widma odbicia różnych jednoskładnikowych włókien tekstylnych

najlepszym sposobem oceny zdolności r-FT-IR do identyfikacji włókien tekstylnych jest porównanie z szeroko stosowaną techniką ATR-FT-IR. Aby to osiągnąć, zarejestrowano widma FT-IR z 16 różnych typów pojedynczych jednoskładnikowych materiałów tekstylnych (łącznie 61 różnych próbek tekstylnych) przy użyciu mikrospektrometru FT-IR z trybami odbicia (r-FT-IR) i ATR (mATR-FT-IR) oraz spektrometru ATR-FT-IR (ATR-FT-IR). Porównanie widm r-FT-IR I (m) ATR-FT-IR dla tych samych materiałów wykazało, że pomimo ogólnego podobieństwa, na poziomie szczegółowości widma są znacznie różne. W wielu przypadkach pasma absorbancji w widmach r-FT-IR są szersze, liczby fal przesunięte w kierunku wyższych wartości, a współczynniki intensywności pików różnią się od odpowiednich widm ATR-FT-IR. Różnice w widmach r-FT-IR od odpowiednich widm ATR-FT-IR są spowodowane różnymi trybami odbicia (lustrzanym, rozproszonym), które przyczyniają się jednocześnie do wykrytego sygnału z powodu nierównej powierzchni próbek Tekstyliów. Ze względu na odbicie „mieszane” zwykłe poprawki Kramerów-Kroniga i Kubelki-Munka nie są użyteczne . Chociaż Pełna interpretacja może być skomplikowana, każdy typ włókna nadal ma swoje unikalne spektrum r-FT-IR, co umożliwia rozróżnianie materiałów i identyfikację materiału nieznanej próbki tkaniny z trybem odbicia. Na Rys. 1 widmo r-FT-IR i mATR-FT-IR najczęstszych włókien tekstylnych przedstawiono dla porównania. Wszystkie widma trybu odbicia w pełnym rozmiarze są również przedstawione w dodatkowym pliku 1. Widma ATR-FT-IR różnych włókien tekstylnych rejestrowanych spektrometrem ATR-FT-IR zostały opisane w poprzednich artykułach autorów.

na Rys. 1, widać, że widma trybu odbicia wydają się zawierać więcej maksimum absorbancji w porównaniu do trybu ATR. W szczególności w obszarze 3000-4000 cm−1 pasma absorbancji są znacznie szersze i bardziej intensywne. W tym regionie falowym występują pasma rozciągania O–H I N–H. Ponieważ w trybie odbicia zakres przenikania światła do próbki jest mniejszy, postawiono hipotezę, że te szersze i bardziej intensywne szczyty wynikają z wilgotności na powierzchni tkaniny(woda silnie wchłania się w obszarze 3000-4000 cm-1). Nie zostało to jednak potwierdzone, ponieważ eksperymenty suszenia (kawałek tkaniny suszono przez 2 godziny w temperaturze 70 °C) nie wykazały znaczących różnic między widmami suszonych i nie suszonych próbek Tekstyliów. Najprawdopodobniej te drgania w obszarze 3000-4000 cm-1 są charakterystyczne dla trybu odbicia. W trybie odbicia pasma są w wielu przypadkach przesunięte w kierunku wyższej liczby fal, w porównaniu do trybu ATR. Na przykład, w przypadku włókien wiskozowych na bazie celulozy, maksymalne pasmo rozciągania O-H w trybie ATR wynosi 3344 cm-1, ale w trybie odbicia szerokie pasmo z węższą końcówką można zobaczyć w 3500 cm−1. Charakterystyczna taśma rozciągająca C-O widoczna w trybie ATR (blisko 1022 cm-1) połączyła się w szeroki obszar absorbcji (1400-1100 cm−1) w trybie odbicia, z pasmami na 1173 i 1134 cm−1.

nieoczekiwana zaleta trybu odbicia ujawniła się w rozróżnieniu włókien na bazie poliamidu: jedwabiu, wełny i poliamidu syntetycznego. W trybie ATR widma ATR-FT-IR tych trzech materiałów wyglądają bardzo podobnie. Maksima absorbancji są tylko nieznacznie przesunięte, a główną różnicą jest szerokość rozciągania N–H/O–H (~ 3500-3000 cm−1), rozciągania C=O (~ 1630 cm−1) i zginania C–N–H (~ 1520 cm−1) pasm absorbancji. Różnice te są zwykle wystarczające do identyfikacji włókien jednoskładnikowych, które są w dobrym stanie przez ATR-FT-IR, ale nie dla częściowo zdegradowanych i / lub zanieczyszczonych próbek rzeczywistych, ze względu na możliwe zmiany w kształtach pasm i pojawianie się nowych pasm. W trybie odbicia widma tych trzech typów włókien są znacznie bardziej różne. Na przykład wszystkie pięć różnych próbek jedwabiu badanych w tej pracy, uzyskanych z różnych źródeł, miało intensywną i ostrą absorpcję maksymalną w pobliżu 1710 cm-1, która jest nieobecna w widmach wełny i poliamidu.

