Reflexiós spektruma különböző, egy-alkatrész textil szálak

A legjobb módja annak, hogy értékelje a képessége, r-FT-IR azonosítani a textil szálak összehasonlítva a széles körben használt ATR-FT-IR technika. Ennek érdekében 16 különböző típusú egykomponensű textilanyagból (összesen 61 különböző textilmintából) FT-IR spektrumot rögzítettek fényvisszaverő (r-FT-IR) és ATR (mATR-FT-IR) módokkal és ATR-FT-IR spektrométerrel (ATR-FT-IR). Az r-FT-IR spektrumok és az (m)ATR-FT-IR spektrumok összehasonlítása ugyanarra az anyagra azt mutatta, hogy az általános hasonlóság ellenére a spektrumok részletes szinten jelentősen eltérnek egymástól. Sok esetben az R-FT-IR spektrumban az abszorbanciasávok szélesebbek, a hullámszámok a magasabb értékek felé tolódnak el, a csúcsok intenzitásaránya pedig eltér a megfelelő ATR-FT-IR spektrumtól. Az r-FT-IR spektrumok változásait a megfelelő ATR-FT-IR spektrumból különböző fényvisszaverési módok (spektrális, diffúz) okozzák, amelyek egyidejűleg hozzájárulnak az észlelt jelhez a textilminták egyenetlen felülete miatt. A “vegyes módú” reflexió miatt a szokásos Kramers–Kronig és Kubelka–Munk korrekciók nem hasznosak . Bár a teljes értelmezés bonyolult lehet, minden száltípus egyedi r-FT-IR spektrummal rendelkezik, amely lehetővé teszi az anyagok megkülönböztetését és egy ismeretlen textilminta anyagának fényvisszaverő módszerrel történő azonosítását. A Füge. Összehasonlításképpen a leggyakoribb textilszálak 1 r-FT-IR és mATR-FT-IR spektruma látható. Az összes reflectance mode spectra teljes méretben kerülnek bemutatásra további fájl 1 is. Az ATR-FT-IR spektrométerrel Rögzített különböző textilszálak ATR-IR spektrumát a szerzők korábbi cikkei jelentik .

r-FT-IR and mATR-FT-IR spectra of most common textil rostok. Az ábrán látható spektrumok az egyes osztályok normalizált és átlagolt eredményeit reprezentálják. A függőleges tengely abszorbancia. Mivel a természetes cellulóz alapú szálak nagyon hasonló spektrummal rendelkeznek, csak pamut kerül bemutatásra. Más természetes rostok, mint a len, juta és szizál spektruma további 1

ábrán látható. 1, látható, hogy a reflectance mode spektrumok úgy tűnik, hogy több abszorbancia maximát tartalmaznak, mint az ATR mód. Különösen a 3000-4000 cm-1 tartományban az abszorbens sávok sokkal szélesebbek és intenzívebbek. Ebben a hullámhosszon az O-H és az N–H stretching sávok találhatók . Mivel a fényvisszaverő módban a fény behatolásának mértéke a mintába kisebb, feltételezték, hogy ezek a szélesebb és intenzívebb csúcsok a Textil felületének páratartalma miatt következnek be (a víz erősen felszívódik a 3000-4000 cm−1 tartományban). Ezt azonban nem erősítették meg, mivel a szárítási kísérletek (a textildarabot 70 °C-on 2 órán át szárították) nem mutattak szignifikáns eltérést a szárított és a nem szárított textilminta-spektrumok között. Valószínűleg ezek a rezgések a 3000-4000 cm−1 tartományban jellemzőek a reflexiós módra. A reflectance módban a sávok sok esetben a magasabb hullámszámok felé tolódnak el, összehasonlítva az ATR móddal. Például a cellulóz alapú Viszkóz rost esetében az O-H nyújtási sáv maximális ATR üzemmódban 3344 cm−1, de fényvisszaverő üzemmódban egy széles sáv látható, keskenyebb hegyével 3500 cm−1. Az ATR üzemmódban (közel 1022 cm–1) jól látható jellegzetes C−O feszítőszalag fényvisszaverő üzemmódban széles abszorpciós területre (1400-1100 cm−1) olvadt, 1173−as és 1134 cm-1-es sávokkal.

