erilaisten yksikomponenttisten tekstiilikuitujen Heijastusspektrit

paras tapa arvioida R-FT-IR: n kykyä tunnistaa tekstiilikuituja on verrattuna laajalti käytettyyn ATR-FT-IR-tekniikkaan. Tätä varten FT-IR-spektrit 16 erityyppisestä yksittäisestä yksikomponenttisesta tekstiilimateriaalista (yhteensä 61 erilaista tekstiilinäytettä) kirjattiin käyttäen ft-IR-mikrospektrometriä, jossa on heijastuskyky (r-FT-IR) ja ATR (mATR-FT-IR)-tilaa ja ATR-FT-IR-spektrometriä (ATR-FT-IR). R-FT-IR-spektrien ja (m)ATR-FT-IR-spektrien vertailu samojen materiaalien osalta osoitti, että yleisestä samankaltaisuudesta huolimatta spektrit ovat yksityiskohtien tasolla selvästi erilaisia. Monissa tapauksissa absorboivuuskaistat r-FT-IR-spektreissä ovat leveämpiä, aaltolukemat siirtyneet kohti korkeampia arvoja ja piikkien intensiteettisuhteet poikkeavat vastaavista ATR-FT-IR-spektreistä. Erot R-FT-IR-spektrissä vastaavista ATR-FT-IR-spektreistä johtuvat erilaisista heijastustavoista (spektri, diffuusi), jotka vaikuttavat samanaikaisesti havaittuun signaaliin tekstiilinäytteiden epätasaisen pinnan vuoksi. ”Sekamuotoisen” heijastuksen vuoksi tavalliset Kramers-Kronig – ja Kubelka–Munk-korjaukset eivät ole hyödyllisiä . Vaikka täydellinen tulkinta voi olla monimutkaista, jokaisella kuitutyypillä on silti ainutlaatuinen R-FT-IR-spektri, joka mahdollistaa materiaalien erottelun ja tuntemattoman tekstiilinäytteen materiaalin tunnistamisen heijastustavalla. Kuvassa. Vertailua varten on esitetty 1 R-FT-IR ja mATR-FT-IR spektri yleisimmistä tekstiilikuiduista. Kaikki heijastustilan spektrit täysikokoisina esitetään myös lisätiedostossa 1. ATR-FT-IR-spektrometrillä tallennetut eri tekstiilikuitujen ATR-ft-IR-spektrometrit on kerrottu tekijöiden aiemmissa artikkeleissa .

r-FT-IR ja mATR-FT-IR spektrit yleisimmistä tekstiilikuiduista. Kuvan spektrit edustavat kunkin luokan normalisoituja ja keskimääräisiä tuloksia. Pystyakseli edustaa absorbanssia. Koska luonnollisilla selluloosapohjaisilla kuiduilla on hyvin samanlaiset spektrit, esitetään vain puuvillaa. Muiden luonnonkuitujen, kuten pellavan, juutin ja sisalin spektrit on esitetty lisätiedostossa 1

Kuvassa. 1, voidaan nähdä, että heijastustilan spektrit näyttävät sisältävän enemmän absorbanssimaksimia kuin ATR-tilassa. Erityisesti alueella 3000-4000 cm−1 absorbanssinauhat ovat paljon laajempia ja intensiivisempiä. Tällä aaltoluvun alueella esiintyy O-H–ja N-H-venyttelynauhoja . Kuten heijastustilassa valon tunkeutumisen laajuus näytteeseen on pienempi, on oletettu, että nämä laajemmat ja intensiivisemmät piikit johtuvat tekstiilipinnan kosteudesta (vesi absorboi voimakkaasti alueella 3000-4000 cm−1). Tätä ei kuitenkaan vahvistettu, koska kuivauskokeissa (tekstiilikappaletta kuivattiin 2 tuntia 70 °C: ssa) ei havaittu merkittäviä eroja kuivatun ja kuivattoman tekstiilinäytteen spektrien välillä. Todennäköisesti nämä värähtelyt alueella 3000-4000 cm-1 ovat tyypillisiä heijastustila. Heijastustilassa kaistat ovat monissa tapauksissa siirtyneet kohti korkeampia aaltolukuja ATR-moodiin verrattuna. Esimerkiksi selluloosapohjaisella viskoosikuidulla O−H−venytysbändin maksimi ATR-tilassa on 3344 cm-1, mutta heijastus-tilassa leveän kaistan kapeampi kärki näkyy 3500 cm-1. ATR–tilassa (1022 cm-1) näkyvästi näkyvä tunnusomainen c-O-venytysvyöhyke on sulautunut laajaksi absorbanssialueeksi (1400-1100 cm−1) heijastustilassa, jossa kaistat ovat 1173 ja 1134 cm−1.

