傅立叶红外光谱技术在纤维成分检验中的应用

2017-01-20陈向标罗永文

中国纤检 2016年12期

陈向标+罗永文

摘要：文章介绍了傅立叶红外光谱（FTIR）在纤维检验中的基本原理和常用的红外光谱技术，并主要讲述了傅立叶红外光谱技术在纤维成分检验中的应用进展，包括在纤维定性和定量方面中的研究进展。

关键词：红外光谱；纤维；定性；定量

1 傅立叶红外光谱（FTIR）在纤维检验中的基本原理

傅立叶变换红外光谱仪（简称FTIR）具有扫描速度快、高分辨率、测定光谱范围宽等特点，并配备有功能很强的计算机系统，已经成为最有用的分析手段之一。在纺织品纤维检验中，当连续波长的红外光照射到纤维样品时，纤维分子就会选择吸收与其所含官能团固有振动频率相等的红外光，发生能级的跃迁，从而产生红外吸收光谱。红外光谱中的每一个特征吸收谱带都包含了试样分子中基团和化学键的信息。不同纤维的官能团不同，或单体的连接方式和空间相对关系不同，其产生的红外吸收峰的峰位和强度都会有所差异，将试样的红外光谱与已知红外光谱进行比较从而鉴别出纤维来[1]。

傅立叶变换衰减全反射红外光谱法（ATR-FTIR）是分析物质表层成分结构信息的一种技术，它具有对样品无破坏性、操作方便迅速、灵敏度高等优点[2]。ATR-FTIR可以有效地得到聚合材料的红外图谱，制样简单、非破坏性、能够保持样品原貌进行测定，可以实现原位、实时、无损测量，这对于各种纤维成分的定性鉴别特别方便。ATR 光谱法是一种表面取样技术，所获得的主要是样品表面层的光谱信息，因此尤其适合观测样品表面的变化[3]。

2 在纤维成分检验中常用的红外光谱技术

2.1 FTIR透射光谱技术

常规FTIR透射光谱分析方法不仅可以鉴定未知纤维的种属，还可以对简单的混纺样品进行混纺率的定量测定等，该方法比较成熟，被广泛地应用在纤维检验实践中。透射红外光谱分析方法，重点是样品的制样过程，不同的纤维要选择不同的制样方法，否则就会得不到预期的效果。制样方法主要有溴化钾压片法和溶解薄膜法、熔融铸膜法。溴化钾压片法适用于可用切片切成粉末的纤维，溶解薄膜法适用于锦纶、醋纤、氯纶等纤维，熔融铸膜法适用于热塑性合成纤维。上述制样方法都存在过程繁琐的缺点，近年来各种现代化红外附件的成功应用，为FTIR纤维检测提供了很大的便利[1]。

2.2 衰减全反射红外光谱技术

为克服红外光谱制样繁琐以及某些样品难以制样的不足，20 世纪 60 年代初出现了衰减全反射（ Attenuated Total Refraction，ATR）红外附件。80 年代初将 ATR 技术开始应用到傅立叶变换红外光谱仪上，产生了傅立叶变换衰减全反射红外光谱仪（ Attenuated Total internal Reflectance Fourier Transform Infraredspectroscopy，简称 ATR-FTIR） [4]。ATR 的应用极大地简化了测试的流程，使纤维成分的检测变得方便而快捷。ATR技术对于分析纺织纤维样品，分析速度快、对样品无损坏、不消耗化学药品，结果准确可靠。

当二组分混合纤维的混合比在30%～70%范围内时，多数混合纤维的ATR谱图中出现两种纤维的独立特征峰，据此可以鉴别混纺纤维。少数难以鉴别的混纺纤维，可以先确定一种纤维，再以其作为参比光谱做差谱分析，从而对第二组分纤维进行定性分析。由于对光谱差减的次数越多结果越不可靠，因而目前运用ATR法鉴别混纺织物主要二组分织物和少数三组分织物，四组分以上的就很困难了。这也是红外光谱仪不能大量有效应用在纤维定性分析上的主要原因之一[5]。

2.3 近红外漫反射光谱分析

因为物体对光的散射率随波长的减少而增大，近红外谱区光的波长比中红外区短，其散射的效率比中红外区高，因此近红外谱区适合做漫反射光谱或散射光谱分析，可以得到较高的信噪比和较宽的线性范围。适用于固态、液体和气态样品的检测。近红外光谱的信息量丰富、图谱的稳定性高、取得图谱比较容易，结合现代数学方法和计算机技术，可以从复杂背景中提取微弱信息[6]。通过将近红外光谱所反映的样品基团或组成与用参比方法测得的数据采用化学计量学方法建立校正模型，然后通过对未知样品光谱的测定和建立的校正模型来快速预测其组成[7]。近红外漫反射光谱分析是一种极有发展前途的光谱技术。

2.4 显微红外光谱技术

傅立叶变换红外光谱加一个红外显微镜附件就可进行显微红外光谱分析，可以进行单根纤维的检测。显微傅立叶变换红外光谱法是一种微量分析技术，它的特点有：灵敏度高，检测限低，极少的样品（几纳克）就能获得很好的红外光谱图；样品制备简单，对不透光样品可直接测定反射光谱；显微镜光路调节简单，容易实现显微镜对样品待分析部位定位；分析过程不会对样品有任何损坏。在纤维检验中能够进行种类鉴别，同时能够鉴别单根双组分纤维的成分，从而为各种混纺纤维的鉴别提供简便有效的方法。

