spectrele de reflexie ale diferitelor fibre textile monocomponente

cel mai bun mod de a evalua capacitatea r-FT-IR de a identifica fibrele textile este prin comparație cu tehnica ATR-FT-IR utilizată pe scară largă. Pentru a realiza acest lucru, spectrele FT-IR din 16 tipuri diferite de materiale textile individuale monocomponente (în total 61 de probe textile diferite) au fost înregistrate folosind MICROSPECTROMETRU FT-IR cu moduri de reflexie (R-FT-IR) și ATR (mATR-FT-IR) și spectrometru ATR-FT-IR (ATR-FT-IR). Comparația dintre spectrele r-FT-IR și spectrele (m)ATR-FT-IR pentru aceleași materiale a arătat că, în ciuda asemănării generale, la nivel de detaliu spectrele sunt semnificativ diferite. În multe cazuri, benzile de absorbție din spectrele r-FT-IR sunt mai largi, numerele de undă s-au deplasat către valori mai mari, iar rapoartele de intensitate ale vârfurilor sunt diferite de spectrele ATR-FT-IR corespunzătoare. Variațiile spectrelor r-FT-IR față de spectrele ATR-FT-IR corespunzătoare sunt cauzate de diferite moduri de reflexie (speculare, difuze) care contribuie simultan la semnalul detectat datorită suprafeței inegale a probelor textile. Din cauza reflectanței” modului mixt”, corecțiile obișnuite Kramers-Kronig și Kubelka–Munk nu sunt utile . Deși interpretarea completă poate fi complicată, fiecare tip de fibră are încă spectrul său unic r-FT-IR, care permite diferențierea între materiale și identificarea materialului unui eșantion textil necunoscut cu modul de reflectanță. În Fig. 1 spectrele r-FT-IR și mATR-FT-IR ale celor mai comune fibre textile sunt prezentate pentru comparație. Toate spectrele modul de reflexie în dimensiune completă sunt prezentate în fișier suplimentar 1, de asemenea. Spectrele ATR-FT-IR ale diferitelor fibre textile înregistrate cu spectrometrul ATR-FT-IR sunt raportate în articolele anterioare ale autorilor .

spectrele r-FT-IR și mATR-FT-IR ale celor mai comune fibre textile. Spectrele din figura reprezintă rezultate normalizate și medii ale fiecărei clase. Axa verticală reprezintă absorbanța. Deoarece fibrele naturale pe bază de celuloză au spectre foarte asemănătoare, este prezentat doar bumbacul. Spectrele altor fibre naturale, cum ar fi inul, iuta și sisalul, sunt prezentate în fișierul suplimentar 1

în Fig. 1, se poate observa că spectrele modului de reflectanță par să conțină mai multe maxime de absorbție în comparație cu modul ATR. În special, în regiunea de 3000-4000 cm−1 benzile de absorbție sunt mult mai largi și mai intense. În această regiune a numărului de undă, se găsesc benzile de întindere O–H și N–H. Deoarece în modul de reflexie gradul de penetrare a luminii în eșantion este mai mic, s−a emis ipoteza că aceste vârfuri mai largi și mai intense se datorează umidității pe suprafața textilă (apa absoarbe puternic în regiunea de 3000-4000 cm-1). Cu toate acestea, acest lucru nu a fost confirmat, deoarece experimentele de uscare (piesa textilă a fost uscată timp de 2 ore la 70 XC) nu au arătat variații semnificative între spectrele de probe textile uscate și neuscate. Cel mai probabil, aceste vibrații în regiunea de 3000-4000 cm−1 sunt caracteristice modului de reflexie. În modul de reflectanță, benzile sunt în multe cazuri deplasate spre numere de undă mai mari, comparativ cu modul ATR. De exemplu, pentru fibra de viscoză pe bază de celuloză, o-h banda de întindere maximă în modul ATR este la 3344 cm–1, dar în modul de reflexie o bandă largă cu vârf mai îngust poate fi văzută la 3500 cm−1. Banda caracteristică de întindere C – O care este vizibilă în mod vizibil în modul ATR (aproape 1022 cm−1) a fuzionat într−o zonă largă de absorbanțe (1400-1100 cm−1) în modul de reflectanță, cu benzi la 1173 și 1134 cm-1.

