红外光谱在纺织品检测中的应用.docx
- 文档编号:28593042
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:127.49KB
红外光谱在纺织品检测中的应用.docx
《红外光谱在纺织品检测中的应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《红外光谱在纺织品检测中的应用.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
红外光谱在纺织品检测中的应用
纺织品检验学结课论文
题目红外光谱在纺织品检测中的应用
学院化学与化工学院
专业轻化工程
班级轻化11002班
学号1016121072
学生江露
指导教师蔡映杰
完成日期2021年04月05日
摘要
简要介绍了红外光谱分析技术的根本原理、红外吸收光谱的表示法及分析技术的优缺点。
红外吸收光谱主要与分子振动和分子构造有关。
目前生产和使用的红外光谱仪主要有色散型和傅里叶变换两大类。
文中详细介绍了这两类仪器的构造、检测原理、制样方法,以及在纺织印染行业的应用
关键词:
红外光谱;纺织品;检测;应用
ABSTRACT
Thispapercoversthebasicprincipleofinfraredspectrumtechnology,expressi-onofinfraredspectrogram,aswellastheadvantagesanddisadvantagesofthisan-alyticalmethod.Theinfraredspectrumismostlydependentonthemolecularvibrati-onandmolecularstructures.ThepopularinfraredspectrometersaredispersiontypeandFouriertransformtype.Thestructures,testingprinciples,samplemaking,aswellastheapplicationofthesetwotypesaredetailed.
Keywords:
infraredspectrum;textiles;testing;apply
1前言
红外光谱是一种选择性吸收光谱,通常是指有机物分子在一定波长红外线的照射下,选择性地吸收其中某些频率的光能后,用红外光谱仪记录所得到的吸收谱带。
红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度,反映了分子构造上的特点,可以用来鉴定未知物的构造或确定其化学基团;而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关,可用以进展定量分析和纯度鉴定。
由于红外光谱分析特征性强,对气体、液体、固体试样都可测定,并具有试样量少,分析速度快,不破坏试样的特点,因此,红外光谱法常用于鉴定化合物和测定分子构造,并进展定性和定量分析,它在高聚物构造测定方面得到越来越来广泛的应用,是高聚物表征和构造性能研究的根本手段之一。
在纺织工业领域,主要用于对未知物的分析、定量分析、织物等外表涂层的分析,以及高分子材料大分子链等的测定。
下面主要介绍红外光谱法在纺织品检测中的实际应用及开展前景。
2红外光谱仪的种类
红外光谱仪是记录通过样品的红外光的透射率或吸光度随波数变化的装置。
主要有色散型红外分光光度计和干预型傅立叶变换光谱仪两类,目前以干预型傅立叶变换光谱仪为主。
2.1色散型红外光谱仪
色散型红外光谱仪一般由光源、单色器、检测器、放大器及记录装置组成,如图1所示。
图1色散型红外光谱仪构造框图
红外光源发出高强度连续波长红外光,经棱镜、光栅等单色器使光波色散,把复合光分为单色光,经分光成两束能量一样的光,分别照射并透过样品槽和参比槽,假设样品对红外光产生了吸收,那么通过样品槽的红外光与通过参比槽的红外光间产生能量差异,且这种差异与光的波长有关,经过放大、依次对单色光的强度进展测定,就可得到样品的整个红外吸收光谱图。
