CN103308473A - 利用太赫兹时域光谱技术鉴别竹麻纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纺织材料领域，旨在提供一种利用太赫兹时域光谱技术鉴别竹麻纤维的方法。该方法包括：将作为标样的纤维制成粉末后，分别与聚乙烯粉末混合压模，制成圆盘薄片；利用透射式太赫兹时域光谱测试装置进行测试，分别获得透过各标样的太赫兹脉冲时域波形；计算各标样的吸收系数和折射率，以此分别绘制出纤维的吸收光谱和折射率谱；得到待鉴别纤维的吸收系数和折射率；并根据其与标样的吸收光谱和折射率谱之间的对应关系，确认待鉴别纤维的类别。本发明需要样品量少、制样简便、测试时间短，测试过程不产生化学污染物；对样品进行测试时，可同时获得样品在太赫兹波段的吸收光谱和折射率谱，增加了样品的特征信息，提高了测试结果的可信度。

Description

利用太赫兹时域光谱技术鉴别竹麻纤维的方法

技术领域

本发明属于纺织材料领域，尤其涉及一种利用太赫兹时域光谱技术对竹纤维和麻纤维进行鉴别的方法。

背景技术

竹纤维是直接从竹子中提取的天然、原生纤维素纤维，保持了原有的结构和理化性能。其制备工艺一般要经过整料、制竹片、浸泡、蒸煮、分丝、梳纤等，去除竹子中的木质素、糖分、竹粉、果胶等杂质。竹纤维是一种新型的纺织纤维原料，特殊的高度中空结构使竹纤维具有很强的透气性。同时，竹纤维还具有优良的着色性、回弹性和耐磨性，以及天然的抗菌、抑菌、防臭和抗紫外线等特性。这种纺织原料的应用不仅提高了产品的附加值，同时也丰富了功能性纺织品的种类。但是，由于竹纤维和麻纤维具有相似的外观和手感，因此有些生产厂家利用麻纤维冒充竹纤维，为了规范市场，需要一种准确的纤维鉴别方法。目前，鉴别纤维的方法通常包括物理鉴别方法和化学分析方法，主要有感官法、扫描电子显微镜法、燃烧法、热重法。但是竹纤维和麻纤维有着相似的表观结构和理化特性，采用上述方法对其进行鉴别时，往往存在过程繁琐、鉴别结果可靠性较差等缺点，因此有必要寻找一种简便、精准的分析方法对竹原纤维与麻纤维进行鉴别。

目前，各种光谱技术已经广泛的应用于物质分析，其谱图特征与物质结构存在着一一对应的关系，可作为物质的“指纹”结构用于身份鉴别。文献1（国际竹藤网络中心. 一种纺织用纤维的鉴别方法.中国专利CN101140223A）发明了一种利用近红外光谱技术鉴别竹纤维的方法。首先采集待测纤维（竹原纤维、竹粘胶纤维、麻纤维中的一种或几种）的近红外光谱数据，然后利用主成分分析法或偏最小二乘法分析待测纤维与纤维标准样品的近红外光谱数据的相关性，并根据相关系数判定待测纤维与纤维标准样品是否属于同一类纤维。但竹原、竹粘胶、麻纤维的近红外光谱显示，三种纤维具有极其相似的近红外谱图，这不可避免地会给后续的数据分析带来影响，干扰判定结果。文献2（浙江大学.一种基于拉曼光谱定性鉴别纺织纤维的方法.中国专利CN101187635A）发明了一种利用拉曼光谱定性鉴别纺织纤维的方法。首先获取棉、锦纶、涤纶、腈纶、羊毛、蚕丝的拉曼谱图，然后根据各自谱图的特征峰的不同实现鉴别。但当涉及成分相近纤维时，该发明同样面临着谱图特征相似、难以鉴别的问题。

