纤维检测:纤维鉴别的艺术和科学

“为什么鉴别我们周围织物中的纤维如此重要呢?纤维鉴别的重要性有时就在我们眼皮底下。”却被忽视了,棉花公司产品评估和标准部门的主任Norma Keyes这样说。纤维鉴别(纤维ID)使消费者受益。具体来讲,纤维鉴别有助于选择适合纺织品的洗涤方法,纤维鉴别是使洗涤标志有意义的信息。“多年以来,我们使用的都是天然纤维,如棉、毛和麻。每个人都知道怎样保养它们,因此不需要洗涤标志,”她说,“随着人造纤维和各种纱线的出现,以及多种不同洗涤方法的出现,消费者很需要鉴别面料中的纤维并且标注出来。”

纤维鉴别有利于消费者在纤维质量的基础上,根据他们的需要选择合适的纺织品。“纤维鉴别变成消费者用来判断产品的重要的工具,以此可判断产品中是否包含特定的纤维,其质量是否和他们所期望的一样。”纺织技术服务的总裁Adi Chehna指出。例如,一名消费者想买一件保暖的羊毛毛衣,或者买一个耐用的尼龙地毯。“消费者应该了解所买的面料具有何种性能。”Josef Spijkers说,他是CIRFS(国际粘胶和合成纤维协会)的技术顾问,该机构是欧洲人造纤维工业的代表。

纤维鉴别还对纤维生产者有好处。这些公司的市场部门努力提高自己纤维的性能优势,以此来超越其他适合的纤维。“面料的价格与织造所用的纤维质量有。”贝尔加莫大学的纺织后整理专业教授Giuseppe Rosace指出。他还提出纤维鉴别可以为帮助防止假冒产品,进而保护公司的市场投资。

不仅公司的市场投资有了保障,Intertek Labtest的高级客户经理Ed Palomo提到,纤维鉴别还“保护了品牌的声誉和零售商的声誉”。

因为纤维鉴别保证了从生产者、零售商到消费者的每个人的利益,纤维鉴别测试的高度准确就很关键。这就要求持续改进测试方法和培训纤维鉴别技术人员。“从零售商的角度很难理解纤维鉴别是劳动密集型的工作,并且需要从熟悉纤维的人中选择技能熟练的劳动者,”Palomo说,“技术人员的技能非常重要。”

纤维分析

纤维鉴别测试在包括AATCC、ASTM和ISO的很多标准中都有。据Chehna说,ASTM D 123 附录2《纺织相关术语标准》中把纺织纤维划分为四大类:制造(人造或合成)纤维,矿物纤维,动物/蛋白质纤维和植物纤维(种子和果毛,韧皮和叶以及棕榈和杂类)。

纤维分析有两个主要项目:质量和数量。“质量和数量的测试都是必须的,”Spijkers指出,“质量测试区分个体纤维的属性,并确定纤维是否存在于面料样品中;数量测试用来确定面料中纤维的含量。”

测试方法

根据北卡罗来纳州立大学(NCSU)的推广专家 Jan Pegram的说法,确定纤维特性所用的测试方法包括用显微镜外观,光学性能如折射率和双折射,燃烧性能,熔点,溶解性,密度,红外辐射的吸收以及用纤维染色鉴定染色后的颜色。“测试计划是依据实验室仪器和人员技能、纤维样品的数量、测试方法的破坏性以及纤维特性是否能够测试来选择的,”Pergram说,“比如,天然纤维如羊毛和棉就没有熔点。”

“每项测试都有优点和缺点。”Rosace说。有时一种纤维仅用一种方法就可以明确地鉴别出来,Pegram提出把纤维先用一种典型的方法鉴别,然后用一种或多种其他方法证实鉴别结果。“建议使用多于一种的方法――通常包括化学和物理的信息。”Microtrace LLC的总裁Skip Palenik说。他还说“正交”的测试方法从多个角度看问题,使得结果更好、更一致。

Shirley Technologies 公司(BTTG子公司)的业务负责人Ian Strudwick指出,纤维测试通常通过一系列步骤来完成,首先,显微镜观察外观,“纵向和横截面形状,所有表面效应、结构、所有髓质、消光剂的存在以及条纹(见图1)。”然后,测试纤维对火焰的反应:“不燃烧、易燃烧或遇到火焰收缩,外观和火焰的颜色,灰烬,气味和烟。” Strudwick说。然后,技术人员进行一个两步的化学分析:先确定是否存在氯和氮,接着在一系列溶剂中用化学溶解法分析。如果纤维不能用以上3种方法鉴别出来,可以根据纤维的类型用其他的测试方法鉴别,例如熔点法、拉伸性能和FTIR分析。

成品

根据产品的样品生产阶段,纤维分析有不同的方法。一方面,许多实验室都乐意能有一个完整的成品来测试。“原料越多越好。当你有更多原料的时候,你能了解更多。”Palenik说。另一方面,根据美国纤维协会(AFMA)副总裁 Robert Barker的说法,任何应用到后整理工艺的物质都会对纤维的鉴别造成困难。

“不像原料或未经加工的纤维,成品中的纤维可能经过改性或后整理且整理剂很难完全去除。”Chehna说。他还指出,纤维鉴别技术很容易应用到原料和干净纤维上,一旦纤维加工成纺织品――从纱线到成品――他们在测试前很可能需要通过一些方式处理并消除外用整理的影响。“一些外用整理如油剂或蜡,可以很容易地去掉;其他例如抗皱性、阻燃性和拒水性的整理剂可能非常难以去除。”他说,“在极端的情况下,完全去除所应用的整理是不可能的,这样就要求技术人员在这些限制下工作。”见图2。