a fényvisszaverő mód váratlan előnye a poliamid alapú szálak: selyem, gyapjú és szintetikus poliamid megkülönböztetésében mutatkozott meg. ATR módban a három anyag ATR-FT-IR spektruma nagyon hasonlít. Az abszorbancia maxima csak kissé eltolódik, a fő különbség az N–H/O–H nyújtás szélessége (~ 3500-3000 cm−1), az amidok C=O nyújtás (~ 1630 cm−1) és a C–N–H hajlítás (~ 1520 cm−1) abszorbancia sávok. Ezek a különbségek általában elegendő azonosító egyetlen összetevő rostok, hogy jó állapotban vannak által ATR-FT-IR, de nem részben leromlott és/vagy szennyezett valós minták, mert a lehetséges változások a zenekar formák, valamint a kialakulóban lévő új zenekarok. A reflectance módban e három száltípus spektruma jelentősen eltér. Például mind az öt különböző selyem standard mintát, amelyet ebben a munkában vizsgáltunk, különböző forrásokból nyert, intenzív és éles abszorbancia volt, maximum 1710 cm−1 közelében, ami hiányzik a gyapjú és a poliamid spektrumából.

érdekes módon a poliészter spektrum több extra abszorbancia sávot tartalmazott a reflektancia spektrumban az ATR-FT-IR spektrumhoz képest. A C-H nyújtás relatív intenzitása fényvisszaverő üzemmódban (2972−ben és 2908 cm−1-ben) lényegesen magasabb volt az ATR mód spektrumához képest, ahol a megfelelő sávok (2973-ban és 2910 cm-1-ben) szinte észrevétlenek voltak az alacsony intenzitás miatt. A 2500-1800 cm−1 közötti aromás felhangok/kombinációk területe, amely a többi vizsgált szál esetében csak kisebb sávokat tartalmaz, meglepően gazdag volt a poliészter esetében. Ezek a sávok jellemzőek a poliészter szálakra, mivel az összes elemzett minta hasonló eredményeket adott.

Polipropilén esetében jelentős különbségeket figyeltek meg a különböző minták fényvisszaverő spektruma között (lásd az ábrát. 2), mind a minták között, mind egy mintán belül. A Füge. 2 a két különböző mintából származó négy legkülönbözőbb reflexiós spektrum mutatja a különbségeket. A C-H nyújtási területnek több abszorbens sávja van egy hullámhosszon (~2970, ~ 2930, ~ 2840 cm-1), de a sávok alakja és relatív intenzitása eltérő. Például a PP4 minta ugyanazokat az abszorpciókat tartalmazza, de egy széles sávba olvadnak, míg a PP3 spektrumban a 2969 cm−1 sáv egyértelműen intenzívebb, mint a 2930 cm−1 és a 2844 cm−1. Ugyanez a helyzet az 1460 és 1380 cm körüli C–H hajlítási sávokra−1—azonos sávokra, különböző alakzatokra. A legjelentősebb különbség a 800-600 cm−1 hullámtartományban van. Amint az ábrán látható. 2, A PP1 spektrum intenzív sávot tartalmaz, abszorbancia maxima-val 713 cm-1, A PP2 spektrum nagyon kis sávval rendelkezik ezen a területen, de ehelyett széles és intenzív sávokkal rendelkezik 660 cm−1-nél. A másik két spektrum PP3 és PP4 ezen a területen nem tartalmaz semmi, vagy sávok nagyon alacsony intenzitású ezen a területen. A fényvisszaverő spektrumok különbségeinek okai valószínűleg kis mennyiségű co-monomer vagy adalékanyag, amelyeket gyakran használnak a valós polipropilén termékek gyártásában . Mivel nem lehetett analitikai szál szabványokat beszerezni, az adatelemzésből nem maradtak ki reflexiós spektrumok.

