RU2854485C1 - Method for identifying fibres - Google Patents
Method for identifying fibresInfo
- Publication number
- RU2854485C1 RU2854485C1 RU2025114665A RU2025114665A RU2854485C1 RU 2854485 C1 RU2854485 C1 RU 2854485C1 RU 2025114665 A RU2025114665 A RU 2025114665A RU 2025114665 A RU2025114665 A RU 2025114665A RU 2854485 C1 RU2854485 C1 RU 2854485C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- analysis
- fibers
- identifying
- fibre
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области аналитической техники, в частности к способам идентификации материалов, и может быть использовано для идентификации различных типов волокон, например, в криминалистике при анализе следовых количеств вещественных доказательств, в текстильной промышленности для контроля состава сырья и готовой продукции, в материаловедении для исследования свойств волокнистых материалов, а также при экспресс-анализе и контроле качества.The invention relates to the field of analytical technology, in particular to methods for identifying materials, and can be used to identify various types of fibers, for example, in forensic science when analyzing trace amounts of material evidence, in the textile industry for monitoring the composition of raw materials and finished products, in materials science for studying the properties of fibrous materials, as well as in express analysis and quality control.
Из уровня техники известен ряд способов идентификации волокон:A number of methods for identifying fibers are known from the prior art:
1. ГОСТ Р 56561-2015. Стандарт предусматривает идентификацию волокон методом горения в открытом пламени (для идентификации используют визуальный и органолептический метод анализа запаха, вида пламени, остатков).
Недостатки:1. GOST R 56561-2015. The standard provides for the identification of fibers using the open flame combustion method (visual and organoleptic methods of odor analysis, flame appearance, and residues are used for identification).
Flaws:
• Опасность: риск возгорания и ожогов при работе с открытым огнём.• Danger: Risk of fire and burns when working with open flame.
• Разрушение образца: требует макроколичеств материала (более 0,1 г), что неприменимо для микроследов.• Sample destruction: requires macro quantities of material (more than 0.1 g), which is not applicable for microtraces.
• Ограничения: не различает синтетические волокна со схожими характеристиками горения (например, полиэстер и нейлон). • Limitations: Does not differentiate between synthetic fibers with similar combustion characteristics (e.g., polyester and nylon).
2. Патент CN 101187635 (Рамановская спектроскопия). Определение состава волокон производят по спектрам комбинационного рассеяния без разрушения образца.
Недостатки:2. Patent CN 101187635 (Raman spectroscopy). Fiber composition is determined using Raman spectra without sample destruction.
Flaws:
• Сложность анализа смесей: наложение спектров компонентов затрудняет интерпретацию.• Complexity of mixture analysis: overlapping spectra of components makes interpretation difficult.
• Чувствительность к загрязнениям: пыль или красители искажают сигнал.• Sensitivity to contamination: dust or dyes distort the signal.
• Ограниченная глубина анализа: не выявляет внутреннюю структуру многослойных волокон. • Limited depth of analysis: does not reveal the internal structure of multilayer fibers.
3. Патент US 9719853 использует лазерно-индуцированную эмиссионную спектроскопию для элементного анализа волокон по плазменному излучению.
Недостатки:3. US Patent 9719853 uses laser-induced emission spectroscopy for elemental analysis of fibers from plasma radiation.
Flaws:
• Деструктивность: высокая мощность лазера (более 100 мВт) повреждает образец.• Destructiveness: high laser power (more than 100 mW) damages the sample.
• Сложная калибровка: требует эталонных образцов для каждого типа волокна.• Complex calibration: requires reference samples for each fiber type.
• Оборудование: громоздкие системы с вакуумными камерами.• Equipment: bulky systems with vacuum chambers.
• Ограничения: нет данных по идентификации органических волокон.• Limitations: No data on the identification of organic fibers.
4. Патент RU 2312325 (Лазерный микроанализатор). Производит анализ волокон пикосекундным лазером (5–5000 пс) с регистрацией спектра плазмы.
Недостатки:4. Patent RU 2312325 (Laser microanalyzer). Performs fiber analysis with a picosecond laser (5–5000 ps) and plasma spectrum recording.
Flaws:
• Дороговизна: пикосекундные лазеры и спектрометры высокого разрешения увеличивают стоимость.• Expensive: Picosecond lasers and high-resolution spectrometers add to the cost.
• Техническая сложность: требует точной фокусировки луча и защиты от вибраций.• Technical complexity: requires precise beam focusing and vibration protection.
• Время подготовки: длительная настройка параметров для разных материалов.• Preparation time: time-consuming adjustment of parameters for different materials.
• Риск перегрева: даже короткие импульсы могут обугливать тонкие волокна. • Risk of overheating: Even short pulses can char fine fibres.
5. Патент RU 2085914 (Импульсная лампа). Идентификация волокон по люминесценции, возбуждаемой импульсной ксеноновой лампой.
