基于紫外-可见漫反射光谱的天然棕色棉/染色棕棉混纺比定量分析

刘雨婷，刘晨晨，王　冲，吴世华，成建林，唐志荣

(1.浙江理工大学材料与纺织学院，杭州　310018；2.桐乡市威泰纺织有限责任公司，浙江桐乡　314500)



基于紫外-可见漫反射光谱的天然棕色棉/染色棕棉混纺比定量分析

刘雨婷1，刘晨晨1，王冲1，吴世华2，成建林2，唐志荣1

(1.浙江理工大学材料与纺织学院，杭州310018；2.桐乡市威泰纺织有限责任公司，浙江桐乡314500)

摘要：为了建立一种便捷测定天然彩色棉和染色彩棉混纺比的方法，以天然棕色棉与染色棕棉为例，通过对不同比例混合的天然棕色棉及染色棕棉进行紫外-可见漫反射光谱测定，用导数法进行数据分析。结果表明：天然棕色棉与染色棕棉的紫外-可见漫反射光谱曲线有明显不同，不同混合比例的天然棕色棉与染色棕棉的光谱曲线根据混合比例呈规律性变化，对它们的紫外-可见漫反射光谱进行导数法处理并与色差法对比发现，661nm波长处混纺比与一阶导数值的拟合曲线相关性最好。同时，该拟合方程可用于快速定量测定天然棕色棉和染色棕棉的混纺比。

关键词：天然棕色棉；染色棕棉；紫外-可见漫反射光谱；定量

天然彩色棉是一种天然有色的棉花品种，其纤维制品的开发符合当前社会可持续发展的战略要求，它在未来的纺织市场发展中具有较强的竞争力。由于其与普通棉花相比存在较大的价格差异，产品开发中存在着用天然彩色棉与其它纤维进行混纺，或者与用白棉进行染色后的有色棉进行混纺的现象。从外观上不能直接区分天然彩色棉与染色彩棉，现有的检测方法对相同颜色的彩色棉与染色棉的混纺比的测定存在着一定的困难。

彩色棉混纺产品的定性或定量方法备受产品开发和检测人员的关注。在彩色棉定性研究方面，国内，洪华等[1]通过纤维强力法、显微镜法和色牢度法来判断样品是否为天然彩色棉纤维；孔丽萍等[2]利用气相色谱-质谱分析仪、红外光谱分析仪和元素分析仪对彩棉、白棉以及染色棉进行鉴别分析，确定元素分析法可作为判断产品中是否含有彩棉纤维的有效定性手段；刘芳等[3]利用交叉极化魔角自旋核磁共振(CPMAS-NMR)和傅里叶红外-拉曼(FTIR-Raman)光谱法、并且采用棉纤维色素提取液的酸碱可逆色变反应鉴别天然彩色棉和染色棉；于剑峰等[4]发现用紫外-可见漫反射光谱法能有效鉴别天然彩色棉纤维。国外，早在1983年，Yatsu等[5]用显微镜法对彩色棉进行了特性分析；Leary、Parmar等[6-7]也对天然彩色棉特性进行了总结。在对彩色棉定量分析中，孔丽萍、陈莉等[2,8-9]采用化学溶解法、显微镜法或元素分析法等做混纺比的测定；陈慰来等[10-11]应用计算机测色配色系统分析了天然彩色棉与白棉混纺纱线的色泽与彩棉性能的关系；Hu等[12]利用紫外-可见漫反射光谱法定量分析天然彩色棉与白棉二元纤维混纺的混纺比；然而对天然彩色棉与染色彩棉的混纺比用光谱法进行快速定量分析未见报道。本文在当前研究的基础上，以天然棕色棉与染色棕棉为例，通过对不同比例混合的天然棕色棉及染色棕棉进行紫外-可见漫反射光谱测定，然后用导数法处理并进行数据相关性分析，建立了一种便捷的检测天然彩色棉和染色棉混纺比的方法。该方法的建立可为产品开发企业或相关检测机构提供一种对相同颜色不同原料混纺比定量检测的新方法。