2.2傅立叶变换光谱仪
典型的傅立叶变换光谱仪由以下五局部组成:
红外光源,干预仪系统,样品室,红外探测器系统,数据处理及显示系统,如图2所示。
图2傅立叶变换光谱仪构造框图
傅立叶变换红外光谱仪属大型精细仪器,是利用光相干性原理设计的干预型红外分光光度计。
它用迈克耳逊于涉仪,使光谱信号作到“多路传输〞,它先得到的是光源的干预图,然后根据傅里叶变换函数,利用计算机将干预信号经傅立叶数学变换转换成普通光谱信号,亦即是将以光程差为函数的干预图像转换成以波长为函数的光谱图,因此能在同一时刻收集光谱中所有频率的信息,在一分钟能对全部光谱扫描近千次,因此大大提高了灵敏度和工作效率。
3制样方法
对于液体试样可以装入密封液槽后进展分析,但由于大局部有机溶剂在红外区均有很多较强的吸收谱带,所以很少用溶液法测量高聚物的红外光谱图。
对于不同的固态试样,可采用不同的试样制备方法,如卤化物压片法、薄膜法、糊状法及衰减全反射法等。
在纺织纤维材料研究中以卤化物压片法和衰减全反射法应用最多。
下面介绍几种常用的制样方法。
3.1卤化物压片法
在卤化物压片法中,使用最多的是溴化钾压片法,即把固体试样磨细至2μ左右;称取1~2mg的枯燥样品,以1mg样品对100~200mg溴化钾的比例称取枯燥溴化钾粉末,并倒在玛瑙研钵中进展混磨,直至完全混匀;称取200mg混匀的混合物,放进压模,然后用模具加压形成透明的试样片。
压片法操作简单,需要样品少,较易控制样品的厚度和光谱的强度。
压片法在固体样品中比拟常用的一种方法它有很多优点:
没有溶剂、糊剂的吸收干扰,能一次完整地获得样品的吸收光谱;散射光的影响较小;薄片的厚度、样品的浓度可以借助天平准确控制,该法能用于定量分析;压成的样品便于保存。
但在采用压片法时,也应注意几点:
由于碱金属卤化物的吸湿性,常使3μ区和6.1μ区受到干扰,因此在解释O—H、N—H键的伸展振动吸收和C=C、C=N伸展振动吸收时须加小心。
为防止这种干扰,有时也使样品和聚乙烯粉末或石蜡粉混合压成薄片来测定。
碱金属卤化物会和样品发生离子交换,产生相应的杂质吸收峰。
样品在压片过程中会发生物理变化〔如晶形的改变〕或化学变化〔局部分解〕,使谱图面貌出现差异。
如溴化钾吸湿性较强,即使在枯燥箱中进展样品的混磨工作,其红外光谱中仍不可防止地有水的吸收峰出现。
为去除水分的干扰,可以在一样条件下研磨纯溴化钾粉末,制成一补偿片。
3.2衰减全反射法
衰减全反射法的原理是:
当一束光线由光密介质〔全反射晶体〕进入光疏介质〔试样〕时,如果入射角大于临界角,那么这一束光线在界面上产生全反射。
在全反射过程中,光束会稍穿入反射外表后再反射出来,反射外表吸收红外光,因此这种全反射实际上是衰减的,一次衰减全反射吸收的能量很小,所得光谱的吸收谱带很弱,为了增强吸收谱带,必须增加全反射的次数,即屡次衰减全反射,屡次衰减全反射示意图如图3所示。
由于试样的折射率不同,要获得优良的ATR光谱图,选择适当的衰减全反射晶体和入射角度是十分重要的。
另外,试样和晶体之间的接触情况对光谱图也有很大的影响。
用衰减全反射法所获得的信息大都为试样表层信息,通常作为外表分析技术。
图3屡次衰减全反射
对于大局部天然纤维,中红外穿透力较弱,一般穿透深度在微米级,很难直接测量它们的红外透射光谱,假设用破坏性制样方法,很可能引起变异,从而失去有用信息,因此常用衰减全反射法直接对纤维进展红外光谱测量,如将长丝卷绕在框架上测试等,样品准备简单,无破坏性,可用于合成纤维的鉴定、定量分析和取向研究。
对织物及涂层等,一般用透射法测量往往很困难,使用红外分光光度计的衰减全反射附件装置,可以很方便地测得其红外光谱图。
3.3薄膜法
对于热塑性高分子材料可以热压成膜,但压膜时要注意膜的两面不能太光滑,否那么会产生光干预现象。
对可溶于溶剂的试样,选择适当溶剂溶解试样,然后将溶剂倒在玻璃片上,待溶剂挥发后成一均匀薄膜即可。
对于熔点低不易分解的试样,还可以用熔融方法制取薄膜。
3.4糊状法
先将试样磨细〔约2μm左右〕,然后混合石蜡油、六氯丁二稀等糊剂,调成糊状均匀涂在溴化钾片上或可拆液槽后窗片上,选择糊剂时要注意它的吸收区域不干扰试样的光谱图。
