成纤高聚物中无机粒子分散性表征方法及理论研究

姜兆辉，金 剑，肖长发，李志迎

(1.山东理工大学鲁泰纺织服装学院，山东 淄博 255049;2.中国纺织科学研究院生物源纤维制造技术国家重点实验室，北京 100025;3.天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室，天津 300160)

成纤高聚物中无机粒子分散性表征方法及理论研究

姜兆辉1，金 剑2，肖长发3，李志迎1

(1.山东理工大学鲁泰纺织服装学院，山东 淄博 255049;2.中国纺织科学研究院生物源纤维制造技术国家重点实验室，北京 100025;3.天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室，天津 300160)

针对功能性杂化纤维制备过程中微纳米无机粒子分散困难、易于团聚等问题，归纳了传统的无机粒子分散性表征方法，介绍了太赫兹时域光谱、超声波、X射线相衬成像等新技术。通过综合传统方法和新技术，提出构建以光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)法为主，间接法为辅，并尝试纳入超声法、太赫兹时域光谱及X射线相衬成像新技术的多级粒径联合评价体系，为深入探究分散性表征方法提供参考。

微纳米;无机粒子;分散性;表征方法;相关理论

在聚合物加工过程中，将无机粒子引入聚合物基体已成为聚合物改性的重要方向，其目的是降低成本、提高机械性能、改善加工性能、赋予特殊功能(导电性、阻燃、抗菌、抗紫外、抗静电及原液染色)。通过添加功能性纳米无机粒子赋予纤维特定功能是构筑功能性、差别化纤维的重要途径。尤其近年来，随着纳米技术的发展，涌现出一批实验室和工业化规模的纳米无机粒子，这为功能性杂化纤维的设计提供了丰富的素材。众所周知，纳米无机粒子具有表面能高，表面张力大的特点，极易发生团聚而影响其特性，而聚合物熔体表面张力较低，二者混合缺乏热力学相容性［1］，导致二者界面处出现空隙，存在相分离，影响纤维性能。目前为止，尚未明确定义分散度的标准出现。广义上讲，分散度指共混物的均一性、粒径分布、团聚体的数目及大小等信息，因此，研究无机粒子的分散对于建立杂化纤维工艺-结构-性能之间的关系具有重要的现实意义。许多学者运用不同的方法对粒子在液相［2］或固相介质［3］中的分散性进行了大量研究。

文献涉及的方法可归纳为基于显微成像的直接法(扫描电子显微镜、透射电子显微镜、光学显微镜和原子力显微镜等)和基于性能的间接法(力学性能、压力升、差示扫描量热法、热重分析、体积比电阻、介电常数、X射线小角散射等)。随着科学技术的发展，近两年来涌现出了许多新技术、新方法如太赫兹时域光谱、超声波和X射线相衬成像(XuM)。

1 分散性表征方法

1.1 传统表征方法

1.1.1 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜(SEM)是观测材料微观结构的最常用方法。除可定性观测外，还有学者将SEM图像与计算机图像分析软件相结合用于定量表征［4－5］，但 SEM 法有其自身的弊端:1)片面性。它只能采集到完全或部分裸露于表面的无机粒子，而包埋在内部的粒子无法观测;2)图像对比度差。由于观测表面形貌，因此测试结果易受样品表面光滑度、平整性及杂质的影响，导致图像对比度差，如再与计算机图像分析软件结合，得到的定量分析结果不理想。

1.1.2 透射电子显微镜

透射电子显微镜(TEM)与SEM一样，常用于观测聚合物基体中无机粒子的分散性［6］。与SEM相比，TEM测试精度更高。在实际应用中具有以下特点:1)制样繁琐。切片法测试时，要求样品厚度在100nm左右;2)片面性。TEM测试中，放大倍数大，视场覆盖面积极小;3)重叠性。TEM测试需电子透过样品，故最终得到的二维图像为不同厚度方向无机粒子在同一平面的投影。