Недостатки:5. Patent RU 2085914 (Pulse lamp). Identification of fibers by luminescence excited by a pulsed xenon lamp.
Flaws:
• Низкая чувствительность: предел обнаружения ≥1% синтетических волокон в смеси.• Low sensitivity: detection limit ≥1% synthetic fibers in the mixture.
• Фотообесцвечивание: многократные импульсы разрушают красители.• Photobleaching: Multiple pulses destroy the dyes.
• Помехи: фоновая люминесценция от примесей (например, отбеливателей).• Interference: background luminescence from impurities (e.g. bleaches).
• Энергопотребление: лампа требует мощного источника питания (более 500 Вт).• Power consumption: the lamp requires a powerful power source (more than 500 W).
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбран способ идентификации текстильных волокон, описанный в патенте CN 114993873 A (опубл. 09.09.2022). Способ-прототип заключается в обнаружении образца с помощью сопряженного метода термогравиметрии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (TGA-FTIR). В ходе анализа образец нагревают в печи термогравиметрического анализатора по заданной температурной программе, регистрируя изменение его массы (ТГ-кривая) и первую производную изменения массы (ДТГ-кривая). Одновременно газообразные продукты, выделяющиеся при термическом разложении образца, через нагреваемый интерфейс подаются в газовую кювету ИК-Фурье спектрометра, где регистрируются их ИК-спектры поглощения. Тип волокна определяют путем комплексного анализа полученных данных: характерных температур потери массы на ТГ/ДТГ кривых и идентификации выделяющихся газов по их ИК-спектрам.The method for identifying textile fibers described in patent CN 114993873 A (published September 9, 2022) was selected as the closest analogue (prototype). The prototype method involves detecting a sample using a coupled method of thermogravimetry and Fourier transform infrared spectroscopy (TGA-FTIR). During analysis, the sample is heated in the oven of a thermogravimetric analyzer according to a predetermined temperature program, recording its mass change (TG curve) and the first derivative of the mass change (DTG curve). Simultaneously, gaseous products released during thermal decomposition of the sample are fed through a heated interface into the gas cell of a FTIR spectrometer, where their IR absorption spectra are recorded. The fiber type is determined through a comprehensive analysis of the obtained data: characteristic mass loss temperatures on the TG/DTG curves and the identification of the released gases based on their IR spectra.
Недостатки прототипа:Disadvantages of the prototype:
Несмотря на возможность идентификации широкого спектра волокон, способ-прототип обладает рядом недостатков, ограничивающих его применение, особенно для экспресс-анализа или анализа микроколичеств:Despite the ability to identify a wide range of fibers, the prototype method has a number of disadvantages that limit its application, especially for rapid analysis or micro-quantity analysis:
• Сложность и высокая стоимость оборудования: реализация метода требует наличия дорогостоящего и сложного оборудования – сопряженной системы TGA-FTIR, включая высокоточный термогравиметрический анализатор, ИК-Фурье спектрометр и специальный термостатируемый интерфейс для передачи газов. Это делает метод доступным в основном для специализированных лабораторий.• Complexity and high cost of equipment: implementation of the method requires expensive and sophisticated equipment – a coupled TGA-FTIR system, including a high-precision thermogravimetric analyzer, a Fourier transform infrared spectrometer, and a special thermostatted interface for gas transfer. This makes the method accessible mainly to specialized laboratories.
• Требование к количеству образца: для получения достоверных данных методами TGA обычно требуется масса образца порядка нескольких миллиграмм. Это неприемлемо при работе со следовыми количествами волокон (например, единичные волокна в криминалистике), масса которых может составлять микрограммы или доли микрограмма.• Sample size requirement: TGA methods typically require sample masses in the order of milligrams to obtain reliable data. This is unacceptable when working with trace amounts of fibres (e.g., single fibres in forensics), which may be in the microgram or fractional microgram range.
• Длительность анализа: проведение полного цикла анализа по методу TGA-FTIR, включая нагрев образца по программе и регистрацию данных, занимает значительное время (от десятков минут до часа), что не подходит для задач быстрой идентификации.• Duration of analysis: carrying out a full analysis cycle using the TGA-FTIR method, including heating the sample according to the program and recording data, takes a significant amount of time (from tens of minutes to an hour), which is not suitable for rapid identification tasks.
• Стационарность: громоздкость и сложность оборудования TGA-FTIR исключают возможность создания простого, компактного и портативного устройства для проведения анализа вне лаборатории (например, на месте происшествия или при входном контроле сырья).• Stationarity: the bulkiness and complexity of TGA-FTIR equipment precludes the possibility of creating a simple, compact and portable device for analysis outside the laboratory (for example, at the scene of an incident or during incoming inspection of raw materials).
