动态图像法

玻璃纤维长度与形貌表征中的应用

基于 CAMSIZER 3D 的测量

玻璃纤维短切原丝

璃纤维短切原丝

玻璃纤维无捻粗纱

玻璃纤维增强复合材料中，纤维的长度、直径与形貌（长径比、弯曲程度、单丝化程度）直接决定制品的力学性能与加工行为。长度分布均匀、细长纤维占比高的增强材料，其强度保留率与界面增强效率通常更优；而短纤维、渣球及并丝（集束）的存在则会削弱增强效果并影响制品表面质量。因此，对玻璃纤维产品及复合材料中的纤维状态进行快速、准确的表征，是质量控制与配方研发的关键环节。

传统表征方法各有局限：显微镜法依赖人工测量，样本量小（一般仅数十根），难以反映批量产品的统计分布；筛分法只能对长度进行粗略分级，无法同时获得直径与形貌信息，且细长纤维易缠结、损失；激光衍射法以等效球径描述颗粒，对高长径比纤维存在系统性偏差。动态图像法（Dynamic Image Analysis，DIA）通过高速相机对流动中的颗粒逐粒成像并实时统计，可在数分钟内获得数万至数十万颗粒的长度、直径与形貌分布，为纤维表征提供了兼具统计代表性与形貌分辨力的新途径。本文以 Microtrac MRB 公司的 CAMSIZER 3D 动态图像法粒度粒形分析仪为对象，介绍其测量原理与纤维表征能力，并结合三组短切玻璃纤维样品的实测数据进行分析。

玻璃纤维产品的常见形态包括短切原丝与无捻粗纱等，不同形态对应不同的增强应用与加工方式。

PART 1 

动态图像法原理   

动态图像法依据 ISO 13322-2 建立：干燥样品经振动给料器均匀分散后自由下落，在频闪光源的照射下通过测量区，高速相机以固定帧率连续采集颗粒的阴影图像；软件对每一颗粒逐粒提取轮廓，计算尺寸参数（如最大费雷特直径、最小弦长等）与形貌参数（宽长比、球形度、圆度、凸度等），并按颗粒数或体积加权统计，输出粒径与粒形分布。与静态图像法相比，动态图像法无需制样、自动化程度高、统计样本量大，且颗粒在接近实际工艺的自由下落状态下被测，测量结果更贴近使用状态。

动态图像法专利光路

PART 2

玻璃纤维表征关键参数与相关标准    

01长度与长度分布

长度是短切原丝、磨碎纤维及复合材料中纤维增强效果的核心指标。短切原丝的长度一致性直接影响制品强度与外观，行业常见规格为 3 mm、6 mm、9 mm、12 mm 等；复合材料在注塑、挤出等成型过程中纤维会发生磨损断裂，其长度保留率与分布宽度直接反映工艺水平。动态图像法可输出 D10、D50、D90、均值、标准差与 SPAN 等统计量，并可统计任意长度区间（如小于 2,500 µm）的占比，为长度质量控制提供量化依据。

02直径与宽长比

玻璃纤维单丝直径常见规格在 6～24 µm 之间（如 9、11、13、17 µm 等），直径及其分布影响纤维的比表面积、浸润性与增强效果。动态图像法以颗粒宽度（最小弦长）表征纤维直径，并计算宽长比 b/l（宽度与长度之比）。对纤维而言，b/l 越小表示纤维越细长（长径比越大），b/l 越大表示形态越粗短、越接近颗粒状。宽长比分布可定量刻画样品中细长纤维与粗短颗粒的比例。

03细长纤维占比与形态分类

软件支持按宽长比阈值对颗粒分类统计，例如统计 b/l 小于 0.3 的细长纤维占比、b/l 大于 0.4 的粗短颗粒占比，并可结合逐粒图像进行人工复核，从而将“长度合格但形态不良”的样品甄别出来。这是筛分法、激光衍射法难以实现的能力。

PART 3 

应用案例

三组短切玻璃纤维样品的长度与形貌对比

01测试条件与方法

采用 CAMSIZER 3D 的 3D 模式，对三组短切玻璃纤维样品（下称 A线、B线、C线）进行长度与形貌测量，三组样品各测量一次，在约 3.6 万帧图像中，基准摄像头捕获并统计的颗粒数分别为 248,691、230,598 与 280,470 个，单次测量即获得逾 20 万颗粒的统计样本，远大于传统显微镜法的测量量。测试结果如图1～图5 所示。

02长度分布分析

图1 为三组样品的 3D 长度分布曲线，包括体积加权累计分布 Q3（左纵轴）与密度分布 q3（右纵轴），横轴为 xLength。三条曲线均呈现典型的纤维长度分布形态：快速上升至峰值后缓慢下降并趋于平稳。其中 C线的密度分布峰值位置最靠左（长度最短），A线居中，B线最靠右（长度最长）。

