3D microscopic characterization of polymer films

HE Bing-en; SHAO Sheng-pei; LIANG Xiao; CHENG Jia-dong; YIN Pan-chao; MAO Yan; WU Ming-xing; GONG Xiang-jun; ZHANG Guang-zhao

doi:10.37188/CJLCD.2023-0029

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

3D microscopic characterization of polymer films

Intelligent Imaging | 更新时间：2023-06-12

- 3D microscopic characterization of polymer films
- Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol. 38, Issue 6, Pages: 778-788(2023)
- 作者机构：
  
  1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州 510640
  2.华南理工大学海洋科学与工程学院，广东广州 510640
  3.华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院，广东广州 510640
  4.中山大学中山眼科中心眼科学国家重点实验室，广东省眼科视觉科学重点实验室，广东广州 510060
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(21973032)
- DOI：10.37188/CJLCD.2023-0029
  CLC： O631.2⁺4
- Received：02 February 2023，
  
  Revised：23 February 2023，
  
  Published：05 June 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
HE Bing-en, SHAO Sheng-pei, LIANG Xiao, et al. 3D microscopic characterization of polymer films[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2023, 38(6): 778-788.
DOI：

HE Bing-en, SHAO Sheng-pei, LIANG Xiao, et al. 3D microscopic characterization of polymer films[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2023, 38(6): 778-788. DOI： 10.37188/CJLCD.2023-0029.

摘要

高分子薄膜通常具有结晶、相分离等微尺度结构，同时在制备和加工过程中也会形成表面缺陷、气泡等不均匀结构，这些都会严重影响其性能。然而，表征这些结构目前还没有很好的方法。本文探究了数字全息显微镜（Digital Holographic Microscopy， DHM）这一原位、无损、高精度的光学三维显微技术在高分子薄膜表面及内部结构、缺陷表征中的应用。利用自建的DHM和三维连续定位算法对100 nm聚苯乙烯纳米颗粒在液相薄层中的分布、晶圆涂覆聚氨酯后表面的形貌、聚甲基丙烯酸酯薄膜与水的相分离过程、聚乙二醇薄膜干燥过程中的边缘结晶、聚乙烯醇薄膜内的微纳气泡进行了表征，证明DHM具有很高的成像分辨率，能够对高分子薄膜的表面和内部同时实现高精度的原位三维缺陷监测与结构表征，具有独特的优势和应用前景。

Abstract

The defects and heterogenous structures which are far beyond the molecular scale always exist on the film surfaces or inside the films， such as surface defects， phase separation， crystallization， microbubbles and other impurity particles， resulting in the significant decline of their performance. Until now，

situ

characterization of these defects and structures is still challenging. Herein， we explore the applications of the digital holographic microscope （DHM）‍‍， an

situ

， nondestructive and high-precision optical 3D imaging technique， in the 3D characterizations of both the surface and internal defects of polymer films. Examples include 3D distribution characterization of 100 nm polystyrene nanoparticles in a thin liquid layer， morphology of the surface of the polyurethane coated wafer， phase separation process of polymethacrylate film from water， edge crystallization monitoring during the drying of polyethylene glycol film， and characterization of micro-nano bubbles in the polyvinyl alcohol film. Obviously， DHM has unique advantages and is promising for future applications in polymer film characterization.

关键词

Keywords

references

YANG B ， ZHOU Y ， CHEN H X ， et al . Acrylic acid/allyloxy polyethylene glycol copolymer with methoxysilicon end groups as a highly effective dispersant for nano-SiO 2 aqueous system ［J］. Journal of Applied Polymer Science ， 2020 ， 137 （ 17 ）： 48617 . doi: 10.1002/app.48617 http://dx.doi.org/10.1002/app.48617

谢宜风 . 液晶显示器用三醋酸纤维素薄膜新进展［J］. 信息记录材料， 2007 ， 8 （ 1 ）： 35 - 42 . doi: 10.3969/j.issn.1009-5624.2007.01.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-5624.2007.01.009

