紅外光譜技術在紡織品檢測中的應用

孫靜

（上海紡織集團檢測標準有限公司，上海200082）

0 引言

傅里葉變換紅外光譜儀，簡稱為紅外光譜儀。通過傅里葉紅外光譜儀所得到的圖譜是由測試試樣在特定頻段的紅外線穿透或反射之后，選擇吸收某些頻段的光能，并記錄在紅外光譜圖譜上。此時高分子材料結構的顯現特征會直接顯示在圖譜上，根據傅里葉紅外光譜儀顯示的峰值位置和峰形結構可以作為判斷這種材料的依據。因此，不管對于已知的化合物，還是未知的化合物，都可通過傅里葉紅外光譜儀所得的紅外光譜圖快速地判別出其結構。

根據FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗方法第8部分：紅外光譜法》可知紡織領域的定量分析也可借助紅外光譜技術進行。測試時，可根據樣品的性質和特征選擇合適的紅外檢測手段，并通過觀察圖譜分析其吸收峰的大小和組成結構來判斷纖維含量。由于紅外光譜檢測技術具有分析快速、不破壞樣品、需要樣品數量較少等特性，不僅常用于鑒別化合物的種類及測定分子的結構，還可用于纖維的定性定量分析和高效地鑒別高聚物的結構，技術運用越來越廣泛，常被認為是高聚物表征和結構性能研究的很重要的手段之一。因此，在各類檢測手段中，紅外光譜法廣泛受到實驗室工作人員的歡迎，目前在紡織檢測領域主要用于未知纖維種類和織物表面涂層的分析。雖然傅里葉紅外光譜儀對測試環境的要求較高，測試時常要求在相對干燥的情況下進行，但是紡織品的檢測形態大多數為固態，極大地方便了紅外光譜技術的應用。

傅里葉變換紅外光譜儀作為一類大型的精密儀器，是利用光相干性原理設計的干涉型紅外分光光度計，紅外光譜信號是多點傳輸，即先通過光源得到干涉圖，并通過傅里葉變換函數，再經由干涉儀將函數變成一般的光譜信號。簡單來說，這是一個轉換的過程，也正好體現出紅外光譜儀的優勢，它能同時、快速地收集所有由函數轉換過來的有效譜帶信息，在一定時間內完成掃描，為相關檢測工作提供了很大的便利。

1 紅外光譜制樣方法

紅外光譜儀在檢測領域的應用非常普及，且紅外的制樣方式多種多樣，可以滿足各類產品的檢測需求。無論是高分子材料，還是低熔點材料，均可以找到適合的方式去制備檢測樣品。目前，紅外光譜的制樣方法主要有溴化鉀壓片法、薄膜法、衰減全反射法等。由于紡織纖維多為固態纖維狀，所以溴化鉀壓片法和衰減全反射法的制樣方法運用最為普遍。

1.1 溴化鉀壓片法

溴化鉀壓片法的操作過程比較繁瑣。試驗時，先取試驗用樣品，并用哈氏切片器將其切碎備用；再稱取樣品與溴化鉀進行混合，同時把混合后的物質置于瑪瑙研缽中仔細地進行研磨，直至完全混合；稱取適量的樣品，置于壓模處，用壓片機加壓形成溴化鉀鹽片。雖然壓片法的試驗過程比衰減全反射法更為復雜，但所得圖譜的出峰情況相對完整，吸收峰的強度也容易控制。

由于溴化鉀壓片法所用的試樣及溴化鉀均為干燥、無水分的物質，因而可完整地獲得吸收光譜，且光的散射影響也很小。試驗時，樣品和溴化鉀的取樣量可以借助精度高的天平稱取。該方法不僅可適用于纖維的定性測試分析，還適用于纖維的定量測試分析。當紅外光譜儀所發射出的紅外光穿透至樣品表層，由于穿透角度的不同，造成了紅外光在樣品上產生了全反射，但紅外光只會穿透表層稍內部分后會立即折返再反射回來，所以反射的次數越多，能量就會越小。

1.2 衰減全反射法

一次衰減全反射吸收的能量有限，得到的圖譜吸收峰很弱。為了增強吸收峰的強度，要增加全反射的次數，用衰減全反射法得到的有效信息都是樣品表面的，所以也稱為表面分析技術。由于天然纖維的密實性，紅外光的穿透能力又比較弱，穿透的深度一般在微米級，很難直接穿透纖維來獲取圖譜，因此常使用衰減全反射法對纖維進行測試。測試時，可以直接將纖維放置于檢測臺上，并壓實纖維與檢測頭的空隙進行測試。全發射法的準備工作比較簡單，無需對試樣進行預處理，且無破壞性，便捷的操作方法除了常用于纖維檢測外，還可用于紡織品上的涂層和表面為非纖維物質的面料的檢測。

