高效空氣過(guò)濾器內部結構研究之核磁共振成像技術(shù)

除了X 射線(xiàn)攝像技術(shù)，為了獲得高效空氣過(guò)濾器結構和過(guò)濾過(guò)程顆粒沉積的非侵入三維信息，核磁共振技術(shù)（Magnetic Resonan Imaging, MRI）作為一種新方法近得到應用。

核磁共振是一種物理現象，作為一種分析手段廣泛應用于物理、化學(xué)生物等領(lǐng)域，到1973 年才將它用于醫學(xué)臨床檢測。MRI 在化學(xué)領(lǐng)域的應用沒(méi)有醫學(xué)領(lǐng)域那么廣泛，主要是因為技術(shù)上的難題及成像材料上的困難，目前主要應用于以下幾個(gè)方面：在高分子化學(xué)領(lǐng)域，如碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂的研究、固態(tài)反應的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等；在金屬陶瓷中，通過(guò)對多孔結構的研究來(lái)檢測陶瓷制品中存在的砂眼；在火箭燃料中，用于探測固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進(jìn)劑的分布情況；在石油化學(xué)方面，主要側重于研究流體在巖石中的分布狀態(tài)和流通性以及對油藏描述與強化采油機理的研究。

核磁共振分析技術(shù)是通過(guò)核磁共振譜線(xiàn)特征參數（如譜線(xiàn)寬度、譜線(xiàn)輪廓形狀、譜線(xiàn)面積、譜線(xiàn)位置等）的測定來(lái)分析物質(zhì)的分子結構與性質(zhì)。它可以不破壞被測樣品的內部結構，是一種完全無(wú)損的檢測方法。同時(shí)，它具有非常高的分辨本領(lǐng)和精確度，而且可以用于測量的核也比較多，所有這些都優(yōu)于其它測量方法。因此，核磁共振技術(shù)在物理、化學(xué)、醫療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應用。

對于平行的隨紋結構，國外有研究者應用MRI技術(shù)獲得多孔介質(zhì)的3 維圖像[11-13]。并且首次用在測量含有沉積顆粒的纖維的內部結構，使其成為對過(guò)濾試驗的動(dòng)力學(xué)研究的一種強有力的工具。

核磁共振成像是作為非侵入性方法發(fā)展起來(lái)的，該方法可以對具有一定形狀的非透明物質(zhì)的三維空間分布進(jìn)行成像。因為大部分普通的固體聚合物和天然纖維的核磁共振信號太弱而不能直接測到，Hoferer 等人[11, 12]在多孔過(guò)濾介質(zhì)填滿(mǎn)水，原則上，核磁共振信號強度和水的含量成一定的比例，而沒(méi)有水的地方則為纖維，這是量化纖維過(guò)濾器內介質(zhì)的關(guān)鍵步驟。當然，也不能忽略核磁共振信號噪聲的影響，因為在一定象素分辨率下，過(guò)濾介質(zhì)內只含有水的地方的核磁共振成像不能產(chǎn)生明顯的波峰，這說(shuō)明此時(shí)的填充密度為零。為了消除噪聲，一般認為只含有水的地方，即信號比較弱的地方的填充密度為零。基于以上這些，Hoferer等人[11,12]為了分析過(guò)濾介質(zhì)的內部結構，采用快速自旋回波技術(shù)（RARE），其象素分辨率為8μm。他們首先繪制在所有象素下的頻率分布圖，并對其進(jìn)行分析，利用填充度與信號強度之間的關(guān)系對數據進(jìn)行處理。考慮到核磁共振系統的穩定性差，此數據處理過(guò)程是在Matlab 商用軟件中進(jìn)行的。Hoferer 等人[11]同時(shí)利用MRI 技術(shù)研究了顆粒的沉積行為，研究對象為膠囊顆粒。因為慣性沉降是實(shí)現顆粒沉積的主要的捕獲機制，因此，顆粒的速度大小是顆粒能否被捕獲的關(guān)鍵。研究者在氣體流動(dòng)方向上把過(guò)濾介質(zhì)分成一系列的截面，通過(guò)核磁共振成像把信號強度弱的截面作為參照，減去此值，就能得到其它截面上的信號強度值，以此削弱噪聲帶來(lái)的影響。后根據信號強度與顆粒物沉積質(zhì)量之間的關(guān)系，來(lái)確定過(guò)濾介質(zhì)內所沉積膠囊顆粒的質(zhì)量。

Hoferer 等人[11, 12]的研究結果表明：利用核磁共振成像技術(shù)可以獲得多孔介質(zhì)的三