雙組分纖維織物光譜圖數(shù)據(jù)庫的建立及其優(yōu)化

李 澤，劉雅玲,2

(1.河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,河北 石家莊 050018； 2.河北省紡織服裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050018)

我國FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗方法》中有8種纖維檢測方法：燃燒法、顯微鏡法、溶解法、含氯含氮呈色反應(yīng)法、熔點法、密度梯度法、紅外光譜法、雙折射率法。通常燃燒法、顯微鏡法、熔點法用于纖維的定性測試，紅外光譜法、溶解法用于纖維的定量測試，定量測試方法以溶解法為主。溶解法耗時較多，無法應(yīng)對逐年上升的纖維含量送檢需求。光譜檢測法具有快速、環(huán)保、無損試樣等優(yōu)點，純纖維織物紅外光譜檢測法已經(jīng)在實際中應(yīng)用，我國已有相關(guān)標準FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗方法 第8 部分：紅外光譜法》。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者研究，雙組分纖維織物的定性和定量判別技術(shù)和方法已經(jīng)可以實現(xiàn)。本文旨在根據(jù)雙組分纖維含量混紡比例范圍以及GB/T 29862—2013《紡織品 纖維含量的標識》允差，剔除非常規(guī)纖維混紡比例范圍，優(yōu)化光譜圖數(shù)據(jù)庫，減少建立光譜圖數(shù)據(jù)庫的工作量，使光譜檢測法更加普及，為纖維含量檢測提供技術(shù)支持。

1 拉曼光譜法

1.1 拉曼光譜原理

拉曼散射是光子和物質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，光子與物質(zhì)分子間產(chǎn)生能量交換，光子不但發(fā)生了方向上的改變且能量會減少或增加。同一種物質(zhì)分子，當(dāng)入射光頻率發(fā)生改變時，雖然拉曼線的頻率會隨之改變，但拉曼位移卻始終保持不變，因此拉曼位移與入射光頻率無關(guān)，它只與物質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。不同的物質(zhì)分子有不同的振動和轉(zhuǎn)動能級，導(dǎo)致它們的拉曼位移也不相同，因此拉曼光譜可以通過分子識別對物質(zhì)進行定性判斷[1]。

1.2 在紡織纖維檢測方面的應(yīng)用

含水以及吸濕性強的纖維適宜用拉曼光譜法進行檢驗，因為水的拉曼效應(yīng)較弱，對光譜的影響較小。紅外光譜反應(yīng)的原理主要是檢測含H基團分子的振動，如C—H、O—H、S—H、N—H等，由于H基團分子容易受空氣中水的影響，所以對檢測環(huán)境的濕度具有嚴格要求[2]。拉曼光譜在糧食污染、添加劑檢測方面已成功試用，且向小型化、便攜式方向發(fā)展[3-4]，采用表面增強技術(shù)可獲取更好的光譜圖[5]。

2 紅外光譜法

2.1 紅外光譜法測試原理

根據(jù)光的波長不同，可以將紅外光劃分為近紅外、中紅外和遠紅外3個波段，近紅外的波長范圍是780～2 526 nm，以紅外光源照射纖維，引起纖維中化合物分子震動或者轉(zhuǎn)動能級的躍遷，分子可以吸收與其內(nèi)部的化學(xué)鍵振動頻率一致的紅外光能量，由基態(tài)躍遷至高能級，在此過程中化合物吸收紅外光產(chǎn)生紅外光譜，由于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的光譜也不同，所以可以根據(jù)特征峰的數(shù)量、位置、強度等信息得到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，對不同物質(zhì)進行判斷[1]。

2.2 在紡織品纖維檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

對于單組分纖維的定性判斷，依靠不同纖維具有不同的光譜峰值可以將不同的纖維區(qū)分開，如牦牛毛在1 040.9 cm-1有特征峰，但羊毛在此處沒有特征峰，可依據(jù)1 040.9 cm-1處的特征峰區(qū)分羊毛與牦牛毛[6]。

紅外光譜儀采用漫反射檢測方式和透反射檢測方式，透反射檢測方式比漫反射檢測方式的吸光度要高，所以透反射檢測方式更適合于紡織品纖維含量的檢測。根據(jù)朗勃比爾定律有以下公式。

