红外光谱仪技术在纺织品检测中的应用研究
发布时间：2024-07-24来源：网络点击：次
红外光谱技术是一种非破坏性分析技术，是研究物质分子中振动和转动能级间的相互关系的一种工具。其原理是利用物质吸收某一特定波长的光后，发生的分子振动和转动能级跃迁产生新的吸收峰这一现象来进行定性或定量分析。与其他分析方法相比，红外光谱技术具有操作简便、成本低、可定性或定量分析、快速、无损等优点，因此被广泛应用于化学分析领域。文章介绍了红外光谱技术在纺织品检测中的应用情况，主要包括对纤维种类和成分的鉴别，对纺织品织物组织结构的分析，对纺织品染色牢度和服用性能的检测，以及对染料回收方面等，重点论述了对混纺纱线的检测。研究表明，利用红外光谱技术的检测结果准确可靠，在纺织品质量控制中具有广阔的应用前景。
1 纤维种类和成分鉴别
1 纤维种类和成分鉴别
纤维的种类和成分鉴别是利用红外光谱技术对纺织品进行检测的主要内容，在红外光谱的研究中，通过对纤维分子结构的分析，可以准确鉴定纤维种类和成分。目前，红外光谱技术主要应用于羊毛、蚕丝、麻、涤纶等天然纤维和聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）等人造纤维中。对天然纤维的检测主要通过对纤维外观形态、颜色等的观察进行区分。将天然纤维与人造纤维放入红外光谱仪中进行检测可以发现，天然纤维呈现出半透明状态，而人造纤维呈现出白色状态；天然纤维具有一定光泽度，而人造纤维具有微弱的光泽；天然纤维具有一定弹性，而人造纤维的弹性则相对较差。此外，从化学组成来看，天然的化纤一般是由碳、氢、氧等元素构成的有机化合物。这些差别都能够通过红外光谱技术进行检测。
目前常用的鉴别方法主要包括显微鉴别法、燃烧法和溶解法等。其中，显微鉴别法主要是将样品放在显微镜下观察其形貌特征或使用特殊仪器对样品进行检测。通过显微镜观察样品的形貌特征，可以确定其化学组成和分子结构。
2 织物组织结构分析
在织物组织结构分析方面应用红外光谱技术，主要是针对不同纺织材料所对应的织物组织进行分析。红外光谱技术可以准确识别不同织物组织结构，还可以根据1 576 cm-1吸收峰的位置来判断织物是否存在组织错位的情况。另外，利用红外光谱技术还可以对不同织物进行鉴别。当其经过高温处理后，会产生一种类似于“波纹”的特殊现象，该现象是由双面平纹组织结构的凹凸不同导致的。利用红外光谱技术可以对这种“波纹”现象进行定性和定量分析。如张秀燕等[1]使用红外光谱技术对纯棉面料进行了鉴别研究，发现在棉织物中存在大量的自由水和结晶水，而在涤纶织物中只存在少量结晶水和自由水。傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术也可以用于纺织品组织结构分析，通过红外光谱技术可以准确识别出这种特殊现象是由表面自由水和结晶水混合引起的。傅里叶变换光谱仪结构框图如图1所示。对双面平纹组织织物而言，这种特殊现象则是由织物正反面纤维具有不同的结晶度造成的。
图1 傅里叶变换光谱仪结构框图
3 纺织品染色牢度和服用性能检测
3.1 色差与染色牢度
颜色差异是指纺织物之间的色差，它包括色度差、色差和色牢度差。在纺织物的使用过程中，由于不同纤维原料、不同织造方法和不同纱线的使用，使纺织品之间存在颜色差异。色差的测定一般采用国际标准，该标准对织物的色差进行了规定，即小于2级。但在实际应用中，由于人的视觉差异、色样本身的色差以及环境光线等因素的影响，纺织品之间会存在一定的色差。目前，国际上通用的检测方法是采用色差分级法。色差分级法是指采用相同的试样和标准色样在一定光源照射下，通过计算机测得两个或多个试样之间的色差等级。这种方法存在主观性强、费时、费力等缺点。为弥补传统色差分级法的不足，近年来国内外学者采用红外光谱技术来评价织物色差[2]。
