近紅外技術(shù)在廢舊紡織品分揀上的應(yīng)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(shù)瓶頸及近紅外技術(shù)主要特點，并重點分析了近紅外技術(shù)應(yīng)用于廢舊紡織品鑒別及成分預(yù)測上的原理及特點，同時，也指出了目前近紅外應(yīng)用于廢舊紡織品鑒別及成分預(yù)測上所存在的問題及可行性展望。分析表明，近紅外技術(shù)應(yīng)用于廢舊紡織品鑒別及成分預(yù)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(shù)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(chǎn)品的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：近紅外技術(shù)；廢舊紡織品；分揀；鑒別及成分預(yù)測；低碳經(jīng)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(yè)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(fā)資源危機和環(huán)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(fā)達國家其利用率也僅有16%，國內(nèi)廢舊紡織品回收再利用更是處于初期階段。導(dǎo)致廢舊紡織品利用率不高的原因主要是技術(shù)瓶頸、人們意識不足、缺乏法律政策支持、尚未形成龍頭企業(yè)及產(chǎn)業(yè)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(shù)瓶頸——分揀問題，提出應(yīng)用光譜分析技術(shù)——近紅外技術(shù)，來解決這一瓶頸問題。這是由于近紅外技術(shù)屬于物理鑒別方式，對織物不會產(chǎn)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(huán)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(yīng)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(shù)瓶頸及近紅外技術(shù)特點

1.1 技術(shù)瓶頸

廢舊紡織品回收再利用是一個程序繁雜，對技術(shù)及設(shè)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(shù)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(yè)實現(xiàn)低碳發(fā)展的基礎(chǔ)；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(xiàn)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(huán)境差，對工人的健康產(chǎn)生威脅，而且分揀質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)。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(fā)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(chǎn)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(shù)來解決這一問題。

1.2 近紅外技術(shù)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(yōu)點。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，進而對其進行定性定量分析，不同物質(zhì)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(yīng)用到所有的含氫基團的相關(guān)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(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行信號傳輸，實現(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。綜上可知，近紅外技術(shù)是廢舊紡織品實現(xiàn)快速、在線、準確、低碳分揀的最佳手段。endprint

2 近紅外技術(shù)應(yīng)用于廢舊紡織品鑒別及成分預(yù)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(jié)果穩(wěn)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(chǎn)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(zhì)分子的基團及化學鍵一一對應(yīng)的關(guān)系，來識別不同物質(zhì)。同時，近紅外技術(shù)因其獨有的無需樣本制作，快速、準確、穩(wěn)定、光譜全、低耗能，分析過程不用添加任何化學品就可實現(xiàn)紡織品測試，因而成為紡織品鑒別及成分預(yù)測的焦點。近紅外技術(shù)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(chǎn)品的研發(fā)。

本文則將近紅外技術(shù)應(yīng)用于廢舊紡織品的鑒別及成分預(yù)測。近紅外光譜分析的本質(zhì)依據(jù)是不同物質(zhì)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(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)纖維種類的鑒別及成分預(yù)測。同時，廢舊紡織品雖然經(jīng)過使用，但是其纖維的化學結(jié)構(gòu)及分子組成沒有發(fā)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(shù)對其進行鑒別及成分預(yù)測是可行的。

2.1 廢舊棉類紡織品鑒別及成分預(yù)測上的應(yīng)用

棉類紡織品占紡織品總消耗量的20%，每年產(chǎn)生的廢舊產(chǎn)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(yù)測，然后才能采取適當手段進行再利用。目前近紅外技術(shù)在棉工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，例如，楊建忠等人發(fā)現(xiàn)棉纖維中的含糖量與近紅外技術(shù)的吸光度之間相關(guān)性很高，即可以運用這種相關(guān)性關(guān)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(yīng)光譜數(shù)值的多元回歸方程，實現(xiàn)了對滌棉混紡面料成分的預(yù)測，因此該方法可用于對廢舊棉類紡織品的鑒別及成分預(yù)測；郟東耀等人通過利用近紅外技術(shù)實現(xiàn)了棉類產(chǎn)品中微量成分的預(yù)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(yù)測；于劍鋒等人融合近紅外技術(shù)與PCA方法，實現(xiàn)了彩棉與白棉的鑒別，所以可以運用此技術(shù)實現(xiàn)對廢舊彩棉類和白棉類紡織品的鑒別，進而對經(jīng)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(yù)測上的應(yīng)用

