环氧树脂包埋法和图像分析技术在纸页Z向结构研究中的应用
洪义梅1周宗耀1赵焕1王岳2
（1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2.天津海关化验中心,天津，300457）
摘要：本文综合应用环氧树脂包埋、扫描电镜（SEM）和图像分析技术（IPP）对纸页的Z向结构进行了研究，结果表明，应用环氧树脂包埋后的纸页切片后在扫描电镜下观察纸页断面整齐，纤维排列规则，没有出现徒手切片时纤维细胞腔塌陷的情况，应用图像分析技术可以量化地计算出纸页组分在Z向的分布情况，客观地反映出纸页Z向各个组分的分布情况。
关键词：环氧树脂 扫描电镜 图像分析技术 纸页Z向结构 1·前言
纸张是一种三维立体的纤维网状结构，在纸页Z向上，纤维、涂层、填料和孔隙的结构和形态是不同的，这种差异会直接影响到纸页的最终性质，如内部结合强度、光学性能以及油墨吸收性能等。
要研究纸页中纤维的结合状态、填料在纸张中的分布、涂料渗透深度以及油墨渗透深度等问题时往往需要对纸页的Z向进行扫描电镜（SEM）观察，目前扫描电镜技术已经成为研究纸页结构、分析成纸特性的重要手段，在应用扫描电镜观察前需要对纸页进行包埋和超薄切片，对于纸页的包埋剂的选用以环氧树脂为宜，丙烯酸树脂的聚合损伤太大，往往改变了纤维与纤维间的结合状态。
作为一种强大的图像处理技术，IPP(Image-Pro-Plus)可视分析技术广泛应用于生命科学、医学、材料学、地质学、生物学等科研及现场检验中。在造纸工业中的应用却不多，IPP可视分析技术是图像处理技术中的一种，具有可视化、结果准确等优点。
2·实验原料与方法
2.1实验原料与仪器
涂布纸，高锰酸钾，乙醇溶液，氢氧化钠，Spon812包埋试剂，包埋板，医用2号胶囊，10ml注射器，5ml注射器，小玻璃棒，烘箱、切片机、光学显微镜、扫描电镜等。
2.2实验方法
2.2.1取样
①将样品纸、医用胶囊、注射器、小烧杯、滤纸和标记用纸放在烘箱中，在40℃至45℃条件下烘干半小时后取出。
②从样品纸上剪下4个1至3mm宽，5mm长的纸条，并各自做好标记。
③将样品放在载玻片上，分别用高锰酸钾溶液染色，待其风干后再次染色，重复3至4次。
2.2.2配置包埋液
Spon812 8.0g
DDSA 3.2g
MNA 2.6g
将上述溶液依次倒入烧杯中，搅拌均匀（其中DDSA为硬化剂，可提升树脂硬度；MNA为塑化剂，可提高树脂韧性，在实验中需要根据季节和天气情况适当调整配方）。然后取DMP-30(8.0+3.2+2.6)X2%=0.276ml(DMP为催化剂，可加速固化过程)。将DMP逐滴加入，再加入过程中不断搅拌，使溶液充分混合。
2.2.3包埋
取医用2号胶囊，在胶囊底部中心处穿孔，将染色后的纸样穿过孔放入胶囊中，在纸样上扎几个孔作为气孔，再在底部套上胶囊冒，使用双胶囊固定住纸样，使纸样竖直立于胶囊中心，应用这种方法进行包埋的样品需要略微取长一些，并且一端略微削尖，使试样方便插入胶囊孔中。把胶囊放入包埋板，用注射器抽取配好的包埋液注入胶囊中。室温下进行真空排气，直到纸样不再放气，即树脂中不再有气泡出现为止，所需的时间随真空度不同一般10~30min，掌握排气速度不宜太快，以免树脂溅出。
2.2.4固化
将包埋板放在真空烘箱中固化，使用真空烘箱是为了保证包埋液中没有气泡，防止气泡覆盖在纸页表面影响观察效果，在60℃条件下聚合24~36小时。
2.2.5修块
