傅立叶红外光谱及附件技术在检验纤维中的应用

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　　摘要 简述了傅立叶红外光谱在纤维检验中的基本原理和应用，重点介绍了显微镜、漫反射、多次和单次衰减全反射等附件的应用，及其在纤维红外光谱鉴定中的特点。
　　
　　关键词：傅立叶红外光谱；红外附件；纤维检验
　　
　　红外光谱法是分析纤维等聚合物材料成分和含量的有力工具和常用手段，尤其是20世纪80年代以来，傅立叶变换红外光谱（Fourier transformation infrared spectroscopy，FTIR）的发展使一度停滞的红外光谱技术复兴并走向繁荣，随着傅立叶变换红外光谱仪及其附件的不断完善和发展，使得纤维的FTIR测定在用样量少、制样简单或根本无需制样的情况下，即可进行迅速、准确和灵敏的分析，为纤维定性、定量检验提供了极大的便利。
　　
　　1FTIR在纤维检验中的基本原理
　　与紫外光谱和荧光光谱等其他光谱相比，纤维等聚合物中每一个单体都是生色团，即能产生红外吸收。当连续波长的红外光辐射到纤维样品时，纤维分子就会选择吸收与其所含官能团固有振动（伸缩振动、面内弯曲、面外弯曲等）频率相等的红外光，发生振动能级和转动能级的跃迁，从而产生红外吸收光谱。不同纤维的官能团不同，或单体的连接方式和空间相对关系不同，其产生的红外吸收峰的峰位和强度都会有所差异，因而可以将不同的纤维鉴别出来。传统的色散型红外光谱仪，由于其分辨率不高，随着干涉型傅立叶变换红外光谱仪的商品化和普及，正在逐渐被取代。FTIR光谱仪由光学台和计算机组成，光学台将测得的样品信息以干涉图的形式输入计算机，进行傅立叶数学变换，最后将干涉图还原为红外光谱图，其特点是操作简便、分辨率好、灵敏度高和扫描速度快等，因而在纤维的定性定量检验中有着广阔的应用前景。
　　纤维种类繁多，一般可分为天然纤维和化学纤维两大类。天然纤维来自于自然界，如棉、麻、毛、丝等；化学纤维是通过单体聚合或化学改性制成的纤维，如涤纶、锦纶、丙纶、氯纶、醋酸纤维、粘胶纤维等。对于它们的鉴别，虽然有形态特征和理化性质鉴定等多种手段，但红外光谱无疑是从分子水平上进行快速本质鉴定的最好方法。常见的纤维红外光谱鉴定特征如表1所示[1]。
　　在实际应用中，往往只需要部分特征峰即可将纤维鉴别出来，例如利用2400 cm-1附近的―CN的振动吸收，可以快速地将腈纶鉴别出来。当然，如果利用标准谱图库进行匹配检索将会更为迅捷可靠地得出结果，而对于混纺等复杂样品，经验的积累则更为重要，需要说明的是，表1中的吸收峰波数在不同仪器和不同条件下会有所变化，要根据实际情况，灵活运用。
　　
　　2纤维FTIR检验中的技术应用
　　2.1FTIR透射光谱技术
　　常规FTIR透射光谱分析鉴定已成为纤维检验最广泛的应用技术之一。不仅可以鉴定未知纤维的种属，还可以对已知种属的纤维，根据指纹区吸收峰位的细微差别区分生产厂家，以及进行混纺率的定量测定等。在纤维检验实践中，该方法应用较多，已日趋成熟[2-3]。透射红外光谱的分析，重点是样品的制样过程，必须根据样品的状态性质选择适当的制样方法，否则就会得不到预期的效果。在纤维检验中，常用的制样方法有：溴化钾制片法，溶解铸膜法和熔融铸膜法。不同的制样方法适用于不同的纤维，但存在制样繁琐麻烦、分析周期长等缺点。近些年来，各种现代化红外附件的成功应用，为FTIR纤维检测提供了极大的便利。
　　2.2显微红外光谱技术
　　红外显微镜作为红外光谱仪的一个附件，使得测定单根纤维成为可能。红外显微镜分为反射式和透射式两种，一般使用反射式测量纤维。显微傅立叶变换红外光谱法是一种微量分析技术，具有能量损失小，分辨率、信噪比高，检测限低，分析速度快等优点。在纤维检验中能够进行种类鉴别，同时能够鉴别单根双组分纤维的成分，从而为各种混纺纤维的鉴别提供了简便有效的方法。显微红外分析技术在研究高聚物的二向色性方面有其独特的优点，用此技术可研究单根纤维微区的拉伸取向情况[4-5]。若结合无基质微量采样附件金刚石池（DAC），对单根纤维或痕量纤维进行检验，则可以排除空气中水和二氧化碳的干扰，效果非常理想[6]。
　　2.3漫反射红外光谱技术
