帶你走進纖維材料的三維世界

2020-03-26

1月23日武漢宣布封城，至今已經過去了將近2個月。從媒體報道來看，國內疫情在一天天的好轉，但是對于那些需要外出的朋友們來說，還是不要放松警惕，準備好防護工具——口罩?。。￡P于口罩，現在大家面臨的大的問題可能已經不是選擇什么樣的口罩了，而是我還剩下什么口罩！

今天我們公眾號的內容也是與口罩相關，雖然我們不制造口罩，但是我們提供可以用來研究口罩的設備。讓我們先來簡單的認識一下醫用口罩，再來看看我們的XRM可以對口罩這類纖維復合材料有什么樣的幫助。

醫用口罩實物圖片和SEM獲取的橫截面圖片分別展示了口罩的宏觀結構和微觀結構，不難看出，不同層因其功能不同，選用的材料也有很大的差異。中間層主要用來過濾病菌，厚度約為156μｍ，纖維更細小，堆疊更密實。

▲1.常見醫療口罩的構成（圖片來自新華網）

2.口罩橫截面SEM圖片

3.熔噴布微觀結構圖

中間層通常是聚丙烯熔噴無紡布，纖維直徑分布在0.5~10μｍ，以1~4μｍ為主。纖細的纖維，在三維空間中交織成網狀結構，在保證空氣流通順暢的情況下，提供盡可能大的表面積，通過各種不同作用機理來過濾病菌，顆粒。這種網狀結構的特征，尤其是三維空間的結構特征是影響其過濾能力的重要因素之一，比如纖維材料的孔隙率，結構分離程度，結構厚度分布，纖維取向分布等。在二維尺度上，SEM為我們提供了非常清晰的圖像，可以用來對不同截面進行的分析。如果我們需要無損的，高分辨率，高襯度的三維圖像呢？布魯克公司的SkyScan系列三維X射線顯微鏡可以滿足這樣的需求：

不需要進行切片，染色或噴金等樣品處理。

樣品可重復測試，進行縱向比對。

聚丙烯這類主要由C,H等輕元素組成的物質，對Ｘ射線吸收非常弱，想獲得足夠高的對比度，①要求X射線探測器的靈敏程度高，可以識別出微小的信號差異，獲取吸收襯度信息。②設備整體精度高，探測器靈敏度高，在吸收襯度之外，還可以利用X射線相位的變化，獲得包含相位襯度的圖像。

▲纖維CT虛擬切片，同時包含吸收襯度和相位襯度信息，分辨率350nm，纖維絲邊界清晰

大工作距離條件下的高分辨率掃描，一般是通過透鏡或光錐對閃爍體產生的信號進行二次放大，布魯克SkyScan采用高分辨率CCD探測器（1100萬像素,普通探測器一般為400萬像素）+具有放大功能的光纖實現幾何放大和光錐二次放大，并且在進行二次放大的同時，可以保證成像速度，在合理的時間內完成大工作距離下的高分辨率掃描。

▲SkyScan2214光錐耦合兩級放大

▲SkyScan系列產品標配軟件包3D.Suite

定量分析軟件可實現：

• 孔隙率

• 比表面積

• 纖維直徑分布

• 局部孔徑分布

• 纖維取向

▲復合材料纖維取向

利用三維X射線顯微鏡，獲取材料三維結構圖像，結合配套的專業分析軟件，就可以突破二維空間的限制，打開3D甚至是4D研究領域的大門。