1.1.3 光学显微镜

光学显微镜(OM)同SEM、TEM一样，可通过图像直观观测粒子分散状态［7］。它可测试粒子的最小尺寸为微米级，其具有以下特点:1)制样简单。既无需喷金(如SEM)，也不用制备切片(TEM);2)样品透明。因需光线透过样品，故样品不能太厚，无机粒子浓度不宜过高，应无色或浅色;3)重叠性。运用透射原理，二维图像为厚度方向无数图像的叠加;4)易受人为因素影响。当焦距基本固定后，调节亮度或对比度，图像的变化非常明显，故测试时要选择固定的亮度和对比度，仅通过微调焦距控制图像清晰度。

1.1.4 样品力学性能

力学性能是评价分散度的间接方法。断裂伸长、拉伸弹性模量、动态力学性能、注塑或模压样品的冲击强度常作为表征分散性的特征值，这些性能与分散性的相关性在实验和理论方面均获证实［8－9］。分散性差时，无机团聚体会形成大量疵点，导致力学性能改变。该类方法特点为:1)样品同一性。需准备大量样品进行重复性实验，制备条件需完全一致;2)间接性。由性能推断微观结构，因而无法获取粒径分布的详细信息。

1.1.5 熔体流变性能

流变测试也能反映分散度相关信息，二者之间的关系正处于研究中。该方法的缺点在于无机粒子在固相共混物的分散，分布状态无法完全保留至熔体状态，反之熔体状态时的分散性亦不可完全反映固相中的分散状态。

1.1.6 纺丝组件压力升

压力升测试为评价无机粒子的分散性提供了另一种思路，它也是一种间接方法，通常用于判断色母粒中无机粒子的分散性。其原理为:将色母粒与载体树脂按一定比例进行混配，用螺杆挤出机熔融挤出，测定组件压力随时间的变化值，用组件压力的增加值来判断色母粒中无机粒子的微细化程度［10］。

1.1.7 差示扫描量热法

Mitsuru Tanahashi等［11］研究了聚丙烯(PP)/SiO2复合材料的非等温差示扫描量热(DSC)分析，结果表明随SiO2粒径的减小或含量增加，复合材料的结晶温度向高温偏移。同时指出，DSC法是潜在的用于评价无机纳米粒子在结晶性聚合物基复合材料中分散性的方法。

1.1.8 热重分析法

Liang等［12］采用热重分析法(TGA)研究了玻璃微珠在PP中的分散性。经过变换后质量分数与体积分数之间存在一定关系。通过比较理论值与实测值之间的差异，判断分散性优劣。差异大，分散性差;差异小，分散性佳。

1.1.9 其他方法

对于电导性无机粒子，电导率可反映其在基体中的分散性;X射线小角散射也能提供粒子大小信息［13］;小角光散射、原子力显微镜、介电常数、近红外光谱［14］、黑色薄膜的黑度、有色样品的色差等均可不同程度地反映无机粒子的分散信息。

1.2 分散性表征新技术

1.2.1 太赫兹时域光谱

太赫兹电磁波(THz)的频率范围为0.1～3 THz，介于微波与红外线之间。进入21世纪，人们才发现其在研究物质结构方面的应用。浙江理工大学杨斌课题组首次将太赫兹光谱用于纺织纤维的鉴别［15］。有趣的是，太赫兹时域光谱作为一种用于判断无机粒子分散性的新方法，既可离线判断固体共混物中无机粒子的含量及分散性，亦可在线控制共混物熔体中无机粒子的含量，具有免接触、非破坏性的特点。

太赫兹电磁波不电离，可视其为安全级别。其测试原理为非极性聚合物在太赫兹频率范围内几乎是透明的。即使极性聚合物如果样品足够薄，透明度也极高。普通的无机粒子很难吸收太赫兹射线，即使粒子含量很高，也可测试。当太赫兹射线透过样品时，与太赫兹波长相当的无机粒子或其团聚体会发生散射，从而削弱透明度，可通过提取样品的太赫兹波谱信息，获取粒径分布信息。无机粒子添加量相同时，如果分散良好，因粒径远小于波长，透射时散射减弱，吸收系数减小。

