纖維定性鑒別的顯微紅外光譜法

楊欣卉

(廣州纖維產品檢測研究院,廣東 廣州511447)

纖維成分檢驗是紡織品檢驗的基礎項目,有定性檢驗與定量檢驗兩種類型,或者說是纖維成分檢驗的兩個階段,定性檢驗是定量檢驗的基礎。紡織品檢測的現行國內外標準中,纖維定性鑒別的常用方法有燃燒法、顯微鏡法、溶解法、紅外光譜法等[1-4],其中紅外光譜法是經常用到的儀器檢測方法。傳統的纖維成分定性鑒別的紅外光譜方法在行業標準FZ/T 01057.8-2012《紡織纖維鑒別試驗方法 第8部分:紅外光譜法》中有詳細描述,使用現有的紅外光譜方法定性鑒別纖維組分,存在一些不足:一是使用溴化鉀鹽片法制樣,纖維的切斷比較繁瑣,且纖維韌性較大,不像大多數固體粉末,可以在研缽中研細并且與稀釋劑溴化鉀均勻地混合;二是對于組分難以分離的混紡織物,譜圖的采集與解析都存在較大的困難,尤其一種或兩種纖維占比較低的混紡織物。

與普通的紅外光譜儀相比,顯微紅外光譜儀制樣簡便,甚至不需要制樣,可直接采集樣品的顯微紅外光譜,不破壞測試樣品,實現無損檢測。纖維紅外光譜儀靈敏度高,主光學臺透射的紅外光斑直徑大約為10 mm,進入顯微鏡的光束被物鏡聚焦之后,照射在測試樣品上的有效光斑在微小的空間內有很高的光通量,因此顯微紅外光譜儀可以采集微小尺寸樣品的紅外光譜。顯微紅外光譜儀采集單根纖維的紅外光譜所受到的干擾比傳統紅外光譜儀要小,因為顯微紅外光譜儀采集光譜時不需要添加稀釋劑,稀釋劑的存在和稀釋劑帶有的水分會使譜帶產生位移和形變。紅外顯微鏡與紅外光譜儀配合使用,可以采集單根纖維的紅外光譜,對難分離的混合纖維制品和微量纖維樣品的測試十分有效,是一種更直接的纖維定性鑒別方法,是對現有檢測方法的有效補充[5-6]。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

長絨棉散纖維;苧麻本色紗(線密度32 tex);萊賽爾纖維(散纖維,1.4 dtex,長度38 mm);精梳羊毛紗線(線密度18.25 tex×2);桑蠶絲長絲;滌綸短纖維(散纖維,1.33 dtex,長度38 mm);錦綸短纖維(散纖維,1.67 dtex,長度38 mm);腈綸短纖維(散纖維,2.78 dtex,長度64 mm);醋酯纖維短纖維(絲束,單絲線密度3.33 dtex);維綸短纖維(散纖維,1.44 dtex,長度44 mm);乙綸短纖維(散纖維,2.66 dtex,長度38 mm);丙綸(散纖維,1.56 dtex,長度38 mm)。

1.2 試驗儀器

Nicolet is50型傅里葉變換紅外光譜儀和Nicolet Continuμm紅外顯微鏡,均為美國賽默飛世爾科技公司生產。

1.3 顯微紅外光譜儀采集單根纖維的紅外光譜

使用Nicolet is50型傅里葉變換紅外光譜儀和Nicolet Continuμm紅外顯微鏡以透射方式采集單根纖維的紅外光譜,分辨率為8 cm-1,掃描次數為50次。

2 結果與討論

2.1 棉、苧麻和萊賽爾纖維的顯微紅外光譜

棉、苧麻和萊賽爾纖維同屬纖維素纖維,其中棉和苧麻為天然纖維素纖維,萊賽爾纖維為再生纖維素纖維,3種纖維的化學組成相似,主要成分都是纖維素,因此其紅外光譜具有高度的相似性。以透射方式采集的單根棉、苧麻和萊賽爾纖維的紅外光譜見圖1。圖1中,在3 400～3 230 cm-1的特征峰為-OH伸縮振動峰,在2 900 cm-1附近的特征峰為-CH2-伸縮振動峰,在1 650 cm-1附近存在由纖維素中的水分產生的吸收峰,在1 100～1 000 cm-1附近的特征峰為纖維素中的-C-O-C-伸縮振動吸收峰。通過上述紅外光譜特征峰可以判定一種纖維是否為纖維素纖維,但難以確認纖維素纖維的具體種類,結合使用顯微鏡方法觀察到的纖維縱、橫向形貌特征,甚至結合紅外顯微鏡中觀察到的纖維形貌特征,可以鑒別大多數纖維素纖維的具體種類。

