博精科技:紅外光譜在紡織品纖維檢測中的研究與應用

作為紡織品生產加工的大國，紡織品制造在我國有著悠久的歷史，從早期的天然纖維的使用，到現在高性能纖維的應用，從單一組分的織物到多種材料的混合加工，科技的進步使得紡織纖維的檢測難度更進一步。一般普遍紡織品單纖維的定性分析采用的是燃燒法、電鏡目測法，混紡紗的定量分析則采用化學溶解法，即根據纖維自身的性能，采用不同的溶劑對不同纖維進行溶解，用稱重法計算各組分纖維的含量。雖然上述方法都可以準確地得到結果，但是往往耗時較長，且會對試樣產生破壞，同時化學試劑的使用還會對環境產生一定的影響。紅外光譜能夠很好地解決傳統檢測方法存在的缺陷，能夠簡單、快速、最大程度地減少對樣品的破壞，因此對于紡織品纖維的定性、定量鑒別，結構與性能的分析和對紡織品生產過程中監測的應用越來越廣泛。

2 紅外光譜法對紡織纖維定性研究

2.1 單組分纖維的定性分析

對于單組分纖維鑒別，通常是利用纖維自身特征的吸收光譜，通過未知譜圖與標準譜圖對比，得到檢測結果。魏峰等人[1]采集4種動物的毛纖維，用傅里葉變換紅外光譜儀進行了毛纖維的分析，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行不同動物毛的識別。Zhou J等人[2]采用紅外光譜法，根據化學鍵的變化記錄和分析了各纖維對應的光譜特征，快速準確地識別出7種常見的紡織纖維，為后續建立識別的紅外光譜庫提供了依據。在前人大量的試驗與分析中，目前已經建立的可直接用于紡織品鑒別的紅外光譜圖有許多，且常見的純物質的標準譜圖，可以很方便地從標準譜圖集里查到，有些紅外光譜儀軟件自帶譜圖檢索的功能，為試驗研究提供了便利。

開放科學（資源服務）標識碼（OSID):除了對不同種類的纖維進行定性分析之外，紅外光譜也可以用于對性質、結構相近的纖維進行區分，這是因為紅外光譜法中不僅包含了纖維的化學組成信息，同時針對不同纖維的表面物理性能也能在紅外光譜圖中顯示出來。雖然棉和麻、羊毛和羊絨、棉和粘膠等纖維的化學結構相似，但物理特性不同，也可以用紅外光譜法進行分析鑒別。朱軍軍等人[3]采用多種檢測方法等對棉和木棉進行鑒別，其中紅外光譜法對于這兩種纖維能夠精準快速地鑒別，雖然兩種纖維結構相近，紅外譜圖比較接近，但是仍然可以發現不同特征吸收峰的存在，因此可以用來鑒別棉和木棉。王戈等人[4]將紅外吸收光譜技術應用在竹纖維和麻纖維的鑒別中，測試了苧麻纖維、竹原纖維和竹漿纖維的近紅外光譜圖，并對譜圖進行了一階導數的處理，建立了相應的分析模型，該模型能夠快速有效地鑒別纖維。錢微君[5]等人對棉、麻纖維進行了紅外光譜鑒別，兩種天然纖維素纖維的一維譜圖差別較小，但可以通過二維相關譜圖進行明顯區別，二維相關紅外光譜圖的應用相應地擴大了纖維鑒別的范圍。金亞雯等人[6]對棉、粘纖、莫代爾、萊賽爾纖維進行紅外分析，4種纖維素纖維的紅外光譜圖上的主要吸收譜帶相近，但通過二階導數紅外譜圖可進行天然纖維素纖維與再生纖維素纖維種類的具體區分。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個紅外光譜校正模型，可以清晰快速地對竹纖維和竹漿纖維進行鑒別，且避免了纖維物理性能相近對紅外光譜分析的影響，從而可以實現無損傷的纖維鑒別。

2.2 多組分纖維的定性分析

對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，先對圖譜進行了一階求導的預處理，再用化學計量方法建立聚類模型，對布料分別進行了聚類，該模型能夠正確地區分各類布料，說明近紅外光譜分析方法對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用，將其用于廢舊棉紡織物中雜質的檢測[9]。例如，李海洋等人[10]在對棉的混紡織物進行紅外光譜分析時，建立了相關纖維的近紅外光譜分類模型，該模型預測精度高，且模型明顯具有更好的穩定性，為廢舊紡織品的大規模精細分揀和分級奠定了一定的基礎。

3 紅外光譜法對紡織纖維定量研究

3.1 常規方法下的纖維定量分析

近幾年來國內外所研究的紅外光譜分析法已經不限于纖維的定性鑒別，同樣可用于纖維的定量分析中，且可以實現大部分的兩組分混紡纖維的分析。常規的利用紅外光譜定量分析的方法，是通過特征吸收峰的強度、面積，結合標準曲線法、內標法、求解聯立方程等來確定混紡中纖維的混紡比。吳世容[11]對木棉/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系，因此根據所得的標準曲線可以確定木棉/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棉/粘混紡纖維中棉含量進行檢測，利用吸光度與含棉量呈線性關系的方程推斷棉纖維含量。趙珍玉等人[13]針對紗線顏色對混紡織物紅外光譜的影響，采用織物脫色、粉碎處理，再用近紅外法進行線性預測，能夠得到很好的檢測。但是紅外光譜在定量分析中的應用效果其實遠不如紫外可見光譜法，主要是其圖譜具有一定的復雜性，峰的距離太近容易產生重疊現象，且外界條件如水分、溫度、氣氛等不確定因素都會對紅外光譜技術產生影響，因此紅外光譜法在纖維定量分析中的應用有一定的局限性。