Указанные недостатки препятствуют использованию способа-прототипа для решения задач быстрой, безопасной, экономичной и простой идентификации именно микроколичеств (следовых количеств) волокон.The above mentioned disadvantages prevent the use of the prototype method for solving problems of fast, safe, economical and simple identification of micro-quantities (trace quantities) of fibers.
Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ идентификации волокон, включающий размещение волокна на подложке и термическое воздействие на него с последующей оценкой результата взаимодействия для определения типа волокна.The following essential features have been identified for the claimed invention in common with the prototype: a method for identifying fibers, including placing the fiber on a substrate and thermal exposure to it, followed by an evaluation of the result of the interaction to determine the type of fiber.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простого, безопасного, экономичного и быстрого способа идентификации микроколичеств (массой от 0,00002 г до 0,1 мг) различных типов волокон, не требующего сложного стационарного оборудования и позволяющего проводить анализ в экспресс-режиме, в том числе вне лаборатории.The technical problem that the claimed invention is aimed at solving is the creation of a simple, safe, economical and fast method for identifying microquantities (weighing from 0.00002 g to 0.1 mg) of various types of fibers that does not require complex stationary equipment and allows for rapid analysis, including outside the laboratory.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является упрощение процесса идентификации волокон, повышение безопасности анализа (за счет исключения открытого пламени и использования низкоэнергетического лазерного излучения, безопасного для оператора при соблюдении элементарных мер предосторожности), снижение затрат на оборудование (возможность использования широкодоступных и недорогих диодных лазеров), сокращение времени анализа до нескольких секунд, а также обеспечение возможности надежной идентификации микроколичеств волокнистого материала (массой от 0,00002 г).The technical result achieved by using the invention is a simplification of the fiber identification process, an increase in the safety of analysis (due to the elimination of open flame and the use of low-energy laser radiation, which is safe for the operator if basic safety precautions are observed), a reduction in equipment costs (the possibility of using widely available and inexpensive diode lasers), a reduction in analysis time to several seconds, and the provision of the possibility of reliable identification of microquantities of fibrous material (weighing from 0.00002 g).
Поставленная техническая проблема решается, и указанный технический результат достигается за счет того, что в способе идентификации волокон, включающем размещение волокна и термическое воздействие на него с последующей оценкой результата взаимодействия для определения типа волокна, согласно изобретению, в качестве термического воздействия используют кратковременное (0,1-2 секунды) облучение участка волокна сфокусированным непрерывным лазерным излучением с длиной волны в видимом диапазоне 380-450 нм и мощностью, не превышающей 5 мВт, а тип волокна определяют путем непосредственного визуального наблюдения (с помощью увеличительных приборов, таких как лупа или микроскоп) и анализа характера взаимодействия волокна с указанным лазерным излучением, включающего как минимум один из следующих признаков: характер оплавления, изменение цвета, дымообразование, характер горения, и сравнения наблюдаемого характера взаимодействия с эталонными данными для известных типов волокон, а также тип волокна определяют путем отбора газообразных продуктов взаимодействия и анализа их состава инструментальными методами (например, газовая хроматография или масс-спектрометрия).The stated technical problem is solved, and the specified technical result is achieved due to the fact that in the method for identifying fibers, including the placement of the fiber and thermal action on it, followed by an evaluation of the result of the interaction to determine the type of fiber, according to the invention, short-term (0.1-2 seconds) irradiation of a section of the fiber with focused continuous laser radiation with a wavelength in the visible range of 380-450 nm and a power not exceeding 5 mW is used as a thermal action, and the type of fiber is determined by direct visual observation (using magnifying devices, such as a magnifying glass or microscope) and analysis of the nature of the interaction of the fiber with the said laser radiation, including at least one of the following features: the nature of melting, color change, smoke formation, the nature of combustion, and a comparison of the observed nature of the interaction with reference data for known types of fibers, and the type of fiber is determined by sampling gaseous products of the interaction and analyzing their composition using instrumental methods (for example, gas chromatography or mass spectrometry).
В исследовании проанализированы 12 типов волокон и их комбинации. В примерах представлены полиэстер, нейлон, шёлк, шерсть, акрил.The study analyzed 12 fiber types and their combinations. Examples include polyester, nylon, silk, wool, and acrylic.
Подробное описание способа:Detailed description of the method:
Способ осуществляют следующим образом (см. фиг. 1).The method is carried out as follows (see Fig. 1).
1. Подготовка и размещение образца: исследуемое волокно 2 (или его фрагмент) массой порядка 0,00002 г или более (примерно до 0,1 мг) размещают на инертной (негорючей) подложке 1 (например, предметном стекле, металлической или керамической пластине) или закрепляют в держателе (например, микропинцете). Специальной подготовки образца не требуется. 1. Sample preparation and placement: the fiber 2 to be tested (or a fragment thereof) weighing approximately 0.00002 g or more (up to approximately 0.1 mg) is placed on an inert (non-flammable) substrate 1 (e.g., a glass slide, metal, or ceramic plate) or secured in a holder (e.g., microtweezers) . No special sample preparation is required.
