使用流式成像顯微鏡測量纖維狀樣品
纖維顆粒的分析是一個值得探討的議題,基於雷射光繞射法、Coulter Counters等方法,僅能在假設測量顆粒為球形的情況下給予粒徑值(等效球體粒徑),而對於纖維狀樣品則無法給予其長寬等其他參數(見圖一),因此,流式顯微鏡已成為主要用於測量長度和寬度的纖維特性的方法。流式成像顯微鏡的存在有可能避免人為判定因素得到較為客觀的纖維顆粒長寬參數,圖二展示了關於FlowCam在工業上的纖維分析的結果。
在直纖維中,這相對容易實現,但是當樣品有許多變得很捲曲時的顆粒時會變得更加複雜。實際上,在許多應用中纖維的捲曲度可能對最終產品的性能至關重要。帶有VisualSpreadsheet®軟件的FlowCam可實現高速捕獲纖維長度和寬度,以及纖維平直度和纖維捲曲的特徵。
在直纖維中,這相對容易實現,但是當樣品有許多變得很捲曲時的顆粒時會變得更加複雜。實際上,在許多應用中纖維的捲曲度可能對最終產品的性能至關重要。帶有VisualSpreadsheet®軟件的FlowCam可實現高速捕獲纖維長度和寬度,以及纖維平直度和纖維捲曲的特徵。
圖一、如何基於體積的系統計算纖維的等效球體粒徑:290µm x 11µm的光纖轉換計算表徵為直徑= 64µm的球體
圖二、如何透過FlowCam軟體去分析工業用纖維樣品
方法
FlowCam用於分析分散於丙酮中的纖維素纖維樣品,而大多數成像顆粒分析系統給予的長度和寬度是所謂的費雷特直徑(Feret’s diameter)。費雷特直徑有時也稱為卡尺直徑是因為其定義是基於到兩個切線到粒子輪廓的距離,類似於使用卡尺(請參見圖三)FlowCam和VisualSpreadsheet具備能計算超越簡單的費雷特測量的方式,包括測Geodesic長度和測Geodesic寬度。圖三及圖四顯示了兩種計算方法的不同。
圖五、使用費雷特法及Geodesic法量測的捲曲纖維顆粒圖像
圖六、使用費雷特法及Geodesic法量測的直纖維顆粒圖像
圖七、將圖二數據使用自訂濾片進行過濾產生之表格
圖八、FlowCam分析纖維的畫面截圖,右側圖像 代表纖維直度> 0.75的纖維顆粒
FlowCam用於分析分散於丙酮中的纖維素纖維樣品,而大多數成像顆粒分析系統給予的長度和寬度是所謂的費雷特直徑(Feret’s diameter)。費雷特直徑有時也稱為卡尺直徑是因為其定義是基於到兩個切線到粒子輪廓的距離,類似於使用卡尺(請參見圖三)FlowCam和VisualSpreadsheet具備能計算超越簡單的費雷特測量的方式,包括測Geodesic長度和測Geodesic寬度。圖三及圖四顯示了兩種計算方法的不同。
圖三、費雷特測量之長寬 | 圖四、Geodesic測量之長寬 |
下圖五顯示了圖三、四之顆粒原始圖像及數據,這是透過軟體VisualSpreadsheet計算得來的,而從圖五也可以看出VisualSpreadsheet還添加了另外兩種描述纖維的計算:纖維捲曲度和纖維直度。纖維直度定義為費雷特長度除以Geodesic長度,理想的直纖維直度值為1,而若為非直纖維其值則越來越趨近於0。纖維捲曲定義則為Geodesic長度除以費雷特長度再減去1,0則表示纖維是完全筆直的,而隨著捲曲程度的增加值會越來越大。
圖五、使用費雷特法及Geodesic法量測的捲曲纖維顆粒圖像
我們藉由比較直纖維顆粒(圖六)及卷曲纖維顆粒(圖五)。可以預期,捲曲的顆粒相比於直纖維顆粒應顯示出更高的纖維捲曲度測量和較低的纖維直度。同時我們可以注意到在直纖維顆粒中,寬度和長度以兩種不同方法(費雷特v.s. Geodesic) 測得的結果更為相近。
圖六、使用費雷特法及Geodesic法量測的直纖維顆粒圖像
結論
有鑑於纖維平直度對於最終纖維材料的應用重要性,我們可以利用VisualSpreadsheet軟體中的過濾功能來定義捲曲纖維及直線纖維,舉例而言,樣品總顆粒數中如果有大於50%的顆粒其纖維直度大於0.75,則認為合格(此批製程均製備出直性纖維),從圖七的摘要統計數據可以看出,該範例有通過直線度> 0.75的纖維中有53.47的計數百分比。
有鑑於纖維平直度對於最終纖維材料的應用重要性,我們可以利用VisualSpreadsheet軟體中的過濾功能來定義捲曲纖維及直線纖維,舉例而言,樣品總顆粒數中如果有大於50%的顆粒其纖維直度大於0.75,則認為合格(此批製程均製備出直性纖維),從圖七的摘要統計數據可以看出,該範例有通過直線度> 0.75的纖維中有53.47的計數百分比。
圖七、將圖二數據使用自訂濾片進行過濾產生之表格
最後,我們展示了在軟體中只需點擊即可篩出滿足要求的那些纖維圖像以供查看(圖八),使用VisualSpreadsheet的FlowCam代表了一種突破性的新方法,可快速根據形狀呈現纖維顆粒。在此處顯示的範例中,僅花費23秒的時間就自動分析了10,000多根纖維,並產生了十分豐沛的統計數據。
圖八、FlowCam分析纖維的畫面截圖,右側圖像 代表纖維直度> 0.75的纖維顆粒