CN112033291A - 一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法 - Google Patents

一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，步骤为：在待测试样表面上，向试样发射出紫外线，得出紫外波段范围内试样的紫外透射率的数据；预先对一批试样进行检测，得到试样在不同紫外波长下所对应的紫外透射率数值，从而绘制不同厚度试样在紫外波段内的紫外透射率数值变化曲线；实时测量得到一个厚度值待测试样的紫外透射率y，将该值带入到预先得到的厚度与紫外透射率之间的拟合公式中，直接计算得到该试样的厚度值x；本发明低测量成本、操作方便，在本发明利用紫外线透射原理对塑料薄膜材料实现非接触式的厚度在线测量方法中实现了薄膜生产线上实时厚度测试，从而能及时调整工艺参数、保证产品质量要求，有效节约生产成本。

Description

一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法
技术领域
本发明涉及物理光学测量技术领域，具体的说涉及一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法。
背景技术
近年来，随着现代科研技术的持续更新与聚合物行业的迅猛发展，对塑料薄膜材料的研究与应用呈现疾速增长的态势。目前市场上常见的薄膜产品有耐高温聚酯薄膜(PET)、聚丙烯薄膜(BOPP)、聚乙烯薄膜(PE)，基于其耐酸碱性、电绝缘性、高透明性等优异特性，已惠及到食品包装、航空航天、医药化工、农业覆膜等领域。并且，根据我国国民经济的市场政策以及农村生产结构的调整转化，塑料薄膜作为高分子产业最重要的下游产品，将面临越来越迫切的产量需求。
塑料薄膜是一种利用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等树脂材料制成的、厚度介于单原子到几毫米间(部分光学超薄膜的厚度尺寸在纳米级别)的聚合物材料。从生产工艺来看，塑料薄膜是采用纤维级高聚物及母料切片，通过压延、吹塑、流延、共挤及拉伸等方式加工成型的。厚度要素是评价薄膜性能的关键指标，为保证薄膜的功能性需求，塑料薄膜产品应在毫米级刻度下满足整体厚度分布均匀、界面平整偏差小的基本生产标准。因此，在产品生产过程中实现对其厚度的在线测量与控制对塑料薄膜材料的大批量生产至关重要。
依据我国国家标准《GB6672-2001塑料薄膜和薄片厚度的测定机械测量法》中的规定，目前针对塑料薄膜材料的厚度测量主要采用的是接触式机械测量法，即在测量厚度时先在待测薄膜表面上施加一个标准压力，以避免薄膜表面平整度与曲度对测量结果产生影响，进而对薄膜上下表面分别测量其厚度值。该方法具有准确度高、稳定性好的优点，但受制于机械测厚仪的元器件精度，极轻微的振动都会对测试结果产生极大的外界作用，对测试环境的要求较苛刻，且接触式的测量方法或许会对产品造成一定程度的接触污染与外力损坏。为改进接触式测厚方法还出现了利用超声波、电涡流效应、磁敏特性等技术原理的非接触式测厚方法，主要应用在表面软脆易出现划痕的超薄膜厚度测量中。上述的主流薄膜测厚方法大多属于静态的厚度测量，考虑到设备维护与测量精度等问题，无法将其应用于薄膜生产线上的动态厚度测量。因此，为实现薄膜生产过程中对厚度信息的自动分析和实时控制，进一步提高产品质量和生产效率，对薄膜厚度非接触式在线测量技术的研究十分必要。
