双组分纤维织物光谱图数据库的建立及其优化

李 泽，刘雅玲,2

(1.河北科技大学 纺织服装学院,河北 石家庄 050018； 2.河北省纺织服装技术创新中心，河北 石家庄 050018)

我国FZ/T 01057—2007《纺织纤维鉴别试验方法》中有8种纤维检测方法：燃烧法、显微镜法、溶解法、含氯含氮呈色反应法、熔点法、密度梯度法、红外光谱法、双折射率法。通常燃烧法、显微镜法、熔点法用于纤维的定性测试，红外光谱法、溶解法用于纤维的定量测试，定量测试方法以溶解法为主。溶解法耗时较多，无法应对逐年上升的纤维含量送检需求。光谱检测法具有快速、环保、无损试样等优点，纯纤维织物红外光谱检测法已经在实际中应用，我国已有相关标准FZ/T 01057.8—2012《纺织纤维鉴别试验方法 第8 部分：红外光谱法》。经过国内外学者研究，双组分纤维织物的定性和定量判别技术和方法已经可以实现。本文旨在根据双组分纤维含量混纺比例范围以及GB/T 29862—2013《纺织品 纤维含量的标识》允差，剔除非常规纤维混纺比例范围，优化光谱图数据库，减少建立光谱图数据库的工作量，使光谱检测法更加普及，为纤维含量检测提供技术支持。

1 拉曼光谱法

1.1 拉曼光谱原理

拉曼散射是光子和物质分子发生非弹性碰撞的结果，光子与物质分子间产生能量交换，光子不但发生了方向上的改变且能量会减少或增加。同一种物质分子，当入射光频率发生改变时，虽然拉曼线的频率会随之改变，但拉曼位移却始终保持不变，因此拉曼位移与入射光频率无关，它只与物质分子的振动和转动能级有关。不同的物质分子有不同的振动和转动能级，导致它们的拉曼位移也不相同，因此拉曼光谱可以通过分子识别对物质进行定性判断[1]。

1.2 在纺织纤维检测方面的应用

含水以及吸湿性强的纤维适宜用拉曼光谱法进行检验，因为水的拉曼效应较弱，对光谱的影响较小。红外光谱反应的原理主要是检测含H基团分子的振动，如C—H、O—H、S—H、N—H等，由于H基团分子容易受空气中水的影响，所以对检测环境的湿度具有严格要求[2]。拉曼光谱在粮食污染、添加剂检测方面已成功试用，且向小型化、便携式方向发展[3-4]，采用表面增强技术可获取更好的光谱图[5]。

2 红外光谱法

2.1 红外光谱法测试原理

根据光的波长不同，可以将红外光划分为近红外、中红外和远红外3个波段，近红外的波长范围是780～2 526 nm，以红外光源照射纤维，引起纤维中化合物分子震动或者转动能级的跃迁，分子可以吸收与其内部的化学键振动频率一致的红外光能量，由基态跃迁至高能级，在此过程中化合物吸收红外光产生红外光谱，由于物质内部结构的不同产生的光谱也不同，所以可以根据特征峰的数量、位置、强度等信息得到物质内部结构的信息，对不同物质进行判断[1]。

2.2 在纺织品纤维检测领域的应用

对于单组分纤维的定性判断，依靠不同纤维具有不同的光谱峰值可以将不同的纤维区分开，如牦牛毛在1 040.9 cm-1有特征峰，但羊毛在此处没有特征峰，可依据1 040.9 cm-1处的特征峰区分羊毛与牦牛毛[6]。

红外光谱仪采用漫反射检测方式和透反射检测方式，透反射检测方式比漫反射检测方式的吸光度要高，所以透反射检测方式更适合于纺织品纤维含量的检测。根据朗勃比尔定律有以下公式。

A(v)=a(v)bc

式中：A(v)为吸光度,(mol·cm)/L；a(v)为织物样品近红外光吸收系数；b为织物样品化学组分浓度,mol/L；c为光程,cm。测试样品的吸光度与其浓度成正比，此式成立的前提是被检测样品具有独立的吸收峰，不适用于谱峰重叠的情况，设计全反射挡板使光源2次穿过样品以增大光程，进而增大吸光度，这样可以有效地解决红外光谱信号弱的问题[7]。

3 光谱数据库的建立

有些服装面料由多种纤维组成，主要是面料织造过程中使用了混纺纱，混纺纱是由2种及以上不同纤维混合纺织而成，混纺的目的是为了提高纱线的性能，达到取长补短、降低成本、增加品种、获得特殊风格的效果[8]。如将罗布麻纤维与棉、德绒细特腈纶纤维混纺可以提高罗布麻混纺织物的保暖性能[9]。

光谱技术是一种间接检测技术，红外光谱以及拉曼光谱技术都需要建立好标准样品的光谱数据库，以此作为未知检测样品的特征匹配光谱，因此标准样品的制备和选择需要结合化学计量确定标准样品纤维的准确成分以及含量[10]。

