1. 中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南 鄭州 451191； 2. 河南光遠(yuǎn)新材料股份有限公司，河南 安陽(yáng) 456500

目前，測(cè)量纖維直徑的方法有許多種，其中：不基于纖維橫截面切片的方法有氣流儀法、聲學(xué)測(cè)量法、激光干涉纖維細(xì)度測(cè)量法、激光掃描法等；基于纖維橫截面切片的方法有顯微投影儀法、掃描電鏡測(cè)量法、基于圖像處理的纖維直徑測(cè)量法等。

氣流儀法基于苛仁納公式，即纖維兩端的空氣流量與纖維的比表面積平方成反比的關(guān)系，依據(jù)空氣的流量值得到纖維的平均直徑，但此法易受到外界環(huán)境的影響，而且不能得到纖維直徑分布的任何參數(shù)[1]。聲學(xué)測(cè)量法利用低頻聲波從纖維叢中穿過(guò)時(shí)聲波衰減量與纖維直徑之間的線性函數(shù)關(guān)系，得到纖維的平均直徑，但此法不能反映纖維直徑的離散分布特征[2]。激光干涉纖維細(xì)度測(cè)量法基于干涉條紋原理，在激光光源下，將纖維細(xì)度轉(zhuǎn)變成干涉條紋移動(dòng)數(shù)，獲得纖維細(xì)度，但此法每次只能測(cè)量單根纖維的細(xì)度，適用于數(shù)量較小的纖維測(cè)量[3]。激光掃描法基于遮蔽光衍射原理，利用先進(jìn)的光電技術(shù)獲取纖維直徑反饋的電信號(hào)，再得到纖維直徑，每次測(cè)量完成后需測(cè)試幾個(gè)已知直徑平均值的纖維試樣，使測(cè)試值與已知值的偏差落在允許范圍內(nèi)，提高儀器的測(cè)量準(zhǔn)確性，而且其成本比較高[4-6]。

顯微投影儀法利用顯微投影儀將纖維輪廓放大一定倍數(shù)，并使用帶有刻度值的楔尺測(cè)量其寬度，得到纖維平均直徑[7-8]，但此法的檢測(cè)效率低，結(jié)果精確度也較差。掃描電鏡測(cè)量法采用經(jīng)過(guò)噴金處理的纖維樣品，待樣品放置室內(nèi)環(huán)境處于高真空狀態(tài)后對(duì)纖維樣品進(jìn)行觀察得到纖維圖像，將所需圖片存入計(jì)算機(jī)，然后采用與掃描電鏡配套的測(cè)量軟件測(cè)量纖維直徑；此法能得到清晰的纖維圖像，但一次觀察的纖維根數(shù)有限，而且噴金處理的成本較高[9-10]?；趫D像處理的纖維直徑測(cè)量法首先制作纖維玻片，在顯微鏡下得到清晰的纖維圖像，再利用算法對(duì)纖維圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理后測(cè)量纖維直徑，但此法需進(jìn)行大量的編程工作[11-12]。

上述方法中，纖維橫截面切片一般采用切片法制作，通常采用哈氏切片器或超薄切片機(jī)，切割操作需要熟練的技巧，操作過(guò)程的時(shí)間較長(zhǎng)，而且不容易一次制作成功。本文擬利用激光顯微鏡對(duì)紗線橫截面切片進(jìn)行層層成像，不需要制作纖維橫截面切片即可快速獲得纖維橫截面圖像，再通過(guò)軟件處理，得到長(zhǎng)絲紗線的纖維直徑及其分布。

1 試驗(yàn)

1.1 長(zhǎng)絲紗線橫截面的制備

首先，準(zhǔn)備剪刀、雙面膠、載玻片等試驗(yàn)用品，如圖1(a)所示；接著，從直徑約5.00 μm的BC1500玻纖長(zhǎng)絲紗線(理論上含100根纖維)上剪取一小段，并用手平直地粘到雙面膠上，如圖1(b)所示；然后，將粘有一小段長(zhǎng)絲紗線的雙面膠垂直地粘到載玻片上，并用剪刀剪去露在雙面膠外的長(zhǎng)絲紗線，得到長(zhǎng)絲紗線橫截面，注意應(yīng)剪切平齊，如圖1(c)所示；最后，將粘有長(zhǎng)絲紗線的載玻片放置在激光顯微鏡的載物臺(tái)上，再用兩塊載玻片將粘有長(zhǎng)絲紗線的雙面膠夾緊，進(jìn)行觀察，如圖1(d)所示。

