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多层共挤复合材料层间结构和厚度的测量与控制上

2022-04-29 来源:宣威市农业机械网

多层共挤复合材料层间结构和厚度的测量与控制(上)

一、多层共挤复合材料层间结构和厚度测量和控制的重要性

多层共挤复合的定义指出,多层共挤复合材料具有按照预定次序排列的,有明显界面,结合紧密,厚薄均匀,混成一体的层间结构。该层间结构,是由多层共挤复合成型模具所决定的,各树脂层的厚度是在生产过程中由多种因素共同作用而形成的。但生产过程必然要受到多种因素的影响,即使生产方案预先设计得很好,也会因某些因素发生变化而造成整个生产过程也发生变化,变化最明显最直接的就是影响到多层共挤复合材料厚度和层间结构。共挤复合材料的层数越多,受外界的影响机率就越多,影响的程度就越大。

共挤复合材料的层间结构决定着复合材料的性能。合格的产品,必定是层间结构(树脂品种和层厚及层厚比例)稳定的产品,因此多层共挤复合材料生产过程中,对多层共挤复合材料的层间结构和每层树脂厚度必须进行严格地控制,使之达到生产指令规定的范围。严格控制的前提是在生产过程中随时能够对共挤复合材料的层间结构状况和每层树脂的厚度进行测量,测量结果如出现与生产指令规定的指标发生偏差,控制装置能立即采取措施纠偏,使之回到正确数值上来。这就是对层间结构和厚度测量和控制装置的基本要求。一条生产线必须具备能准确测量和严格控制共挤复合材料层间结构和各树脂层厚度的装置及其有效的控制方法,否则就无法生产出合格的产品。

目前国内外许多共挤复合材料生产设备制造厂家有各种实施方法,本文介绍作者在洛阳春都集团PVDC五层共挤复合流延薄膜生产线上生产实践中所使用的方法。

二、多层共挤复合薄膜层间结构和树脂厚度的测量方法

薄膜厚度测量,包括对薄膜总厚的测量和复合薄膜中各树脂层厚的测量,以及由测量结果得到的它们的分布均匀度,是检查产品生产过程必需做的项目,也是调控生产线运行的依据,没有准确的测量结果,就没有调控的原因,也没有所达到的目标。

厚度测量按测量的场合,可分为在生产线下测量和在生产线线上测量。

1、对薄膜厚度及厚度分布均匀度的测量

薄膜厚度的测量是最容易的测量,测量工具很多,有机械式(千分尺和由其转化而来的数字式显示千分尺),有射线式(X射线,γ射线,β射线和红外线),都能对薄膜单点厚度作到很准确的测量。但仅测量薄膜单点厚度,对评价薄膜厚度状况是远远不够的,还必须要有薄膜厚度分布情况。用这些仪器对薄膜进行逐点测量,可以得到薄膜厚度分布均匀程度。

薄膜厚度分布均匀程度,从薄膜形成的过程,可分为纵向厚度分布均匀度和横向厚度分布均匀度。薄膜的横向分布均匀度是由树脂挤出量和共挤复合模具成形时的均匀性所形成的;薄膜纵向厚度分布均匀度,是由挤出量和纵向牵引均匀性所形成的。测厚仪固定不动,只能测量到薄膜单点的厚度,如果要测量薄膜纵向和横向多点的厚度,就必须让测厚仪对薄膜进行纵向和横向的扫描。为此在生产线上,把测厚仪安装在与薄膜前进方向垂直的扫描架上,测厚仪在扫描架动力的带动下定期巡回对薄膜横向扫描,因测厚仪对薄膜进行横向扫描时,薄膜也在前进,因此测厚仪对薄膜形成“之”字型的逐点扫描,形成对薄膜横向和纵向同时的测量。

