红外光谱仪技术的纺织品检测应用
发布时间：2023-04-25来源：网络点击：次
近年来，随着国民经济的增长，人们对纺织品的质量有了越来越高的要求，许多新兴研发的技术在纺织品各道工序中得到广泛应用，例如红外光谱技术、加速溶剂萃取法、高效液相色谱分离、原子荧光测定法。与传统人工检测相比，新技术的应用效率更高、检测结果更精准，极大地提高了纺织品检测工作的效率和质量，推动了纺织行业的发展。
1 常见的纺织品检测项目
纺织纤维经过加工织造而成的产品即纺织品。常见的纺织品有床单、被套、衣物、帽子窗帘和医用纺织品（如口罩等）。纺织品的功能和材料多种多样，在人们生活中用途广泛，不同比例的材料组合会影响纺织品的穿着体验和外观审美，不同级别的纺织品在柔软度方面也存在较大的差异。此外，不同比例的纺织面料在洗涤方面发生的损耗、变形等会影响衣物的外观[1,2]，纺织品生产环境的卫生情况会影响衣物细菌的数量和生产制作过程中用到的各种化学试剂之间的反应，残留的化学物质对人体的健康有很大影响。因而，对纺织品的检测非常有必要。常见的纺织品检测主要侧重以下方面。
1.1 抗菌检测
自然环境中存在各类真菌和细菌，这些微生物在合适的环境下会迅速繁殖，有些有害微生物会影响人类的身体健康，特别是人们皮肤直接接触的纺织面料，更是成为细菌繁衍和传播的重要载体，因此，对纺织品的抗菌检测十分重要[3]。由此，抗菌纺织品应运而生，被广泛应用于内衣、内裤、袜子、鞋垫、床上用品、汽车坐垫等。
1.2 色牢度测试
颜色是纺织品设计的关键要素，色牢度在很大程度上会影响纺织品的外观，因而对色牢度的检测十分重要。许多因素会影响纺织品的色牢度，例如洗涤试剂、光照、汗液浸渍、摩擦、干燥等。常见的色牢度测试项目包括耐洗色牢度、耐汗渍色牢度、耐氯水色牢度、耐光照色牢度和耐摩擦色牢度等。
1.3 成分分析
纺织品的成分对纺织品的质量影响重大，常见的检测成分有棉、麻、毛、丝、涤纶、粘胶、涤纶、锦纶和含绒量等。成分检测也包括对纤维的定性分析，定性分析法有燃烧法、熔点法、手感目测法、显微镜切片分析法。
1.4 环保检测
环保检测主要检测纺织品各项化学物质是否达到环保标准，需要检测的项目种类众多，主要有甲醛含量、pH值、重金属含量、偶氮染料、致敏性分散染料、致癌染料、镍释放量、邻苯二甲酸盐含量、氯化有机载体和氯苯酚、总铅含量等[5]。
1.5 功能性测试
纺织品的功能性主要反映在纤维的各项性能上，例如吸湿快干性、抗菌性、抗静电性、防皱免烫性、防紫外线性、易去污性、防辐射性、抗起球性等。纺织品的功能性既影响穿着舒适性，又影响纺织品的外观，此外，还关乎纺织品的保养和功能设计[6]。在纺织品检测中，功能性检测占据重要地位。
2 红外光谱技术
2.1 红外光谱的概念
红外光谱技术基于分子吸收光谱，通过物质在分子层面对红外光的吸收发挥作用，其原理在于分子的振动能级跃迁。所谓的分子振动，也就是化学键振动。这种振动是分子内原子之间的相对往返运动，具有一定周期性。常见的分子振动包括两种方式，即伸缩振动和弯曲振动。通常情况下，伸缩振动的力是大于弯曲振动的。
2.2 红外光谱吸收的条件
红外吸收需要两个条件：第一，红外辐射光子能量与分子振动能级跃迁需要的能量相同，即可激发物质在红外波段的特征吸收；第二，分子振动量子数差值和分子振动频率的乘积与红外辐射频率相同。
2.3 红外光谱技术检测原理
红外光谱技术在纺织品检测中常见于成分定性和定量检测。其原理是分子振动的频率与化学键的原子质量、力常数息息相关，这种关系建立在分子内部原子的组成和排布结构基础上。红外吸收能够表征物质的分子组成和结构，其特异性一般较高，正是基于这一特点，红外光谱技术被广泛应用于纺织品的成分定性和定量检测。
3 红外光谱技术在纺织品检测中的应用
3.1 红外光谱技术在纺织品检测中的应用原理
当前，人们应用红外光谱检测技术进行检测时，常需要用到一种设备，即傅里叶变换红外光谱仪（以下简称红外光谱仪）。
红外光谱仪是记录通过样品的红外光透射率或吸光度随波束变化的一种仪器，其种类繁多。常见的红外光谱仪有以下两种：色散性红外分光光度计和干涉型傅里叶变换光谱仪。目前，纺织品检测中用到的多为干涉型傅里叶变换光谱仪。
(1）色散型红外光谱仪。色散型红外光谱仪结构简单，一般包括光源、单色器、检测器、放大器、记录装置。