染色牢度是指纺织品在染色和干燥过程中的稳定性，即染色或干燥后是否会出现褪色、剥落、染色等现象。一般来说，染色牢度越高，纺织品的质量越好，可以抵抗磨损、摩擦和洗涤的影响。但也有一些特殊情况，如化学纤维纺织品在干燥过程中变色和褪色。为了测试织物的染色牢度，需要使用各种类型的染料进行染色，包括活性染料、分散染料、还原染料等，然后需要对染色的织物进行干燥和摩擦测试，以确定它们是否会褪色、剥落或染色。在进行色牢度测试时，需要将织物浸入染色溶液中，然后使用设备检查织物的颜色变化，以检测织物的耐水洗性。运用FTIR技术对纺织品的色牢度进行检测，不但操作简便、结果准确，而且适用于大批量样品的快速检测[3]。
3.2 服用性能
服用性能是指纺织品在穿着和使用过程中的性能，如保暖性、透气性、吸湿性等。要测试织物的服用性能，需要使用各种类型的织物进行测试。例如，合成织物可用于测试其耐磨性和透气性；羊毛织物可用于测试其吸湿性和透气性；丝绸可以用来测试其绝缘性能等。在测试服用性能时，需要使用到各种类型的仪器和设备，以确保测试结果的准确性和可靠性。红外光谱技术是一种广泛应用于纺织品服用性能测试的技术，其主要内容包括利用红外光谱技术，对纺织品中的纤维进行定性、定量分析，进而确定其种类、产地等；利用红外光谱技术，分析纤维在织物中的排列方式、纱线的方向等，进而评价织物的结构；利用红外光谱法测定织物的悬垂性、滑爽性、透气性和吸湿性等服用性能，了解其实际性能；利用红外光谱法测定织物的耐久性能，了解织物的耐洗性和耐擦性；利用红外光谱技术，可有效地控制织物的质量，如染料质量、纱质量、织物质量等。
3.3 甲醛含量
甲醛是一种有毒的化学物质，它能与蛋白质结合，形成蛋白质变性物质，并在人体内通过细菌酶的作用转化为致癌物质，从而危害人体健康。甲醛超标的纺织品对人体健康存在极大危害。目前，对纺织品中甲醛含量的检测方法主要有两种：一种是在甲醛标准样品中加入一定量的甲醛溶液，并通过紫外可见分光光度计检测纺织品中的甲醛含量；另一种是用水溶解织物，再用甲醛标准样品测定织物中的甲醛含量。紫外可见分光光度计只能测定纺织品表面甲醛的含量，而红外光谱技术具有较高的灵敏度，可以检测纺织品中甲醛的含量[4]。该方法能快速、准确地检测纺织品中甲醛含量，对人体健康具有重要意义。另外，红外光谱技术还能对不同种类的织物进行鉴别。因为甲醛无色无味，所以很难发现。然而，红外光谱技术能够区分不同种类的织物，如棉纤维、涤纶、皮革等，从而提高检测效率与准确度。
3.4 其他性能
纤维成分、表面形态和表面粗糙度、织物密度和厚度、强力和伸长率是评价纺织物服用性能的重要指标，它们直接影响纺织品的穿着性能。织物的物理性能主要包括断裂强度、伸长率、断裂伸长率、撕裂强度、剪切强度等。织物的断裂强度是指织物在外力作用下抵抗破坏的能力；伸长率是指织物在拉伸作用下抵抗变形的能力；断裂伸长率是指织物在拉伸作用下抵抗破坏的能力；撕裂强度是指织物在拉伸作用下抵抗破坏的能力；剪切强度是指织物在剪切作用下抵抗破坏的能力。目前，检测纺织品性能主要采用拉伸强力和撕裂强度。拉伸强力是评价纺织物耐磨性和悬垂性的重要指标，可通过拉伸试验对不同织物进行测试，其测试结果能够反映纺织品的断裂强度、断裂伸长率、撕裂强度等性能。然而，拉伸强力和撕裂强度受纤维类型和表面形态等多种因素影响，难以在短时间内准确评价其性能。目前，红外光谱技术可以有效地实现对织物拉伸强力和撕裂强度的测试。
