李 澤，劉雅玲,2

(1.河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,河北 石家莊 050018； 2.河北省紡織服裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050018)

我國(guó)FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法》中有8種纖維檢測(cè)方法：燃燒法、顯微鏡法、溶解法、含氯含氮呈色反應(yīng)法、熔點(diǎn)法、密度梯度法、紅外光譜法、雙折射率法。通常燃燒法、顯微鏡法、熔點(diǎn)法用于纖維的定性測(cè)試，紅外光譜法、溶解法用于纖維的定量測(cè)試，定量測(cè)試方法以溶解法為主。溶解法耗時(shí)較多，無(wú)法應(yīng)對(duì)逐年上升的纖維含量送檢需求。光譜檢測(cè)法具有快速、環(huán)保、無(wú)損試樣等優(yōu)點(diǎn)，純纖維織物紅外光譜檢測(cè)法已經(jīng)在實(shí)際中應(yīng)用，我國(guó)已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第8 部分：紅外光譜法》。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，雙組分纖維織物的定性和定量判別技術(shù)和方法已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。本文旨在根據(jù)雙組分纖維含量混紡比例范圍以及GB/T 29862—2013《紡織品 纖維含量的標(biāo)識(shí)》允差，剔除非常規(guī)纖維混紡比例范圍，優(yōu)化光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)，減少建立光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)的工作量，使光譜檢測(cè)法更加普及，為纖維含量檢測(cè)提供技術(shù)支持。

1 拉曼光譜法

1.1 拉曼光譜原理

拉曼散射是光子和物質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，光子與物質(zhì)分子間產(chǎn)生能量交換，光子不但發(fā)生了方向上的改變且能量會(huì)減少或增加。同一種物質(zhì)分子，當(dāng)入射光頻率發(fā)生改變時(shí)，雖然拉曼線的頻率會(huì)隨之改變，但拉曼位移卻始終保持不變，因此拉曼位移與入射光頻率無(wú)關(guān)，它只與物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。不同的物質(zhì)分子有不同的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，導(dǎo)致它們的拉曼位移也不相同，因此拉曼光譜可以通過(guò)分子識(shí)別對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性判斷[1]。

1.2 在紡織纖維檢測(cè)方面的應(yīng)用

含水以及吸濕性強(qiáng)的纖維適宜用拉曼光譜法進(jìn)行檢驗(yàn)，因?yàn)樗睦?yīng)較弱，對(duì)光譜的影響較小。紅外光譜反應(yīng)的原理主要是檢測(cè)含H基團(tuán)分子的振動(dòng)，如C—H、O—H、S—H、N—H等，由于H基團(tuán)分子容易受空氣中水的影響，所以對(duì)檢測(cè)環(huán)境的濕度具有嚴(yán)格要求[2]。拉曼光譜在糧食污染、添加劑檢測(cè)方面已成功試用，且向小型化、便攜式方向發(fā)展[3-4]，采用表面增強(qiáng)技術(shù)可獲取更好的光譜圖[5]。

2 紅外光譜法

2.1 紅外光譜法測(cè)試原理

根據(jù)光的波長(zhǎng)不同，可以將紅外光劃分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外3個(gè)波段，近紅外的波長(zhǎng)范圍是780～2 526 nm，以紅外光源照射纖維，引起纖維中化合物分子震動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，分子可以吸收與其內(nèi)部的化學(xué)鍵振動(dòng)頻率一致的紅外光能量，由基態(tài)躍遷至高能級(jí)，在此過(guò)程中化合物吸收紅外光產(chǎn)生紅外光譜，由于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的光譜也不同，所以可以根據(jù)特征峰的數(shù)量、位置、強(qiáng)度等信息得到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行判斷[1]。

2.2 在紡織品纖維檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

對(duì)于單組分纖維的定性判斷，依靠不同纖維具有不同的光譜峰值可以將不同的纖維區(qū)分開(kāi)，如牦牛毛在1 040.9 cm-1有特征峰，但羊毛在此處沒(méi)有特征峰，可依據(jù)1 040.9 cm-1處的特征峰區(qū)分羊毛與牦牛毛[6]。

紅外光譜儀采用漫反射檢測(cè)方式和透反射檢測(cè)方式，透反射檢測(cè)方式比漫反射檢測(cè)方式的吸光度要高，所以透反射檢測(cè)方式更適合于紡織品纖維含量的檢測(cè)。根據(jù)朗勃比爾定律有以下公式。

