CN108961335A - 一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法 - Google Patents

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刘莎
辜其隆
龚勇
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Abstract

本发明公开了一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，包括如下步骤：（1）对胶片进行切片，制得平整的橡胶截面；（2）对制得的橡胶截面进行扫描，获得橡胶截面的相图；（3）对获得的相图进行图像灰度化处理和黑白二值化处理；（4）在步骤（3）处理后的相图上，以相邻两个炭黑聚集体边缘之间的中线作为区域划分线，将所有橡胶部分分别划分归属于不同的炭黑聚集体区域，计算出每个炭黑聚集体区域内橡胶部分的有效面积，通过橡胶有效面积的大小间接表征炭黑聚集体之间的间距。本发明采用AFM获得胶片的微观截面图，使得到的数据更加准确，从而使分析得到的炭黑聚集体在橡胶中的间距更加准确。

Description

一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法
技术领域
本发明属于橡胶领域，具体涉及一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法。
技术背景
作为一种重要的化工材料，炭黑广泛应用于人类生产生活的多个领域，并且很长时间以来都是支持橡胶工业发展的重要材料。炭黑可用作汽车轮胎橡胶制品的补强剂，还可以用于印刷石墨、涂料、塑料等的黑色颜料，以及赋予电池活性物质以导电性的填充剂等。但是，从数量上来看，炭黑大多都用于橡胶工业中，其用量占炭黑总量的89.5%，其中约67.5%用在汽车轮胎方面，因此，炭黑行业的发展与轮胎行业的发展依存度很高。
混炼是通过炼胶机的机械作用将生胶或塑料生胶与炭黑等各种配合剂炼成硫化胶的工艺，是橡胶生产工艺中最重要的一步，其本质来说就是炭黑在生胶中均匀分散的过程，炭黑呈分散相，橡胶基质呈连续相。炭黑作为橡胶胶料中最多的填充物，其在橡胶基质中的分散程度是评价橡胶质量优劣的一个重要指标和成品好坏的重要尺度。
分散度评价方法主要分为人工识别和自动识别两大类。人工识别即研究者根据观察或者拍摄到的图像与已有的标准图像进行对比来判断分散度。我国橡胶行业制定了GBT6030-2006标准，即《橡胶中炭黑及炭黑/二氧化硅分散的评估-快速比较法》。国家标准规定了评估橡胶中炭黑和炭黑/二氧化硅的宏观分散程度的定性、快速比较目测试验方法并确立了一套分为1～10级标准图片来定级。但是，这难以避免人的主观因素，使得精确度低，工作量大。自动识别则是采用图像处理技术和分散度识别软件，实现对炭黑分散度等级自动判别，判别方法更为稳定高效，但是不能显示出不同炭黑的补强性能与分散性之间的关系，而且不够稳定，而且该方法是在相对炭黑聚集体较为宏观的尺度下衡量其分散性，不能代表其真实分散性。因此，对炭黑分散度的定量分析是深入研究的发展方向。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，该方法可在相对微观的状态下较为准确地衡量炭黑聚集体在橡胶中的分散度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，包括如下步骤：
（1）对胶片进行切片，制得平整的橡胶截面；
（2）对制得的橡胶截面进行扫描，获得橡胶截面相图；
（3）对获得的相图进行图像灰度化处理和黑白二值化处理；
（4）在步骤（3）处理后的相图上，以相邻两个炭黑聚集体边缘之间的中线作为区域划分线，将所有橡胶部分分别划分归属于不同的炭黑聚集体区域，计算出每个炭黑聚集体区域内橡胶部分的有效面积，通过橡胶有效面积的大小间接表征炭黑聚集体之间的间距。
本发明采用“域”面积法测量炭黑聚集体间距，首先对胶料截面扫描得到较大放大倍数的相位图，即得到相对微观状态下炭黑聚集体在橡胶中的分散图。然后对硫化胶截面相位图进行图像灰度化处理和黑白二值化处理。对预处理之后的图片，划分出每个炭黑聚集体占有的橡胶部分的有效面积，以相邻两个炭黑聚集体边缘之间的中线作为区域划分线，将所有橡胶部分分别划分归属于单个炭黑聚集体，就可以统计出每个炭黑聚集体“域”内橡胶部分的面积，通过面积大小来间接表征炭黑聚集体之间的距离。根据本发明方法得到的炭黑聚集体区域内橡胶面积的分布图，统计分析发现，炭黑聚集体粒径越大，炭黑聚集体区域内橡胶面积越大，即炭黑聚集体间距越大。炭黑聚集体区域内橡胶面积的分布图，峰值越高，则说明炭黑聚集体内橡胶的面积越集中，炭黑聚集体的间距也越集中，因而可判断橡胶中炭黑聚集体分布更均匀。
作为优选，步骤（3）中相图经黑白二值化处理后，再对相图进行开启运算处理。由于原始图像经过黑白二值化处理之后，往往会留下一些噪点，这就会影响炭黑粒子的统计，因此为了计算的准确需要去除噪点。开启运算属于形态学图像处理范畴，它是由腐蚀和膨胀组合而成的一种复合运算，先腐蚀后膨胀，可以使图像边界平滑，消除细小的尖刺，同时去除噪点。本发明可以采用MATLAB软件对相图进行图像灰度化处理和黑白二值化处理，以及开启运算处理。
