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红外光谱技术在纺织品检测中的应用

时间:2021-03-12 作者:admin 点击:0

 
 
      傅里叶变换红外光谱仪,简称为红外光谱仪。通过傅里叶红外光谱仪所得到的图谱是由测试试样在特定频段的红外线穿透或反射之后,选择吸收某些频段的光能,并记录在红外光谱图谱上。此时高分子材料结构的显现特征会直接显示在图谱上,根据傅里叶红外光谱仪显示的峰值位置和峰形结构可以作为判断这种材料的依据。因此,不管对于已知的化合物,还是未知的化合物,都可通过傅里叶红外光谱仪所得的红外光谱图快速地判别出其结构。
 
根据FZ/T 01057.8—2012《纺织纤维鉴别试验方法第8部分:红外光谱法》可知纺织领域的定量分析也可借助红外光谱技术进行。测试时,可根据样品的性质和特征选择合适的红外检测手段,并通过观察图谱分析其吸收峰的大小和组成结构来判断纤维含量。由于红外光谱检测技术具有分析快速、不破坏样品、需要样品数量较少等特性,不仅常用于鉴别化合物的种类及测定分子的结构,还可用于纤维的定性定量分析和高效地鉴别高聚物的结构,技术运用越来越广泛,常被认为是高聚物表征和结构性能研究的很重要的手段之一。因此,在各类检测手段中,红外光谱法广泛受到实验室工作人员的欢迎,目前在纺织检测领域主要用于未知纤维种类和织物表面涂层的分析。虽然傅里叶红外光谱仪对测试环境的要求较高,测试时常要求在相对干燥的情况下进行,但是纺织品的检测形态大多数为固态,极大地方便了红外光谱技术的应用。
 
傅里叶变换红外光谱仪作为一类大型的精密仪器,是利用光相干性原理设计的干涉型红外分光光度计,红外光谱信号是多点传输,即先通过光源得到干涉图,并通过傅里叶变换函数,再经由干涉仪将函数变成一般的光谱信号。简单来说,这是一个转换的过程,也正好体现出红外光谱仪的优势,它能同时、快速地收集所有由函数转换过来的有效谱带信息,在一定时间内完成扫描,为相关检测工作提供了很大的便利。
1 红外光谱制样方法
 
红外光谱仪在检测领域的应用非常普及,且红外的制样方式多种多样,可以满足各类产品的检测需求。无论是高分子材料,还是低熔点材料,均可以找到适合的方式去制备检测样品。目前,红外光谱的制样方法主要有溴化钾压片法、薄膜法、衰减全反射法等。由于纺织纤维多为固态纤维状,所以溴化钾压片法和衰减全反射法的制样方法运用最为普遍。
1.1 溴化钾压片法
 
溴化钾压片法的操作过程比较繁琐。试验时,先取试验用样品,并用哈氏切片器将其切碎备用;再称取样品与溴化钾进行混合,同时把混合后的物质置于玛瑙研钵中仔细地进行研磨,直至完全混合;称取适量的样品,置于压模处,用压片机加压形成溴化钾盐片。虽然压片法的试验过程比衰减全反射法更为复杂,但所得图谱的出峰情况相对完整,吸收峰的强度也容易控制。
 
由于溴化钾压片法所用的试样及溴化钾均为干燥、无水分的物质,因而可完整地获得吸收光谱,且光的散射影响也很小。试验时,样品和溴化钾的取样量可以借助精度高的天平称取。该方法不仅可适用于纤维的定性测试分析,还适用于纤维的定量测试分析。当红外光谱仪所发射出的红外光穿透至样品表层,由于穿透角度的不同,造成了红外光在样品上产生了全反射,但红外光只会穿透表层稍内部分后会立即折返再反射回来,所以反射的次数越多,能量就会越小。
1.2 衰减全反射法
 
一次衰减全反射吸收的能量有限,得到的图谱吸收峰很弱。为了增强吸收峰的强度,要增加全反射的次数,用衰减全反射法得到的有效信息都是样品表面的,所以也称为表面分析技术。由于天然纤维的密实性,红外光的穿透能力又比较弱,穿透的深度一般在微米级,很难直接穿透纤维来获取图谱,因此常使用衰减全反射法对纤维进行测试。测试时,可以直接将纤维放置于检测台上,并压实纤维与检测头的空隙进行测试。全发射法的准备工作比较简单,无需对试样进行预处理,且无破坏性,便捷的操作方法除了常用于纤维检测外,还可用于纺织品上的涂层和表面为非纤维物质的面料的检测。
 
