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便携式近红外装置在常用纺织纤维组分分析中的应用
作者：饶 敏1 张 岑1 乔 宁1 桂家祥2
摘 要 本文选择便携式近红外装置，对常用纺织纤维（棉涤、锦氨、涤氨）3种混纺样品定量分析模型的建立及验证进行了研究，通过光谱采集及预处理技术以及化学计量学方法建立模型等对未知样品快速预测其组分，结果显示检测结果与经典方法无显著差异。实验表明，便携式近红外装置可直接应用于常见纺织纤维组分实际的日常现场检测工作。
饶 敏1 张 岑1 乔 宁1 桂家祥2
摘 要 本文选择便携式近红外装置，对常用纺织纤维（棉涤、锦氨、涤氨）3种混纺样品定量分析模型的建立及验证进行了研究，通过光谱采集及预处理技术以及化学计量学方法建立模型等对未知样品快速预测其组分，结果显示检测结果与经典方法无显著差异。实验表明，便携式近红外装置可直接应用于常见纺织纤维组分实际的日常现场检测工作。
关键词 便携式仪器；近红外光谱；纺织纤维组分；分析；应用
Application of Portable Near Infrared Device in Component Analysis of Common Textile Fibers
RAO Min1 ZHANG Cen1 QIAO Ning1 GUI Jia-Xiang2
Abstract In this paper, the establishment and validation of quantitative analysis model for three kinds of textile fiber (cotton polyester, polyamide, polyester ammonia) were investigated with portable near infrared device. The components of unknown samples were quickly predicted by spectral acquisition and pretreatment technology and chemometrics method. The results showed that the detection results were not significantly different from the classical methods. Experiments showed that the portable NIR device could be directly applied to the daily field detection of common textile fiber components.
Keywords portable instrument；near infrared spectroscopy; textile fiber components; analysis; application
世界各国对纺织服装的标签有各种不同程度的要 求，正确标注纺织品纤维名称和纤维含量，对保护 消费者权益有着重要的意义。如美国对纺织纤维产 品标签等制定了纺织纤维制品鉴别法案的实施条例（Rules&Regulations Under the Textile Fiber Products Identifification Act-16 CFR Part303）[1]、欧盟制定《96/74/ EC 欧洲议会和理事会有关纺织品名称的指令》[2]、 日本颁布《家用产品质量标签法》、以及加拿大等国 都制定了相应法规，均要求其进口纺织品的纤维含量 标识应符合相关要求和规定，不符合要求和规定的纺织产品，不得进入相关国家甚至给予扣留和查封 [3-4]。 我国强制性国家标准《消费品使用说明纺织品和服装 使用说明》(GB5296.4-1998) 中也明确规定了纺织服 装产品应标签上标注产品纺织纤维的组分名称及每种纤维的含量。
