Reflektanční spektra různých single-component textilní vlákna

nejlepší způsob, jak zhodnotit schopnost r-FT-IR, k identifikaci textilních vláken je v porovnání s široce používány ATR-FT-IR technika. Aby toho dosáhli, FT-IR spekter z 16 různých typů individuální single-component textilních materiálů (celkem 61 různých textilních vzorků) byly zaznamenány pomocí FT-IR microspectrometer s odrazivost (r-FT-IR) a ATR (mat-FT-IR) režimy a ATR-FT-IR spektrometr (ATR-FT-IR). Srovnání spekter r-FT-IR a (m)spekter ATR-FT-IR pro stejné materiály ukázalo, že navzdory obecné podobnosti jsou spektra na úrovni detailů výrazně odlišná. V mnoha případech jsou absorpční pásma v r-FT-IR spektrech širší, vlnová čísla posunutá k vyšším hodnotám a poměry intenzity vrcholů se liší od odpovídajících ATR-FT-IR spekter. Změny v r-FT-IR spektrum odpovídající ATR-FT-IR spekter jsou způsobeny různými odrazivost režimy (zrcadlový, difuzní), které přispívají současně detekován signál vzhledem k nerovnoměrnému povrchu textilních vzorků. Vzhledem k odrazivosti „smíšeného režimu“ nejsou obvyklé opravy Kramers-Kronig a Kubelka-Munk užitečné . Přestože plné výklad může být složité, každé vlákno typu má stále svou jedinečnou r-FT-IR spektra, která umožňuje rozlišování materiálů a zjišťování materiál neznámého textilní vzorek s odrazivost režimu. Na Obr. 1 R-FT-IR a mATR-FT-IR spektra nejběžnějších textilních vláken jsou uvedeny pro srovnání. Všechna spektra režimu odrazivosti v plné velikosti jsou uvedena také v dalším souboru 1. ATR-FT-IR spektra různých textilních vláken zaznamenaných spektrometrem ATR-FT-IR jsou uvedena v předchozích článcích autorů .

br. 1

r-FT-IR a mat-FT-IR spektra nejčastějších textilních vláken. Spektra na obrázku představují normalizované a průměrné výsledky každé třídy. Svislá osa představuje absorbanci. Protože vlákna na bázi přírodní celulózy mají velmi podobná spektra, je prezentována pouze bavlna. Spektra z jiných přírodních vláken, jako je len, juta a sisal jsou uvedeny v Doplňující soubor 1

Na Obr. 1, je vidět, že se zdá, že spektra režimu odrazivosti obsahují více Maxim absorbance ve srovnání s režimem ATR. Zejména v oblasti 3000-4000 cm−1 jsou absorpční pásy mnohem širší a intenzivnější. V této vlnové oblasti se nacházejí protahovací pásy O–H A N–H. Stejně jako v odrazivosti režim rozsah pronikání světla do vzorku je menší, to bylo předpokládal, že tyto širší a intenzivnější vrcholy jsou vzhledem k vlhkosti na textilní povrch (voda silně absorbuje v oblasti 3000-4000 cm−1). Toto však nebylo potvrzeno, jak sušení experimenty (textilní kus se suší 2 h při 70 °C) neprokázaly žádné významné rozdíly mezi sušeným a undried textilní vzorek spektra. S největší pravděpodobností jsou tyto vibrace v oblasti 3000-4000 cm-1 charakteristické pro režim odrazivosti. V režimu odrazivosti jsou pásma v mnoha případech posunuta směrem k vyšším vlnovým číslům ve srovnání s režimem ATR. Například pro viskózové vlákno na bázi celulózy je maximální roztahovací pásmo O-H v režimu ATR při 3344 cm-1, ale v režimu odrazivosti je vidět široký pás s užším hrotem při 3500 cm−1. Charakteristika C–O protahování kapela, která je jasně viditelná v režimu ATR (u 1022 cm−1) se sloučila do široké oblasti absorbances (1400-1100 cm−1) v odrazivosti režimu, s pásem na 1173 a 1134 cm−1.

neočekávaná výhoda režimu odrazivosti byla odhalena při rozlišování mezi vlákny na bázi polyamidu: hedvábí, vlna a syntetický polyamid. V režimu ATR vypadají spektra ATR-FT-IR těchto tří materiálů velmi podobně. Absorbance maxima jsou jen lehce posunuty, a hlavní rozdíl je v šířce N–H/O–H strečink (~ 3500-3000 cm−1), amidy C=O strečink (~ 1630 cm−1) a C–N–H ohýbání (~ 1520 cm−1) absorbance kapely. Tyto rozdíly jsou obvykle dostatečné pro identifikaci single-component vlákna, která jsou v dobrém stavu tím, ATR-FT-IR, ale ne pro částečně degradován a/nebo kontaminovaných reálných vzorcích, a to z důvodu možných změn v kapele tvarů a vznikající nové kapely. V režimu odrazivosti jsou spektra těchto tří typů vláken podstatně odlišnější. Například všech pět různých hedvábných standardních vzorků zkoumaných v této práci, získaných z různých zdrojů, mělo intenzivní a ostré absorpční maximum poblíž 1710 cm-1, které ve spektrech vlny a polyamidu chybí.

