TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta textilní VÝPOČET PLOŠNÉHO ZAKRYTÍ TKANIN POMOCÍ OBRAZOVÉ ANALÝZY Diplomová práce Bc. Iveta Pohánková Liberec 2013

2 VÝPOČET PLOŠNÉHO ZAKRYTÍ TKANIN POMOCÍ OBRAZOVÉ ANALÝZY DIPLOMOVÁ PRÁCE STUDIJNÍ PROGRAM: PRŮMYSLOVÝ MANAGEMENT STUDIJNÍ OBOR: MANAGEMENT JAKOSTI Autor práce Vedoucí práce Bc. Iveta Pohánková Ing. Kateřina Ročková POČET STRAN TEXTU...66 POČET OBRÁZKŮ...42 POČET TABULEK...16 POČET PŘÍLOH...3 LIBEREC 2013

3

4 P r o h l á š e n í Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména 60 školní dílo. Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL. Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše. Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem. Datum Podpis 3

5 PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří vedoucí diplomové práce Ing. Kateřině Ročkové za odborné vedení a také členům Katedry textilních materiálů TUL za rady a možnost využití strojního zařízení dostupného na této katedře. V neposlední řadě poděkování patří rodině, která mi byla po celou dobu studia psychickou a finanční oporou. 4

6 ANOTACE Tato práce se zabývá plošným zakrytím vybraných vzorků tkanin. V teoretické části jsou uvedeny dosavadní poznatky týkající se charakteristiky multifilových tkanin, rozdělených na parametry multifilových nití a parametry multifilových tkanin. Pozornost je věnována také porózitě tkanin, která se zakrytím tkanin úzce souvisí. Dále je zde popsán konfokální mikroskop a jeho využití pro zkoumání struktury těchto textilních materiálů. V experimentální části je poté porovnán výpočet teoretického plošného zakrytí tkanin s výsledky z obrazové analýzy ze snímků z konfokálního mikroskopu. Dalším důležitým bodem je zkoumání vlivu struktury tkaniny, zejména pak měnící se dostavy útku, na výpočet plošného zakrytí ze snímků z konfokálního mikroskopu.. K L Í Č O V Á S L O V A : Konfokální mikroskop, obrazová analýza, plošné zakrytí, struktura tkanin, porózita ANNOTATION This work deals with the blanket covering selected samples of fabrics. In the theoretical section describes the current knowledge regarding the characteristics of multifilament fabrics, in two parameters multifilament multifilament yarn and fabric parameters. Attention is also paid to porosity fabric, fabric covering which is closely related. Further the confocal microscope, and its use for studying the structure and the textile material. In the experimental part is then compared to the theoretical calculation of the surface covering of fabric with the results of image analysis of images from a confocal microscope. Another important point is to investigate the influence of fabric structure, especially changing the weft, to calculate the surface coverage of images from confocal microscopy. K E Y W O R D S : Confocal microscope, image analysis, surface cover, fabric structure, porosity 5

7 Obsah Seznam symbolů a značek...8 Úvod Charakteristika tkanin Parametry multifilových nití Průměr nití Jemnost Zaplnění Zákrut Parametry multifilové tkaniny Vazba multifilové tkaniny Příčný řez nitě a jeho deformace ve tkanině Dostava tkaniny Zakrytí tkaniny Porózita Plošná hmotnost tkaniny Tloušťka Setkání Délková hustota vazných bodů Anizotropie vazných bodů Konfokální mikroskopie Klasická vs. konfokální mikroskopie Rastrování a laserový rastrovací konfokální mikroskop Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu Využití konfokální mikroskopie Výhody a nevýhody konfokálního mikroskopu Metody a modely pro výpočet zakrytí tkaniny Metody Modely pro výpočet teoretického zakrytí tkaniny Obecný vzorec zakrytí vycházející z průměrů a dostav nití

8 3.2.2 Zakrytí vypočítané z porózity podle Gooijera Porózita dle Šindelkové Porózita dle Militkého Experiment Vzorky Měření na konfokálním mikroskopu Nastavení konfokálního mikroskopu Význam zobrazovaných údajů Obrazy získané z konfokálního mikroskopu Měření pomocí obrazové analýzy Průměr osnovní a útkové nitě Zakrytí Porózita a průměry pórů...58 Závěr...65 Literatura...67 Seznam příloh

9 Seznam symbolů a značek A 1 [m 2 ] obsah póru a [m] šířka deformovaného průřezu nitě am [1] Phrixův součinitel zákrutu b [m] výška deformovaného průřezu nitě CF [1] cver factor CF Do [1] cover faktor osnovních nití CF Du [1] cover faktor útkových nití D mu [m] substanční průměr multifilové nitě D o [1/100mm] dostava osnovy d o [mm] průměr osnovní nitě d p [mm] průměr póru D u [1/100mm] dostava útku d u [mm] průměr útkové nitě G [g/m 2 ] plošná hmotnost H(uv) o [m -1 ] délková hustota vazných bodů osnovy H(uv) u [m -1 ] délková hustota vazných bodů útku h o [m] výška vazné vlny osnovy h u [m] výška vazné vlny útku l [km] délka L(uv) [mm] délka vazného bodu [uv] lco [m] délka zvlnění osnovy l CU [m] délka zvlnění útku l mo [km] délka vlákna l o [mm] délka nitě ve střídě osnovy L o [mm] délka osnovní nitě ve vazné vlně l t,o [mm] délka střídy tkaniny po osnově l t,u [mm] délka střídy tkaniny po útku l u [mm] délka nitě ve střídě útku L u [mm] délka útkové nitě ve vazné vlně m [g] hmotnost m mo [g] hmotnost vlákna 8

10 N [1] počet detekovaných fotonů n [1] počet jednotlivých filament n mo [1] počet ploch průřezů filament v niti n o [1] počet osnovních vazných bodů n o [m -1 ] délková hustota útku n u [1] počet útkových vazných bodů n u [m -1 ] délková hustota osnovy P [1] porozita dle Gooijera p 1 [1] počet pórů Pv [1] objemová porozita S [m 2 ] souhrnná plocha řezů vláken S * [m 2 ] substanční průřez S c [m 2 ] celková řezná plocha S mo [m 2 ] substanční průřez filamenty s o [%] setkání osnovy S p [m 2 ] plocha pórů s u [%] setkání útku T [tex] jemnost multifilové nitě t mo [tex] jemnost monofilového vlákna T mu [tex] jemnost multifilové nitě t tk [m] tloušťka tkaniny T u [tex] jemnost útkových nití ve [m 3 ] objem buňky vo* [m 3 ] upravený objem osnovních nití v 1m 2 tkaniny vu* [m 3 ] upravený objem útkových nití v 1m 2 tkaniny z [m -1 ] počet zákrutů Z/Z c [1] celkové zakrytí Z min [nm] minimální tloušťka Z o [1] zakrytí osnovy Z u [1] zakrytí útku α [1] Köchlinův zákrutový koeficient λ [nm] vlnová délka µ [1] zaplnění 9

11 Ψ 2D 3D ATM KM KTM NA PA PL SEM TUL VI [1] porózita dvourozměrné trojrozměrné rastrovací mikroskop na principu měření atomárních sil komfokální mikroskopie Katedra textilních materiálů numerická aparatura polyamid polyester Scanning Electron Microscope Technická univerzita v Liberci viskóza 10