2. Фокусировка лазерного излучения и облучение образца: включается лазер 3, его луч 4 направляется и фокусируется на исследуемом волокне 2. В зависимости от природы волокна, оно ведёт себя по-разному. Используют источник непрерывного лазерного излучения видимого диапазона, предпочтительно диодный лазер 3 с длиной волны в диапазоне 380-450 нм, с предпочтительным оптимальным показателем около 405 нм. 2. Focusing the laser beam and irradiating the sample: Laser 3 is turned on, and its beam 4 is directed and focused on the fiber 2 being studied. Depending on the fiber's nature, its behavior varies. A continuous laser source in the visible range is used, preferably a diode laser 3 with a wavelength in the range of 380-450 nm, with a preferred optimum wavelength of approximately 405 nm.
Обоснование диапазона длин волн 380–450 нмJustification for the wavelength range of 380–450 nm
Таблица 1. Экспериментальные данные по поглощению излучения разными волокнами. Table 1. Experimental data on radiation absorption by different fibers.
Вывод: диапазон 380–450 нм выбран, так как в нём наблюдается максимальное поглощение для большинства органических и синтетических волокон. Например:Conclusion: The 380–450 nm range was chosen because it exhibits maximum absorption for most organic and synthetic fibers. For example:
• Полиэстер: пик поглощения при 405 нм (85%) обусловлен ароматическими группами в составе.• Polyester: The absorption peak at 405 nm (85%) is due to the aromatic groups in the composition.
• Шерсть: поглощение на 420 нм (70%) связано с дисульфидными связями в кератине.• Wool: absorption at 420 nm (70%) is due to disulfide bonds in keratin.
• Хлопок: целлюлоза поглощает в УФ-области (380 нм), но при 405 нм коэффициент поглощения достаточен для нагрева (65%).• Cotton: cellulose absorbs in the UV region (380 nm), but at 405 nm the absorption coefficient is sufficient for heating (65%).
Эксперимент: при облучении полиэстера лазером 450 нм (мощность 5 мВт) время оплавления увеличивается до 1,5 сек (против 0,5 сек при 405 нм). Для шерсти при 380 нм обугливание начинается через 3 сек (против 2 сек при 405 нм). Это подтверждает оптимальность диапазона 380–450 нм.Experiment: When irradiating polyester with a 450 nm laser (5 mW power), the melting time increases to 1.5 seconds (versus 0.5 seconds at 405 nm). For wool, charring begins after 3 seconds at 380 nm (versus 2 seconds at 405 nm). This confirms the optimal range of 380–450 nm.
Обоснование выбора длины волны 405 нм. Justification for choosing the wavelength of 405 nm.
Выбор оптимальной длины волны 405 нм обусловлен хорошим поглощением излучения многими окрашенными и некоторыми неокрашенными органическими полимерами, в отличие от более длинноволнового ИК-излучения, которое может проходить сквозь некоторые волокна без взаимодействия при низких мощностях, доступностью и низкой стоимостью таких лазеров, а также возможностью визуального контроля положения луча 4. The choice of the optimal wavelength of 405 nm is due to the good absorption of radiation by many colored and some uncolored organic polymers, in contrast to longer-wavelength IR radiation, which can pass through some fibers without interaction at low powers, the availability and low cost of such lasers, as well as the possibility of visual control of the beam position 4.
Причины эффективности 405 нм:Reasons for the effectiveness of 405 nm:
• Высокое поглощение органическими полимерами (коэффициент поглощения для полиэстера: ~85%, для нейлона: ~78%).• High absorption by organic polymers (absorption coefficient for polyester: ~85%, for nylon: ~78%).
• Минимальная отражательная способность в УФ-видимом диапазоне (менее 10%).• Minimal reflectivity in the UV-visible range (less than 10%).
• Низкая энергия фотонов (3,06 эВ) исключает фотохимическую деградацию волокон.• Low photon energy (3.06 eV) eliminates photochemical degradation of fibers.
Неэффективность 765 нм:Inefficiency 765 nm:
• Коэффициент поглощения для полиэстера: ~5%.• Absorption coefficient for polyester: ~5%.
• Для достижения плотности мощности 255 Вт/см² при 765 нм потребовалась бы мощность 25,5 Вт, что недопустимо по соображениям безопасности.• To achieve a power density of 255 W/cm² at 765 nm, a power of 25.5 W would be required, which is unacceptable for safety reasons.
• Полиэстер: Нагрев до 60°C (недостаточно для плавления). На фиг.3 представлена микрофотография волокон полиэстера, облучённых лазером 765 нм.• Polyester: Heating to 60°C (not hot enough to melt). Fig. 3 shows a micrograph of polyester fibers irradiated with a 765 nm laser.