Krumbholz等［16］使太赫兹光谱穿过两透明窗口之间口模中的熔体。研究发现，特定频段内的吸收系数可代表分散度;太赫兹吸收与冲击强度、弯曲模量、拉伸强度具有明显的相关性。在太赫兹光谱中，频率范围为0.1～3 THz，其在聚合物中的传播速度为200000 km/s，因此，太赫兹光谱不仅能探测大至数百微米的大团聚体，还可反映微米级无机粒子或小团聚体的相关信息。Rutz等［17］研究PP/氢氧化镁以及PP/陶瓷体系证实太赫兹光谱可表征1μm以下粒子的分散。

太赫兹时域光谱作为一项新技术能够表征无机粒子的分散性，既可离线测试又可在线实时监测熔体中粒子的分散性和共混过程。笔者认为几年后，有望在工业化生产中得以推广。

1.2.2 超声波光谱

在超声波谱中，纵波的频率范围为1～50 MHz，在聚合物熔体中的传播速度为1000 m/s，可用于探测亚毫米级粒子。通过超声波谱分析可获取粒子大小和分散度，而粒径分布可由频率对声速和声音衰减的依赖性推导出。

传统基于显微镜观测判断分散性的方法，无法用于在线且耗时。Tatbouet等［18］将超声测试模块置于单螺杆挤出机尾端的口模中，利用在线超声技术判断CaCO3在PP中的分散性，其原理基于检测超声在流体中的速度及其衰减，得出粒子浓度及粒径分布相关信息，该法测试质量分数可高达60%。Weser R等［19］采用超声反散射方法表征了悬浊液中粒子大小及浓度。

超声测试技术既可用于固体也可用于熔体，工业化生产已表明在线测试声速及其衰减是监测分散过程的有力工具。对多相体系中的研究证实，矿物填充PP熔体中的声速及其衰减与粒子浓度、粒径分布相关。

在线超声速技术可在短时间内采集大量样品，便于统计分析，适于单、双螺杆挤出机，且测试结果与光学显微镜结果相吻合。与其他技术相比，超声技术呈现4大优点:1)省时，其他方法需数小时，该法仅需几秒;2)统计意义上的代表性，可无限量测试熔体;3)在线，适用于工业化环境;4)实时无缝监测。

1.2.3 X射线相衬成像

X射线相衬成像(XuM)基于样品内部不同区域间折射率的差异来完成相变重建，最初应用于生物医学中的非破坏性检测，现已应用于生物体、聚合物等低吸收材料内部结构的研究。该方法不同于依赖X射线吸收强度的传统方法，该技术的灵敏度高于传统吸收方法几个数量级。然而许多学者热衷于X射线相衬成像技术本身的研究，而忽略了其在材料领域的应用。A.Parkzad等［20］将X射线相衬成像全新技术用于聚碳酸酯复合材料中水解纤维素微晶的分散性研究。

2008年，Wu等［21］首次利用 XuM 技术定性和定量分析了CaCO3在基体PP和PA6中的分散性。采用SEM和XuM比较研究了CaCO3在PA6中的分散形态(见图1)，结果表明XuM法所获二维(2D)图像质量远优于SEM法，这为利用图像分析软件定量分析粒子的分散状态提供了保障。随后，利用CaCO3在PP中分散XuM图像，并结合图像分析软件对CaCO3的分散性作了定量表征。

图1 CaCO3在PA6中的分散形态Fig.1 Dispersion of CaCO3particle in PA6 matrix

此外，当无机粒子粒径较大或含量较高时，2D图像中无机粒子不可避免的会相互重叠，这时可利用不同方向获取的一系列2D图像通过重建得到三维(3D)图像，从而获得无机粒子的3D分布状态。图2示出质量分数1% 的CaCO3分散在PP基体中的 3D 图像［21］。

图2 质量分数1%的CaCO3分散在PP基体中的三维图像Fig.2 Reconstructed 3-D image of PP containing 1%CaCO3