3.2 多元校準法下的纖維定量分析

除了通過線性計算等常規的定量分析方法以外，紅外光譜分析法還結合化學計量學，采用建模和光譜信號分析的方法進行纖維的定量分析。而多元校正法又是化學計量學中的一個重要部分，常用來解決復雜體系中的問題。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)、人工神經網絡(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象，利用近紅外光譜法，并分別結合多元線性回歸、PCR、PLS分析模型對毛滌混紡面料的混紡比進行了研究，其中偏最小二乘回歸分析模型的模擬結果最優。趙珍玉等[17]應用近紅外光譜法對羊毛/聚酯混紡產品進行定量分析，對樣品進行了分類與光譜預處理，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]針對廢舊紡織品回收利用的問題，收集了各類滌綸混紡織物，在初始紅外光譜圖的基礎上，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，這個模型可以檢測出不含雜質的滌綸織物，對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象，利用便攜式近紅外光譜儀對樣品的近紅外光譜進行了測定，并采用偏最小二乘法，結合一階導數、平滑法、均值定心法和正交信號校正法，建立了廢滌棉混紡織物的定量分析模型，將近紅外技術與模型相結合，可以快速準確地預測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對354種滌棉混紡織物進行了研究，建立了近紅外定性分析模型最小二乘法與定性識別系數相結合，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，根據驗證結果對預處理方法和因素進行優化，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量之外，目前也有研究對于多組分（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精準性。

4 紅外光譜法對纖維結構與性能研究

4.1 紡織纖維的結構分析

在紅外光譜圖中，隨著纖維結構中結晶度的不同，對于譜帶也會產生一定影響。通常，將與結晶度成正比的譜帶稱為結晶譜帶，與結晶度成反比的稱為非結晶譜帶，而與結晶度變化無關的譜帶則稱為參考譜帶。根據這3種譜帶的特性，可以用于不同纖維結晶譜帶的鑒別以及同種纖維結構的變化。付春生等人[22]研究溫度對于錦綸結構的變化，通過紅外光譜法技術可以發現錦綸分子中晶區與非晶區結構的熱穩定性不同，在晶區對于溫度的敏感性要高于非晶區。除了結晶度以外，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具有一定的方向性，如果受到的光的振動不同，光譜圖也會有所不同，從而可以研究大分子鏈的取向結構和取向度。耿響等人[23]應用PLS分別建立了棉、麻纖維取向度的定量分析模型，通過該模型可以預測棉、麻取向度的大小，由此來鑒別兩種纖維。在棉纖維的生產過程中，棉纖維的成熟度會影響到紡織品的質量，在不同成熟階段的棉纖維，其含有的纖維素的含量會有所不同，則在紅外光譜吸收譜帶的強度也會有所不同，因此可以通過紅外光譜測試棉纖維的組分含量，對生產加工過程在棉纖維的成熟度進行控制。棉纖維在不同成熟階段，其纖維素與非纖維素物質的含量不同，采用紅外光譜法對纖維素含量的檢測，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

纖維經過物理、化學等處理方式進行改性，這種改性往往會造成纖維大分子鏈的變化、化學成分的改變，通過紅外光譜法的檢測，可以從特征吸收峰強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研究了亞麻纖維的一維和二階導數紅外光譜隨溫度變化的情況，從而分析了亞麻纖維的熱穩定。纖維的回潮率或者含水率同樣對于產品的質量有一定的影響，常規方法是采用烘干法，但是這種方法存在時間長、易受環境影響等缺點，而紅外光譜法卻可以簡單地判斷出水分的含量，根據水的特征吸收峰的強度進行判斷，因此在棉纖維的生產中，可以采用紅外光譜對棉纖維中的含水量進行監測，達到產品質量的可控性[25]。

紅外光譜技術的發展，已經使紅外光譜在紡織品中的應用不僅僅局限在了化合物組成推斷的階段，紅外光譜技術與其他檢測方式的結合，使紡織品檢驗的精準性、多樣性得到提高，例如紅外光譜技術與色譜、質譜的聯用，顯微鏡觀察法的結合等。紅外光譜法應用的不斷拓展，為推動傳統紡織業技術的發展和進步起到了重要作用。但因為紡織用纖維的多樣性和復雜性，使得紅外光譜在紡織檢測中的應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的結果，需要花費較多的時間；且由于紅外儀器的不同，想要得到準確的校正模型也比較困難，同一個模型有時候不能適用于對應纖維的檢測，且對于不同的織物組織結構，加工過程中染料、助劑的添加對于紅外光譜的檢測分析都有一定的影響，因此需要更深一步的研究與發展。