環氧樹脂包埋法和圖像分析技術在紙頁Z向結構研究中的應用
洪義梅1周宗耀1趙煥1王岳2
（1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457；2.天津海關化驗中心,天津，300457）
摘要：本文綜合應用環氧樹脂包埋、掃描電鏡（SEM）和圖像分析技術（IPP）對紙頁的Z向結構進行了研究，結果表明，應用環氧樹脂包埋后的紙頁切片后在掃描電鏡下觀察紙頁斷面整齊，纖維排列規則，沒有出現徒手切片時纖維細胞腔塌陷的情況，應用圖像分析技術可以量化地計算出紙頁組分在Z向的分布情況，客觀地反映出紙頁Z向各個組分的分布情況。
關鍵詞：環氧樹脂 掃描電鏡 圖像分析技術 紙頁Z向結構 1·前言
紙張是一種三維立體的纖維網狀結構，在紙頁Z向上，纖維、涂層、填料和孔隙的結構和形態是不同的，這種差異會直接影響到紙頁的最終性質，如內部結合強度、光學性能以及油墨吸收性能等。
要研究紙頁中纖維的結合狀態、填料在紙張中的分布、涂料滲透深度以及油墨滲透深度等問題時往往需要對紙頁的Z向進行掃描電鏡（SEM）觀察，目前掃描電鏡技術已經成為研究紙頁結構、分析成紙特性的重要手段，在應用掃描電鏡觀察前需要對紙頁進行包埋和超薄切片，對于紙頁的包埋劑的選用以環氧樹脂為宜，丙烯酸樹脂的聚合損傷太大，往往改變了纖維與纖維間的結合狀態。
作為一種強大的圖像處理技術，IPP(Image-Pro-Plus)可視分析技術廣泛應用于生命科學、醫學、材料學、地質學、生物學等科研及現場檢驗中。在造紙工業中的應用卻不多，IPP可視分析技術是圖像處理技術中的一種，具有可視化、結果準確等優點。
2·實驗原料與方法
2.1實驗原料與儀器
涂布紙，高錳酸鉀，乙醇溶液，氫氧化鈉，Spon812包埋試劑，包埋板，醫用2號膠囊，10ml注射器，5ml注射器，小玻璃棒，烘箱、切片機、光學顯微鏡、掃描電鏡等。
2.2實驗方法
2.2.1取樣
①將樣品紙、醫用膠囊、注射器、小燒杯、濾紙和標記用紙放在烘箱中，在40℃至45℃條件下烘干半小時后取出。
②從樣品紙上剪下4個1至3mm寬，5mm長的紙條，并各自做好標記。
③將樣品放在載玻片上，分別用高錳酸鉀溶液染色，待其風干后再次染色，重復3至4次。
2.2.2配置包埋液
Spon812 8.0g
DDSA 3.2g
MNA 2.6g
將上述溶液依次倒入燒杯中，攪拌均勻（其中DDSA為硬化劑，可提升樹脂硬度；MNA為塑化劑，可提高樹脂韌性，在實驗中需要根據季節和天氣情況適當調整配方）。然后取DMP-30(8.0+3.2+2.6)X2%=0.276ml(DMP為催化劑，可加速固化過程)。將DMP逐滴加入，再加入過程中不斷攪拌，使溶液充分混合。
2.2.3包埋
取醫用2號膠囊，在膠囊底部中心處穿孔，將染色后的紙樣穿過孔放入膠囊中，在紙樣上扎幾個孔作為氣孔，再在底部套上膠囊冒，使用雙膠囊固定住紙樣，使紙樣豎直立于膠囊中心，應用這種方法進行包埋的樣品需要略微取長一些，并且一端略微削尖，使試樣方便插入膠囊孔中。把膠囊放入包埋板，用注射器抽取配好的包埋液注入膠囊中。室溫下進行真空排氣，直到紙樣不再放氣，即樹脂中不再有氣泡出現為止，所需的時間隨真空度不同一般10~30min，掌握排氣速度不宜太快，以免樹脂濺出。
2.2.4固化
將包埋板放在真空烘箱中固化，使用真空烘箱是為了保證包埋液中沒有氣泡，防止氣泡覆蓋在紙頁表面影響觀察效果，在60℃條件下聚合24~36小時。
2.2.5修塊
制好的包埋塊，經過適當的修整之后，才能用于切片，通常采用手工修塊，塊的頂端修成金字塔形，頂面修成梯形或長方形，修塊時，將包埋塊夾在專用的樣品夾中，先用單面刀片粗修，然后在立體顯微鏡下用鋒利的雙面刀片細修，修整時，應盡量地削去組織周圍空白的包埋介質，但又不要過多地削到組織，（但當組織塊的形狀不規則時，只好做適當的取舍），梯形或者長方形的上下兩邊要修平行，否則，切片時不能形成連續、平直的切片帶，切面的形狀最好呈梯形，因為梯形有利于切片脫離刀口，避免切片的黏附，在制作連續切片時，梯形也有利于判斷切片的前后順序，切片的面積以1mm2左右為宜，切面過大，不容易切薄，切面過小，切片的有效面積太小，金字塔形的四個斜面不要修得過于陡峭或平坦，坡度以45℃為宜。