现有的薄膜厚度在线测试方法主要有X射线法、电容法以及红外线法三种基本类型。其中，X射线测厚技术成熟，然而由于其电磁放射性强、仪器维护费用高、对非晶态聚合物材料的衍射图像不清晰等不足之处，使得在塑料薄膜材料的厚度测试中一般不考虑该方法；电容测厚法根据电容传感器的电容与极板间的介电常数会随介质厚度变化的原理，当薄膜材料处于电容极板之间时实现薄膜厚度的测量，该方法虽操作简单、适宜动态在线测试，但分布式电容易引起非线性输出从而对测量精度造成影响，并且对测试导轨的平行度要求极高，这为厚度测试增添了难度；红外线测厚法利用了塑料薄膜材料对红外线特征吸收波长的差异性，通过监测红外线光线强度变化而得到薄膜的厚度信息，红外线法无辐射且成本低，但红外线热效应导致的薄膜温度、雾度变化将直接影响到厚度测量结果。
紫外线是指波段范围在10～400nm内的电磁波，频率介于可见光与X射线之间，其携带的光子能量大于可见光，但具有的辐射效应远低于X射线。在紫外线对物质的透射传播过程，其高频波段的光子易被电子吸收变成激发态，难以发生光学衍射现象，低频波段的紫外线由于能量相对较低而具有更强的物质穿透性。
因此，将紫外线的透射特性与光学测厚的应用相结合，提供一种紫外线透射式针对塑料薄膜厚度在线测量方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低测量成本、操作方便的，利用紫外线透射原理对塑料薄膜材料实现非接触式的厚度在线测量方法，实现薄膜生产线上实时厚度测试，从而能及时调整工艺参数、保证产品质量要求，有效节约生产成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，包括以下步骤：
(1)在垂直于待测塑料薄膜试样表面的方向上，向塑料薄膜试样发射出连续稳定且具能穿透试样的紫外线，紫外线透过塑料薄膜试样发射至紫外线接收器上，得出紫外波段范围内塑料薄膜试样的紫外透射率的数据；
(2)预先对一批不同厚度的塑料薄膜试样依次进行步骤(1)的检测过程，得到每个试样在不同紫外波长下所对应的紫外透射率数值，从而能绘制不同厚度塑料薄膜试样在紫外波段内的紫外透射率数值变化曲线；
(3)实时测量得到一个厚度值待测薄膜试样的紫外透射率y，将该值带入到预先得到的厚度与紫外透射率之间的拟合公式(I)中，直接计算得到该试样的厚度值x；
y＝y0+A*exp(R0*x) (I)
其中，y0＝5.0000～7500.0000，A＝-7200.0000～80.0000，R0＝-65.0000～0.1500。
本发明中，所述的试样紫外透射率y与试样厚度值x相对应，厚度值x越大，则意味紫外线穿过试样介质层越厚，薄膜对紫外线的阻挡效果越好，即穿透试样的紫外光线强度越弱，进而试样紫外透射率y也就越小。通过预先确定试样紫外透射率y与试样厚度值x之间准确的对应关系，可以在塑料薄膜材料紫外透射率即时检测的基础上，进一步实现对塑料薄膜的在线厚度检测。
光线对物质的穿透性，一方面体现在物质的实际透光性，一方面体现为光线自身的绕射能力，即能够绕过物体传播的衍射能力。根据固体物理理论研究，固体物质内受到极强的分子作用力，使得分子与分子之间被紧紧吸引在一起，但固体物质中分子间存在着一定的分子间隔，内部分子并非是密实排布的，其间距通常为0.1纳米量级。光子是一种具有波粒二象性的微观粒子，其波长分布极为广泛，能传递电磁辐射相互作用。当光线波长远小于物体分子间隙时，光子能直接穿过分子间的空隙，投射在分子原子上的概率极低；而当光线波长远大于分子缝隙时，则主要以衍射的方式穿过物体。
本发明结合对紫外线的透射效应研究，将一批同种材质、仅厚度值不同的塑料薄膜材料作为试验对象，当紫外线垂直投射到物体表面上时，紫外线对试样的透射率在该厚度梯度中呈现出了一定的指数型变化规律，因此可以将紫外透射式方法应用于半晶态或非晶体的塑料薄膜厚度测量中。本发明主要是建立在上述光学理论与技术基础上的。