heijastustilan odottamaton etu paljastui, kun polyamidipohjaiset kuidut erotettiin toisistaan: silkki, villa ja synteettinen polyamidi. ATR-tilassa näiden kolmen materiaalin ATR-FT-IR-spektrit näyttävät hyvin samanlaisilta. Absorbanssimaksimit ovat vain hieman siirtyneet ja suurin ero on n–H/o–h venytyksen (~ 3500-3000 cm−1), amidien C=O venytyksen (~ 1630 cm−1) ja C–n–h taivutuksen (~ 1520 cm−1) absorbanssinauhojen leveys. Nämä erot ovat yleensä riittävät yksilöimään yksikomponenttiset kuidut, jotka ovat hyvässä kunnossa ATR-FT-IR: n avulla, mutta eivät osittain hajonneiden ja/tai kontaminoituneiden tosielämän näytteiden osalta, koska kaistamuodot voivat muuttua ja uusia kaistoja syntyy. Heijastustilassa näiden kolmen kuitutyypin spektrit ovat huomattavasti erilaisempia. Esimerkiksi kaikilla tässä työssä tutkituilla viidellä eri silkkistandardinäytteellä, jotka on saatu eri lähteistä, oli intensiivinen ja terävä absorbanssimaksimi lähellä 1710 cm−1, joka puuttuu villan ja polyamidin spektristä.

mielenkiintoista on, että polyesterin spektrissä oli useita ylimääräisiä absorbanssikaistoja heijastusspektrissä verrattuna ATR-FT-IR-spektriin. Suhteellinen intensiteetti C-H-venytyksessä heijastustilassa (2972 ja 2908 cm−1) oli huomattavasti suurempi kuin ATR−tilan spektrissä, jossa vastaavat kaistat (2973 ja 2910 cm-1) jäivät lähes huomaamatta alhaisen intensiteetin vuoksi. Aromaattiset yläsävyt / yhdistelmät pinta−ala 2500-1800 cm-1, joka muiden tutkittujen kuitujen tapauksessa sisältää vain pieniä nauhoja, oli polyesterin tapauksessa yllättävän runsas. Nämä nauhat ovat tyypillisiä polyesterikuituja, koska kaikki analysoidut näytteet antoivat samanlaisia tuloksia.

polypropeenin osalta havaittiin merkittäviä eroja eri näytteiden heijastusspektrien välillä (KS. 2) sekä näytteiden välillä että yhden näytteen sisällä. Kuvassa. 2 neljä eri heijastusspektriä kahdesta eri näytteestä havainnollistavat eroja. C-H-venytysalueella on useita absorbanssinauhoja samalla aaltoluvulla (~2970, ~ 2930, ~ 2840 cm−1), mutta bändien muoto ja suhteelliset intensiteetit ovat erilaiset. Esimerkiksi Näyte PP4 sisältää kaikki samat absorbanssit, mutta ne sulautuvat yhdeksi leveäksi kaistaksi, kun taas spektrissä PP3 taajuusalue 2969 cm−1 on selvästi intensiivisempi kuin 2930 cm−1 ja 2844 cm−1. Sama tilanne koskee C-H taivutus bändejä noin 1460 ja 1380 cm−1—samat bändit, eri muotoisia. Näkyvin ero näyttää olevan aaltolukualueella 800-600 cm-1. Kuten se voidaan nähdä Fig. 2, spektri PP1 sisältää intensiivinen bändi absorbanssi maxima 713 cm-1, spektri PP2 on hyvin pieni bändi tällä alueella, mutta sen sijaan on laaja ja intensiivinen bändejä 660 cm−1. Kaksi muuta spektriä PP3 ja PP4 eivät sisällä mitään tai bändejä, joilla on hyvin alhainen intensiteetti tällä alueella. Heijastusspektrien erot johtuvat todennäköisesti pienistä määristä ko-monomeerejä tai lisäaineita, joita käytetään usein tosielämän polypropeenituotteiden valmistuksessa . Koska analyyttisiä kuitustandardeja ei voitu saada, heijastusspektrejä ei jätetty data-analyysin ulkopuolelle.