XIE Y F . Recent advances in triacetate cellulose film for LCD ［J］. Information Recording Materials ， 2007 ， 8 （ 1 ）： 35 - 42 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-5624.2007.01.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-5624.2007.01.009

HWANG K S ， KWON H J ， LEE J Y . Water vapor permeability， morphological properties， and optical properties of variably hydrolyzed poly（vinyl alcohol）/linear low-density polyethylene composite films ［J］. Korean Journal of Chemical Engineering ， 2017 ， 34 （ 2 ）： 539 - 546 . doi: 10.1007/s11814-016-0279-z http://dx.doi.org/10.1007/s11814-016-0279-z

SALMANI G K M ， ROUNAGHI G H ， CHAMSAZ M . An optical sensor for determination of low pH values based on covalent immobilization of Congo red on triacetyl cellulose films via epichlorohydrin ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical ， 2018 ， 254 ： 177 - 181 . doi: 10.1016/j.snb.2017.07.027 http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2017.07.027

HONARKAR H . Waterborne polyurethanes： a review ［J］. Journal of Dispersion Science and Technology ， 2018 ， 39 （ 4 ）： 507 - 516 . doi: 10.1080/01932691.2017.1327818 http://dx.doi.org/10.1080/01932691.2017.1327818

吴奇 . 大分子溶液：源自一次个人40年之旅的教科书［M］. 北京：高等教育出版社， 2021 .

WU Q . Macromolecular Solutions： A Textbook from A Personal 40- Year Journey ［M］. Beijing ： Higher Education Press ， 2021 . （in Chinese）

KATO K ， NISHIDA M ， YAMANE H ， et al . Glistening formation in an AcrySof lens initiated by spinodal decomposition of the polymer network bytemperature change ［J］. Journal of Cataract & Refractive Surgery ， 2001 ， 27 （ 9 ）： 1493 - 1498 . doi: 10.1016/s0886-3350(01)00895-1 http://dx.doi.org/10.1016/s0886-3350(01)00895-1

STYLE R W ， SAI T Q ， FANELLI N ， et al . Liquid-liquid phase separation in an elastic network ［J］. Physical Review X ， 2018 ， 8 （ 1 ）： 011028 . doi: 10.1103/physrevx.8.011028 http://dx.doi.org/10.1103/physrevx.8.011028

ROSOWSKI K A ， SAI T Q ， VIDAL-HENRIQUEZ E ， et al . Elastic ripening and inhibition of liquid-liquid phase separation ［J］. Nature Physics ， 2020 ， 16 （ 4 ）： 422 - 425 . doi: 10.1038/s41567-019-0767-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41567-019-0767-2

DEEGAN R D ， BAKAJIN O ， DUPONT T F ， et al . Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops ［J］. Nature ， 1997 ， 389 （ 6653 ）： 827 - 829 . doi: 10.1038/39827 http://dx.doi.org/10.1038/39827

IKEHARA T ， JINNAI H ， KANEKO T ， et al . Local lamellar structures in banded spherulites analyzed by three-dimensional electron tomography ［J］. Journal of Polymer Science ， Part B： Polymer Physics， 2007 ， 45 （ 9 ）： 1122 - 1125 . doi: 10.1002/polb.21133 http://dx.doi.org/10.1002/polb.21133

YANG S G ， WEI Z Z ， CSEH L ， et al . Bowls， vases and goblets—the microcrockery of polymer and nanocomposite morphology revealed by two-photon optical tomography ［J］. Nature Communications ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 5054 . doi: 10.1038/s41467-021-25297-w http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-25297-w

YANG S G ， ZHANG L Q ， CUI J M ， et al . Morphology of shear-induced polymer cylindrites revealed by 3D optical imaging ［J］. Macromolecules ， 2023 ， 56 （ 1 ）： 198 - 206 . doi: 10.1021/acs.macromol.2c01433 http://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.2c01433

QI M ， SONG Q L ， ZHAO J P ， et al . Three-dimensional bacterial behavior near dynamic surfaces formed by degradable polymers ［J］. Langmuir ， 2017 ， 33 （ 45 ）： 13098 - 13104 . doi: 10.1021/acs.langmuir.7b02806 http://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b02806