太赫兹技术是近年来新兴的一项前沿技术，随着低尺度半导体和超快光电子技术的发展，该技术已经被广泛地应用于物理、化学、生物等各个领域。一般认为太赫兹辐射的频率范围为0.1～10THz(波长为3000～30μm)，位于微波与红外辐射之间，属于远红外和亚毫米波范畴，具有瞬时性、宽带性、相关性、低能量等特点。太赫兹时域光谱分析是太赫兹辐射应用的重要途径之一。其基本方法是通过探测透过样品的太赫兹脉冲时域波形而获得样品在太赫兹波段的吸收和色散信息。许多有机分子活动的振动频率都出现在太赫兹区域，例如大分子骨架振动，偶极转动，晶格的低频振动，甚至弱的分子间作用力。纺织纤维由有机分子组成，因此可以通过太赫兹光谱实现其成分的鉴别。文献3（中国矿业大学.一种基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法.中国专利CN101876633A）发明了一种利用太赫兹时域光谱鉴别纺织纤维的方法。首先利用太赫兹时域光谱测量装置获取标准纤维在太赫兹波段的吸收光谱，然后利用主成分分析法提取纺织纤维吸收光谱中的主分量，采用模式识别的方法建立纺织纤维的分类模型，根据上述方法获得待鉴别纺织纤维的太赫兹吸收光谱并提取主分量，调用已建立的模型进行分类，确定待鉴别纺织纤维的种类。该方法虽然对部分纤维实现了区分，但其差别并非基于纤维本身结构的差别，比如其中涉及到的棉与精练棉，普通棉去除棉籽壳、果胶等杂质后获得精练棉，两者的太赫兹谱图差别源于杂质，而非纤维本身分子结构的差别；此外，该发明中涉及到的粘胶、人造棉为同一种纤维的不同称谓，此处属于概念混淆。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种利用太赫兹时域光谱技术鉴别竹麻纤维的方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种利用太赫兹时域光谱技术鉴别竹麻纤维的方法，包括以下步骤：

（1）纤维样品的制备

将作为标样的竹纤维、苎麻纤维和***纤维制成粉末后，分别与聚乙烯（PE）粉末按1∶1的比例混合压模，制成直径为13 mm、厚度为0.96～1.02 mm的圆盘薄片；

（2）利用透射式太赫兹时域光谱测试装置进行测试，分别获得透过各标样的太赫兹脉冲时域波形；

（3）对各标样的太赫兹脉冲时域波形进行傅里叶转换以获得频域谱，并采用提取材料太赫兹光学常数的模型，计算各标样在0.3～2.8THz波段内的吸收系数和折射率，以此分别绘制出竹纤维、苎麻纤维和***纤维的吸收光谱和折射率谱；

（4）按照步骤（1）～（3）中的顺序，得到待鉴别纤维的吸收系数和折射率；并根据其与标样的吸收光谱和折射率谱之间的对应关系，确认待鉴别纤维是竹纤维、苎麻纤维或***纤维。

本发明中，所述步骤（4）中，在确认与吸收光谱对应关系时，吸收系数的不同体现为吸收特征峰的位置和相对强度的差别。

本发明中，所述透射式太赫兹时域光谱测试装置的光谱频宽为0.3～2.8 THz，分辨率小于40 GHz，工作条件为室温下的氮气环境。

本发明中，在所述步骤（1）之前，还包括对纤维样品的前处理：将纤维样品放入5 g/L的中性皂溶液中超声波清洗10 min，然后放入去离子水中超声波清洗5 min，再放入烘箱在105 ℃下干燥1 h。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

（1）能够将利用目前已有方法难以区分的竹纤维、苎麻纤维和***纤维准确地鉴别出来；

（2）该鉴别方法需要样品量少（仅需毫克级），制样简便，测试时间短（仅需3min），测试过程不产生化学污染物；

（3）采用本发明的方法对样品进行测试时，可同时获得样品在太赫兹波段的吸收光谱和折射率谱，增加了样品的特征信息，提高了测试结果的可信度。

附图说明

图1为透射式太赫兹时域光谱测试装置示意图。

其中，FL为飞秒激光器，LIA是锁相放大器，HWP为半波片，CBS为立方分束器，QWP为1/4波片，PM是抛物面镜，DLD是延迟线驱动，PBS是偏振分束器，BL为平衡二极管。图中虚线区域是太赫兹光路罩在箱体内充满氮气以减少水分对太赫兹波的吸收；