12 Úvod Plošné zakrytí tkanin, které úzce souvisí s prodyšností, je jednou ze základních užitných vlastností tkanin. Prodyšnost je důležitou vlastností nejen pro oděvy, ale i důležitým parametrem pro textilie v technickém sektoru. Nejenže ovlivňuje komfort při nošení oděvních výrobků, ale na druhé straně udává také zpracovatelnost technické textilie. Před uvedením do problematiky zakrytí tkanin je nutné zmínit se o struktuře textilie. Tkanina je komplikovaný útvar z hlediska vnitřního uspořádání. Je složena z vláken tvořících nit a nitě jsou pak společně spojeny vazbou tkaniny. Pro zjednodušení je poté možno strukturu tkaniny rozdělit na parametry nití a parametry tkanin. Ke zkoumání textilií byl v této diplomové práci využit konfokální mikroskop. Snímky z konfokálního mikroskopu jsou vždy zaostřené a představují jednotlivé optické řezy vzorkem. Složení trojrozměrných obrazů vychází z možnosti postupného snímání desítek až stovek optických řezů v ose Z. Konfokální mikroskop může být v budoucnu využit i pro tvorbu 3D modelů z důvodu kvalitnějšího zobrazení struktury tkaniny. Počáteční část práce je tvořena teoretickou přípravou, která shrnuje danou problematiku v oblasti struktury nití a struktury tkanin. Tomu se věnuje kapitola 1. Využití konfokální mikroskopie je shrnuto v kapitole 2, která je dále věnována možnosti využití konfokálního mikroskopu k výzkumu textilních struktur. Modely pro výpočet plošného zakrytí tkanin se bude zabývat kapitola 3 a poznatky budou poté aplikovány v experimentální části práce. Kapitola 4 je popisem celého experimentu s grafickými výstupy a komentáři. Cílem práce je porovnání hodnoty teoretického plošného zakrytí tkanin s výsledky z obrazové analýzy ze snímků získaných z konfokálního mikroskopu. Zjištění plošného zakrytí tkanin měnící se v závislosti na změně jednotlivých parametrů struktury, zejména pak odlišné dostavě útku. 11

13 1 Charakteristika tkanin Struktura textilií je důležitou charakteristikou textilních materiálů. Parametry textilní struktury ovlivňují vlastnosti textilií. Tímto tématem se zabývá mnoho odborných článků, publikací (např. [1]) a diplomových prací (např. [2]). Nejčastějším rozdělením textilní struktury v literatuře je právě rozdělení na parametry nití a parametry tkanin (viz. obrázek 1). Textilní struktura Parametry nití Parametry tkanin Obrázek 1 Rozdělení textilní struktury Tabulkou 1 lze pak zobrazit rozdělení nejdůležitějších parametrů textilní struktury. Pro tuto práci budou podrobněji popsány parametry multifilových nití a tkanin, z čehož bude věnována největší pozornost zakrytí tkanin. Tabulka 1 Znázornění rozdělení nejdůležitějších parametrů struktury tkaniny Parametry nití Parametry tkanin - jemnost - vazba - průměr (substanční průměr) - příčný řez a jeho deformace - zaplnění - dostava - zákrut - zakrytí - plošná hmotnost - tloušťka - setkání Podobného rozdělení se drží i Hloch [3], který uvádí, že základními prvky tkanin jsou osnovní a útkové nitě, jejich součinitelé tření, vazby tkanin, délková hustota osnovních a útkových nití (dostavy), střída vazby a setkání. Charakteristikou plošných textilií je i jejich plošná hmotnost, ze které lze určit například efektivní tloušťku. 12

14 Důležitou strukturní charakteristikou délkových a plošných textilií je také jejich stejnoměrnost (symetrie tkanin), (různo) směrnost (anizotropie) a souměrnost, které umožňují zjednodušit komplikované výpočty tenzorových vlastností textilií [3]. 1.1 Parametry multifilových nití Obecně se pojmem multifilová nit rozumí délkový vlákenný útvar. Multifilové nitě jsou zpravidla jemnější než např. některé staplové příze. Každá multifilová nit obsahuje různé množství nekonečně dlouhých filament - monofilových vláken, získávaných chemickou cestou. Filamenty jsou do jednotného útvaru většinou zakrouceny zakrucovacím zařízením, případně sdruženy bez použití zákrutu. Strukturu nití nelze zanedbat a to nejen z důvodu prodyšnosti. Například Gooijer [4] uvádí v příspěvku věnovanému monofilovým a multifilovým tkaninám, že k cirkulaci vzduchu do jisté míry dochází i mezivlákennými póry Průměr nití Pro zakrytí tkaniny je podstatný průměr nití. Je nezbytné vysvětlit pojmy jako je průměr, substanční průměr a substanční průřez nití. Multifilová nit se skládá z několika filament. Uvnitř vznikají póry různých velikostí, tvarů i četností. Na rozdíl od zjednodušeného modelu není nit homogenní válec, protože obsahuje i vzduchový prostor mezi vlákny. Proto je využíván tzv. substanční průměr, který předpokládá vytlačení veškerého vzduchu z nitě (viz. obázek 2). Substanční průměr představuje pouze teoretickou veličinu a jeho hodnota je nižší než skutečný průměr. Je zde zanedbáno vnitřního uspořádání jednotlivých filament a zákrutu. Substanční průměr lze stanovit vztahem [1] D mu = 4S *, π (1a) S* = n mo S mo (1b), kde D mu [m] značí substanční průměr multifilové nitě, S mo [m 2 ] je substanční průřez filamenty, S* [m 2 ] je substanční průřez multifilové nitě a n mo [-] je počet ploch průřezů filament v niti. 13

15 Obrázek 2 a) Průměr, b) substanční průměr nitě [1] Jemnost Jemnost, nebo také délková hmotnost, udává hmotnost m [g] připadající na jednotku délky nitě l [km]. Multifilové nitě mají obvykle relativně vysoké jemnosti, a proto se udávají v jednotkách dtex nebo den. Jemnost multifilové nitě závisí na průměru, počtu a hustotě jednotlivých filament [5]. Jemnost lze zapsat vzorcem t = mo m l mo mo (2), kde t mo [tex] je jemnost monofilového vlákna, m mo [g] je hmotnost vlákna a l mo [km] je délka vlákna. Předpokladem pro tento model jsou pouze sdružená vlákna v rovnoběžném směru. Zákrut v tomto případě není uvažován. Jemnost multifilové nitě lze pak stanovit vztahem [5] T mu = t n, (3) mo kde T mu [tex] je jemnost multifilové nitě, t mo [tex] jemnost monofilového vlákna a n [-] je pak počet jednotlivých filament v průřezu multifilu Zaplnění Tento parametr udává míru zaplnění multifilové nitě vlákny. Jedná se o bezrozměrný parametr. Hodnota zaplnění se pohybuje mezi 0 a 1. Zaplnění je možné určit několika definicemi, a to pomocí plošné, objemové nebo hmotnostní definice. Jako ukázka je zde uvedena plošná definice zaplnění, která se dá vypočítat za pomoci vztahu [1] S µ =, (4) S C 14

16 kde S [m 2 ] je souhrnná plocha řezů vláken a S c [m 2 ] je celková řezná plocha vlákenným útvarem Zákrut Účelem zákrutu je zpevnění vlákenného svazku. Je to zakroucení vlákenného svazku ve směru šroubovice. Nit je charakterizována počtem zákrutů na jednotku délky (obvykle se udává v m -1 ). Pro vyjádření zákrutu mohou být použity dva zavedené modely - Köchlinův zákrutový koeficient a Phrixův součinitel zákrutu. Köchlin vychází z teoretického šroubovicového modelu uložení vláken ve struktuře multifilu. S vyšší jemností dochází k rychlejšímu přírůstku zákrutů, to ale Köchlinův vztah nebere v úvahu. Phrix na rozdíl od Köchlina předpokládá tendenci ke zvyšujícímu se počtu udělených zákrutů s rostoucí jemností [1]. Zákrut lze vyjádřit vztahy (5a),(5b) Köchlinův zákrutový koeficient 31,6 z = α, (5a) T Phrixův součinitel zákrutu 100 z = am 3 2 T, (5b) kde z [m -1 ] je počet zákrutů na jednotku délky zakroucené nitě, α je Köchlinův zákrutový koeficient a T [tex] je jemnost multifilové nitě, am značí Phrixův součinitel zákrutu. Velikost koeficientu je určena jemností multifilové nitě. S vyšší jemností je zákrutový koeficient nižší. Při vyšší hodnotě zákrutu klesají deformační vlastnosti nitě v průřezu, což ovlivňuje další parametry a vlastnosti multifilových tkanin. 15

