近紅外技術在廢舊紡織品分揀上的應用與思考

張瑜+韋玉輝

摘要：本文闡述了廢舊紡織品回收再利用過程的技術瓶頸及近紅外技術主要特點，并重點分析了近紅外技術應用于廢舊紡織品鑒別及成分預測上的原理及特點，同時，也指出了目前近紅外應用于廢舊紡織品鑒別及成分預測上所存在的問題及可行性展望。分析表明，近紅外技術應用于廢舊紡織品鑒別及成分預測是可行的，一方面可以解決制約廢舊紡織品回收再利用的技術瓶頸——分揀的問題，另一方面又可以提高廢舊紡織品回收再利用產品的質量。

關鍵詞：近紅外技術；廢舊紡織品；分揀；鑒別及成分預測；低碳經濟

中圖分類號：X791 文獻標志碼：A

Application of Near-infrared Technology in Sorting Waste Textiles and Some Considerations

Abstract： The article elaborates the technical bottlenecks of waste textiles recycling process and main characteristics of the near-infrared technology used in the identification and composition prediction of waste textiles. It also points out the existing problems and feasibility of using near-infrared technology for the identification and composition prediction of waste textiles. It claims that it is feasible to identify and predict the composition of waste textiles by using near-infrared technology， for on one hand， it can break the technical bottleneck that constraints the recycling and reutilization of waste textiles – sorting， and on the other hand it can improve the quality of products regenerated from waste textiles.

Key words： near-infrared technology； waste textiles； sorting； identification and composition prediction； lowcarbon economy

當前全球紡織品行業面臨兩大問題——原材料資源短缺和廢舊紡織品存量大幅上漲，如果不妥善處理這些問題，就有可能引發資源危機和環境污染。目前對于廢舊紡織品的利用率普遍較低，即使是歐美發達國家其利用率也僅有16%，國內廢舊紡織品回收再利用更是處于初期階段。導致廢舊紡織品利用率不高的原因主要是技術瓶頸、人們意識不足、缺乏法律政策支持、尚未形成龍頭企業及產業集群等。本文重點闡釋廢舊紡織品回收再利用過程中的技術瓶頸——分揀問題，提出應用光譜分析技術——近紅外技術，來解決這一瓶頸問題。這是由于近紅外技術屬于物理鑒別方式，對織物不會產生破壞，在進行纖維鑒別時，無需制樣，而且能夠迅速在線完成對各種纖維鑒別測試，耗能低，對工作環境無特殊要求，不易受到震動和粉塵的影響；同時，近紅外與各纖維特有的官能基團具有一一對應的光譜圖，因而特別適合廢舊紡織品的分揀工作。

1 廢舊紡織品回收再利用過程中的技術瓶頸及近紅外技術特點

1.1 技術瓶頸

廢舊紡織品回收再利用是一個程序繁雜，對技術及設備要求較高的過程。目前廢舊紡織品回收再利用的主要技術瓶頸包括分揀問題、剝色問題和分離問題。

（1）分揀作為廢舊紡織品再利用的第一步，其準確性、快速性、低耗能及低勞動強度是廢舊紡織品回收再利用行業實現低碳發展的基礎；而且不同的纖維成分其后期的再利用方法不同，只有明確其組成及含量，才能實現有針對性的回收再利用。目前廢舊紡織品分揀工作主要依賴人工操作，不僅勞動強度大，工作環境差，對工人的健康產生威脅，而且分揀質量受人為主觀因素影響，波動較大，不能保證準確高效的分揀。

（2）剝色問題。在紡織品生產中染色是最常見的過程，當紡織品失去使用價值變成“垃圾”時，要實現其回收再利用，將染料從織物上剝離就變得尤為重要，因此剝色也是制約廢舊紡織品再利用的一個核心技術。目前主要采用的處理手法是通過添加某些化學藥品來破壞染料的發色體，使其不顯色，進而達到剝色的效果。