糊状法的优点是简单迅速,适用于大多数固态试样,缺点是不适于做定量分析,试样难于回收。
4红外吸收光谱的分区
在中红外区,分子中的各种基团都有其特征的红外吸收带,并呈现出特定的分布。
通常,中红外区又可分为特征谱带区(4000~1330cm-1)和指纹区(1300—667cm-1)。
在特征谱带区,吸收峰的数量比拟稀疏,且主要与分子中基团的特征振动相关联,故该区又被称为基团频率区。
在指纹区,吸收光谱比拟复杂,既有C—X(X=C、N、O)单键的伸缩振动,又有各种变形振动的吸收,由于它们的键强度差异不大,各种变形振动能级差小,所以该区谱带特别密集。
该区能反映分子构造的细微变化,特别是各种取代构造的信息。
各种不同的化合物在该区的谱带位置、强度及形状根本上都不一样,形同人的指纹,故称指纹区。
指纹区对于指认构造类似的化合物很有帮助,而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。
在解析红外吸收光谱时,人们通常将特征谱带区分为以下几个吸收区域来进展判别:
4.14000-2500cm-1为X—H(X=C,N,0,S等)的伸缩振动区
O—H的吸收出现在3600一2500cm-1。
自由羟基吸收峰出现在3600cm-1附近,为中等强度的尖峰。
形成氢键后键的力常数减小,移向低波数,因此产生宽而强的吸收。
一般,羧酸羟基的吸收频率低于醇和酚,可从3600cm-1移至2500cm-1并呈宽而强的吸收。
C—H吸收峰出现在3000cm-1附近。
不饱和的C—H那么在>3000cm-1处出峰,饱和C—H(三元环除外)在<3000cm-1处。
一CH3有两个明显的吸收带,出现在2962cm-1和2872cm-1处。
前者对应于反对称伸缩振动,后者对应于对称伸缩振动。
分子中甲基数目多时,上述位置呈现强吸收峰。
—CH:
的反对称伸缩和对称伸缩振动分别出现在2926cm-1和2853cm-1处。
脂肪族以及无扭曲脂环族化合物的这两个吸收带位置变化在10cm-1以。
一局部扭曲的脂环族化合物,其—CH2吸收频率增大。
N—H吸收出现在3500—3300cm-1,为中等强度的尖峰。
伯胺基团有两个N—H键,具有对称和反对称伸缩振动,因此有两个吸收峰。
仲胺基仅有一个吸收峰,而叔胺基在此区域无N—H吸收。
4.22500-2000cm-1为叁键和累积双键的伸缩振动区
这一区域出现的吸收主要包括碳碳、碳氮等叁键的伸缩振动,以及一C=C=C、—C=C=0等累积双键的不对称伸缩振动。
一C—N基的伸缩振动出现在2220~2260cm-1,其吸收峰强而锋利。
炔类化合物可以分成R-C=CH和R—C=C—R两种类型,前者的伸缩振动出现在2100—2140cm-1附近,后者出现在2190—2260cm-1附近;如果R’=R,因分子对称,那么无红外吸收谱带。
4.32000-1500cm-1为双键伸缩振动区,是红外吸收光谱中很重要的区域
羰基的吸收一般为最强峰或次强峰,出现在l760~1690cm-1区域。
受相连基团的影响,其吸收峰会向高波数或低波数移动。
芳族环碳原子间伸缩振动引起的环的骨架振动有特征吸收峰,分别出现在1600一l585cm-1及1500~1400cm-1。
该类化合物的吸收峰因环上取代基的不同而有所差异,一般出现两个吸收峰。
杂芳环和芳香单环、多环化合物的骨架振动相似。
烯烃类的C=C振动出现在1667—1640cm-1,为中等强度或弱强度的吸收峰。
4.4l500-l300cm-1区域主要提供了C-H弯曲振动的信息
一CH3在1375cm-1和l450cm-1附近同时有吸收,分别对应一CH3的对称弯曲振动和反对称弯曲振动。
当甲基与其它碳原子相连时,l375cm-1的吸收峰位几乎不变。
1450cm-1的吸收峰一般与一CH2一的剪式弯曲振动峰重合。
但戊酮的两组峰区分得很好,这是由于一CH2一与羰基相连,其剪式弯曲吸收带移向1439—1399cm-1的低波数,并且强度增大。
一CH2一的剪式弯曲振动出现在1465cm-1,吸收峰位置几乎不变。
两个甲基连在同一碳原子上的偕二甲基有特征吸收峰。
