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性质相近的纺织纤维红外光谱法鉴别的实践

         纤维的定性检测最主要的目的就在于鉴别纤维的种类。确认纺织产品中各组分的类别是进行定量分析工作的基础。现行FZ/T 01057.1—2012《纺织纤维鉴别试验方法第1部分:通用说明》[1]是目前鉴别纤维种类的主要方法依据。其中常见的纤维鉴别方法包括:显微镜法、燃烧法、化学溶解法、熔点法和红外光谱法等。
 
红外光谱法利用不同物质有不同红外光谱的特性将未知纤维与已知纤维的标准红外光谱进行比较来区别纤维的类别。目前红外光谱法并没有得到广泛应用, 主要原因在于纤维标准红外谱库的建设尚不完善, 红外光谱检测的时间成本和经济成本相对于传统的显微镜法和溶解法优势并不明显。但需要指出的是, 红外光谱法是未来纺织品无损检测的重要依托, 红外光谱鉴别是一种非破坏性检测手段, 而显微镜法、溶解法以及燃烧法等等均是破坏性检测方法。本文是基于FZ/T 01057.8—2012《纺织纤维鉴别试验方法第8部分:红外光谱法》[2]实践过程中对于常见棉、再生纤维素纤维、仪纶等红外光谱法鉴别结果的总结, 以此为纤维检验工作者提供相关的参考。
 
2 试验部分
2.1 试验材料与仪器
试验材料:棉纤维、粘胶纤维、莱赛尔纤维、莫代尔纤维、仪纶、锦纶、涤纶 (南通大富豪纺织科技有限公司提供) 。
 
试验仪器:傅里叶变换红外光谱仪 , ED53热风循环烘箱 (德国BINDER) , WS70-1远红外线干燥箱 (杭州齐威仪器有限公司) 。
 
2.2 试验方法
2.2.1 试样取样方法
纤维样品的取样点要求能够代表整个样品中的全部纤维组分, 如果发现试样存在不均匀, 则应按照不同组分取样。
 
2.2.2 试样预处理
一般试样无须经过预处理, 如果试样中混有非纤维物质, 例如油脂、蜡及其他杂质时需要进行去除。去除方法参考GB/T 2910.1—2009《纺织品定量化学分析第1部分:试验通则》[3]中样品预处理方法。
 
一般对染色纤维中的染料, 可视为纤维中的一部分, 不必去除。如果试样上的染料 (如黑色) 对纤维鉴别有干扰, 可采用去除染料的方法脱色, 但不得损伤纤维或使纤维性质有任何改变。脱色方法参考GB/T 17592—2011《纺织品禁用偶氮染料的测定》[4]中采用的连二亚硫酸钠 (保险粉) 脱色。
 
2.2.3 测试方法
采用ATR法测试纤维样品无须制样, 仅需要测试前将纤维样品中的水分使用烘箱或远红外灯箱尽量去除。一般将待测试样品在烘箱内105℃烘干3h, 测试前在远红外灯箱内烘干0.5h。
 
3 结果与讨论
3.1 棉与再生纤维素纤维的红外光谱特征及区别
采用衰减全反射傅里叶转换红外光谱仪ATR全反射部件对棉、粘纤、莫代尔、莱赛尔纤维进行红外分析, 试验结果如图1所示。
 
图1 棉与再生纤维素纤维红外光谱图

 
 
 
从图1可以发现, 棉、粘纤、莫代尔、莱赛尔4种纤维的红外光谱图基本一致, 从FTIR图中可知3450cm-1~3200cm-1, 2890cm-1, 1636cm-1, 1016cm-1, 898cm-1等处出现吸收峰。3450cm-1~320cm-1出现宽峰, 表明H—O的伸缩振动特征;2890cm-1处的吸收峰为C—H的伸缩振动;1636cm-1处的吸收峰可能是吸附水的吸收峰;1016cm-1吸收峰可能是C—O的伸缩振动引起的;898cm-1处的吸收峰可能是C—O的面外弯曲振动。在图1红外图谱中观察到符合FZ/T 01057.8附录B[2]所述纤维素纤维主要吸收谱带及特征频率。
 
图2 棉与再生纤维素纤维一阶导数红外光谱图

 
 
图2为上述4种纤维的一阶导数红外谱图, 4种纤维一阶导数红外谱图几乎相同, 但在3500cm-1~3000cm-1范围内棉纤维的两个特征吸收峰发生紫移, 如图2中箭头所示, 而另外3种纤维的吸收峰位置几乎相同。由此可知, 用普通的红外光谱图和一阶导数红外谱图很难鉴别再生纤维素纤维的具体种类。
 