zajímavé je, že polyesterové spektrum mělo ve spektru odrazivosti několik dalších absorpčních pásem ve srovnání se spektrem ATR-FT-IR. Relativní intenzita pro roztahování C-H v režimu odrazivosti (při 2972 a 2908 cm−1) byla podstatně vyšší ve srovnání se spektrem režimu ATR, kde odpovídající pásma (při 2973 a 2910 cm−1) byla téměř bez povšimnutí kvůli nízké intenzitě. Aromatické podtexty / kombinace mezi 2500 a 1800 cm-1, které v případě ostatních studovaných vláken obsahují pouze menší pásy, byly překvapivě bohaté v případě polyesteru. Tyto pásy jsou charakteristické pro polyesterová vlákna, protože všechny analyzované vzorky poskytly podobné výsledky.

u polypropylenu byly pozorovány významné rozdíly mezi spektry odrazivosti různých vzorků (viz obr. 2), a to jak mezi vzorky, tak v rámci jednoho vzorku. Na Obr. 2 pro ilustraci rozdílů jsou znázorněna čtyři nejrůznější spektra odrazivosti ze dvou různých vzorků. C-H roztahování oblasti má několik absorbance kapely ve stejné vlnočtu (~ 2970, ~ 2930, ~ 2840 cm−1), ale kapel tvar a relativní intenzity jsou různé. Například, vzorek PP4 obsahuje všechny stejné absorbances, ale jsou sloučeny do jedné široké pásmo, zatímco ve spektru PP3 kapela v 2969 cm−1 je zjevně intenzivnější, než 2930 cm−1 a 2844 cm−1. Stejná situace platí pro ohýbací pásy C-H kolem 1460 a 1380 cm-1-stejné pásy, různé tvary. Nejvýraznější rozdíl se zdá být v rozmezí vlnčíslo 800-600 cm-1. Jak je vidět na obr. 2, spektrum PP1 obsahuje intenzivní kapela s absorbance maxima na 713 cm−1, spektrální PP2 má velmi malou skupinu v této oblasti, ale místo toho má široké a intenzivní pásy na 660 cm−1. Další dvě spektra PP3 a PP4 neobsahují nic nebo pásma s velmi nízkou intenzitou v této oblasti. Důvody těchto rozdílů ve spektrech odrazivosti jsou s největší pravděpodobností malá množství komonomerů nebo přísad, které se často používají při výrobě polypropylenových předmětů v reálném životě . Jako žádné analytické vlákno normy by mohly být získány, ne odrazivosti spekter byly vynechány z analýzy dat.

br. 2

Individuální příklad spekter z polypropylenu (PP) vzorků zaznamenaných v r-FT-IR režimu. Svislá osa představuje absorbanci. První dvě spektra (PP1 a PP2) jsou ze stejného vzorku-ukazují rozdíly ve vzorku. Spectra PP3 a PP4 jsou z jiného vzorku,

Elastan je většinou používán v textilním průmyslu, jako přísada, aby se materiál více elastický. Zatímco čistý elastan jako Textil je poměrně vzácný, jako standard byla použita elastanová nit. Získání kvalitního R-FT-IR spektra elastanu bylo problematické. Reflektanční spektra použitých elastan vlákno a jiné velmi tenké kousky (viz „Různé textilní vzorky a praktické aspekty“ kapitola) byly zkreslené a silně lišily od mat-FT-IR spektra. Absorpční pásy byly široké a špičky pásů se zdály být odříznuty v oblasti 1750-1100 cm−1 (viz obr. 3). C-o napínací pásmo je nejintenzivnější v režimu ATR (1105 cm-1)a je stále dobře vidět ve spektru režimu odrazivosti při 1138 cm−1.

br. 3

r-FT-IR (nahoře) a mat-FT-IR (viz níže) spektra elastan vzorku. Svislá osa představuje absorbanci. Spektra na obrázku představují normalizované a zprůměrované výsledky všech zaznamenaných spekter

Charakteristika ATR-FT-IR spektra Tencel™ (obsahující lyocell vlákno), které se vykazují s ATR-FT-IR spektrometr , ukázal absorbance kapel, které patří k bázi celulózy vlákna, ale také na amidové skupiny. Analýza pomocí MIKROSPEKTROMETRU FT-IR v režimech odrazivosti i ATR odhalila, že dva vzorky Tencel™ použité v této práci byly ve skutečnosti směsí nejméně dvou vláken (viz obr. 4). Pouze několik zaznamenaných spekter (jako Tencel 1 na obr. 4) byly podobné vláknům na bázi čisté celulózy jako lyocell . Většina spekter obsažených kromě lyocellových pásem (~ 3500, ~ 3460, ~ 1130 cm-1) také n-H protahovací absorbance (~ 3330 cm-1) a amid C=O protahovací pásy při ~ 1660 cm-1, lépe vidět na obr. 4 spectra Tencel 3 a Tencel 4. Protože Tencel™ není vždy 100% čistý lyocell, identifikace může být často obtížná. Vzhledem k těmto obtížím byl Tencel™ vyřazen z tréninkové sady klasifikace.