X射线相衬成像技术逐渐发展成为观测复合材料中无机粒子分散性的新方法，该法不仅获取二维图像质量远优于SEM、TEM等传统方法，而且还可通过三维重建获取3D图像。将XuM图像与图像分析软件结合起来，并运用统计学方法可获取粒径及其分布等相关信息。此外，笔者认为将分形理论用于XuM图像分析也将取得有意义的结果。该技术在量化无机粒子分散性方面具有很大潜力，但现阶段该技术还存一定的局限性，由于XuM法的分辨精度为50nm，故不适于表征小于50nm的无机粒子。尽管如此，X射线相衬成像有望成为表征有机-无机微纳米复合材料(纤维)的新方法。

1.3 新方法

综合传统方法和新技术，无任何单一方法可全面反映共混体系中无机粒子的分散状态。图像法较直观，但视场精度各有侧重，在不同放大倍率下，可视粒径范围有所差异;在线检测如超声法和太赫兹时域光谱可实现实时在线监测，但存在可检出粒径范围，且实验室可操作性不强;间接法如机械法、色差法、流变及压力升法，性能测试误差对分散性的评价产生较大干扰，仅可作为辅助性表征手段，因此，为有效评价分散性，可综合上述方法，即将 OM、SEM、TEM等图像法测试粒径范围纵向联合组成多级粒子联合法(3M法)，构建以3M法为主，间接法为辅，并尝试纳入超声法、太赫兹时域光谱及X射线相衬成像新技术的多级粒径联合评价体系。此外，还可引入图像分析软件(如Image j)，将3M图像所携带的定性信息定量化，以便与描述混合体系分散效果的指数(Morisita分散指数、偏斜度及Lacey指数等)结合起来，建立粒子分散性参数模型。

2 分散性表征相关理论

2.1 分形理论

分形理论是当今学术界十分活跃的新理论，它指出某种结构或过程的特征按不同的时空尺度来看均具有相似性，包括局部与局部间的结构或过程、局部与整体间的结构或过程。根据自相似性的程度，分形可分为有规分形和无规分形，有规分形具有严格的自相似性，其规律可遵循一定的数学模型;无规分形是指具有统计学意义上的自相似分形。大部分自然界中的分形属于无规分形。有的分形理论依据现有的数学规律形成，并具有严格的自相似性。

对于无机粒子填充聚合物基复合材料，由于无机粒子与基体树脂之间的界面结构以及无机粒子在基体中的分散与分布具有自相似性，因此粒子的分散、分布信息可通过分形模型定量描述。Ramakrishnan等［22］于2000年提出描述粒子分布的分形理论，并建立了如下的粒径分布方程:

式中:X为粒子大小;Y为粒子的累积频率;M、N分别与分形尺寸、间隙度相对应。

目前，分形理论与静态光散射、小角X光散射、小角中子散射、动态流变测试、沉降法、电子显微镜、动态光散射等方法相结合的研究已有报道［23］。陈芳等［24］将 TEM 图像与分形理论相结合，从图像中提取出分散相分布密度矩阵，并该密度波动的分形性来表征无机粒子的分散性。李鸿利等［25］利用分形理论研究了CaCO3在高密度聚乙烯中(HDPE)的分散性。J.Z.Liang［26］采用SEM观测了纳米CaCO3在PP基体中的分散性，并用分形理论对分散性进行了定量表征。值得注意的是，分形理论尤其适用于计算机图像分析软件无法识别的情形，如无机粒子含量较高或粒径较大发生重叠的情形。

2.2 群子理论

群子理论由北京化工大学金日光教授于1978年提出［27］，该理论认为无论事物性质如何纷繁复杂，表现形式如何，其发生、发展的动力均为正反2方面因素相互竞争的结果，从此，将该理论应用于材料学领域的研究相继展开。实践证明它是表征无机粒子粒径分布，将粒径分布与宏观力学性能联系起来的系统理论。

金日光等［28］以聚氯乙烯(PVC)/PP体系为研究对象，采用群子理论方法构造了分散相粒径分布函数模型，该模型具有普适性，其中包含4个物理量K、r1、r2以及 r1·r2，它们的物理意义分别为平均粒径、小粒子出现的倾向、大粒子出现的倾向以及粒径分布。该模型不仅适用于无机粒子填充聚合物共混体系，还可建立群子参数与共混物性能之间的关系。权英［29］通过大量的实验数据验证了力学性能与rl、r2、lnr1、ln(r1·r2)之间的关系，并发现 ln(r1·r2)与低温缺口冲击强度、拉伸强度及lnr1与弯曲强度均具有良好的线性相关性。