A(v)=a(v)bc

式中：A(v)為吸光度,(mol·cm)/L；a(v)為織物樣品近紅外光吸收系數(shù)；b為織物樣品化學(xué)組分濃度,mol/L；c為光程,cm。測試樣品的吸光度與其濃度成正比，此式成立的前提是被檢測樣品具有獨立的吸收峰，不適用于譜峰重疊的情況，設(shè)計全反射擋板使光源2次穿過樣品以增大光程，進而增大吸光度，這樣可以有效地解決紅外光譜信號弱的問題[7]。

3 光譜數(shù)據(jù)庫的建立

有些服裝面料由多種纖維組成，主要是面料織造過程中使用了混紡紗，混紡紗是由2種及以上不同纖維混合紡織而成，混紡的目的是為了提高紗線的性能，達到取長補短、降低成本、增加品種、獲得特殊風(fēng)格的效果[8]。如將羅布麻纖維與棉、德絨細特腈綸纖維混紡可以提高羅布麻混紡織物的保暖性能[9]。

光譜技術(shù)是一種間接檢測技術(shù)，紅外光譜以及拉曼光譜技術(shù)都需要建立好標準樣品的光譜數(shù)據(jù)庫，以此作為未知檢測樣品的特征匹配光譜，因此標準樣品的制備和選擇需要結(jié)合化學(xué)計量確定標準樣品纖維的準確成分以及含量[10]。

紡織品光譜數(shù)據(jù)庫的建立是一項非常龐大的工作，需要測量各種纖維及不同纖維比例的光譜圖，比如棉和氨綸的混紡織物，棉纖維含量從90%到10%，相對的氨綸從10%到90%，纖維含量不同其光譜圖也不相同，因此棉/氨綸混紡織物理論光譜圖數(shù)量應(yīng)為98張(除去100%棉和100%氨綸)。但是事實上一件衣服的成分不會是100%氨綸、氨綸含量極少或含量超過50%，因此排除不可能出現(xiàn)的織物混紡比例，可以減少光譜圖的測量數(shù)量。

3.1 根據(jù)國標中纖維含量允差優(yōu)化數(shù)據(jù)庫

依據(jù)GB/T 29862—2013中的要求，產(chǎn)品或產(chǎn)品的某一部分完全由1種纖維組成時，用“100%”“全”或“純”表示纖維含量，允差為0。產(chǎn)品或產(chǎn)品的某部分含有2種及以上的纖維時，除特定情況，標簽上表明的每種纖維含量允差為5%，填充物的纖維含量允差為10%。當(dāng)標簽上的某種纖維含量≤10%時，纖維含量允差為3%，當(dāng)某種纖維含量≤3%時，實際含量不得為0。

使用近紅外光譜儀對樣品的纖維含量進行定量檢測，紅外光譜測量結(jié)果對比手工分解法的測量結(jié)果，誤差控制在2%以內(nèi)，絕大多數(shù)控制在1%以下，滿足GB/T 29862—2013當(dāng)某種纖維含量小于10%時，纖維含量允許誤差為3%的要求[11]。

3.2 光譜數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化

3.2.1 國家標準允差法

因為GB/T 29862—2013對纖維含量允許有一定范圍的誤差，所以混紡織物定量分析的標準光譜數(shù)據(jù)庫的建立可以按照允差范圍分段，減小建立光譜數(shù)據(jù)庫的工作量，以棉/滌混紡織物為例，棉的含量從10%～90%對應(yīng)滌綸含量從90%～10%的數(shù)據(jù)庫建立，若不分段，數(shù)據(jù)庫的建立需要測量近90張光譜圖，而且對測試樣的精度要求高，因此工作量和資源的需求量大；按照5%的允差范圍(10%～15%、15%～20%、20%～25%，…)只需要測量18張標準式樣的光譜圖，減小了工作量，且滿足GB/T 29862—2013的要求。棉從0～10%對應(yīng)滌綸含量100%～90%或者滌綸0～10%對應(yīng)棉的含量100%～90%時，允差為3%(1%～3%、3%～6%、6%～9%、9%～10%)，需要測量4張標準樣品光譜圖添加至數(shù)據(jù)庫。依據(jù)GB/T 29862—2013的允差范圍，按照分段的方法，建立光譜圖數(shù)據(jù)庫的工作量將大大減少，為光譜檢測方法定量檢測纖維含量的推廣起到積極作用。