17 1.2 Parametry multifilové tkaniny Tkanina je definována jako plošná textilie, tvořená obvykle 2 provázanými soustavami nití (osnovy a útku). Místo překřížení osnovní a útkové nitě nazýváme vazným bodem tkaniny (viz obrázek 3). Obrázek 3 Schéma řezu tkaninou (napříč osnovou) [1] Vazba multifilové tkaniny Jak již bylo řečeno, místo překřížení tkaniny je nazýváno vazným bodem. Vazbu je možné pro přehlednost zaznamenat na vzornicový papír. Na obrázku 4 vpravo je osnovní vazný bod vyplněný a útkový vazný bod nikoli. Obrázek 4 Vazba tkaniny v plátnové vazbě [1] Mezi základní typy tkanin patří vazba plátnová, keprová a atlasová (viz. obrázek 5). Plátnová vazba je typická svým hustým provázáním v porovnání k ostatním typům vazeb a je tak i méně prodyšná. Může to být vysvětleno hustotou vazných bodů ve tkanině. Čím je ve tkanině více vazných bodů, tím větší odpor proti vzduchu tkanina musí vynaložit. a) plátnová vazba b) keprová vazba c) atlasová vazba Obrázek 5 Základní vazby tkanin 16

18 Opakující se strukturní jednotka tkaniny (nejmenší možná) se nazývá střída vazby. Na obrázku 5 je střída zvýrazněna černě. U plátnové vazby je střída vazby 2x2, u keprové 3x3 a u atlasové vazby 5x5. Vazba tkaniny je důležitým parametrem pro zakrytí tkaniny. O zakrytí bude zmínka více v kapitole Část nitě spojující dva sousední vazné body je nazývána úsekem nitě. Tyto úseky mohou být jak zkřížené, tak i nezkřížené. Minimální počet zkřížených úseků, který zajišťuje soudržnost tkaniny, je 2x2= Příčný řez nitě a jeho deformace ve tkanině Během výroby vzniká množství mechanických sil působících kolmo na osu nitě, a tím dochází k deformaci nití ve tkanině. Změní se například průřez nitě z původního kruhového na průřez elipsovitého tvaru. Tato změna se nejvíce projevuje ve vazném bodě tkaniny. Deformace může značně ovlivnit parametry tkaniny. Deformační změny se u výchozí nitě dají pozorovat v podélném a příčném směru. U podélného směru je možné mluvit o tzv. zvlnění nitě, a to když se původní rovná nit zvlní po provázání s ostatními nitěmi. Osnovní a útkové nitě se pak vzájemně dotýkají. Mírou zvlnění je výška vazné vlny, což je největší vzdálenost osy od střední roviny (obrázek 6). Obrázek 6 Výška vazné vlny osnovy a útku [1] U příčného směru dochází k již zmiňované změně v průřezu nitě, k tzv. zploštění (viz. obrázek 7), a to zejména ve vazném bodě tkaniny. Obrázek 7 Zploštění nitě 17

19 Průměr nitě se značí d [m], a [m] je v tomto případě šířka nitě a b [m] je výška nitě. Deformaci lze zjistit například stlačováním nitě mezi rovnoběžnými deskami. Desky jsou k sobě přitlačovány. Při tomto procesu je pozorována změna poměrné šířky a výšky (tloušťky) nitě Dostava tkaniny Dostava je počet nití na jednotku délky tkaniny. Jedná se o čtvercovou část tkaniny o rozměrech obvykle 1x1 cm. Někdy se může udávat i v rozměrech 10x10 cm. Dostavu, čili hustotu tkaniny, ukazuje obrázek 8, kde D o [cm -1 ] představuje dostavu osnovy a D u [cm -1 ] dostavu útku, v tomto případě v plátnové vazbě. Dostavu ovlivňuje tkací proces, jemnost příze, složení příze z hlediska materiálu a také vazba tkaniny. Dostava osnovy a útku a průměry osnovní a útkové nitě jsou hlavními z parametrů pro plošné zakrytí tkanin. Nejhustěji provázaná je plátnová vazba. Obrázek 8 Dostava tkaniny [1] Zakrytí tkaniny Při stanovení zakrytí tkaniny je důležitý průměr osnovní nitě d o [mm] a útkové nitě d u [mm] (viz. obrázek 9), protože tkanina tvořena ze silnějších nití může mít lepší zakrytí než táž tkanina z jemných nití při stejné dostavě. Zakrytí tkaniny je bezrozměrný parametr. Zakrytí je obecně charakterizováno jako plocha zakrytá nitěmi ku skutečné ploše tkaniny. Zakrytí lze dle literatury (např. [1], [6]) určit třemi způsoby, a to pomocí jedné soustavy nití, dvěma soustavami nití, nebo pomocí cover faktoru. 18

20 Obrázek 9 Závislost zakrytí na d o a d u [1] Zakrytí oběma soustavami nití, čili celkové zakrytí tkaniny lze vypočítat vzorcem [1] Z = Z + Z Z Z, (6) o u o u kde Z o a Z u [-] značí zakrytí osnovy a útku. Kromě způsobu výpočtu navrženého Piercem, jehož model počítá s nahrazením průměru nitě odmocninou z jemnosti nitě, je známa i plošná varianta cover faktoru, a to [1] CF = CF Do + CF Du CF Do CF Du, (7) kde CF Do [-] je cover faktor osnovních nití a CF Du [-] je cover faktor útkových nití. Větší pozornost bude dále věnována právě plošnému zakrytí tkanin, které vychází z půdorysné plochy nití ve vazné buňce tkaniny. Tato plocha je většinou z části kryta osnovní a z části útkovou nití Porózita Mluvíme-li o zakrytí tkaniny, je velmi důležité zmínit porózitu čili pórovitost tkaniny, která se zakrytím úzce souvisí. Struktura tkaniny a její porózita ovlivňuje propustnost vzduchu tkaninou. Zajímá nás objem prostoru (vzduchu) mezi vlákny. Porózita je charakteristikou tohoto prostoru, ovšem neurčuje velikost štěrbin mezi vlákny. Plošnou porózitu můžeme vypočítat vzorcem [7] Ψ = S / S = 1 Z = 1 d p c c o D o + d u D u d o D o d u D u, (8) 19

21 kde S p [m 2 ] je plocha póru a S c [m 2 ] je celková řezná plocha póru. Porózita je opět bezrozměrným parametrem. Dalšími parametry tkaniny mohou být i plošná hmotnost, tloušťka či setkání tkaniny. Těmito parametry se v této práci není nutné hlouběji zabývat, přesto je nutné je uvést jako důležité parametry charakterizující tkaniny obecně Plošná hmotnost tkaniny Plošná hmotnost tkaniny je hmotnost připadající na jednotku plochy. Udává se v g/m 2. Lze ji určit rovnicí [7] G = D 1+ s ) + D T (1 + s ), (9) o ( o u u u kde s o a s u [%] značí setkání osnovy a útku a další veličiny byly již uvedeny výše Tloušťka Dalším parametrem je tloušťka tkaniny. Stanovena například rovnicí [7] t = max[ 2h + d,2h + d tk o kde h o,u [mm] jsou výšky vazné vlny osnovy a útku a d o,u [mm] jsou průměry osnovních a útkových nití Setkání o u u ], (10) Setkání je poměrné prodloužení po vypárání nitě z tkaniny. V praxi se vyjadřuje v procentech. Setkání je důležité například pro odhad plošné hmotnosti. Setkání lze určit rovnicí [7] s o l = o l l t, o t, o, (11) kde l o [mm] je délka nitě ve střídě osnovy, l t,o [mm] je pak délka střídy tkaniny po osnově. Obdobný vzorec platí i pro útek. Parametry určující vlastnosti tkanin jsou i vazné body, jejichž měřením se zabýval například i Hloch a kol. [3]. Za zmínku stojí délková hustota vazných bodů a anizotropie vazných bodů. 20

