拉曼光谱在纺织纤维定性中的应用

摘 要：

本文简单介绍了拉曼光谱的原理、拉曼光谱分析技术在纺织纤维定性方面的应用现状,结合目前纤维定性鉴别的方法,提出了将拉曼光谱用于纺织纤维定性的可行性,突破了现有检测方法存在的局限.

关 键 词：拉曼光谱；定性；纺织纤维；应用

随着新技术的不断更新,新的化学纤维层出不穷,为了充分利用各种化学纤维的优良性能以满足各种用途的需要,多种化学纤维与天然纤维混纺或交织的产品愈来愈多,给纤维检验工作带来了很大困难,因此开发新型检测技术,提高纤维定性水平,简化检验程序尤为重要.本文简单介绍了一种新型的检测技术“拉曼光谱”的原理以及其在纺织纤维定性工作中的发展应用.

1纺织纤维定性检验方法现状

纺织纤维含量检测是纤检部门检测的重要项目之一.在纺织品纤维含量检测过程中,首先需要对纺织品中不同的纤维组分进行定性,来确定纺织品纤维组分.目前,纤检部门常用的鉴别方法包括显微镜观察法、燃烧法、化学溶解法、熔点试验法、红外光谱分析法等几种.最常用的是燃烧法、显微镜法和化学溶解法[1].

燃烧法和显微镜观察法以及化学试剂法在定性检测中都有一定的局限性,例如粘胶纤维、莫代尔、莱赛尔3种再生纤维素纤维,它们在显微镜下的形态以及燃烧现象很相似,难以很好地区分.有的检验需要采用化学溶解的方法,常用几种有毒的化学试剂[2]（如二甲酰胺、甲酸/氯化锌等）,不仅给检验人员身体健康带来危害,而且对大气造成污染.红外光谱定性分析方法虽然可以准确地鉴别纺织纤维,在纤维定性中得到了很多应用,但是它对测试环境温湿度要求较高、检测周期长,样品制作麻烦.

近来,环保、快速、准确的检验方法已成为纺织品检验人员的追求目标.拉曼光谱定性检测方法因具有需要样品量少、不需前处理、测试速度快、对样品无损害、测试结果准确、不产生污染物等诸多优点,可以有效地解决纺织行业现行方法存在的问题.

2拉曼光谱测量原理

2.1拉曼光谱原理

拉曼散射是光照射到物质上发生的非弹性散射所产生的.单色光束的入射光光子与分子相互作用时可发生弹性碰撞和非弹性碰撞,在弹性碰撞过程中,光子和分子间没有能量交换,光子只改变运动方向不改变频率,这种散射过程称为瑞利散射.而在非弹性碰撞过程中,光子与分子之间发生能量交换,光子不仅仅改变运动方向,同时光子的一部分能量传递给分子,或者分子的振动和转动能量传递给光子,从而改变了光子的频率,这种散射过程称为拉曼散射.拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射[3].

拉曼光谱具有以下特点：

（1）检测范围广,拉曼光谱可以检测所有的无机和有机化合物、高分子混合物.

（2）检测灵敏度非常高、速度快、无损、无污染.拉曼光谱方法是一种纯粹的化学检测方法,其检测过程不需制样、不损害样品、不产生污染物、分析周期短、重复性好.

（3）拉曼光谱检测所需试样不受水的影响,而且对样品的大小没有要求,可以检测微量样品.虽然近红外也可以适用于各种类型的试样,但实际操作仍然有许多困难.

2.2拉曼光谱仪的测量原理

拉曼光谱仪的测量原理如图1所示,将一块样品放在仪器上,用激光束照射,仪器会自动产生拉曼光谱图,样品的组成不同,所测得的谱图不同,根据谱图的特征来辨别样品的组成.

