CN104330056B - 一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法及其应用 - Google Patents

一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法及其在测试力学性能中的应用，该方法具体为：制备模具后将染色的蚕丝固定其上，使蚕丝与模具的一边平行，用包埋剂进行模具垂直固定；再进行样品切片和制片；然后对蚕丝横截面进行图像采集；最后用图像处理软件进行数据采集，并通过公式计算得到蚕丝横切面的横截面积。本发明所述测量方法可以使用普通实验室即有的光学显微镜进行图像采集，不具备电镜等高精尖设备的普通实验室也可完成蚕丝横截面积的测定，方便了实验操作，节约了实验成本；用普通的图像处理软件进行图像处理，利于不精通图像处理及相关计算机知识的人处理实验结果，可以缩短实验成果的周期。

Description

一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法及其应用
技术领域
本发明涉及蚕业科学，具体涉及一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法及其应用。
背景技术
蚕丝是家蚕丝腺所分泌的连续长纤维，是一种天然蛋白纤维。蚕丝在中国的使用历史已经超过4700多年。在漫长的使用过程中，人们不断地改进、提升蚕丝的品质。近年，因为丝织品具有轻薄、柔软、滑爽、透气、色彩绚丽，富有光泽等其他纤维无法比拟的优点，丝织品行业发展势头迅猛。同时，科学家又致力于新型蚕丝的开发，拓展蚕丝的应用领域。目前，蚕丝在医学、计算机、国防、航天等领域均有应用。2002年，邵正中等发现家蚕丝在特定的成丝速度下，其力学性能超过蜘蛛丝，这项研究引起了科学界对蚕丝的广泛关注。随着家蚕转基因技术的完善，新型蚕丝开发进入新的时代。
力学性能测定是新型蚕丝开发的基础，蚕丝横截面积的测定则是力学性能测定的关键。在测量单根蚕丝横截面积时，传统的蚕丝横截面积测量方法几乎都把蚕丝横截面形态假想为实心圆，先测得蚕丝的“直径”，然后利用圆面积计算公式来计算蚕丝的横截面积。目前测量蚕丝“直径”的方法主要有气流法、激光法、X-射线法、光电检测法、扫描电镜法，由于蚕丝由两根横截面近似三角形或半椭圆型的丝素、外包丝胶紧密连接构成，其横截面形状呈现8字形或不规则形，而不是实心圆(见图1)。所以通过测量“直径”来计算蚕丝横截面积的方法不能精确反应蚕丝的横截面积。
还有另外一些测量蚕丝横截面积的方法，比如定长称量法、非接触式共振测定法、计算机视觉法、图像处理法。其中定长称量法得到的是很长一段蚕丝的平均横截面积，由于蚕丝粗细不均匀、密度很难测定，所以定长称量法不能够精确测定单根蚕丝的横截面积。非接触式共振测定法能够得到一根蚕丝的平均横截面积，但该方法要求实验要在完全真空的环境下进行，并且容易受到震动、摩擦力等因素干扰，普通实验室难以实现。计算机视觉法、图像处理法、都需要先获得蚕丝横截面图像，然后通过后续的图片处理得到蚕丝的横截面积，但是传统哈氏切片法很难获得蚕丝的垂直横切面。另外，计算机处理图片的过程比较繁琐，计算机专业知识要求太高。后来，刘雁雁等(“纤维横截面切片技术改进”，纺织科技进展，2006)改进了切片前的样品处理方法，一定程度上提高了切片效率，但是火棉胶固化时间长，并且有一定毒性，所以此方法的应用较少。
基于上述原因，客服和解决上述方法中的局限性，开发一种简单、有效的单根蚕丝横截面积测量方法显得尤为必要。简单、有效的单根蚕丝横截面积测量方法将为蚕丝行业的发展提供基础技术支持。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法，该方法能够简单、有效的对单根蚕丝横截面积进行准确测量。
本发明的技术方案具体如下：
一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法，步骤如下：
(1)染色：将待测蚕丝染色后洗净并烘干；
(2)蚕丝的固定：将染色后的蚕丝固定于中空的长方形模具上，所述蚕丝与模具的一边平行；