对于涂层面料等,一般情况下用透射法测试很难得出完整的红外图谱,因而常通过衰减全反射附件装置进行测试,可以快速、准确地获得检测结果。
1.3 薄膜法
 
对于一些具有熔点的纤维材料,可以通过对其纤维材料进行加热的方法使其熔融、成膜,但制作膜片时一定要注意膜片的质量,若制得的膜过分光滑会产生干涉现象。一些可以被试剂溶解的纤维可选用适合的试剂先进行溶解,再将溶解后的试剂转移至盐片上让其挥发,形成薄膜再进行测定。
2 纤维鉴别
 
红外吸收光谱的反应区可以分成不同的特征区。通常来说,中红外区又可分为特征谱带区和指纹区。在中红外谱带区,分子中的基团具有非常特征的吸收峰,且分布是固定的。在特征谱带的区域,吸收峰出现得较少,且主要与分子中基团的振动相关,所以也叫基团频率区。在指纹区,特征峰出现的频率相对频繁,既有C—X(X=C、N、O)单键的伸缩振动,又有变形振动的吸收,由于它们的基团强度差别较小,所以指纹区谱带出峰也特别多。由指纹区可以指出结构的细小变化,特别是分子结构的信息。不同的化合物在指纹区谱带的出峰情况、出峰强度和宽度并不相同,就像人类的指纹,所以叫指纹区。对于判别结构类似的化合物,指纹区能给出的有效信息最为完整。
2.1 合成纤维
 
由于合成纤维是由相同结构单体聚合而成的高分子化合物,所以它们的结构基本一致,可根据官能团在谱带中的位置来辨认结构。例如:聚酯纤维,根据特征频率区3 070 cm-1处有亚甲基,在1 725 cm-1处有酯类羰基,可确定其结构;锦纶,根据特征频率区3 300 cm-1处有氨基,在1 640 cm-1处有羰基的伸缩振动峰的特点,可确定其结构,并可与毛类纤维相区别;腈纶是由3种单体共聚而成,由于使用的第二单体和第三单体不同,情况复杂,但其基本结构是聚丙烯腈,具有腈基伸缩振动特征峰,因此根据其在2 310 cm-1处的强吸收,即可基本确定其结构。
2.2 天然纤维
 
由于天然纤维的结构比合成纤维复杂,因此仅依靠对特征频率区吸收峰的分析往往不能准确分析纤维类别。例如:纤维素纤维包含棉、麻等天然纤维和黏胶、莱赛尔等人造纤维,他们在波长3 010 cm-1处均有吸收峰,且在指纹区1 000~1 100 cm-1处有5个连续特征峰,基于这些结构信息仅可确定他们为纤维素纤维;天然蛋白质纤维包括绵羊毛、羊绒、马海毛、兔毛、羊驼毛、蚕丝等,他们皆由蛋白质组成,其结构含有酰胺键,且在侧基上含有甲基,所以他们在波长为3 300 cm-1处均有氨基的特征峰,在1 640 cm-1波长处有羰基的特征峰,在2 960 cm-1波长处有甲基的特征峰,所以仅依靠上述结构信息也无法确定具体的纤维类别。
2.3 涂层类织物
 
根据GB/T 30666—2014《纺织品涂层鉴别试验方法》可知:对于涂层类织物的测试分析,常通过衰减全反射法等表面分析方法测定涂层类等非纤维物质的成分。试验时,只需直接从织物样品上裁取测试所需大小的涂层试样就可进行测试。若需要对样品进行萃取,则先将样品剪碎置于容器内,加入所需的化学试剂,待其溶解后将剩余样品收集起来,然后加入有效的化学试剂使其沉淀,最后取上层清液涂抹于盐片上,并置于红外灯下烘烤至其干透、成膜,随后将成膜的盐片置于红外光谱仪的检测台上,用透射法进行扫描,并记录试样的红外光谱图。若试样为单一的涂层样品,那依据参比光谱可直接作出判断;若试样不是单一组分,就先将其他不能判断的物质剔除,再去判别主要物质。
3 结论
 
(1)实验室对纤维进行鉴别时,常需将红外光谱法与其他化学方法或物理方法相结合,并对所有试验结果进行综合分析后才可以得到正确的结果。
 
(2)红外光谱技术分析法快速简单,是日常检测的重要手段之一,在纺织品检测中有比较独特的优势,应用非常广泛。虽然红外光谱技术分析法仍然存在许多不足的地方,但随着科学技术的发展,红外光谱仪性能的不断提升,通过借助于更科学的技术手段,对红外光谱技术与其他检测技术相结合的研究方向进行深入探讨,必将使红外光谱分析技术在纺织品检测领域里得到更为广泛的应用。
 
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