egyedi példa spektrumok Polipropilén (PP) minták rögzített r-FT-IR módban. A függőleges tengely abszorbancia. Az első két spektrum (PP1 és PP2) ugyanabból a mintából származik—a mintán belüli különbségeket mutatva. A PP3 és PP4 spektrumok egy másik mintából származnak

az elasztánt többnyire textilekben használják, adalékanyagként az anyagok rugalmasabbá tételéhez. Míg a tiszta elasztán mint Textil meglehetősen ritka, az elasztán szálat standardként használták. Az elasztán jó minőségű r-FT-IR spektrumának megszerzése problémás volt. A használt elasztánszál és más nagyon vékony darabok fényvisszaverő spektruma (lásd a “különböző textil minták és gyakorlati szempontok” részt) eltorzult, és erősen különbözött a mATR-FT-IR spektrumtól. Az abszorbens sávok szélesek voltak, és úgy tűnt, hogy az 1750-1100 cm−1 tartományban levágták a sávok csúcsát (Lásd az ábrát. 3). A C-O stretching band a legintenzívebb ATR módban (1105 cm−1), és még mindig jól látható a reflectance mode spektrumban 1138 cm-1-nél.

r-FT-IR (fent) és mATR-FT-IR (lent) spectra of elastane sample. A függőleges tengely abszorbancia. Az ábrán látható spektrumok az ATR-FT-IR spektrométerrel rögzített összes rögzített spektrum normalizált és átlagolt eredményeit reprezentálják , amelyek a Tencel™ (lyocell rostot tartalmazó) ATR-FT-IR spektrumához tartozó abszorbancia sávokat, de a cellulóz alapú szálakhoz tartozó abszorbancia sávokat, valamint az amid csoportokat is mutatták. Az FT-IR mikrospektrométerrel végzett elemzés mind a fényvisszaverő, mind az ATR üzemmódban kimutatta, hogy az ebben a munkában használt két Tencel™ minta valójában legalább két szál keveréke (Lásd az ábrát. 4). Csak néhány a rögzített spektrumok (mint Tencel 1 ábra. 4) hasonlóak voltak a tiszta cellulóz alapú rosthoz, mint a lyocellnek . A lyocell sávok (~ 3500, ~ 3460, ~ 1130 cm−1) mellett található spektrumok nagy része N–H nyújtási abszorpciókat is tartalmaz (~3330 cm−1), valamint amide C=O stretching sávok ~ 1660 cm-1-nél, jobban látható az ábrán. 4 spectra Tencel 3 és Tencel 4. Mivel a Tencel™ nem mindig 100% – ban tiszta lyocell, az azonosítás gyakran nehéz lehet. E nehézségek miatt a Tencel™ – t eltávolították az osztályozási képzési készletből.

az R-FT-IR módban rögzített Tencel™ minták egyedi példa spektruma. A függőleges tengely abszorbancia. Spectra rögzített különböző részein két minta miatt a komplex összetétele Tencel™ anyag, különböző absorbances lehet jegyezni,