如异丙基(CH3)2CH-一在1385~1380cm-1和1370一l365cm-1。
有两个同等强度的吸收峰(即原1375cm-1吸收峰的分叉)。
叔丁基1375cm-1的吸收峰也分叉(1395~1385cm-1和1370cm-1附近),但低波数的吸收峰强度大于高波数的吸收峰。
分叉的原因在于两个甲基同时连在同一碳原子上,因此,有同位相和反位相的对称弯曲振动的相互偶合。
4.51300-910cm-1为单键伸缩振动区
C—O单键振动在1300~1050cm-1,如醇、酚、醚、羧酸或酯等,为强吸收峰。
醇在1100—1050cm-1有强吸收;酚那么在1250~1100cm-1有强吸收;酯在此区间有两组吸收峰,为1240~1160cm-1反对称)和l160~1050cm-1(对称)。
C-C、C-X(卤素)等也在此区间出峰。
4.6910cm-1以下的区域为弯曲振动的特征区
苯环面外弯曲振动、环弯曲振动出现在此区域。
如果在此区间无强吸收峰,一般表示元芳香族化合物。
此区域的吸收峰常常与环的取代位置有关。
在确定了化合物的类型和可能含的基团后,可以查各基团特征吸收峰的位置,并考虑影响特征频率移动的规那么及相关峰,进一步研究构造细节。
5红外光谱技术在纺织上的应用
在纺织材料研究中的应用主要有:
纤维鉴别,高聚物构造分析,混纺纤维的定量分析,分析纤维变化和织物树脂整理,高聚物结晶度的测定等。
5.1纤维鉴别
不同构造的高聚物,均有其特征的吸收光谱,根据样品谱图所出现的特征吸收峰的位置并对照高聚物的红外光谱系统表即可鉴别出未知样品为何种高聚物。
主要纺织纤维的基团特征吸收谱带见图4所示。
图4主要纺织纤维的基团特征吸收谱带
最近的文献主要关注于快速检测技术。
例如,王宏菊利用FTIR-ATR技术,采用点对点采样技术,无需制样和破坏样品,可直接鉴定纺织纤维。
与以往的ATR技术比拟,该方法无需调整光路,操作方便,测量灵敏度大大提高,可得到高质量的红外光谱图。
5.2涂层及织物外表整理剂分析
通过衰减全反射法等外表分析方法,可以测定化学染整剂或助剂含量。
且2001年政军等实用傅里叶红外光谱计算机软件和新型仪器辅件,通过ATR法,快速确定进口化纤涂布的聚酯和聚氨酯复合型化纤涂布曾分。
King用PAS研究了羊毛和毛涤混纺物上的荧光增白剂。
5.3结晶度和取向的测定
高聚物结晶时,常常会出现非晶态高聚物所没有的新的红外吸收谱带,即“晶带〞。
当高聚物的晶体熔融时,该谱带的强度将有所下降;在高聚物熔融完毕时所出现的特有吸收谱带为“非晶带〞。
比拟高聚物在高度结晶时及它在熔融状态下的红外光谱,根据这些光谱的差异,可通过测量一个结晶带和一个非晶带的相对吸收强度的方法来计算高聚物的结晶度。
高分子链上的某些官能团具有一定的方向性,它对振动方向不同的红外光也有不同的吸收率,会表现出二色性,这种二色性叫做红外二色性。
红外二色性所反映的是纤维大分子的取向情况。
因此,可用红外二色性去研究大分子链的取向构造。
5.4测定高聚物主链构造
以聚丁二烯为例。
聚丁二烯具有三种不同的异构体,即顺式-1,4、反式-1,4和1,2加成链构造。
这三种构造的红外光谱图有很大的差异,其谱线的吸收带各不一样。
这三种异构体在高聚物中的含量强烈地影响高聚物的性能,因而对异构体进展定量测定非常必要。
要定量测定这三种异构体的含量,必须找到这三种构造的纯组分标准样品,根据郎伯-比尔定律分别测得三个吸收带的光密度,用已测得的光密度测量高聚物中各异构体的含量。
5.5混纺比的测定
在混纺纱混纺比测定中,首先选定某一特征吸收谱带作为测定依据,这一特征吸收谱带只在混纺纱的某一种纤维中存在,其他纤维没有的。
然后做出各种不同比例的混纺纱的红外吸收光谱,从这些光谱中得出光密度与混纺比的对应关系图。
以后在同一台仪器上〔不同仪器对应关系要重做〕可以对某一未知混纺比纱线作红外吸收光谱,从这个吸收光谱中读出的光密度,根据关系图直接找到该纤维的混纺百分比。
目前,比拟常见的混纺形式的检测有:
棉/涤,棉/尼龙,腈纶/棉,毛/涤,毛/棉,腈纶/毛,麻/腈纶,尼龙/玻璃纤维等。
6未来应用展望