2.3 其他理论

运用较成熟的分散性理论多见于橡胶中炭黑(CB)分散度的表征。康春江等［30］、杨福芹等［31］分别采用基于结构风险最小化原则的支持向量机(SVM)，建立了 CB均匀度判定模型。王明兰［32］、谢振合［33］运用数理统计方法中的 Fisher判别法对胶料中CB分散性进行判别，该方法具有准确、快速以及客观性强的优点。此外，王明兰［34］还运用模糊判别法研究了胶料中CB的分散性。

3 结束语

对于无机粒子系功能纤维而言，微纳米粒子的分散性不仅关系到杂化纤维的功能性，还深入影响纤维聚集态结构(结晶、取向)的形成，因此，构建合理的粒子分散性评价体系，对于杂化纤维的结构设计、功能优化及成形过程中的聚集态结构调控具有重要的理论与现实意义。

分散性相关理论的发展与分散性表征方法密切相关，如基于图像法的分形理论、基于力学性能的群子理论、基于数学理论的支持向量机、模糊判别法及Fisher判别法等。随着传统方法的不断改进和新方法的涌现，描述粒子分散性的参数模型不断扩展与完善，有助于对杂化纤维中无机粒子的分散进行多角度、深层次表征。

［1］ AVOLIO R，GENTILE G，AVELLA M，et al.Polymerfiller interactions in PET/CaCO3nanocomposites:Chain ordering at the interface and physical properties［J］.European Polymer Journal，2013，49(2):419 －427.

［2］ 吴敏，程秀萍，葛明桥.纳米SiO2的分散研究［J］.纺织学报，2006，27(4):80 －82.WU Min，CHENG Xiuping，GE Mingqiao.Research on the dispersing method of nanometer SiO2［J］.Journal of Textile Research，2006，27(4):80－82.

［3］ 姜兆辉，金剑，肖长发，等.炭黑母粒分散性的定量表征［J］.纺织学报，2011，32(11):17－21.JIANG Zhaohui， JIN Jian， XIAO Changfa， et al.Quantitative characterization of dispersion of carbon black masterbatch［J］.Journal of Textile Research，2011，32(11):17－21.

［4］ WANG Y， HUANG JS. Singlescrew extrusion compounding of particulateベlled thermoplastics:state of dispersion and its inぼuence on impact properties［J］.Journal of Applied Polymer Science，1996，60(11):1779－1791.

［5］ JIANG Z H，JIN J，XIAO C F，et al.Characterization of carbon black particles dispersion in polymeric matrix by direct methods［J］. Journal of Testing and Evaluation，2012，40(2):227 －237.

［6］ KANGO S， KALIA S， CELLI A， et al. Surface modification of inorganic nanoparticles for development of organic-inorganic nanocomposites:a review［J］.Progress in Polymer Science，2013，38(8):1232 －1261.

［7］ VILLMOW T， POTSCHKEP， PEGELS， et al.Influence of twin-screw extrusion conditions on the dispersion of multi-walled carbon nanotubes in a poly(lactic acid)matrix［J］.Polymer，2008，49(16):3500－3509.

［8］ WANG Y.LEE W C.Interfacial interactions in calcium carbonate-polypropylene composites.2:Effect of compounding on the dispersion and the impact properties of surface-modified composites［J］.Polymer Composite，2004，25(5):451－460.

［9］ BORIES M，HUNEAULT M A，LAFLEUR P G.Effect of process conditions on the dispersion of ultrafine calcium carbonate in corotating twin screw extruders［J］.International Polymer Processing，1999，14(3):234－240.

［10］ 吴立峰，乔辉.颜料在塑料着色中的应用和测试［M］.北京:化学工业出版社，2005:112－116.WU Lifeng，QIAO Hui.The Application and Testing of Pigments in Plastic Coloring［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2005:112－116.

［11］ TANM， TANAHASHI， WATANABEY， et al.Fabrication and crystallization temperature of silica/polypropylene nanocomposites by simple method without any hydrophobic treatment［J］.J Soc Mater Sci，2009，58(5):408－415.