3 红外光谱技术在纤维成分检验中的研究进展

3.1 红外光谱技术在纤维定性中的应用研究

关于红外光谱技术在纤维定性中的应用已经比较成熟。近来的文献主要集中在快速检测技术上。烟台市产品质量监督检验所的孙琳琳等人利用傅立叶红外光谱（ ATR）对某单位送检两件未知纤维样品进行鉴别，并且对比了傅立叶红外光谱（ ATR）法和依据纺织行业标准 FZ /T 01057. 8—1999 红外光谱法两种方法所得纤维样品的红外谱图，所得测试结果一致。证明ATR法具有分析速度快、样品需求量小、对样品无损、不消耗检材、结果准确可靠的特点[8]。

辽宁警官高等专科学校的阎巍等人利用傅立叶红外光谱（ATR）法对不同品牌不同厂家以及同一品牌不同颜色的各组的羊绒、腈纶等纤维样品进行检测，其试验可以快速、准确地鉴定出上述各组纤维[9]。

浙江省纺织测试研究院的王晓晴等人采用傅立叶衰减全反射红外光谱技术（FTIR-ATR）对新型功能性纤维——海藻纤维进行红外光谱扫描，对比了散纤维和无纺布两种外观形态下的海藻纤维红外光谱图，其分析得出：在3300cm-1左右出现的宽峰、1200 cm-1～1000 cm-1处的较强吸收峰、1610cm-1～1560cm-1和1440cm-1～1360cm-1之间的强吸收尖峰可以一同构成鉴别海藻纤维的特征峰。试验结果表明，用FTIR-ATR技术可以快速、有效地鉴别出海藻纤维[10]。

3.2 红外光谱技术在纤维定量中的应用研究

在红外光谱技术中，近红外光谱在纤维定量分析中应用相对较广。在混纺纤维含量测定方面，2010年，吕丹[11]利用近红外光谱技术，利用主成分分析法和多元线性回归方法建立了不同产地羊绒-羊毛混纺纤维的定量分析模型，研究结果表明：定量分析模型的相关系数和预测标准偏差达到了1.2061，能够对羊绒-羊毛混纺纤维的含量进行准确的预测。

同年，杨萌[12]用46个棉/氨混纺样品建立了分析精度较高的近红外光谱分析模型，用于检测棉/氨混纺产品中氨纶含量，模型的相关系数达到0.99，预测结果证实了利用近红外光谱技术快速检测棉/氨混纺产品的可行性。

与近红外相比，中红外更多地应用到定性分析，随着红外光谱研究的不断深入，中红外也被应用于混合物的定量分析。2010 年陶丽珍等[13] 选取 2900cm-1、1717cm-1、721cm-1特征吸收峰作为定量分析峰，用溴化钾压片的制样方法，对比分析了运用峰面积比测定涤/棉混纺比的方法，得出结论是比值法测试精度更高。

纤维混纺比定量分析主要集中在两组分混合物的分析。对于多组分的定量，国内研究并不是很多。陈斌、蔡斌[14]采用信号分析理论中的相关分析技术，将三组分的涤纶-棉-毛样品与二组分的棉-毛样品进行相关分析，建立了基于偏最小二乘（PLS）方法的近红外校正模型，并对余下样品进行了预测分析。结果表明，借助相关分析算法，毛含量的预测相对均方差和相关系数分别从3.5575、0.9855提高到2.7835、0.9876。试验证明，多组分相关分析技术可以在复杂混合样品中提取出待测组分的近红外光谱信息，为建立较高精度的校正模型创造了条件。

参考文献：

[1] 王建滨，刘世玲，任晓慧.傅立叶红外光谱及附件技术在检验纤维中的应用[J].中国纤检，2011（9）：59-61.

[2] 刘净维，董建朋.傅立叶衰减全反射红外光谱法在纺织与印染中的应用与进展[J].中国商界，2008（5）：252-253.

[3] 陆永良，沈维，刘艳.红外光谱差减技术在纺织品定性分析中的应用[J].上海纺织科技，2010，38（7）：1-4.

[4] 黄红英，尹齐和.傅里叶变换衰减全反射红外光谱法（ATR-FTIR）的原理与应用进展[J]. 中山大学研究生学刊（自然科学、医学版），2011，32（1）：20-31.

[5] 韩非，杨瑜榕，刘贵，等.红外光谱在纤维定性定量分析中的应用[J].中国纤检，2012（10）：55-59.

[6] 王小天.相关分析技术在纺织纤维近红外快速检测中的应用[D].苏州大学硕士学位论文，2007.

[7] 姜伟.植物纤维原料化学定量方法研究及其近红外预测模型构建[D].东华大学博士学位论文，2013.

[8] 孙琳琳，张磊，迟晓红.傅立叶红外光谱法鉴别纺织纤维[J].材料开发与应用，2015（6）：89-91.

[9] 阎巍，张金庄.傅立叶红外光谱（ ATR ）法检验纺织纤维[J].辽宁警专学报，2007，11（6）：35-37.

[10] 王晓晴，廖艳芝，严方平，等.基于傅立叶衰减全反射红外光谱技术的海藻纤维鉴别分析. [J].中国纤检，2015（5）：66-68.

[11] 吕丹，于婵，赵国樑.利用近红外光谱进行羊绒与羊毛的鉴别技术研究[J].北京服装学院学报，2010，30（2）：29-34.