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            利用徕卡偏光显微镜对纺织纤维进行形态检验

            关键词:综合性实验;纺织纤维;纤维形态;检验;偏光显微镜;徕卡显微镜。

            摘 要:在原有课程实验基础上,充分利用偏光显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜等实验室现有仪器设备,充实调整教学内容、拓展检验方法,将课程实践教学与实验室大型仪器设备相结合,扩展设计“常见纺织纤维形态检验”的综合性实验项目。通过实验设计能够从微观角度更好地观察研究纺织纤维结构形态特征,有效地将实验室仪器设备引入本科实践教学中,对提高学生的学习兴趣,锻炼学生科研能力,促进学生创新和实践能力的培养具有积极意义。

            1 现有的实验教学模式

            大学实验教学,包含巩固已学理论知识、探索未知领域的功能,也包含提升学习兴趣、培养综合能力的功能。在传统的实验教学体系中,课程实践教学主要是根据实验条件,按照理论课程需要,围绕理论教学涉及的知识点来开设,实验通常以演示性、验证性项目居多,学生只学到一些孤立的技能训练,实验内容体现不出实践性教学自身的连贯性和综合性,不利于学生对所学知识形成系统完整的认识。目前常见纺织纤维形态的检验实验教学内容,主要是采用显微镜观察法观察比对纤维形态特征,实验教学分教师课堂集中讲授和学生实践操作两大部分,实验仪器为DM2700P型偏光显微镜,学生首先听取教师讲解,观看演示操作,按照实验教学指导书上的实验步骤按部就班完成各自实验。由于学生在实验过程中习惯于接受现成的知识和技能,对实验内容所涉知识的理解和技能的掌握不足,缺乏自主思考,实验教学方法和使用的仪器设备相对单一,导致学生学习的兴趣普遍不高。传统实验项目在设计过程中忽视了学生在学习过程中的主体地位,填鸭式教学方法缺乏以问题为导向的探索思考能力的培养,不利于培养学生综合分析和解决问题的能力,难以达到融会贯通并灵活运用的教学目标。

            2 常见纺织纤维形态的检验综合性实验设计

            2.1 实验设计思路

            综合性实验教学方案的设计,要以学生已学知识为基础,并对实验内容、方法适当拓展,加深学生对学科相关知识的理解和掌握。因此,综合性实验教学设计要紧跟科技发展前沿,并能充分发挥科研仪器设备的作用,实验要以有效解决实际问题为导向,将课程理论教学所涉及的专业知识、基本理论、检验手段等相对独立的环节整合成一条贯通式的知识链,不仅有利于启发学生对学科知识结构整体性、系统性的掌握,而且有助于培养学生自主思考、分析、解决问题的能力。为适应专业发展需求,我们从课程教学目标出发,以应用型、综合性为课程设计理念,将教学大纲要求的基本实验方法和实验手段与解决实际问题相结合,同时将实验室现有的仪器设备应用到实验教学中,设计常见纺织纤维形态的检验综合性实验,相比原有的实验教学模式,开放性的综合性实验项目更容易激发学生的实验热情,有利于培养学生勇于探索的实践能力。

            2.2 实验内容设计

            常见纺织纤维形态的检验综合性实验设计分为两大部分,一部分内容是使用偏光显微镜、扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测已知纤维形态特征;第二部分内容是检验鉴别未知纤维试样,实验内容包括制作纤维试样、仪器操作、图像采集及处理、未知纤维检验等实验环节。学生以小组为单位,每组5人,分组实验。考虑到实验学时的限制,实验课前要求学生查阅偏光显微镜、扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜等相关资料,学习了解所用仪器的工作原理、仪器结构;观看实验室提供的仪器操作使用培训视频,了解仪器操作步骤和注意事项,做好实验预习。为锻炼学生的实践操作技能,实验课前学生要自己动手制作纤维载玻片实验样本,样本制作时采用DM2700P型偏光显微镜观察纤维在载玻片中分布情况,以保证后续仪器检测能够顺利进行。扫描电子显微镜对实验样本的制备有特殊要求,学生因缺乏操作经验,必须在实验指导教师的指导下,按照制作要求完成样本制备。对于未知纤维试样的检验鉴别,学生要有清晰的检验思路,需要制定出实验方案,按实验流程进行检测,待纤维检测完成后,采集图像,对检测结果分析讨论,得出鉴定结论,后完成实验报告。

            2.3 实验材料

            随着化纤纺织行业的快速发展,具有吸湿、抗菌、防水、抗静电、耐热、阻燃等新型功能的纤维不断涌现,日益增长的市场需求使得新型纤维应用领域越来越广泛,为拓展学生的知识面,在保留原实验室提供的18种常见纺织纤维基础上,收集增补了聚对苯二甲酸乙二酯纤维(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯纤维(PTT)、莱赛尔纤维、莫代尔纤维、芳纶1414纤维、聚乳酸纤维(PLA)、竹炭纤维、中空纤维、导电纤维、超高分子量纤维(PE)等10多种新型纤维。
            2.4 实验仪器与试剂
            DM2700P型偏光显微镜(徕卡显微系统公司)),QUANTA 400扫描电子显微镜(美国FEI公司),Leica DM 2700P 偏光显微镜(德国徕卡),Leica DCM8000激光共聚焦显微镜(德国徕卡)。