3.2.2 纖維混紡比例范圍法

為減少建立光譜圖數(shù)據(jù)庫的工作量，一方面可以根據(jù)GB/T 29862—2013允差分段測試標準樣品的光譜圖，另一方面還可以依據(jù)纖維的性能限定織物混紡比例范圍。某些類型的纖維在混紡過程中含量分布不會是從0～100%，而是控制在一定范圍內(nèi)，例如棉/氨綸混紡織物中氨綸的含量通常為10%左右，氨綸含量在20%時已經(jīng)可以滿足日常穿著要求，某些對于彈性要求較高的織物(文胸、健身彈力短褲等)氨綸含量可能達到40%，因此在建立氨綸混紡織物的光譜圖數(shù)據(jù)庫時根據(jù)GB/T 29862—2013中的要求，只需要測量氨綸含量在1%～3%、3%～6%、6%～9%、9%～10%、10%～15%，…，35%～40%范圍中的標準樣品光譜圖，纖維含量大于10%時GB/T 29862—2013允差分段法可以將測量工作減少為分段前的1/5，纖維含量小于10%時GB/T 29862—2013允差分段法可以將測量工作減少為分段前的1/3，依據(jù)纖維性能劃分多組分纖維織物的混紡比例范圍能減少測量工作。以氨綸混紡織物為例，日常穿著服裝中氨綸含量在15%左右能達到服裝想要的彈性，某些高彈性的功能性服裝如泳衣、瑜伽服、緊身衣等的氨綸含量多在40%左右。建立氨綸織物光譜圖數(shù)據(jù)庫時，只需要測量氨綸含量在40%以內(nèi)的織物就能滿足檢測要求，氨綸含量大于40%的部分無需測量。

3.3 混紡織物混紡比例范圍

以下統(tǒng)計了上海S公司的某子品牌2019年夏、秋、冬3個季度126款產(chǎn)品，包括服裝90款(上裝59款、下裝22款、連身裝9款)、書包11款、帽子15款、手套5款、圍巾5款等。其中服裝每款的生產(chǎn)數(shù)量約為1 200件，126款服裝的生產(chǎn)總數(shù)為51 200件，研究的樣本數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)模，且有一定的代表性。統(tǒng)計此126款產(chǎn)品的面料成分、混紡數(shù)量、混紡纖維搭配類型、纖維含量的混紡比例范圍等數(shù)據(jù)，126款服裝中有16款產(chǎn)品有里料和拼接面料，總面料類別為142種。統(tǒng)計以上所需面料數(shù)據(jù)，為建立纖維定量分析光譜數(shù)據(jù)庫提供依據(jù)和素材。

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，織物纖維以單組分、雙組分、三組分和多組分混紡為主頻數(shù)，分別為46、53、35、8，在統(tǒng)計總數(shù)中占比分別為33%、38%、25%、6%。對于單組分纖維的定性鑒別，光譜圖數(shù)據(jù)庫的圖數(shù)等于纖維種類數(shù)量，數(shù)量越少，光譜圖數(shù)據(jù)庫的建立越簡單。對于纖維定性鑒別的研究較多，技術(shù)設(shè)備較成熟，目前可以實現(xiàn)利用物理檢測方法對纖維進行快速定性判斷。

以上S公司數(shù)據(jù)量較少，為使統(tǒng)計數(shù)據(jù)更具有代表性、涵蓋的范圍更廣，網(wǎng)上統(tǒng)計743款服裝的面料成分，搜尋數(shù)據(jù)之前先制定好尋找服裝面料的類型，按性別分為男裝和女裝，男裝340款、女裝375款；按年齡劃分為兒童服裝、少年服裝、中年服裝、老年服裝；按服裝大類分為上裝和下裝，上裝543款、下裝200款；按服裝詳細類型上裝分為：短袖T恤、長袖T恤、毛衣、衛(wèi)衣、襯衫、夾克、羽絨服、秋衣、保暖內(nèi)衣、西服、風(fēng)衣、文胸、連衣裙、睡衣；下裝分為：秋褲、內(nèi)褲、運動褲、短褲、短裙。743款服裝的面料纖維含量種類，單組分、雙組分、三組分混紡為主頻數(shù)分別為243、307、149，多組分混紡織物頻數(shù)為44。

