纺织品中成分检测方案(光纤光谱仪)

研究背景 纺织品是生活的必需品，其质量的好坏直接关系到每个消费者，因此对纺织品质量的检测非常重要。纺织品的性质指标参数众多，例如纤维长度、纤细度、含油率、纺织纤维成分及含量鉴别等等。其中，纺织品纤维成分及含量是反映服装面料优劣的重要指标，绝大多数国家及地区都颁布了相关法律法规规定纺织品必须标注纺织纤维的组分及含量。然而由于纺织品种类繁多，不同品种纺织纤维之间的造价及性能天差地别，故市面上产生了一些以次充好的乱象。例如标签写的是100%山羊绒，实际采用的却是成本低廉的涤纶，或者在山羊绒中掺绵羊绒等。这些以假乱真、以次充好的现象严重破坏了正常的市场秩序，同时也破坏了纺织品产业的健康发展。因此，快速准确鉴别纺织品材质对于纺织品生产管理、市场监督都具有重要意义。 图1：衣物上的纤维成分含量标签 基本原理 纺织品纤维的种类繁多，按照原料来源可以分为两大类，分别是化学纤维和天然纤维。天然纤维是指自然界中原有的或者是从人工培育的植物或动物上直接提取的纺织纤维，天然纤维有很多种类，按照来源可分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维等，植物纤维主要成分是纤维素。动物纤维的主要成分是蛋白质。而矿物纤维的主要成分则为一些无机物，为无机金属硅酸盐类。化学纤维是指用天然或人工合成的高分子化合物为原料，经过一系列处理工序得到的具有纺织性能的纤维。 图2：市场上琳琅满目的纺织制品 目前常用的纤维的鉴别方法有感官鉴别法、显微镜法、燃烧法、溶解法、含氯含氮呈色反应法、密度梯度法等，综合使用感官鉴别法、燃烧法和溶解法可以很容易地区别成分差异显著的纤维，例如棉麻、毛绒和化纤等大类之间的差异，但是对于组成成分相似的纤维则需要采用其他的方式来辅助鉴别，例如采用显微镜法等，此类鉴别不仅需要大型的设备，并且测量一次的成本也很昂贵。而对于混纺纺织品中纤维含量的检测方法有很多，常用的是定量化学分析方法，利用化纤在不同溶剂中的溶解度不同，采用合适的溶剂使得混纺中的某些成分从织物中分离出来，从而求得各个组分的百分含量。然而定量化学分析方法不仅费事费力，同时化学试剂还会对环境造成污染，在实际市场监管过程中任务量繁重，应用不现实。 综上所述，除了不法分子的利益驱使外，市场监管过程中缺乏快速便捷准确的现场或在线纤维成分快速测定的方法是不能有效杜绝纺织品纤维掺假乱象的重要原因之一。因此一种快速便捷准确的检测纺织品纤维成分的方法是解决纺织品领域质量问题的重要手段。 近红外光是介于紫外-可见光和中红外光之间的电磁波，其波长范围为700-2500nm。近红外光谱主要是分子基频振动的倍频和合频，与基频振动（中红外）相比，倍频和合频产生的几率要低1-3个数量级，所以近红外光谱吸光度的系数比中红外光谱低1-3个数量级，这就要求仪器具有较高的信噪比。在近红外光谱区域最常观测到的为含氢基团（C-H、O-H、N-H等）的吸收，故近红外光谱非常适用于有机物的检测，例如农产品、药品、石油化工等物化参数的测量，目前近红外光谱结合化学计量学的方法已经广泛应用于食品工业、农业、生物化工和医学等领域，成为一种不可或缺的高效、无损、快速检测技术。 植物纤维的成分为纤维素，动物纤维的成分为蛋白质，化学纤维由高分子化合物合成制得。由纤维的分子结构可以得知，其中含有大量的含氢基团，因此大部分的纺织品都具有丰富的近红外光谱信息。此外，近红外光谱可以无损检测，因此，无论是从测量方式，还是从化学信息角度出发，近红外光谱都非常适合纺织品纤维的成分及含量的定性、定量检测。