Co ciekawe, spektrum poliestrowe miało kilka dodatkowych pasm absorbancji w spektrum odbicia w porównaniu do widma ATR-FT-IR. Względna intensywność rozciągania C-H w trybie odbicia (przy 2972 i 2908 cm-1) była znacznie wyższa w porównaniu do widma w trybie ATR, gdzie odpowiednie pasma (przy 2973 i 2910 cm-1) były prawie niezauważone z powodu niskiej intensywności. Obszar aromatycznych wydźwięków / kombinacji między 2500 A 1800 cm-1, który w przypadku innych badanych włókien zawiera tylko niewielkie pasma, był zaskakująco bogaty w przypadku poliestru. Pasma te są charakterystyczne dla włókien poliestrowych, ponieważ wszystkie analizowane próbki dały podobne wyniki.

dla polipropylenu zaobserwowano istotne różnice między widmami odbicia różnych próbek (Patrz ryc. 2), zarówno między próbkami, jak i w ramach jednej próbki. Na Rys. 2 pokazano cztery najbardziej różne widma odbicia z dwóch różnych próbek, aby zilustrować różnice. Obszar rozciągania C-H ma kilka pasm absorbancji przy tej samej liczbie fal (~ 2970, ~ 2930, ~ 2840 cm−1), ale kształt pasm i względna intensywność są różne. Na przykład, próbka PP4 zawiera wszystkie te same absorbancje, ale są one połączone w jedno szerokie pasmo, podczas gdy w spektrum PP3 pasmo przy 2969 cm−1 jest wyraźnie bardziej intensywne niż 2930 cm−1 i 2844 cm−1. Ta sama sytuacja dotyczy taśm giętych C-H około 1460 i 1380 cm-1-te same taśmy, różne kształty. Najbardziej widoczną różnicą wydaje się być zakres fal 800-600 cm−1. Jak widać na Rys. 2, widmo PP1 zawiera intensywne pasmo z maksymą absorbancji w 713 cm-1, widmo PP2 ma bardzo małe pasmo w tym obszarze, ale zamiast tego ma szerokie i intensywne pasma w 660 cm−1. Pozostałe dwa widma PP3 i PP4 nie zawierają niczego lub pasm o bardzo niskiej intensywności w tym obszarze. Przyczynami tych różnic w widmach odbicia są najprawdopodobniej niewielkie ilości Ko-monomerów lub dodatków, które są często stosowane w produkcji rzeczywistych elementów polipropylenowych . Ponieważ nie można było uzyskać analitycznych wzorców włókien, nie pozostawiono żadnych widm odbicia poza analizą danych.

Elastan jest najczęściej stosowany w tekstyliach, jako dodatek do uelastyczniania materiałów. Podczas gdy czysty elastan jako materiał tekstylny jest dość rzadki, standardowo zastosowano nici elastanowe. Uzyskanie dobrej jakości spektrum r-FT-IR elastanu było problematyczne. Widma odbicia zastosowanej nici elastanowej i innych bardzo cienkich elementów (patrz sekcja „różne próbki tkanin i aspekty praktyczne”) były zniekształcone i znacznie różniły się od widm mATR-FT-IR. Pasma absorbancji były szerokie, a końce pasm wydawały się być odcięte w regionie 1750-1100 cm-1 (patrz Rys. 3). Taśma rozciągająca C-O jest najbardziej intensywna w trybie ATR (1105 cm−1) i jest nadal dobrze widoczna w widmie trybu odbicia w 1138 cm−1.

charakterystyczne widmo ATR-FT-IR Tencel™ (zawierające włókno lyocell) zarejestrowane za pomocą spektrometru ATR-FT-IR , wykazało pasma absorbancji należące do włókien celulozowych, ale także do grup amidowych. Analiza za pomocą mikrospektrometru FT-IR w trybach odbicia i ATR wykazała, że dwie próbki Tencel™ użyte w tej pracy były w rzeczywistości mieszaninami co najmniej dwóch włókien (Patrz ryc. 4). Tylko kilka z zarejestrowanych widm (jak Tencel 1 na Fig. 4) były podobne do czystego włókna celulozowego, jak powinien być lyocell . Większość widm zawartych oprócz taśm lyocell (~ 3500, ~ 3460, ~ 1130 cm−1) również absorbancje rozciągające N–H (~ 3330 cm−1) i pasma rozciągające C=O amidu przy ~ 1660 cm−1, lepiej widoczne na Fig. 4 spectra Tencel 3 i tencel 4. Ponieważ Tencel™ nie zawsze jest w 100% czystym lyocellem, identyfikacja może być często trudna. Z powodu tych trudności Tencel™ został usunięty z zestawu treningowego klasyfikacji.

