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薄膜厚度的各種在線和非在線測(cè)量方法

2010-08-25

                                                            薄膜厚度的各種在線和非在線測(cè)量方法

薄膜厚度是否均勻一致是檢測(cè)薄膜各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)。很顯然，倘若一批單層薄膜厚度不均勻，不但會(huì)影響到薄膜各處的拉伸強(qiáng)度、阻隔性等，更會(huì)影響薄膜的后續(xù)加工。對(duì)于復(fù)合薄膜，厚度的均勻性更加重要，只有整體厚度均勻，每一層樹脂的厚度才可能均勻。因此，薄膜厚度是否均勻，是否與預(yù)設(shè)值一致，厚度偏差是否在指定的范圍內(nèi)，這些都成為薄膜是否能夠具有某些特性指標(biāo)的前提。薄膜厚度測(cè)量是薄膜制造業(yè)的基礎(chǔ)檢測(cè)項(xiàng)目之一。

1. 各種在線和非在線測(cè)厚技術(shù)發(fā)展快速

包裝材料厚度的測(cè)試早用于薄膜厚度測(cè)量的是非在線測(cè)厚技術(shù)。之后，隨著射線技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸研制出與薄膜生產(chǎn)線安裝在一起的在線測(cè)厚設(shè)備。上個(gè)世紀(jì)60年代在線測(cè)厚技術(shù)就已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在更能夠檢測(cè)薄膜某一涂層的厚度。同時(shí)，非在線測(cè)厚技術(shù)也有了長足的發(fā)展，各種非在線測(cè)試技術(shù)紛紛興起。在線測(cè)厚技術(shù)與非在線測(cè)厚技術(shù)在測(cè)試原理上完全不同，在線測(cè)厚技術(shù)一般采用射線技術(shù)等非接觸式測(cè)量法，非在線測(cè)厚技術(shù)一般采用機(jī)械測(cè)量法或者基于電渦流技術(shù)或電磁感應(yīng)原理的測(cè)量法，也有采用光學(xué)測(cè)厚技術(shù)、超聲波測(cè)厚技術(shù)的。

2. 在線測(cè)厚較為常見的在線測(cè)厚技術(shù)有β射線技術(shù)，X射線技術(shù)和近紅外技術(shù)。

2.1 β射線技術(shù)

β射線技術(shù)是先應(yīng)用于在線測(cè)厚技術(shù)上的射線技術(shù)，在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)廣泛用于超薄薄膜的在線厚度測(cè)量了。它對(duì)于測(cè)量物沒有要求，但β傳感器對(duì)溫度和大氣壓的變化、以及薄膜上下波動(dòng)敏感，設(shè)備對(duì)于輻射保護(hù)裝置要求很高，而且信號(hào)源更換費(fèi)用昂貴，Pm147源可用5-6年，Kr85源可用10年，更換費(fèi)用均在6000美元左右。

2.2 X射線技術(shù)

這種技術(shù)極少為塑料薄膜生產(chǎn)線所采用。X光管壽命短，更換費(fèi)用昂貴，一般可用2-3年，更換費(fèi)用在5000美元左右，而且不適用于測(cè)量由多種元素構(gòu)成的聚合物，信號(hào)源放射性強(qiáng)。X射線技術(shù)常用于鋼板等單一元素的測(cè)量。

2.3 近紅外技術(shù)

近紅外技術(shù)在在線測(cè)厚領(lǐng)域的應(yīng)用曾受到條紋干涉現(xiàn)象的影響，但現(xiàn)在近紅外技術(shù)已經(jīng)突破了條紋干涉現(xiàn)象對(duì)于超薄薄膜厚度測(cè)量的限制，完全可以進(jìn)行多層薄膜總厚度的測(cè)量，并且由于紅外技術(shù)自身的特點(diǎn)，還可以在測(cè)量復(fù)合薄膜總厚度的同時(shí)給出每一層材料的厚度。近紅外技術(shù)可用于雙向拉伸薄膜、流延膜和多層共擠薄膜，信號(hào)源無放射性，設(shè)備維護(hù)難度相對(duì)較低。