對于涂層面料等，一般情況下用透射法測試很難得出完整的紅外圖譜，因而常通過衰減全反射附件裝置進行測試，可以快速、準確地獲得檢測結果。

1.3 薄膜法

對于一些具有熔點的纖維材料，可以通過對其纖維材料進行加熱的方法使其熔融、成膜，但制作膜片時一定要注意膜片的質量，若制得的膜過分光滑會產生干涉現象。一些可以被試劑溶解的纖維可選用適合的試劑先進行溶解，再將溶解后的試劑轉移至鹽片上讓其揮發，形成薄膜再進行測定。

2 纖維鑒別

紅外吸收光譜的反應區可以分成不同的特征區。通常來說，中紅外區又可分為特征譜帶區和指紋區。在中紅外譜帶區，分子中的基團具有非常特征的吸收峰，且分布是固定的。在特征譜帶的區域，吸收峰出現得較少，且主要與分子中基團的振動相關，所以也叫基團頻率區。在指紋區，特征峰出現的頻率相對頻繁，既有C—X（X==C、N、O）單鍵的伸縮振動，又有變形振動的吸收，由于它們的基團強度差別較小，所以指紋區譜帶出峰也特別多。由指紋區可以指出結構的細小變化，特別是分子結構的信息。不同的化合物在指紋區譜帶的出峰情況、出峰強度和寬度并不相同，就像人類的指紋，所以叫指紋區。對于判別結構類似的化合物，指紋區能給出的有效信息最為完整。

2.1 合成纖維

由于合成纖維是由相同結構單體聚合而成的高分子化合物，所以它們的結構基本一致，可根據官能團在譜帶中的位置來辨認結構。例如：聚酯纖維，根據特征頻率區3 070 cm-1處有亞甲基，在1 725 cm-1處有酯類羰基，可確定其結構；錦綸，根據特征頻率區3 300 cm-1處有氨基，在1 640 cm-1處有羰基的伸縮振動峰的特點，可確定其結構，并可與毛類纖維相區別；腈綸是由3種單體共聚而成，由于使用的第二單體和第三單體不同，情況復雜，但其基本結構是聚丙烯腈，具有腈基伸縮振動特征峰，因此根據其在2 310 cm-1處的強吸收，即可基本確定其結構。

2.2 天然纖維

由于天然纖維的結構比合成纖維復雜，因此僅依靠對特征頻率區吸收峰的分析往往不能準確分析纖維類別。例如：纖維素纖維包含棉、麻等天然纖維和黏膠、萊賽爾等人造纖維，他們在波長3010cm-1處均有吸收峰，且在指紋區1000～1100cm-1處有5個連續特征峰，基于這些結構信息僅可確定他們為纖維素纖維；天然蛋白質纖維包括綿羊毛、羊絨、馬海毛、兔毛、羊駝毛、蠶絲等，他們皆由蛋白質組成，其結構含有酰胺鍵，且在側基上含有甲基，所以他們在波長為3 300 cm-1處均有氨基的特征峰，在1640cm-1波長處有羰基的特征峰，在2960 cm-1波長處有甲基的特征峰，所以僅依靠上述結構信息也無法確定具體的纖維類別。

2.3 涂層類織物

根據GB/T 30666—2014《紡織品涂層鑒別試驗方法》可知：對于涂層類織物的測試分析，常通過衰減全反射法等表面分析方法測定涂層類等非纖維物質的成分。試驗時，只需直接從織物樣品上裁取測試所需大小的涂層試樣就可進行測試。若需要對樣品進行萃取，則先將樣品剪碎置于容器內，加入所需的化學試劑，待其溶解后將剩余樣品收集起來，然后加入有效的化學試劑使其沉淀，最后取上層清液涂抹于鹽片上，并置于紅外燈下烘烤至其干透、成膜，隨后將成膜的鹽片置于紅外光譜儀的檢測臺上，用透射法進行掃描，并記錄試樣的紅外光譜圖。若試樣為單一的涂層樣品，那依據參比光譜可直接作出判斷；若試樣不是單一組分，就先將其他不能判斷的物質剔除，再去判別主要物質。

3 結論

（1）實驗室對纖維進行鑒別時，常需將紅外光譜法與其他化學方法或物理方法相結合，并對所有試驗結果進行綜合分析后才可以得到正確的結果。

（2）紅外光譜技術分析法快速簡單，是日常檢測的重要手段之一，在紡織品檢測中有比較獨特的優勢，應用非常廣泛。雖然紅外光譜技術分析法仍然存在許多不足的地方，但隨著科學技術的發展，紅外光譜儀性能的不斷提升，通過借助于更科學的技術手段，對紅外光譜技術與其他檢測技術相結合的研究方向進行深入探討，必將使紅外光譜分析技術在紡織品檢測領域里得到更為廣泛的應用。