浅谈羊绒与羊毛纤维鉴别检测的策略与方法.doc

浅谈羊绒与羊毛纤维鉴别检测的策略与方法文/毛晓芳 林素君 胡君曼 龚? 摘要:山羊绒与羊毛纤维虽同属于蛋白质纤维，但化学性质不尽相同，在鳞片结构及纤维细度上有些差异。迄今为止尚无有效的鉴定方法来区分它们。本文总结了目前鉴别羊绒、羊毛纤维的化学、物理及生物方法，比较了它们的特点、优劣与局限性。本文从摩擦性能、热学性能、拉伸性能等方面，提出了几种较为简单的鉴别方法。关键词:摩擦性能;热学性能;拉伸性能;碱溶度差异性;光谱法;羊绒;羊毛纤维山羊绒是名贵的特种动物纤维之一，在当今国际市场上统称为“开士米”（Cashmere），其纤维细、强度大、光泽好，是目前世界纺织原料中品质最好、价格最高的原料之一，被人们誉为“纤维宝石”、“软黄金”。其制品集轻、暖、宽松、手感柔软等其他动物纤维所不及的特点于一体，深受消费者喜爱。由于羊绒纺织性能优异、产量稀少、价格较高，导致山羊绒掺伪现象不断，一些不法分子向山羊绒纤维中掺入价值相对较低的其他纤维（如绵羊毛、兔毛、人造纤维等）。经过多年检测实践发现，近年来掺假手段越来越复杂，所用的掺假原料极易与山羊绒纤维混淆，例如与山羊绒纤维较相似的绵羊绒、改性绵羊毛、Optim (拉伸绵羊毛)、牦牛绒纤维、马海毛、驼绒等。以次充好不仅牟取暴利，破坏了宝贵的山羊绒资源，而且影响了我国的声誉。因此，准确鉴别区分细羊毛与山羊绒纤维是十分必要的。而羊毛与羊绒同属蛋白质纤维，它们的化学组成和组织结构相近，在许多方面如吸湿度、光泽度、密度等也有共同特性，鉴别有一定的困难。1 羊绒、羊毛纤维鉴别检测的常用方法1.1 比较羊绒、羊毛纤维的外观形态和微观结构绵羊毛的鳞片多数呈不规则的环状、斜环状、大瓦块状、龟裂状。排列分布不均匀，边缘翘起明显（见图1左)。环状或斜环状鳞片边缘相互覆盖，侧面观察其两侧呈锯齿状，大瓦块状鳞片彼此覆盖面积小或根本不覆盖，边缘翘起不明显，鳞片较薄（见图1右）。左: 环状、斜环状鳞片( 1000) 右: 瓦块状鳞片( 1500)图1 羊毛的显微结构山羊绒的鳞片结构相似，多数呈环状、斜环状，鳞片清晰，排列较均匀、规则，鳞片长度大于宽度，边缘翘起程度不明显（见图2)。比较羊毛和羊绒纤维的超显微结构发现，羊毛纤维的鳞片间距小，鳞片密度大，交搭的鳞片很多；而羊绒的鳞片间距大，鳞片密度小，显微镜下观察纤维反光柔和且纤维条干均匀（见图2）。1.2 比较羊绒、羊毛纤维的组织结构 1)羊绒纤维由外到内由鳞片层、皮质层组成，不含髓质层，排列顺序规则；而羊毛纤维由外到内则由鳞片层、皮质层及髓质层组成，排列杂乱无序（见图3）。2)羊毛纤维的鳞片排列与羊绒的鳞片相比，紧密且更厚。3)山羊绒纤维和羊毛纤维的主体均为皮质层，但羊毛的正偏皮质在长度方向上转换了方向，而羊绒不换向。图2 羊绒的显微结构左：山羊绒 右：羊毛图3 羊绒、羊毛纤维的组织结构1.3 归纳羊绒、羊毛纤维常用的鉴别方法表1归纳了根据羊绒、羊毛纤维的结构特征进行鉴别的几种常用方法，比较了其局限性。表1 羊绒、羊毛纤维的常用鉴别方法鉴别方法的分类鉴别方法的名称鉴别方法的局限性化学方法燃烧鉴别只能从表面上区分，主观性强染色鉴别只适用于未染色纤维，染色时要绝对均匀，精度不高测纤维中的氨基酸、多肽及脂肪含量因加工处理过程、动物生长环境和喂养饲料的不同而变化物理方法感官鉴别用手摸、拧等感觉来检测，只能从表面上区分，主观性强计算机图像分析法可操作性较复杂，测速慢，成本高，不能反应纤维内部特征扫描电子显微镜法价格昂贵，测试速度慢，有主观性。对数据不能统计计算扩展溶液法将掺伪绵羊毛做预处理，使扩展溶液法无法检出，受到局限光学投影显微镜法图像分辨率低，靠肉眼判断，主观性强，误差大密度梯度法难于鉴别中空纤维光谱法测试速度慢，设备要求高生物方法单核苷酸多态性（SNP）测速慢，成本高，为达到可接受的水平，目前尚未广泛应用DNA法2 羊绒、羊毛纤维鉴别检测的新策略与方法不同的鉴别方法具有不同的特点、优劣与局限性，本文从热学性能、摩擦性能、拉伸性能、碱溶度、光谱特征等方面提出了几种较为简单的鉴别策略方法，希望能对从事检测的人员有所帮助。