(3)模具的垂直固定：将步骤(2)固定有蚕丝的模具按与蚕丝平行的一边垂直插入底部平铺有橡皮泥的包埋容器中，然后用包埋剂进行固定；
(4)包埋样品切片；
(5)制片：将步骤(4)切下的样品固定于经过化学处理的载物片上；
(6)蚕丝横截面图像采集：将步骤(5)制备好的载物片浸入水中，去除样品上的包埋剂，然后采集图像；
(7)像素法计算横截面积：用图像处理软件打开步骤(6)获取的蚕丝横切面图片，记录图片总像素A；选取单根蚕丝横切面区域，并记录像素B；再记录图片高G、宽D、分辨率R；测量图片中标尺的实际长度，得到实物与图片的比例尺，然后将比例尺换算成蚕丝横切面的面积放大倍数M，最后利用横截面积计算公式：S＝BGD/AM或S＝B/R2M，计算得到蚕丝横切面的横截面积。
优选的，所述模具为纸质模具。
优选的，所述步骤(1)中所述染色用考马斯亮蓝R250染色，所述烘干在60℃条件下进行。
优选的，所述步骤(3)中所述包埋容器为胶囊槽。
优选的，所述步骤(3)中所述包埋剂为OCT冷冻包埋剂。
优选的，所述步骤(3)中所述用包埋剂进行固定具体为加入包埋剂后放置在-80℃条件下固化包埋剂从而进行固定。
优选的，所述步骤(5)中所述化学处理为用APES进行处理。
优选的，所述步骤(6)中所述图像采集为用普通光学显微镜、荧光显微镜或电镜进行采集。
本发明还提供了以上所述准确测量单根蚕丝横截面积的方法在蚕丝力学性能测试中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明所述测量方法不仅限于用电镜等高精尖设备进行图像采集，还可以使用普通实验室常备的普通光学显微镜进行图像采集，从而使不具备高精尖设备的普通实验室即可完成蚕丝横截面积的测定，方便了实验操作，节约了实验成本；用普通的图像处理软件如photoshop软件进行图像处理，有利于不精通图像处理及相关计算机知识的人处理实验结果，从而可以大幅度节约实验时间，更利于得到实验成果；并且本发明能够使得单根蚕丝可以垂直地固定在包埋剂中，从而在切片时可以获得垂直的蚕丝横切面，避免了因蚕丝的不垂直固定导致横切面发生偏斜从而导致横截面积出现误差。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1单根蚕丝垂直横切面；
图2蚕丝固定模具示意图；
图3蚕丝固定示意图；
图4蚕丝模具包埋示意图；
图5包埋样品切片示意图；
图6拉伸试验蚕丝固定示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
单根蚕丝横截面积测量方法具体如下：
模具的制备(见图2)：以纸为模具，将其裁剪为长方形，并将模具中央部分3掏空取出，在双面胶部分2贴上双面胶，并划定一条直线，使该直线与长方形模具的一边平行，空白部分1与双面胶部分2大小一致；
染色：将待测蚕丝用考马斯亮蓝R250染色，然后洗净并在60℃条件下烘干；
蚕丝的固定：选经过标准缫丝得到的蚕丝，先将蚕丝拉直，并沿着双面胶部分2中的水平直线将其粘在双面胶上(图3中a)，然后将模具两端的空白部分1回折并与双面胶部分2重叠(图3中b)，再将重叠部分修剪至1.5mm，蚕丝固定完成(图3中c)；
模具的垂直固定：准备一个普通塑料胶囊槽(图4中a)，先在胶囊槽底部平铺一层柔软的橡皮泥(图4中b)，然后将固定有蚕丝的模具按与蚕丝平行的一边垂直插入橡皮泥中(图4中c)，倒入OCT冷冻包埋剂，将胶囊槽放入-80℃冰箱中，待OCT固化后即可进行后续试验；
包埋样品切片：将包埋好的样品从胶囊槽中取出，垂直粘连在冷冻切片机样品托上(图5中a)；在切片时，等切完上面的橡皮泥被之后，刀片总会垂直地切割蚕丝(图5中b)；
制片：将切下的样品固定于经过APES处理的载物片上，所述载物片可以为载玻片；
蚕丝横截面图像采集：将制作好的载物片在水中浸泡5-10min，去除样品上的包埋剂，然后取出晾干，最后将晾干的载物片放到显微镜下进行油镜观察，选择较好的视野进行图像采集，拍摄的蚕丝横切面图片截图见图1；