3拉曼光谱的发展和应用

拉曼光谱技术是定性分析的强有力的工具.拉曼光谱常包含有许多确定的能分辨的拉曼峰,所以,原则上应用拉曼光谱分析可以区分各种试样.不过,所有可能的纯净材料和它们的混合物的数量是无穷尽的,仅有少量的简单分子及其混合物的拉曼光谱,在与其他式样的光谱相比较时,能轻易地区别出来.所以,定性分析的一个必要工作是根据测得的拉曼光谱判定出可能的材料和混合物,限定这些可能物的数量.这一工作的完成需要应用试样的其他信息,例如试样的来源和经历,是否是混合物,它的物理性质和外貌以及其他技术得到的资料[4].

拉曼光谱之所以一开始就受到重视,是因为它与红外光谱有相同的波长范围,但操作比红外光谱简单.目前,拉曼光谱已广泛应用于考古、医学、石油化工、林业和法庭科学等诸多领域.随着激光技术的发展和检测装置的改进,拉曼光谱技术在当代工业生产和科学研究中必将得到越来越广泛的应用.王文科用激光拉曼光谱对乙醇、甲醇的混合物进行了研究,结果表明用工业酒精甚至甲醇勾兑的检测酒利用拉曼光谱法鉴别是可行的.

4拉曼光谱在纤维定性方面的应用情况

在拉曼光谱分析纺织纤维结构方面,近几年的研究主要集中于以下几个方面：复合材料的界面和机体结构的测定,再生蚕丝制备过程中,分子链规整度和取向度变化的测定；丝素经酶处理后,高分子结构的变化研究以及羊绒和羊毛分子结构研究,而在纤维成分分析方面有如下研究：鉴别天然绿色棉和染色棉；研究聚丙烯、羊毛、聚酯和一些天然纤维的鉴别方法；对染色纤维中染料的分析以及比较红外光谱与拉曼光谱对染色纤维区分的效果.吴俭俭等用拉曼标准谱图试验区分了聚酯纤维PET和PTT,并提出了利用单组分样品的标准化谱图建立特征表数据库的建议.拉曼光谱特别适合于鉴别化学结构相近的同类纤维,如莱赛尔、莫代尔、铜氨等再生纤维素纤维以及聚酯纤维（PET、PBT、PTT）.

拉曼光谱主要用在针对混纺织物的纤维定性鉴别中,由于每种纤维的分子组成不一样,得出的光谱图也各有特征.首先采取各种不同的纤维的单组分织物在拉曼光谱仪上测出光谱图,采用提取特征值、特征表的方法记录每种纤维的特征峰个数、特征峰的值以及对应的X轴上的值建立数据库,再将待测样品进行测量得出的谱图与数据库中的值进行对比,即可得出织物的纤维组分.该方法能满足纤维检测的要求,并以快速、无损、环保的优点弥补了传统方法的不足,具有很高的应用价值.

虽然纺织纤维的拉曼光谱检测方法具有方便、快速、环保、稳定等优点,但受限于其测量原理,拉曼光谱在纤维鉴别中也存在一些局限性,比如荧光物质、纤维熔点、黑色染料、纤维含量等因素的影响.与红外光谱分析法比较,对检测环境的温湿度无特别要求,样品无需特殊处理,特别适合检测含水的样品.

5结论

显微镜法、燃烧法、溶解法鉴别纺织纤维是目前定性行之有效的方法,但由于新的化学纤维不断出现,用以上方法就难以区分了.拉曼光谱技术是定性分析的强有力的工具,其快速、无损、环保的优点弥补了传统方法的不足,具有很高的应用价值,拉曼光谱技术现已广泛应用到了考古、医学、石油化工、林业和法庭科学等诸多领域.随着激光技术的发展和检测装置的改进,拉曼光谱技术在纺织纤维定性工作中必将得到越来越广泛的应用,当然,目前依然面临着一些急待解决的问题,如建立一个所有纤维拉曼光谱特征峰的数据库、检测装置的改进等,这些都是目前有待于开发的课题.