［12］ LIANG J Z，LI K Y.Measurement of dispersion of glass beads in PP matrix［J］.Journal of Reinforced Plastics and Composites，2001，20(8):630 －638.

［13］ BANDYOPADHYAY J，RAY S S.The quantitative analysis of nano-clay dispersion in polymer nanocomposites by small angle X-ray scattering combined with electron microscopy［J］.Polymer，2010，51:1437－1449.

［14］ BARBAS J M，MACHADO A V，Covas J A.In-line near-infrared spectroscopy for the characterization of dispersion in polymer-clay nanocomposites［J］.Polymer Testing，2012，31(4):527－536.

［15］ 骆斌，吴岚，杨斌.几种化学纤维的太赫兹时域光谱研［J］.纺织学报，2009，30(7):15－18.LUO Bin，WU Lan，YANG Bin.Terahertz time-domain spectroscopic of several chemical fibers［J］.Journal of Textile Research，2009，30(7):15－18.

［16］ KRUMBHOLZ N，HOCHREIN T，VIEWEG N，et al.Degree of dispersion of Polymeric compounds determined with terahertz time-domain spectroscopy［J］.Polymer Engineering Science，2011，51(1):109－116.

［17］ RUTZ F，KOCH M，KHARE S，et al.Terahertz quality control of polyeric products［J］.International Journal of Infrared and Millimeter Waves，2006，27(4):547 －556

［18］ TATBOUET J，HUNEAULT M A.In-line ultrosonic monitoring of filler dispersion during extrusion.International Polymer Processing，2002，17(1):49 －52.

［19］ WESER R，WOCKEL S，Wessely B，et al.Particle characterisation in highly concentrated dispersions using ultrasonic backscattering method ［J］. Ultrasonics，2013，53(3):706－716.

［20］ PAKZAD A，PARIKH N，HEIDEN P A，et al.Revealing the 3D internal structure of natural polymer microcomposites using X-ray ultra microtomography［J］.Journal of Microscopy，2011，243(1):77－85.

［21］ WU D Y，GAO D C，MAYO S C，et al.X-ray ultramicroscopy:a new method for observation and measurementof ベller dispersion in thermoplastic composites［J］.Composites Science and Technology，2008，68(1):178－185.

［22］ RAMAKRISHNAN K N.Fractal nature of particle size distribution［J］.Journal of Material Science Letters，2000，19:1077 －1080.

［23］ KANNIAH V，WU P，MANDZY N，et al.Fractal analysis as a complimentary technique for characterizing nanoparticle size distributions［J］.Powder Technology，2012，226:189－198.

［24］ 陈芳，赵学增，聂鹏，等.基于分形的纳米复合材料分散相分散均匀性描述［J］.塑料工业，2004，32(1):50－53.CHEN Fang，ZHAO Xuezeng，NIE Peng，et al.Fractal description of particle distribution in polymer nano-scale composites［J］.China Plastics Industry，2004，32(1):50－53.

［25］ 李鸿利，郑秀婷，吴大鸣，等.利用分形评定高聚物/无机粒子体系的分散效果［J］.工程塑料应用，2004，32(12):48－50.LI Hongli，ZHENG Xiuting，WU Daming，et al.Using fractal to assess the disperse effect of polymer/inorganic particle system［J］.Engineering Plastics Application，2004，32(12):48－50.

［26］ LIANG J Z.Evaluation of dispersion of nano-CaCO3particles in polypropylene matrix based on fractal method［J］.Composites:Part A，2007，38(6):1502－1506.

［27］ 肖声明，何春霞.无机纳米粒子填充聚合物复合材料微观结构定量描述［J］.中国塑料，2009，23(4):15－19.XIAO Shengming，HE Chunxia.Quantitative description of microstructure of inorganic nanoparticles filled polymer composite materials［J］.China Plastics，2009，23(4):15－19.