un avantaj neașteptat al modului de reflexie a fost evidențiat în distincția dintre fibrele pe bază de poliamidă: mătase, lână și poliamidă sintetică. În modul ATR, spectrele ATR-FT-IR ale acestor trei materiale arată foarte asemănătoare. Maximele de absorbție sunt doar ușor deplasate, iar diferența principală este lățimea benzilor de absorbție N–H/O−H (~ 3500-3000 cm−1), amide c=o întindere (~ 1630 cm–1) și C–N−H îndoire (~ 1520 cm-1). Aceste diferențe sunt de obicei suficiente pentru identificarea fibrelor monocomponente care sunt în stare bună de ATR-FT-IR, dar nu pentru probele din viața reală parțial degradate și/sau contaminate, din cauza posibilelor modificări ale formelor de bandă și apariția de noi benzi. În modul de reflexie, spectrele acestor trei tipuri de fibre sunt considerabil mai diferite. De exemplu, toate cele cinci probe standard de mătase diferite investigate în această lucrare, obținute din diferite surse, au avut o absorbție intensă și ascuțită maximă de aproape 1710 cm−1, Care este absentă în spectrele de lână și poliamidă.

interesant, spectrul de poliester A avut mai multe benzi de absorbanță suplimentare în spectrul de reflectanță în comparație cu spectrul ATR-FT-IR. Intensitatea relativă pentru întinderea C-H în modul de reflexie (la 2972 și 2908 cm−1) a fost considerabil mai mare comparativ cu spectrul modului ATR, unde benzile corespunzătoare (la 2973 și 2910 cm−1) au fost aproape neobservate din cauza intensității scăzute. Aria conotațiilor/combinațiilor aromatice între 2500 și 1800 cm−1, care în cazul celorlalte fibre studiate conține doar benzi minore, a fost surprinzător de bogată în cazul poliesterului. Aceste benzi sunt caracteristice fibrelor de poliester, deoarece toate probele analizate au dat rezultate similare.

pentru polipropilenă s-au observat diferențe semnificative între spectrele de reflexie ale diferitelor probe (Vezi Fig. 2), atât între probe, cât și în cadrul unui eșantion. În Fig. 2 patru spectre de reflexie cele mai diferite din două probe diferite sunt prezentate pentru a ilustra diferențele. Zona de întindere C-H are mai multe benzi de absorbție la aceleași numere de undă (~ 2970, ~ 2930, ~ 2840 cm−1), dar forma benzilor și intensitățile relative sunt diferite. De exemplu, eșantionul PP4 conține toate aceleași absorbanțe, dar acestea sunt îmbinate într−o bandă largă, în timp ce în spectrul PP3 banda la 2969 cm−1 este în mod clar mai intensă decât 2930 cm−1 și 2844 cm-1. Aceeași situație se aplică benzilor de îndoire C-H în jur de 1460 și 1380 cm−1—aceleași benzi, forme diferite. Cea mai proeminentă diferență pare să fie în gama de valuri de 800-600 cm−1. După cum se poate vedea în Fig. 2, spectrul PP1 conține bandă intensivă cu maxime de absorbție la 713 cm−1, spectrul PP2 are bandă foarte mică în această zonă, dar în schimb are benzi largi și intensive la 660 cm-1. Celelalte două spectre PP3 și PP4 nu conțin nimic sau benzi cu intensitate foarte scăzută în această zonă. Motivele acestor diferențe în spectrele de reflexie sunt cel mai probabil cantități mici de co-monomeri sau aditivi care sunt adesea utilizați în fabricarea articolelor din polipropilenă din viața reală . Deoarece nu s-au putut obține standarde analitice de fibre, nu s-au lăsat spectre de reflectanță în afara analizei datelor.