A(v)=a(v)bc

式中：A(v)為吸光度,(mol·cm)/L；a(v)為織物樣品近紅外光吸收系數(shù)；b為織物樣品化學(xué)組分濃度,mol/L；c為光程,cm。測(cè)試樣品的吸光度與其濃度成正比，此式成立的前提是被檢測(cè)樣品具有獨(dú)立的吸收峰，不適用于譜峰重疊的情況，設(shè)計(jì)全反射擋板使光源2次穿過(guò)樣品以增大光程，進(jìn)而增大吸光度，這樣可以有效地解決紅外光譜信號(hào)弱的問(wèn)題[7]。

3 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

有些服裝面料由多種纖維組成，主要是面料織造過(guò)程中使用了混紡紗，混紡紗是由2種及以上不同纖維混合紡織而成，混紡的目的是為了提高紗線的性能，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、降低成本、增加品種、獲得特殊風(fēng)格的效果[8]。如將羅布麻纖維與棉、德絨細(xì)特腈綸纖維混紡可以提高羅布麻混紡織物的保暖性能[9]。

光譜技術(shù)是一種間接檢測(cè)技術(shù)，紅外光譜以及拉曼光譜技術(shù)都需要建立好標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，以此作為未知檢測(cè)樣品的特征匹配光譜，因此標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備和選擇需要結(jié)合化學(xué)計(jì)量確定標(biāo)準(zhǔn)樣品纖維的準(zhǔn)確成分以及含量[10]。

紡織品光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是一項(xiàng)非常龐大的工作，需要測(cè)量各種纖維及不同纖維比例的光譜圖，比如棉和氨綸的混紡織物，棉纖維含量從90%到10%，相對(duì)的氨綸從10%到90%，纖維含量不同其光譜圖也不相同，因此棉/氨綸混紡織物理論光譜圖數(shù)量應(yīng)為98張(除去100%棉和100%氨綸)。但是事實(shí)上一件衣服的成分不會(huì)是100%氨綸、氨綸含量極少或含量超過(guò)50%，因此排除不可能出現(xiàn)的織物混紡比例，可以減少光譜圖的測(cè)量數(shù)量。

3.1 根據(jù)國(guó)標(biāo)中纖維含量允差優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)

依據(jù)GB/T 29862—2013中的要求，產(chǎn)品或產(chǎn)品的某一部分完全由1種纖維組成時(shí)，用“100%”“全”或“純”表示纖維含量，允差為0。產(chǎn)品或產(chǎn)品的某部分含有2種及以上的纖維時(shí)，除特定情況，標(biāo)簽上表明的每種纖維含量允差為5%，填充物的纖維含量允差為10%。當(dāng)標(biāo)簽上的某種纖維含量≤10%時(shí)，纖維含量允差為3%，當(dāng)某種纖維含量≤3%時(shí)，實(shí)際含量不得為0。

使用近紅外光譜儀對(duì)樣品的纖維含量進(jìn)行定量檢測(cè)，紅外光譜測(cè)量結(jié)果對(duì)比手工分解法的測(cè)量結(jié)果，誤差控制在2%以?xún)?nèi)，絕大多數(shù)控制在1%以下，滿足GB/T 29862—2013當(dāng)某種纖維含量小于10%時(shí)，纖維含量允許誤差為3%的要求[11]。

3.2 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化

3.2.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允差法

因?yàn)镚B/T 29862—2013對(duì)纖維含量允許有一定范圍的誤差，所以混紡織物定量分析的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以按照允差范圍分段，減小建立光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的工作量，以棉/滌混紡織物為例，棉的含量從10%～90%對(duì)應(yīng)滌綸含量從90%～10%的數(shù)據(jù)庫(kù)建立，若不分段，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需要測(cè)量近90張光譜圖，而且對(duì)測(cè)試樣的精度要求高，因此工作量和資源的需求量大；按照5%的允差范圍(10%～15%、15%～20%、20%～25%，…)只需要測(cè)量18張標(biāo)準(zhǔn)式樣的光譜圖，減小了工作量，且滿足GB/T 29862—2013的要求。棉從0～10%對(duì)應(yīng)滌綸含量100%～90%或者滌綸0～10%對(duì)應(yīng)棉的含量100%～90%時(shí)，允差為3%(1%～3%、3%～6%、6%～9%、9%～10%)，需要測(cè)量4張標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜圖添加至數(shù)據(jù)庫(kù)。依據(jù)GB/T 29862—2013的允差范圍，按照分段的方法，建立光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)的工作量將大大減少，為光譜檢測(cè)方法定量檢測(cè)纖維含量的推廣起到積極作用。