生产线下需要对薄膜进行厚度分布均匀度测量时,在整幅薄膜上在垂直薄膜前进的方向划出一条直线,把整幅薄膜宽度分成若干等份,份数越多则得到的均匀度越接近实际。测量每个等份点上薄膜的厚度,然后求出平均厚度和每一点上的厚度与平均厚度之间的偏差,便得到整幅薄膜厚度的分布和最大偏差的数值。这个方法虽然简单,但很可靠,许多发达国家的工厂,至今仍在沿用这一方法。用上述方法只能测量薄膜的横向厚度及分布均匀度,很少用来测量薄膜的纵向厚度和分布均匀度。

2、对多层复合薄膜层间结构和每层厚度的测量

用机械式和射线式测厚仪器只能测量薄膜的整体厚度,无法测量多层复合薄膜的层间结构和各树脂层的厚度。目前测量多层复合薄膜的层间结构和树脂层厚的方法有两种:

①薄膜剖面法:把被测薄膜从横断面剖开,在显微镜下观察薄膜的结构,并用显微镜(光学显微镜和电子显微镜)的尺寸测量系统,测出薄膜总体厚度和每一层树脂的厚度。显微镜如有拍照片的功能,可拍出层间结构图。图1是PVDC五层共挤复合薄膜光学显微镜剖面照片。但剖面法只能得到薄膜的层间结构和每层树脂的厚度,无法测出每层树脂是什么品种。

②近红外线测厚仪:它是利用各种塑料对近红外线不同波段存在吸收差别来测量薄膜整体厚度与各树脂层的塑料品种和层厚。是目前最先进的,功能最齐全的,无损伤塑料品种和厚度的测量仪器。

近红外线测量树脂的品种和在复合薄膜中的层厚的工作原理,是因为每种树脂在近红外线区(波长在1.0-3.0μm)都有一个特别突出的吸收波段,即所谓的指纹波段,而对其他波段很少吸收。使用近红外线各波段对复合薄膜进行扫描,从返回的波段的强弱就可知道复合薄膜中含有哪些树脂品种。然后用近红外线中特定的某一树脂的指纹波段和另一个该树脂不吸收或一般吸收的波段作为参比波段,共同射向复合薄膜,依据贝尔吸收定律,把收到的吸收波长和参比波长的信号变化进行比较,能够得到复合薄膜中该种树脂层的厚度。实际使用的近红外线测厚仪器,是一个近红外线全谱发生器,通过一个特殊的旋转滤鼓的过滤,从仪器射出的是所需要的单色波段,设置两个滤鼓,就射出两个所需要的单色波段,即某种树脂的特定波段和参比波段,用于树脂层厚的测量。旋转滤鼓,可以得到不同波段的复式光波,测量不同品种的树脂层厚。图2是用红外线测厚仪测量一个PVDC五层共挤复合薄膜所得到的照片。

3、对薄膜中复合树脂层厚的线上测量

把红外线厚度测量仪安装在与薄膜幅度相匹配的扫描架上,在扫描架动力的带动下,对薄膜进行循回检测,得到薄膜的厚度和各层树脂的厚度。

对某一树脂层厚进行测量,采用该树脂特用的复式光源扫描薄膜,可以测出这种树脂在复合薄膜中层厚。改变复式光源的波段,可以测出复合薄膜中每层树脂层的厚度。这种测厚设备已由美国NDC公司批量生产。如FG-710型测厚仪器,可以测量复合薄膜中PP,PE,EVOH,EVA,PVDC,PA等树脂层的厚度,非常适合多层共挤复合薄膜生产线上使用。

许多学者指出近红外线的穿透能力有限,只能用于1000μm以下的薄膜使用。但美国NDC公司声称它的近红外线测厚仪可测到20-2000μm。有的专家提出,用红外线难于测量PVDC树脂,建议采用能测量氯原子的低能X射线。这些情况说明在测量多层共挤复合薄膜中PVDC树脂层的厚度的方法,还有待研究。

因此目前线上测量薄膜总厚和复合树脂层厚,是非常成熟的技术,有可靠的测厚仪器可供选择和使用,但在线上测量共挤复合薄膜中PVDC树脂层厚,还要等待测量技术进一步研究和发展。

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