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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(zhǎng)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(jiàn)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(méi)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(wú)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(guò)數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線的參數(shù)，縮短開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)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。可在高溫下工作，這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(lái)說(shuō)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(méi)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(chǎng)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(méi)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(lái)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(guó)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)發(fā)出國(guó)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(guó)際上也是很罕見(jiàn)的，因此蘭光CHY-C1測(cè)厚儀的推出在我國(guó)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(jiàn)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?jiàn)，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。