纺织品光谱数据库的建立是一项非常庞大的工作，需要测量各种纤维及不同纤维比例的光谱图，比如棉和氨纶的混纺织物，棉纤维含量从90%到10%，相对的氨纶从10%到90%，纤维含量不同其光谱图也不相同，因此棉/氨纶混纺织物理论光谱图数量应为98张(除去100%棉和100%氨纶)。但是事实上一件衣服的成分不会是100%氨纶、氨纶含量极少或含量超过50%，因此排除不可能出现的织物混纺比例，可以减少光谱图的测量数量。

3.1 根据国标中纤维含量允差优化数据库

依据GB/T 29862—2013中的要求，产品或产品的某一部分完全由1种纤维组成时，用“100%”“全”或“纯”表示纤维含量，允差为0。产品或产品的某部分含有2种及以上的纤维时，除特定情况，标签上表明的每种纤维含量允差为5%，填充物的纤维含量允差为10%。当标签上的某种纤维含量≤10%时，纤维含量允差为3%，当某种纤维含量≤3%时，实际含量不得为0。

使用近红外光谱仪对样品的纤维含量进行定量检测，红外光谱测量结果对比手工分解法的测量结果，误差控制在2%以内，绝大多数控制在1%以下，满足GB/T 29862—2013当某种纤维含量小于10%时，纤维含量允许误差为3%的要求[11]。

3.2 光谱数据库的优化

3.2.1 国家标准允差法

因为GB/T 29862—2013对纤维含量允许有一定范围的误差，所以混纺织物定量分析的标准光谱数据库的建立可以按照允差范围分段，减小建立光谱数据库的工作量，以棉/涤混纺织物为例，棉的含量从10%～90%对应涤纶含量从90%～10%的数据库建立，若不分段，数据库的建立需要测量近90张光谱图，而且对测试样的精度要求高，因此工作量和资源的需求量大；按照5%的允差范围(10%～15%、15%～20%、20%～25%，…)只需要测量18张标准式样的光谱图，减小了工作量，且满足GB/T 29862—2013的要求。棉从0～10%对应涤纶含量100%～90%或者涤纶0～10%对应棉的含量100%～90%时，允差为3%(1%～3%、3%～6%、6%～9%、9%～10%)，需要测量4张标准样品光谱图添加至数据库。依据GB/T 29862—2013的允差范围，按照分段的方法，建立光谱图数据库的工作量将大大减少，为光谱检测方法定量检测纤维含量的推广起到积极作用。

3.2.2 纤维混纺比例范围法

为减少建立光谱图数据库的工作量，一方面可以根据GB/T 29862—2013允差分段测试标准样品的光谱图，另一方面还可以依据纤维的性能限定织物混纺比例范围。某些类型的纤维在混纺过程中含量分布不会是从0～100%，而是控制在一定范围内，例如棉/氨纶混纺织物中氨纶的含量通常为10%左右，氨纶含量在20%时已经可以满足日常穿着要求，某些对于弹性要求较高的织物(文胸、健身弹力短裤等)氨纶含量可能达到40%，因此在建立氨纶混纺织物的光谱图数据库时根据GB/T 29862—2013中的要求，只需要测量氨纶含量在1%～3%、3%～6%、6%～9%、9%～10%、10%～15%，…，35%～40%范围中的标准样品光谱图，纤维含量大于10%时GB/T 29862—2013允差分段法可以将测量工作减少为分段前的1/5，纤维含量小于10%时GB/T 29862—2013允差分段法可以将测量工作减少为分段前的1/3，依据纤维性能划分多组分纤维织物的混纺比例范围能减少测量工作。以氨纶混纺织物为例，日常穿着服装中氨纶含量在15%左右能达到服装想要的弹性，某些高弹性的功能性服装如泳衣、瑜伽服、紧身衣等的氨纶含量多在40%左右。建立氨纶织物光谱图数据库时，只需要测量氨纶含量在40%以内的织物就能满足检测要求，氨纶含量大于40%的部分无需测量。

3.3 混纺织物混纺比例范围

以下统计了上海S公司的某子品牌2019年夏、秋、冬3个季度126款产品，包括服装90款(上装59款、下装22款、连身装9款)、书包11款、帽子15款、手套5款、围巾5款等。其中服装每款的生产数量约为1 200件，126款服装的生产总数为51 200件，研究的样本数据具有一定的规模，且有一定的代表性。统计此126款产品的面料成分、混纺数量、混纺纤维搭配类型、纤维含量的混纺比例范围等数据，126款服装中有16款产品有里料和拼接面料，总面料类别为142种。统计以上所需面料数据，为建立纤维定量分析光谱数据库提供依据和素材。

