Photoshop和Matlab软件在纳米纤维膜孔隙率测试中的应用

王 丹 单小红 潘江贵

1. 新疆大学纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐830046；2. 新疆阿克苏地区纤维检验所，新疆 阿克苏 843200



Photoshop和Matlab软件在纳米纤维膜孔隙率测试中的应用

王 丹1单小红1潘江贵2

1. 新疆大学纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐830046；2. 新疆阿克苏地区纤维检验所，新疆 阿克苏 843200

采用Photoshop软件对纳米纤维膜的扫描电镜图进行阈值分割，运用Photoshop和Matlab软件对该二值图像的黑色像素值进行计算，可得到纳米纤维膜的孔隙率。测试结果表明：壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜的孔隙率随着纤维平均直径的增大而减小，且两种图像处理软件得到的孔隙率相差不大。此外，通过Photoshop和Matlab软件测量了不同放大倍数的纳米纤维膜的孔隙率，测得的孔隙率差异在3%以下。

Photoshop，Matlab，孔隙率，图像处理

纤维膜的孔隙率是指纤维膜中的孔隙体积占纤维膜总体积的比例，用百分数表示[1]。静电纺丝技术的原理[2]是将几万伏的高压电接到喷丝头上，使聚合物带电，在高压电场力的作用下，针头处的液滴形成泰勒锥，经过喷射抽长拉细，最终固化成纤维。由静电纺制备的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高等特点。测量纳米纤维膜的孔隙率的方法有称重法[3]、密度法[4]、图像法[5]、体积法[6]、溶液置换法[7]等。采用图像法测量纤维膜的孔隙率已受到越来越多的关注。李昕等[8]利用Matlab软件计算了纤维膜的孔隙率。储咏梅等[9]采用图像处理方法计算出竹纤维的孔隙率，结果表明计算机VC编程的方法处理效率高，能较好地应用于纤维孔隙率的测量，有一定的实用价值。周明等[10]将Matlab软件与密度法测量的纳米纤维膜的孔隙率进行对比，结果发现依据图像方法计算出的孔隙率与密度法的测试结果的偏差在4%以内，表明图像法测试纳米纤维膜的孔隙率是可行的，这为测量纤维膜的孔隙率提供了一种有效、快速且简便的途径。刘井红等[11]利用Photoshop、Image Tool、Matlab和Visual C四种图像处理软件测定了纳米纤维膜的孔隙率，测得的孔隙率分别为3.06%、3.06%、3.05%和3.06%，试验结果表明：四种图像处理方法得出的纤维膜的孔隙率较为接近，误差在1%以下。

本文对Photoshop和Matlab两种图像处理软件得到的纳米纤维膜的孔隙率进行比较研究，分析不同放大倍数的纳米纤维膜的扫描电镜图对其孔隙率测试结果的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

试验材料：壳聚糖(CS，食品级，相对分子质量为70万～80万，上海蓝季科技发展有限公司)；聚乙烯醇树脂(PVA，化学纯，相对分子质量为3万～5万)；冰乙酸(HAc，质量分数99.5%，分析纯，天津市河东区红岩试剂厂)。

试验仪器：自制静电发生器，日立S-4800型扫描电镜等。

1.2 纺丝液的制备

将壳聚糖与聚乙烯醇树脂分别溶于质量分数为90.0%和50.0%的乙酸溶液中，配制成质量分数为3.5%的壳聚糖溶液和质量分数为10.0%的聚乙烯醇树脂溶液，并将壳聚糖溶液与聚乙烯醇树脂溶液按10∶90、20∶80、30∶70的质量比混合，再将得到的混合溶液置于磁力搅拌器中搅拌2 h后静置脱泡。

1.3 纳米纤维膜的制备

在室温下，将配制好的纺丝液倒入20 mL注射器中，针头内径为0.6 mm，负载电压为20 kV，纺丝速率为0.8 mL/h，接收距离为15 cm，纺丝时间为5 h。

1.4 形态表征

在真空条件下，对不同质量分数的壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜进行表面喷金处理，喷金后的形貌采用日立S-4800型扫描电镜(SEM)分析。纤维直径的测量采用图像分析软件SmileView，纤维的平均直径由测得的100根纤维的直径计算而得。

