电子显微镜如何用于纤维和纺织品分析？

电子显微镜领域的进步带来了革命性的发现，尤其是在材料科学领域。纤维电子显微镜使专家们能够检查纤维和纺织品的形态布局。科学家们对纤维进行电子显微镜观察，不仅是为了检查纺织品标本的放大图像，而且也是对复杂多样的物理研究领域的补充。本文将重点介绍纤维和纺织品电子显微镜在工业和法医分析中的应用。

图片来源：Alexander Gatsenko/Shutterstock.com

基本工作原理
1932年，Ruska和Knoll首次发现了电子显微镜的基本工作原理。发光的灯丝产生一束集中的电子束，向样品推进。电子撞击样品后被分散。探测器测量这些电子的数量。样品上的每个位置都会在显微图像中形成一个像素，每个像素的强度表示记录的电子数。因此，电子显微镜图像始终是灰度图像。自发现以来，纤维电子显微镜领域一直在不断发展。环境扫描电子显微镜（ESEM）和扫描电子显微镜（SEM）这两种专业技术已被用于纤维和纺织品的工业电子显微镜研究，以获得有用的数据。

高性能功能纤维和纺织品的电子显微镜研究
在最新发表于《纺织品》（Textiles）的文章中，研究人员利用SEM对多功能纺织材料的纤维进行了电子显微镜观察。首先分析的材料是市售的阻燃纺织棉织物。纤维的电子显微镜显示了棉纤维的分子构成细节。此外，通过对纤维进行电子显微镜观察，还发现了与所使用的阻燃精炼剂有关的嵌入式小颗粒。

对经过阻燃整理的市售棉织物进行电子显微镜观察。研究标题：高性能和功能性纤维材料--性能、扫描电子显微镜 SEM 和电子分散光谱 EDS 的综述 可在以下网站查阅：https://doi.org/10.3390/textiles2020012

Kübler工作服公司生产的纺织腰带也用扫描电镜进行了分析。通过对纤维进行电子显微镜观察，确定了氯化改性丙烯酸纤维的存在，结果表明其中含有大量的氯。通过对纤维进行电子显微镜观察，可以明显看出该材料是由各种纤维混合而成。一些细丝显示出更大的对比度，这表明存在更强的化学成分，如氯。

纤维电子显微镜的挑战
优化纺织品和聚合物试样的纤维电子显微镜仍然需要大量的研究。纤维电子显微镜所需的理论放大倍率不足或放大倍率不够是一个主要问题。电子显微镜观察的一个标准方面是将被测样品置于电子束中。电子束会对被分析样品产生能量冲击并产生电子。放大倍率越大的读数越容易因能量冲击造成样品损伤或产生充电效应。

盐基涂层聚酯织物分析
聚酯纤维纺织品因其使用寿命长、适应性强、耐气候性好而深受消费者青睐。它们可以以低廉的价格大量生产。

一个主要的问题是不透气，特别是在经过某些整理程序后。它不能排除人皮肤中的水分，从而保持皮肤附近的出汗和热量。因此，涤纶织物通常需要进行防水处理。

根据《凝胶》（Gels）杂志上的最新研究，我们制作了具有五种不同成分的功能性处理聚酯样品，用于对纤维进行电子显微镜观察。最常用的精炼产品是氟和硅化合物。基于氟烷基硅烷的化合物可用于生产具有高度疏水性的薄膜。对纤维进行电子显微镜观察，以检查憎水性纺织材料的表面微观形态。在给样品涂金后，研究了涂覆憎水涂层前后涤纶织物纤维的表面形态。

纤维的电子显微镜显示涂层的堆积是均匀的。然而，在发生变化后，外部拓扑结构变得不均匀。在低倍放大镜下，未加工聚酯纤维的外表相对光滑，保护膜分布均匀。在高倍放大镜下，纤维的电子显微镜显示在处理过的聚酯织物纤维表面存在许多纳米级的裂缝和突起，这些裂缝和突起促进了处理过的织物的超疏水特性。

纤维和纺织品的法医电子显微镜检查
利用单纤维碎片的显微痕迹，法医实验室可巧妙地将个人、物品或犯罪现场联系起来。有时，纤维电子显微镜可以帮助复制事件发生的条件。在某些情况下，如谋杀和暴力事件，即使是最小的颗粒也可用作证据。

使用能量色散光谱法对纤维进行电子显微镜检查，可评估纤维中的元素成分，以便进行法医分析。在电子显微镜下对纤维颜色进行直接检查，可根据可观察到的色素变化排除两根纤维来自同一来源的可能性。

用于司法鉴定的纺织品损伤分析
发表在《法医科学研究与报告》杂志上的这篇文章重点介绍了法医纺织品和纤维损伤分析领域的最新进展。法医纺织品降解是法医学的一个分支领域，它通过对纤维进行电子显微镜检查来分析纺织品的损伤情况，从而提供证据。

利用纤维电子显微镜，研究人员可以通过分析子弹伤口周围的枪支放电残留物来估计射击距离。估计射击距离是为法医分析再现枪击事件的一个重要方面。

一项纤维电子显微镜研究显示，在不同射击距离下，棉织物受到的损坏程度相当。在仔细检查牛仔布中的合成纤维时，作者发现在聚酯纤维暴露于250°C以上的温度时，纤维会熔化，导致纤维末端融合。纤维电子显微镜通过对纤维和纺织品的基本特性、元素特性和外观特性提供无与伦比的知识，从而改变了纤维和纺织品的法医检验。

总之，纤维和纺织品的电子显微镜研究有助于发现有用的见解和新的表面属性。它确保了新型材料的研究进展，从而提高了材料的功能性和强度。

参考资料

Sfameni S. et. al. (2023). Super-Hydrophobicity of Polyester Fabrics Driven by Functional Sustainable Fluorine-Free Silane-Based Coatings. Gels. 9(2):109. Available at: https://doi.org/10.3390/gels9020109

Mahltig B, Grethe T. (2022). High-Performance and Functional Fiber Materials—A Review of Properties, Scanning Electron Microscopy SEM and Electron Dispersive Spectroscopy EDS. Textiles. 2(2):209-251. Available at: https://doi.org/10.3390/textiles2020012

William, A. (2018). "Forensic textile damage analysis: recent advances." Research and Reports in Forensic Medical Science. 1-8. Available at: https://doi.org/10.2147/RRFMS.S166435

Aditi, G. K. S., & Sharma, S. (2023). Forensic Analysis Of Dyed Textile Fibres With Various Analytical Techniques: An Updated Review. Journal of Pharmaceutical Negative Results, 2812-2823. Available at: https://www.doi.org/10.47750/pnr.2023.14.03.355

作者：Ibtisam Abbasi