• Нейлон: Температура в зоне воздействия — 55°C.• Nylon: Temperature in the impact area is 55°C.
• Хлопок/шерсть: Отсутствие видимых изменений.• Cotton/Wool: No visible changes.
Вывод: длина волны 765 нм не обеспечивает достаточного поглощения для термического воздействия при безопасных мощностях (не более 5 мВт). Conclusion: The 765 nm wavelength does not provide sufficient absorption for thermal effects at safe powers (no more than 5 mW).
Таблица 2. Экспериментальные данные по эффективности взаимодействия с различными волокнами:Table 2. Experimental data on the efficiency of interaction with different fibers:
Излучение лазера (405 нм, менее 5 мВт) фокусируют с помощью простой линзы (например, короткофокусной одиночной линзы или объектива с небольшим увеличением) в пятно до 50 мкм на выбранный участок волокна 2. Что обеспечивает безопасный локальный нагрев волокна для визуального анализа оплавления/обугливания. Размер пятна фокусировки подбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточную плотность мощности для термического воздействия. Фокусировка луча до 50 мкм позволяет анализировать единичные волокна массой 0,00002–0,1 мг. Laser beam (405 nm, less than 5 mW) is focused using a simple lens (e.g., a short-focus single lens or a low-magnification objective) to a spot of up to 50 µm on the selected section of fiber 2. This ensures safe localized heating of the fiber for visual analysis of melting/charring. The focusing spot size is selected to ensure sufficient power density for thermal action. Focusing the beam to 50 µm allows for the analysis of individual fibers weighing 0.00002–0.1 mg.
Параметры фокусировки лазерного излучения:Laser beam focusing parameters:
• Тип линзы/объектива: используется ахроматическая линза с фокусным расстоянием 10 мм (например, Thorlabs AC254-010-A-ML).• Lens/Objective Type: Uses a 10mm achromatic lens (e.g. Thorlabs AC254-010-A-ML).
Обоснование: Ахроматическая линза минимизирует хроматические аберрации, обеспечивая четкую фокусировку в видимом диапазоне. Rationale: Achromatic lens minimizes chromatic aberration, providing sharp focusing in the visible range.
• Размер пятна фокусировки: диаметр пятна рассчитывается по формуле:• Focus spot size: The spot diameter is calculated using the formula:
d=2⋅λ⋅f / π⋅D,d=2⋅λ⋅f / π⋅D,
где: λ=405нм, f=10мм, D=3мм (диаметр коллимированного пучка на входе линзы).where: λ = 405 nm, f = 10 mm, D = 3 mm (diameter of the collimated beam at the lens entrance).
Подставляя значения: d=2⋅405⋅10−9⋅0,01 / π⋅0,003≈8,6 μm.Substituting the values: d=2⋅405⋅10 −9 ⋅0.01 / π⋅0.003≈8.6 μm.
Фактический диаметр пятна с учетом дифракции и погрешностей: 10–50 мкм. Actual spot diameter taking into account diffraction and errors: 10–50 µm.
• Плотность мощности в пятне: для мощности лазера P=5 мВт и диаметра пятна d=50 мкм• Power density in the spot: for laser power P=5 mW and spot diameter d=50 µm
Площадь пятна=π⋅ (50⋅10−6 / 2)2≈1,96⋅10−9 м2=1,96⋅10−5 см2.Spot area = π⋅ (50⋅10 −6 / 2) 2 ≈1.96⋅10 −9 m 2 = 1.96⋅10 −5 cm 2 .
Плотность мощности=5⋅10−3 / 1,96⋅10−5≈255 Вт/см2. Power density = 5⋅10 −3 / 1.96⋅10 −5 ≈255 W/cm 2 .
Это значение достаточно для локального нагрева и оплавления большинства полимерных волокон.This value is sufficient for local heating and melting of most polymer fibers.
• Контроль мощности менее 5 мВт:• Power control less than 5 mW:
Лазерный модуль оснащен встроенным фотодиодом и схемой обратной связи, обеспечивающей стабильность мощности в диапазоне 3–5 мВт (погрешность ±2%). Калибровка проводится с помощью эталонного измерителя мощности (например, Ophir Vega).The laser module is equipped with a built-in photodiode and feedback circuitry, ensuring power stability in the 3–5 mW range (with an accuracy of ±2%). Calibration is performed using a reference power meter (e.g., Ophir Vega).
Облучение производят в течение короткого времени, как правило, от 0,1 до 2 секунд. Точное время зависит от типа и толщины волокна, степени фокусировки и подбирается таким образом, чтобы успели проявиться характерные признаки взаимодействия.Irradiation is performed for a short time, typically 0.1 to 2 seconds. The exact duration depends on the fiber type and thickness, as well as the degree of focusing, and is selected to allow time for the characteristic signs of interaction to appear.