2.1 羊绒、羊毛纤维结构与热力学性能研究山羊绒、羊毛纤维是天然的生物高聚物，其微细结构是结晶的基原纤分散在无定形基质中，是目前最复杂的纤维。结晶度是指聚合物材料中结晶部分的质量或体积分数，用来表示结晶的程度。结晶度对纤维的热学性能、光学性能、机械性能、定形性能、耐光老化及耐热老化性能等影响很大，因此研究纤维的结晶度具有非常重要的意义。国外在角肮纤维的结晶结构方面研究较多，主要运用广角X射线衍射法（WAXD）和热分析法，热分析法又包括差示扫描量热法(DSC)及热机械分析法(TMA)，而我国很少进行相关研究。下面介绍采用WAXD、DSC技术，深入研究山羊绒、羊毛纤维结晶结构的异同。2.1.1 广角X射线衍射法（WAXD）1由于山羊绒纤维短、单纤维强力低、细度细、柔软、有卷曲，难以得到平行的纤维束，因此采用哈氏切片器将纤维试样切碎成粉末，纤维粉末越细越好，以消除取向，保证其X-射线衍射图谱的各个方位角不变。采用日本理学（Rigaku）DMAX RB-型进行WAXD测试。为比较分析山羊绒、羊毛纤维的曲线（540），将这两种纤维实测的WAXD曲线以2=14的峰谷强度值归一化，如图4所示。粉末样品WAXD方法适合于比较两种纤维结晶度的大小，图4定性地表明山羊绒纤维的结晶度大于羊毛。图4 山羊绒 、羊毛纤维的WAXD曲线比较图采用Segal2提出的计算结晶指数的经验方法,计算山羊绒、羊毛纤维的结晶指数,并进行相对比较。结晶指数计算公式为： (1) CI结晶指数；I9WAXD曲线在2=9左右的最大衍射峰强度；I14WAXD曲线在峰谷2=14的衍射峰强度。根据式（1），山羊绒、羊毛纤维三次测试的平均结晶指数CI分别为 0.48和0.39。如以山羊绒纤维的相对结晶指数为100%，则羊毛纤维的相对结晶指数为81.2%。2.1.2 差示扫描量热仪法(DSC)1采用美国Perkin-Elmer公司的DSC PYRIS-1型进行测试。山羊绒、羊毛纤维的DSC曲线比较图见图5，其熔融峰参数见表2。图5 山羊绒 、羊毛纤维的曲线比较图表2 山羊绒、羊毛纤维熔融峰参数（三次测试结果的平均值）样品tm1/tm2/(tm2- tm1) /起融温度/熔融焓H/(J.g-1)山羊绒235.4092415.591226.70922.082羊 毛234.1472416.853226.16416.734注：第一个熔融峰温tm1由DSC程序自动计算出，第二个熔融峰温tm2为人工测出。从图5可以看出，山羊绒纤维的双熔融峰形态与羊毛纤维有细微差异。Tester D.H.3报道两种纤维的双熔融峰形态差异或许与皮质细胞的含量不同有关。Wortmann F-J4，5、Huson M.6报道了羊毛在水中的双熔峰温度（见表3），其DSC仪器程序自动计算出的山羊绒纤维双熔融峰的熔融烩H为22.082J/g,羊毛纤维的熔融烩H为16.734 J/g。由于-角阮纤维的熔融烩反映了-结晶度，可见山羊绒纤维的-结晶度较羊毛纤维高。如以山羊绒纤维的-结晶度为100%,则羊毛纤维相对为75.8%。表3 美利奴细羊毛在水中的双融融峰温度研究者tm1/tm2/(tm2- tm1) /WortmannF-J4,5138.90.70143.00.784.20.98Husan M6146.9152.25.32.1.3热力学的研究结论山羊绒、羊毛纤维的WAXD衍射峰强度及DSC熔融烩的比较分析表明：山羊绒纤维的结晶度、-结晶度均高于羊毛纤维，大分子排列规整性好；羊毛纤维的结晶度、-结晶度度分别为山羊绒纤维的81.2%及75.8%；山羊绒纤维的玻璃化温度比羊毛纤维高约5，转化范围宽约5。2.2 羊绒羊毛纤维结构与摩擦性能研究采用 Y151 型摩擦因数测定仪进行纤维与皮辊的静摩擦因数和动摩擦因数测试7，测出顺、逆鳞片的静、动摩擦因数，如表4所示。