì)導(dǎo)電纖維與其他纖維混紡紡織品進(jìn)行檢測，因此設(shè)計(jì)基于物理法的紡織品導(dǎo)電纖維含量測定方法。

1 基于物理法的紡織品導(dǎo)電纖維含量測定方法設(shè)計(jì)

1.1 篩選導(dǎo)電纖維檢測原材料

導(dǎo)電纖維應(yīng)用的范圍較廣，如抗靜電、導(dǎo)電、電磁波屏蔽等，篩選導(dǎo)電纖維檢測的原材料十分重要，導(dǎo)電纖維檢測原材料的導(dǎo)電顆粒和基體聚合物需要具有更好的相容性。由于PET（聚對(duì)苯二甲酸類塑料）基團(tuán)剛性高，熔點(diǎn)高，分子鏈結(jié)構(gòu)立體化程度高，因此其能夠緊密地聚集在一起。

采用PET作為導(dǎo)電顆粒的規(guī)整度高，不易實(shí)施，碳黑顆粒是大量碳黑微晶圍繞中心密集聚集而成的顆粒狀物質(zhì)，在碳黑顆粒中，碳原子排列成與石墨相同的形狀，形成碳黑準(zhǔn)晶。在碳黑顆粒的準(zhǔn)晶中，碳原子形成規(guī)則的六邊形環(huán)網(wǎng)平面層，碳原子連接的結(jié)構(gòu)稱為碳黑微晶混沌層結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)層面上，這種混亂的碳黑微晶混沌層結(jié)構(gòu)也被稱為初級(jí)結(jié)構(gòu)，具有初級(jí)結(jié)構(gòu)的碳黑顆粒稱為初級(jí)顆粒。球形顆粒是碳黑粒子的最小顆粒，不能與團(tuán)塊分離，只能通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的基本結(jié)構(gòu)，其也是后續(xù)加工和使用過程中的最小單元，這些球形顆粒聚集形成葡萄狀聚集體，聚集體堆積形成更多的聚集體。不同層次之間的力是范德華力，碳黑通常以塊狀存在，因此，本方法將碳黑粒子作為纖維檢測的原材料。

1.2 基于物理法分析紡織品NIR反射光譜特征

由于不同類型樣品的特性不同，通常需要不同的檢測方法，近紅外光譜檢測方法是物理法中的一種，常常可以用來分析NIR反射光譜特征。由于從光源入射點(diǎn)到接收點(diǎn)的光路是恒定的，因此測得的吸光度必須嚴(yán)格符合光源定律。當(dāng)樣品表面發(fā)生漫反射時(shí)，由于樣品的表面效應(yīng)往往會(huì)發(fā)生散射，光的方向和路徑不確定。漫反射檢測可以適用于固體、粉末、液體等各種狀態(tài)的樣品，但大多數(shù)紡織品是薄而輕的，厚度不均勻。在傳統(tǒng)的漫反射檢測中，使用實(shí)驗(yàn)室光譜分析設(shè)備測量紡織品的近紅外光譜時(shí)，大部分光要么直接透過樣品，要么直接散射通過樣品，由于檢測探頭接收到的織物漫反射光非常微弱，影響定量分析的準(zhǔn)確性，因此，本文根據(jù)織物的輕薄設(shè)計(jì)了一種織物近紅外光譜吸光度增強(qiáng)技術(shù)，此時(shí)的NIR反射光譜特征如圖1所示。

圖1 NIR光譜特征

由圖1可知，載荷矩陣表示譜矩陣變化最大的方向，主要反映變量權(quán)重的變化規(guī)律。第三主成分因子對(duì)應(yīng)的載荷向量主要反映了近紅外光譜因詳細(xì)信息而發(fā)生的變化，即頻率振動(dòng)結(jié)合兩倍含氫基團(tuán)引起的光譜峰強(qiáng)度變化。

1.3 建立紡織品纖維測量模型

近紅外光譜采集到的光譜差異不僅受樣品化學(xué)成分的影響，而且也會(huì)受到其他外部因素的影響。影響非化學(xué)成分光譜差異的主要因素有兩個(gè)，即儀器的物理性能和紡織品樣品性能。在紡織品NIR光譜采集中，紡織品NIR光譜受紡織品顏色和織造工藝等物理特性的影響。因此，校正處理方法尤為重要，通常采用光譜校正處理方法來減少或消除物理性質(zhì)的影響。一階和二階導(dǎo)數(shù)可以減去紡織品近紅外光譜的基線漂移量，從而校正光譜，提高光譜的有效性。差分校正處理可以放大有效信息，也可以放大噪聲信號(hào)。因此，導(dǎo)數(shù)通常與平滑算法相結(jié)合，用于光譜校正，基于此建立的纖維測量模型如圖2所示。