22 1.2.9 Délková hustota vazných bodů Délková hustota vazných bodů v daném mřížkovém směru, a to osnovních a útkových H uv) o, u ( je definována dle [3] tímto vztahem H ( uv) n o, u o, u = = Lo, u 1, L( uv) (12) kde n o,u je počet osnovních (útkových) vazných bodů na délce mřížkového směru L o,u. L(uv) je nejkratší vzdálenost vazného bodu [uv] od počátečního vazného bodu [00], na níž se nachází jeden vazbový bod [3] Anizotropie vazných bodů Jednou z charakteristik pro měření je anizotropie. Anizotropie je např. dle internetového ABZ slovníku definovaná jako: závislost fyzikálních vlastností látek na směru, ve kterém se měří. Hlochem [3] byly zavedeny např. parametry a,b, které představují střední vzdálenost dvou útkových/osnovních nití ležících bezprostředně vedle sebe, lze je vypočítat pomocí vztahů a = b = 1 (13 a) n, o 1 (13 b) n u, kde n u a n o jsou délkové hustoty (dostavy) útku, osnovy [m -1 ]. Pro délku mřížkového směru L, resp. vzdálenost vazného bodu, daného indexy vazných bodů /uv/, od počátku souřadnicového systému byl odvozen vztah [3] 2 2 L ( uv) = u. a + v 2. b 2. (14) Anizotropie textilních materiálů je jednou z dalších obsáhlých témat pro určování parametrů textilních tkanin (například je důležitou při výzkumu ohybové tuhosti textilních materiálů). 21

23 2 Konfokální mikroskopie Při pozorování preparátu, u kterého je tloušťka blížící se nule, může být pozorování zkresleno paprsky, které vychází z hmoty nad a pod zaostřenou rovinou. Pro tento případ je možné použít konfokální mikroskop (dále jen KM). Současná doba vyžaduje stále větší nároky na zobrazování a zjišťování povrchu nebo struktury materiálu. Ať už se jedná o velmi malé částečky, nebo právě struktury objemových textilních materiálů. Použití může být i pro zjištění povrchů materiálů a jejich drsnosti, to vše s požadavkem na vysokou přesnost měření. Zde je používáno speciální optické zařízení, tzv. konfokální mikroskop. Použit byl laserový rastrovací měřící mikroskop, vyvinutý společností Olympus, který je umístěn na Katedře textilních materiálů FT TUL. KM je druhem optického mikroskopu, jehož výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu. Důležitým mezníkem byla světelná mikroskopie. Mikroskop tvoří soustava čoček, uspořádaných tak, aby bylo dosaženo požadovaného zvětšení, vysokého kontrastu strukturních částí a velké ostrosti. Je to nejstarší metoda hodnocení struktury kovů. Zásadním rozdílem mezi světelným mikroskopem a konfokálním mikroskopem je využití různých druhů světla. Konkrétně jejich zdrojů. Například mikroskop Olympus LEXT používá jako zdroje laserového paprsku o vlnové délce 408 nm. Narozdíl od konfokálního mikroskopu světelný mikroskop vyzařuje paprsek v širokém pásmu světelné délky. Hlavní výhodou konfokálního mikroskopu je možnost tvorby trojrozměrné rekonstrukce. Ta se vytváří i z několika desítek až stovek optických řezů daným objektem, které jsou postupně snímány při pozvolna se měnícím zaostření. Běžné konfokální laserové rastrovací mikroskopy získávají 3D zobrazení skládáním ploch získaných z rastrovacího komponentu jejich výšek. LEXT ale používá softwarovou funkci výpočtu ohnisek, která k vytvoření celé plochy vzorku vybírá pouze ty nejlepší ohniskové plochy. Z toho poté vyplývá ona vynikající ostrost obrazu. 22

24 2.1 Klasická vs. konfokální mikroskopie Klasická mikroskopie Předpokladem je nekonečně malá tloušťka preparátu. U silných vzorků materiálu je kvalita zobrazení ovlivněna překrýváním obrazu roviny, do které je mikroskop zaostřen a je ovlivněn neostrými obrazy nad a pod touto rovinou. Zkoumat je možné vzorky, které mají velikost, tzn. tloušťku menší než je hloubka ostrosti objektivu a ta závisí na jeho numerické aparatuře 1 (NA). Tento vztah byl popsán Pláškem [8] (15) Z min = 0,25 nλ/na 2, kde Z min [nm] je minimální tloušťka vzorku, n je index lomu prostředí před objektivem a λ [nm] je vlnová délka světla. Obrazem jsou tzv Airyho kroužky. Obrazec vznikající ohybem světla na čočkách objektivu. Při zobrazení blízkých bodů dojde k překrytí Airyho kroužků a ty se tak stanou nerozlišitelné [8]. Pro srovnání s konfokálním rastrovacím mikroskopem může být uveden příklad rastrovacího elektronového mikroskopu. Na rozdíl od konfokálního mikroskopu jsou obrázky z elektronového mikroskopu pouze dvourozměrné. Přesto jsou snímky u rastrovacího elektronového mikroskopu nástrojem pro určení mikrostruktury vlákenných a polymerních materiálů. Takto lze získat užitečné informace jako je například orientace vláken. Protože je obraz dvourozměrný, ruční měření je nevyhnutelné k získání objemových informací. Touto tématikou se zabývá i článek [9], který uvádí jak získat trojrozměrný tvar vláken aproximací vláken v oblasti známé jako metaballs. Metody analýzy obrazu byly použity ke generování metaballs (implicitních ploch) a objemové informace byly počítány z velikosti a umístění metaballs. Navržená metoda byla testována v nano-měřítku polymeru snímků SEM a automatické statistické měření bylo porovnáno s ručním měřením [9]. 1 numerická aparatura - dle fyzikální definice je to maximální možný úhel, pod kterým může paprsek světla vstoupit do světlovodu. 23

25 Obrázek 10 Příklad trojrozměrné rekonstrukce ze dvou-dimenzionální SEM obrázek pro vzorek [9] V této dvourozměrné obrazové analýze je prvním cílem odlišit čili seřadit vlákna do několika skupin. Obrázek 10 nahoře zobrazuje originální obraz SEM. Obraz je tvořen vlákny pavučin (viz obrázek 10 dole), které jsou v několika vrstvách a jsou tak běžnými metodami obtížně rozlišitelné. Obrázek je potřeba nejprve vyhladit, poté prahovat a převést na binární obraz. Část obrázku ukazuje význačné skupiny vláken. Byla zjištěna také kostra linie každé skupiny vláken, ovšem touto problematikou by se mohla zabývat jiná práce vzhledem k náročnosti a potřeby pro další výzkum. Konfokální mikroskopie Sahá do roku 1957, kdy Marvin Minsky patentoval nápad na konfokální mikroskopii, ovšem nenašel vhodný zdroj světla. Až koncem 70. let vznikl první spolehlivý mikroskop s rozmítaným laserovým paprskem. Existují dva typy mikroskopů, a to: rastrovací konfokální mikroskop skenující zařízení za pomoci laserového paprsku konfokální mikroskop s rotujícím diskem - místo skenujícího zařízení rotující Nipkowovův kotouč, na kterém je množství navzájem oddělených clonek [8]. 24

