纖維定性分析：識別未知纖維的科學技術

引言
纖維定性分析是紡織品檢驗、考古修復、法醫鑒定及材料研究中的基礎技術，旨在準確鑒別未知或混合纖維的種類。其核心在于依據纖維的物理、化學及形態學特性，通過系統性的實驗手段進行區分與確認。掌握科學嚴謹的分析方法對于確保結果的可靠性至關重要。

一、 感官與物理鑒別法（初步識別）

1. 外觀與手感觀察：

   • 光澤： 觀察纖維表面光澤（如蠶絲柔亮、粘膠纖維光澤強、棉麻較黯淡）。
   • 色澤： 注意纖維的本色或染色情況。
   • 長度與形態： 區分天然纖維（長度不一、有卷曲或天然轉曲）與化學纖維（通常為長絲或整齊的短纖）。
   • 手感： 感受纖維的柔軟度、彈性、光滑度、冷暖感（如羊毛溫暖、棉麻硬挺、滌綸滑爽）。

2. 燃燒試驗法：

   • 原理： 不同纖維的化學組成決定了其燃燒特性（接近火焰反應、火焰中反應、離開火焰反應、氣味、灰燼）的顯著差異。
   • 操作： 取少量纖維，用鑷子夾住，靠近火焰，觀察其在接近火焰、接觸火焰、離開火焰時的狀態、燃燒速度、火焰顏色、產生的氣味以及殘留灰燼的形態、顏色和硬度。
   • 典型特征（示例）：
     • 棉/麻/粘膠： 靠近火焰即迅速燃燒，火焰黃色，燒紙味，灰燼少且細軟灰白。
     • 羊毛/蠶絲： 接觸火焰卷縮熔化，燃燒慢有時自熄，火焰小帶煙，燒毛發臭味，灰燼黑脆小球狀或松脆黑塊。
     • 滌綸： 接近火焰收縮熔化，接觸火焰熔融燃燒，有熔滴，火焰黃白色冒黑煙，芳香味或無味，灰燼黑褐色硬珠。
     • 錦綸： 接近火焰卷縮熔化，接觸火焰熔融燃燒滴落，火焰藍色帶黃，有芹菜味或氨味，灰燼褐色硬珠。
     • 腈綸： 靠近火焰收縮微熔，接觸火焰迅速燃燒冒黑煙，火焰明亮閃光，有辛辣味或魚腥味，灰燼硬脆不規則黑塊。
     • 丙綸： 靠近火焰收縮熔化，接觸火焰熔融緩慢燃燒，蠟味，灰燼硬黃褐色小球。
     • 氯綸： 靠近火焰收縮軟化，接觸火焰難燃離火即熄，刺激性氯氣味，灰燼不規則黑褐色硬塊。
   • 注意事項： 燃燒法對纖維有破壞性，樣品量少時慎用；混紡纖維特征可能互相干擾；合成纖維燃燒后熔融物溫度極高，注意安全。

3. 顯微鏡觀察法：

   • 原理： 利用光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察纖維的縱向表面形態和橫向截面形態特征，這是區分天然纖維和許多化學纖維最直接有效的方法之一。
   • 操作：
     • 縱向制片： 將單根或少量纖維平行排列于載玻片上，滴加液體石蠟、甘油或水制成臨時切片觀察縱向特征（如棉的天然轉曲、麻的橫節豎紋、羊毛的鱗片、蠶絲的平滑、粘膠的條紋、滌綸的平滑無結構）。
     • 橫截面制片： 常用哈氏切片器或手切法制作纖維橫截面切片（需包埋），觀察截面形狀（如棉的腰圓形、蠶絲的三角形、羊毛的圓形或橢圓形、粘膠的鋸齒形、滌綸的圓形）。
   • 特點： 直觀、無損（縱向觀察）、準確率高（尤其對天然纖維和再生纖維）。但對截面觀察需要一定的制片技巧和設備。

二、 化學溶解性鑒別法（關鍵確認）

• 原理： 不同纖維在不同化學溶劑（酸、堿、氧化劑、有機溶劑等）中表現出不同的溶解性能（溶解、部分溶解、溶脹、不溶）。

• 操作： 在特定溫度和時間條件下，將少量纖維置于一系列標準試劑中，觀察其溶解狀況。

• 關鍵試劑與典型反應（示例）：

  纖維種類	37%鹽酸 (室溫)	75%硫酸 (室溫)	85%甲酸 (室溫)	5%氫氧化鈉 (煮沸)	冰乙酸 (室溫)	二甲苯 (煮沸)	二甲基甲酰胺 (煮沸)	間甲酚 (室溫)
  棉、麻、粘膠	I	S	I	I	I	I	I	I
  羊毛、蠶絲	I	S (蠶絲快)	I	S (蠶絲慢溶)	I	I	I	I
  滌綸(PET)	I	I	I	I	I	I (收縮)	I (收縮)	S
  錦綸6(PA6)	S (慢)	S	S	I	I	I (收縮)	S	S
  錦綸66(PA66)	S (很慢)	S	I	I	I	I (收縮)	S (慢)	S
  腈綸(PAN)	I	S (膨潤)	I	S (淡黃色)	I	I	I (收縮)	S
  丙綸(PP)	I	I	I	I	I	S	I	I
  氯綸(PVC)	I	S (膨潤)	I	I	S	S	I (收縮)	S
  氨綸(Spandex)	I (溶脹)	S (溶解快)	I	S (溶脹或溶解)	I	I	S	S
  醋酯纖維	S	S	S	S (皂化)	S	I	S	S