2.4 在線測(cè)厚設(shè)備的應(yīng)用情況

在線測(cè)厚能夠以快的速度獲取厚度測(cè)試數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線的參數(shù)，縮短開車時(shí)間。但是在線測(cè)厚設(shè)備必須配備與生產(chǎn)線相匹配的掃描架，這在一定程度上限制了在線測(cè)厚設(shè)備的重復(fù)利用。而且由于薄膜生產(chǎn)線往往需要長期連續(xù)工作，因此相應(yīng)的在線測(cè)厚設(shè)備也就必須長期連續(xù)工作。在設(shè)備的價(jià)格上，在線測(cè)試設(shè)備一般要比非在線測(cè)試設(shè)備貴很多，而且前者的運(yùn)行費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用也比較高。

3. 非在線測(cè)厚

非在線測(cè)厚技術(shù)主要有—接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法兩類，接觸式測(cè)量法主要是機(jī)械測(cè)量法，非接觸式測(cè)量法包括光學(xué)測(cè)量法、電渦流測(cè)量法、超聲波測(cè)量法等。由于非在線測(cè)厚設(shè)備價(jià)格便宜、體積小等原因，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

3.1 渦流測(cè)厚儀和磁性測(cè)厚儀

渦流測(cè)厚儀和磁性測(cè)厚儀一般都是小型便攜式設(shè)備，分別利用了電渦流原理和電磁感應(yīng)原理。專用于各種特定涂層厚度的測(cè)量，用于測(cè)量薄膜、紙張的厚度時(shí)有出現(xiàn)誤差的可能。

3.2 超聲波測(cè)厚儀

超聲波測(cè)厚儀也多是小型便攜式設(shè)備，利用超聲波反射原理，可測(cè)金屬、塑料、陶瓷、玻璃以及其它任何超聲波良導(dǎo)體的厚度?？稍诟邷叵鹿ぷ鳎@是很多其它類型的測(cè)厚儀所不具備的，但對(duì)檢測(cè)試樣的種類具有選擇性。

3.3 光學(xué)測(cè)厚儀

從測(cè)試原理上來說光學(xué)測(cè)厚儀可達(dá)到極高的測(cè)試精度，但是這類測(cè)厚儀在使用及維護(hù)上要求極高：必須遠(yuǎn)離振源；嚴(yán)格防塵；專業(yè)操作及維護(hù)等。使用范圍較窄，僅適用于復(fù)合層數(shù)較少的復(fù)合膜。

3.4 機(jī)械測(cè)厚儀

機(jī)械測(cè)厚儀可以分為點(diǎn)接觸式和面接觸式兩類，是一種接觸式測(cè)厚方法，它與非接觸式測(cè)厚方法有著本質(zhì)的區(qū)別——能夠在進(jìn)行厚度測(cè)量前給試樣測(cè)量表面施加一定的壓力（點(diǎn)接觸力或面接觸力），這樣可以避免在使用非接觸式測(cè)厚儀測(cè)量那些具有一定壓縮性、表面高低不平的材料時(shí)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的現(xiàn)象。機(jī)械測(cè)厚儀采用傳統(tǒng)的測(cè)厚方法，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，對(duì)試樣沒有選擇性。由于機(jī)械測(cè)厚儀的測(cè)試精度主要取決于測(cè)厚元件的精度，所以市場上的機(jī)械測(cè)厚儀的測(cè)試精度參差不齊。此外，機(jī)械測(cè)厚儀的核心元件——測(cè)量頭及測(cè)量面——對(duì)于微小的振動(dòng)都十分敏感，所以在有振源的環(huán)境中測(cè)量精度沒有任何意義。為了避免自身的振動(dòng)，并盡可能地減少外界振動(dòng)的影響，設(shè)備底座都采用重而寬的金屬制成，這在一定程度上保證了測(cè)厚精度，卻也給機(jī)械測(cè)厚儀的小型化和輕便化帶來了很大的困難。環(huán)境溫度和風(fēng)速同樣可以影響傳感器的精度，因此必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)使用。國際上制定了很多關(guān)于機(jī)械式測(cè)厚設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)（這在包裝材料測(cè)厚領(lǐng)域內(nèi)是比較罕見的，其它類型的測(cè)厚設(shè)備少有標(biāo)準(zhǔn)的支持），ISO 534：1988，ISO 4593：1993，ASTM D 645-97，GB/T6672-2001等。

