Reflectiespectra van verschillende textielvezels met één component

de beste manier om het vermogen van r-FT-IR om textielvezels te identificeren te evalueren is door vergelijking met de veelgebruikte ATR-FT-IR-techniek. Om dat te bereiken, werden FT-IR spectra van 16 verschillende soorten individuele eencomponent textielmaterialen (in totaal 61 verschillende textielmonsters) geregistreerd met behulp van FT-IR microspectrometer met reflectie (r-FT-IR) en ATR (mATR-FT-IR) modi en ATR-FT-IR spectrometer (ATR-FT-IR). Vergelijking tussen R-FT-IR spectra en (M) ATR-FT-IR spectra voor dezelfde materialen toonde aan dat ondanks algemene gelijkenis, op detailniveau de spectra duidelijk verschillend zijn. In veel gevallen zijn de absorptiebanden in R-FT-IR spectra breder, zijn de wavenummers verschoven naar hogere waarden en zijn de intensiteitsverhoudingen van pieken verschillend van de overeenkomstige ATR-FT-IR spectra. Variaties in R-FT-IR spectra van de overeenkomstige ATR-FT-IR spectra worden veroorzaakt door verschillende reflectiemodi (spiegelend, diffuus) die gelijktijdig bijdragen aan het gedetecteerde signaal als gevolg van het ongelijke oppervlak van de textielmonsters. Vanwege de” mixed-mode ” reflectie zijn de gebruikelijke Kramers–Kronig en Kubelka-Munk correcties niet nuttig . Hoewel volledige interpretatie ingewikkeld kan zijn, heeft elk vezeltype nog steeds zijn unieke R-FT-IR-spectrum, waardoor onderscheid kan worden gemaakt tussen de materialen en het identificeren van het materiaal van een onbekend textielmonster met reflectiemodus. In Fig. 1 R-FT-IR en mATR-FT-IR spectra van de meest voorkomende textielvezels worden ter vergelijking getoond. Alle reflectie mode spectra in volledige grootte worden gepresenteerd in extra file 1 ook. ATR-FT-IR spectra van verschillende textielvezels opgenomen met ATR-FT-IR spectrometer worden gerapporteerd in eerdere artikelen van de auteurs .

r-FT-IR en mATR-FT-IR spectra van de meest voorkomende textielvezels. Spectra in figuur vertegenwoordigen genormaliseerde en gemiddelde resultaten van elke klasse. De verticale as staat voor absorptie. Omdat natuurlijke vezels op basis van cellulose zeer vergelijkbare spectra hebben, wordt alleen katoen gepresenteerd. Spectra van andere natuurlijke vezels zoals linnen, jute en sisal zijn weergegeven in aanvullend bestand 1

in Fig. 1, kan men zien dat de spectra van de reflectiewijze meer absorptiemaxima lijken te bevatten in vergelijking met de ATR-wijze. Met name in de regio van 3000-4000 cm−1 zijn de absorptiebanden veel breder en intensiever. In dit wavenumbergebied worden de O–H en N–H stretching banden gevonden . Aangezien in de reflectiemodus de mate van lichtpenetratie in het monster kleiner is, werd verondersteld dat deze bredere en intensievere pieken te wijten zijn aan de vochtigheid op het textieloppervlak (water absorbeert sterk in de regio van 3000-4000 cm−1). Dit werd echter niet bevestigd, aangezien bij droogexperimenten (het stuk textiel werd 2 uur bij 70 °C gedroogd) geen significante verschillen tussen de spectra van gedroogde en niet-gedroogde textielmonsters werden vastgesteld. Hoogstwaarschijnlijk zijn deze trillingen in het gebied van 3000-4000 cm−1 kenmerkend voor de reflectiemodus. In de reflectiemodus worden de banden in veel gevallen verschoven naar hogere wavenummers, vergeleken met de ATR-modus. Voor viscosevezel op basis van cellulose is de maximale O-H–rekband in de ATR−modus 3344 cm−1, maar in de reflectiemodus is een brede band met smallere punt te zien bij 3500 cm-1. De karakteristieke C-O stretchband die duidelijk zichtbaar is in de ATR-modus (bijna 1022 cm-1) is samengevoegd tot een breed absorptiegebied (1400-1100 cm−1) in de reflectiemodus, met banden op 1173 en 1134 cm−1.