br. 4

Individuální příklad spektra Tencel™ vzorků zaznamenaných v r-FT-IR režimu. Svislá osa představuje absorbanci. Spektra byly zaznamenány z různých částí dvou vzorků, a to z důvodu komplexní složení Tencel™ materiálu, různé absorbances lze konstatovat,

Klasifikace single-component vlákna

Dva odlišné přístupy, které byly použity pro klasifikaci: principal component analysis (PCA) based discriminant analysis (DA) and random forest based machine learning algorithm. Klasifikace se DA ukazuje, že podobně jako s naší předchozí práce, kde klasifikace byla provedena pomocí IR spekter zaznamenaných s ATR-FT-IR spektrometr , vlákna mohou být snadno odlišit na základě jejich spekter odrazivosti zaznamenaných v režimu. Graf PCA pro analyzovaná textilní vlákna (viz obr. 5), pomocí prvních tří hlavních komponent, je prezentován pomoci vizualizovat, jak moc se třídy vláken skutečně liší od sebe navzájem. Skóre pro každý počítač v režimu odrazivosti jsou: PC1 = 69,7%, PC2 = 12,1%, PC3 = 6,2% popisující dohromady 88,0% rozptylu. Skóre pro mATR-FT-IR jsou: PC1 = 57,1%, PCA2 = 21,3%, PC3 = 9,4% popisující dohromady 87,8% rozptylu. Výkon random forest classifier byl hodnocen na základě skóre přesnosti klasifikace tréninkových a testovacích sad. Pro r-FT-IR byly skóre přesnosti klasifikace testu a tréninkové sady 0,99 (maximum je 1,0). Pro mATR-FT-IR byly skóre přesnosti klasifikace testu a tréninkové sady 0,96 a 1,0.

br. 5

PCA graf pro r-FT-IR spektra různých textilních vláken pomocí SNV korekce

Jako předchozí výzkum ukázal, na bázi celulózy vlákna (bavlna, len, juta, sisal, viskóza), které jsou si velmi podobné tím, že jejich chemické složení, je obtížné odlišit od sebe navzájem s IR-založené metody . Rozdíly mezi IR spektry několika vláken na bázi celulózy byly nalezeny Garside a Wyeth, ale v naší práci jsme zjistili, že spektra odrazivosti bavlněných a lněných vláken byla příliš podobná pro jednoznačnou identifikaci. Pro sebevědomou analýzu je tedy třeba použít další metody, jako je mikroskopie. Viskóza je seskupený docela úzce s přírodní bázi celulózy vlákna, ale tvary kapely jsou mírně odlišné provedení identifikace a správné zařazení viskóza možné. Kromě vláken na bázi celulózy, která jsou seskupena dohromady, umožňuje diskriminační analýza založená na PCA úspěšnou klasifikaci textilií analyzovaných v této práci.

Různé textilní vzorky a praktické aspekty

Tabulka 1 prezentuje srovnání použita FT-IR spektroskopie vzorků v identifikaci různých druhů textilních vláken.

Při použití FT-IR microspectrometer v odrazivosti režimu, klíčovým faktorem je výběr vhodného vzorku, plocha (clony) a dobré zaostření záření na povrchu vzorku, což je často náročné. Některé vzorky mohou být velmi silné, drcené, křehké nebo mohou obsahovat přísady. V této práci více staré, částečně poškozené, tlustý nebo tenký, malé kousky a celé oblečení s nerovným povrchem, byly analyzovány pro testování přesnosti identifikace navzdory vzorku stavu.

r-FT-IR má silnou výhodu v tom, že je bezkontaktní přístup, zejména v případě křehkých a / nebo cenných vzorků. Nevýhodou metody r-FT-IR jsou problémy s nerovnými povrchy a cizím materiálem (přísadami nebo nečistotami) na povrchu vzorku. Při nerovném povrchu se do detektoru odráží méně záření a tím se snižuje kvalita spektra. Aby se to kompenzovalo, doporučuje se použít vyšší počet skenů, větší oblast měření (clona) a nejlepší možný detektor, jako je MCT chlazený dusíkem. V případě cizích materiálů na povrchu je skenování povrchu pro čistší skvrny jedinou možností, jak zmírnit rizika nesprávné identifikace. Velmi malé kousky nití o šířce menší než 10 jednotlivá vlákna byla obtížně identifikovatelná s r-FT-IR. V závislosti na typu vlákna byla spektra někdy zkreslená a netypická, např. v případě tenkého elastanu (diskutováno výše) a hedvábné nitě (diskutováno níže). V tomto případě musí být použit přístup ATR.