  • 注: S=溶解, I=不溶（或無明顯變化），括號內為特殊現象。具體溶解條件（濃度、溫度、時間）需嚴格參照標準方法（如GB/T 2910, ISO 1833 系列）。

• 特點： 是區分化學結構相似的合成纖維（如不同錦綸、腈綸與改性腈綸、滌綸與芳綸）最可靠的方法之一。結果明確，但具有破壞性，且需嚴格控制實驗條件（濃度、溫度、時間），操作需謹慎（強酸強堿）。

三、 著色劑鑒別法（輔助手段）

• 原理： 利用某些染料對特定纖維具有選擇性上染（著色）的特性。
• 常用著色劑：
  • HI著色劑 (Herzberg Stain)： 碘-碘化鉀溶液與氯化鋅的混合液，常用于區分纖維素纖維和蛋白質纖維（棉麻染藍紫或黃褐色，羊毛蠶絲染黃色）。
  • 錫萊著色劑A (Shirlastain A)： 專為未染色纖維設計，不同纖維呈現不同顏色（如棉淺粉紅，粘膠深紫藍，滌綸淡黃，錦綸粉紅，腈綸淺粉紅等）。
• 操作： 將纖維浸入著色劑中煮沸一定時間，取出水洗，觀察顯色。
• 特點： 操作簡便快捷，適合快速篩查大量樣品或輔助其他方法。但僅適用于未染色或淺色纖維，深色纖維需先脫色（可能影響結果），且顏色判斷有時具有一定主觀性。

四、 現代儀器分析法（精確鑒別與深入研究）

1. 紅外光譜分析法 (FTIR)：

   • 原理： 不同纖維的分子基團（如C=O, N-H, C-O-C, C≡N等）吸收特定波長的紅外光，形成獨特的“分子指紋”光譜圖。通過與標準譜庫比對進行鑒別。
   • 特點： 提供分子結構信息，可區分化學組成不同的纖維（如滌綸、尼龍、腈綸）及其改性品種，樣品用量少，可無損（ATR法）或有損（透射法）分析。是化學溶解法的重要補充和驗證手段。

2. 差示掃描量熱法 (DSC)：

   • 原理： 測量纖維在程序控溫下吸收或放出的熱量變化，得到熔融峰、結晶峰、玻璃化轉變等特征溫度（Tm, Tc, Tg）。
   • 特點： 特別適用于區分具有不同熱性能的合成纖維（如不同種類的聚酯、聚酰胺）。能獲取熔點、結晶度等信息，但通常需要配合其他方法確認。

3. 熱裂解氣相色譜-質譜聯用法 (Py-GC/MS)：

   • 原理： 在惰性氣氛中高溫裂解纖維，氣相色譜分離裂解產物，質譜進行鑒定。不同纖維產生特征性的裂解產物指紋圖。
   • 特點： 靈敏度高，能鑒別結構非常相似的纖維（如不同來源的聚丙烯、改性聚酯），特別適用于微量、老化或嚴重降解纖維的分析。

五、 分析流程與注意事項

1. 基本流程：

   • 樣品預處理： 清潔（去除油脂、污漬、漿料等）、干燥。對于混紡織物，需先分離不同纖維組分。
   • 初步篩選： 結合感官觀察、燃燒法（必要時）和顯微鏡法（縱向），縮小可能范圍。
   • 關鍵鑒別： 根據初步結果，選擇合適的化學溶解試驗（按標準方法操作）進行確認。紅外光譜可作為強有力的輔助或驗證工具。
   • 疑難解析： 對于結構相似或改性纖維，可能需要借助多種溶解劑組合、FTIR、DSC甚至Py-GC/MS進行綜合判斷。
   • 結果報告： 詳述所用方法、觀察現象及最終。對于混紡樣品，需標明各組分。

2. 重要注意事項：

   • 代表性取樣： 確保樣品能代表整體。
   • 方法互補： 單一方法存在局限性，通常需要至少兩種及以上原理不同的方法相互驗證（如顯微鏡+溶解法，溶解法+紅外）。
   • 標準參照： 嚴格遵循國家或國際標準（如GB/T, ISO, AATCC, JIS）規定的試劑濃度、溫度和時間等條件。
   • 試劑純度與安全： 使用分析純試劑，注意強酸、強堿、有機溶劑的安全操作（通風櫥、防護裝備）。
   • 空白與對照： 使用已知纖維作為陽性對照，確保試劑有效性和操作正確性。
   • 儀器校準： 使用儀器方法時需定期校準。
   • 經驗積累： 對特征的觀察（顯微鏡圖像、燃燒現象、溶解速度、顏色變化）需要經驗。

纖維定性分析是一門綜合性實驗技術。成功的鑒別依賴于對纖維基本性質的深刻理解、標準化的操作方法、多種技術的組合應用以及嚴謹的分析態度。從基礎的感官、燃燒、顯微鏡觀察到關鍵的溶解性試驗，再到現代儀器分析的精確佐證，構建了一套完整的識別體系。在實際工作中，應根據樣品特性、實驗室條件及分析目的，靈活選擇最適宜、最可靠的方法組合，確保鑒定結果的科學性和準確性。持續的實踐和經驗積累對于準確解讀實驗現象至關重要。