近红外光谱分析技术相较于传统分析技术具有诸多优点，它分析时间短，分析速度快，无需制备样品，无接触式无损检测，可以同时测量一个物质中多种组分的信息等。目前近红外光谱分析法已成功应用于纺织品工业的实际生产过程中。 实验方案和配置 下图是如海光电基于近红外光纤光谱仪搭建的纺织品近红外光谱检测装置原理示意图；其具体装置示意如图所示：钨灯光源发出的光经过Y型反射光纤打在样品上，样品产生的漫反射信号再经过光纤进入近红外光谱仪，从而得到样品的近红外光谱。 图3：实验设备搭建图 1近红外光纤光谱仪2Y型反射光纤3钨灯光源4透反射测量支架5漫反射标准板 实验结果与分析 本次实验利用搭建的测试系统采集了5种不同成分组成的纺织品的近红外光谱图，其谱图如下图所示。 图4：5种样品近红外光谱图 对采集到的光谱进行主成分分析，得到其3维PCA分类图如图所示： 图5：5种样品主成分三维图 结果显示对于5种不同材质的纺织品，其主成分分析图显示样品间存在明显差异，由此可以得知利用近红外光谱图可准确分辨出不同材质的纺织品。 结论 基于如海光电近红外光谱仪、钨灯、Y型反射光纤搭建的近红外光谱测试系统可快速、便捷、准确地采集纺织品的近红外光谱图，且实验结果显示利用化学计量学方法可准确分类不同材质的纺织品，由此可实现对纺织品纤维种类的定性鉴别，可为纺织品的工业生产、市场监管以及废旧衣物回收等领域提供高效的解决方案。 相关产品 关于我们 上海如海光电科技有限公司是一家专业从事光学仪器、光电类模组、光学部件等设计、研发与生产的研发型企业。 公司拥有专业的光纤光谱仪与半导体激光器制造技术，光学探头研发和光谱检测技术，是专业光学系统定制，光学仪器零部件设计、仪器及理化整体方案的供应商，已和国内多家主流科研、研究机构开展深度合作。 扫码关注我们 查看更多精彩内容 如海光电公众号 研究背景纺织品是生活的必需品，其质量的好坏直接关系到每个消费者，因此对纺织品质量的检测非常重要。纺织品的性质指标参数众多，例如纤维长度、纤细度、含油率、纺织纤维成分及含量鉴别等等。其中，纺织品纤维成分及含量是反映服装面料优劣的重要指标，绝大多数国家及地区都颁布了相关法律法规规定纺织品必须标注纺织纤维的组分及含量。然而由于纺织品种类繁多，不同品种纺织纤维之间的造价及性能天差地别，故市面上产生了一些以次充好的乱象。例如标签写的是纯品山羊绒，实际采用的却是成本低廉的涤纶，或者在山羊绒中掺绵羊绒等。这些以假乱真、以次充好的现象严重破坏了正常的市场秩序，同时也破坏了纺织品产业的健康发展。因此，快速准确鉴别纺织品材质对于纺织品生产管理、市场监督都具有重要意义。图1：衣物上的纤维成分含量标签基本原理纺织品纤维的种类繁多，按照原料来源可以分为两大类，分别是化学纤维和天然纤维。天然纤维是指自然界中原有的或者是从人工培育的植物或动物上直接提取的纺织纤维，天然纤维有很多种类，按照来源可分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维等，植物纤维主要成分是纤维素。动物纤维的主要成分是蛋白质。而矿物纤维的主要成分则为一些无机物，为无机金属硅酸盐类。化学纤维是指用天然或人工合成的高分子化合物为原料，经过一系列处理工序得到的具有纺织性能的纤维。图2：市场上琳琅满目的纺织制品目前常用的纤维的鉴别方法有感官鉴别法、显微镜法、燃烧法、溶解法、含氯含氮呈色反应法、密度梯度法等，综合使用感官鉴别法、燃烧法和溶解法可以很容易地区别成分差异显著的纤维，例如棉麻、毛绒和化纤等大类之间的差异，但是对于组成成分相似的纤维则需要采用其他的方式来辅助鉴别，例如采用显微镜法等，此类鉴别不仅需要大型的设备，并且测量一次的成本也很昂贵。