图1 三组样品3D长度分布曲线

软件统计报表（图2）给出的特征分位值进一步量化了上述差异：x(Q3=50%) 分别为 A线 4,687.86 µm、B线 4,937.97 µm、C线 3,779.75 µm，B线中位长度最长，C线最短，较 B 线缩短约 23%；均值 Mean3(x) 分别为 4,906.13 µm、5,205.21 µm、3,933.91 µm，趋势一致。从分布宽度看，B线标准差 Sigma3 为 982.75 µm、SPAN3 为 0.407，均为三组中最大，说明其长度分布最分散、批次一致性相对较差；C线 Sigma3 为 678.26 µm、SPAN3 为 0.365，分布最窄但整体长度水平偏低；A线 Sigma3 为 829.11 µm、SPAN3 为 0.370，长度一致性较好，且 D90 达 5,941.62 µm，长纤维保留充分。

图2 三组样品长度与形貌统计报表

短纤维占比是纤维损伤程度的重要指示。三组样品中长度小于 2,500 µm 的短纤维占比 p3(0 µm;2,500 µm) 分别为 0.045%、0.047% 与 0.320%，C线约为 A、B 两线的 7 倍；同时 C线 92.66% 的纤维集中于 2,500～5,000 µm 区间，5,000～7,500 µm 区间仅占 6.86%。结合上述统计（分析认为），C线短纤维占比偏高、长纤维保留不足，其纤维损伤程度或切割均匀性劣于 A、B 两线。

03粒形分布分析

图3 为三组样品宽长比（平均 b/l）的累计分布曲线。A线曲线整体最靠左（b/l 最小），C线最靠右（b/l 最大），B线居中。统计报表中 Mean3(平均 b/l) 分别为 0.3397、0.3590、0.3978，表明 A线纤维最为细长，C线纤维形态最粗短。

图3 三组样品宽长比（平均 b/l）分布曲线

按宽长比区间细分：b/l 小于 0.3 的细长纤维占比，A线为 29.01%，B线为 21.43%，C线仅为 6.97%；b/l 大于 0.4 的粗短颗粒占比，C线高达 47.32%，A线为 17.82%，B线为 28.06%。C线样品中粗短、颗粒状形态的比例明显偏高，细长纤维比例显著不足，与长度分析的结果相互印证。

04逐粒图像复核

图4、图5 为软件回放的逐根纤维原始图像示例，每格为单根纤维，其下方数值为软件按 3D 轨迹自动计算并标注的纤维长度。图7 中纤维长度覆盖约 448 µm 至 5,642 µm，图8 覆盖约 1,324 µm 至 4,897 µm，直观呈现了样品中从短纤维到接近标称长度纤维的完整范围。逐粒图像功能使检测人员可在统计数据之外直接查看任意一根纤维的形态（弯折、并丝、断纤等），必要时对异常颗粒进行分类复核，实现“统计 + 溯源”的双重验证。

图4 逐根纤维图像与3D长度标注示例（一）

图5 逐根纤维图像与3D长度标注示例（二）

05综合结论

三组样品的长度与形貌指标汇总于表1。综合来看：A线长度一致性较好（SPAN3 为 0.370）、细长纤维占比最高（b/l 小于 0.3 占 29.01%）、粗短颗粒占比最低（17.82%），整体形态质量最优；B线长度最长（中位 4,937.97 µm）但分布最分散（SPAN3 为 0.407），长度一致性有待改善；C线长度整体偏短（中位 3,779.75 µm）、短纤维占比高（0.320%）、细长纤维占比低（6.97%），纤维损伤或切割不均的问题相对突出（分析认为，具体原因需结合工艺条件进一步核查）。该案例表明，仅依赖单一长度指标难以全面评价玻纤质量，动态图像法将长度、形貌、占比与逐粒图像融为一体，可为玻纤生产质量控制提供更完整的判定依据。

PART 4

动态图像法与传统方法的对比    

动态图像法的核心优势在于长度与形貌同步测量、统计样本量大、速度快并可溯源至逐粒图像；其局限是对样品分散状态要求较高，亚微米级单丝直径的精确测量受相机分辨率限制。实际应用中，可将动态图像法用于过程控制与批量检验，显微镜法用于仲裁与标定，两者互为补充。

PART 5 

结论与展望  

动态图像法配合 CAMSIZER 3D，可在数分钟内对玻璃纤维完成数十万颗粒的长度与形貌统计测量，一次同时获得长度分布、宽长比分布、特征分位值、短纤维占比及逐粒图像，有效克服了显微镜法样本量小、筛分法信息单一、激光衍射法形状假设失效等局限。三组短切玻璃纤维样品的实测对比表明，该方法能够清晰区分样品在长度水平、分布宽度与形态细长性上的差异，为玻纤产品的质量控制、工艺优化及复合材料中纤维状态评价提供了有力工具。随着 3D 成像、AI 智能分类与在线检测技术的发展，动态图像法在玻璃纤维行业的应用有望从实验室走向产线在线监控，成为玻纤智能制造的重要支撑。

Microtrac MRB(麦奇克莱驰）为动态图像分析法建立了标准。由于独特的双镜头技术，允许以最高的精度和重现性进行快速分析，并且粒度测量范围极广。 这些优势使CAMSIZER系统产品成为常规分析和质量控制的理想工具。强大的评估软件提供了大量有价值的信息和测量参数，使分析仪也非常适合于纤维领域应用。