（3）分離問題。用于回收再利用的廢舊紡織品其纖維組成成分并不是單一的，一般都是混紡產品，所以處理時，必須對其進行成分分離。目前主要的分離方法是萃取法與溶解法，但是這些方法因操作繁瑣、純度較低等原因也制約著廢舊紡織品的回收再利用。本文僅對分揀問題進行詳細闡述，并采用近紅外技術來解決這一問題。

1.2 近紅外技術的特點

近紅外是一種介于紅外光和可見光之間的波段為780 ～2 526 nm的電磁波，其兼具可見光光譜信息信號和紅外光譜分析豐富的優點。近紅外技術的工作原理是根據不同物質在近紅外光譜譜段的信息，進而對其進行定性定量分析，不同物質其近紅外光譜圖不同。同時，近紅外還具有以下特點：分析對象廣泛，幾乎能夠應用到所有的含氫基團的相關樣品的物理化學分析中；分析過程簡單，無需前期處理，能夠全面反映物質信息；能夠光纖傳輸，因其波長短，不被玻璃和石英吸收，因而能制成玻璃或者石英光纖進行信號傳輸，實現在線分析；不破壞樣品，綠色環保，近紅外光譜分析只需要得到樣品的近紅外光信號，對樣品只需簡單的預處理甚至不需要預處理，不用破壞原樣本，不影響樣品的繼續正常使用，生產過程也不會產生污染。綜上可知，近紅外技術是廢舊紡織品實現快速、在線、準確、低碳分揀的最佳手段。endprint

2 近紅外技術應用于廢舊紡織品鑒別及成分預測上的可行性分析

目前，纖維鑒別的方法大致分為物理法和化學法兩大類。其中化學法對樣品有損傷，故不考慮用于廢舊紡織品分揀工作。而常見的物理方法包括感官鑒別法、密度鑒別法、熔點鑒別法、色譜鑒別法、紅外吸收光譜鑒別法、雙折射鑒別法、熒光燈鑒別法、顯微鏡鑒別法等，其中感官法易受主觀因素影響，其結果穩定性較差；密度法和熔點法不能準確鑒別每種纖維，只能給出纖維大類，不能準確到某種具體纖維，尤其是混紡類產品；色譜法和雙折射法能測試的纖維種類有限；熒光燈法運用較少；顯微鏡法步驟繁瑣；而近紅外法依靠其與各種物質分子的基團及化學鍵一一對應的關系，來識別不同物質。同時，近紅外技術因其獨有的無需樣本制作，快速、準確、穩定、光譜全、低耗能，分析過程不用添加任何化學品就可實現紡織品測試，因而成為紡織品鑒別及成分預測的焦點。近紅外技術既可以用于纖維成分定性定量分析，也可以用于紡織品烘燥甚至保健產品的研發。

本文則將近紅外技術應用于廢舊紡織品的鑒別及成分預測。近紅外光譜分析的本質依據是不同物質含有不同的化學基團，不同的化學基團具有不用的近紅外圖譜，可借助不同基團與不同圖譜之間的一一對應關系來實現纖維種類的鑒別及成分預測。同時，廢舊紡織品雖然經過使用，但是其纖維的化學結構及分子組成沒有發生變化，與原紡織品的纖維成分及含量幾乎沒有差異，因而利用近紅外技術對其進行鑒別及成分預測是可行的。

2.1 廢舊棉類紡織品鑒別及成分預測上的應用

棉類紡織品占紡織品總消耗量的20%，每年產生的廢舊產品量也很驚人，所以對廢舊棉紡織品的回收再利用勢在必行。對其再利用之前必須進行成分鑒別及預測，然后才能采取適當手段進行再利用。目前近紅外技術在棉工業生產中應用廣泛，例如，楊建忠等人發現棉纖維中的含糖量與近紅外技術的吸光度之間相關性很高，即可以運用這種相關性關系來間接鑒別棉纖維；馮紅年等人利用島津UV3150型分光光度計，通過選擇1 300 ～ 1 800 nm波段近紅外漫反射光譜進行測試，建立了滌棉成分含量與最佳回歸波長處對應光譜數值的多元回歸方程，實現了對滌棉混紡面料成分的預測，因此該方法可用于對廢舊棉類紡織品的鑒別及成分預測；郟東耀等人通過利用近紅外技術實現了棉類產品中微量成分的預測，含偶氮染料的廢舊紡織品目前還不能回收再利用，所以可以運用此方法進行廢舊棉紡織品中染料的預測；于劍鋒等人融合近紅外技術與PCA方法，實現了彩棉與白棉的鑒別，所以可以運用此技術實現對廢舊彩棉類和白棉類紡織品的鑒別，進而對經染色的白棉考慮剝色處理，而非廢舊彩棉類紡織品。

