基于图像处理技术的纳米纤维膜孔隙率表征

基于图像处理技术的纳米纤维膜孔隙率表征
周明, 王鸿博, 王银利, 高卫东
【摘要】摘要基于数字图像处理分析技术,提出一种纳米纤维膜孔隙率的表征方法。

首先采用Photoshop软件确定纤维膜SEM图像的分割阈值,然后运用MatLab软件进行面积统计,计算出纳米纤维膜的孔隙率。

测试结果表明,纳米纤维膜的孔隙率随着纤维直径的增大而减小。

同时,将图像处理方法与密度法的测试结果进行对比,发现误差不大于6%,说明该方法的测试结果是可靠的。

此外,为了研究纤维膜中纤维交错对孔隙率的影响,在相同纺丝工艺条件下,制备了不同厚度的纳米纤维膜,图像法得到的孔隙率差异在4%以内,可以认为纤维交错对测试结果影响不大。

【期刊名称】纺织学报
【年(卷),期】2012(033)001
【总页数】4
【关键词】关键词静电纺丝；图像处理；孔隙率；直径
静电纺丝是将聚合物溶液或熔体在静电场作用下进行喷射、拉伸而获得纳米级纤维的纺丝技术。

这种方法有许多独特性,目前已成为开发超细纤维及其复合材料的研究热点[1]。

在纳米纤维的内部与纤维之间大多存在孔隙,以往对纳米纤维的孔隙率一直缺乏深入的研究和评定,而纳米纤维膜的孔隙率对其在过滤[2]、组织工程[3]、防护服[4]方面的应用至关重要。

对于纳米纤维膜,孔隙率测试方法有很多种,目前主要有密度法[5]、溶液置换法[6]，但从应用的结果看,都存在相对误差较大,主客观评价不一致等情况。

储永梅[7]采用计算机图像处理(VC编程)的方法计算了竹纤维的孔隙率,表明图
像处理的方法效率高,具有较高的实用价值，但VC编程过于复杂,非专业研究人员无法在短时间内掌握。

近年来,Photoshop和MatLab软件得到了广泛的应用。

周向阳等[8]采用Photoshop和MatLab软件测试了泡沫铝泡体的孔隙率,论证了图像法测试孔隙率的可行性。

陈振宇等[9]用图像处理方法测试了机织物的孔隙率,研究表明,图像处理的方法测试孔隙率具有很好的重现性。

M. Ziabari 等[10]运用图像处理的方法测定了纳米纤维的直径及孔隙,证明图像法直观性强,简单易行,准确性高。

本文以平均直径和厚度不同的纳米纤维膜为研究对象,用图像法测定了纤维膜的孔隙率,讨论了不同纤维直径及膜厚与孔隙率之间的关系,试图提出纳米纤维膜孔隙率的测试新方法。

1 原理
结合与传统方法的比较及相关文献资料的报道[7-10],本文先采用Photoshop 将SEM图片进行阈值分割得到二值图像,然后利用MatLab对二值图像进行面积统计,得到纳米纤维膜的孔隙率。

1.1 阈值分割
阈值的定义：Photoshop软件中,可以指定某个色阶作为阈值,所有比阈值亮的像素转换为白色,而所有比阈值暗的像素转换为黑色。

Photoshop操作：首先,将得到的纳米纤维SEM图像转化成灰阶图像,执行流程：图像—调整—阈值,一边调节阈值,一边观察灰阶图像中孔隙与非孔隙的变化。

调节时,尽量使表层的纤维层成为考察层,而避免出现下层纤维层,调好后按OK 以进行图像分割。

然后,执行流程：图像—模式—位图,等出现位图窗口后,在Method选项中选择50%阈值,使灰阶图像转换为二元黑白图像(黑色部分表示孔隙部分,白色部分表示非孔隙部分)。

阈值的确定是灰阶图像转换为二元黑白图
像的关键所在。

为减小阈值选择时实验者的主观性误差,本文研究拟采用多人评定法(multiple-marking)排除来减小实验者的主观误差,即选取n人评定,每人确定一个合适的值,取其均值为图像分割的阈值。