由统计数据可知，织物纤维以单组分、双组分、三组分和多组分混纺为主频数，分别为46、53、35、8，在统计总数中占比分别为33%、38%、25%、6%。对于单组分纤维的定性鉴别，光谱图数据库的图数等于纤维种类数量，数量越少，光谱图数据库的建立越简单。对于纤维定性鉴别的研究较多，技术设备较成熟，目前可以实现利用物理检测方法对纤维进行快速定性判断。

以上S公司数据量较少，为使统计数据更具有代表性、涵盖的范围更广，网上统计743款服装的面料成分，搜寻数据之前先制定好寻找服装面料的类型，按性别分为男装和女装，男装340款、女装375款；按年龄划分为儿童服装、少年服装、中年服装、老年服装；按服装大类分为上装和下装，上装543款、下装200款；按服装详细类型上装分为：短袖T恤、长袖T恤、毛衣、卫衣、衬衫、夹克、羽绒服、秋衣、保暖内衣、西服、风衣、文胸、连衣裙、睡衣；下装分为：秋裤、内裤、运动裤、短裤、短裙。743款服装的面料纤维含量种类，单组分、双组分、三组分混纺为主频数分别为243、307、149，多组分混纺织物频数为44。

在743款服装中单组分纤维的种类和出现的频数由高到低，棉 109、涤纶 66、锦纶 14、桑蚕丝 12、羊毛 11、粘胶纤维6、新型聚酯纤维 6、山羊绒 4、亚麻 4、莱赛尔纤维3、三醋酯纤维 3、莫代尔纤维2、聚氨酯PU 1、柞蚕丝 1、腈纶 1。

对于单组分纤维织物的定性分析，设置阈值，提取已知纯纤维的特征峰，建立纯纤维的光谱图数据库，提取待测样品的特征峰，运用识别算法与数据库中各纤维的特征峰进行匹配，进行待测纤维的定性判断[12]。利用自适应迭代重加权惩罚最小二乘算法以及小波变换法对拉曼光谱进行预处理，扣除光谱中的噪声、各种干扰因素，如荧光背景、基线漂移、杂散光等，提高光谱信息的准确率，拉曼光谱结合合适的预处理方法可以有效地对不同纤维成分的纺织品进行分类鉴别[13]。

743款服装中细分棉/涤织物的混纺比例以及各分段频数的棉/涤混纺比例及频数。棉/涤混纺比例及频数如表1所示。

表1 棉/涤混纺比例及频数表

结合GB/T 29862—2013允差范围，当纤维含量小于10%时，误差不超过3%；当纤维含量大于10%时，误差不超过5%。统计棉/涤混纺比例范围为：棉5%～95%，涤纶95%～5%；棉/涤混纺织物需要测量的光谱图数量为：5%～8%、8%～10%、10%～15%、15%～20%，…，85%～90%、90%～93%、93%～95%共需要测量20张光谱图，如果不按国家标准的允差范围和统计纤维混纺比例范围，需要测量光谱图90张，因此本文实验可减少70张工作量。

细分棉/氨纶混纺织物的混纺比例，因为氨纶的混纺比例范围比较集中，可以直接统计出详细的百分比，棉/氨纶混纺比例及频数表如表2所示。

表2 棉/氨纶混纺比例及频数表

结合GB/T 29862—2013允差范围和以上表格对棉/氨纶混纺织物的纤维含量统计棉/氨纶混纺比例范围为：棉65%～99%，氨纶35%～1%；棉/氨纶混纺织物需要测量的光谱图数量为：65%～70%、70%～75%、75%～80%、80%～85%、85%～90%、90%～93%、93%～96%、96%～99%共8张光谱图，如果不按GB/T 29862—2013的允差范围和纤维混纺比例范围统计，需要测量光谱图34张，因此本文实验可减少26张工作量。

根据以上原理，网上调查的743件混纺织物光谱图优化数量表如表3所示。

表3 网上调查的743件混纺织物光谱图优化数量表

4 结束语

通过对光谱检测法的基本原理和技术在纺织领域应用现状的分析，得出建立光谱图数据库是光谱检测技术广泛应用的前提。针对上海S公司2019年秋冬季度服装统计，同时对淘宝网上收集的743款服装的面料成分组成进行统计，归纳出频数最高的双组分织物为棉/涤纶、棉/氨纶、涤纶/氨纶混纺织物。棉/涤纶混纺比例范围为：棉5%～95%，涤纶95%～5%；棉/氨纶混纺比例范围为：棉65%～99%，氨纶35%～1%；涤纶/氨纶混纺比例范围为：涤纶78%～98%，氨纶22%～2%等。依据GB/T 29862—2013中纤维含量的允许误差范围，提出了先统计织物混纺比例范围，再分段测量光谱图，建立光谱图数据库的优化方法，将光谱图的测量数量减少为优化前的1/5甚至1/10，减少了建立光谱数据库的工作量，体现了先统计织物混纺比例范围再分段测量方法的优势。