26 2.2 Rastrování a laserový rastrovací konfokální mikroskop Rastrování je tvoření obrazu bod po bodu, což je i základním principem rastrovacího konfokálního mikroskopu. Obraz se tedy netvoří vcelku, ale řádkováním. Pomocí řádkování jsou snímány optické body v rovině XY. Posuvem objektivu v ose Z jsou snímány i jednotlivé optické řezy. Nejdůležitějšími částmi laserového rastrovacího konfokálního mikroskopu jsou osvětlení a clonka. Osvětlením je myšlen laserový paprsek, který je fokusovaný na clonku. Clonka jej pomocí objektivu mikroskopu zobrazí na vzorek, do bodu, rovnajícímu se rozlišovací schopnosti objektivu. Objektiv sbírá světlo ať už vzorkem odražené nebo rozptýlené. Vznikne zpětný průchod objektivem. Dále mezi důležité části patří fotonásobič a druhá konfokální bodová clonka. Principem konfokálního mikroskopu je, že paprsky jdou z mimoohniskových rovin a jsou zachyceny clonkou. Podrobný popis a výhody tohoto mikroskopu budou popsány v kapitolách 2.3 a 2.5. Rastrování může být: rozmítáním laserového paprsku posouváním vzorku před objektivem v příčném směru posouváním objektivu 2.3 Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu Jak již bylo řečeno principem rastrovacího konfokálního mikroskopu je, že netvoří obraz vcelku, ale bod po bodu, čili řádkováním. Rastrovací konfokální mikroskop je složen z tzv. x-y stolku, na který se položí zkoumaná textilie, samotného mikroskopu a poté softwaru LEXT OLS. Stolek po zapnutí vykonává pohyby v rovině (x-y) až se dostane do středu pod mikroskop. Poté dokončí pohyb v ose Z. V softwaru se dále navolí velikost snímku a pokud je to nutné, snímek se může ručně zaostřit. Nakonec je zvolen požadovaný objektiv (z dostupných možností x5-x100). 25

27 Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu zjednodušeně ukazuje obrázek 11. Obrázek 11 Princip rastrovacího KM [10] Zdrojem světla je laser, který přes vstupní clonku a objektiv osvětluje preparát. Paprsky se odráží od děliče paprsků na skener a dále prochází skrz objektiv na pozorovaný objekt (vzorek). Stejným objektivem poté prochází paprsky odražené, procházejí skrz dělič paprsků (dichroické zrcátko). Paprsky procházejí čočkou až ke konfokální clonce. Na konfokální clonku dopadnou všechny paprsky, ale konfokální clonkou projdou jen ty, co byly zaostřeny (pocházejí z ohniskové roviny). Paprsky vstupují do detektoru (fotonásobič, kde jsou paprsky zesíleny a detekovány), který je napojený na počítač [10]. 26

28 2.4 Využití konfokální mikroskopie Technické využití konfokální mikroskopie Konfokálního mikroskopu může být využito při studiu povrchových vlastností materiálu, při testování tvrdosti kovů nebo plastických materiálů, zkoumání vlastností nových polymerů, nebo pro textilní materiály a následné hodnocení textilií. Jedinečné schopnosti konfokálního mikroskopu jsou ve trojrozměrném zobrazování, čehož se využívá zejména při studiu povrchových vlastností materiálů. Konfokální mikroskopii a její aplikace v technickém odvětví zmínil ve svém článku i Plášek [11]. V reflexním módu zobrazování se zkoumá textura a složení povrchů i eroze materiálů. Konfokálním mikroskopem se vyhodnocují výsledky mikrotestů tvrdosti kovů i plastických materiálů, měří se výška strukturních elementů na polovodičových čipech [11] a podobně. V lékařství a biologii V oboru lékařství může být konfokálního mikroskopu využito při měření membránového potenciálu nebo při studiu struktury zubní skloviny. Dále se například v odborném článku zaměřeném na konfokální stereologii a analýzu obrazu Kubínová a spol. zaměřili na rozvoj a softwarové implementace metod pro měření geometrických parametrů konstrukčních prvků orgánů, tkání, buněk nebo buněčných kompartmentů. Tato měření jsou základním předpokladem pro kvantitativní analýzu v řadě studií v biologickém výzkumu, zvláště když jsou analyzovány vztahy mezi funkcí a strukturou. Popisuje tzv. fakírovu metodu, vyvinutou v laboratoři, která může být použita pro odhad pokud možno plošných sériových konfokálních sekcí v rámci silných fyzických řezů, které jsou k dispozici. Na rozdíl od klasických stereologických metod aplikovaných na tenké fyzické oddíly, tato metoda zaručuje, že plátek lze řezat v libovolném směru [12]. 27

29 V tomto případě lze plochu buňky S odhadnout pomocí tzv. fakírových sond. Fakírova sonda je systematická sonda skládající se z paralelních zkušebních tras. Obrázek 12 Fakírova metoda [12] Obrázek 12 znázorňuje již zmíněnou prostorovou mřížku skládající se ze tří na sebe kolmých fakírových sond, uprostřed posunutých vůči sobě navzájem, použitých pro měření povrchu bočních stěn 3-D objektu (tj. tlustého plátku svalových vláken). Počet křižovatek (červená) z fakírových sond (zelený) a objektů stěn je přímo úměrný ploše povrchu objektu. Využití konfokální mikroskopie v materiálovém výzkumu Protože konfokální mikroskop nabízí vysoké rozlišení pozorovaných preparátů, dvojrozměrné měření, měření drsnosti povrchu a měření tloušťky filmu (1µm až 1mm) je využíván v materiálovém výzkumu. Na Katedře textilních materiálů FT TUL je používán právě konfokální laserový skenovací mikroskop LEXT OLS3000. Byl vyvinut pro snímání preparátů s velkým rozlišením a opakovatelným výkonem, umožňuje 3D snímání a přesná měření objektů. Nabízí snímání ve světlém i tmavém poli a diferenciální interferenční kontrast při pozorování v bílém světle [13]. 28

30 Obrázek 13 Laserový rastrovací konfokální mikroskop OLYMPUS LEXT OLS3000 Součástí dnešní doby jsou i stále větší nároky na zcela standardní způsoby měření. Měří se zpravidla velmi malé součástky, nebo spoje. Sledují se struktury různých materiálů, přičemž se poté kontrolují například drsnosti povrchů. Požadavky jsou tak zaměřeny na vysokou přesnost měření, a proto byl společností Olympus vyvinut přístroj Lext OLS3100 konfokální laserový rastrovací mikroskop. Tento konfokální mikroskop byl díky svému přesnému měření a možnosti měření v 3D původně zamýšlen pro strojní součástky, přesto se jeho uplatnění čím dál více objevuje i ve zdravotnictví a textilním průmyslu. Dle výrobců je tento přístroj zvláště vhodný pro aplikace v mikro- a nanotechnologických odvětvích. Rozsahem zvětšení se pohybuje mezi 120x x a je schopen uspokojit požadavky pracovníků vývoje, kteří pracují s optickými světelnými mikroskopy i elektronovými řádkovacími mikroskopy (SEM), nebo AFM (rastrovacími mikroskopy na principu měření atomárních sil). Výhodou konfokálního mikroskopu je, že se vzorky umisťují přímo na mikroskopický stolek. K pozorování vzorku není nutné tzv. zvodivění povrchu součástí. Je zde využíván laserový paprsek o vlnové délce 408 nm s optickými prvky přizpůsobenými pro tuto krátkou vlnovou délku. To zabrání případným odchylkám měření. 29