(2）傅里叶变换光谱仪。具有代表性的傅里叶变换光谱仪一般由红外光源、干涉仪系统、样品室、红外探测器系统、数据处理、显示系统等构成，具体结构如图1所示。
人们通过测试试样在特定频段的红外线穿透或反射后选择性吸收的某些频段光能记录生成的红外光谱图谱，分析此红外光谱图谱中高分子材料结构的显现特征，特别是其吸收峰的峰值位置和峰形结构，从而判断检测样品材料的成分或性能。
借助红外光谱图可以快速判别化合物的结构，纺织领域的定量分析就是基于这一优势进行的。在具体开展测试时，可以按照样品的性质和特征选取合适的红外检测技术，获取想要的分析结果，例如纺织品中化合物的种类、分子结构和纤维含量等。
3.2 红外光谱技术在纺织品检测中的应用方法
不同领域应用红外光谱仪的方式不同、检测需求不同，因而红外光谱的制作方式也迥然不同。文章从纺织品纤维检测入手，探讨红外光谱技术在纺织品检测中的应用。因为纺织品纤维多为固态纤维状，溴化钾压片法和衰减全反射法比较适合用于纺织领域的红外光谱制样，所以实验主要选取这两种制样方式来探讨具体的操作方案。
(1）溴化钾压片法。溴化钾压片法相对复杂，其操作环节较多，试验前需要做较多的准备工作。
首先，取适量试验用纺织样品，用合适的切片器将纺织样品切碎备用。其次，称取适量样品与溴化钾混合，将混合物通过玛瑙研钵细细研磨捣碎，直到二者完全混合。最后，取适量混合物，压模并利用压片机制成溴化钾盐片。这样获得的图谱出峰情况较为完整，吸收峰的强度也利于控制。
由于溴化钾压片试样是干燥无水的，获得的吸收光谱非常完整，对光的散射影响不大，取样精度高，获得的结果较为精准，这种方法不仅在纺织品纤维定性测试中效果较好，在纺织品纤维定量测试分析中也有同样好的效果。
当红外光谱仪发射出的红外光穿透样品表层时，由于穿透角度不同，红外光在样品上发生了全反射现象，如图2所示。同时，红外光只能穿透表层靠内的部分，此后立即折回，并再发生反射，依据就是反射次数越多，能量越少。
(2）衰减全反射法。衰减全反射在某一次过程中吸收的能量是有一定限度的，采用这种方式获得的图谱吸收峰一般很弱。要想增强吸收峰的强度，就必须增加全反射的次数。纺织品中用衰减反射法获得的有效信息主要是关于样品表面的，因此该技术也被称为表面分析技术。
纺织品中，天然纤维的密实性较强，红外光的穿透能力较弱，其深度甚至只有纳米级，利用红外光检测纤维的密实性，基于红外光难以穿透天然纤维的原理，获得的图谱参考价值不大。为了解决这个问题，衰减全反射法应运而生。如果想要检测纺织品的抗皱性能和免烫性能，衰减全反射法是一个不错的选择。
运用衰减全反射法具体测试时，主要有以下步骤。首先，将纤维样品直接置于检测台上，利用工具压实纤维与检测设备端头的空隙，进而展开检测。其次，为了对比不同纺织面料的抗皱性或免烫性效果，可以通过将不同形态下的纤维面料置于检测仪台面上，对比前后获得的吸收峰形态分析结果。衰减全反射测试法支持非均匀、表面凹凸不平和弯曲样品的微区无损测定，能够得到官能团和化合物在微分空间分布的红外光谱图像。
衰减全反射测试法能够克服传统透射检测法的不足，极大地简化了样品的制作和处理过程，大大缩短了检测时间，拓宽了红外光谱的应用范围，已经成为纺织品领域分析纤维样品表面结构的有效方式，在现代纺织品检测领域有着广泛的应用。
以上两种方法是基于固态纤维的检测方式，实际上，红外光谱技术的应用范围远不止于此。除固态纤维检测外，红外光谱技术还可支持液态、气态物质的定性和定量检测。在纺织品检测中，该技术可用于检测甲醛含量、pH值、重金属含量和总含铅量等关键指标的参数。
3.3 红外光谱技术在纺织品检测应用中存在的不足
当前，红外光谱技术在纺织品纤维固态样品中的检测应用效果较好，但对于纺织品其他形态的样品检测仍然存在一定的局限性。由于红外光谱仪的图像分辨率不高，其误差导致吸收强度增大，分析物吸收宽度值需要作一定调整。有研究指出，当光谱仪的带通为吸收带宽的0.2时，吸收度为1的Lorenzian的测量误差在0.03左右。如果光谱仪的带通是吸收带宽的0.5，那么测量误差最高可达到0.24。同时，由于光谱仪响应具有非线性特征，且随着吸收度的增加权重更高，光谱技术的改进对光谱仪在纺织品检测中的实际应用和范围拓宽有着十分重要的作用。