基于近紅外技術(shù)的紡織品纖維快速鑒別研究

文/季惠 談敏 耿倩 李佳璐 高明真 劉蛟 于美慧 周成鳳

1 引言

紡織纖維成分鑒別是纖維定量分析的基礎(chǔ)，是政府監(jiān)管、工廠企業(yè)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)[1]。目前鑒別纖維[2]的方法主要包括感官鑒別法、顯微鏡鑒別法、燃燒法、化學(xué)溶解法、藥品著色法、熔點(diǎn)法、密度法、雙折射法等。此外，也可以根據(jù)纖維分子結(jié)構(gòu)鑒別纖維，如X射線衍射法[3]及紅外線吸收光譜法[4]等。以上方法雖然能夠有效鑒別紡織品的成分，但是缺點(diǎn)明顯，包括操作復(fù)雜、檢測周期長、受環(huán)境制約強(qiáng)、人為因素影響大、檢測成本較高、需破壞樣品等。

近年來，快速、無損鑒別紡織纖維的技術(shù)研究主要包括近紅外光譜技術(shù)、中紅外光譜技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)[5]和圖像識別技術(shù)4種快速、簡單、不破壞樣品而又環(huán)保的分析方法。

近紅外光[6]是一種介于紅外光和可見光之間的波段為780nm～2526nm的電磁波，兼具可見光光譜信息和紅外光譜分析豐富的優(yōu)點(diǎn)。近紅外技術(shù)的工作原理是根據(jù)不同物質(zhì)在近紅外光譜譜段的信息[7]，進(jìn)而對其進(jìn)行定性，而后應(yīng)用到所有的含氫基團(tuán)的相關(guān)樣品的物理化學(xué)分析中；分析過程簡單，無需前期處理，能夠全面反映物質(zhì)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(jìn)行信號傳輸，實(shí)現(xiàn)在線分析；不破壞樣品，綠色環(huán)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(yù)處理甚至不需要預(yù)處理，不用破壞原樣本，不影響樣品的繼續(xù)正常使用，生產(chǎn)過程也不會產(chǎn)生污染。近紅外光譜分析（NIR）是一種間接分析技術(shù)，需要利用常規(guī)分析方法獲得樣品的組分或性質(zhì)的基本數(shù)據(jù)，再運(yùn)用化學(xué)計(jì)量法[8]建立模型，實(shí)現(xiàn)對未知樣品的定性或定量分析[9]。

近紅外光譜分析技術(shù)在紡織纖維鑒別方面，已有較多的研究，并取得了較好的進(jìn)展。袁洪福、柴金朝、王戈、Y Langeron、吳桂芳、耿響[10]等都基于近紅外并結(jié)合其他方法對紡織纖維鑒別進(jìn)行了研究，且取得了很好的成果，但是也都存在著一些問題。例如利用某些方法建模后對異常樣品較為敏感；建模樣品必須有代表性且準(zhǔn)確度要求高；建模樣品數(shù)量要求很高等。因此，本文主要探討了近紅外光譜分析技術(shù)在純紡紡織品檢測中的應(yīng)用，對純紡紡織品可進(jìn)行快速、高效、無損的鑒別。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料來自日常收集的純紡棉、滌綸、錦綸、羊毛紡織品，樣品全部經(jīng)過洗滌并烘干備用。共收集棉織物50個(gè)、滌綸織物32個(gè)、錦綸織物29個(gè)、羊毛織物21個(gè)用于建模。另外， 4個(gè)混紡紡織品用于模型的驗(yàn)證。

2.2 光譜采集

本研究使用Perkin Elmer Frontier近紅外光譜儀，使用漫反射方式對樣品進(jìn)行近紅外光譜掃描，光譜掃描分辨率為2cm-1，對同一樣品掃描32次取平均得到一個(gè)樣品的近紅外光譜圖。

具體光譜采集步驟如下：

將0.2cm～1cm厚度的樣品織物放置在近紅外光譜儀光譜采集窗口，并且將固定重量的砝碼置于樣品之上以保證樣品具有相對均勻的密度，最后進(jìn)行光譜掃描。掃描完成后標(biāo)注每件樣品的詳細(xì)信息，包括成分含量、成型方法、顏色、所測部位等，便于后續(xù)的查找篩選。由于一些外部因素會造成光譜的不準(zhǔn)確性，在建模之前要進(jìn)行光譜預(yù)處理，即剔除異常值。通過分析光譜，對比相同成分的樣品光譜，將一些異常光譜去除以便后期建模。

2.3 SIMCA模型構(gòu)建

本文中建模用到的方法是SIMCA模式識別法。在本研究中，SIMCA模式識別法首先針對每一類樣品的光譜數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行主成分分析，建立主成分回歸類模型，然后依據(jù)該模型對未知樣品進(jìn)行分類，即將未知樣本與各樣本的類模型分別進(jìn)行擬合，以確定未知樣本類別。

本研究對棉、滌、錦、羊毛隨機(jī)挑選了部分樣品組成訓(xùn)練集，其余作為驗(yàn)證集，用來驗(yàn)證樣品的可靠性。分組情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品及分組

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品近紅外光譜分析

4種純紡織物的近紅外光譜圖如圖1所示。圖1表明，4種純紡織物的近紅外光譜圖具有較大的差異，證明其具有較好的近紅外建模基礎(chǔ)。為了消除機(jī)械噪音帶來的影響，我們對光譜進(jìn)行了一階導(dǎo)數(shù)處理，所得結(jié)果圖2所示，經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理后的光譜曲線消除了基線噪音帶來的誤差，進(jìn)一步提高了建模精度。