Например, единичное волокно 0,00003 г полиамида (диаметр 20 мкм) полностью оплавляется за 0,5 сек, формируя шарик диаметром 50 мкм. For example, a single 0.00003 g polyamide fiber (20 µm diameter) melts completely in 0.5 sec, forming a ball with a diameter of 50 µm.
Методика подбора времени воздействия:Methodology for selecting the exposure time:
• Фиксированные интервалы: для первичного анализа используется время 1 сек. Если эффекты не наблюдаются, время увеличивают до 2 сек.• Fixed intervals: For the initial analysis, a time of 1 sec is used. If no effects are observed, the time is increased to 2 sec.
• Адаптивный алгоритм: при работе с неизвестными образцами используется микроскоп с камерой. Оператор прекращает облучение при появлении первых признаков взаимодействия (оплавление, дым).• Adaptive algorithm: when working with unknown samples, a microscope with a camera is used. The operator stops irradiation at the first signs of interaction (melting, smoke).
• Пример для полиамида:• Example for polyamide:
- 0,1 сек: начало размягчения волокна.- 0.1 sec: start of fiber softening.
- 0,3 сек: образование шарика расплава.- 0.3 sec: formation of a melt ball.
- 0,5 сек: полное оплавление.- 0.5 sec: complete melting.
3. Наблюдение и анализ результата взаимодействия: в процессе облучения и непосредственно после него производят наблюдение (визуально, при необходимости с использованием лупы или микроскопа) за характером взаимодействия волокна с лазерным излучением. Например, лупа ×5 (например, Carson MicroBrite) или микроскоп Olympus CX23 (увеличение ×40) обеспечивают визуализацию зоны воздействия. Обязательное условие: освещение зоны воздействия белым светом (светодиодная подсветка 5000 К). Наблюдение и анализ проводят известными способами, в том числе описанными в ГОСТ Р 56561-2015.3. Observation and analysis of the interaction result: During and immediately after irradiation, observe (visually, using a magnifying glass or microscope if necessary) the nature of the fiber's interaction with the laser radiation. For example, a ×5 magnifying glass (e.g., Carson MicroBrite) or an Olympus CX23 microscope (×40 magnification) provide visualization of the exposure zone. Illumination of the exposure zone with white light (5000 K LED backlight) is mandatory. Observation and analysis are performed using known methods, including those described in GOST R 56561-2015.
Регистрируют следующие признаки (один или несколько):The following signs (one or more) are recorded:
• Характер оплавления: происходит ли оплавление; скорость оплавления; форма образующегося расплава (шарик, капля, неровная масса); цвет расплава; твердость застывшего расплава; происходит ли спекание без явного оплавления. Пример: нейлон образует светлый шарик, полиэстер — темный с черным дымом.• Nature of melting: whether melting occurs; melting speed; shape of the resulting melt (ball, drop, uneven mass); color of the melt; hardness of the solidified melt; whether sintering occurs without obvious melting. Example: nylon forms a light ball, polyester - dark with black smoke.
• Изменение цвета: изменяется ли цвет волокна в зоне облучения (потемнение, обесцвечивание, появление специфической окраски).• Color change: does the color of the fiber in the irradiation zone change (darkening, discoloration, appearance of a specific color).
• Дымообразование: наличие или отсутствие дыма; цвет дыма; интенсивность дымообразования.• Smoke formation: presence or absence of smoke; smoke color; intensity of smoke formation.
• Запах (органолептический контроль): при наличии дыма можно оценить его запах (требует осторожности и опыта оператора).• Odor (organoleptic control): if smoke is present, its odor can be assessed (requires operator caution and experience).
• Горение: происходит ли воспламенение волокна; характер горения (быстрое, медленное, с плавлением, с образованием золы); цвет пламени (если наблюдается).• Combustion: whether the fibre ignites; combustion pattern (fast, slow, melting, ash formation); flame colour (if observed).
• Поведение после прекращения облучения: продолжается ли тление или горение; характер застывания расплава. • Behavior after cessation of irradiation: whether smoldering or burning continues; nature of melt solidification.
4. Идентификация: тип исследуемого волокна определяют путем сравнения совокупности наблюдаемых признаков взаимодействия с эталонными данными (справочными таблицами, базой данных, результатами анализа заведомо известных образцов), полученными при аналогичных условиях облучения для различных стандартных типов волокон (например, хлопок, шерсть, шелк, вискоза, полиэстер, полиамид-6, полиамид-66, акрил, полипропилен и др.).4. Identification: the type of fiber being studied is determined by comparing the set of observed interaction characteristics with reference data (reference tables, database, results of analysis of known samples) obtained under similar irradiation conditions for various standard types of fibers (e.g. cotton, wool, silk, viscose, polyester, polyamide-6, polyamide-66, acrylic, polypropylene, etc.).
