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带你走进纤维材料的三维世界

2020-04-15 15:03 大昌华嘉科学仪器

1月23日武汉宣布封城,至今已经过去了将近2个月。从媒体报道来看,国内疫情在一天天的好转,但是对于那些需要外出的朋友们来说,还是不要放松警惕,准备好防护工具——口罩!!!关于口罩,现在大家面临的大的问题可能已经不是选择什么样的口罩了,而是我还剩下什么口罩!

今天我们公众号的内容也是与口罩相关,虽然我们不制造口罩,但是我们提供可以用来研究口罩的设备。让我们先来简单的认识一下医用口罩,再来看看我们的XRM可以对口罩这类纤维复合材料有什么样的帮助。

医用口罩的结构和作用机理

医用口罩实物图片和SEM获取的横截面图片分别展示了口罩的宏观结构和微观结构,不难看出,不同层因其功能不同,选用的材料也有很大的差异。中间层主要用来过滤病菌,厚度约为156μm,纤维更细小,堆叠更密实。

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▲1.常见医疗口罩的构成(图片来自新华网)

2.口罩横截面SEM图片(https://www.instrument.com.cn/news/20200203/521212.shtml)

3.熔喷布微观结构图(https://www.instrument.com.cn/news/20200203/521212.shtml)

中间层通常是聚丙烯熔喷无纺布,纤维直径分布在0.5~10μm,以1~4μm为主。纤细的纤维,在三维空间中交织成网状结构,在保证空气流通顺畅的情况下,提供尽可能大的表面积,通过各种不同作用机理来过滤病菌,颗粒。这种网状结构的特征,尤其是三维空间的结构特征是影响其过滤能力的重要因素之一,比如纤维材料的孔隙率,结构分离程度,结构厚度分布,纤维取向分布等。在二维尺度上,SEM为我们提供了非常清晰的图像,可以用来对不同截面进行的分析。如果我们需要无损的,高分辨率,高衬度的三维图像呢?布鲁克公司的SkyScan系列三维X射线显微镜可以满足这样的需求:

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01 无损

不需要进行切片,染色或喷金等样品处理。

样品可重复测试,进行纵向比对。

02 无损高衬度图像

聚丙烯这类主要由C,H等轻元素组成的物质,对X射线吸收非常弱,想获得足够高的对比度,①要求X射线探测器的灵敏程度高,可以识别出微小的信号差异,获取吸收衬度信息。②设备整体精度高,探测器灵敏度高,在吸收衬度之外,还可以利用X射线相位的变化,获得包含相位衬度的图像。

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▲纤维CT虚拟切片,同时包含吸收衬度和相位衬度信息,分辨率350nm,纤维丝边界清晰

03 大工作距离条件下的高分辨率模式

大工作距离条件下的高分辨率扫描,一般是通过透镜或光锥对闪烁体产生的信号进行二次放大,布鲁克SkyScan采用高分辨率CCD探测器(1100万像素,普通探测器一般为400万像素)+具有放大功能的光纤实现几何放大和光锥二次放大,并且在进行二次放大的同时,可以保证成像速度,在合理的时间内完成大工作距离下的高分辨率扫描。

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▲SkyScan2214光锥耦合两级放大

04 软件套装 3D. Suite

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▲SkyScan系列产品标配软件包3D.Suite,详细信息可了解https://www.bruker.com/products/microtomography/micro-ct-software/3dsuite.htm

定量分析软件可实现:

  • 孔隙率

  • 比表面积

  • 纤维直径分布

  • 局部孔径分布

  • 纤维取向

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▲复合材料纤维取向

利用三维X射线显微镜,获取材料三维结构图像,结合配套的专业分析软件,就可以突破二维空间的限制,打开3D甚至是4D研究领域的大门。

文章来源:布鲁克X射线部门




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