1实验部分

1.1实验材料

天然棕色棉，浙江省农业科学院棉花研究所提供；染色棕棉，嘉兴桐乡威泰纺织有限公司提供。

1.2实验仪器

TU-1950紫外-可见分光光度仪(带积分球附件，北京普析通用仪器有限公司)，FZ-102型微型植物粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司)，AR124CN电子天平(奥豪斯仪器(上海)有限公司)，600型测色配色仪(美国Datacolor公司)。

1.3实验方法

取所需两种纤维原料大量粉碎，粉碎颗粒为80目以上，然后按染色棉占混合棉总量的不同比例进行混合，混合比例依次为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，再将各比例的混合棉经粉碎机进一步粉碎以混合均匀。

光谱测定：用四分采样法取出适量混合均匀的样品，装填入积分球样品盒中，填满并压平，将石英玻璃片盖于样品表面，用装有积分球检测器的紫外-可见分光光度计进行光谱扫描，扫描波长为230～750nm，设置扫描间隔：1.0nm、光谱带宽：2.0nm、扫描速度：中速。每种比例的混合样品各测试3个平行样，取平均值，用origin等软件进行数据处理。

色差测定：采用四分法取样，在测色差时，将试样用石英玻璃片夹住，应用测色配色仪对不同比例的混纺样品进行色泽测定，采用Hunterlab系统表示颜色变化，测定的参数指标为L、a、b。总色差ΔE由公式ΔE=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2进行计算得出，每个样品测5个平行样，取平均值。

2结果与分析

2.1天然棕棉与染色棕棉光谱分析

天然棕棉及染色棕棉的紫外-可见漫反射光谱如图1所示，图1中两种棕色棉的紫外-可见漫反射光谱图明显不同。从总体趋势上看，天然棕棉的反射率随波长增加先增加后减少，光谱变化平稳，只存在一个较宽的反射峰；而染色棕棉的反射率相对较高，随着波长增加，反射率波动明显。这与于剑峰等[4]用染色棕棉织物测得的结果类似，进一步验证了用紫外-可见漫反射光谱可定性区分天然彩色棉和染色棉。分析原因为天然彩色棉所含的色素类物质与染色棉中的染料化学成分不同，不同的化学成分在漫反射光谱上表现不同所至。

图1　天然棕棉与染色棕棉的紫外-可见漫反射光谱

2.2不同比例混合的天然棕色棉与染色棕棉的光谱分析

不同比例染色棕棉与天然棕棉紫外-可见漫反射光谱如图2所示，从图中可以看出，纯天然棕棉的光谱曲线波动最小，曲线整体较为光滑，反射率大体上随波长增加而增加，在700nm左右以后开始下降。图2中曲线染色棕棉含量从下到上依次为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，可见随着染色棕棉所占比例的增加，紫外-可见漫反射反射率曲线的波动越来越明显，且大约在340nm和700nm处有一个波峰，在这两个波峰处不同比例染色浅棕棉的反射率曲线较为分散。因此在这两个波长处可以对比区分不同含量比例的混合棉。

图2　不同比例染色棕棉与天然棕棉紫外-可见漫反射光谱(图所示比例为染色棕棉在混合棉中的质量百分比)

2.3光谱导数法分析

为了能够更加清晰地区分不同混合棉的比例与光谱曲线之间的规律，通过对原始光谱数据作一阶和二阶导数图来进行数据分析。导数处理可尽量降低重叠峰的影响，一阶导数可消除基线的偏移，二阶导数可消除基线的线性倾斜[13]。

不同比例染色棕棉与天然棕棉的紫外可见漫反射光谱一阶导数曲线图如图3所示，从图3中分析可知，不同比例染色棕棉与天然棕棉的紫外-可见漫反射光谱一阶导数在318nm和661nm处有两个明显的波峰。从整体上可以区分不同比例染色棕棉的漫反射光谱一阶导数曲线，纯天然棕色棉的一阶导数曲线波动最小，随着染色棕棉所占比例的增加，其曲线波动程度逐步增加。图3相比较图2更加清晰，各比例的混合棉的一阶导数曲线图也能更清楚的区分，因此，通过对原始数据做一阶导数可以更加明显的区分出不同比例的混合棉。