制好的包埋块，经过适当的修整之后，才能用于切片，通常采用手工修块，块的顶端修成金字塔形，顶面修成梯形或长方形，修块时，将包埋块夹在专用的样品夹中，先用单面刀片粗修，然后在立体显微镜下用锋利的双面刀片细修，修整时，应尽量地削去组织周围空白的包埋介质，但又不要过多地削到组织，（但当组织块的形状不规则时，只好做适当的取舍），梯形或者长方形的上下两边要修平行，否则，切片时不能形成连续、平直的切片带，切面的形状最好呈梯形，因为梯形有利于切片脱离刀口，避免切片的黏附，在制作连续切片时，梯形也有利于判断切片的前后顺序，切片的面积以1mm2左右为宜，切面过大，不容易切薄，切面过小，切片的有效面积太小，金字塔形的四个斜面不要修得过于陡峭或平坦，坡度以45℃为宜。
2.2.6切片
将修好的包埋块固定以后在切片机上进行切片，切片厚度在50μm至500μm区间内，要注意切面必须平整光滑，不能有刀痕。在切片的过程中要注意切片的角度，必须竖直否则在观测时纸样倾斜，无法得到整个Z向的平面结构。
2.2.7树脂脱除
向乙醇中加入过量氢氧化钠，配成饱和溶液，将其静置过夜，然后将切片放入该溶液中处理10到15分钟，接着捞出切片放入乙醇溶液中清洗10分钟后风干备用。处理时间可适当延长，但绝不可过长，否则容易造成脱片。另外在捞片的过程中一定小心谨慎，切记不能损伤切片。
3·分析与讨论
3.1环氧树脂包埋后纸页Z向结构
经环氧树脂包埋的纸页样品在扫描电镜下观察可清晰地看到纤维的排列和分布情况和纸页表面是否有涂层，以及纸页内部的孔隙分布情况等，如图1和图2所示。从图中可以看出，两个纸样的纤维基本都呈纵向排列，涂层清晰，纸样1两面涂布，纸样2单面涂布，纸页的断面整齐，纤维的排列规则，层次较清晰，避免了徒手切片过程中纤维倒伏，纤维细胞腔被压扁的现象。
3.2 IPP（Image-ProPlus）图像分析
应用IPP（Image-ProPlus）图像处理软件对扫描电镜图片进行了分析，主要计算了纸页样品1的涂层厚度、涂层均匀性和纸页的孔隙率分布。
3.2.1涂层厚度和均匀性的测定
选取一面涂层，进行色彩分割，测出一段长度涂层面积，然后求出涂层平均厚度。然后取同一纸样的10个不同区间分别测定相对应的纸样涂层厚度。得出涂层分布的状况，如图3和图4所示。涂层各个分区的厚度值及涂层厚度的平均值如表1所示，从表中可以看出，涂层的分布还比较均匀，实验测得此样品的PPS粗糙度为2.53μm，也说明纸样的涂布效果比较好，纸样表面比较光滑。所以可以应用此方法检测涂布纸表面涂层的厚度和涂层的均匀性分布，考察涂料在纸页表面的渗透和迁移的情况。
3.2.2纸样孔隙率的测定
对选定的区域进行色彩分割，如图5所示，其中定义分层线的确定至关重要，尤其是在纸页底部和纸页底部。定义分层先要确保它的对等性和水平性。为了精确测量纤维和孔隙的分布，分层线的定义有一定的原则。测出空隙面积的数据求和得出空隙总面积，然后测出纸样总面积。孔隙率的计算公式为：孔隙率=纸样的空隙面积/纸样总面积X100%如表2所示，纸张上下表面孔隙率较低，中间部分明显比纸张表面孔隙率高。这可能是因为纸页表面进行了涂布，并进行了压光的结果。
4·结论
应用环氧树脂对纸页进行包埋，应用切片刀对纸页切片后纸页的断面整齐，可以清晰地观察到纸页的Z向结构。应用扫描电镜拍摄的图片还可以应用IPP软件进行图像分析，利用该种图像分析技术可以量化地反映出纸页Z向的结构及各种组分在Z向的分布，将环氧树脂包埋和IPP图像技术相结合对纸页Z向结构的研究提供了一种有效的方法。
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