现在的红外光谱仪综合运用了计算机技术、光谱技术和化学机灵统计学等多个学科的最新研究成果,并随着光纤探头的出现与色谱仪、质谱仪等设备的联用技术的开展,以其独特的优点在纺织品检测领域得到了日益广泛的应用。
6.1光谱技术
由于辨率不够高引起的误差会随吸收强度的增加而增大,为了得到最高的精度,光谱仪分辨率数值应比分析物吸收宽度值小得多。
Ramsy认为,当光谱仪的带通是吸收带宽的1/5时,吸收度为1.0的Lorentzian带有3%的测量误差。
当光谱仪的带通只有吸收带宽的1/2时,有24%的测量误差。
光谱仪响应的非线性也常存在,且随着吸收度的增加变得更为重要。
光谱技术的提高,对光谱仪在纺织品检测工程上的拓宽如有害金属的检测等提供了可能。
6.2化学计量学
由傅立叶红外光谱仪可以得到一个具有高信噪比和线性围较宽的数字化的红外光谱,由此可以用现代统计方法对红外光谱进展定量分析研究,包括经典最小二乘法(CLS)、反最小二乘法(ILS)、q一矩阵、局部最小二乘法(PLs)及根本成分回归(PCR)。
多变量校正法的引入使得红外定量分析和定性分析的能力得以大大提高。
以前认为无法解决的问题现在可以通过化学统计分析来解决。
由于FT—IR包含大量的光谱数据,可将光谱数据转变为化学信息,因此化学统计学近年来成为快速开展的一个领域。
相信化学计量学也会成为纺织纤维多组分分析的一个很好的手段。
6.3计算机技术
计算机技术与其他技术是密不可分的,它极促进了其他技术的应用围和效率。
近年来,越来越多的软件被FT一取光谱仪制造商开发出来,如Win一取Pro、0MNIC、Specfitquant、PcR、QUANT等,使红外光谱的定量分析能力大大提高。
现在用计算机可以快速进展检测并计算结果,进展各种分析、统计,可以进展物体定点分析、三维绘图分析、对化学反响和检测过程进展动力学分析等等。
利用三维绘图软件可测定胶片中添加剂的分布,相信不久以后,纺织品中各种添加剂如甲醛、偶氮染料等也将通过红外光谱法检测出来。
7总结
红外光谱技术在纺织品检测中有非常独特的优势,其应用也非常广泛,但目前仍然还有很多缺乏。
随着红外光谱仪的不断普及和性能提高,我们需要在采用数学、统计学方法分析红外光谱图、红外光谱技术与其他检测技术联用等方向开展深入研究,最终红外光谱技术必将在纺织品检测分析中得到更广泛的应用。
参考文献:
[1]温演庆,朱谱新,吴大诚.红外光谱技术在纺织品检测中的应用[J].纺织科技进展,2007,
(2):
1-4.
[2]丽珍,志娟,耀兴,大可.衰减全反射傅里叶红外光谱在纤维鉴别中的应用[J].纺织科技,2021,37(9):
16-19.
[3]雪琴,青.现代分析测试技术在印染行业的应用(七)—红外光谱分析技术及其在纺织工业上的应用[J].印染,2007,33(9):
39-42.
[4]顾虎,钟浩,罗斯杰.红外光谱法在新型纺织纤维鉴别中的应用[J].现代丝绸科学与技术,2021,26(6):
240-241.
[5]汝勤,宋钧才.纤维和纺织品测试技术[M].:
东华大学,2005:
426-439.
[6]梁治齐.红外光谱在纺织纤维鉴别上的应用[J].联合大学学,2000,14:
13-15.
[7]徐,王国强.傅立叶变换红外光谱法在纤维分析中的应用[J].合成纤维,1996,
(1):
35-39.
[8]钱和生.傅里叶变换红外光声光谱法在纺织上应用[J].中国纺织大学学报,1994,20:
70-79.
[9]王宏菊,旭辉,王成云.FTIR—ATR无损快速鉴定纺织纤维[J].印染,2001,27:
45-52.
[10]政军,林华山,黄伟.傅里叶红外光谱(FTlR)快速鉴定化纤涂布[J].检验检疫科学2001,1l(6):
17-18.
[11]熊磊,于伟东.红外光谱法测定纤维的结晶度与取向度[J].2003,31(6):
55-56,62.
[12]陆永良,维,艳.红外光谱差减技术在纺织品定性分析中的应用[J].纺织科技,2021(7):
1-4.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 红外 光谱 纺织品 检测 中的 应用