een onverwacht voordeel van de reflectiemodus werd onthuld door onderscheid te maken tussen vezels op basis van polyamide: zijde, wol en synthetische polyamide. In de ATR-modus lijken de ATR-FT-IR spectra van deze drie materialen erg op elkaar. Absorptiemaxima zijn slechts licht verschoven en het belangrijkste verschil is de breedte van n–H/O−H stretching (~ 3500-3000 cm−1), amiden C=O stretching (~ 1630 cm–1) en c–N−H buiging (~ 1520 cm-1) absorptiebanden. Deze verschillen zijn meestal voldoende voor het identificeren van single-component vezels die in goede staat zijn door ATR-FT-IR, maar niet voor gedeeltelijk afgebroken en/of verontreinigde real-life monsters, vanwege de mogelijke veranderingen in bandvormen en het ontstaan van nieuwe banden. In de reflectiemodus zijn de spectra van deze drie vezelsoorten aanzienlijk meer verschillend. Zo hadden alle vijf verschillende standaardmonsters van zijde die in dit onderzoek werden onderzocht, afkomstig van verschillende bronnen, een intensief en scherp absorptiemaximum van bijna 1710 cm−1, dat in de spectra van wol en polyamide ontbreekt.

interessant is dat het polyesterspectrum verschillende extra absorptiebanden in het reflectiespectrum had in vergelijking met het ATR-FT-IR-spectrum. De relatieve intensiteit voor C-H-stretching in reflectiemodus (bij 2972 en 2908 cm−1) was aanzienlijk hoger in vergelijking met het spectrum van ATR−modus, waar de overeenkomstige banden (bij 2973 en 2910 cm-1) bijna onopgemerkt waren vanwege de lage intensiteit. De aromatische boventonen / combinaties gebied tussen 2500 en 1800 cm-1, die in het geval van de andere bestudeerde vezels bevat slechts kleine banden, was verrassend rijk in het geval van polyester. Deze banden zijn kenmerkend voor polyestervezels aangezien alle geanalyseerde steekproeven vergelijkbare resultaten gaven.

voor polypropyleen werden significante verschillen waargenomen tussen reflectiespectra van verschillende monsters (zie Fig. 2), zowel tussen steekproeven als binnen één steekproef. In Fig. 2 vier meest verschillende reflectiespectra van twee verschillende monsters worden getoond om de verschillen te illustreren. Het C-H-rekgebied heeft verschillende absorptiebanden bij dezelfde wavenummers (~ 2970, ~ 2930, ~ 2840 cm−1), maar de vorm en relatieve intensiteit van de banden zijn verschillend. Monster PP4 bevat bijvoorbeeld allemaal dezelfde absorptiestoffen, maar ze worden samengevoegd tot één brede band, terwijl in het spectrum PP3 de band bij 2969 cm−1 duidelijk intensiever is dan 2930 cm−1 en 2844 cm−1. Dezelfde situatie geldt voor C-H buigbanden rond 1460 en 1380 cm-1-dezelfde banden, verschillende vormen. Het meest opvallende verschil blijkt te liggen in het wavenumberbereik van 800-600 cm−1. Zoals te zien is in Fig. 2, Het spectrum PP1 bevat intensieve band met absorptiemaxima bij 713 cm-1, spectrum PP2 heeft zeer kleine band op dit gebied, maar in plaats daarvan heeft brede en intensieve banden bij 660 cm−1. De andere twee spectra PP3 en PP4 bevatten niets of banden met een zeer lage intensiteit in dit gebied. De redenen voor deze verschillen in reflectiespectra zijn hoogstwaarschijnlijk kleine hoeveelheden co-monomeren of additieven die vaak worden gebruikt bij de productie van real-life polypropyleen items . Aangezien er geen analytische vezelstandaarden konden worden verkregen, werden geen reflectiespectra uit de gegevensanalyse weggelaten.