图3　不同比例染色棕棉与天然棕棉的紫外-可见漫反射光谱一阶导数曲线(图所示比例为染色棕棉在混合棉中的质量百分比)

对图2的原始光谱图作二阶导数处理，得到不同比例染色棕棉与天然棕棉的紫外-可见漫反射光谱二阶导数曲线图(图4)，图4中二阶导数曲线比较混乱，显然没有一阶导数图清晰明了，各条曲线波动很大，即使在299nm与634nm两个比较明显的波峰处也很难直观的辨别。由此可见二阶导数难以清楚地区分各个比例，直接分析二阶导数更困难。因此在分析不同比例的混合棉的规律时，应选用一阶导数图。

图4　不同比例染色棕棉与天然棕色棉的紫外-可见漫反射光谱二阶导数曲线(图所示比例为染色棕棉在混合棉中的质量百分比)

2.4光谱相关性分析

文献[11]中给出了一种用色差法预测彩棉与白棉混纺纱线的混纺比的方法，对本实验中不同混合比的染色棕棉与天然棕色棉进行色差测定，作出混合棕棉的不同混合比例与色差值的相关性曲线如图5所示。从图5可以看出，色差与混合棕棉的混纺比有着较好的相关性。

图5　混合棕棉的不同混合比例与色差值的相关性曲线

参照色差值与混合比的相关性分析方法，根据不同比例染色棕棉与天然棕色棉的紫外-可见漫反

射光谱图及一、二阶导数曲线图，分别选取合适的波长处作反射率或导数值与不同混合比例的相关性分析。结果显示在选取的几个波长处，它们均体现出的一定的相关性，其拟合曲线为二次曲线，其相关性拟合方程及相关系数见表1。

根据表1所示，对比光谱不同数据处理方法和色差法得到的不同混合比与数据的相关性，总体来看，用一阶导数处理原始光谱数据，得到的相关性曲线的相关性系数(R2)较高，且在波长为661nm处的相关性最好。色差法的相关性也不错，但是从光谱法和色差的试验方法来分析对比，色差的测试是以取点的方式来进行，紫外漫反射则是测试整个样品所在的全部区域，测试时样品分布更均匀，全面，测试结果比色差法测试的偶然性少很多，因此比色差法更好。

表1不同处理或测试方法的数值与棕棉混合比例的相关拟合方程和相关系数

分析方法波长/nm拟合方程R2漫反射光谱法338Y=8.86573+0.0418X+9.34732*10-4X20.98584661Y=47.49161+0.03717X+3.51981*10-4X20.94504698Y=51.51189+0.05342X+0.00124X20.98880一阶导数法318Y=0.03441+3.53189*10-4X+2.15617*10-5X20.99577506Y=0.12189+7.52589*10-4X+2.85256*10-6X20.99488661Y=0.16521+0.00153X+2.27566*10-5X20.99719二阶导数法299Y=0.00302+8.83224*10-5X+5.1014*10-7X20.95880634Y=-1.99021*10-4+1.32226*10-4X+2.80653*10-7X20.94060色差法-Y=0.141+0.01558X+2.53788*10-4X20.99258

注：X为混合棉中染色棉的含量，Y为光谱或色差数值

2.5混纺比定量方法精确度的验证

天然棕色棉与染色棕棉混纺测定的漫反射率的一阶导数值与混纺比之间有着良好的相关性。为验证该方程的精确度，按照实验所描述的方法重新配样，配置染色棕棉含量分别为25%，55%的混合棕棉，用紫外-可见分光光度计进行扫描，所得实验数据进行一阶导数处理。根据661nm处混合棉的混纺比与一阶导数值的拟合方程，其中X值代表混合棉含有的染色棉比例，Y代表数据经处理后的一阶导数值。由测量处理所得的一阶导数值代入函数中，反推X混纺比例，得出计算方程为:

(1)