            试剂:甘油

            2.5 实验步骤和讨论

            各小组通过预约的方式分批完成实验样本制作和仪器检测,仪器操作部分学生必须在实验技术人员的现场指导下分别上机操作,对制作好的纤维样本进行仪器检测分析,采集处理图像,保存检测结果。
            2.5.1 偏光显微镜实验

            由于大多数纤维都具有各向异性的特性,在偏振光下会发生双折射的现象,产生各种纤维*的干涉条纹,利用偏振光显微镜可以对纤维结构特征进行观察检测。相比原实验采用的XPT-7型偏光显微镜,Leica DM 2700P偏光显微镜配备专业的CCD和软件系统,采集处理图像速度快,系统提供的直观自动同步显微图像环境更方便纤维形态特征的观测,图像易于保存,有利于未知纤维的比对检验,能够取得更好的实验效果。偏光显微镜观察芳纶1414纤维形态特征,如图1所示,纤维纵截面光滑平直,细度均匀,中轴呈红白相间两色,左右对称为深蓝色。

            利用徕卡偏光显微镜对纺织纤维进行形态检验

            图1 偏光显微镜芳纶1414纤维纵截面形态

            2.5.2 扫描电子显微镜实验

            扫描电子显微镜具有放大倍数范围宽、二次成像分辨率高、样品制备操作简单等特点,采用具备低真空模式的扫描电子显微镜可以直接观测纤维试样,无需蒸镀导电膜。其高分辨图像可以实现极微区的原位精细观察,学生可以从更微观的角度研究观察纤维试样拉伸端口的结构特征。扫描电子显微镜观察芳纶1414纤维纵截面形态特征,如图2所示,芳纶1414纤维纵截面呈光滑管状,细度均匀,表面有少量颗粒。

            利用徕卡偏光显微镜对纺织纤维进行形态检验

            图2 扫描电子显微镜芳纶1414纤维纵截面形态

            2.5.3 激光共聚焦显微镜实验
            激光共聚焦显微镜具有放大倍数高、大景深,可观察立体层次等特点。不同种类纤维其纺丝工艺不同,纤维在生产加工过程中经过干燥、挤压、纺丝组件、卷绕等纺丝工艺形成了纤维表面微观结构特征,在机械外力的作用下,纤维表层极易产生毛边、撕裂和分层等表面缺陷,采用激光共聚焦显微镜检测纤维样本,可增加学生对不同种类纤维表面微观结构的感性认识。激光共聚焦显微镜扫描
            芳纶1414纤维形态特征见图3,从获取的图像可以看到芳纶1414纤维表面的独特结构,纤维细度均匀,表面有条形的拉丝沟槽和不均匀孔隙分布。

            利用徕卡偏光显微镜对纺织纤维进行形态检验

            图3 激光共聚焦显微镜芳纶1414纤维纵截面形态

            实验表明,利用偏光显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜对已知纤维进行观测并采集图像,可以获得同一种纤维不同仪器的测试结果,从而得到纤维形态特征的多重信息。由于不同分析仪器在纤维的检测分析上各有利弊,为避免单一检测仪器的局限性,要充分利用多种仪器设备提供的信息进行合理选择,因此,在对未知纤维的分析鉴别实验中,需要结合多种仪器测试结果进行综合分析,才能得出相互关联、相互补充、相互支撑的鉴定结论。学生在对未知纤维细微差异质疑、探究、释疑等检验鉴别过程中,需要进行综合分析评判,后得出准确的定性结论。通过综合性实验训练,培养了学生多角度、综合考虑问题的科研能力,极大地激发了学生积极探索的科研热情,对学生综合性思维和科研探索能力的培养具有指导意义。
            3 结语

            采用多种显微分析仪器对纤维形态特征进行综合检验,将常见纺织纤维形态的检验一般验证性实验扩展设计为综合性实验项目,有效地将实验室科研仪器设备引入本科实践教学中,提高优质教育教学资源的利用效率;通过综合性实验的训练,能够使学生学习了解到学科前沿知识,熟悉多种仪器的操作与使用,从理论和实践两方面加深对纤维形态特征检验的理解和应用;贴近实战的实验环节设计,能够提高学生运用现代科学技术解决实际问题的综合素质和创新能力,为以后的学习和工作打下良好的实践基础。

            参考文献:
            [1]王 虹,王 军,常见纺织纤维形态检验的综合性设计[A]江苏警官学院刑事科学技术系,江苏南京210031.1673-0356(2020)02-0024-03

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