表4 超细羊毛、山羊绒纤维的摩擦性能对比品种静摩擦因数静摩擦效应/%动摩擦因数动摩擦效应/%顺鳞片逆鳞片顺鳞片逆鳞片细羊毛0.3510.61927.980.2940.49024.98羊绒0.3960.59320.270.2920.41617.54由上表可以看出，羊绒羊毛纤维的静摩擦因数均大于动摩擦因数，羊绒的摩擦效应值低于细羊毛纤维。因此，从防止羊毛缩绒的效果来看羊绒纤维比羊毛纤维好，羊绒纤维在摩擦性能上明显优化于羊毛纤维。2.3 羊绒羊毛纤维结构与拉伸性能研究8在单纤维拉伸实验前，用光学显微镜测试其直径，每根纤维测5个位置，取其平均值为该根纤维的直径(m)，并将其换算为线密度（dtex）。进行单纤维拉伸实验时，输入所测纤维的线密度，实验完成后仪器可自动计算出该根纤维的比强度、拉伸模量及断裂比功等。采用Hearle法确定山羊绒、羊毛纤维有代表性的拉伸应力应变曲线，即选出强力、断裂伸长率及拉伸模量最接近平均值的单纤维的强伸曲线为该样品的代表性曲线9。采用 Rheometric Scientific DMTA 动态热机械分析仪测试拉伸应力。拉伸应力松弛的指标:残余应力率 =( t)/(1) = F( t)/F(1)拉伸变形程度 =F(1) - F( t)/F(1) 100 %拉伸应力松弛速率为残余应力率的时间对数关系拟合直线斜率的绝对值。图6 山羊绒单纤维拉伸及拉伸应力松弛曲线2.3.1 比较山羊绒与羊毛纤维的强伸性能8采用t检验，在a= 0.05水平下与羊毛相比，山羊绒单纤维线密度小、断裂强力低、拉伸模量高、比强度高，但断裂伸长率、断裂比功没有明显差异（见表5）。表5 山羊绒、 羊毛纤维的强伸性能对比项目山羊绒羊毛纤维线密度/dtex平均值2.393.30标准差0.621.06断裂强力/cN平均值3.854.80标准差1.251.29断裂伸张率/%平均值43.1245.56标准差5.866.96比强度/（cN/dtex-1）平均值1.631.43标准差0.430.32拉伸模量/（cN/dtex-1）平均值35.1725.08标准差8.346.73断裂比功/（cN/dtex-1）平均值0.450.41标准差0.150.14-角朊纤维拉伸应力应变曲线的拉伸模量主要与-螺旋链的结晶度有关，结晶度越高纤维拉伸模量越高。山羊绒纤维拉伸模量高于羊毛的力学性能（见图7）,这与分析仪器测试结果1相一致。图7 山羊绒、羊毛纤维的拉伸应力应变代表性曲线 图8山羊绒、羊毛单纱残余应力率时间关系曲线2.3.2 比较山羊绒、羊毛单纱的松弛性能8由山羊绒、羊毛单纱在115%拉伸应变、80热空气中残余应力率时间关系曲线（见图8）可以看出，山羊绒单纱的残余应力率大于羊毛，即山羊绒单纱的拉伸松弛速率慢于羊毛。这是由于山羊绒纤维结晶度高于羊毛，在相同条件下，大分子运动能力较弱。2.3.3拉伸性能的研究结论与羊毛相比，山羊绒纤维的比强度、拉伸模量高，弹性特征更明显，该力学特性与山羊绒纤维-结晶度高于羊毛相一致。 纱线、织物的定形过程是指通过物理、化学或物理化学的处理，使其内部的应力松弛，达到最小能量平衡状态。在同样条件下，山羊绒纤维拉伸松弛速率慢于羊毛，说明山羊绒纱线与羊毛纱线相比较难定形。2.4 羊绒、羊毛纤维碱溶度差异的研究102.4.1 原理碱溶度研究主要测定了羊绒及羊毛纤维在NaOH 溶液中的溶解度随溶液浓度、温度及作用时间的变化情况。碱对蛋白质纤维有明显的破坏作用，碱能使蛋白质纤维大分子中的盐式键断开（与羟基起化合作用），并使胱胺酸发生水解。反应式如下:形成的硫醇基（亚磺酸）对碱性介质不稳定，分解成醛和硫化钠，纤维部分溶于碱而使重量变轻。碱溶度的计算公式如下： (2) 式（2）中，G1 为原试样干重；G2 为残留试样干重。2.4.2碱溶度测定11参照羊毛与涤纶定量分析中所用的仪器和步骤，测出经各种条件的碱溶液溶后的残留试样干重，然后按式(2)计算碱溶度。