性質(zhì)相近的紡織纖維紅外光譜法鑒別的實踐

文/金亞雯 程蓓

1 引言

纖維的定性檢測最主要的目的就在于鑒別纖維的種類。確認紡織產(chǎn)品中各組分的類別是進行定量分析工作的基礎(chǔ)。現(xiàn)行FZ/T 01057.1—2012《紡織纖維鑒別試驗方法 第1部分：通用說明》[1]是目前鑒別纖維種類的主要方法依據(jù)。其中常見的纖維鑒別方法包括：顯微鏡法、燃燒法、化學溶解法、熔點法和紅外光譜法等。

紅外光譜法利用不同物質(zhì)有不同紅外光譜的特性將未知纖維與已知纖維的標準紅外光譜進行比較來區(qū)別纖維的類別。目前紅外光譜法并沒有得到廣泛應(yīng)用，主要原因在于纖維標準紅外譜庫的建設(shè)尚不完善，紅外光譜檢測的時間成本和經(jīng)濟成本相對于傳統(tǒng)的顯微鏡法和溶解法優(yōu)勢并不明顯。但需要指出的是，紅外光譜法是未來紡織品無損檢測的重要依托，紅外光譜鑒別是一種非破壞性檢測手段，而顯微鏡法、溶解法以及燃燒法等等均是破壞性檢測方法。本文是基于FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗方法 第8部分：紅外光譜法》[2]實踐過程中對于常見棉、再生纖維素纖維、儀綸等紅外光譜法鑒別結(jié)果的總結(jié)，以此為纖維檢驗工作者提供相關(guān)的參考。

2 試驗部分

2.1 試驗材料與儀器

試驗材料：棉纖維、粘膠纖維、萊賽爾纖維、莫代爾纖維、儀綸、錦綸、滌綸（南通大富豪紡織科技有限公司提供）。

試驗儀器：NICOLET iS10傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀（賽默飛世爾科技公司），ED53熱風循環(huán)烘箱（德國BINDER），WS70-1遠紅外線干燥箱（杭州齊威儀器有限公司）。

2.2 試驗方法

2.2.1 試樣取樣方法

纖維樣品的取樣點要求能夠代表整個樣品中的全部纖維組分，如果發(fā)現(xiàn)試樣存在不均勻，則應(yīng)按照不同組分取樣。

2.2.2 試樣預處理

一般試樣無須經(jīng)過預處理，如果試樣中混有非纖維物質(zhì)，例如油脂、蠟及其他雜質(zhì)時需要進行去除。去除方法參考GB/T 2910.1—2009 《紡織品 定量化學分析 第1部分： 試驗通則》[3]中樣品預處理方法。

一般對染色纖維中的染料，可視為纖維中的一部分，不必去除。如果試樣上的染料（如黑色）對纖維鑒別有干擾，可采用去除染料的方法脫色，但不得損傷纖維或使纖維性質(zhì)有任何改變。脫色方法參考 GB/T 17592—2011 《紡織品 禁用偶氮染料的測定》[4]中采用的連二亞硫酸鈉（保險粉）脫色。

2.2.3 測試方法

采用ATR法測試纖維樣品無須制樣，僅需要測試前將纖維樣品中的水分使用烘箱或遠紅外燈箱盡量去除。一般將待測試樣品在烘箱內(nèi)105℃烘干3h，測試前在遠紅外燈箱內(nèi)烘干0.5h。

3 結(jié)果與討論

3.1 棉與再生纖維素纖維的紅外光譜特征及區(qū)別

采用衰減全反射傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀ATR全反射部件對棉、粘纖、莫代爾、萊賽爾纖維進行紅外分析，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 棉與再生纖維素纖維紅外光譜圖

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，棉、粘纖、莫代爾、萊賽爾4種纖維的紅外光譜圖基本一致，從FTIR圖中可知3450cm-1～3200cm-1，2890cm-1，1636cm-1，1016cm-1，898cm-1等處出現(xiàn)吸收峰。3450cm-1～320cm-1出現(xiàn)寬峰，表明H—O的伸縮振動特征；2890cm-1處的吸收峰為C—H的伸縮振動；1636cm-1處的吸收峰可能是吸附水的吸收峰；1016cm-1吸收峰可能是C—O的伸縮振動引起的；898cm-1處的吸收峰可能是C—O的面外彎曲振動。在圖1紅外圖譜中觀察到符合FZ/T 01057.8附錄B[2]所述纖維素纖維主要吸收譜帶及特征頻率。

圖2 棉與再生纖維素纖維一階導數(shù)紅外光譜圖

圖2為上述4種纖維的一階導數(shù)紅外譜圖，4種纖維一階導數(shù)紅外譜圖幾乎相同，但在3500cm-1～3000cm-1范圍內(nèi)棉纖維的兩個特征吸收峰發(fā)生紫移，如圖2中箭頭所示，而另外3種纖維的吸收峰位置幾乎相同。由此可知，用普通的紅外光譜圖和一階導數(shù)紅外譜圖很難鑒別再生纖維素纖維的具體種類。