其中：X为混合棉含有的染色棉比例；Y为数据经处理后的一阶导数值。

求得所含的染色棉的含量与实际含量的偏差，如表2所示，含量的偏差均在2%以内，偏差较小,精确度较高。验证了采用紫外-可见漫反射光谱法中的一阶导数值与混纺比的关系拟合方程对天然棕色棉/染色棕棉纤维混纺的混纺比进行定量分析具有较高的可行性。

表2混合棉的漫反射光谱一阶导数法在661nm

波长处的混合比计算值和实际值比较

染色棕棉含量实际值/%一阶导数值计算值/%绝对偏差/%250.2136623.5-1.5550.3123753.6-1.4

3结论

a)天然棕色棉与染色棕棉的紫外-可见漫反射光谱曲线有明显不同，可用紫外-可见漫反射光谱定性区分天然棕色棉与染色棕棉。

b)不同混合比例的天然棕色棉与染色棕棉的光谱曲线根据混合比例呈规律性变化，对它们的紫外-可见漫反射光谱进行导数法分析并与色差法对比后发现，661nm波长处一阶导数值与混纺比的拟合曲线相关性最好。验证表明，该拟合曲线可用于快速定量测定天然棕色棉和染色棕棉的混纺比，且精确度较高。

参考文献：

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[2] 孔丽萍，霍金花.彩棉与白棉混纺产品中纤维含量定性定量分析研究[J].中国纤检，2006(5)：11-15.

[3] 刘芳，张坤宝，顾莉琴，等.天然彩色棉与染色棉鉴别方法[J].东华大学学报(自然科学版)，2008，34(5)：540-544.

[4] 于剑锋，张健，赵栋，等.天然彩色棉纤维紫外-可见漫反射光谱特性初探[J].现代纺织技术，2013(5)：17-20.

[5] YATSU L Y, ESPELIE K E, KOLATTUKUDY P E. Ultrastructural and chemical evidence that the cell wall of green cotton fiber is suberized[J]. Plant Physiology,1983,73(2):521-524.

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[13] 王敏,邵敏.二阶导数红外光谱对羊毛/蚕丝混纺纤维成分的定性和定量检测[J].浙江理工大学学报,2014,31(2):107-111.

(责任编辑：陈和榜)

Quantitative Analysis on Blending Ratio of Natural Brown Cotton/ Dyed Brown Cotton Based on UV-Visible Diffuse Reflection Spectrum

LIUYuting1,LIUChenchen1,WANGChong1,WUShihua2,CHENGJianlin2,TANGZhirong1

(1.College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China; 2.Tongxiang Weitai Textile Co., Ltd., Tongxiang 314500, China)

Abstract：To establish a method for measuring the blending ratio of natural colored cotton and dyed colored cotton conveniently, this study takes natural brown cotton and dyed brown cotton for example, conducts UV-Visible diffuse reflection spectrum determination for natural brown cotton and dyed brown cotton mixed with different proportions and conducts data analysis with derivative method. The result shows that UV-Visible diffuse reflection spectrum curves of natural brown cotton and dyed brown cotton are obviously different. Spectrum curves of natural brown cotton and dyed brown cotton mixed with different proportions have regular changes according to mixing ratio. The treatment of their UV-Visible diffuse reflection spectrum curves with derivative method and the comparison with color difference method show that blending ratio at wavelength 661 nm has the best correlation with fitted curve of first derivative value. Meanwhile, the fitted equation can be used for fast quantitative determination of blending ratio of natural brown cotton and dyed brown cotton.

Key words：natural brown cotton; dyed brown cotton; UV-Visible diffuse reflection spectrum; quantitative

收稿日期：2016-01-05

基金项目：国家自然科学基金项目(51373156)；浙江省桐乡科技基金项目(201402036)；浙江理工大学科研启动基金项目(13012140-Y)

作者简介：刘雨婷(1994-)，女，浙江嘉兴人，纺织工程本科生。 通信作者：唐志荣，E-mail：tzr@zstu.edu.cn

中图分类号：TS117

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)04-0046-05