1.2 孔隙率测定
将阈值分割后的图片运用大型科学计算软件MatLab进行面积运算,主要代码如下：
%Calculate the area
scale=5.0/380; %distance of unit pixels, 380 pixels represent 5.0μm in this paper
Img=imread(′X.jpg′); %read the image
Black=find(Img==0); %find black part in image
[H,W]=size(Img); %the area of the whole image
Area=length(Black)*scale*scale; %the area of black part
AreaRatio=length(Black)/H/W; %the black part to the whole image ratio 2 实验
2.1 试剂与仪器
聚丙烯腈粉末(PAN,Mw=5万,由安庆石化提供)；二醋酸纤维素(CA,Mw=13万,乙酰度55.51%,由南通醋酸纤维有限公司提供)；NN-二甲基乙酰胺(DMAc,AR,国药集团化学试剂有限公司)；扫描电镜(Quanta-200,荷兰FEI公司)；自制滚筒静电纺丝装置。

2.2 纺丝液制备
以DMAc为溶剂,将PAN/CA以质量比为85∶15共混配制成质量分数分别为
8%、11%、13%、15%的溶液,于磁力搅拌器上40 ℃水浴搅拌8 h,直至形成均一溶液。

2.3 纳米纤维膜制备
将纺丝液倒入注射器(规格为20 mL)中,将磨平的针头(规格为7号)与注射器连接；然后将高压直流电源的正极夹住针头,负极与接收装置连接；打开高压电源及注射泵电源。

工艺参数设定为：流速0.5 mL/h,滚筒接收装置距针头距离15 cm,电压15 kV。

环境温度为(20±1) ℃,相对湿度为(60±5)%。

纺丝时间为4 h,膜厚约为9.8×10-2mm。

2.4 纳米纤维膜表征
在真空状态对不同质量分数的纳米纤维膜表面进行喷金处理,用扫描电子显微镜观察其表面形态。

2.5 密度法孔隙率测试
根据文献[5]描述的方法计算纤维膜的孔隙率。

从铝箔上剪下1块矩形薄膜样本并精确测量其长、宽、厚,计算其体积,用分析天平称其干态质量,精确到1×10-4g,利用测得的体积和干态质量计算出样本的表观密度。

计算得到PAN/CA(85/15)的表观密度ρ和标准密度ρo(ρo =1.19 g/cm3),按下式计算孔隙率
(1)
3 结果与讨论
首先用Photoshop软件确定阈值,由多人评定来减小实验者的主观误差。

本文选择5位评价主体,编号分别为A～E,得出的阈值分割数据如表1所示。

运用Photoshop软件按照上述原理进行操作,得到4个样品的二值分割图像,处理前
后效果如图1所示。

可以看出,经过阈值分割后的二值图像只显示了上层的纤维,而且纤维轮廓较为清晰,可满足实验要求。

运用Photoshop 3.0软件对SEM图像中50根轮廓清晰的纤维进行直径测量,得出直径分布,结果见表2。

可以看出,纳米纤维膜的孔隙率随着纳米纤维膜直径的变大而减小。

这是由于在其他条件不变的情况下,聚合物溶液浓度越高,黏度越大,表面张力也越大,而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张力增大而减弱。