exemplu individual de spectre ale probelor de polipropilenă (PP) înregistrate în modul R-FT-IR. Axa verticală reprezintă absorbanța. Primele două spectre (PP1 și PP2) provin din același eșantion—prezentând diferențe în cadrul unui eșantion. Spectrele PP3 și PP4 provin dintr-un eșantion diferit

elastanul este utilizat mai ales în textile, ca aditiv pentru a face materialele mai elastice. În timp ce elastanul pur ca material textil este destul de rar, firul de elastan a fost folosit ca standard. Obținerea spectrului de elastan r-FT-IR de bună calitate a fost problematică. Spectrele de reflexie ale firului de elastan utilizat și ale altor piese foarte subțiri (a se vedea secțiunea „diferite probe textile și aspecte practice”) au fost distorsionate și diferă puternic de spectrele mATR-FT-IR. Benzile de absorbție erau largi, iar vârfurile benzilor păreau tăiate în regiunea de 1750-1100 cm−1 (Vezi Fig. 3). Banda de întindere C–O este cea mai intensă în modul ATR (1105 cm−1) și este încă bine văzută în spectrul modului de reflexie la 1138 cm−1.

spectrele r-FT-IR (de mai sus) și mATR-FT-IR (de mai jos) ale eșantionului de elastan. Axa verticală reprezintă absorbanța. Spectrele din figura reprezintă rezultate normalizate și medii ale tuturor spectrelor înregistrate

spectrele caracteristice ATR-FT-IR ale Tencel (conținând fibre lyocell) înregistrate cu spectrometrul ATR-FT-IR , au prezentat benzi de absorbție aparținând fibrelor pe bază de celuloză, dar și grupărilor amidice. Analiza cu MICROSPECTROMETRU FT-IR atât în modul de reflexie, cât și în modul ATR a arătat că cele două eșantioane Tencel de la clasa a VIII-a utilizate în această lucrare au fost de fapt amestecuri de cel puțin două fibre (Vezi Fig. 4). Doar câteva dintre spectrele înregistrate (cum ar fi Tencel 1 în Fig. 4) au fost similare cu fibre pe bază de celuloză pură ca lyocell ar trebui să fie . Majoritatea spectrelor conținute în plus față de benzile lyocell (~3500, ~ 3460, ~ 1130 cm−1), de asemenea, absorbanțe de întindere N–H (~3330 cm−1) și benzi de întindere amidă C=O la ~ 1660 cm−1, mai bine văzute în Fig. 4 Spectre Tencel 3 și Tencel 4. Deoarece Tencel nu este întotdeauna 100% lyocell pur, identificarea poate fi adesea dificilă. Din cauza acestor dificultăți, Tencel a fost eliminat din setul de formare de clasificare.

exemplu individual de spectre ale eșantioanelor Tencel în modul R-FT-IR. Axa verticală reprezintă absorbanța. Spectrele au fost înregistrate din diferite părți ale a două probe și datorită compoziției complexe a materialului Tencel, se pot observa diferite absorbanțe