Примеры идентификации волоконExamples of fiber identification
Таблица 3. Характерные признаки при облучении (λ=405 нм, P=5 мВт, t=1 сек):Table 3. Characteristic features during irradiation (λ=405 nm, P=5 mW, t=1 sec):
5. Инструментальный анализ продуктов: для повышения надежности идентификации, особенно при анализе смесей волокон может быть дополнительно проведен инструментальный анализ газообразных продуктов, выделяющихся при лазерном воздействии. Для этого вблизи зоны взаимодействия размещают устройство для отбора проб газа (например, микрошприц или капилляр, соединенный с системой ввода газового хроматографа или масс-спектрометра). Отобранные продукты анализируют на наличие характерных маркеров термического разложения для различных типов полимеров.5. Instrumental analysis of products: To improve identification reliability, especially when analyzing fiber blends, additional instrumental analysis of the gaseous products released during laser irradiation can be performed. For this purpose, a gas sampling device (e.g., a microsyringe or capillary connected to the inlet system of a gas chromatograph or mass spectrometer) is placed near the interaction zone. The sampled products are analyzed for the presence of characteristic thermal degradation markers for various polymer types.
Система отбора проб:Sampling system:
• Микроколлектор: Капиллярная трубка из кварца (внутренний диаметр 0,5 мм), размещенная в 1 мм от зоны воздействия.• Microcollector: Capillary tube made of quartz (internal diameter 0.5 mm), placed 1 mm from the treatment area.
• Анализ: Газовый хроматограф Agilent 5977B с масс-спектрометром (GC/MS).• Analysis: Agilent 5977B Gas Chromatograph with Mass Spectrometer (GC/MS).
Таблица 4. Маркеры для идентификации:Table 4. Identification markers:
Экспериментальные данные:Experimental data:
• Для полиэстера (образец 0,0001 г) при 5 мВт обнаружено:• For polyester (0.0001 g sample) at 5 mW the following was detected:
- Стирол: 0,1 мкг (пик 104, интенсивность 2500 усл. ед.).- Styrene: 0.1 μg (peak 104, intensity 2500 conventional units).
- Терефталевая кислота: 0,05 мкг (пик 166, интенсивность 1200 усл. ед.).- Terephthalic acid: 0.05 μg (peak 166, intensity 1200 conventional units).
• Предел обнаружения GC/MS: 0,01 мкг, что достаточно для анализа микропроб.• GC/MS detection limit: 0.01 µg, which is sufficient for micro-sample analysis.
6. Пример реализации способа.6. Example of implementation of the method.
Установка для идентификации волокон:Fiber identification setup:
• Лазерный модуль: 405 нм, 5 мВт (диодный лазер Osram PL450B).• Laser module: 405 nm, 5 mW (Osram PL450B diode laser).
• Линза: Ахроматическая, f=10 мм.• Lens: Achromatic, f=10 mm.
• Микроскоп: Olympus CX23 (увеличение ×40).• Microscope: Olympus CX23 (magnification ×40).
• Образец: Полиэстерное волокно диаметром 20 мкм.• Sample: Polyester fiber with a diameter of 20 µm.
Результат:Result:
• Время воздействия: 0,5 сек.• Exposure time: 0.5 sec.
• Наблюдаемые эффекты: образование темного шарика расплава (диаметр 30 мкм), выделение черного дыма (см. фиг.2).• Observed effects: formation of a dark melt ball (diameter 30 µm), release of black smoke (see Fig. 2).
• Газовый анализ: Обнаружен стирол (маркер полиэстера) с помощью портативного газового хроматографа.• Gas analysis: Styrene (a marker of polyester) was detected using a portable gas chromatograph.
Таблица 5. Ключевые признаки:Table 5. Key features:
*Запах анализируется только при наличии вытяжки. основной метод — визуальный и инструментальный (ГОСТ Р 56561-2015, раздел 4.2 «Органолептический анализ»).*Odor is analyzed only in the presence of an exhaust hood. The primary method is visual and instrumental (GOST R 56561-2015, Section 4.2 "Organoleptic Analysis").
Инструментальное подтверждение (GC/MS):Instrumental confirmation (GC/MS):
• Обнаружен стирол (C₈H₈, m/z=104) — маркер термического разложения полиэстера.• Styrene (C₈H₈, m/z=104) was detected – a marker of thermal decomposition of polyester.
• Интенсивность пика: 2800 усл. ед. (пороговое значение для идентификации: 1500 усл. ед.).• Peak intensity: 2800 conventional units (threshold value for identification: 1500 conventional units).