4 染料回收
染料回收是指在使用后将废旧染料从染整加工过程中分离出来，并将其作为再生染料进行重复使用的一种技术。它既可以有效地节约能源，减少废弃物的排放，又可以充分利用可再生资源，实现环境保护和经济发展的双赢。目前，国内外废旧染料回收技术主要有生物法、化学法两种。生物法主要采用微生物分解、微生物酶转化等技术。由于染料的结构复杂，需要在显微镜下才能看清，在应用上存在一定局限性。生物法具有原料来源广泛、成本低廉、工艺简单、环境友好等特点，因而备受研究者的关注。近年来，红外光谱技术在染料回收方面的应用研究也比较广泛，主要采用FTIR技术对废旧活性染料进行研究。将废旧活性染料进行浓缩处理后，分别使用FTIR红外光谱仪和扫描电镜（SEM）对其进行表征，并将二者结果进行比较分析[5]。结果表明，采用FTIR技术分析废旧活性染料可以获得较高的回收率和良好的重现性，同时证明红外光谱技术在染料回收中具有较高的可行性和准确性。它可以提高效率，降低成本，实现可持续发展，具有巨大的应用前景和市场价值。
5 混纺纱线检测
混纺纱线是指两种或两种以上的纤维混纺而成的纱线。由于混纺纱线中纤维种类和比例的不同，导致其性能差异较大。目前，国际上普遍采用红外光谱法对混纺纱线进行定量分析。国内外主要采用偏最小二乘法（PLS）分析法对混纺纱线进行定量分析。PLS分析法是一种基于偏最小二乘法原理的多元线性回归分析方法，其主要思想是在输入变量与输出变量之间建立一种非线性关系，然后利用数学方法求出线性回归方程。通过对一批混纺纱线红外光谱图进行处理，并对处理后的数据进行分析，建立了混纺纱线红外光谱图的PLS模型，结果表明该方法对混纺纱线具有较高的识别准确率。此外，还有学者采用FTIR技术对腈纶和棉混纺纱线进行了定量分析，结果表明红外光谱法能准确地检测出腈纶和棉混纺纱线[6]。
混纺纱线的测试主要是为了对混纺纱的质量、性能进行评价，从而选择合适的纤维原料、生产工艺来满足不同的要求。在实际生产过程中，应充分考虑纤维的种类、长度、直径、强度等因素，以保证所制得的纱线具有良好的品质和性能。在测试混纺纱线前，必须先确定测试设备及样品是否已充分预热，并处于最佳状态。混纺纱线的检测要用到不同种类的试样，样本必须新鲜、干燥、无破损。混纺纱线测试需用专用的实验仪器进行，这些仪器一般都是由实验室或者专业机构提供，以保证测试结果的准确性和稳定性。测试结束后，必须分析并评价所得数据，以判断所制得的纱的质量与性能是否满足要求。资料的处理可包含平均数、变异数等统计分析方法、品质评价及其他分析方法。混纺纱线的检测是一项非常复杂、非常重要的工作。只有严格控制测试条件及测试程序，才能确保所制得的纱线质量与性能符合用户的要求。
6 结束语
红外光谱技术作为一种无损检测方法，被广泛应用于化学分析领域，具有广阔的应用前景。红外光谱技术的研究内容十分广泛，涉及了纤维化学结构、织物组织结构以及染料回收等方面的内容。红外光谱技术在纺织品检测中的应用，主要是为了实现对纺织纤维以及织物组织结构的准确分析，以便进行科学管理和生产。随着科学技术的发展，红外光谱技术将会朝着智能化方向发展，这也为红外光谱技术在纺织品检测中的应用提供了更多可能。虽然目前对红外光谱技术在纺织品检测中的应用仍存在一些不足之处，但相信随着科学技术的不断进步以及人们对红外光谱技术研究的深入，将会有更多的红外光谱分析方法应用于纺织品检测中。