由此可见，纺织品原料组分的检测技术运用领域 非常广，不仅涉及国际贸易，在我国纺织品的生产企 业、社会公共检测机构、政府监管机构都有涉及。纤 维种类及含量是纺织品理化性能检测的重要指标之 一，其成分定性定量分析通常使用显微镜法、燃烧法 和溶解法等，然而传统的纺织品检测方法存在检测时 间长、环境要求高、使用有毒有害化学试剂、对环境 造成污染大、检测成本高和对检测人员的要求也较高 等问题，同时也是破坏性检测，且其操作难度随着纺 织品的多样性和复杂性而增加，定量分析作为纤维含 量检测中的关键步骤，其准确性和及时性变得尤为重 要 [5]。而在近红外分析纺织品纤维成分的研究应用中， 二组分混纺样品的定量分析研究较多，如棉涤、锦氨、涤氨等的定量分析 [6-12]。目前，近红外光谱分析纺织品纤维组分的研究所使用的设备大部分为台式近红外光谱仪，普遍体积较大、重量较重，不方便移动，样品需送到相应实验室进行检测，因而限制了近红外技 术在现场的实际应用，对于政府检验监管一线和生产 企业质量控制（如原料进场）等场景要求现场、快速、无损的纺织纤维组分检测，显然，便携式近红外快检 设备具有独特的优势。便携式近红外快检装置弥补了台式近红外仪携带不便的缺点和不足，便携式近红外快检装置在纺织纤维组分检测上的应用，对解决纺织服装产品在政府检验监管快检要求和生产企业的现场质量控制难题具有十分重要的现实意义。
为此，本文选择便携式近红外分析仪，对棉涤、锦氨、涤氨 3 种常用混纺样品定量分析模型的建立及 验证进行了研究。
1 实验部分
1.1 实验仪器
近红外光谱仪主要参数：波长范围：950-1650 nm； 像素间距：6.2 nm；波长准确性 <0.3 nm；波长重复性 <0.03 nm；尺寸：70×64×115 mm；重量：0.5 kg。
1.2 实验样品
实验选择不同颜色、不同织物结构、不同厚度的 棉涤、锦氨、涤氨混纺样品，且各类样品组分含量具一定梯度分布（以锦氨样品为例如图 1 所示）。
所有样品均由某权威检测机构提供，纤维成 分及含量均由该机构实验室按 FZ/T 01057、GB/T 2910.11、SN/T 0464 标准进行检测。不同种类样品数 量及含量范围如表 1 所示。
1.3 光谱采集方法
近红外光谱仪开机预热 30 min 后采集光谱，采 集光谱积分时间为 16.9 ms，扫描次数为 50 次。将设 备采集的光强度光谱转换为吸光度光谱，以漫反射吸 光度 A 作为样本光谱分析参数：A=log（1/R）表示，R 为样本光谱反射率，其计算公式为 R=(Sλ-Dλ)/ (Bλ-Dλ)，其中，Rλ 为波长 λ 下样品光谱的强度； Bλ 为波长 λ 下参比光谱的强度；Dλ 为波长λ 下暗场光谱的强度 [12]，测试环境温度为10℃～ 30℃，湿度为 30% ～ 70%。
1.4 建模及检验方法
常用的线性多元数据分析方法有多元线性回归 （MLR）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLSR）。 其中 PLSR 方法偏最小二乘法因集主成分分析、典型 相关分析和多元线性回归分析 3 种分析方法的优点于 一身，已经成为近红外建模中最经典的方法 [14]。故 本次研究采用 PLSR 方法建模。
2 结果与讨论
2.1 样品光谱分析
通过采集样品光强度光谱并经转换，得到棉涤、 锦氨、涤氨样品吸光度光谱图（如图 2 至图 4 所示）， 可以发现，不同纤维成分样品的近红外光谱图基本一 致，仅凭肉眼观察，无法从原始光谱图上判断组分含 量的高低。
只有经化学计量学方法处理分析后，才能有效获 取样品组分含量信息。图 5 所示的是 3 种纺织品的平 均光谱图，不同组分的光谱差异明显，说明该便携装 置近红外光谱分析技术亦可用于纺织纤维的定性分析（后续研究考虑在纺织品便携式近红外定量分析系统 的基础上增加定性分析，以力求实现智能化检测纺织品纤维组分及含量）。
2.2 不同预处理结果（以表格表示不同预处理方法的 建模结果）
经不同方法预处理后，PLS 建模得到结果如表 2 至表 4 所示，可知棉涤的最佳预处理方法为 SNV+D2，锦氨的最佳预处理方法为 D2，涤氨的最佳预处理方法为 SNV+D2。
2.3 模型评价
对 3 种不同种类样品，分别选用最佳预处理方法 处理后，用 PLSR 方法建模，得到模型如图 6 至图 8 所示，棉涤模型的 RMSEC=1.2760，RMSEP=0.8922， Rc=0.9972，Rp=0.9981；锦氨模型的 RMSEC=1.6696，RMSEP=1.1009，Rc=0.9630，Rp=0.9678；涤氨模型 的 RMSEC=0.7794，RMSEP=0.6248，Rc=0.9814， Rp=0.9868（见表 5）。
