基于X射线衍射的天丝/棉混纺比定量分析_天丝与棉混纺面料柔软嘛
摘要：通过对不同比例的天丝/棉混合物的X射线衍射光图谱研究分析，发现天丝特征峰位12.1°、19.9°、21.7°的峰面积与天丝含量的比例线性关系不明显。以上述3个特征峰的峰面积为参比因素，构建了9个特征值，其中有4个特征值与天丝/棉混合物中天丝含量具有较好相关性。通过实际验证试验表明，第7个特征值和第9个特征值与天丝含量线性相关性良好，利用该特征值与天丝含量的线性方程可以确定天丝/棉混合物中天丝的含量。
关键词：X射线衍射；定量分析；天丝；棉；混纺
1 前言
纤维素纤维具有良好的皮肤接触性、穿着舒适性、生理安全性、吸湿性和易整理性以及其制品易生物分解等一系列合成纤维所无法完全具备的特性，因而以纤维素纤维为原料的织物在纺织服装、非织造布、医疗、护理、卫生用品、化妆用品以及其他工业领域有着独特的用途[1-3]。纤维素纤维又分为天然纤维素纤维和再生纤维素纤维。以天然纤维素为原料通过物理或化学工艺处理后重新再利用的纤维称之为再生纤维素纤维。棉纤维是天然纤维的最主要代表，而粘胶、天丝、莫代尔等是再生纤维素纤维的主要代表。目前，国内主要检验机构对再生纤维素纤维与棉混纺定量方法通常是采用溶解法。GB/T 2910—1997中采用甲酸氯化锌在40℃或70℃条件下溶解再生纤维素纤维的方法来测定棉和再生纤维素纤维的含量，该方法对于原棉与没有损伤的再生纤维素纤维混纺是很适用的。然而随着染整技术的发展，织物在实际加工过程中，纤维经过染色、丝光、涂层等各种工艺处理，这些处理工艺对棉和再生纤维素纤维都造成了不同程度的损伤，采用甲酸氯化锌方法导致了定量结果不符合实际情况。因此，针对纤维素纤维面料开发准确、简捷的测试方法和测试技术有非常重要的现实意义。
X射线衍射是一种方便快捷的物相分析手段。不同晶体结构的物质的衍射图谱在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就会显现出差异。因此，通过样品的X射线衍射图像与已知的晶态物质的X射线衍射图谱的对比分析，便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定；通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分析[4]；X射线衍射还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的织构）等等，应用面十分普遍、广泛[5]。
本文探讨利用X射线衍射技术定性和定量分析棉和天丝不同混纺比方法。大量的试验数据结果证明，利用X射线衍射技术可以准确、方便、快捷地测试天丝/棉混纺比。
2 试验部分
2.1 仪器
日本RIGAKU 公司D/Max-2550 PC 型X射线衍射仪。
2.2 试验方法
利用哈氏切片器将纯棉和纯天丝切成长度小于20μm的粉末状样品，然后将样品在40℃的烘箱中干燥2h。利用梅特勒-托利多ML140分析天平（精确度0.0001g）定量称量棉粉末和天丝粉末，并按天丝/棉质量比90/10、80/20、70/30、60/40、50/50、40/60、30/70、20/80、10/90 制备样品（混合物总量0.2g），将样品混合均匀待测试。
2.3 X射线衍射测试
采用日本理学D/MAX-2500PC型X-光衍射仪分别对待测试样品进行X-光衍射测试。试验条件：Cu靶，电压40kV，电流350mA，扫描速度8?/min，扫描范围5?～60?。
3 结果与讨论
3.1 天丝和棉样品的X射线衍射图谱
图1是纤维素样品的X射线衍射图谱。从图1中可看到，天丝样品属于再生纤维素纤维，是典型的纤维素Ⅱ结构[6]， 其（101）、（101）、（002）以及（004）晶面分别对应于12.1°、19.9°、21.7°以及34.7°四个衍射峰。而棉样品属于天然纤维素纤维，是典型的纤维素Ⅰ结构[7、8]，其在14.8°、16.3°、22.7°以及34.5°四个位置的衍射峰分别对应于（101）、（101），（002）以及（004）晶面。从图1中可以看到，由于晶体结构的不同而导致其X射线衍射出峰位置和强度有较大的差别。天丝和棉在（101）、（101）、（002）有较大的差别，可以作为区别它们的特征晶面。
将棉和天丝的X射线衍射图谱进行拟合分峰处理，可以进一步了解其内部结构信息。表1是对样品进行拟合分峰后，不同衍射峰所得到的面积。由此可见，天丝和棉的X射线衍射图谱不仅仅在衍射峰位置、衍射峰强度上有较大的差别，而且在不同衍射峰的峰面积上也有较大的差异。
3.1 天丝/棉混合样品的X射线衍射图谱
图2是不同天丝/棉比例样品的X射线衍射图谱，其中B至J表示的是天丝/棉比例分别为10/90至90/10的样品。从图中可以看到，随着混合样品中天丝含量的逐渐增大，混合样品中纤维素Ⅰ的特征衍射图谱逐渐向纤维素Ⅱ特征衍射图谱转换，混合样品衍射图谱中（002）晶面的峰位逐渐减弱，（101）晶面衍射峰位逐渐拉宽。
3.2 衍射峰面积与天丝含量的关系分析
在对天丝/棉混合物进行定量分析时，根据两种纤维素纤维的晶体结构不同，选取其不同晶面所在位置以及衍射峰面积进行分析，即选取混合物中天丝的特征衍射峰12.1°、19.9°、21.7°进行分析，这三个特征衍射峰面积分别用S12.1°、S19.9°、S21.7°表示。在计算三个特征峰位的面积时，首先对混合物的X射线衍射图谱进行分峰拟合，分别选取棉的特征衍射峰14.8°、16.3°、22.7°，天丝的特征衍射峰12.1°、19.9°、21.7°以及34.5°进行分峰拟合，计算12.1°、19.9°、21.7°三个特征峰的面积。由于人为分峰拟合过程中受到测试仪器、人为操作的影响，因此选用了origin软件直接分峰拟合的方式，要求拟合度R2＞0.99；同时，利用软件计算特征衍射峰的面积，结果如表2所示。
表2 特征吸收峰面积与天丝含量的关系
X射线定量分析的原理是利用物质参与衍射的体积或重量与其产生的衍射强度成正比，即混合物中某物相所产生的衍射强度与其在混合物汇总的含量具有相关性。根据Klug-Alexander公式[9]，混合物相中某相的强度与含量存在线性关系，设定特征峰面积为x，天丝含量为y，用Origin软件进行拟合，结果如表3所示。