需要指出的是，常見的機(jī)械測(cè)厚儀有點(diǎn)接觸式測(cè)厚儀和面接觸式測(cè)厚儀兩類，由于測(cè)量頭與試樣的接觸面積不同，測(cè)量頭的施力不同，施力速度不同，相同的試樣（這里假設(shè)厚度均勻一致）使用這兩類測(cè)厚儀很可能得到不同的測(cè)試結(jié)果，這主要是由于可壓縮試樣在不同的情況下產(chǎn)生的形變率往往不相同。因此，在選擇機(jī)械測(cè)厚儀測(cè)試時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行所參照標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件和測(cè)試要求。

3.5 非在線測(cè)厚設(shè)備的應(yīng)用情況

非在線測(cè)厚設(shè)備的銷售量要比在線測(cè)厚設(shè)備大一些，一方面，它的價(jià)格便宜；另一方面，相對(duì)于在線測(cè)厚設(shè)備，非在線測(cè)厚儀器都可以比較方便的搬運(yùn)移動(dòng)；再有，非在線測(cè)厚設(shè)備的使用與在線測(cè)厚設(shè)備的使用并不沖突，兩者可以有效配合，提高產(chǎn)品合格率。對(duì)于某些試樣使用不同的測(cè)厚儀可能會(huì)得到不同結(jié)果，這一方面是由于各種測(cè)厚儀的測(cè)試原理差異較大，除機(jī)械測(cè)厚儀外的其它類型測(cè)厚儀往往對(duì)試樣的材質(zhì)具有選擇性，通用性較差；另一方面，軟包材多數(shù)具有可壓縮性。2004年，濟(jì)南蘭光公司成功開發(fā)出國內(nèi)第一款超高精度的機(jī)械測(cè)厚儀CHY-C1，測(cè)試分辨率在0.1μm，如此高精度的機(jī)械測(cè)厚儀在國際上也是很罕見的，因此蘭光CHY-C1測(cè)厚儀的推出在我國包裝行業(yè)內(nèi)引起了巨大的轟動(dòng)。

4. 諸多因素影響厚度測(cè)試結(jié)果

軟包裝材料的特性常見的軟包材主要是由聚合物和紙制品加工制造的。聚合物分為橡膠、纖維、和塑料三大類。橡膠的特性是在室溫下彈性高，即在很小的外力作用下，能產(chǎn)生很大的形變；外力去除后能迅速恢復(fù)原狀，彈性模數(shù)小，約為105～106N/m2。相反，纖維的彈性模數(shù)較大，約為109～1010N/m2，受力時(shí)形變較小。塑料的彈性模數(shù)約為107～108N/m2，部分形變是可逆的，也有一部分則是永久形變。這三類聚合物是很難嚴(yán)格劃分的。例如聚氯乙稀是典型的塑料，但也可以抽成纖維，配入適量增塑劑可制成類似橡膠的軟制品。通常紙張性質(zhì)松軟，有一定的壓縮性，存在表面高低不平的情況?？梢?，聚合物和紙制品受力后都會(huì)產(chǎn)生形變，處于一種被壓縮的狀態(tài)，所以軟包裝材料一般都有一定的形變率，因此，在進(jìn)行試樣厚度測(cè)量時(shí)是否存在對(duì)試樣測(cè)量面施加的壓力將直接影響測(cè)試結(jié)果。

5. 總結(jié)

對(duì)于薄膜制造商而言，產(chǎn)品的厚度均勻性是重要的指標(biāo)之一，想要有效地控制材料厚度，厚度測(cè)試設(shè)備是必不可少的，但是具體要選擇哪一類測(cè)厚設(shè)備還需根據(jù)軟包材的種類、廠商對(duì)厚度均勻性的要求、以及設(shè)備的測(cè)試范圍等因素而定。