为了验证模型的准确性和适用性，从某权威检测 机构提供的 3 种类样品中各随机选择了 20 个样品进行验证，预测结果如表 6 所示。
由表 6 可见，模型预测值与经典方法测定值的最大绝对差值为 2.3，符合经典方法检测要求 (《纺织品纤维含量的标识》FZ/T 01053—2007) 的“当标签上某种纤维含量≤ 15% 时，纤维含量允许偏差为标称值的 30%，当标签上某种纤维含量 >15% 时，纤维含量允许偏差不超过 5%”。
经t 统计检验，t1、t2、t3 均小于 2.262 (t 在自由度为 9 时的临界值 )，说明两种方法检测纤维组分含量无明显差异。
表6 3种样品PLS模型检验
Table 6 PLS model test of three samples
棉 涤 | 锦 氨 | 涤 氨 | ||||||
标准方法检测值 | 近红外法预测值 | 绝对差值 | 标准方法检测值 | 近红外法检测值 | 绝对差值 | 标准方法检测值 | 近红外法检测值 | 绝对差值 |
13.5 | 12.5 | 1 | 81.5 | 82.1 | 0.6 | 94.2 | 92.9 | 1.3 |
6.2 | 7.1 | 0.9 | 86.2 | 85.0 | 1.2 | 87.2 | 86.7 | 0.5 |
23.3 | 24.2 | 0.9 | 82.0 | 82.6 | 0.6 | 88.5 | 87.4 | 1.1 |
27.9 | 27.9 | 0 | 87.1 | 88.2 | 1.1 | 89.7 | 88.8 | 0.9 |
29.4 | 30.7 | 1.3 | 91.3 | 90.8 | 0.5 | 90.6 | 90.0 | 0.6 |
33.9 | 34.1 | 0.2 | 80.4 | 81.1 | 0.7 | 79.4 | 78.9 | 0.5 |
54.6 | 55.9 | 1.3 | 85.4 | 84.9 | 0.5 | 95.7 | 94.7 | 1.0 |
58.1 | 58.8 | 0.7 | 81.6 | 82.1 | 0.5 | 91.3 | 90.7 | 0.6 |
100 | 99.4 | 0.6 | 82.8 | 81.4 | 1.4 | 82.1 | 81.2 | 0.9 |
60.4 | 59.6 | 0.8 | 80.3 | 78.0 | 2.3 | 95.6 | 94.8 | 0.8 |
19.6 | 20.1 | 0.5 | 89.1 | 88.8 | 0.3 | 87.7 | 87.3 | 0.4 |
33.5 | 33.2 | 0.3 | 79.4 | 81.3 | 1.9 | 96.7 | 95.9 | 0.8 |
35.3 | 35.1 | 0.2 | 93.8 | 94.0 | 0.2 | 96.3 | 96.2 | 0.1 |
42.6 | 43.1 | 0.5 | 88.7 | 87.9 | 0.8 | 88.5 | 87.6 | 0.9 |
58.2 | 58.3 | 0.1 | 86.8 | 86.7 | 0.1 | 91.9 | 90.9 | 1.0 |
62.5 | 63.1 | 0.6 | 86.3 | 85.2 | 1.1 | 90.5 | 89.6 | 0.9 |
34.5 | 34.1 | 0.6 | 79.6 | 80.0 | 0.4 | 82.1 | 80.9 | 1.2 |
67.6 | 68.3 | 0.7 | 83.6 | 83.9 | 0.3 | 91.3 | 90.3 | 1.0 |
95.4 | 96.2 | 0.8 | 81.3 | 80.9 | 0.4 | 93.1 | 92.0 | 1.1 |
35.3 | 35.8 | 0.5 | 80.1 | 79.9 | 0.2 | 86.4 | 85.5 | 0.9 |
t1=0.0711 | t2=0.5682 | t3=1.31E-10 | ||||||
3 结论
通过便携式近红外装置对纺织品纤维组分定量分析检测，其定量检测结果与传统标准方法所得出的检测结果无显著差异。实验表明，便携式近红外装置可直接应用于常见纺织纤维组分实际的日常现场定量检测工作，便携式近红外装置可实现对常见纺织纤维组分现场、快速、无损的检测要求。
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（文章类别：CPST-C）