elastaania käytetään enimmäkseen tekstiileissä lisäaineena, jotta materiaaleista saadaan kimmoisampia. Vaikka puhdas elastaani tekstiilinä on melko harvinaista, standardina käytettiin elastaanilankaa. Laadukkaan R-FT-IR-spektrin saaminen elastaanista oli ongelmallista. Käytetyn elastaanilangan ja muiden hyvin ohuiden kappaleiden heijastusspektrit (katso kohta ”Different textile samples and practical aspects”) olivat vääristyneitä ja erosivat voimakkaasti mATR-FT-IR-spektristä. Absorbanssinauhat olivat leveitä, ja nauhojen kärjet näyttivät olevan poikki noin 1750-1100 cm−1 (ks. 3). C-O-venytysnauha on ATR-tilassa intensiivisin (1105 cm−1) ja näkyy edelleen hyvin heijastustilan spektrissä 1138 cm−1.

r-FT-IR (yllä) ja mATR-FT-IR (alla) elastaaninäytteen spektri. Pystyakseli edustaa absorbanssia. Kuvassa olevat spektrit edustavat kaikkien kirjattujen spektrien

Tencel™: n (lyocell-kuitua sisältävät) tyypilliset ATR-FT-IR-spektrit , jotka on kirjattu ATR-FT-IR-spektrometrillä, osoittivat selluloosapohjaisiin kuituihin mutta myös amidiryhmiin kuuluvia absorbanssikaistoja. Ft-IR-mikrospektrometrin analysointi sekä heijastus-että ATR-moodeissa paljasti, että tässä työssä käytetyt kaksi Tencel™ – näytettä olivat itse asiassa vähintään kahden kuidun seoksia (KS. 4). Vain harvat kirjatut spektrit (kuten Tencel 1 Kuvassa. 4) olivat samanlaisia puhdasta selluloosapohjaista kuitua kuin lyocell pitäisi olla . Suurin osa spektristä sisältää lyocell-nauhojen lisäksi (~3500, ~ 3460, ~ 1130 cm-1) myös NH–venytys absorbanssit (~ 3330 cm−1) ja amidi C=O venytysnauhat ~ 1660 cm−1, paremmin nähtävissä kuvassa. 4 spectra Tencel 3 ja Tencel 4. Koska Tencel™ ei ole aina 100% puhdas lyocell, tunnistaminen voi usein olla vaikeaa. Näiden vaikeuksien vuoksi Tencel™ poistettiin luokituskoulutussarjasta.

r-FT-IR-tilassa tallennettujen Tencel™ – näytteiden yksittäiset esimerkkispektrit. Pystyakseli edustaa absorbanssia. Spektrit kirjattiin kahden näytteen eri osista ja Tencel™ – materiaalin monimutkaisen koostumuksen vuoksi voidaan havaita erilaisia absorbansseja

yksikomponenttikuitujen luokittelu

luokituksessa käytettiin kahta eri lähestymistapaa: principal component analysis (PCA) based discriminant analysis (DA) ja random forest based machine learning algorithm. Luokittelu DA: n kanssa osoittaa, että samoin kuin edellisessä työssämme , jossa luokittelu tehtiin käyttäen ATR-FT-IR-spektrometrillä tallennettuja IR-spektrejä, kuidut voidaan helposti erottaa niiden heijastustilassa tallennettujen spektrien perusteella. PCA-kaavio analysoiduille tekstiilikuiduille (KS.Kuva. 5), käyttäen kolmea ensimmäistä pääkomponenttia, esitetään auttamaan visualisoimaan, kuinka paljon kuituluokat todella eroavat toisistaan. Kunkin PC: n pisteet heijastustilassa ovat: PC1 = 69,7%, PC2 = 12,1%, PC3 = 6,2% kuvaten yhteensä 88,0% varianssista. Matr-FT-IR: n pisteet ovat: PC1 = 57.1%, PCA2 = 21.3%, PC3 = 9.4% kuvaamalla yhteensä 87.8% varianssista. Satunnaismetsäluokittajan suorituskykyä arvioitiin koulutuksen ja testisarjan luokittelutarkkuuspisteiden perusteella. R-FT-IR: lle testi-ja harjoitussarjan luokitustarkkuuspisteet olivat molemmat 0,99 (1,0 on maksimi). MATR-FT-IR: lle testin ja harjoitussarjan luokitustarkkuuspisteet olivat vastaavasti 0,96 ja 1,0.