3.2.2 纖維混紡比例范圍法

為減少建立光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)的工作量，一方面可以根據(jù)GB/T 29862—2013允差分段測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜圖，另一方面還可以依據(jù)纖維的性能限定織物混紡比例范圍。某些類(lèi)型的纖維在混紡過(guò)程中含量分布不會(huì)是從0～100%，而是控制在一定范圍內(nèi)，例如棉/氨綸混紡織物中氨綸的含量通常為10%左右，氨綸含量在20%時(shí)已經(jīng)可以滿足日常穿著要求，某些對(duì)于彈性要求較高的織物(文胸、健身彈力短褲等)氨綸含量可能達(dá)到40%，因此在建立氨綸混紡織物的光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)根據(jù)GB/T 29862—2013中的要求，只需要測(cè)量氨綸含量在1%～3%、3%～6%、6%～9%、9%～10%、10%～15%，…，35%～40%范圍中的標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜圖，纖維含量大于10%時(shí)GB/T 29862—2013允差分段法可以將測(cè)量工作減少為分段前的1/5，纖維含量小于10%時(shí)GB/T 29862—2013允差分段法可以將測(cè)量工作減少為分段前的1/3，依據(jù)纖維性能劃分多組分纖維織物的混紡比例范圍能減少測(cè)量工作。以氨綸混紡織物為例，日常穿著服裝中氨綸含量在15%左右能達(dá)到服裝想要的彈性，某些高彈性的功能性服裝如泳衣、瑜伽服、緊身衣等的氨綸含量多在40%左右。建立氨綸織物光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，只需要測(cè)量氨綸含量在40%以?xún)?nèi)的織物就能滿足檢測(cè)要求，氨綸含量大于40%的部分無(wú)需測(cè)量。

3.3 混紡織物混紡比例范圍

以下統(tǒng)計(jì)了上海S公司的某子品牌2019年夏、秋、冬3個(gè)季度126款產(chǎn)品，包括服裝90款(上裝59款、下裝22款、連身裝9款)、書(shū)包11款、帽子15款、手套5款、圍巾5款等。其中服裝每款的生產(chǎn)數(shù)量約為1 200件，126款服裝的生產(chǎn)總數(shù)為51 200件，研究的樣本數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)模，且有一定的代表性。統(tǒng)計(jì)此126款產(chǎn)品的面料成分、混紡數(shù)量、混紡纖維搭配類(lèi)型、纖維含量的混紡比例范圍等數(shù)據(jù)，126款服裝中有16款產(chǎn)品有里料和拼接面料，總面料類(lèi)別為142種。統(tǒng)計(jì)以上所需面料數(shù)據(jù)，為建立纖維定量分析光譜數(shù)據(jù)庫(kù)提供依據(jù)和素材。

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，織物纖維以單組分、雙組分、三組分和多組分混紡為主頻數(shù)，分別為46、53、35、8，在統(tǒng)計(jì)總數(shù)中占比分別為33%、38%、25%、6%。對(duì)于單組分纖維的定性鑒別，光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)的圖數(shù)等于纖維種類(lèi)數(shù)量，數(shù)量越少，光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)的建立越簡(jiǎn)單。對(duì)于纖維定性鑒別的研究較多，技術(shù)設(shè)備較成熟，目前可以實(shí)現(xiàn)利用物理檢測(cè)方法對(duì)纖維進(jìn)行快速定性判斷。

以上S公司數(shù)據(jù)量較少，為使統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更具有代表性、涵蓋的范圍更廣，網(wǎng)上統(tǒng)計(jì)743款服裝的面料成分，搜尋數(shù)據(jù)之前先制定好尋找服裝面料的類(lèi)型，按性別分為男裝和女裝，男裝340款、女裝375款；按年齡劃分為兒童服裝、少年服裝、中年服裝、老年服裝；按服裝大類(lèi)分為上裝和下裝，上裝543款、下裝200款；按服裝詳細(xì)類(lèi)型上裝分為：短袖T恤、長(zhǎng)袖T恤、毛衣、衛(wèi)衣、襯衫、夾克、羽絨服、秋衣、保暖內(nèi)衣、西服、風(fēng)衣、文胸、連衣裙、睡衣；下裝分為：秋褲、內(nèi)褲、運(yùn)動(dòng)褲、短褲、短裙。743款服裝的面料纖維含量種類(lèi)，單組分、雙組分、三組分混紡為主頻數(shù)分別為243、307、149，多組分混紡織物頻數(shù)為44。