HUANG G ， SUN L ， JIN X Q ， et al . Microscale topographic surfaces modulate three-dimensional migration of human spermatozoa ［J］. Colloids and Surfaces B： Biointerfaces ， 2020 ， 193 ： 111096 . doi: 10.1016/j.colsurfb.2020.111096 http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfb.2020.111096

HUANG G ， TIAN W Z ， QI M ， et al . Improving axial resolution for holographic tracking of colloids and bacteria over a wide depth of field by optimizing different factors ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 8 ）： 9920 - 9930 . doi: 10.1364/oe.26.009920 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.009920

SOBIERANSKI A C ， INCI F ， TEKIN H C ， et al . Portable lensless wide-field microscopy imaging platform based on digital inline holography and multi-frame pixel super-resolution ［J］. Light： Science & Applications ， 2015 ， 4 （ 10 ）： e346 . doi: 10.1038/lsa.2015.119 http://dx.doi.org/10.1038/lsa.2015.119

QIAN J M ， CAO Y ， BI Y ， et al . Structured illumination microscopy based on principal component analysis ［J］. eLight ， 2023 ， 3 （ 1 ）： 4 . doi: 10.1186/s43593-022-00035-x http://dx.doi.org/10.1186/s43593-022-00035-x

LEITH E N ， UPATNIEKS J . Reconstructed wavefronts and communication theory ［J］. Journal of the Optical Society of America ， 1962 ， 52 （ 10 ）： 1123 - 1130 . doi: 10.1364/josa.52.001123 http://dx.doi.org/10.1364/josa.52.001123

WU Y ， WANG J ， CHEN C ， et al . Adaptive weighted Gerchberg-Saxton algorithm for generation of phase-only hologram with artifacts suppression ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 2 ）： 1412 - 1427 . doi: 10.1364/oe.413723 http://dx.doi.org/10.1364/oe.413723

DE NICOLA S ， FINIZIO A ， PIERATTINI G ， et al . Angular spectrum method with correction of anamorphism for numerical reconstruction of digital holograms on tilted planes ［J］. Optics Express ， 2005 ， 13 （ 24 ）： 9935 - 9940 . doi: 10.1364/opex.13.009935 http://dx.doi.org/10.1364/opex.13.009935

ZHAO Y ， CAO L C ， ZHANG H ， et al . Accurate calculation of computer-generated holograms using angular-spectrum layer-oriented method ［J］. Optics Express ， 2015 ， 23 （ 20 ）： 25440 - 25449 . doi: 10.1364/oe.23.025440 http://dx.doi.org/10.1364/oe.23.025440

XIAO X D ， PURI I K . Digital recording and numerical reconstruction of holograms： an optical diagnostic for combustion ［J］. Applied Optics ， 2002 ， 41 （ 19 ）： 3890 - 3899 . doi: 10.1364/ao.41.003890 http://dx.doi.org/10.1364/ao.41.003890

GHIGLIA D C ， ROMERO L A . Robust two-dimensional weighted and unweighted phase unwrapping that uses fast transforms and iterative methods ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 1994 ， 11 （ 1 ）： 107 - 117 . doi: 10.1364/josaa.11.000107 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.11.000107

COLOMB T ， CUCHE E ， CHARRIÈRE F ， et al . Automatic procedure for aberration compensation in digital holographic microscopy and applications to specimen shape compensation ［J］. Applied Optics ， 2006 ， 45 （ 5 ）： 851 - 863 . doi: 10.1364/ao.45.000851 http://dx.doi.org/10.1364/ao.45.000851

FRATZ M ， SEYLER T ， BERTZ A ， et al . Digital holography in production： an overview ［J］. Light： Advanced Manufacturing ， 2021 ， 2 （ 3 ）： 15 . doi: 10.37188/lam.2021.015 http://dx.doi.org/10.37188/lam.2021.015

İLHAN H A ， DOĞAR M ， ÖZCAN M . Digital holographic microscopy and focusing methods based on image sharpness ［J］. Journal of Microscopy ， 2014 ， 255 （ 3 ）： 138 - 149 . doi: 10.1111/jmi.12144 http://dx.doi.org/10.1111/jmi.12144