纤维测试的新领域

Basofil Fibers LLC 的研发副总裁Alan Handermann 提到,技术人员经常被要求鉴别混纺织物中每种纤维的百分含量。对于两种合成纤维混纺,技术人员通常采取化学方法溶解掉一种类型的纤维,剩下另外一种纤维,然后计算每种纤维在织物中的百分比。对于三级(三种纤维)混纺,需要两种不同的化学溶解方法来确定每种纤维的比例。“很显然,产品中纤维的类型越多,化学溶解分析法变得越复杂。有时候化学溶解分析不能作为一个完全的成分分析方法,特别是如果两种纤维成分几乎全部溶解在同一溶剂中时。”Handermann说。

化学溶解纤维法被认为是非常标准的方法,但是如果纤维混纺变得更神秘就要有更复杂的方法来测试。“如果收到一个真实的‘未知’纤维或纤维混纺产品,一个设备齐全,拥有红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)和扫描电镜(SEM)的实验室具有标准的纤维物理测试能力,能成功地识别纤维原料。”Handermann指出。“最近更多的纤维的发展使一些实验室失去了工作能力,”Spijkers说,“实验室需要保持设备更新,但是并没有一种纤维测试需要过于奇特的设备。”

合成纤维

“如果是合成或人造纤维,显微镜能告诉你很多。”Palenik说,“把光学显微镜作为初步的检验是个很好的主意,然后你可以转而用偏光显微镜。其他的技术也可以根据纤维的类型参与进来。你可以鉴别出一些合成纤维的制造商,甚至可能鉴别出特定的染料。”(见图3～图4)

根据Pegram的说法,标准的鉴别程序是为了确定纤维的基本类型,而不是确定商标纤维。“商标纤维的鉴别要求更先进的分析技术,而且纤维的性能鉴别将优先考虑。”她提醒说。

商标纤维

Chehna提到,“商标纤维需要鉴别的原因有几个,如产品不能满足市场要求或者在消费者使用产品时有附加的功能等,”他说,“生产商在生产过程中加入一些微量材料,他们一般使用这些可识别的微量材料来‘标注’商标纤维,而且这些微量材料很难用常规的分析方法来鉴别。它们的鉴别方法是机密的,只有纤维的生产者知道。” Spojkers说,这些微量材料加入纤维的比例只有百万分之几。

所以说,纤维生产商在自家生产的合成纤维鉴别上是最有话语权的。如果法院取证的目的需要鉴别特定的纤维,纤维生产商通常是配合的。“我们试图从纤维生产商那里得到新纤维的样品,建立一个样品库,”Palenik说,“我们已经收集了超过4000份的不同的纤维样品,大部分是从纤维生产商那里得到的。”

英威达莱卡公司纤维品牌的技术部主任Robert Kirkwood说,“英威达公司已经开始着手鉴别自己的商标和品牌氨纶很多年了。我们不得不在客户收到莱卡的吊牌之前对织物进行测试,以确保他们的产品中含有英威达莱卡纤维。因为我们的吊牌和标识代表着对消费品牌的承诺,那就是,使用英威达吊牌的服装的确具有我们的莱卡纤维所提供的质量。我们想要确保品牌和零售商能准确地想向消费者去描绘它。”

Kirkwood说,传统的鉴别方法是通过化学分析来鉴别纤维。然而,这种方法测试的周期可能会有几天甚至几个星期。“当出现假冒产品的问题时,测试时间就变得愈加重要,” Kirkwood说道,“我们开发了一种技术课以瞬间确定一块面料或者服装上是否含有莱卡纤维,准确率为95%,而且没有误报。”这项技术是基于一个电视遥控器大小的专门的探测单元,它可以扫描一块面料,或者商店里挂的衣服甚至仓库里打包的服装。“只要几秒钟,它就能告诉你面料中是否含有莱卡纤维。”Kirkwood说。不像传统的方法那样,破坏掉实物样品来检测,扫描法是基于光学的非破坏性的分析方法。

纤维鉴别跨越了纺织行业

纤维鉴别也在纺织以外的领域体现了价值。Handermann提到的特种纤维,以及纤维鉴别在纸币鉴别上的应用。Kirkwood也指出纤维鉴别在纸张鉴别的应用也可用于政府文件的保密。

纤维鉴别不仅能用于货币和文件的防伪,还能用于古董的防伪。Palenik叙述了他被要求鉴定一件被认为属于阿道夫・希特勒的衣服,这件衣服在细节上是很可信的,但是织制衣服标签面料的纤维类型是在二战后好多年才发明出来的,由此证明这件衣服是赝品。

当然,在纺织业以外的领域,纤维鉴别最著名的应用是在世界各地法医实验室里。这种实验室能通过存留下来的极少量的纺织纤维来查明“犯罪现场,火灾和意外事故的参与者”。Chehna说:“很多报道的案例都是利用地毯、服装和其他物品里的纤维指明犯罪现场的特定人物的身份或出现在现场的某人。”

Palenik提到在他的实验室里有世界上最大的私人纺织纤维样品“收藏”。借助其背后的这个资源,Palenik有时能够从案发现场留下的少数纤维里鉴别一个品牌的地毯――有时具体到特定的某个地毯,这是犯罪调查的重要信息。“相关的经典案例是亚特兰大儿童谋杀案,20世纪80年代初的这个案件就是从嫌疑人家的地毯纤维里发现证据的,并且是利用这种方法为他定罪的。”Pergram说。

简单的纺织纤维不仅是在日常生活中帮助制造我们穿着和使用的织物的最基本元素,而且能在将罪犯绳之以法的复杂任务中大显身手。不仅在纺织领域,纤维检测在每个领域里都是不可或缺的。

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