像素法计算横截面积：用photoshop软件打开蚕丝横切面原始图片，依次点击窗口→直方图(不使用高速缓存，即有黄色感叹号的点击黄色感叹号)，记录图片总像素A为1920000；选取单根茧丝横切面区域，并记录像素值B为48542；再点击图像→图像大小，记录图片高G为42.33厘米、宽D为56.44厘米、分辨率R为28.346像素/厘米。将图片放大到100％，用标尺工具测量标尺的实际长度，得到实物与图片的比例尺为1:4000，然后换算得到茧丝的面积放大倍数M为16000000倍。根据公式S＝BGD/AM或者S＝B/R2M计算出蚕丝的横截面积为377.513μm2。
单根蚕丝力学性能测试，具体方法如下：
从蚕丝纤维样品上取5段做5个重复试验。准备拉伸试验模具(图6中a)，以普通打印用A4纸为模具，将模具中央部分3挖空，在模具的双面胶部分2贴上双面胶，将蚕丝纤维平直地粘连在模具的双面胶上，滴加环氧树脂AB胶(图6中b)固化24h，然后将模具空白部分1回折与2部分重叠(图6中c)。最后，在岛津AG-X万能材料试验机上进行拉伸实验，拉伸测试条件：标距10mm，拉伸速度2mm/min，环境温度24℃，相对湿度60％。通过拉伸试验得到蚕丝纤维的载荷-位移曲线，根据前述准确测量单根蚕丝横截面积的方法测得蚕丝纤维的横截面积，并将横截面积换算成蚕丝纤维的等效直径，最后利用岛津AG-X万能材料试验机的分析软件(TRAPEZIUMX版本1.2.6)分析得到蚕丝纤维的应力-应变曲线以及断裂强度、断裂伸长率、弹性模量、韧度等常规力学性能参数。具体分析过程为：首先在软件的再分析—试样窗口中输入试样的直径和标距，在数据处理窗口中的最大值栏目下选择最大应力和最大应变项，即试样的断裂强度和断裂伸长率；在弹性模量栏目下将分析区域指定为0.01N-0.02N，得到试样的弹性模量参数；在能量栏目下选择全区域计算，得到试样的断裂能，再利用试样的横截面积将断裂能换算成试样的韧度。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种准确测量单根蚕丝横截面积的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）染色：将待测蚕丝染色后洗净并烘干；
（2）蚕丝的固定：将染色后的蚕丝固定于中空的长方形模具上，所述蚕丝与模具的一边平行；
（3）模具的垂直固定：将步骤（2）固定有蚕丝的模具按与蚕丝平行的一边垂直插入底部平铺有橡皮泥的包埋容器中，然后用包埋剂进行固定；
（4）包埋样品切片；
（5）制片：将步骤（4）切下的样品固定于经过化学处理的载物片上；
（6）蚕丝横截面图像采集：将步骤（5）制备好的载物片浸入水中，去除样品上的包埋剂，然后采集图像；
（7）像素法计算横截面积：用图像处理软件打开步骤（6）获取的蚕丝横切面图片，记录图片总像素A；选取单根蚕丝横切面区域，并记录像素B；再记录图片高G、宽D、分辨率R；测量图片中标尺的实际长度，得到实物与图片的比例尺，然后将比例尺换算成蚕丝横切面的面积放大倍数M，最后利用横截面积计算公式：S=BGD/AM或S=B/R2M，计算得到蚕丝横切面的横截面积；
所述模具为纸质模具；所述步骤（1）中所述染色用考马斯亮蓝R250染色，所述烘干在60℃条件下进行；所述步骤（3）中所述包埋剂为OCT冷冻包埋剂。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述包埋容器为胶囊槽。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述用包埋剂进行固定具体为加入包埋剂后放置在-80℃条件下固化包埋剂从而进行固定。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤（5）中所述化学处理为用APES进行处理。
5.根据权利要求1-4任一项所述的测量方法，其特征在于，所述步骤（6）中所述图像采集为用普通光学显微镜、荧光显微镜或电镜进行采集。
6.权利要求1-5任一项所述准确测量单根蚕丝横截面积的方法在蚕丝力学性能测试中的应用。
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