31 2.5 Výhody a nevýhody konfokálního mikroskopu Konfokální mikroskop má bezesporu spousty výhod oproti jiným optickým zařízením, které mohou být použity při zkoumání textilií. Mezi hlavní výhody patří, že zkoumaný objekt mimo rovinu ostrosti nezpůsobí rozostřením, snímky z konfokálního mikroskopu jsou tedy velmi kvalitní. Dalším kladem KM je kromě získávání klasického 2D obrazu využívání také 3D obrazu, kde je vyzdvihována velká hloubka ostrosti pro počítačové zpracování, což umožní i další funkci KM například při tvorbě 3D modelů. KM také umožňuje přesnější kvantitativní měření, kdy snímky nejsou ovlivněny zkreslenou hloubkou zaostření. Mezi výhody rastrovacího konfokálního mikroskopu patří tedy bezesporu i jeho rozlišovací schopnost. Lze říci, že rozlišovací schopnost za určitých podmínek může být i 1,4x lepší než při použití klasického mikroskopu o stejné numerické aparatuře objektivu. Nevýhodou KM, zejména při zkoumání textilií, může být rastrování obrazu. Jelikož jsou snímky postupně skládány, může se na jedné části objevit např. vada tkaniny. Konečný snímek je pak zobrazen s touto vadou, což může ovlivnit další měření. Za nevýhodu může být považována velká zatíženost statistickým šumem, jehož velikost je úměrná N, (16) N kde N je počet detekovaných fotonů [8]. Problémem také může být zvýšení intenzity záření, která může způsobovat nechtěné odlesky, a tím i následné potíže při dalším zpracování snímků z konfokálního mikroskopu. 30

32 3 Metody a modely pro výpočet zakrytí tkaniny Tato práce se zabývá zejména plošným zakrytím tkaniny, a proto je účelem této kapitoly zmínit odborné práce, zabývající se metodami a modely s podobnou tématikou. 3.1 Metody Jsou známé metody například pro stanovení struktur na jednotku plochy, nebo metody nepřímé stanovení porózity, což se poté nejvíce blíží právě stanovení zakrytí textilií. Například Smékal [14] se zabýval metodami pro stanovení struktur na jednotce plochy výpočtem integračními metodami. Integrační (rastrovací) metody se používají k měření ploch a objemů struktur velmi tenkých řezů. Stanoví se plošná hustota struktur preparátu. Použije se pomocný normál, tzv. měrná destička, na níž je čtverec. Normál se vkládá do okuláru a na ploše čtverce se sečtou pozorované struktury preparátu. Do počtu se zahrnují i ty struktury, které do plochy čtverce zasahují svou větší částí. Pomocí objektivního mikrometru se opět změří délka strany čtverce. Pak je plošná hustota struktur [14] m H = 2 a kde a je délka strany čtverce a m je počet struktur pozorovaných na ploše čtverce., (17) Struktura textilie má velký vliv například na prodyšnost materiálu. Parametry struktury se mohou určit výpočtem z pořízených řezů textilie, nebo nepřímými metodami stanovení porózity. Je známo například testování pomocí bublinkové metody. Tato metoda zkoumá prodyšnost vzduchu skrz textilii, popřípadě stanoví propustnost textilie pro kapalinu. Bublinková metoda je určena zejména pro filtrační materiály. Větší popularity se v dnešní době dostává i modernímu a rychlému způsobu zkoumání porózity ve vytvořených modelech pomocí speciálního softwaru, který má napodobovat realitu. Nevýhodou takto určené porózity je neznalost skutečné struktury. Obvykle se nezjistí tvar pórů a umístění. Při modelaci v softwaru dochází k zaměnění skutečných struktur těmi modelovými. Pro zjištění skutečného uspořádání pak existuje obrazová analýza, která mimo jiné může být využita pro zkoumání řezů skutečných struktur. Pro zkoumání textilií není obrazová analýza novinkou, a proto se již nějaký čas hojně 31

33 využívá. Práce se v kapitole 4.3 bude zabývat právě využitím obrazové analýzy (NIS- Elements) v kombinaci snímků získaných z konfokálního mikroskopu. Takto se dá stanovit například vnitřní struktura textilií. V lékařství a biologii je neutrální metodou již zmíněná fakírova metoda navržena Kubínovou a kolektivem [11]. Jsou vyvíjeny i další stereologické metody, které by s ohledem na funkci trojrozměrného snímání se v budoucnu mohly více využívat ke tvorbě 3D-modelů. Jedná se o automatické měření geometrických charakteristik. 3D objekty mohou být použity přímo na jejich binárních obrazech získaných pomocí automatického segmentace obrazů ve stupních šedi zachycených konfokálním mikroskopem. Automatická segmentace je postupné zpracování zdroje digitálního obrazu ve stupních šedi (definované jako datové struktury numerických hodnot v prostorové mřížce obrazových prvků tzv. pixelů v režimu 2D nebo ve 3D voxelů). 3.2 Modely pro výpočet teoretického zakrytí tkaniny Jak již bylo řečeno v kapitole 3.1. teoretický výpočet plošného zakrytí je možné nejblíže určit pomocí metod a modelů výpočtu porózity tkaniny. Jedná se například o model porózity tkaniny - stanovenou z plošného zakrytí, - podle Gooijera [4], - podle Backera [15] a z něj vycházející další modely například model dle Militkého [16], - podle Šindelkové [17] Obecný vzorec zakrytí vycházející z průměrů a dostav nití Tento vzorec je jedním ze základních vzorců pro výpočet zakrytí dvěma soustavami nití [1], [3], [6] a je považován za nejpoužívanější pro všechny typy tkanin. Z = d o D o + d u D u d o d u D o D u (18), kde d o a d u [mm] značí průměry osnovní a útkové nitě a D o a D u [mm] jsou dostavy osnovy a útku. 32

34 3.2.2 Zakrytí vypočítané z porózity podle Gooijera Gooijer [4] představil model, který kromě typu vazby zahrnuje i prostorovou strukturu tkaniny. Řídí se těmito pravidly: 1. každý pór přispívá k prodyšnosti stejně 2. v pórech je laminární proudění tekutiny 3. kruhové průřezy nití Gooijer vychází ze čtyř typů póru podle Backera [15], ovšem uvádí, že proud vzduchu vždycky neprochází pouze kolmo k rovině tkaniny, ale že dochází i k šikmému obtékání kolem nití. U plátnové vazby pro další výpočty platí případ a) obrázku 14. Obrázek 14 Typy pórů podle Backera [15] Důležitým prvkem pro popis geometrie tkaniny je vazná buňka tkaniny. Když vaznou buňku nějakým způsobem posuneme tak, že vytvoří okolí jednoho mezinitného póru ve tkanině v tomto případě hovoříme o pórové buňce. Z kolmého pohledu na tkaninu všechny pórové buňky budou vypadat stejně (pokud nebude přihlédnuto na nerovnoměrnost dostav a průměr přízí ve tkanině). Bude-li však tkanina považována za 3D, tvarová odlišnost by poté měla být jasně patrná, a to v závislosti provázání nití ve tkanině. 3.3 Porózita dle Šindelkové Šindelková se ve své práci [17] zabývá novými modely výpočtu plošné porózity, související s deformací průřezu nitě ve vazném bodě, to vše v závislosti na vazbě 33

35 tkaniny. Jedná se o tzv. horizontální porózitu a modifikovanou plošnou porózitu. Existuje i vertikální porózita, u plátnové vazby je však kvůli absenci flotáží 2 rovna nule. Předpokladem tohoto modelu je - nulová mezivlákenná porózita (její zanedbání), - deformace průřezu nitě, která se objeví ve vazném bodě tkaniny, a její vliv na tloušťku a porózitu tkaniny, - míra zvlnění osnovních a útkových nití (eo = 0,35 a eu = 0,65), - nevyrovnaná tkanina. Modifikovaná plošná porózita vychází z kolmého průměru tkaniny do roviny. Modifikace je v tom, že se průměr nitě deformuje ve vazných bodech tkaniny. Nit je deformována v místě zakřížení osnovní a útkové nitě, popřípadě v blízkosti zakřížení. Mohou za to síly působící v místě zakřížení. Horizontální porózita P hor, která vychází z rozlišení čtyř typů pórů podle Backera (viz. obrázek 14), v sobě okrajově zahrnuje vliv vazby na porózitu. Hlavním předpokladem je deformace průřez nití ve vazných bodech tkaniny. Nit je deformována pouze v místě zakřížení osnovní a útkové nitě, opět z důvodu působení sil v místě zakřížení. Ovšem v místě flotáže si nit zachovává původní kruhový průřez. Obrázek 15 Plocha póru se zahrnutím vlivu deformace průměru nití v místě zakřížení osnovy a útku [17] 2 Flotáž je (dle textilního výkladového slovníku) výraz pro volné osnovní nebo útkové nitě, které jsou neprovázané přes několik vazných bodů tkaniny nebo pleteniny, takže volně leží na povrchu a mohou vytvářet rozmanité plastické struktury. 34