Klasyfikacja włókien jednoskładnikowych

do klasyfikacji zastosowano dwa różne podejścia: podstawowa analiza składowa (PCA) oparta na analizie dyskryminacyjnej (DA) i algorytm uczenia maszynowego oparty na losowym lesie. Klasyfikacja z DA pokazuje, że podobnie jak w naszej poprzedniej pracy, gdzie klasyfikację przeprowadzono przy użyciu widm IR rejestrowanych spektrometrem ATR-FT-IR, włókna można łatwo odróżnić na podstawie ich widm rejestrowanych w trybie odbicia. Wykres PCA dla analizowanych włókien tekstylnych (patrz Rys. 5), używając pierwszych trzech głównych składników, przedstawiono, aby pomóc wizualizować, jak bardzo klasy włókien rzeczywiście różnią się od siebie. Wyniki dla każdego PC w trybie odbicia wynoszą: PC1 = 69,7%, PC2 = 12,1%, PC3 = 6,2%, opisując łącznie 88,0% wariancji. Wyniki dla mATR-FT-IR wynoszą: PC1 = 57,1%, PCA2 = 21,3%, PC3 = 9,4%, opisując łącznie 87,8% wariancji. Skuteczność losowego klasyfikatora leśnego oceniano na podstawie wyników dokładności klasyfikacji z zestawów treningowych i testowych. W przypadku r-FT-IR wynik dokładności testu i zestawu treningowego wynosił 0,99 (1,0 to maksimum). Dla mATR-FT-IR wyniki dokładności klasyfikacji zestawów testowych i treningowych wynosiły odpowiednio 0,96 i 1,0.

ys. 5

Wykres PCA dla widm r-FT-IR różnych włókien tekstylnych z korekcją SNV

jak wykazały poprzednie badania, włókna (bawełna, len, juta, sizal, wiskoza), które są bardzo podobne ze względu na swój skład chemiczny, są trudne do odróżnienia od siebie metodami opartymi na podczerwieni . Różnice między widmami IR kilku włókien celulozowych zostały znalezione przez Garside ’ a i Wyetha , ale w naszej pracy odkryliśmy, że widma odbicia włókien bawełnianych i lnianych były zbyt podobne do jednoznacznej identyfikacji. W związku z tym nadal dodatkowe metody, takie jak mikroskopia, muszą być używane do pewnej analizy. Wiskoza jest skupiona dość ściśle z naturalnymi włóknami celulozowymi, ale kształty opasek są nieco inne, co umożliwia identyfikację i prawidłową klasyfikację wiskozy. Oprócz włókien celulozowych, które są skupione razem, Analiza dyskryminacyjna oparta na PCA umożliwia pomyślną klasyfikację analizowanych w tej pracy tkanin.

różne próbki włókien tekstylnych i aspekty praktyczne

Tabela 1 przedstawia porównanie stosowanych technik pobierania próbek metodą spektroskopii FT-IR w identyfikacji różnych rodzajów włókien tekstylnych.

przy użyciu mikrospektrometru FT-IR w trybie odbicia kluczowym czynnikiem jest wybór odpowiedniego obszaru próbki (przysłony) i dobre skupienie promieniowania na próbce powierzchni, co jest często trudne. Niektóre próbki mogą być bardzo grube, rozdrobnione, kruche lub zawierać dodatki. W pracy tej przeanalizowano wiele starych, częściowo zniszczonych, grubych lub cienkich, małych kawałków i całej odzieży o nierównej powierzchni w celu sprawdzenia dokładności identyfikacji pomimo stanu próbki.

r-FT-IR ma tę zaletę, że jest podejściem bezdotykowym, szczególnie w przypadku delikatnych i/lub cennych próbek. Wadami metody r-FT-IR są problemy z nierównymi powierzchniami i obcymi materiałami (dodatkami lub zanieczyszczeniami) na powierzchni próbki. Przy nierównej powierzchni, do detektora odbija się mniej promieniowania, a tym samym obniża się jakość widma. Aby to zrekompensować, zaleca się użycie większej liczby skanów, większego obszaru pomiarowego (apertury) i najlepszego możliwego detektora, takiego jak MCT chłodzony azotem. W przypadku materiałów obcych na powierzchni, skanowanie powierzchni w poszukiwaniu czystszych plam jest jedyną możliwością ograniczenia ryzyka błędnej identyfikacji. Bardzo małe kawałki nici o szerokości mniejszej niż 10 pojedynczych włókien były trudne do zidentyfikowania z r-FT-IR. W zależności od rodzaju włókna widma były czasami zniekształcone i nietypowe, np. w przypadku cienkiego elastanu (omówionego powyżej) i nici jedwabnych (omówionych poniżej). W takim przypadku należy zastosować podejście ATR.