多孔膜孔径分布统计

随着科学技术的飞速发展，各种材料应运而生，然而材料的各种特殊性能一直都是当今各国学者研究的重点之一，为了更进一步的改善材料的物理、化学性能，材料工作者尝试用多种方法，（诸如:气相法、液相法、阳极氧化、微弧氧化、凝胶-溶胶法等）为多种材料“添衣加裳”——在其表面生长了一层薄膜，以增强其耐磨性、耐蚀性以及生物相容性等，无可厚非，膜的形成形貌、大

小、厚度必定会对材料的性能造成一定影响。通常条件下，钛表面会生成一层由TiO

2，Ti

2

O

3

，TiO

等组成的钝化膜。TiO

2

薄膜具有良好的生物相容性，基体不会与之发生排斥反应，所以在人工材料

上覆盖TiO

2

薄膜可以用于医学中，现在已经用于制备人工心脏瓣膜、人工膝关节，也可用于整型手术和牙科手术中。再者，纳米级二氧化钛薄膜具有了奇特的性能，在光电转化和光催化方面有着广阔的应用前景，也是当今材料研究的热点之一。二氧化钛薄膜有着如此特殊性能，必定与其结构特

点有着密不可分的联系，吴晓宏[20]等人在钛表面原位生长TiO

2

膜并在不同电流密度下表征其膜层结构对其光催化性的影响，得出不同电流密度下所产生的膜层有不同的光催化效率,随着电流密度的增加,孔洞的尺寸也增加，所得膜层光催化活性提高,10A /dm2时产生的膜层对罗丹明B有较快的降解效率,当继续增加电流密度,所得膜层的光催化活性反而降低。然而对多孔薄膜形貌、孔径大小分布以及厚度的统计分析是材料工作者研究多孔薄膜性能的基础。

研究现状

即使TiO

2

晶型相同，其光催化活性也会有很大差异，说明还有其它因素影

响其光催化反应活性，晶粒尺寸就是其中之一。通常认为，粒子尺寸越小，尺寸

分布越窄，无或少团聚，光催化活性越高，达到纳米量级，特别是小于 10nm的

TiO

2

粒子，光催化活性尤为显着[6]。原因有三个方面[7][8]:一是，量子尺寸效应。量子尺寸效应导致半导体带隙变宽，导带电位更负，价带电位更正，并使能带和其荧光光谱向短波方向移动，即发生“蓝移”现象。吸收带边位移量增大，将产生更大的还原电位(量子颗粒体系中驱动力)，从而会导

致电荷传递速率常数的增大。因此量子粒度的TiO

2

颗粒可以提高以电荷传递为速率控制步骤的体系的光催化效率；二是，表面效应。纳米粒子越小，表面积越大，而且表面存在的氧空穴也越多，活性点明显增加。另外，大的表面吸收的光能越多，吸附的反应物也越多，因而光催化活性会越高;三是，粒径越小。载流子到达表面的时间越短，体内复合机率越小，电子和空穴能更快地迁移到粒

子表面参与反应，光生电荷分离效率越高，催化活性越高。对于TiO

2

薄膜由于其晶粒聚集在一起，

单纯减小晶粒大小对提高表面积效果不大，往往需要通过增加表面孔洞来增加TiO

2

薄膜的表面积。Benkstein K D，Semancik S[11]等人发现利用含聚乙二醇的钦醇盐溶胶制备TiO2薄膜时，可在TiO2薄膜中引入孔径大小为50一Zoonln的气孔，从而有效增强了薄膜的光催化活性。Fu Y N[12]等人则

以多孔介质为载体，采用溶胶一凝胶法制备多孔的TiO

薄膜光催化剂，对三氯甲烷也取得了良好

2

的降解效果。

由于纳米二氧化钛粉末分散悬浮体系回收和分离难度大、分散性差等问题, 并且对于处理空气污染物,特别是居室中产生的有毒有害气体无能为力。因此近年来国内外都在大力开展制备二氧化钛膜的研究。张永彬[36]等采用溶胶- 凝胶法在玻璃衬底上制备了均匀的二氧化钛催化膜;魏宏斌[37]等采用溶胶-凝胶法在玻纤上形成了二氧化钛锐钛型膜。这些负载玻璃上形成的二氧化钛膜在处理工业废水、降解农药等方面显示了较好的催化能力。刘忠[38]等制备的二氧化钛光催化膜具有超亲水性,其对甲基橙的降解效率也明显提高。王芸[39]等在钠钙玻璃基片上制备了透明均匀的二氧化钛膜,经过陈化和热处理,对油污有较好的降解能力,基本能实现玻璃的自洁净。

研究目的、意义及应用前景

孔径的形貌、大小以及厚度等都是多孔膜的重要参数，因此对多孔膜的研究，可以为材料薄膜的制备工艺的研究和改进，有利于将来制备不同功能的纳米功能元件的需要，为其更加广泛的应用提供了基本数据。

近年来，各国学者不断尝试用新理论新方法来描述多孔膜形貌、大小分布以及厚度等，其中通过计算机图像处理分析原理来研究得到广泛关注，但是，由于目前单个软件功能的应用的局限性和在没有专业的图像处理软件的情况下进行处理显得事倍功半，甚至效果不是很理想。因此，本实验采用了vb2008进行简单的编程，进行图像文件的读取、粒径的计算、数据文件的输出、图形的绘制等，最后可以结合Excel 或Origin进行粒径分布和粒径统计分析，也可以在编写的程序里单独完成以上操作，这样就可以更专业、更快捷、更准确的进行图像的处理与分析。

本文主要研究的内容

由于目前制备二氧化钛多孔膜的工艺多种多样，然而工艺的不一必会影响到了膜的生长形貌和膜的各种特性，为此，本实验通过以vb2008为主要手段对不同电压下二氧化钛微弧氧化多孔膜的SEM图片进行处理分析，得到孔径大小以及分布的规律，从而更进一步的研究二氧化钛多孔膜的形成形貌、形成条件以及形成机理。

2、实验部分

实验方法

本实验主要从计算机图像处理的基本原理入手，以vb2008为辅助手段编写《图像处理分析》软件，通过该软件对二氧化钛多孔膜的SEM图像进行处理分析。

图像分析与处理原理

通常来说，材料研究的图像处理主要包括材料聚集态结构单元的测量等。为此，图像处理的首要工作是图像的二值化，以分离出目标粒子，同时消除背景干扰。图像的二值化主要包括目标粒子的分离、背景的消除和图像二值化几个步骤。如图所示：

a ：（原始图像） b：（分离目标）

C:（二值化）

图：290V二氧化钛微弧氧化的SEM图像

通过阈值的设置进行图像二值化

当图像的目标粒子和背景的灰度相差比较大，可以直接通过阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来，同时实现二值化。这一过程如图，图，图所示：