(a) 試驗(yàn)用品

(b) 剪取一小段長(zhǎng)絲紗線粘到雙面膠上

(d) 觀察長(zhǎng)絲紗線橫載面

另外，分別取3K碳纖維長(zhǎng)絲紗線、100 tex玄武巖纖維長(zhǎng)絲紗線作為試驗(yàn)材料，采用同樣方法制備了3K碳纖維、100 tex玄武巖纖維的長(zhǎng)絲紗線橫截面。

1.2 纖維橫截面圖像的獲取

VK-X110形狀測(cè)量激光顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)“激光顯微鏡”)的成像部分基于激光共聚焦技術(shù)，可對(duì)長(zhǎng)絲紗線橫截面進(jìn)行層層成像，獲取長(zhǎng)絲紗線中多個(gè)纖維橫截面圖像。此顯微鏡的光學(xué)放大倍數(shù)為200～2 000，數(shù)碼放大倍數(shù)可達(dá)16 000，能滿(mǎn)足纖維直徑的測(cè)量精度要求。

使用激光顯微鏡對(duì)長(zhǎng)絲紗線橫截面進(jìn)行層層成像時(shí)，每層之間存在0.13 μm的光照高度差，如果測(cè)量時(shí)出現(xiàn)較大的層數(shù)差，會(huì)給后續(xù)測(cè)量帶來(lái)一定的誤差。本試驗(yàn)中，測(cè)量時(shí)前后纖維的光照高度差最大約幾微米，因此長(zhǎng)絲紗線橫截面剪切不平齊所造成的誤差可以忽略不計(jì)。圖像拍攝完畢，選擇合適的圖像格式保存。圖2～圖4分別為BC1500玻纖、3K碳纖維、100 tex玄武巖纖維的橫截面照片。在激光顯微鏡的顯微測(cè)量系統(tǒng)下，可以手工測(cè)量單根纖維的直徑，但測(cè)量一束纖維中所有纖維的直徑會(huì)很費(fèi)時(shí)。

圖3 3K碳纖維橫截面(放大2 000倍)

圖4 100 tex玄武巖纖維橫截面(放大2 000倍)

1.3 纖維橫截面的測(cè)量

將“1.2”節(jié)得到的纖維圖像載入Image-Pro Plus(IPP)圖像分析軟件(簡(jiǎn)稱(chēng)“IPP軟件”)，利用IPP測(cè)量模塊同時(shí)測(cè)量纖維圖像中所有纖維的直徑，如圖5(a)所示。IPP軟件是美國(guó)MediaCybernetics公司開(kāi)發(fā)的全32位圖像處理與分析系統(tǒng)軟件，在圖像的特征范圍內(nèi)可以進(jìn)行邊緣檢測(cè)、跟蹤、圖像分割、測(cè)量、計(jì)數(shù)、分類(lèi)工作。IPP軟件可以對(duì)纖維橫截面自動(dòng)進(jìn)行圖像分割，將單根纖維用紅色圓圈標(biāo)識(shí)，如圖5(b)所示。若自動(dòng)分割的效果不理想，可以進(jìn)行手工分割加以輔助。當(dāng)纖維橫截面被分割完畢后，IPP軟件自動(dòng)測(cè)量每個(gè)圓圈所對(duì)應(yīng)的單根纖維的最大直徑，如圖5(c)所示。最終，所有纖維的直徑測(cè)量數(shù)據(jù)可以導(dǎo)成xls文件。

1.4 特殊纖維橫截面的處理

打開(kāi)“1.3”節(jié)得到的xls文件，可能出現(xiàn)纖維橫截面數(shù)據(jù)異常的情況，如部分纖維直徑非常大、自動(dòng)分割后識(shí)別的纖維根數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際根數(shù)等，其主要原因：

(1) 多個(gè)纖維橫截面黏合在一起，形成一個(gè)較大的纖維輪廓線，如圖6(a)中綠色圈住部分。此時(shí)，可利用IPP軟件中的分割工具，手工將多個(gè)黏合在一起的纖維橫截面分割開(kāi)，并確保每個(gè)分割后的纖維橫截面超過(guò)一個(gè)半圓。