羊绒及羊毛的碱溶度随温度、碱浓度、处理时间变化的试验结果分别见表6、表7、表8。表6羊绒及羊毛的碱溶度随温度的变化情况温度/30455565碱溶度/%羊绒2.456.339.2710.20羊毛1.227.2112.0217.01 试验条件:碱浓度0.5%,处理时间45min。表7 羊绒和羊毛的碱溶度随碱浓度的变化情况碱浓度/%0.250.50.751碱溶度/%羊绒6.478.4616.6534.59羊毛4.9314.2933.3053.20试验条件:温度65,处理时间30min。表8 羊绒和羊毛的碱溶度随处理时间的变化情况处理时间/min15304560碱溶度/%羊绒11.7816.6537.3742.61羊毛6.5033.050.2854.75 试验条件:温度65,碱浓度0.75%。羊绒、羊毛纤维的碱溶度都随着NaOH浓度的升高、温度的升高及处理时间的增加而增大。在初始的处理过程中(低温、低浓度、短时间),羊绒的碱溶度略大于羊毛但差异不大。随着作用的加剧，羊毛的碱溶度又大于羊绒,并且差异越来越大,随后在某一位置差值不再明显增加。碱浓度的影响最大，时间的影响次之，温度的影响最小。2.4.3 碱溶度差异性研究的结论在温度65、碱溶液浓度0.75%、处理30min时，羊绒与羊毛的碱溶度差异最大，分别为33.3%和16.65%，此条件可作为羊绒、羊毛含量定量分析的条件。2.5 利用光谱法鉴别羊绒、羊毛的研究2.5.1 利用近红外光谱技术进行鉴别12近红外光谱(NIR)是指波长为7002500nm的光谱。它主要测定的是样品中XH键（这里 X代表C、N、O、S等)在中红外区基频振动的谐波和组合谐波吸收。与其它分析技术(如 IR)明显不同，近红外光谱技术是一种间接分析技术,它首先需要利用常规分析手段获得所选校正样品集中目标组分或性质的基本数据,再运用化学计量学方法建立校正模型,最终实现对未知样本的定性或定量分析。NIR光谱扫描采用DS型近红外分析仪及其 Vision 软件 (美国Foss公司提供)。将羊毛或羊绒样品装入大样品池中,采用反射模式采集NIR光谱图。扫描所得原始谱图如图9所示。图9羊绒、羊毛的原始NIR光谱图近红外光谱区域的峰较宽且峰与峰常常重叠，由于羊绒与羊毛具有几乎相同的化学结构，因此羊绒和羊毛的原始谱图看起来非常相似。为了消除样品的不均匀性，首先采用 Vision 软件提供的标准正规变差(SNV)功能对原始谱图进行处理，如图10所示。再对原始谱图求取二阶导数，以降低基线的漂移，强化光谱信号，如图11所示。随后建立羊绒、羊毛的数学鉴定模型进行验证，结果表明12,此方法对羊绒、羊毛的鉴别基本正确。因此，利用近红外光谱技术可以在不破坏样品的情况下鉴别羊绒和羊毛。与目前常用的羊毛、羊绒鉴别方法相比，此方法操作简单，无需样品前处理，所需检测时间短，通常1 min内即可完成。需要注意的是，近红外光谱进行定性鉴别的准确性、可靠性，很大程度上取决于所建立数据库模型的代表性。图10应用标准正规变差(SNV)处理后羊毛、羊绒NIR谱图图11 同时应用SNV和二阶导数处理后的羊绒、羊毛NIR谱图（2）羊绒、羊毛鉴定模型的建立2.5.2 采用激光显微拉曼光谱技术进行鉴别13采用法国Dilor公司生产的LABRAM00型激光显微拉曼光谱仪，扫描范围定为4001 750cm。山羊绒、羊毛纤维分别测试5次。为比较山羊绒、羊毛纤维内部基团振动的强度即拉曼强度的差异，选定该谱带作为内标，得到山羊绒、羊毛纤维归一化后的拉曼光谱图，见图12。图12 山羊绒、羊毛纤维归一化后的拉曼光谱图表9 山羊绒、羊毛纤维主要普带的拉曼强度样品I510/I1450I1248/I145I1653/I1450山羊绒0.5750.2581.192羊毛0.9550.4031.136注：In 即为频率为n cm-1的拉曼强度根据图12和表9，山羊绒、羊毛纤维的结构主要有以下两方面的差异：（1）二硫键含量