36 Plochu póru H1 (1. typu póru dle Beckera) lze zjistit vztahem P 1 1 ao au hor = aua Do D u Du D + o o, (19) kde a o, a u [m] značí šířku deformovaného průřezu osnovní, útkové nitě a D o, D u [1/m] je dostava osnovy, resp. útku. Horizontální porózitu lze pak určit jako podíl plochy všech póru ve střídě vazby ku celkové ploše střídy vazby, a to vztahem P hor nsonsu = np1h1 /, (20) D D o u kde np1 je počet jednotlivých typů pórových buněk obsažených ve střídě vazby a nso, nsu značí počet osnovních, útkových nití ve střídě vazby. D o, D u [1/m] je opět dostava osnovy a útku. 3.4 Porózita dle Militkého Propustnost tkanin závisí na mnohých faktorech, počínaje geometrickými strukturami. Jak již bylo řečeno, tato vlastnost je spojena s tzv. porózitou. Porózita má rozhodující vliv na využití materiálu pro některá technická použití (filtry, plachty, padáky) nebo oblečení. Textilní porózita závisí obecně na druhu textilie, na její struktuře a na konstrukci přízí. Pro pevně tkané textilie již byla prokázána a ověřena závislost mezi prodyšností a mezivlákenným objemem pórů. U otevřených textilií korelace mezi prodyšností a stavebními parametry tkanin nejsou tak silné [16]. Z výzkumů [16] vyplývá, že vzhledem k rozdílům mezi ideální a skutečnou geometrií a náhodnými variacemi struktury tkaniny nejsou lineární závislosti mezi prodyšností a předpovídanou porózitou tkaniny. V práci se též uvádí, že nedostatek teoretických modelů pro tuto situaci vede k využití vícerozměrných nelineárních regresních modelů. 35

37 V tomto případě se jedná o objemovou porózitu, která je pro plátnovou vazbu modifikována ze vztahu [16] ( d o + du ) tw ve =, (21) ( D D ) ( D D ) o u o u kde v e [m 3 ] je objem vazební buňky, d o a d u [m] značí idealizované kruhové průměry osnovních a útkových nití, D o a D u [1/m] značí dostavu osnovních a útkových nití a t w [m] je tloušťka tkaniny. Dále je zde počítáno se vztahy (25) a (26) uvedené v experimentální části práce v kapitole

38 4 Experiment V experimentální části jsou graficky a početně doloženy získané poznatky týkající se zakrytí tkaniny. Cílem experimentu je nejen ověření aplikovatelnosti těchto poznatků pro dané tkaniny, ale i vhodnost použití snímků z konfokálního mikroskopu při následném měření pomocí obrazové analýzy NIS-Elements. 4.1 Vzorky Pro účely této práce bylo vybráno 9 vzorků multifilových tkanin. Jednalo se vždy o vzorek jednoho druhu materiálu se třemi různými počty dostav v plátnové vazbě (pro všechny vzorky P 1/1). Vzorky byly dodány pouze v režném stavu ve třech materiálových variantách, a to z polyamidu, polyesteru a viskózy. V tabulce 2 a 3 jsou uvedeny základní parametry tkanin. Vzorky dodala firma Hedva, s.r.o. Tabulka 2 Dostava osnovy a útku D o a D u [cm -1 ] PA PL VI D o 42 D o 42 D o 41,5 D u D u D u Vzorky byly nastříhány a pro lepší manipulaci umístěny do papírových rámečků. Pro snímání na konfokálním mikroskopu stačil vždy vzoreček o rozměrech 10x10 mm. Zkoumané tkaniny se mezi sebou lišily dostavou útků, přičemž dostava osnovních nití byla ve všech případech identická. V případě viskózové tkaniny byla zvolena menší dostava osnovy, ovšem co nejvíce se blížící dostavám polyamidových a polyesterových vzorků pro porovnání těchto tkanin. Jemnosti nití se pohybovaly do 22 tex. Tabulka 3 Jemnost nití T [tex] Materiál osnova/útek PA 22/22 PL 7,8/16,5 VI 13,3/13,3 37

39 4.2 Měření na konfokálním mikroskopu Snímky z konfokálního mikroskopu jsou považovány z hlediska kvality za velmi zdařilé a ostré. Ovšem malým minusem u takto kvalitních snímků může být lesk, který by mohl způsobit nepatrné komplikace při měření parametrů, a proto je důležité brát v potaz různé druhy materiálů a s nimi související nastavení přístroje Nastavení konfokálního mikroskopu Při měření na konfokálním mikroskopu bylo důležité zaměřit se na: požadované zvětšení objektivu zoom (čili zvětšení nebo zmenšení náhledu dle pozorovaného vzorku) pořízení dat 3D, 2D apod. Snímky byly tvořeny postupným rastrováním. Rozlišení mikroskopu bylo zajištěno pomocí dostupného objektivu (5x) a měřítko bylo 320µm. Rozsah 5x, který je možné ve Smart 3D View pozorovat je možný až do velikosti 800 µm, jak je uvedeno v manuálu od výrobce [18] Význam zobrazovaných údajů Během práce na konfokálním mikroskopu se lze setkat s řadou údajů (viz. obrázek 16), které je nutné vysvětlit. Mezi nejvýznamnější parametry patří především údaje zobrazené na snímcích, které stručně popisuje tabulka 4. Tabulka 4 Zobrazované údaje na snímcích z KM Zoom 1.0x Obraz pořízen ve zobrazeném zvětšení náhledu Acq XY Acq XYZ-M Acq XYZ-S Info CF-I- LSM obraz v XY (2D) rastrování Obraz v rozšířeném 3D rastrování (režim pořizování 3D: Fine) Obraz v rozšířeném 3D rastrování (režim pořizování 3D: Fast) CF Konfokální LSM obraz I Obraz intenzity 38

40 Obrázek 16 Údaje na snímku z KM zobrazené vpravo dole Obrazy získané z konfokálního mikroskopu Při snímání na konfokálním mikroskopu bylo pro účely práce doporučeno použití 2D snímání vzorků namísto 3D snímání. V této kapitole jsou, krom jiného, zobrazeny i tyto rozdíly ve snímání na konfokálním mikroskopu. U vzorečků z viskózových vláken se objevila vysoce zářivá místa, která jsou vhodná ke zjišťování pórovitosti. Vzorky byly poté nalepeny na plochu zrcátka a znovu nasnímány se zaostřením pod rovinou preparátu. To způsobí, že na snímku jsou nejsvětlejšími plochami dány právě póry (obrázek 17). Obrázek 17 Ukázka pórů PA vzorku

41 a) b) c) Obrázek 18 Rozdíly ve snímání PA 42-12: a) 3D, b) 2D, c) zrcátko Vhodnější pro další měření v programu NIS-Elements je obraz pořízený způsobem označeným 2D (viz. obrázek 18 b)), který nemá takové množství odlesků jako 3D obrázek. Pro měření zakrytí je dále použito zrcátko. 3D snímání by bylo možné uplatnit v budoucnu pro další výzkumy týkající se například tvorby 3D modelů tkanin, vláken apod. Na obrázku 19 jsou zobrazeny snímky vzorků z polyamidu. Jedná se o vzorky se stejnou dostavou osnovy (Do = 42 cm-1) a různou dostavou útku (konkrétně Du = 20, 16, 12 cm-1). U polyamidových vzorků je vidět volnější provázání, což způsobí menší deformaci v průřezu osnovních a útkových nití. PA PA PA Obrázek 19 Snímky vzorků z polyamidu 40