分别用2种方法得出样品的孔隙率,如表2所示。

可以看出,二者甚为相近,经计算平均误差为5.30%,由此可知,运用图像处理技术对纤维膜孔隙率的评价是比较准确的。

当质量分数为8%时,误差较大,这是由于,8%质量分数纺得的纤维形成了珠节,测量结果与密度法相差较大。

而当质量分数为11%、13%和15%时,没有珠节产生,纤维成形良好。

从表2还可看出,随着纤维直径变大,纤维膜的孔隙率不断减小。

这是因为随着纺丝液质量分数的升高,PAN/CA纤维直径变大,从而纤维膜的密度逐渐增大,PAN/CA纤维膜的孔隙率逐渐减小。

为了对比纤维交叉对测试结果的影响,制备质量分数为13%的PAN/CA纳米纤维膜,纺丝时间分别为1、2 h,其纤维形貌如图2所示。

可以看出,纺丝时间越长,纤维交叉越复杂。

依据图像方法计算出孔隙率分别为69.93%、67.26%,偏差在4%以内。

这是由于,对于纳米纤维膜,当有几根纤维堆叠交叉在一起时,进行阈值分割后,这些堆叠交叉的纤维就是完全的黑色区域,而实际上这些纤维是在不同的平面上的。

交错程度虽略有差异,但得出的孔隙率值相差并不大。

误差原因分析：1)获取图像时的误差，电镜扫描过程是对纳米纤维膜表层进行扫描,扫描过程中会存在折射、反射等,可能会导致图像部分失真,使后期图像分割时产生误差；2)阈值选取误差，由于人的主观因素,选取的阈值会因人而异。

4 结语
本文提出的用图像法测试纳米纤维膜孔隙率的方法是可行的,为有效、快速、简便地测定纤维膜的孔隙率提供了新的方法。

但由图像法得出的孔隙信息仅反映纳米纤维膜表层的面孔隙率,不能完全代表纤维膜各层孔隙的情况,这是图像方法的不足。

本文提供的方法自动化程度和精确程度还有待进一步提高。

如果将纳米物理学的实际过程与图像分析技术相结合,赋予图像分析结果明确的纳米物理学涵义,将是图像分析技术亟待努力的重要方向。

FZXB
参考文献：
[1] 万玉芹,何吉欢,俞建勇,等. 超声波振动在静电纺丝技术中的应用[J]. 纳米技术，2006,3(5): 55-58.
WAN Yuqin, HE Jihuan, YU Jianyong, et al. Application of ultrasonic oscillation to electrospinning technology[J]. Nanoscience & Nanotechnology，2006, 3(5): 55-58.
[2] SHU Zhang, WOO Sub Shim, JOOYOUN Kim. Design of ultra-fine nonwovens via electrospinning of nylon 6: spinning parameters and filtration efficiency[J]. Materials and Design, 2009，30(9): 3659-3666. [3] YOSHIMOTO H, SHIN YM, TERAI H. A biodegradable nanofiber scaffold by electrospinning and its potential for bone tissue engineering[J]. Biomaterials, 2003, 24(12): 2077-2082.
[4] LIANG Chen, LEV Bromberg, JUNG Ah Lee. Multifunctional electrospun fabrics via layer-by-layer electrostatic assembly for chemical
and biological protection[J]. Chem Mater, 2010, 22(4):1429-1436.
[5] VAZ C M, VAZ Tuijl S, BOUTEN C V C, et al. Design of scaffolds for blood vessel tissue engineering using a multi-layering electrospinning technique[J]. Acta Biomaterialia, 2005,1(5): 575-582.
[6] HSU Y Y, GRESSER J D,TRANTOLO D J,et al.Effect of polymer foam morphology and density on kinetics of in vitro controlled release of isoniazid from compressed foam matrices[J]. Biomed Mater Res,1997, 35(1):107-116.
[7] 储永梅.竹纤维结构性能与产品开发研究[D]. 苏州:苏州大学，2005: 13-17. CHU Yongmei. Research on properties of bamboo fiber and production development [D]. Suzhou: Soochow University, 2005: 13-17.
[8] 周向阳,刘希泉,李劼,等.泡沫铝泡体均匀性的定量表征[J]. 中国有色金属学报, 2008,18(1): 85-89.
ZHOU Xiangyang, LIU Xiquan, LI Jie, et al.Quantitative characterization of uniformity of cells in aluminum foams[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008,18(1): 85-89.
[9] 陈振宇,周玲.机织物孔隙率的测试方法及对紫外性能的影响[J].现代纺织技术, 2009(4): 42-44.
CHEN Zhenyu,ZHOU Ling.A test method of porosity of woven fabrics and its influence on anti-UV perfor-mance[J].Modern Textile Technology, 2009(4):42-44.
[10] ZIZBARI M, VAHID Mottag Hitalab, SCOTT T McGovern. A new
image analysis based method for measuring electrospun nanofiber diameter[J]. Nanoscale Res Lett, 2007，2(12):597-600.
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JUSRP21001，JUSRP10903)。