(2) 某個(gè)纖維橫截面區(qū)域內(nèi)部的光照不勻，導(dǎo)致其被自動(dòng)分割成內(nèi)外兩個(gè)邊緣，如圖6(b)中綠色圈住部分。此時(shí)，可使用IPP軟件中的“Remove Holes”(去除孔洞)功能。

(3) 使用激光顯微鏡獲取纖維圖像時(shí)，由于纖維圖像捕捉的光照高度差的設(shè)定，個(gè)別纖維只有少量部分被捕捉顯示，如圖6(c)中綠色圈住部分。這些尺寸小于一個(gè)半圓的小顆粒纖維橫截面的測(cè)量數(shù)據(jù)，不能作為被測(cè)試長(zhǎng)絲紗線中纖維直徑的測(cè)試結(jié)果，可直接刪除。

圖5 纖維直徑測(cè)量示意

(a) 多個(gè)纖維黏合成一個(gè)大輪廓

(b) 帶有孔洞的纖維橫截面

(c) 小顆粒纖維橫截面

1.5 纖維直徑分析

利用SPSS軟件的數(shù)據(jù)分析功能，根據(jù)IPP軟件輸出的纖維直徑測(cè)量數(shù)據(jù)xls文件，對(duì)BC1500玻纖直徑進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1，其直徑分布直方圖如圖7所示。

表1 BC1500玻纖直徑分析結(jié)果

圖7 BC1500玻纖直徑分布直方圖

2 討論

理論上，BC1500玻纖長(zhǎng)絲紗線中的纖維根數(shù)為100，而依據(jù)圖5可目測(cè)到的纖維根數(shù)為97。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，BC1500玻纖長(zhǎng)絲紗線中的纖維平均直徑為4.81 μm，最大直徑為6.62 μm，最小直徑為3.90 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.55 μm。本試驗(yàn)中，有效測(cè)量根數(shù)為92，丟失了8根纖維的信息。其主要原因是激光顯微鏡對(duì)長(zhǎng)絲紗線橫截面進(jìn)行層層成像時(shí)，有些纖維橫截面未得到完整掃描，其測(cè)量值未作為有效數(shù)據(jù)計(jì)入。另外，由于纖維集束，有些纖維可能未落在激光顯微鏡視野范圍內(nèi)。

從圖7可以看到，BC1500玻纖長(zhǎng)絲紗線的纖維直徑主要分布在4.00～6.00 μm，通過(guò)觀測(cè)這些纖維直徑的分布圖，可以得到目前玻纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)中是否出現(xiàn)細(xì)度偏差問(wèn)題。

本試驗(yàn)采用的這種不需要制作纖維橫截面切片的方法，并不適用于任意纖維的直徑測(cè)量。采用此方法對(duì)棉纖維的直徑進(jìn)行測(cè)量，效果不佳，在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于棉纖維存在天然轉(zhuǎn)曲，纖維在不同空間層的位置不同，導(dǎo)致激光多次成像不在同一位置，捕獲的圖像實(shí)際上是纖維橫截面與縱截面的結(jié)合體，圖像模糊不清。其他化學(xué)短纖在制造過(guò)程中一般都經(jīng)過(guò)卷曲加工，纖維不呈直線狀態(tài)，若用此方法測(cè)量纖維直徑也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似問(wèn)題。

此外，如果長(zhǎng)絲纖維的橫截面不是圓形截面，而是異形截面，則纖維細(xì)度數(shù)據(jù)需進(jìn)一步處理。

3 結(jié)論

本文提出了一種獲取長(zhǎng)絲纖維橫截面圖像的方法，不需要制作纖維橫截面切片，操作簡(jiǎn)單且耗時(shí)短，對(duì)長(zhǎng)絲纖維品種也沒(méi)有特殊要求。利用VK-X110形狀測(cè)量激光顯微鏡獲取清晰的纖維橫截面圖像，再利用IPP軟件對(duì)纖維橫截面圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分割和測(cè)量，輸出纖維直徑測(cè)量數(shù)據(jù)xls文件，并利用SPSS軟件對(duì)纖維直徑測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、快捷。此外，通過(guò)纖維直徑分布情況，可以更好地幫助企業(yè)監(jiān)管和提高纖維直徑的均勻性，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的品質(zhì)。