作为优选，使用原子力显微镜获得橡胶截面的相图。可在轻敲模式下获取橡胶截面相图。AFM相位图像一般由炭黑目标区域以及背景组成，BMP图片经过rgb2gray函数进行灰度化后，相图就变成了灰度图。灰度图通常是由一个8位、16位、单精度类型或者双精度类型的数组描述，其实质是个数组矩阵，矩阵中的数据均代表了一定范围内的灰度级，每一个元素与图像的一个像素点相对应，通常0代表黑色，1代表白色。炭黑和橡胶基质的差别就体现在灰度值上。图像在进行二值化处理之前进行灰度化处理，可保证图像处于最清晰的状态，降低炭黑分散度的判别误差。若要提取炭黑粒子的黑度信息，就必须使目标区域与背景分离开来。通过设定阈值，把灰度图像转换成仅用图像目标值和图像背景值表征的二值图像，其中目标值取0，背景值取1，这样炭黑颗粒就是黑色区域，背景就变成了白色。这样就将原始AFM相图变成二值化图像。
作为优选，采用冷冻超薄切片机对胶片进行切片。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明采用AFM获得胶片的微观截面图，使得到的数据更加准确，从而使分析得到的炭黑聚集体在橡胶中的间距更加准确。
（2）本发明使用“域”面积法计算胶片截面图中炭黑聚集体的间距，即用炭黑聚集体之间的面积大小来表征聚集体的间距，是一种科学的、非主观方法，而且结果更加准确。
附图说明
图1为本实施例1中炭黑N115的AFM相图经处理后得到的相图的二值化图像。
图2为图1处理后的相图中炭黑聚集体区域划分示意图。
图3为炭黑聚集体区域内橡胶面积的分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例中使用的冷冻超薄切片机型号为EM FC7。
实施例1：
本实施例中，炭黑聚集体在橡胶中的间距测量过程如下：
（1）将硫化后的胶片制成与冷冻超薄切片机剪切所要求的大小相适应，在-80℃的环境冷冻切片，得到400×400μm的平整截面，待用。
（2）将上述得到的橡胶平整截面使用型号为E-sweep原子力显微镜轻敲模式对其进行扫描，获得相图，其中探针型号为PPP-SEIHR-50，材质为Si，背面涂层为Al，弹性系数：5-37 N/m，共振频率：96-175 kHz。分别取N115、N326、N330、N375、N550范围大小为2×2μm、分辨率为的256×256的彩色相图待用。
（3）利用MATLAB软件对获得的相图进行图像灰度化处理和黑白二值化处理，随后再使用MATLAB软件对相图进行开启运算处理。
（4）在步骤（3）处理后的相图上，以相邻两个炭黑聚集体边缘之间的中线作为区域划分线，将所有橡胶部分分别划分归属于不同的炭黑聚集体区域，计算出每个炭黑聚集体区域内橡胶部分的有效面积，通过橡胶有效面积大小间接表征炭黑聚集体之间的间距。
图1为本实施例中炭黑N115的AFM相图经步骤（3）处理后得到的相图的二值化图像。
图2为图1处理后的相图按步骤（4）中的划分方法所得到的炭黑聚集体区域划分示意图。
图3为本实施例经统计后得到的N115、N326、N330、N375、N550中炭黑聚集体区域内橡胶面积的分布图。
由图3可看出，炭黑N115“域”内橡胶的面积绝大部分都在1000 nm2之内，炭黑N326、N330、N375和N550都在炭黑“域”内橡胶面积为500 nm2附近有一个峰值，且依次递减趋于平滑，这就说明了在截面上，原生粒径越大的炭黑之间的橡胶所占面积分布区间越广。N326、N330和N375三种炭黑“域”内橡胶面积分布所呈现的峰值相接近，说明了炭黑聚集体结构高低对炭黑聚集体之间的距离的影响并不大。根据图中炭黑N550“域”内橡胶面积分布曲线，可以看出其在这五种炭黑中的峰值最低，且在橡胶面积较大的区域存在较其他炭黑更多的橡胶，即炭黑N550聚集体间有更大的间距且分布不均。综上所述，炭黑粒径越大，炭黑“域”内橡胶面积越大，即炭黑集聚体间距越大。炭黑“域”内橡胶面积分布的峰值越高，炭黑聚集体间距则越集中，分布也更加均匀。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对胶片进行切片，制得平整的橡胶截面；
（2）对制得的橡胶截面进行扫描，获得橡胶截面的相图；
（3）对获得的相图进行图像灰度化处理和黑白二值化处理；
（4）在步骤（3）处理后的相图上，以相邻两个炭黑聚集体边缘之间的中线作为区域划分线，将所有橡胶部分分别划分归属于不同的炭黑聚集体区域，计算出每个炭黑聚集体区域内橡胶部分的有效面积，通过橡胶有效面积的大小间接表征炭黑聚集体之间的间距。
2.根据权利要求1所述的橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，其特征在于，步骤（3）中相图经黑白二值化处理后，再对相图进行开启运算处理。
3.根据权利要求1所述的橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，其特征在于，使用原子力显微镜获得橡胶截面的相图。
4.根据权利要求1所述的橡胶中炭黑聚集体间距的测量方法，其特征在于，采用冷冻超薄切片机对胶片进行切片。
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