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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,Ti2O3,TiO等组成的钝化膜。
TiO2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TiO2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TiO2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。
研究现状
即使TiO2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
TiO2粒子,光催化活性尤为显着[6]。
原因有三个方面[7][8]:
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TiO2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高,催化活性越高。
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。
BenksteinKD,SemancikS[11]等人发现利用含聚乙二醇的钦醇盐溶胶制备TiO2薄膜时,可在TiO2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。
FuYN[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。
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。
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
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。
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。
如图所示:
a:
(原始图像)b:
(分离目标)
C:
(二值化)
图:
290V二氧化钛微弧氧化的SEM图像
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,图,图所示:
图图(阈值为50)
图(阈值为21)
、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——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(dR):
E(dR)=1/∏∫02∏RdΘR
其中dR是通过颗粒重心的弦长,ΘR为R和dR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。
(2)
颗粒面积s=∏ds
式中,ds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Ψw,有
Ψw=与颗粒等体积的圆球的表面面积/颗粒的表面面积=(dv/ds)^2
式中dv为颗粒体积直径,容易看出Ψw<=1
Hausner[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^2/(A为颗粒投影面面积,c为周长)
Church[24]采用dm和df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,常用各栏项目如表所示:
颗粒大小范围Xr-Xr+1
间隔
dx
平均大小
-x
频率数
dΦ
累计频率数
Φ
百分率频率
dΨ
累计百分率频率
Ψ
百分率频率密度dΨ/
dx
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
表
表中,颗粒大小x指测得的颗粒的当量直径;间隔dx=Xr-Xr+1;平均大小-x=(Xr+Xr+1)/2;频率数dΦ指在某大小范围内颗粒的表征(包括个数、长度、面积和体积等)出现的总数;累计频率数Φ指小于某颗粒的某特征总数,Φ=
dΦ;百分率频率dΨ=dΦ/
dΦ,
dΦ即某特征在整个大小范围内的出现总数;累计百分率频率Ψ=
dΨ;dΨ/
dx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,如图所示:
(2)
图
(3)累计百分率频率分布图即累计百分率频率Ψ对x作图,通常将各点描成连续平滑线,如图所示:
(4)
图
图:
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:
XNL=
dL/
dN=
XDn/
dN
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、
3、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。
4、
5、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。
6、
7、对标过的号进行排列、累加、计算
8、
9、孔面积:
S=∏d2
10、
11、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)。
方法图所示:
12、
图
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进行作图分析,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:
A:
200V
B:
230V
C:
260V
D:
290V
E:
320V
F:
350V
图
通过《图像处理与分析》载入图片、处理图片和作图,如图和所示:
200V
230V
260V
290V
320V
350V
图
保存数据然后导入Excel作图,如图所示:
A:
200V
B:
230V
C:
260V
D:
290V
E:
320V
F:
350V
图:
(x轴单位为/个数,y轴单位为/微米)
A:
200V
B:
230V
C:
260V
D:
290V
E:
320V
F:
350V
图:
孔径数据排序后作图
2.6.2数据分析
由图、图中可以得出:
表
电压
膜孔数量
孔径大小范围
200V
1297
23-238(nm)
230V
905
23-456(nm)
260V
221
23-521(nm)
290V
73
23-549(nm)
320V
71
23-637(nm)
350V
53
23-513(nm)
表
1、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——即膜孔密度随着电压的升高而减小。
膜孔的平均孔径值随着电压的升高而增大,但是膜孔平均孔径值的增大并不是来自于所有孔的孔径值增大,而是随着电压的增高,大孔径的孔数目增加,从而使平均孔径的增大。
2、
3、由图可以看出,不同电压下6个试样的膜孔形貌、孔密度都有了显着的变化,200V、230V和260V电压下,小孔径分布比较密集,数量也比较多,孔径尺寸相差也不是很大,但还是有大孔径存在,只是为数不多。
图中的A:
200V、B:
230V、C:
260V可以更直观的显示。
但在290V电压下,大孔径数量开始增加,升到了320V出现了最大孔径值,直到350V大孔径的数量还是呈现平稳趋势。
因此,孔的平均孔径值随着电压的增高而增高,符合了理论上的判断。
4、
5、文献
[1]李洪义,王金淑,陈欣,周美玲,孙果宋,黄科林,郭秋宁.TiO2纳米管阵列薄膜制备及生长机理的研究[J],无机化学学报,2010年2月,Vol.26No.2217-222
[2]吴晓宏,秦伟,王松,苏培博,姜兆华.微等离子体氧化法制备TiO2膜的光催化活性研究[J],材料科学与工艺,2006年4月,Vol114No12
[3]陶海军,陶杰,王玲,王炜.纯钛及其合金表面纳米多孔TiO2膜的制备研究[J].南京航空航天大学学报,2005年10月,Vol.37No.5
[4]朱瑞富,王志刚,肖桂勇等。
电极电压对纯钛表面微弧氧化陶瓷膜结构及特性的影响[J].硅酸盐学报.2008(5):
631-635
[5]唐洁影,张旭苹,孟莉莉.纳米晶体TiO2多孔膜的制备[J].光电子技术,2003年12月,Vol.23No.4
[6]董如林,许寅颖,陈智栋.多孔TiO2薄膜的制备及其透光性能[J].化工进展,2010年第29卷第3期
[7]宋丽丽,李巴津,史志铭,等.纳米氧化钛薄膜湿敏元件的电学特性研究[J].仪表技术与传感器,2009(4):
112-114.
[8]胡林华,戴松元,王孔嘉.纳米Ti02多孑L膜的微结构对染料敏化纳米薄膜太阳电池性能的影响[J].物理学报,第54卷第4期2005年4月.