圖1 6種織物樣本原光譜圖

圖2 經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)處理后6種織物樣本的光譜圖

3.2 近紅外光譜分類模型的建立與訓(xùn)練

本研究使用SIMCA法對樣品進(jìn)行了分類模型的構(gòu)建。由于建立模型所選的校正集樣品光譜差異顯著（見圖1），其分類模型的校正模型結(jié)果較好，模型內(nèi)部驗(yàn)證的識別率和拒絕率均達(dá)到了100%。但由于校正模型主要采用內(nèi)部驗(yàn)證手段，易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。因此，研究過程中選擇了28個(gè)樣品（表1）進(jìn)行外部驗(yàn)證工作，通過外部驗(yàn)證的方式來評價(jià)模型的實(shí)際鑒別能力，外部驗(yàn)證采用驗(yàn)證通過率作為評價(jià)指標(biāo)。圖3表明，未經(jīng)優(yōu)化的模型雖然具有較高的內(nèi)部識別率和拒絕率，但其對外部樣品的驗(yàn)證通過率較低，僅為75%，預(yù)測能力尚需進(jìn)一步提高。

為了提高模型的精確性，研究過程中對建模參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整和優(yōu)化，而各階段的參數(shù)如表2所示，主要對波段區(qū)間和光譜預(yù)處理方法進(jìn)行多次優(yōu)選，最終優(yōu)選出最佳建模參數(shù)。對于波段區(qū)間的選擇，通過圖1可知，所有樣品在10000 cm-1～7000cm-1波段區(qū)間內(nèi)，并沒有顯著的特征峰出現(xiàn)，通過對比原始光譜圖和一階導(dǎo)數(shù)光譜圖（圖1和圖2），經(jīng)比較選擇不同波段分析，結(jié)果顯示7000cm-1～5000cm-1波長范圍的識別率最佳。對于光譜預(yù)處理手段，主要采用了一階導(dǎo)數(shù)處理，以調(diào)整光譜基線，消除光譜的噪聲。圖3為識別率、拒絕率及驗(yàn)證通過率隨優(yōu)化過程的變化趨勢，由驗(yàn)證結(jié)果通過率可知，隨著所建模型的逐步優(yōu)化，驗(yàn)證通過率在逐步提高，由最初的75%逐漸提高到96%，達(dá)到了精確識別的目的。

表2 優(yōu)化過程參數(shù)列表

圖3 識別率、拒絕率及驗(yàn)證通過率隨優(yōu)化過程的變化趨勢

使用表2的最佳參數(shù)對4種樣品進(jìn)行近紅外建模的結(jié)果如表3所示。由表3可知，經(jīng)優(yōu)化后的模型可對4種樣品進(jìn)行較好的內(nèi)部識別工作，識別率為100%，拒絕率為99%。

表3 分類校正模型結(jié)果

3.3 模型驗(yàn)證

最終，將表1所選的棉、滌綸、錦綸、羊毛和混紡織物樣品組成的驗(yàn)證集使用建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證工作，以確定模型的實(shí)際預(yù)測能力，驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證結(jié)果

驗(yàn)證結(jié)果表明，所建立的模型對棉纖維的識別率為90%，其他纖維的驗(yàn)證準(zhǔn)確率為100%，說明所建立的預(yù)測模型可以對上述纖維的純紡紡織品進(jìn)行快速準(zhǔn)確的鑒別，鑒別準(zhǔn)確率在90%以上。不過，本次試驗(yàn)尚存在一些問題：樣品量較少且種類不足，需在以后的研究中加以改進(jìn)。前期研究曾對腈綸、桑蠶絲也相應(yīng)地建立了模型，但是由于樣品量過少，數(shù)據(jù)不具有代表性，所以不將結(jié)果列入本文結(jié)論中。

3.4 近紅外光譜法的優(yōu)勢分析

紡織纖維的鑒別對于商品檢驗(yàn)和廢舊紡織品回收均具有較大的指導(dǎo)意義。但迄今尚未有全面和標(biāo)準(zhǔn)的紡織品纖維鑒別方法。本研究發(fā)現(xiàn)，使用近紅外光譜法可對不同化學(xué)組成的紡織纖維進(jìn)行精確的鑒別工作。同時(shí)經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研與分析，近紅外光譜法還具有其他的優(yōu)勢，近紅外光譜法與其他傳統(tǒng)鑒別方法的比較如表所示[11]。由表5可知，近紅外光譜法具有無損、快速、準(zhǔn)確且鑒別范圍廣的特點(diǎn)，是一種具有較大潛力和優(yōu)勢的紡織纖維鑒別方法。近紅外光譜法的建模研究工作對紡織纖維鑒別的發(fā)展有重要的意義。

表5 近紅外光譜法與其他鑒別方法的比較

4 結(jié)論

本文對棉、滌綸、錦綸、羊毛等純紡織物進(jìn)行近紅外光譜掃描，使用SIMCA方法對樣品建立了預(yù)測模型。試驗(yàn)證明近紅外光譜法對纖維鑒別具有識別準(zhǔn)確率高、自動(dòng)化程度強(qiáng)、識別方法可擴(kuò)充和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所建立模型對棉、滌綸、錦綸和羊毛的純紡紡織品識別率均高于90%。但是研究仍存在一些不足有待后續(xù)改進(jìn)，后續(xù)研究將繼續(xù)增大樣品數(shù)量，以期建立更為廣泛全面的紡織品纖維識別模型。