individuele voorbeeld spectra van polypropyleen (PP) monsters opgenomen in de R-FT-IR modus. De verticale as staat voor absorptie. De eerste twee spectra (PP1 en PP2) zijn van dezelfde steekproef—die verschillen binnen een steekproef tonen. De Spectra PP3 en PP4 komen uit een ander monster

elastaan wordt meestal gebruikt in textiel, als additief om materialen elastischer te maken. Terwijl pure elastaan als textiel vrij zeldzaam is, werd elastaandraad als standaard gebruikt. Het verkrijgen van een goede kwaliteit R-FT-IR spectrum van elastaan was problematisch. Reflectiespectra van de gebruikte elastaandraad en andere zeer dunne stukken (zie “verschillende textielmonsters en praktische aspecten” sectie) waren vervormd en verschilden sterk van de matr-FT-IR spectra. Absorptiebanden waren breed, en de uiteinden van de banden leken te zijn afgesneden in de regio van 1750-1100 cm-1 (zie Fig. 3). C-O stretching band is de meest intensieve in de ATR-modus (1105 cm-1) en is nog steeds goed te zien in de reflectie modus spectrum op 1138 cm−1.

r-FT-IR (boven) en mATR-FT-IR (onder) spectra van elastaanmonster. De verticale as staat voor absorptie. De spectra in figuur vertegenwoordigen genormaliseerde en gemiddelde resultaten van alle geregistreerde spectra

karakteristieke ATR-FT-IR-spectra van Tencel™ (met lyocell-vezel) opgenomen met ATR-FT-IR-spectrometer , vertoonden absorptiebanden die behoren tot vezels op basis van cellulose, maar ook tot amidegroepen. Analyse met FT-IR microspectrometer in zowel reflectie-als ATR-modi toonde aan dat de twee Tencel™ – monsters die in dit werk werden gebruikt in feite mengsels waren van ten minste twee vezels (zie Fig. 4). Slechts enkele van de opgenomen spectra (zoals Tencel 1 in Fig. 4) waren vergelijkbaar met pure cellulose-gebaseerde vezel zoals lyocell zou moeten zijn . De meeste spectra bevatten naast lyocell banden (~3500, ~ 3460, ~ 1130 cm-1) ook n–H stretching absorbanties (~ 3330 cm−1) en amide C=O stretching banden op ~ 1660 cm−1, beter te zien in Fig. 4 spectra Tencel 3 en Tencel 4. Aangezien tencel™ niet altijd 100% zuiver lyocell is, kan de identificatie vaak moeilijk zijn. Vanwege deze moeilijkheden werd Tencel™ uit de classificatietrainingsset verwijderd.

individuele voorbeeldspectra van Tencel™-monsters opgenomen in de R-FT-IR-modus. De verticale as staat voor absorptie. Spectra werden geregistreerd uit verschillende delen van twee monsters en vanwege de complexe samenstelling van Tencel™ – materiaal kunnen verschillende absorbanties worden opgemerkt