2.2 廢舊羊毛類紡織品鑒別及成分預測上的應用

羊毛纖維一直占據紡織品的高端市場，每年產生的廢舊毛類紡織品也不少，且我國70%的毛纖維來自進口，所以回收再利用廢舊毛類紡織品迫在眉睫。目前近紅外技術主要運用在羊毛含量的測試中，例如，李曉薇等人利用近紅外技術對人工制備的不同混合比例的混紡毛樣品進行了測試，并建立了數學模型，其模型穩定性很好，適用于不同顏色的混紡毛類紡織品的測試，由于紡織品印染采用的染料在可見光范圍內差異顯著，在近紅外范圍差異很小，所以基本不會對此模型產生影響；Church等人利用近紅外技術及PCA法實現了純紡與混紡產品的圖譜區分，而且實現了在線快速識別；Hammersley等人和Fleet等人利用近紅外技術分別實現了對羊毛中的殘脂率、水分含量的預測和對染色毛、有髓毛的檢測，實現了毛類紡織品品質的鑒別，所以可以通過此方法來完成廢舊毛類紡織品成分鑒別及預測，進而對其進行剝色及回收再利用。

2.3 廢舊絲類紡織品鑒別及成分預測上的應用

隨著人們對舒適性要求的提高及收入水平的提高，每年人們購買的絲類紡織品也在逐年攀升，淘汰的絲織品也隨之增加，對其進行快速分揀不容忽視。陳斌等人運用NIR技術實現了對真絲類紡織品真絲含量的快速檢測。研究發現近紅外技術能實現對紡織品真絲含量的快速檢測，因而可以用于廢舊絲類紡織品的鑒別、成分預測以及快速在線分揀。

2.4 廢舊合成纖維類紡織品鑒別及成分預測上的應用

每年合成纖維的消費量約占紡織品纖維總消費量的70%，因而每年伴隨的合成纖維類廢舊紡織品的數量驚人，而合成纖維不同于天然纖維，其不能生物降解，如果焚燒將會產生大量有毒氣體，污染大氣，如進行掩埋將會使土壤板結甚至破壞地下水質，所以必須采用合適的方法對其進行回收再利用。

目前，國外在這方面的研究起步較早，已掌握了大量的技術知識，并建成了先進的生產流水線，甚至形成了產業鏈，例如日本帝人公司。國內這方面的研究起步較晚還處于初期階段，目前只是對其進行簡單的、較低級的回收再利用。雖然合成纖維都屬于高分子聚合物，但是不同品種的聚合物，其分子鏈結構及官能團不同，而且不同種類其回收再利用方式也不同。目前，近紅外技術在合成纖維領域應用較為成熟，可以用于纖維成分定性定量分析及各種助劑、添加劑成分及含量的分析等。例如趙國棟等人將近紅外技術運用到合成纖維的工業生產中，發現近紅外技術在合成纖維原料制備、添加劑組成、產品性能及纖維鑒別、助劑檢測等多方面的應用完全可行，同時指出NIR技術在化纖產品質量的提高及生產成本的降低方面也具有重要作用。所以，完全可以運用近紅外技術來鑒別合成纖維廢舊紡織品的成分，再有針對性的對其進行再利用。