Clasificarea fibrelor monocomponente

două abordări distincte au fost utilizate pentru clasificare: analiza principală a componentelor (PCA) bazată pe analiza discriminantă (DA) și algoritmul aleatoriu de învățare automată bazat pe pădure. Clasificarea cu DA arată că, în mod similar cu lucrarea noastră anterioară, unde clasificarea a fost efectuată folosind spectrele IR înregistrate cu spectrometrul ATR-FT-IR , fibrele pot fi ușor distinse pe baza spectrelor lor înregistrate în modul de reflectanță. Graficul PCA pentru fibrele textile analizate (vezi Fig. 5), folosind primele trei componente principale, este prezentat pentru a ajuta la vizualizarea cât de mult diferă de fapt clasele de fibre unele de altele. Scorurile pentru fiecare PC în modul de reflectanță sunt: PC1 = 69,7%, PC2 = 12,1%, PC3 = 6,2% descriind toate împreună 88,0% din varianță. Scorurile pentru mATR-FT-IR sunt: PC1 = 57,1%, PCA2 = 21,3%, PC3 = 9,4% descriind împreună 87,8% din varianță. Performanța Clasificatorului forestier aleatoriu a fost evaluată pe baza scorurilor de precizie a clasificării și a setului de teste. Pentru r-FT-IR, scorurile de precizie ale clasificării setului de testare și antrenament au fost ambele 0,99 (1,0 este maximul). Pentru mATR-FT-IR, scorurile de precizie a clasificării setului de testare și antrenament au fost de 0,96 și, respectiv, 1,0.

grafic PCA pentru spectrele r-FT-IR ale diferitelor fibre textile folosind corecția SNV

după cum au arătat cercetările anterioare, pe bază de celuloză fibrele (bumbac, in, iută, sisal, viscoză), care sunt foarte asemănătoare prin compoziția lor chimică, sunt dificil de diferențiat între ele prin metode bazate pe IR . Diferențele dintre spectrele IR ale mai multor fibre pe bază de celuloză au fost găsite de Garside și Wyeth , dar în munca noastră, am constatat că spectrele de reflexie ale fibrelor de bumbac și in au fost prea similare pentru identificarea fără ambiguitate. Astfel, trebuie utilizate metode suplimentare, cum ar fi microscopia, pentru analiza încrezătoare. Viscoza este grupată destul de strâns cu fibrele naturale pe bază de celuloză, dar formele benzilor sunt ușor diferite, făcând posibilă identificarea și clasificarea corectă a viscozei. În afară de fibrele pe bază de celuloză care sunt grupate împreună, analiza discriminantă bazată pe PCA permite clasificarea cu succes a textilelor analizate în această lucrare.

diferite probe textile și aspecte practice

Tabelul 1 prezintă o comparație a tehnicilor de eșantionare prin spectroscopie FT-IR utilizate în identificarea diferitelor tipuri de fibre textile.

atunci când se utilizează microspectrometrul FT-IR în modul de reflexie, factorul cheie este selectarea zonei adecvate a eșantionului (diafragma) și o bună focalizare a radiației pe suprafața eșantionului, care este adesea o provocare. Unele probe pot fi foarte groase, mărunțite, fragile sau conțin aditivi. În această lucrare au fost analizate mai multe piese Vechi, parțial deteriorate, groase sau subțiri, mici și îmbrăcăminte întreagă cu suprafață neuniformă pentru a testa acuratețea identificării în ciuda stării eșantionului.

r-FT-IR are avantajul puternic de a fi o abordare fără contact, în special în cazul probelor fragile și / sau valoroase. Dezavantajele metodei r-FT-IR sunt problemele întâmpinate cu suprafețe inegale și materiale străine (aditivi sau impurități) pe suprafața eșantionului. Cu suprafață neuniformă, mai puțină radiație este reflectată în detector și astfel calitatea spectrului este scăzută. Pentru a compensa acest lucru, se recomandă utilizarea unui număr mai mare de scanări, o suprafață de măsurare mai mare (diafragmă) și cel mai bun detector posibil, cum ar fi MCT răcit cu azot. În cazul materialelor străine de pe suprafață, scanarea suprafeței pentru pete mai curate este singura opțiune pentru a atenua riscurile de identificare greșită. Piesele de filet foarte mici, cu lățimea mai mică de 10 fibre individuale, au fost dificil de identificat cu r-FT-IR. În funcție de tipul de fibră, spectrele au fost uneori distorsionate și necaracteristice, de exemplu în cazul elastanului subțire (discutat mai sus) și a firului de mătase (discutat mai jos). În acest caz, trebuie utilizată abordarea ATR.