Osztályozása egységes-alkatrész szálak

Két különböző megközelítést alkalmaztak az osztályozás: principal component analysis (PCA) based discriminant analysis (DA) and random forest based machine learning algorithm. A DA-Val történő besorolás azt mutatja, hogy a korábbi munkánkhoz hasonlóan , ahol az osztályozást ATR-FT-IR spektrométerrel rögzített IR spektrummal végezték, a szálak könnyen megkülönböztethetők a reflektancia módban rögzített spektrumok alapján. PCA grafikon elemzett textilszálak (lásd ábra. 5), az első három fő összetevője, bemutatják, hogy segítsen elképzelni, hogy mennyi a rost osztályok valóban különböznek egymástól. Az egyes PC-k pontszámai reflexiós módban a következők: PC1 = 69,7%, PC2 = 12,1%, PC3 = 6,2%, amelyek együttesen leírják a variancia 88,0% – át. A mATR-FT-IR pontszámai a következők: PC1 = 57,1%, PCA2 = 21,3%, PC3 = 9,4%, amelyek együttesen leírják a variancia 87,8% – át. A random forest osztályozó teljesítményét a képzés és a tesztkészlet osztályozási pontszámai alapján értékelték. Az r-FT-IR esetében a teszt – és edzéskészlet osztályozási pontszámai egyaránt 0,99-esek voltak (az 1,0 a maximális). A mATR-FT-IR esetében a vizsgálati és képzési készlet osztályozási pontszáma 0,96, illetve 1,0 volt.

PCA grafikon az r-FT-IR spektrumok különböző textil szálak segítségével SNV korrekció

a korábbi kutatások azt mutatták, cellulóz-alapú szálak (pamut, len, juta, szizál, viszkóz), ami nagyon hasonló a kémiai összetétel, nehéz megkülönböztetni egymástól IR-alapú módszerek . A Garside és a Wyeth több cellulóz alapú rost IR-spektruma közötti eltéréseket találtak, de munkánk során azt tapasztaltuk, hogy a pamut-és vászonszálak fényvisszaverő spektruma túlságosan hasonló volt az egyértelmű azonosításhoz. Így még további módszereket, például mikroszkópiát kell alkalmazni a magabiztos elemzéshez. A viszkóz szorosan összefonódik a természetes cellulóz alapú szálakkal, de a sávok alakja kissé eltérő, így a viszkóz azonosítása és helyes osztályozása lehetséges. A cellulóz alapú rostok mellett, amelyek össze vannak csoportosítva, a PCA-alapú diszkrimináns elemzés lehetővé teszi az ebben a munkában elemzett textíliák sikeres osztályozását.

különböző textilminták és gyakorlati szempontok

az 1. táblázat a használt FT-IR spektroszkópia mintavételi technikáinak összehasonlítását mutatja be a különböző típusú textilszálak azonosításában.

használatakor FT-IR microspectrometer a reflexiós mód, a kulcs tényező kiválasztása a megfelelő mintavételi terület (rekesz) jó fókuszálás a sugárzás a minta felülete, amely gyakran kihívást jelent. Egyes minták nagyon vastagok, aprítottak, törékenyek vagy adalékanyagokat tartalmazhatnak. Ebben a munkában több régi, részben leromlott, vastag vagy vékony, apró darabot, valamint egyenetlen felületű teljes ruhát elemeztünk az azonosítás pontosságának tesztelésére a minta állapota ellenére.

r-FT-IR nagy előnye, hogy nem érintkező megközelítés, különösen törékeny és / vagy értékes minták esetén. Az r-FT-IR módszer hátrányai az egyenetlen felületekkel és a minta felületén található idegen anyagokkal (adalékanyagokkal vagy szennyeződésekkel) kapcsolatos problémák. Egyenetlen felület esetén kevesebb sugárzás tükröződik az érzékelőben, így csökken a spektrum minősége. Ennek kompenzálására ajánlott nagyobb számú vizsgálatot, nagyobb mérési területet (rekesznyílást) és a lehető legjobb detektort, például nitrogénhűtéses MCT-t használni. A felületen lévő idegen anyagok esetében a felület tisztább foltok keresése az egyetlen lehetőség a téves azonosítás kockázatának csökkentésére. Nagyon kicsi, 10-nél kisebb szélességű száldarabokat nehéz volt azonosítani az r-FT-IR-vel. A szál típusától függően a spektrumok néha eltorzultak és jellemzőek voltak, például a vékony elasztán (fent tárgyalt) és a selyemszál (az alábbiakban tárgyalt) esetében. Ebben az esetben az ATR megközelítést kell használni.