图2为竹纤维在太赫兹波段的吸收光谱；

图3为苎麻纤维在太赫兹波段的吸收光谱；

图4为***纤维在太赫兹波段的吸收光谱；

图5为竹纤维在太赫兹波段的折射率谱；

图6为苎麻纤维在太赫兹波段的折射率谱；

图7为***纤维在太赫兹波段的折射率谱。

具体实施方式

本发明中所使用的测试***是透射式太赫兹时域光谱测试装置（如图1）。该装置是一种成熟设备，本发明中选用的是Zomega公司的z-1型号的产品。该装置的激光器中心波长为800 nm，脉冲宽度小于100fs，重复频率为80MHz，输出功率为960mw。实验在室温（约295K）条件下的氮气环境进行的。实验测试的范围为0.3-2.8THz，音噪比约为1000，分辨率小于40GHz。

竹纤维、苎麻纤维和***纤维的吸收光谱和折射率谱通过以下方式获得：

（1）纤维样品的制备

将作为标样的竹纤维、苎麻纤维和***纤维样品放入5 g/L的中性皂溶液中超声波清洗10 min，然后放入去离子水中超声波清洗5 min，再放入烘箱在105 ℃下干燥1 h。将各纤维制成粉末后，分别与聚乙烯粉末按1∶1的比例混合压模，制成直径为13 mm、厚度为0.96～1.02 mm的圆盘薄片；

（2）利用透射式太赫兹时域光谱测试装置进行测试，分别获得透过各标样的太赫兹脉冲时域波形；

（3）对各标样的太赫兹脉冲时域波形进行傅里叶转换以获得频域谱，并采用目前通用的提取材料太赫兹光学常数的模型（Timothy D. Dorney, Richard G. Baraniuk. J. Opt.  Soc. Am. A, 2001, 18(7):1562-1571），计算各标样在0.3～2.8THz波段内的吸收系数和折射率，以此分别绘制出竹纤维、苎麻纤维和***纤维的吸收光谱和折射率谱。

在进行鉴定时，按照步骤（1）～（3）中的顺序，得到待鉴别纤维的吸收系数和折射率；并根据其与标样的吸收光谱和折射率谱之间的对应关系，确认待鉴别纤维是竹纤维、苎麻纤维或***纤维。在确认与吸收光谱对应关系时，吸收系数的不同体现为吸收特征峰的位置和相对强度的差别。

实施例1

首先，采用本发明所述方法，获得竹纤维在太赫兹波段的吸收光谱（图2）和折射率谱（图5）。图2中可以看出竹纤维在所测频段范围内出现明显的特征吸收峰，且在2.0 THz以上的吸收强度明显增强。图5显示竹纤维在测试范围内的折射率集中在1.425-1.430之间，平均折射率为1.428。

然后以定性方式鉴别竹纤维：

（1）竹纤维前处理：称取2g竹纤维，放入5g/L的中性皂溶液中进行超声波清洗10min，然后取出竹纤维，放入去离子水中超声波清洗5min，清洗完成后放入烘箱进行干燥（105°C，1 h）；

（2）压片制备：将步骤1）中所得竹纤维进行切片、粉碎，然后与聚乙烯粉末以1:1的比例进行混合，在压片机上制得直径为13mm，厚度为1.02mm的薄片；

（3）太赫兹测试和物理参数计算：所采用激光器中心波长为800 nm，脉冲宽度小于100fs，重复频率为80MHz，输出功率为960mw。实验测试的范围为0.2-2.8THz，音噪比约为1000，分辨率小于40GHz。实验在室温（约295K）条件下进行的，获得透过薄片的太赫兹脉冲时域波形；对获得的太赫兹脉冲时域波形进行傅里叶转换以获得频域谱，并利用太赫兹时域光谱技术提取材料光学常数的模型，计算在0.3～2.8THz波段内的吸收系数和折射率；