2.2.6切片
將修好的包埋塊固定以后在切片機上進行切片，切片厚度在50μm至500μm區間內，要注意切面必須平整光滑，不能有刀痕。在切片的過程中要注意切片的角度，必須豎直否則在觀測時紙樣傾斜，無法得到整個Z向的平面結構。
2.2.7樹脂脫除
向乙醇中加入過量氫氧化鈉，配成飽和溶液，將其靜置過夜，然后將切片放入該溶液中處理10到15分鐘，接著撈出切片放入乙醇溶液中清洗10分鐘后風干備用。處理時間可適當延長，但絕不可過長，否則容易造成脫片。另外在撈片的過程中一定小心謹慎，切記不能損傷切片。
3·分析與討論
3.1環氧樹脂包埋后紙頁Z向結構
經環氧樹脂包埋的紙頁樣品在掃描電鏡下觀察可清晰地看到纖維的排列和分布情況和紙頁表面是否有涂層，以及紙頁內部的孔隙分布情況等，如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，兩個紙樣的纖維基本都呈縱向排列，涂層清晰，紙樣1兩面涂布，紙樣2單面涂布，紙頁的斷面整齊，纖維的排列規則，層次較清晰，避免了徒手切片過程中纖維倒伏，纖維細胞腔被壓扁的現象。
3.2 IPP（Image-ProPlus）圖像分析
應用IPP（Image-ProPlus）圖像處理軟件對掃描電鏡圖片進行了分析，主要計算了紙頁樣品1的涂層厚度、涂層均勻性和紙頁的孔隙率分布。
3.2.1涂層厚度和均勻性的測定
選取一面涂層，進行色彩分割，測出一段長度涂層面積，然后求出涂層平均厚度。然后取同一紙樣的10個不同區間分別測定相對應的紙樣涂層厚度。得出涂層分布的狀況，如圖3和圖4所示。涂層各個分區的厚度值及涂層厚度的平均值如表1所示，從表中可以看出，涂層的分布還比較均勻，實驗測得此樣品的PPS粗糙度為2.53μm，也說明紙樣的涂布效果比較好，紙樣表面比較光滑。所以可以應用此方法檢測涂布紙表面涂層的厚度和涂層的均勻性分布，考察涂料在紙頁表面的滲透和遷移的情況。
3.2.2紙樣孔隙率的測定
對選定的區域進行色彩分割，如圖5所示，其中定義分層線的確定至關重要，尤其是在紙頁底部和紙頁底部。定義分層先要確保它的對等性和水平性。為了精確測量纖維和孔隙的分布，分層線的定義有一定的原則。測出空隙面積的數據求和得出空隙總面積，然后測出紙樣總面積。孔隙率的計算公式為：孔隙率=紙樣的空隙面積/紙樣總面積X100%如表2所示，紙張上下表面孔隙率較低，中間部分明顯比紙張表面孔隙率高。這可能是因為紙頁表面進行了涂布，并進行了壓光的結果。
4·結論
應用環氧樹脂對紙頁進行包埋，應用切片刀對紙頁切片后紙頁的斷面整齊，可以清晰地觀察到紙頁的Z向結構。應用掃描電鏡拍攝的圖片還可以應用IPP軟件進行圖像分析，利用該種圖像分析技術可以量化地反映出紙頁Z向的結構及各種組分在Z向的分布，將環氧樹脂包埋和IPP圖像技術相結合對紙頁Z向結構的研究提供了一種有效的方法。
參考文獻
[1]甘習華.石蠟切片法在紙頁樣品制備中的應用[J].華南農業大學學報，1992,（增刊）：92-93.
[2]蘭景華.Epon812包埋劑配方的比較和改進[J].實驗技術與管理，1994（4）：33-34.
[3]董源.植物薄切片制作技術的改良方法[J].北京林業大學學報，1989（2）：99-100.
[4]俞少勇，陳彤，唐紅芳.環氧樹脂包埋電鏡樣品的條件探討[J].電子顯微學報，1993(5)：446-450.
[5]蔣海鷹,沈明,馮德云.環氧樹脂包埋半薄切片脫樹脂新方法[J].湖南醫科大學學報，2000(1)：85-86.
[6]秦濤，武書彬，謝國輝等.圖像分析技術在研究紙頁Z向結構中的應用[J].造紙科學與技術，2003（4）：25-28.