樊向党，林波，沈文和 . 塑料薄膜表面疵点检测及识别方法研究［J］. 工业控制计算机， 2011 ， 24 （ 5 ）： 74 - 75 . doi: 10.3969/j.issn.1001-182X.2011.05.036 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-182X.2011.05.036

FAN X D ， LIN B ， SHEN W H . Research of plastic film surface defects detection and recognition ［J］. Industrial Control Computer ， 2011 ， 24 （ 5 ）： 74 - 75 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-182X.2011.05.036 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-182X.2011.05.036

钟球盛，胡广华，李静蓉 . 光学薄膜表面微细缺陷在线检测方法研究［J］. 机械设计与制造， 2011 （ 10 ）： 102 - 104 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2011.10.041 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2011.10.041

ZHONG Q S ， HU G H ， LI J R . Research on on-line inspecting algorithm for micro-defects of optical films surface ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2011 （ 10 ）： 102 - 104 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2011.10.041 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2011.10.041

YOUNG G ， KUKURA P . Interferometric scattering microscopy ［J］. Annual Review of Physical Chemistry ， 2019 ， 70 （ 1 ）： 301 - 322 . doi: 10.1146/annurev-physchem-050317-021247 http://dx.doi.org/10.1146/annurev-physchem-050317-021247

IBRAHIM M ， RAMADAN E ， ELSADEK N E ， et al . Polyethylene glycol （PEG）： the nature， immunogenicity， and role in the hypersensitivity of PEGylated products ［J］. Journal of Controlled Release ， 2022 ， 351 ： 215 - 230 . doi: 10.1016/j.jconrel.2022.09.031 http://dx.doi.org/10.1016/j.jconrel.2022.09.031

OHIRA M ， NAKAGAWA S ， SAMPEI R ， et al . Effects of network junctions and defects on the crystallization of model poly（ethylene glycol） networks ［J］. Soft Matter ， 2023 ， 19 （ 8 ）： 1653 - 1663 . doi: 10.1039/d2sm01036d http://dx.doi.org/10.1039/d2sm01036d

ZANELA J ， CASAGRANDE M ， REIS M O ， et al . Biodegradable sheets of starch/polyvinyl alcohol （PVA）： effects of PVA molecular weight and hydrolysis degree ［J］. Waste and Biomass Valorization ， 2019 ， 10 （ 2 ）： 319 - 326 . doi: 10.1007/s12649-017-0051-6 http://dx.doi.org/10.1007/s12649-017-0051-6

PERVEZ M N ， STYLIOS G K ， LIANG Y H ， et al . Low-temperature synthesis of novel polyvinylalcohol （PVA） nanofibrous membranes for catalytic dye degradation ［J］. Journal of Cleaner Production ， 2020 ， 262 ： 121301 . doi: 10.1016/j.jclepro.2020.121301 http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121301

于雯霞，党春蕾，何艺琳，等 . 聚乙烯醇共混薄膜研究进展［J］. 中国塑料， 2022 ， 36 （ 11 ）： 164 - 173 .

YU W X ， DANG C L ， HE Y L ， et al . Research progress in poly（vinyl alcohol） blending film ［J］. China Plastics ， 2022 ， 36 （ 11 ）： 164 - 173 . （in Chinese）

CHEN J D ， DONG Z C ， LI M ， et al . Ultra‐strong and proton conductive aqua‐based adhesives from facile blending of polyvinyl alcohol and tungsten oxide clusters ［J］. Advanced Functional Materials ， 2022 ， 32 （ 33 ）： 2111892 . doi: 10.1002/adfm.202111892 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202111892

Views

338

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

HE Bing-en

WU Ming-xing

MAO Yan

SHAO Sheng-pei

Related Institution

State Key Laboratory of Ophthalmology， Zhongshan Ophthalmic Center， Sun Yat-sen University， Guangdong Provincial Key Laboratory of Ophthalmology and Visual Science

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China 130033 Postal code：130033
Tel：0431-86176059 Email：yjxs@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