classificatie van enkelvoudige vezels

twee verschillende benaderingen werden gebruikt voor classificatie: principal component analysis (PCA) based discriminant analysis (DA) en random forest based machine learning algoritme. Classificatie met DA laat zien dat ook met ons vorige werk, waar classificatie werd uitgevoerd met behulp van IR spectra opgenomen met ATR-FT-IR spectrometer, de vezels gemakkelijk kunnen worden onderscheiden op basis van hun spectra opgenomen in reflectie modus. PCA-grafiek voor geanalyseerde textielvezels (zie Fig. 5), met behulp van de eerste drie belangrijkste componenten, wordt gepresenteerd om te helpen visualiseren hoeveel de vezel klassen eigenlijk van elkaar verschillen. De Scores voor elke PC in reflectiemodus zijn: PC1 = 69,7%, PC2 = 12,1%, PC3 = 6,2% en beschrijven samen 88,0% van de variantie. De Scores voor mATR-FT-IR zijn: PC1 = 57,1%, PCA2 = 21,3%, PC3 = 9,4% die samen 87,8% van de variantie beschrijven. De prestaties van de random forest classifier werden geëvalueerd op basis van de nauwkeurigheid van de trainings-en testscores. Voor r-FT-IR waren de scores voor de classificatienauwkeurigheid van de test-en trainingsset allebei 0,99 (1,0 is het maximum). Voor mATR-FT-IR waren de scores voor de classificatienauwkeurigheid van de test-en trainingsset respectievelijk 0,96 en 1,0.

‘ PCA grafiek voor r-FT-IR spectra van verschillende textiel-vezels met behulp van SNV correctie

Als de vorige onderzoek heeft aangetoond, cellulose-gebaseerde vezels (katoen, linnen, jute, sisal, viscose), die veel op elkaar lijken door hun chemische samenstelling, zijn moeilijk te onderscheiden van elkaar met IR-gebaseerde methoden . Verschillen tussen IR spectra van verschillende cellulose-gebaseerde vezels zijn gevonden door Garside en Wyeth , maar in ons werk, vonden we dat de reflectiespectra van katoen en linnen vezels waren te vergelijkbaar voor eenduidige identificatie. Aldus, moeten nog extra methodes, zoals microscopie, voor zekere analyse worden gebruikt. Viscose is vrij nauw geclusterd met natuurlijke cellulose-gebaseerde vezels, maar de vormen van de banden zijn iets anders waardoor de identificatie en correcte classificatie van viscose mogelijk is. Naast de vezels op basis van cellulose die samen geclusterd zijn, maakt de PCA-gebaseerde discriminant analyse een succesvolle classificatie mogelijk van de textiel geanalyseerd in dit werk.

verschillende textielmonsters en praktische aspecten

Tabel 1 geeft een vergelijking van de gebruikte FT-IR spectroscopie bemonsteringstechnieken bij de identificatie van verschillende soorten textielvezels.

Bij het gebruik van FT-IR microspectrometer in reflectie-modus, de belangrijkste factor is de selectie van geschikte steekproef gebied (diafragma) en een goede concentratie van de straling op de voorbeeld-oppervlak, dat is vaak een uitdaging. Sommige monsters kunnen erg dik, versnipperd, breekbaar zijn of additieven bevatten. In dit werk werden veelvoudige oude, gedeeltelijk verslechterde, Dikke of dunne, kleine stukken en gehele kleding met ongelijke oppervlakte geanalyseerd om de nauwkeurigheid van identificatie ondanks de steekproefvoorwaarde te testen.

r-FT-IR heeft het sterke voordeel dat het een contactloze benadering is, vooral in het geval van fragiele en/of waardevolle monsters. De nadelen van de R-FT-IR-methode zijn de problemen met oneffen oppervlakken en vreemd materiaal (additieven of onzuiverheden) op het oppervlak van het monster. Bij oneffen oppervlak wordt minder straling in de detector gereflecteerd en daardoor wordt de spectrumkwaliteit verminderd. Om dat te compenseren, wordt geadviseerd om een groter aantal scans, groter meetgebied (diafragma) en de best mogelijke detector zoals stikstofgekoelde MCT te gebruiken. In het geval van vreemde materialen op het oppervlak is het scannen van het oppervlak op schonere plekken de enige optie om het risico van verkeerde identificatie te beperken. Zeer kleine draadstukken met een breedte van minder dan 10 afzonderlijke vezels waren moeilijk te identificeren met r-FT-IR. Afhankelijk van het vezeltype werden de spectra soms vervormd en niet karakteristiek, bijvoorbeeld in het geval van dunne elastaan (hierboven besproken) en zijde draad (hieronder besproken). In dat geval moet de ATR-benadering worden gebruikt.