　　漫反射光谱法适用于不透明或表面不规整的固体样品的表面结构分析，它也是一种无需制样的光谱测定技术。在傅立叶变换红外光谱仪中使用该法，可以测得某些难以处理的纤维样品的红外光谱。把纤维样品直接放在漫反射支架上，入射的红外光不透过样品而是在其表面发生漫反射，通过接受漫反射的信号形成光谱，且测定结果不受试样厚度的影响[7]。
　　2.4衰减全反射红外光谱技术
　　近年来衰减全反射（Attenuated Total Reflectance，ATR）红外附件的应用发展极快。常规ATR附件分为水平ATR、可变角ATR和圆形池ATR，均属于多次反射。ATR技术对于分析纺织纤维样品，分析速度快、样品需求量小，而且无损、不消耗检材，其试验结果准确可靠[8]。在有效确定某一组分为参比光谱的基础上，利用差谱分析技术，能快速、有效地进行二组分混纺织物的定性分析[9]。衰减全反射红外光谱具有在长波处峰形增强，能获得尖锐的独立特征峰的特点，但需要样品给出较大光滑平面，否则不能给出良好的谱图。
　　2.5OMNI-ATR红外光谱技术
　　上述ATR附件需要样品与晶体之间理想接触，一般用来测试柔软样品，但对于硬的或表面不规则样品如单根纤维则很难得到满意的光谱，最新推出的单次反射ATR附件――OMNI采样器则可以解决该问题（见图1）。OMNI采样器一般采用Ge作为全反射晶体材料，样品与晶体的接触面积很小，尤其适用于单丝或束丝、布、成衣等样品[10]。测试时可将样品紧紧压在晶体上，形成“点对点”接触，克服了多次内反射ATR附件晶体与样品不能紧密接触的缺点，OMNI采样器虽然只有一次全反射，但采用仪器自带软件消除背景中CO2和H2O蒸汽的干扰后，可以得到高质量的光谱。
　　
　　3结语
　　傅立叶变换红外光谱是定性、定量鉴定各种纤维的有效手段，尤其是各种商业化其附件的应用，使得纤维的测定更加迅速、准确和灵敏，并且可以实现样品无损鉴定，为纤维检验提供了极大的便利。但单纯的红外光谱鉴别纤维也有一定的局限性，难以鉴别那些含有相同化学特征基团的合成纤维，需要使用其他测试手段进行综合分析。例如芳香族聚酯类中的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等，红外吸收特征很难区别，可以配合使用气相色谱－质谱联用技术来准确推断出纤维的种类[11]。
　　
　　参考文献：
　　[1] 吴瑾光.近代傅立叶变换红外光谱技术及应用[M]. 北京：科学技术文献出版社，1998.
　　[2] 黄一平.傅立叶变换红外光谱法鉴别几种纤维材质[J]. 云南化工，2006，33（1）：53-55.
　　[3] 刘羽，邵国强，许炯. 竹纤维与其他天然纤维素纤维的红外光谱分析与比较[J]. 竹子研究汇刊，2010，29（3）：42-46.
　　[4] 李波阳. 显微红外光谱法鉴别纤维的种类[J]. 公安大学学报（自然科学版），2000，18（2）：48-50.
　　[5] 王淳浩，程军亮，杜长涛. IR光谱法分析纺织纤维[J]. 铁道警官高等专科学校学报，2005，15（62）：86-90.
　　[6] 高宏，郝愫媛，陈鲁军，等. 傅立叶红外显微镜及其附件检验微量纤维[J]. 刑事技术，2001，（1）：32-33.
　　[7] 梁治齐. 红外光谱在纺织纤维鉴别上的应用[J]. 北京联合大学学报，2000，14（S1）：13-15.
　　[8] 阎巍，张金庄. 傅立叶红外光谱（ATR）法检验纺织纤维[J]. 辽宁警专学报，2007，6（46）：35-37.
　　[9] 陶丽珍，潘志娟，蒋耀兴，等. 衰减全反射傅立叶红外光谱在纤维鉴别中的应用[J]. 上海纺织科技，2009，37（9）：16-19.
　　[10] 刘长占，李爱红. FTIR－OMNI采样器的应用进展[J]. 光谱实验室，2005，22（3）：527-530.
　　[11] 刘文莉，赵乐，史可扬，等. 红外光谱和热裂解气相色谱质谱联用技术鉴别芳香族聚酯纤维[J]. 中国纤检，2010，3（上）：59-61.
　　
　　（作者单位：王建滨，邯郸市纤维检验所；刘世玲、任晓慧，河北工程大学）
　　

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