［28］ 金日光，舒文艺，励杭泉.PVC/PP共混体系的分散相形态与流变性能关系的群子模型讨论［J］.北京化工学院学报:自然科学版，1992，19(2):25－31.JIN Riguang，SHU Wenyi，LI Hangquan.A discussion on relationship between PVC/PP blends’diserete-Phase morphology and rheological property with sub-cluster theory［J］.Journal of Beijing Institute of Chemical Technology，1992，19(2):25－31.

［29］ 权英.有机高分子-无机纳米复合粒子改性高分子材料的力学性能-相态与群子标度之间关系的研究［D］.北京:北京化工大学，2002:136－140.Quan Ying.Studies on the relationship of mechanical properties-morphology and sub-cluster parameters of polymer materials modified by organic polymer-inorganic nano-composite particles［D］. Beijing:Beijing University of Chemical Technology，2002:136－140.

［30］ 康春江，汪国强，廖芹.基于LS-SVM的橡胶炭黑均匀度判定模型［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2004，32(11):51－54.KANG Chunjiang，WANG Guoqiang，LIAO Qin.Model to determine dispersed homogeneous degree of carbonblack in rubber based on LS-SVM［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2004，32(11):51－54.

［31］ 杨福芹，汪传生，李利，等.支持向量机在混炼胶炭黑分散度预测中的应用［J］.橡胶工业，2008，55(2):112－117.YANG Fuqin，WANG Chuansheng，LI Li，et al.The application of support vector machine in prediction of carbon black dispersion in rubber compound［J］.China Rubber Industry，2008，55(2):112－117.

［32］ 王明兰.胶料中炭黑分散性的Fisher判别法［J］.橡胶工业，2000，47(9):551－554.WANG Minglan.Fisher discrimination of carbon black dispersion in rubber compound［J］.China Rubber Industry，2000，47(9):551－554.

［33］ 谢振合.炭黑分散度独立成分提取Fisher判别的研究［J］.橡胶工业，2006，53(11):645－650.XIE Zhenhe.Application of independent component extraction-based fisher discrimination to carbon black dispersity［J］.China Rubber Industry，2006，53(11):645－650.

［34］ 王明兰.胶料中炭黑分散性的模糊判别法［J］.橡胶工业，2001，48(5):302－305.WANG Minglan.Fuzzy discriminating method for dispersity of carbon black in rubber compound［J］.China Rubber Industry，2001，48(5):302 －305.

Study on characterization methods and theories of inorganic particles dispersion in fiber-forming polymers

JIANG Zhaohui1，JIN Jian2，XIAO Changfa3，LI Zhiying1
(1.Lutai School of Textile and Apparel，Shandong University of Technology，Zibo，Shandong 255049，China;2.State Key Laboratory of Biobased Fiber Manufacture Technology，China Textile Academy，Beijing 100025，China;3.Key Laboratory of Fiber Modification and Functional Fiber，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China)

Aiming at the problems on difficult dispersion and easy agglomeration of micro-nano inorganic particles in the preparation process of functional hybrid fibers，the conventional characterization methods of inorganic particles dispersion were summarized and new techniques such as terahertz time-domain spectroscopy，ultrasonic wave and X-ray ultramicroscopy were introduced as well.The investigation suggests that none of the methods can fully reflect dispersion state of inorganic particles in blending system.In the paper，the multi-level particle size evaluation system was proposed，which is mainly composed of 3M method including OM，SEM and TEM，and assisted by indirect methods.Besides，an attemptusing incorporation terahertz time-domain spectroscopy，ultrasonic wave and X-ray ultramicroscopy into the evaluation system was made，which provides reference on the further characterization methods of inorganic particles dispersion.

micro-nano;inorganic particle;dispersion;characterization method;relevant theory

TQ 317.2

A

10.13475/j.fzxb.20140602307

2014－06－12

2014－10－20

科技部国家科技支撑计划项目(2009BAE75B01);山东省自然科学基金项目(ZR2014EMP004);山东省高等学校科技计划项目(J14LA56);山东理工大学博士科研启动基金项目(4041-413047);生态纺织教育部重点室(江南大学)基金项目(KLET1401)

姜兆辉(1982—)，男，讲师，博士。主要研究方向为功能纤维结构与性能。E-mail:tjjzh_2005@163.com。