圖2 纖維測量模型

由圖2可知，當(dāng)輸入變量為前三個(gè)主成分因子時(shí)，模型的正確判別率達(dá)到100%，但激活函數(shù)對(duì)模型的正確判別率沒有明顯影響。通過網(wǎng)格搜索方法優(yōu)化模型的激活函數(shù)和隱藏層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。當(dāng)隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為0～2時(shí)，正弦激活函數(shù)建立模型的準(zhǔn)確判別率明顯偏低。因此，使用S型激活函數(shù)和徑向基激活函數(shù)，建立的模型比正弦激活函數(shù)要好得多。由于隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量的隨機(jī)性，模型需要比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更多的隱藏層節(jié)點(diǎn)，并且通過優(yōu)化隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可以控制模型計(jì)算時(shí)間。

1.4 實(shí)現(xiàn)紡織品導(dǎo)電纖維含量測定

要實(shí)現(xiàn)紡織品中導(dǎo)電纖維含量測定，需要進(jìn)行實(shí)際測試。首先檢測到的混紡面料由兩種成分組成，即棉和滌綸。根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)，將濃硫酸用蒸餾水稀釋成75%硫酸，冷卻至室溫，作為溶劑，溶解紡織品纖維。將紡織樣品放入錐形瓶中并加入75%硫酸，纖維完全溶解后，用稀氨水作為中和溶液和蒸餾水分別洗滌剩余的纖維，然后通過四芯坩堝過濾。接下來，將剩余的纖維儲(chǔ)存起來，使用恒溫烘箱干燥至少16h。干燥完成后，將剩余纖維放入干燥盤中，冷卻至室溫，用稱重分析天平稱重，計(jì)算出纖維的比例，此時(shí)紡織品的纖維含量如表1所示。

表1 紡織品纖維含量

由表1可知，此時(shí)的混紡織物樣品的纖維含量范圍，也可得知此時(shí)的纖維含量平均值，為了正確劃分建模集和預(yù)測集，建模集中紡織品樣本的含纖維量范圍包括預(yù)測集中紡織品樣本的含纖維量，所有織物樣本按含纖維量從高到低排序，在所有織物樣本中，每4個(gè)樣本被選為預(yù)測集，剩余的樣本作為建模集，建模集與預(yù)測集的織物樣本數(shù)比值

b

固定，其中，建模集有135個(gè)樣本用于建立數(shù)學(xué)模型，其余織物樣本作為預(yù)測集。

2 試驗(yàn)

為了檢測本文設(shè)計(jì)的紡織品導(dǎo)電纖維含量測定方法的測定情況，將其與化學(xué)法進(jìn)行對(duì)比，檢測二者測定準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)如下。

2.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料為羊毛、滌綸纖維和導(dǎo)電滌綸纖維的混紡面料，以及羊毛、滌綸纖維和導(dǎo)電尼龍纖維的混紡面料。試劑為甘油和堿性次氯酸鈉，測試設(shè)備為尼康E200纖維細(xì)度計(jì)、哈氏合金切片機(jī)、載玻片、蓋玻片、顯微鏡。

2.2 試驗(yàn)方法

物理法：首先篩選出原材料，本方法使用的原材料為碳黑粒子，然后基于物理法分析紡織品NIR反射光譜特征，根據(jù)此時(shí)的特征建立紡織品纖維含量測定模型，調(diào)節(jié)此時(shí)的纖維焦距，將切片放到顯微鏡物架臺(tái)，使用設(shè)計(jì)的模型分析此時(shí)纖維的數(shù)量，計(jì)算此時(shí)導(dǎo)電纖維的含量，如式（1）和式（2）所示。

式（1）和式（2）中，

P

代表纖維凈干質(zhì)量百分比，

D

代表導(dǎo)電纖維直徑，

S

代表導(dǎo)電纖維直徑標(biāo)準(zhǔn)差，ρ代表導(dǎo)電纖維密度，

N

代表導(dǎo)電纖維根數(shù)，

P

代表導(dǎo)電纖維凈干質(zhì)量總和，

P

代表導(dǎo)電纖維全部凈干質(zhì)量。

化學(xué)法：選取指定成分的紡織物，須為混紡，包含以羊毛、滌綸為基，加入具有導(dǎo)電性質(zhì)的導(dǎo)電纖維等，根據(jù)紡織品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成分測定，測出此時(shí)紡織物中導(dǎo)電纖維的總含量，依照檢測結(jié)果可知此時(shí)的導(dǎo)電纖維主要是復(fù)合纖維混合物，因此可根據(jù)此時(shí)的纖維含量測定羊毛含量。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

分別使用物理法和化學(xué)法，對(duì)紡織品中的導(dǎo)電纖維含量進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表2所示。

表2 測定結(jié)果

由表2可知，使用化學(xué)法測得的導(dǎo)電纖維含量和使用物理法測得的導(dǎo)電纖維含量不同，物理法測定的偏差更小，因此物理法測定的精度更高。

3 結(jié)束語

綜上所述，及時(shí)對(duì)紡織品中的纖維含量進(jìn)行檢測對(duì)紡織品的研究來說有重要意義，本文設(shè)計(jì)了基于物理法的導(dǎo)電纖維含量測定方法，試驗(yàn)證明，物理法測定的偏差更小，且物理法的試驗(yàn)過程不使用化學(xué)原料，能降低試劑對(duì)環(huán)境的污染，因此，物理法測定有一定的應(yīng)用價(jià)值。