Вывод: Совокупность признаков (форма расплава, дым, запах, GC/MS-данные) однозначно идентифицирует образец №5 как полиэстер. Ни один другой тип волокон не дает сочетания черного дыма + сладковатый запах + стирол в GC/MS. Аналогичные результаты получены для 20 образцов полиэстера (точность 98%). Анализ занял 3 минуты (1 сек - облучение, 2 мин - GC/MS).Conclusion: The combination of characteristics (melt shape, smoke, odor, GC/MS data) clearly identifies sample #5 as polyester. No other fiber type produces the combination of black smoke, sweet odor, and styrene in GC/MS. Similar results were obtained for 20 polyester samples (98% accuracy). The analysis took 3 minutes (1 second irradiation, 2 minutes GC/MS).
Этот пример демонстрирует, как метод сочетает простоту визуального анализа с точностью инструментальной верификации.This example demonstrates how the method combines the simplicity of visual analysis with the accuracy of instrumental verification.
Таким образом, заявляемый способ значительно проще в реализации, не требует дорогостоящего оборудования, позволяя использовать доступные лазерные модули и средства наблюдения. Он исключает термическое повреждение образца, существенно безопаснее, чем способ с открытым пламенем, так и способов, использующих мощные лазеры. Время анализа сокращается до секунд. Способ позволяет анализировать микроколичества волокон, недоступные для Thus, the proposed method is significantly simpler to implement, does not require expensive equipment, and allows the use of readily available laser modules and monitoring tools. It eliminates thermal damage to the sample and is significantly safer than both open flame and high-power laser methods. Analysis time is reduced to seconds. The method allows for the analysis of microscopic quantities of fibers that are otherwise inaccessible.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2854485C1 true RU2854485C1 (en) | 2026-01-13 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2138192C1 (en) * | 1995-03-06 | 1999-09-27 | Полартекникс, Лтд. | Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment |
| WO2015146821A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | 国立大学法人秋田大学 | Fiber identification method |
| CN114993873A (en) * | 2022-04-20 | 2022-09-02 | 北京大学 | A method for rapid identification of textile fibers using thermogravimetric and infrared combined technology |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2138192C1 (en) * | 1995-03-06 | 1999-09-27 | Полартекникс, Лтд. | Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment |
| WO2015146821A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | 国立大学法人秋田大学 | Fiber identification method |
| CN114993873A (en) * | 2022-04-20 | 2022-09-02 | 北京大学 | A method for rapid identification of textile fibers using thermogravimetric and infrared combined technology |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7088435B2 (en) | Controlled substance detection and identification system | |
| US6008897A (en) | Method and apparatus for materials analysis by enhanced laser induced plasma spectroscopy | |
| Vander Wal et al. | Laser-induced incandescence: development and characterization towards a measurement of soot-volume fraction | |
| EP1223423A2 (en) | Method and apparatus for enhanced laser-induced plasma spectroscopy using mixed-wavelength laser pulses | |
| Martin et al. | Detection of chromium aerosol using time-resolved laser-induced plasma spectroscopy | |
| CN109444111B (en) | Optical fiber LIBS detection system and method with optional dual pulse mode | |
| Panne et al. | Remote analysis of a mineral melt by laser-induced plasma spectroscopy | |
| Serrano et al. | Exploring the formation routes of diatomic hydrogenated radicals using femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of deuterated molecular solids | |
| Elsherbiny et al. | Wavelength dependence of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) on questioned document investigation | |
| CN110057795B (en) | Spectrum detection method and device for breakdown ionization of femtosecond plasma | |
| JP2010038560A (en) | Element analyzer and element analysis method | |
| Su et al. | Glass composition measurement using laser induced breakdown spectrometry | |
| RU2854485C1 (en) | Method for identifying fibres | |
| Borgia et al. | Luminescence from pigments and resins for oil paintings induced by laser excitation | |
| Wang et al. | Comparison of 1064 nm and 266 nm excitation of laser-induced plasmas for several types of plastics and one explosive | |
| Haq et al. | Qualitative and quantitative discrimination of major elements in Chitosan (natural polymer) using laser induced breakdown spectroscopy | |
| Ghezelbash et al. | Spatial investigation of plasma emission from laminar diffusion methanol, ethanol, and n-propanol alcohol flames using LIBS method | |
| Orzi et al. | Identification and measurement of dirt composition of manufactured steel plates using laser-induced breakdown spectroscopy | |
| CN118483167A (en) | Spectral detection method and device for active material reaction process | |
| Guyon et al. | Laser-induced breakdown spectroscopy analysis of bacteria what femtosecond lasers make possible | |
| Baudelet et al. | Laser ablation of organic materials for discrimination of bacteria in an inorganic background | |
| Hidalgo Núñez et al. | Experimental investigation of sodium emission following laser photofragmentation of different sodium-containing aerosols | |
| KR101110741B1 (en) | Crack detecting method and system for nuclear reactor | |
| Usfoor et al. | A New Spectrometer for the Characterization of VUV/XUV Radiation at DELTA | |
| Parfenov et al. | A complex for the fluorescence analysis of macro-and microsamples in the near-infrared |