（4）特征谱图的比对：将步骤（3）所得的数据与图2、5相比较，数据具有一致性的特点，可以确定被鉴定样品为竹纤维。

实施例2：

首先，采用本发明所述方法，获得苎麻纤维在太赫兹波段的吸收光谱（图3）和折射率谱（图6）。图3中可以看出苎麻纤维在所测频段范围内出现明显的特征吸收峰，吸收峰的个数、位置和相对强度均与竹纤维有着明显差别。图6显示苎麻纤维在测试范围内的折射率集中在1.415-1.435之间，平均折射率为1.423。

以定性鉴别苎麻纤维为例，步骤如下：

（1）苎麻纤维前处理：称取2g苎麻纤维，放入5g/L的中性皂溶液中进行超声波清洗10min，然后将苎麻纤维取出，放入去离子水中超声波清洗5min，清洗完成后放入烘箱进行干燥（105°C，1 h）；

（2）压片制备：将步骤1）中所得苎麻纤维进行切片、粉碎，然后与聚乙烯粉末以1:1的比例进行混合，在压片机上制得直径为13mm，厚度为0.96mm的薄片；

（3）太赫兹测试和物理参数计算：同实施例一中的步骤（3）；

（4）特征谱图的比对：将步骤（3）所得的数据与图3、6相比较，数据具有一致性的特点，可以确定被鉴定样品为苎麻纤维。

实施例3：

首先，采用本发明所述方法，获得***纤维在太赫兹波段的吸收光谱（图4）和折射率谱（图7）。图4中可以看出***纤维在2.71 THz处出现明显的特征吸收峰，而在所测频段的其它位置则无明显吸收，该特征与苎麻纤维、竹纤维有着显著差别。图7显示***纤维在测试范围内的折射率集中在1.430-1.445之间，平均折射率为1.437。以定性鉴别***纤维为例，步骤如下：

（1）***纤维前处理：称取2g***纤维，放入5g/L的中性皂溶液中进行超声波清洗10min，然后将***纤维取出，放入去离子水中超声波清洗5min，清洗完成后放入烘箱进行干燥（105°C，1 h）；

（2）压片制备：将步骤1）中所得***纤维进行切片、粉碎，然后与聚乙烯粉末以1:1的比例进行混合，在压片机上制得直径为13mm，厚度为0.98mm的薄片；

（3）太赫兹测试和物理参数计算：同实施例一中步骤（3）；

（4）特征谱图的比对：将步骤（3）所得的数据与图4、7相比较，数据具有一致性的特点，可以确定被鉴定样品为***纤维。

Claims (4)

1.利用太赫兹时域光谱技术鉴别竹麻纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）纤维样品的制备

将作为标样的竹纤维、苎麻纤维和***纤维制成粉末后，分别与聚乙烯粉末按1∶1的比例混合压模，制成直径为13 mm、厚度为0.96～1.02 mm的圆盘薄片；

（2）利用透射式太赫兹时域光谱测试装置进行测试，分别获得透过各标样的太赫兹脉冲时域波形；

（3）对各标样的太赫兹脉冲时域波形进行傅里叶转换以获得频域谱，并采用提取材料太赫兹光学常数的模型，计算各标样在0.3～2.8THz波段内的吸收系数和折射率，以此分别绘制出竹纤维、苎麻纤维和***纤维的吸收光谱和折射率谱；

（4）按照步骤（1）～（3）中的顺序，得到待鉴别纤维的吸收系数和折射率；并根据其与标样的吸收光谱和折射率谱之间的对应关系，确认待鉴别纤维是竹纤维、苎麻纤维或***纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在确认与吸收光谱对应关系时，吸收系数的不同体现为吸收特征峰的位置和相对强度的差别。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透射式太赫兹时域光谱测试装置的光谱频宽为0.3～2.8 THz，分辨率小于40 GHz，工作条件为室温下的氮气环境。

4.据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤（1）之前，还包括对纤维样品的前处理：将纤维样品放入5 g/L的中性皂溶液中超声波清洗10 min，然后放入去离子水中超声波清洗5 min，再放入烘箱在105 ℃下干燥1 h。

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