2.5 廢舊皮革類紡織品鑒別及成分預測上的應用

皮革一直是時尚界不可或缺的一種天然資源，也是時尚達人衣櫥中不可缺少的奢飾品，所以對其合理的回收再利用不僅可以降低成本，還是讓皮革類紡織品走進大眾生活的一個有效途徑。脂肪檢測在制革業中是一個關鍵環節，目前的標準分析法需要耗費 5 h的檢測時間。Cantero等人進行了關于近紅外技術運用到羊皮制品的脫脂過程的研究，對來自不同產地的12種羊皮產品進行了分析研究，羊毛處理過程經歷了脫酸、脫毛、干燥、脫脂、洗滌等12個步驟，在脫脂工序和磨成粉前后分別用標準測定法和和近紅外儀器對樣品進行檢測，近紅外數據的分析采用PLS法，相對標準誤差約為10%，各種樣品集的相關系數約為95%。因此可以利用近紅外技術實現對不同產地、不同品種的廢舊皮革類產品的有效分揀，方便后期的再利用。endprint

3 近紅外技術應用存在的問題及展望

利用近紅外技術進行廢舊紡織品鑒別及成分預測，雖具有分析成本低、分析效率高、可在線分析、可重復性等優點，但其也存在以下一些問題。

（1）設備較昂貴，一臺儀器一般都在60萬元左右。

（2）需要建立譜圖庫甚至是多級圖譜庫。利用近紅外技術只能完成不同類纖維間鑒別，無法實現同類纖維中不同規格或不同品種的纖維的鑒別，如錦綸6與錦綸66的鑒別。要想實現同類纖維不同規格或者不同品種的纖維的鑒別，必須建立子譜圖庫，只有運用遞推式的子譜圖庫或者神經網絡才能實現結構相似纖維種類的快速準確及無損傷鑒別。

（3）可靠性受多個因素制約。NIR技術是一種間接測試技術，其工作過程包括建立一個用于各類纖維鑒別的譜圖庫和再利用距離法與相關系數法對其測試結果進行預處理，進而完成對各類纖維的鑒別，所以其結果的可靠性取決于樣品的篩選、儀器的信噪比及傳統測試方法的準確性以及模型建立的合理性。一旦建立了正確的模型（或標準曲線），近紅外技術就可能實現快速、精確、無破壞的檢測，且能在各種工業環境條件下達到在線監控的作用。

（4）現有的近紅外模型及數據庫較少。由于近紅外光譜數據庫及模型的建立是一個不斷進行模型完善及數據積累的過程，且一般涉及到知識產權問題，所以目前公開報道的圖譜庫很少。

針對以上問題，可采取以下措施：積極與科研單位或者高校合作，深入研究此項技術的核心知識；選擇有代表性的校正集樣本，建立穩定可靠地模型及數據譜圖庫；采用合適的分析方法進行近紅外技術分析，得到準確的信息；對原始光譜圖進行預處理，并進行圖譜鑒別及定性定量分析；注意數據庫信息的不斷充實與更新，以提高測試的準確性。最終實現近紅外技術與廢舊紡織品分揀的良好嫁接，為今后廢舊紡織品回收再利用提供良好的前期環境。

4 結論

廢舊紡織品回收再利用是一個充滿生機的朝陽產業，更是一個符合國家“十二五”發展規劃的熱點產業。但是在其利用過程中存在的諸多技術難點有還待克服，分揀問題就是一個不可忽視的技術瓶頸。目前較傳統的分揀方式為人工分揀，其穩定性差，易受工作人員自身條件及經驗的影響，而且也存在健康威脅，所以近紅外技術就成了實現迅速準確對廢舊紡織品鑒別及成分預測的有效途徑。這主要是因為近紅外技術一直是紡織品纖維種類定性定量分析的重要技術手段，而廢舊紡織品與原紡織品的纖維種類、大分子結構以及官能團是一樣的，所以近紅外技術也適用于廢舊紡織品的鑒別及成分預測，進而實現對廢舊紡織品的分揀工作。但是目前近紅外技術在這方面的應用較少，今后應積極推廣這一技術手段在廢舊紡織品分揀回收再利用行業中的應用，進而實現快速、高效、低碳的分揀工作。

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