PCA-kaavio eri tekstiilikuitujen r-FT-IR-spektrille käyttäen SNV-korjausta

kuten aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, selluloosapohjainen kuidut (puuvilla, pellava, juutti, sisali, viskoosi), jotka ovat kemialliselta koostumukseltaan hyvin samankaltaisia, on vaikea erottaa toisistaan ir-pohjaisilla menetelmillä . Garside ja Wyeth ovat löytäneet eroja useiden selluloosapohjaisten kuitujen IR-spektrien välillä , mutta havaitsimme työssämme, että puuvilla-ja pellavakuitujen heijastusspektrit olivat liian samanlaisia yksiselitteiseen tunnistamiseen. Varmaananalyysiin on siis käytettävä vielä muita menetelmiä, kuten mikroskopiaa. Viskoosi ryhmitellään melko tiiviisti luonnon selluloosapohjaisten kuitujen kanssa, mutta nauhojen muodot ovat hieman erilaiset, mikä mahdollistaa viskoosin tunnistamisen ja oikean luokittelun. Selluloosapohjaisten kuitujen lisäksi PCA-pohjainen discriminant-analyysi mahdollistaa tässä työssä analysoitujen Tekstiilien onnistuneen luokittelun.

erilaiset tekstiilinäytteet ja käytännön näkökohdat

taulukossa 1 on vertailtu käytettyjä ft-IR-spektroskopian näytteenottotekniikoita erilaisten tekstiilikuitujen tunnistamisessa.

käytettäessä ft-IR-mikrospektrometriä heijastustilassa avaintekijä on sopivan näytealueen valinta (aukko) ja säteilyn hyvä kohdistus näytteen pintaan, se on usein haastavaa. Osa näytteistä voi olla hyvin paksuja, silputtuja, hauraita tai sisältää lisäaineita. Tässä teoksessa analysoitiin useita vanhoja, osittain rapistuneita, paksuja tai ohuita, pieniä kappaleita ja kokonaisia vaatteita, joiden pinta oli epätasainen, jotta tunnistustarkkuus testattiin näytekunnosta huolimatta.

r-FT-IR: n etuna on se, että se on kosketukseton lähestymistapa, erityisesti hauraiden ja / tai arvokkaiden näytteiden tapauksessa. R-FT-IR-menetelmän haittapuolina ovat ongelmat, joita esiintyy epätasaisissa pinnoissa ja vierasaineissa (lisäaineissa tai epäpuhtauksissa) näytteen pinnalla. Epätasaisella pinnalla detektoriin heijastuu vähemmän säteilyä ja siten spektrin laatu heikkenee. Tämän kompensoimiseksi on suositeltavaa käyttää suurempaa skannausmäärää, suurempaa mittausaluetta (aukkoa) ja parasta mahdollista ilmaisinta, kuten typpijäähdytteistä MCT: tä. Jos pinnassa on vieraita aineita, ainoa keino vähentää väärien tunnistusten riskiä on tutkia, löytyykö pinnalta puhtaampia kohtia. Hyvin pieniä lankakappaleita, joiden leveys oli alle 10 yksittäistä kuitua, oli vaikea tunnistaa r-FT-IR: stä. Kuitutyypistä riippuen spektrit olivat joskus vääristyneitä ja epätyypillisiä, esimerkiksi ohuen elastaanin (käsitelty yllä) ja silkkilangan (käsitelty alla) tapauksessa. Tällöin on käytettävä ATR-lähestymistapaa.