在743款服裝中單組分纖維的種類和出現(xiàn)的頻數(shù)由高到低，棉 109、滌綸 66、錦綸 14、桑蠶絲 12、羊毛 11、粘膠纖維6、新型聚酯纖維 6、山羊絨 4、亞麻 4、萊賽爾纖維3、三醋酯纖維 3、莫代爾纖維2、聚氨酯PU 1、柞蠶絲 1、腈綸 1。

對于單組分纖維織物的定性分析，設(shè)置閾值，提取已知純纖維的特征峰，建立純纖維的光譜圖數(shù)據(jù)庫，提取待測樣品的特征峰，運用識別算法與數(shù)據(jù)庫中各纖維的特征峰進行匹配，進行待測纖維的定性判斷[12]。利用自適應(yīng)迭代重加權(quán)懲罰最小二乘算法以及小波變換法對拉曼光譜進行預(yù)處理，扣除光譜中的噪聲、各種干擾因素，如熒光背景、基線漂移、雜散光等，提高光譜信息的準確率，拉曼光譜結(jié)合合適的預(yù)處理方法可以有效地對不同纖維成分的紡織品進行分類鑒別[13]。

743款服裝中細分棉/滌織物的混紡比例以及各分段頻數(shù)的棉/滌混紡比例及頻數(shù)。棉/滌混紡比例及頻數(shù)如表1所示。

表1 棉/滌混紡比例及頻數(shù)表

結(jié)合GB/T 29862—2013允差范圍，當(dāng)纖維含量小于10%時，誤差不超過3%；當(dāng)纖維含量大于10%時，誤差不超過5%。統(tǒng)計棉/滌混紡比例范圍為：棉5%～95%，滌綸95%～5%；棉/滌混紡織物需要測量的光譜圖數(shù)量為：5%～8%、8%～10%、10%～15%、15%～20%，…，85%～90%、90%～93%、93%～95%共需要測量20張光譜圖，如果不按國家標準的允差范圍和統(tǒng)計纖維混紡比例范圍，需要測量光譜圖90張，因此本文實驗可減少70張工作量。

細分棉/氨綸混紡織物的混紡比例，因為氨綸的混紡比例范圍比較集中，可以直接統(tǒng)計出詳細的百分比，棉/氨綸混紡比例及頻數(shù)表如表2所示。

表2 棉/氨綸混紡比例及頻數(shù)表

結(jié)合GB/T 29862—2013允差范圍和以上表格對棉/氨綸混紡織物的纖維含量統(tǒng)計棉/氨綸混紡比例范圍為：棉65%～99%，氨綸35%～1%；棉/氨綸混紡織物需要測量的光譜圖數(shù)量為：65%～70%、70%～75%、75%～80%、80%～85%、85%～90%、90%～93%、93%～96%、96%～99%共8張光譜圖，如果不按GB/T 29862—2013的允差范圍和纖維混紡比例范圍統(tǒng)計，需要測量光譜圖34張，因此本文實驗可減少26張工作量。

根據(jù)以上原理，網(wǎng)上調(diào)查的743件混紡織物光譜圖優(yōu)化數(shù)量表如表3所示。

表3 網(wǎng)上調(diào)查的743件混紡織物光譜圖優(yōu)化數(shù)量表

4 結(jié)束語

通過對光譜檢測法的基本原理和技術(shù)在紡織領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，得出建立光譜圖數(shù)據(jù)庫是光譜檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用的前提。針對上海S公司2019年秋冬季度服裝統(tǒng)計，同時對淘寶網(wǎng)上收集的743款服裝的面料成分組成進行統(tǒng)計，歸納出頻數(shù)最高的雙組分織物為棉/滌綸、棉/氨綸、滌綸/氨綸混紡織物。棉/滌綸混紡比例范圍為：棉5%～95%，滌綸95%～5%；棉/氨綸混紡比例范圍為：棉65%～99%，氨綸35%～1%；滌綸/氨綸混紡比例范圍為：滌綸78%～98%，氨綸22%～2%等。依據(jù)GB/T 29862—2013中纖維含量的允許誤差范圍，提出了先統(tǒng)計織物混紡比例范圍，再分段測量光譜圖，建立光譜圖數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化方法，將光譜圖的測量數(shù)量減少為優(yōu)化前的1/5甚至1/10，減少了建立光譜數(shù)據(jù)庫的工作量，體現(xiàn)了先統(tǒng)計織物混紡比例范圍再分段測量方法的優(yōu)勢。