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TiO2，Ti2Q, TiO等组成的钝化膜。

Ti02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Ti02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Ti02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。

1.2 研究现状即使Ti02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Ti02粒子，光催化活性尤为显著⑹。

原因有三个方面⑺⑹：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Ti02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咼，催化活性越咼。

对于TiO2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TiO2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TiO?薄膜时，可在TiO?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TiO2薄膜光催化剂，对三氯甲烷也取得了良好的降解效果。

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。

1.3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。

1.4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2.1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。

2.2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2.2-1所示:a ：（原始图b ：（分离目标）像）C：（二值化）图2.2-1 : 290V二氧化钛微弧氧化的SEM图像2.3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 2.3-1，图2.3-2，HHXMID pm ■图2.3-3所示:图 2.3-1图2.3-2 （阈值为50）图2.3-3 (阈值为21)2.4、粒径大小测定原理1、颗粒大小的表征圆球大小最易表征，用一个参数一一直径即可。

对于其他形状的颗粒可以用某种当量直径来表示。

可用如下公式计算平均概率统计直径E(d R): E(d R)=1/ n/ 02n Rd O R其中d R是通过颗粒重心的弦长，O R为R和d R之间的夹角2. 颗粒形状的表征常用两个参数来表示颗粒形状：形状系数和形状因素。

(1)形状系数指测得的颗粒各种大小和颗粒体积或面积之间的关系。

颗粒面积s= n d s式中，d s为面积直径(2)形状因素指颗粒各种测得大小的无量纲组合。

对于圆球颗粒，各种当量直径均相等。

对于非圆球状颗粒，它与圆球相差越大，各种当量直径的差别可能会越大，因此，它们的无量纲组合可表现出颗粒与圆球的相差程度。

最早的形状因素定义为圆球度W w，有W沪与颗粒等体积的圆球的表面面积/颗粒的表面面积=(d v/ d s) A2式中d v为颗粒体积直径，容易看出W w<=1Hausner[24]建议用最小面积的封闭矩形与颗粒比较的方法来评价颗粒形状。

设矩形长为a,宽为b,可规定三种特性：伸长比：x=a/b庞大比：y=A/a*b表面率：z=c A2/1.6A （A为颗粒投影面面积，c为周长）Church[24]采用d m和d f的期望值之比作为众多椭圆体颗粒的形状因素。

不同当量直径的分布乘上此形状因素应可以得到另一种当量直径的分布。

（3）围来表示。

常用的大小范围取法有等间隔的算术级数划分法和等比的几何级数、颗粒大小分布的表示方法在表示颗粒的大小分布时，常使用大小范划分法等。

列表法这是常用的表示颗粒大小分布的方法，也是用其他方法表示的基础，常用各栏项目如表2.4-1所示：表中，颗粒大小X指测得的颗粒的当量直径；间隔d x = X r- X r+1 ；平均大小-X =（X r+ X r+1 ）/2 ；频率数d①指在某大小范围内颗粒的表征（包括个数、长度、X 面积和体积等）出现的总数；累计频率数①指小于某颗粒的某特征总数，①='• d0①；百分率频率d平=d①I、 d①，a d①即某特征在整个大小范围内的出现总X数；累计百分率频率W d^; d ¥/d x指每一个单位长度的百分率频率，相当于概率论中概率密度。

对于几何级数划分，将x取对数后进行相应改变即可。

频率中最常用特征是个数N,由它的分布可计算出其他特征分布。

（1）矩形图（频率中取特征个数为例）即频率数dN对颗粒大小x做矩形图，矩形方块高度与颗粒数成正比，如图 2.4-1所示：图 2.4-1(2) 累计百分率频率分布图即累计百分率频率屮对x作图，通常将各点描成连续平滑线，如图2.4-2所示：图 2.4-2图2.4-2 :保存数据导入Excel所作曲线颗粒分布的特征包括个数、长度、面积和体积。

大小不同的颗粒所组成的物质可被另一个与该物系有且仅有两个相同特征的均匀物系所代表。

对于这两个相同特征而言，后一物系的颗粒大小即为前者的平均值。

个数、长度平均直径：X NL=V dL/v dN^ X Dn/v dN 2.5粒径分析中的图像处理方法及算法从计算机处理图像的原理，以标号像素法对图像黑点进行累加计算，方法如下1、对图像从左到右、从上到下进行扫描，在同一行中不同的行程标上不同的号，不同列标也标上不同的号。

2、对图像从左上到右下进行扫描，如果两个相邻的行中有相连通的行程则下行号改为上行的号。

3、对图像从右下到左上进行扫描，如果两个相邻的行中有相连通的行程则上行的号改为下行的号。

4、对标过的号进行排列、累加、计算5、孔面积：s=n d26、通过以上方法，可以得到了粒径的大小（单位/像素），为了更精确地得到粒径实际大小，本实验通过对二氧化钛多孔膜的SEM图像的标尺进行了测定，得到了微米与像素之间的转换系数（微米/像素）。

方法图2.5-1所示:图 2.5-12.6粒径数据作图与分析2.6.1数据作图由上述过程得到的粒径数据，可以进一步通过保存数据导入EXCEL S行作图分析，也可以直接通过《图像处理与分析》软件中的绘图工具对数据进行作图分析。

本文以200V,230V,260V,290V,320V,350V电压下的二氧化钛多孔膜的SEM图像进行处理与分析：图 2.6-1通过《图像处理与分析》载入图片、处理图片和作图，如图2.6-2和2.6-3所示:A:200V B:230VC:260V D: 290VE: 320VF: 350V多孔膜孔径分布统计■CMNIMNIMIIIIII «llll■ r fri MI■fi'tai"||j *MU H L H■F■a*nw* t■I Art卜vP *■** E•nM i車取1■fV> i fi<9_[■ 1*W■j-■fad230V62多孔膜孔径分布统计350V图 2.6-2保存数据然后导入Excel作图,如图2.6-4所示:320V图2.6-3 : （x 轴单位为/个数，y 轴单位为/微米）1 L 前S77 721 目轴 ll»A 129?A ： 200VC ：260VE: 320VB: 230VD ： 290VF ： 350V图2.6-4:孔径数据排序后作图2.6.2 数据分析由图2.6-2、图2.6-3中可以得出：表2.6-5电压 膜孔数量 孔径大小范围 200V1297 23-238 ( nm 230V 905 23-456 ( nm260V22123-521(nm )A ： 200VB: 230VC ：260VD ：290VE:320V F:350V表 2.6-51、不同电压下6个试样的孔径曲线图均为正态分布，最小孔径值都在23nm左右，且随着电压的升高，单位面积膜孔数量呈下降趋势一一即膜孔密度随着电压的升高而减小。