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高效空气过滤器内部结构研究之核磁共振成像技术

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高效空气过滤器内部结构研究之核磁共振成像技术

除了X 射线摄像技术,为了获得高效空气过滤器结构和过滤过程颗粒沉积的非侵入三维信息,核磁共振技术(Magnetic Resonance Imaging, MRI)作为一种新方法最近得到应用。

核磁共振是一种物理现象,作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领域,到1973 年才将它用于医学临床检测。MRI 在化学领域的应用没有医学领域那么广泛,主要是因为技术上的难题及成像材料上的困难,目前主要应用于以下几个方面:在高分子化学领域,如碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等;在金属陶瓷中,通过对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的砂眼;在火箭燃料中,用于探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况;在石油化学方面,主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理的研究。

核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数(如谱线宽度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位置等)的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结构,是一种完全无损的检测方法。同时,它具有非常高的分辨本领和精确度,而且可以用于测量的核也比较多,所有这些都优于其它测量方法。因此,核磁共振技术在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。

对于平行的随纹结构,国外有研究者应用MRI技术获得多孔介质的3 维图像[11-13]。并且首次用在测量含有沉积颗粒的纤维的内部结构,使其成为对过滤试验的动力学研究的一种强有力的工具。

核磁共振成像是作为非侵入性方法发展起来的,该方法可以对具有一定形状的非透明物质的三维空间分布进行成像。因为大部分普通的固体聚合物和天然纤维的核磁共振信号太弱而不能直接测到,Hoferer 等人[11, 12]在多孔过滤介质填满水,原则上,核磁共振信号强度和水的含量成一定的比例,而没有水的地方则为纤维,这是量化纤维过滤器内介质的关键步骤。当然,也不能忽略核磁共振信号噪声的影响,因为在一定象素分辨率下,过滤介质内只含有水的地方的核磁共振成像不能产生明显的波峰,这说明此时的填充密度为零。为了消除噪声,一般认为只含有水的地方,即信号比较弱的地方的填充密度为零。基于以上这些,Hoferer等人[11,12]为了分析过滤介质的内部结构,采用快速自旋回波技术(RARE),其象素分辨率为8μm。他们首先绘制在所有象素下的频率分布图,并对其进行分析,利用填充度与信号强度之间的关系对数据进行处理。考虑到核磁共振系统的稳定性差,此数据处理过程是在Matlab 商用软件中进行的。Hoferer 等人[11]同时利用MRI 技术研究了颗粒的沉积行为,研究对象为胶囊颗粒。因为惯性沉降是实现颗粒沉积的最主要的捕获机制,因此,颗粒的速度大小是颗粒能否被捕获的关键。研究者在气体流动方向上把过滤介质分成一系列的截面,通过核磁共振成像把信号强度最弱的截面作为参照,减去此值,就能得到其它截面上的信号强度值,以此削弱噪声带来的影响。最后根据信号强度与颗粒物沉积质量之间的关系,来确定过滤介质内所沉积胶囊颗粒的质量。