3.2 棉与再生纤维素纤维二阶导数红外光谱图的区别
图3、图4、图5、图6分别为棉、粘纤、莫代尔、莱赛尔纤维1500cm-1~500cm-1范围二阶导数红外光谱。比较上述各图, 可以发现棉作为天然纤维素, 1417.5cm-1和1319.4cm-1处的吸收峰是独立存在的, 且1417.5cm-1处的吸收峰在红外谱图中紫移到1430cm-1附近;粘胶纤维、莫代尔纤维、莱赛尔纤维则在1376.4cm-1处出现肩峰, 其实际对应的吸收峰为1417.5cm-1和1319.4cm-1处的吸收峰。除此之外, 棉与再生纤维素纤维在1500cm-1~1000cm-1范围内的二阶导数图谱存在明显的不同, 由此区分棉和另外三种纤维存在可行性, 但再生纤维素的具体种类在此试验条件下难以实现, 一般需要外加微扰条件进行测试。
 
图3 棉纤维二阶导数红外光谱图 (1500cm-1~500cm-1)

 
 
 
图4 粘胶纤维二阶导数红外光谱图 (1500cm-1~500cm-1)

 
 
 
图5 莫代尔纤维二阶导数红外光谱图 (1500cm-1~500cm-1)

 
 
 
图6 莱赛尔纤维二阶导数红外光谱图 (1500cm-1~500cm-1)

 
 
 
综上所述, 纤维素纤维1200cm-1~950cm-1范围的特征吸收峰实际上是糖类的吸收峰, 天然纤维素纤维与再生纤维素纤维的主要区别在1500cm-1~1200cm-1范围的特征吸收峰, 二阶导数红外图谱中, 若1417.5cm-1和1319.4cm-1处的吸收峰是以1376.4cm-1处肩峰形式存在, 则可判定为再生纤维素纤维, 反之则为天然纤维素纤维, 此方法可以用于显微镜法无法鉴别, 或者纤维形态过于类似的情形。
 
3.3 仪纶、涤纶与锦纶的红外光谱特征和区别
采用衰减全反射傅里叶转换红外光谱仪ATR全反射部件对仪纶、涤纶、锦纶纤维进行红外分析。从图7可以发现, 仪纶与涤纶的红外光谱比较相似, 与锦纶的红外光谱则具有明显的区别。
 
图7 仪纶、涤纶、锦纶红外光谱图

 
 
 
由锦纶FTIR图中可知3294cm-1、1633cm-1、1537cm-1等处出现吸收峰。3300cm-1左右的吸收峰, 表明N—H的伸缩振动特征;1633cm-1处的强吸收峰反映了酰胺中C=O的伸缩振动吸收以及部分N—H弯曲振动吸收所组成的酰胺Ⅰ带;1537cm-1处吸收峰则表明了酰胺Ⅱ带 (N—H的面内弯曲振动与部分C—N伸缩振动的耦合) 。而上述特征峰在仪纶纤维红外光谱上没有出现或者基本观察不到。
 
由涤纶的红外光谱图分析, 1712cm-1、1242cm-1、722cm-1等处出现特征吸收峰。涤纶属于聚酯纤维, 1712cm-1左右的吸收峰, 表明C=O的伸缩振动特征;1242cm-1处的强吸收峰反映了C—O的伸缩振动;722cm-1处吸收峰是由对位双取代苯环上—CH2面内摇摆所形成的。而上述的吸收特征峰在仪纶纤维的红外光谱上也存在, 表明仪纶作为聚酰胺酯所表现出的酯的特征。
 
仔细分析, 在仪纶纤维的红外光谱中除了上述的特征吸收峰外, 还在1666cm-1、1529cm-1等处出现特征吸收峰, 如图8所示。1666cm-1处的吸收峰可能是酰胺Ⅰ带;1529cm-1吸收峰则可能是酰胺Ⅱ带的吸收峰。表明仪纶中具备酰胺具体特征的可能性, 也是其在红外光谱特征上与涤纶的差别所在。
 
图8 仪纶红外光谱图 (2000cm-1~500cm-1)

 
 
 
4 结论
通过对一组棉、粘胶纤维、莱赛尔、莫代尔和另一组仪纶、锦纶、涤纶等7种性质相近的纺织纤维材料的红外光谱特征分析, 得出以下结论:
 
(1) 棉、粘纤、莫代尔、莱赛尔4种纤维的红外光谱图基本一致, 符合纤维素纤维主要吸收谱带及特征频率。普通的红外光谱图和一阶导数红外谱图很难鉴别再生纤维素纤维的具体种类, 而天然纤维素纤维与再生纤维素纤维的种类可以通过二阶导数红外谱图进行区分。
 
(2) 仪纶与涤纶的红外光谱比较相似, 与锦纶的红外光谱则具有明显的区别, 可以通过涤纶所表现出酯的特征, 仪纶所表现出酰胺的特征加以区分。