圖1 棉、苧麻和萊賽爾纖維的顯微紅外光譜

2.2 羊毛和蠶絲的顯微紅外光譜

羊毛和蠶絲都是天然蛋白質纖維,其主要組成物質均為蛋白質,含有酰胺鍵,2種纖維的紅外光譜具有很大的相似性,但在峰型和相對強度方面有顯著差異。以透射方式采集的單根羊毛和蠶絲的紅外光譜見圖2。圖2中,在3 300 cm-1附近的特征峰為-NH伸縮振動峰,在2 950 cm-1附近的特征峰為-CH3伸縮振動峰,在1 640 cm-1附近的特征峰為-C=O伸縮振動形成的酰胺Ⅰ譜帶,在1 530 cm-1附近的特征峰為-NH變形振動形成的酰胺Ⅱ譜帶,950～1 080 cm-1之間蠶絲顯現了不同于羊毛纖維的幾個微弱特征峰。與鑒別纖維素纖維類似,使用顯微紅外光譜可以鑒別出蛋白質纖維,但具體種類的鑒別可配合外觀形貌信息進一步確認。

2.3 滌綸、錦綸和腈綸的顯微紅外光譜

滌綸、錦綸和腈綸都是開發較早、使用量較大的化學纖維,以透射方式采集的單根滌綸、錦綸和腈綸的紅外光譜見圖3。滌綸、錦綸和腈綸的主要成分分別為聚酯、聚酰胺和聚丙烯腈,化學組成不同導致其紅外光譜具有顯著差異。圖3中,滌綸在1 720 cm-1附近出現-C=O伸縮振動峰,在1 250 cm-1和1 110 cm-1附近出現了芳香酸酯-C-O-C對稱伸縮振動;錦綸會在3 300 cm-1附近出現-NH伸縮振動峰,在1 636 cm-1附近出現了-C=O伸縮振動形成的酰胺Ⅰ譜帶,在1 545 cm-1附近出現-NH變形振動形成的酰胺Ⅱ譜帶;腈綸在2 245 cm-1出現-C≡N伸縮振動峰,在1 450 cm-1附近出現亞甲基的-C-H伸縮振動峰。使用顯微紅外光譜方法,可以較為便捷地鑒別出滌綸、錦綸和腈綸3種纖維。

圖2 羊毛和蠶絲的顯微紅外光譜

圖3 滌綸、錦綸和腈綸的顯微紅外光譜

2.4 醋酯纖維和維綸的顯微紅外光譜

醋酯纖維的主要成分為纖維素醋酸酯,維綸的主要成分為經甲醛處理的聚乙烯醇。以透射方式采集的單根醋酯纖維和維綸的紅外光譜見圖4。圖4中,醋酯纖維在3 500 cm-1附近出現-OH伸縮振動特征峰,在1 735 cm-1附近出現酯羰基的-C=O伸縮振動特征峰,在1 735 cm-1附近出現-CH3的對稱變角振動特征峰,在1 230 cm-1出現脂肪酸酯-C-O-C-反對稱伸縮振動吸收峰;維綸在3 350 cm-1附近出現了-OH伸縮振動吸收峰,在1 010 cm-1附近和850 cm-1附近出現縮醛基-O-CH2-O-伸縮振動特征峰。

圖4 醋酯纖維和維綸的顯微紅外光譜

2.5 乙綸和丙綸的顯微紅外光譜

乙綸和丙綸的主要成分分別為聚乙烯和聚丙烯,以透射方式采集的單根乙綸和丙綸的紅外光譜見圖5。圖5中,乙綸在2 920 cm-1附近和2 850 cm-1出現-C-H伸縮振動特征峰,在1 640 cm-1附近出現-C-H彎曲振動特征峰,在720 cm-1附近出現-C-H彎曲振動特征峰;丙綸中聚丙烯分子鏈上具有甲基支鏈,除了1 460 cm-1附近出現的-C-H彎曲振動特征峰,還在1 377 cm-1附近有很強的-CH3彎曲振動特征峰,并在1 160 cm-1附近和970 cm-1附近出現特征峰。

3 結論

(1)單根纖維的紅外光譜可以使用顯微紅外光譜方法采集,該方法比傳統紅外光譜方法更加直接和有針對性,是纖維成分定性鑒別的有效技術手段。

(2)使用紅外顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜儀以透射方式采集的單根纖維的紅外光譜,與傳統的紅外光譜方法中以衰減全反射法或鹽片透射法采集的紅外光譜相比,在個別譜帶的位置和特征峰相對強度方面存在差異。使用顯微紅外光譜方法進行纖維定性鑒別時,應當對照在同等條件下采集的已知纖維的紅外光譜為依據進行鑒別。

圖5 乙綸和丙綸的顯微紅外光譜