3.2 棉與再生纖維素纖維二階導數(shù)紅外光譜圖的區(qū)別

圖3、圖4、圖5、圖6分別為棉、粘纖、莫代爾、萊賽爾纖維1500cm-1～500cm-1范圍二階導數(shù)紅外光譜。比較上述各圖，可以發(fā)現(xiàn)棉作為天然纖維素，1417.5cm-1和1319.4cm-1處的吸收峰是獨立存在的，且1417.5cm-1處的吸收峰在紅外譜圖中紫移到1430cm-1附近；粘膠纖維、莫代爾纖維、萊賽爾纖維則在1376.4cm-1處出現(xiàn)肩峰，其實際對應(yīng)的吸收峰為1417.5cm-1和1319.4cm-1處的吸收峰。除此之外，棉與再生纖維素纖維在1500cm-1～1000cm-1范圍內(nèi)的二階導數(shù)圖譜存在明顯的不同，由此區(qū)分棉和另外三種纖維存在可行性，但再生纖維素的具體種類在此試驗條件下難以實現(xiàn)，一般需要外加微擾條件進行測試。

圖3 棉纖維二階導數(shù)紅外光譜圖（1500cm-1～500cm-1）

圖4 粘膠纖維二階導數(shù)紅外光譜圖（1500cm-1～500cm-1）

圖5 莫代爾纖維二階導數(shù)紅外光譜圖（1500cm-1～500cm-1）

圖6 萊賽爾纖維二階導數(shù)紅外光譜圖（1500cm-1～500cm-1）

綜上所述，纖維素纖維1200cm-1～950cm-1范圍的特征吸收峰實際上是糖類的吸收峰，天然纖維素纖維與再生纖維素纖維的主要區(qū)別在1500cm-1～1200cm-1范圍的特征吸收峰，二階導數(shù)紅外圖譜中，若1417.5cm-1和1319.4cm-1處的吸收峰是以1376.4cm-1處肩峰形式存在，則可判定為再生纖維素纖維，反之則為天然纖維素纖維，此方法可以用于顯微鏡法無法鑒別，或者纖維形態(tài)過于類似的情形。

3.3 儀綸、滌綸與錦綸的紅外光譜特征和區(qū)別

采用衰減全反射傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀ATR全反射部件對儀綸、滌綸、錦綸纖維進行紅外分析。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，儀綸與滌綸的紅外光譜比較相似，與錦綸的紅外光譜則具有明顯的區(qū)別。

圖7 儀綸、滌綸、錦綸紅外光譜圖

由錦綸FTIR圖中可知3294cm-1、1633cm-1、1537cm-1等處出現(xiàn)吸收峰。3300cm-1左右的吸收峰，表明N—H的伸縮振動特征；1633cm-1處的強吸收峰反映了酰胺中C=O的伸縮振動吸收以及部分N—H彎曲振動吸收所組成的酰胺Ⅰ帶；1537cm-1處吸收峰則表明了酰胺Ⅱ帶（N—H的面內(nèi)彎曲振動與部分C—N伸縮振動的耦合）。而上述特征峰在儀綸纖維紅外光譜上沒有出現(xiàn)或者基本觀察不到。

由滌綸的紅外光譜圖分析，1712cm-1、1242cm-1、722cm-1等處出現(xiàn)特征吸收峰。滌綸屬于聚酯纖維，1712cm-1左右的吸收峰，表明C=O的伸縮振動特征；1242cm-1處的強吸收峰反映了C—O的伸縮振動；722cm-1處吸收峰是由對位雙取代苯環(huán)上—CH2面內(nèi)搖擺所形成的。而上述的吸收特征峰在儀綸纖維的紅外光譜上也存在，表明儀綸作為聚酰胺酯所表現(xiàn)出的酯的特征。

仔細分析，在儀綸纖維的紅外光譜中除了上述的特征吸收峰外，還在1666cm-1、1529cm-1等處出現(xiàn)特征吸收峰，如圖8所示。1666cm-1處的吸收峰可能是酰胺Ⅰ帶；1529cm-1吸收峰則可能是酰胺Ⅱ帶的吸收峰。表明儀綸中具備酰胺具體特征的可能性，也是其在紅外光譜特征上與滌綸的差別所在。

圖8 儀綸紅外光譜圖（2000cm-1～500cm-1）

4 結(jié)論

通過對一組棉、粘膠纖維、萊賽爾、莫代爾和另一組儀綸、錦綸、滌綸等7種性質(zhì)相近的紡織纖維材料的紅外光譜特征分析，得出以下結(jié)論：

（1）棉、粘纖、莫代爾、萊賽爾4種纖維的紅外光譜圖基本一致，符合纖維素纖維主要吸收譜帶及特征頻率。普通的紅外光譜圖和一階導數(shù)紅外譜圖很難鑒別再生纖維素纖維的具體種類，而天然纖維素纖維與再生纖維素纖維的種類可以通過二階導數(shù)紅外譜圖進行區(qū)分。

（2）儀綸與滌綸的紅外光譜比較相似，與錦綸的紅外光譜則具有明顯的區(qū)別，可以通過滌綸所表現(xiàn)出酯的特征，儀綸所表現(xiàn)出酰胺的特征加以區(qū)分。