在743款服裝中單組分纖維的種類(lèi)和出現(xiàn)的頻數(shù)由高到低，棉 109、滌綸 66、錦綸 14、桑蠶絲 12、羊毛 11、粘膠纖維6、新型聚酯纖維 6、山羊絨 4、亞麻 4、萊賽爾纖維3、三醋酯纖維 3、莫代爾纖維2、聚氨酯PU 1、柞蠶絲 1、腈綸 1。

對(duì)于單組分纖維織物的定性分析，設(shè)置閾值，提取已知純纖維的特征峰，建立純纖維的光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)，提取待測(cè)樣品的特征峰，運(yùn)用識(shí)別算法與數(shù)據(jù)庫(kù)中各纖維的特征峰進(jìn)行匹配，進(jìn)行待測(cè)纖維的定性判斷[12]。利用自適應(yīng)迭代重加權(quán)懲罰最小二乘算法以及小波變換法對(duì)拉曼光譜進(jìn)行預(yù)處理，扣除光譜中的噪聲、各種干擾因素，如熒光背景、基線漂移、雜散光等，提高光譜信息的準(zhǔn)確率，拉曼光譜結(jié)合合適的預(yù)處理方法可以有效地對(duì)不同纖維成分的紡織品進(jìn)行分類(lèi)鑒別[13]。

743款服裝中細(xì)分棉/滌織物的混紡比例以及各分段頻數(shù)的棉/滌混紡比例及頻數(shù)。棉/滌混紡比例及頻數(shù)如表1所示。

表1 棉/滌混紡比例及頻數(shù)表

結(jié)合GB/T 29862—2013允差范圍，當(dāng)纖維含量小于10%時(shí)，誤差不超過(guò)3%；當(dāng)纖維含量大于10%時(shí)，誤差不超過(guò)5%。統(tǒng)計(jì)棉/滌混紡比例范圍為：棉5%～95%，滌綸95%～5%；棉/滌混紡織物需要測(cè)量的光譜圖數(shù)量為：5%～8%、8%～10%、10%～15%、15%～20%，…，85%～90%、90%～93%、93%～95%共需要測(cè)量20張光譜圖，如果不按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允差范圍和統(tǒng)計(jì)纖維混紡比例范圍，需要測(cè)量光譜圖90張，因此本文實(shí)驗(yàn)可減少70張工作量。

細(xì)分棉/氨綸混紡織物的混紡比例，因?yàn)榘本]的混紡比例范圍比較集中，可以直接統(tǒng)計(jì)出詳細(xì)的百分比，棉/氨綸混紡比例及頻數(shù)表如表2所示。

表2 棉/氨綸混紡比例及頻數(shù)表

結(jié)合GB/T 29862—2013允差范圍和以上表格對(duì)棉/氨綸混紡織物的纖維含量統(tǒng)計(jì)棉/氨綸混紡比例范圍為：棉65%～99%，氨綸35%～1%；棉/氨綸混紡織物需要測(cè)量的光譜圖數(shù)量為：65%～70%、70%～75%、75%～80%、80%～85%、85%～90%、90%～93%、93%～96%、96%～99%共8張光譜圖，如果不按GB/T 29862—2013的允差范圍和纖維混紡比例范圍統(tǒng)計(jì)，需要測(cè)量光譜圖34張，因此本文實(shí)驗(yàn)可減少26張工作量。

根據(jù)以上原理，網(wǎng)上調(diào)查的743件混紡織物光譜圖優(yōu)化數(shù)量表如表3所示。

表3 網(wǎng)上調(diào)查的743件混紡織物光譜圖優(yōu)化數(shù)量表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光譜檢測(cè)法的基本原理和技術(shù)在紡織領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，得出建立光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)是光譜檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用的前提。針對(duì)上海S公司2019年秋冬季度服裝統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)淘寶網(wǎng)上收集的743款服裝的面料成分組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸納出頻數(shù)最高的雙組分織物為棉/滌綸、棉/氨綸、滌綸/氨綸混紡織物。棉/滌綸混紡比例范圍為：棉5%～95%，滌綸95%～5%；棉/氨綸混紡比例范圍為：棉65%～99%，氨綸35%～1%；滌綸/氨綸混紡比例范圍為：滌綸78%～98%，氨綸22%～2%等。依據(jù)GB/T 29862—2013中纖維含量的允許誤差范圍，提出了先統(tǒng)計(jì)織物混紡比例范圍，再分段測(cè)量光譜圖，建立光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化方法，將光譜圖的測(cè)量數(shù)量減少為優(yōu)化前的1/5甚至1/10，減少了建立光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的工作量，體現(xiàn)了先統(tǒng)計(jì)織物混紡比例范圍再分段測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)。