1.5 对扫描电镜图进行阈值分割

将不同质量分数的混合纳米纤维膜的扫描电镜图导入Photoshop软件，首先将其转化成灰阶图像，调整图像阈值，进行图像分割。阈值调节需要注意两点：①尽量使扫描电镜图表面纤维层为考察层；②“Method”选项中选择“50%阈值”。具体步骤为：

Photoshop界面→打开图片→调整阈值→确定→图像→模式→位图→Method中选择50%阈值→得到二元黑白图像。

其中，黑色部分表示孔隙部分，其他则为非孔隙部分。

1.6 孔隙率测定

1.6.1 Matlab软件计算

将分割后的二元黑白图像导入Matlab，利用Matlab软件计算出黑色部分的像素值占全部像素值的比率，即为纳米纤维膜的孔隙率。阈值分割的二值图像中，1显示为白色，0显示为黑色。主要代码如下：

T=graythresh(I);I1=im2bw(I,T);

imshow(I1);

numVal_0=length(find(I1==0));

sum(sum(I1));

sum(sum(I1))/(length(I1(:,1))*length(I1(1,:)));

纤维膜的孔隙率记为p，则：

(1)

1.6.2 Photoshop软件计算

按上述步骤得到的二元黑白图像→Ctrl + J(复制背景图层，即图层1)→创建新的填充或调整图层→纯色→R=0, G=255, B=0→Ctrl + [→右击图层1→混合选项→混合颜色带→选红色→本图层调节到50→确定→直方图→整个图像的像素值(记为n)→右击图层1→单击选项编组到新建智能对象图层中→直方图→选中图层→非孔隙部分的像素值(记为n1)。

则纤维膜的孔隙率p：

(2)

2 结果与讨论

2.1 阈值的确定

阈值的原理：阈值即为临界值，Photoshop中的阈值实际上是基于图片亮度的一个黑白分界值，默认值是50%中性灰，即128[12]。亮度高于128(即<50%的灰)的会变成白色，低于128(即>50%的灰)的会变成黑色。调整滑块至最左侧或最右侧，就可以显示出所有白色或黑色像素。对图像的评价方式有多种，一般采取主观评价法。由于阈值的选取因人而异，因此本文选择5位主体评价，标记为A～E，评价结果如表1所示。纳米纤维孔隙率的计算采用多人评定的平均阈值，选择处理后的图像与原图像相似性最好的阈值为最终确定的阈值。

表1 多人评定的阈值

2.2 不同放大倍数的扫描电镜图阈值分割前后比较

由图1(a)、(c)、(e)和图2(a)、(c)、(e)可以清楚地看到，混合纳米纤维的直径分布较均匀，孔隙结构明显，孔隙数目较多。图1(b)、(d)、(f)和图2(b)、(d)、(f)中，混合纳米纤维的孔隙区域呈黑色，纤维区域呈白色，且尽量使表面纤维为考察层，避免出现下层纤维。经过二值化处理后，灰度值高的孔洞全部转化为灰度值为0的黑色图像，灰度值低的纤维则转化为灰度值为1的白色背景，以便于进行纤维面积计算[13]。

(a) 处理前(CS∶PVA=30∶70) (b) 处理后(CS∶PVA=30∶70)

(c) 处理前(CS∶PVA=20∶80) (d) 处理后(CS∶PVA=20∶80)

(e) 处理前(CS∶PVA=10∶90) (f) 处理后(CS∶PVA=10∶90)

(a) 处理前(CS∶PVA=30∶70) (b) 处理后(CS∶PVA=30∶70)

(c) 处理前(CS∶PVA=20∶80) (d) 处理后(CS∶PVA=20∶80)

(e) 处理前(CS∶PVA=10∶90) (f) 处理后(CS∶PVA=10∶90)

2.3 孔隙率测试结果

运用SmileView软件对壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜扫描电镜图中100根纤维进行直径测量，得出的平均直径结果见表2。由表2可知，混合纳米纤维膜的孔隙率随着纤维平均直径的增大而减小，孔隙率由51.515%减小到44.745%。这是由于在其他条件不变的情况下，壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维的平均直径随着聚乙烯醇质量分数的增加而增加，从而使得纤维膜的密度逐渐增大，壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜的孔隙率逐渐减小。由Photoshop和Matlab软件得到的混合纳米纤维膜的孔隙率结果甚为接近，误差在1%以内。为了分析壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜扫描电镜图的放大倍数对孔隙率的影响，分别对放大20 000 和30 000倍的纳米纤维膜扫描电镜图进行孔隙率计算，结果表明利用Photoshop和Matlab软件测得的纤维孔隙率较为接近，误差在3%以内。