42 Na obrázku 20 jsou zobrazeny snímky polyesterových vzorků s totožnou velikostí dostavy osnovních nití (D o = 42 cm -1 ). Podobně jako u předchozí sady vzorků byly k dispozici různé velikosti dostavy útkových nití, konkrétní hodnoty činily pro D u = 29, 25, 21 cm -1. I přes skutečnost, že polyesterové vzorky byly dodány ve stejném vazebním provedení jako polyamidové vzorky (P 1/1), byl na nasnímaných vzorcích na konfokálním mikroskopu patrný rozdíl. Při bližším prozkoumání a srovnání obou sad vzorků bylo zjištěno, že polyesterové tkaniny lze na rozdíl od polyamidových tkanin označit jako mnohem stejnoměrnější. Zmíněná charakteristika konkrétně v tomto případě představuje míru pravidelnosti provázání a uspořádání jednotlivých nití ve vazbě. Je známo, že vlivem vzájemného provázání, mechanickým působením a dalšími faktory (např. absence nebo naopak přítomnost finální úpravy) dochází k určitému posunutí některých nebo všech nití. Tendence ke změně polohy nití je různá a k jejímu zjištění by bylo potřeba absolvovat řadu dalších výzkumů. Avšak v tomto případě se jako více pravidelná struktura jeví vzorky vyrobené z polyesterových nití. Dopad flotáží a někdy nežádoucí posunutí nití na výslednou prodyšnost může být značný. Příkladem může být právě zkoumaná sada polyesterových tkanin. Při své pravidelnosti, pevnosti a nepoddajnosti k jakémukoliv posunutí jednotlivé nitě nedisponují dostatečným prostorem pro vytvoření větších buněk či jiných prázdných míst vyskytujících se kdekoliv na ploše nebo v příčném řezu tkaniny (deformace průřezu nití vlivem mechanického působení např. při vlastní výrobě tkaniny). Tato tkanina je ve výsledku mnohem méně prodyšnější než tkanina, která obsahuje větší množství vzduchových prostorů. Polyamidové vzorky jsou naopak méně pravidelné, nitě nejsou v takové míře vzájemně rovnoběžné jako polyesterové vzorky. Charakter polyamidových nití umožňuje větší migraci či posunutí nití. Na první pohled se posunutí jednotlivých nití ve tkanině jeví jako nežádoucí. Z hlediska zkoumání prodyšnosti však tento jev nemusí být nutně známkou projevu nekvality nebo neshody ve výrobním procesu. Nepatrnou migrací nebo posunutím nití ve vazbě lze vytvořit flotáže nebo prázdná místa, která zvyšují prodyšnost tkaniny. Např. surová tkanina (režná), tzn. bez použití finální úpravy, je mnohem více prodyšnější než tkanina upravená. V některých případech bylo zjištěno (např. Šafaříková [22]), že režná tkaniny disponují větší schopností propouštět vzduch a s tím spojeným nižším zakrytím. Po nanesení finální úpravy však tkaniny ztratily v průměru 20 až 50 % ze své schopnosti 41

43 propouštět vzduch a zakrytí se zvětšilo. Důvodem byla náprava (pomocí vhodně zvolené finální úpravy) původně nesouměrné a nepravidelné režné tkaniny na upravenou, souměrnou a pravidelnější tkaninu. Je tedy nutné posoudit vliv míry souměrnosti a pravidelnosti konkrétní vazby, charakteru použitých nití na finální prodyšnost tkaniny. Tento experiment je časově náročný na provedení, v budoucnosti by ale bylo užitečné se na tuto problematiku mnohem více zaměřit a podniknout výzkum větší škály vazeb a nití. PL PL PL Obrázek 20 Snímky vzorků z polyesteru Třetí sada zkušebních, tentokrát viskózových vzorků, je zobrazena na obrázku 21. Stejně jako v předchozích případech, vzorky byly shodné velikostí dostavy osnovních nití (nyní Do = 41,5 cm-1), zatímco dostava útkových nití opět představovala variaci různých velikostí (Du = 30, 26, 22 cm-1). Z hlediska zkoumání rozsahu zakrytí a stejnoměrnosti vazby, jehož vysvětlení je uvedeno v předchozím odstavci lze konstatovat, že právě viskózová tkanina se jeví jako nejlépe měřitelná. Již pouhým okem je možné zjistit, že v porovnání s ostatními vzorky je viskózová sada vzorků 42

44 v podstatě stejnoměrná a disponuje téměř rovnoběžným provázáním osnovních a útkových nití. Jak již bylo zmíněno, tento jev lze zpozorovat i pouhým okem bez použití lupy nebo pokročilé techniky jako je elektronový či konfokální mikroskop. Kromě charakteru vazby a provázání osnovních a útkových nití byla pozornost zaměřena také na leskovitost jednotlivých tkanin. Velikost lesku totiž ovlivňuje vyhodnocování zakrytí. Nejvýrazněji viditelný lesk byl nalezen u snímku s nejmenší dostavou osnovních nití (D u = 22 cm -1 ), zatímco nejméně viditelný lesk byl přítomen u snímku s D u = 30 cm -1. Jedním z vysvětlení může být vliv velikosti dostavy útkových nití na finální leskovitost. Lesk u polyamidových a polyesterových vzorků nedosahoval kvality viskózových odlesků. U zkoumaných polyamidových vzorků se jevil jako nejlesklejší vzorek s největší dostavou (D u = 20 cm -1 ). Polyesterový vzorek, který se vyznačoval nejviditelnějším leskem byl pak vzorek s nejmenší dostavou (D u = 21 cm -1 ). VI 41,5-22 VI 41,5-26 VI 41,5-30 Obrázek 21 Snímky vzorků z viskózy 43

45 Obrázky ztvárňují vždy v 1. sloupečku obraz pořízený způsobem označeným jako 3D, 2. sloupeček 2D a 3. sloupeček patří tzv. zrcátku. 4.3 Měření pomocí obrazové analýzy Principem obrazové analýzy je snímání obrazu sledovaného vzorku a jeho převedení do zařízení, kde je snímek vyhodnocen (PC vybavený softwarem pro zpracování obrazu). Běžně se snímky pořizují přímo na obrazové analýze prostřednictvím kamery. V tomto případě byla měřící aparatura nahrazena konfokálním mikroskopem. Vyhodnocení snímků z konfokálního mikroskopu bylo provedeno pomocí programu NIS-Elements. Konkrétně NIS-Elements AR (Advanced Research), který využívá 6 dimenzionální snímání obrazu a následnou analýzu [19]. Postup měření na obrazové analýze Důležitou součástí měření v programu NIS-Elements je kalibrace. U nezkalibrovaného obrazu představují naměřené hodnoty počet pixelů, u zkalibrovaného se jedná již o reálnou velikost těchto hodnot, v tomto případě rozměry v µm. Zakrytí tkanin bylo hodnoceno s využitím obrazové analýzy dle modifikované interní normy IN /01 Porosita a plošné zakrytí tkanin [20]. Pomocí obrazové analýzy Nis Elements je možné získat informaci o ploše zakryté póry ( Area ) a celkové ploše ( MeasuredArea ). Zakrytí ( AreaFraction ) je pak definováno jako podíl těchto dvou ploch. Před začátkem samotného měření je nutné obrazy z konfokálního mikroskopu nejprve převést na šedotónový obraz (obrázek 22 b)) a dále transformovat do binárního obrazu pomocí položky Prahování (obrázek 22 c)). a) b) c) Obrázek 22 a) snímek 2D z KM, b) šedotónový snímek, c) naprahovaný snímek 44