[9]FengJM,HanJJ,ZhaoXJ.SynthesisofCuInS2quantumdotsonTiO2porousfilmsbysolvothermalmethodforabsorptionlayerofsolarcells[J].ProgressinOrganicCoatings,2009(64):
268-273.
[10]ChenYM,ChenF,ZhangJL.Effectofsurfacefluorinationonthephotocatalyticandphoto-inducedhydrophilicpropertiesofporousTiO2films[J].AppliedSurfaceScience,2009(255):
6290-6296
[11]BenksteinKD,SemancikS.MesoporousnanoparticleTiO2thinfilmsforconductometricgassensingonmicrohotplateplatforms[J].SensorsandActuatorsB,2006,113:
445-453.
[12]FuYN,JinZG,NiY,etal.Microstructure,opticalandoptoelectricalpropertiesofmesoporousnc-TiO2filmsbyhydrolysis-limitedsol-gelprocesswithdifferentinhibitors[J].ThinSolidFilms,2009,517:
5634-5640.
[13]EuvananontC,JuninC,InporK,etal.TiO2opticalcoatinglayersforself-cleaningapplications[J].CeramicsInternational,2008,34:
1067-1071
[14]IwataT,IshikawaM,IchinoR,reductionofCr(VI)onTiO2filmformedbyanodizing[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2003,169~170
[15]ShindePS,BhosaleCH.PropertiesofchemicalvapourdepositednanocrystallineTiO2thinfilmsandtheiruseindye-sensitizedsolarcells[J].J.Anal.Appl.Pyrolysis,2008,82:
83-88.
[16]BenksteinKD,SemancikS.MesoporousnanoparticleTiO2thinfilmsforconductometricgassensingonmicrohotplateplatforms[J].SensorsandActuatorsB,2006,113:
445-453.
[17]朱永明,胡会利,屠振密,张方敏,李 宁.钛阳极氧化处理工艺[J].电镀与精饰,第31卷第6期,2009(31):
100-105
[18]高相东,李效民,于伟东,等.纳米多孔TiO2厚膜的制备及其汞溴红敏化光电化学性能[J].无机材料学报,2007,22(6):
1079-1085.
[19]黄艳,李卫,张鹏,蔡一湘.微弧氧化医用钛材表面特征研究[J].稀有金属材料与工程,2008年9月,V01,37,Suppl.3
[20]吴晓宏,石连升,秦伟,李庆芬.钛表面原位生长TiO2膜及其光催化活性[J].哈尔滨工业大学学报,2006年11月,Vol138No111
[21]陈珊珊.纳米二氧化钛膜的性能及制备方法研究[J]。
科学技术导报,2006
[23]陈国华,赵峰鸣.阳极氧化法制备TiO2多孔薄膜[J].化学进展,第21卷第1期,2009年1月
[24]许鑫华,叶卫平.计算机在材料科学中的应用[M],机械工业出版社,2003年7月
[25]田甜.氧化钛纳米管阵列的研究进展[J].钛工业进展,第26卷第1期,2009年2月
[26]柳闽生,张小谷,詹寿发,张康华.纳米晶TiO2敏化多孔膜电极的光电化学研究[J].南昌大学学报(理科版),第26卷第2期,2002年6月
[27]余润兰,邝代治,邓戊有,王建伟.纳米催化研究进展[J].衡阳师范学院学报(自然科学),第22卷第6期,2001年12月
[28]刘国奇,靳正国,方宏,刘同军.硅球多层模板溶胶浸渍法制备有序多孔TiO2薄膜[J].第9期,2007年9月
[29]郑 敏,严自力,沈锦玉,朱海霖,冯新星,陈建勇.纳米TiO2/丝素蛋白多孔膜的体外降解性能[J].蚕业科学,2009;35
(2)
[30]张 勇,冯 辉,金远锋,杨 勇,武行兵.多孔铝阳极氧化膜的制备及膜孔的影响因素[J].电镀与精饰,第31卷第3期,2009年3月
[31]张胜涛,曹阿林,李文坡,廖勇.功能性多孔氧化铝膜的应用研究进展[J].表面技术,第38卷第1期,2009年2月
[32]赵红,姜志全,张镇等.利用多孔阳极氧化铝研究载体孔洞尺寸对负载银粒子团聚的影响[J].催化学报,2006,27(5):
3812385
[33] 李凌杰,李荻,张胜涛,等.多孔阳极氧化铝膜在纳米功能材料制备中的应用[J].功能材料,2002,33
(2):
148-151
[34]姚素薇,孔亚西,张璐.高度有序多孔阳极氧化铝膜形成机理的探讨[J].功能材料,2006,37
(1):
113-116
[35]川合慧.阳极氧化膜电解着色及其功能膜的应用[M].朱祖芳译.北京:
冶金工业出版社,张永彬,赵景畅,莫威,吴兴惠 .TiO2薄膜的制备及光催化性能研究[J].功能材料,2001年3期
[37]魏宏斌,徐迪民.固定相TiO2膜的制备及其光催化活性[J].中国给水排水,2002年7期
[38]刘忠,孟大维,陈维义.纳米多孔二氧化钛薄膜的制备及其亲水性能的研究[J].辽宁化工,2006(3):
127-130.
[39] 王芸.光催化TiO2基膜自洁玻璃的制备[J] ,2007中国浮法玻璃及玻璃新技术发展研讨会论文集,2007年
[40]胡晓宏,刘艳华,于琳宇等.多孔纳米TiO2薄膜的制备及其光催化脱除NO的研究[J].西安交通大学学报,2008,42
(1):
87-90.
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