而对于混纺纺织品中纤维含量的检测方法有很多，常用的是定量化学分析方法，利用化纤在不同溶剂中的溶解度不同，采用合适的溶剂使得混纺中的某些成分从织物中分离出来，从而求得各个组分的百分含量。然而定量化学分析方法不仅费事费力，同时化学试剂还会对环境造成污染，在实际市场监管过程中任务量繁重，应用不现实。综上所述，除了不法分子的利益驱使外，市场监管过程中缺乏快速便捷准确的现场或在线纤维成分快速测定的方法是不能有效杜绝纺织品纤维掺假乱象的重要原因之一。因此一种快速便捷准确的检测纺织品纤维成分的方法是解决纺织品领域质量问题的重要手段。近红外光是介于紫外-可见光和中红外光之间的电磁波，其波长范围为700-2500nm。近红外光谱主要是分子基频振动的倍频和合频，与基频振动（中红外）相比，倍频和合频产生的几率要低1-3个数量级，所以近红外光谱吸光度的系数比中红外光谱低1-3个数量级，这就要求仪器具有较高的信噪比。在近红外光谱区域最常观测到的为含氢基团（C-H、O-H、N-H等）的吸收，故近红外光谱非常适用于有机物的检测，例如农产品、药品、石油化工等物化参数的测量，目前近红外光谱结合化学计量学的方法已经广泛应用于食品工业、农业、生物化工和医学等领域，成为一种不可或缺的高效、无损、快速检测技术。植物纤维的成分为纤维素，动物纤维的成分为蛋白质，化学纤维由高分子化合物合成制得。由纤维的分子结构可以得知，其中含有大量的含氢基团，因此大部分的纺织品都具有丰富的近红外光谱信息。此外，近红外光谱可以无损检测，因此，无论是从测量方式，还是从化学信息角度出发，近红外光谱都非常适合纺织品纤维的成分及含量的定性、定量检测。近红外光谱分析技术相较于传统分析技术具有诸多优点，它分析时间短，分析速度快，无需制备样品，无接触式无损检测，可以同时测量一个物质中多种组分的信息等。目前近红外光谱分析法已成功应用于纺织品工业的实际生产过程中。实验方案和配置下图是如海光电基于近红外光纤光谱仪搭建的纺织品近红外光谱检测装置原理示意图；其具体装置示意如图所示：钨灯光源发出的光经过Y型反射光纤打在样品上，样品产生的漫反射信号再经过光纤进入近红外光谱仪，从而得到样品的近红外光谱。图3：实验设备搭建图1近红外光纤光谱仪2Y型反射光纤3钨灯光源4透反射测量支架5漫反射标准板实验结果与分析本次实验利用搭建的测试系统采集了5种不同成分组成的纺织品的近红外光谱图，其谱图如下图所示。图4：5种样品近红外光谱图对采集到的光谱进行主成分分析，得到其3维PCA分类图如图所示：图5：5种样品主成分三维图结果显示对于5种不同材质的纺织品，其主成分分析图显示样品间存在明显差异，由此可以得知利用近红外光谱图可准确分辨出不同材质的纺织品。结论基于如海光电近红外光谱仪、钨灯、Y型反射光纤搭建的近红外光谱测试系统可快速、便捷、准确地采集纺织品的近红外光谱图，且实验结果显示利用化学计量学方法可准确分类不同材质的纺织品，由此可实现对纺织品纤维种类的定性鉴别，可为纺织品的工业生产、市场监管以及废旧衣物回收等领域提供高效的解决方案。相关产品关于我们上海如海光电科技有限公司是一家专业从事光学仪器、光电类模组、光学部件等设计、研发与生产的研发型企业。公司拥有专业的光纤光谱仪与半导体激光器制造技术，光学探头研发和光谱检测技术，是专业光学系统定制，光学仪器零部件设计、仪器及理化整体方案的供应商，已和国内多家主流科研、研究机构开展深度合作。扫码关注我们查看更多精彩内容如海光电公众号