羊毛纖維一直占據(jù)紡織品的高端市場，每年產(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)學模型，其模型穩(wěn)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(nèi)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(chǎn)生影響；Church等人利用近紅外技術(shù)及PCA法實現(xiàn)了純紡與混紡產(chǎn)品的圖譜區(qū)分，而且實現(xiàn)了在線快速識別；Hammersley等人和Fleet等人利用近紅外技術(shù)分別實現(xiàn)了對羊毛中的殘脂率、水分含量的預(yù)測和對染色毛、有髓毛的檢測，實現(xiàn)了毛類紡織品品質(zhì)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(yù)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(yù)測上的應(yīng)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(shù)實現(xiàn)了對真絲類紡織品真絲含量的快速檢測。研究發(fā)現(xiàn)近紅外技術(shù)能實現(xiàn)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(yù)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(yù)測上的應(yīng)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(shù)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(chǎn)生大量有毒氣體，污染大氣，如進行掩埋將會使土壤板結(jié)甚至破壞地下水質(zhì)，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(shù)知識，并建成了先進的生產(chǎn)流水線，甚至形成了產(chǎn)業(yè)鏈，例如日本帝人公司。國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)在合成纖維領(lǐng)域應(yīng)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(shù)運用到合成纖維的工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)近紅外技術(shù)在合成纖維原料制備、添加劑組成、產(chǎn)品性能及纖維鑒別、助劑檢測等多方面的應(yīng)用完全可行，同時指出NIR技術(shù)在化纖產(chǎn)品質(zhì)量的提高及生產(chǎn)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(shù)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(yù)測上的應(yīng)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(yè)中是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(guān)于近紅外技術(shù)運用到羊皮制品的脫脂過程的研究，對來自不同產(chǎn)地的12種羊皮產(chǎn)品進行了分析研究，羊毛處理過程經(jīng)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(shù)據(jù)的分析采用PLS法，相對標準誤差約為10%，各種樣品集的相關(guān)系數(shù)約為95%。因此可以利用近紅外技術(shù)實現(xiàn)對不同產(chǎn)地、不同品種的廢舊皮革類產(chǎn)品的有效分揀，方便后期的再利用。endprint

3 近紅外技術(shù)應(yīng)用存在的問題及展望

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

（1）設(shè)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(shù)只能完成不同類纖維間鑒別，無法實現(xiàn)同類纖維中不同規(guī)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(xiàn)同類纖維不同規(guī)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(shù)是一種間接測試技術(shù)，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(guān)系數(shù)法對其測試結(jié)果進行預(yù)處理，進而完成對各類纖維的鑒別，所以其結(jié)果的可靠性取決于樣品的篩選、儀器的信噪比及傳統(tǒng)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(shù)就可能實現(xiàn)快速、精確、無破壞的檢測，且能在各種工業(yè)環(huán)境條件下達到在線監(jiān)控的作用。

（4）現(xiàn)有的近紅外模型及數(shù)據(jù)庫較少。由于近紅外光譜數(shù)據(jù)庫及模型的建立是一個不斷進行模型完善及數(shù)據(jù)積累的過程，且一般涉及到知識產(chǎn)權(quán)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(shù)的核心知識；選擇有代表性的校正集樣本，建立穩(wěn)定可靠地模型及數(shù)據(jù)譜圖庫；采用合適的分析方法進行近紅外技術(shù)分析，得到準確的信息；對原始光譜圖進行預(yù)處理，并進行圖譜鑒別及定性定量分析；注意數(shù)據(jù)庫信息的不斷充實與更新，以提高測試的準確性。最終實現(xiàn)近紅外技術(shù)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(huán)境。

4 結(jié)論

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

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