表2 不同放大倍数的纳米纤维膜扫描电镜图孔隙率测试结果

3 结果

(1) 运用Photoshop软件将扫描电镜图像转化成二值图像，操作简单、准确，通过阈值调整及比较，可以得到扫描电镜图中较合适的灰度区，提高二值图像的效果。

(2) 由Photoshop和Matlab软件测得的纤维孔隙率甚为接近，误差在1%以内，且壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜扫描电镜图的放大倍数不同对孔隙率的影响不大，误差在3%以内。

(3) 以上试验分析表明，Photoshop和Matlab软件用于壳聚糖/聚乙烯醇混合纳米纤维膜孔隙率的测定是可行的。

[1] 吕运转. 编织型神经再生导管孔隙率的表征及对神经导管性能的影响[D]. 上海：东华大学，2007.

[2] WNEK G E, CARR M E, SIMPSON D G, et al. Electrospinning of nanofiber fibrinogen structures[J]. Nano Letters, 2003,3(2): 213-216.

[3] 刘国华．编织结构生物可降解神经再生导管的制造及性能研究[D]．上海：东华大学，2006.

[4] 吕运转，陈南梁. 编织型神经再生导管的孔隙率表征[J]. 产业用纺织品，2009，27(2): 38-41.

[5] 徐晶晶，沈力行，赵改平, 等. 基于数字图像处理技术测量松质骨孔隙率的方法[J]. 中国组织工程研究与临床，2010, 14(17): 3062-3064.

[6] 石桂欣，王身国，贝建中. 聚乳酸与聚乳酸-羟基乙酸多孔细胞支架的制备及孔隙的表征[J]. 功能高分子学报，2001，14(1): 7-11.

[7] SU Y-Y H, GRESSER J D, TRANTOLO D J, et al. Effect of polymer foam morphology and density on kinetics of in vitro controlled release of isoniazid from compressed foam matrices[J]．Journal of Biomedical Materials Research, 1997, 35(1)：107-116.

[8] 李昕，高东林，黄欢. 数字图像处理技术在膜图像处理中的应用[J]. 北京理工大学学报，2011, 31(12): 1465-1468.

[9] 储咏梅. 竹纤维结构性能与产品开发研究[D]. 苏州：苏州大学，2005.

[10] 周明，王鸿博，王银利, 等. 基于图像处理技术的纳米纤维膜孔隙率表征[J]. 纺织学报，2012, 33(1): 20-23.

[11] 刘井红，吴晓青，郭启微. 复合材料孔隙率检测方法的比较研究[J]. 纤维复合材料，2009，26(1): 29-31.

[12] 张美芹. Photoshop图像调整中阈值应用的研究[J]. 电脑知识与技术，2010, 6(30): 8611-8612.

[13] 李星，李向群，高大容.鸟蛋壳内纤维膜电镜图像处理[J]. 甘肃科技，2009, 25(9): 75-76.

Application of Photoshop and Matlab software on porosity test of nanofibers mat

WangDan1,ShanXiaohong1,PanJianggui2

1. College of Textile and Clothing, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2. the Fiber Institute of Aksu Prefecture, Aksu 843200,China

The threshold segmentation of scanning electron microscopy(SEM) image of nanofibers mat was analyzed by using Photoshop software. Photoshop and Matlab software were used to calculate the binary image of black pixels, and porosity of nanofibers mat was obtained. The results showed that the porosity of nanofibers mat was decreased with the increase of average fiber diameter, and the porosity from two image processing software was similar. In addition, the porosity of nanofibers mat with different magnification was also studied by means of Photoshop and Matlab software, and the difference between two porosities was below 3%.

Photoshop, Matlab, porosity, image processing

2015-09-26

王丹，女，1990年生，在读硕士研究生，主要从事纺织新材料与新产品的开发

单小红，E-mail：shanxh325@163.com

TS104

A

1004-7093(2016)06-0041-04