进一步，上述步骤(1)中紫外线波长为280～400nm。
更进一步，上述步骤(1)中测试在遮光条件下进行。
采用上述进一步的有益效果在于：在本发明上述检测过程中设置遮光环境形成半封闭式的测试环境，从而能减少环境光源对检测结果的影响，提高检测准确度。
进一步，上述步骤(3)中拟合公式(I)由以下步骤得到：
1)重复权利要求1中步骤(1)-(2)得到多组试样的紫外透射率与其厚度值数据；
2)得到各个紫外波长下塑料薄膜的紫外透射率随厚度的分布变化情况，并对其进行指数型拟合，得到塑料薄膜紫外透射率与其厚度的函数关系式；
3)在拟合塑料薄膜厚度与紫外透射率之间的标准化公式时，进行多组不同厚度梯度的平行试样，以不断校准特定波长下的函数方程；
4)即时测量待测样的紫外透射率，在拟合函数中带入该值即可直接计算得到该薄膜材料的厚度。
更进一步，上述步骤3)中紫外线梯度间隔为1-5nm。
采用上述进一步的有益效果在于：采用本发明上述技术方案，保证了在紫外线光学检测过程中提取出精准高效的紫外波长数据进行计算，保障了拟合函数的数据有效性，同时也进一步提高了光线检测的效率。
本发明的有益效果在于：本发明低测量成本、操作方便，在本发明利用紫外线透射原理对塑料薄膜材料实现非接触式的厚度在线测量方法中实现了薄膜生产线上实时厚度测试，从而能及时调整工艺参数、保证产品质量要求，有效节约生产成本。
附图说明
图1为紫外透射式塑料薄膜厚度在线检测示意图。
图2为10组标准厚度聚酯纤维(PET)薄膜材料对应的波长-透射率分布图。
图3为特定波长316nm下薄膜紫外透射率y与其厚度x的线性拟合示意图。
图4为特定波长316nm下薄膜紫外透射率y与其厚度x的指数型拟合示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，选取280～400nm为目标紫外波段，垂直于薄膜表面入射，提取紫外波长间隔为2nm。薄膜材料为PET(聚酯涤纶纤维)，其表观密度为1.38，拉伸强度大于等于80Mpa。
图2为厚度值分别为0.0125mm、0.025mm、0.05mm、0.075mm、0.1mm、0.125mm、0.15mm、0.175mm、0.2mm、0.25mm的PET薄膜材料所对应的波长-透射率分布图，图像中展示了在280～400nm紫外波段内试样的紫外透射率分布情况，即在中波紫外线段的薄膜透射率较低，几乎无法穿过薄膜，而随着紫外线波长递增至315nm波长处薄膜的紫外透射率大幅上升，可高达80％以上，其中315nm为中波紫外线UVB与长波紫外线UVA的波长分界点。
紫外透射式聚酯纤维薄膜材料的厚度在线测试的具体实施步骤如下：
(1)在280～400nm的紫外波段内、以2nm为波长间隔的整个波长采集过程中，在垂直于待测塑料薄膜试样表面的方向上，向塑料薄膜试样发射出连续稳定且具能穿透试样的紫外线，紫外线透过塑料薄膜试样发射至紫外线接收器上，得出紫外波段范围内塑料薄膜试样的紫外透射率的数据；
(2)对一批不同厚度的塑料薄膜试样依次进行步骤(1)的检测过程，得到每个试样在不同紫外波长下所对应的紫外透射率数值，从而能绘制不同厚度塑料薄膜试样在紫外波段内的紫外透射率数值变化曲线；得到的紫外透射率信息中，绘制紫外波段上薄膜试样的紫外透射率变化图像，如图2所示，得到10组PET薄膜材料的紫外透射率在280～400nm紫外波段中变化图谱，通过图像可以直观地对中波紫外线UVB和长波紫外线UVA的物质穿透能力进行分析。
(3)对待测薄膜试样测量即时的紫外透射率信息，将其紫外透射率Y＝30.31％代入预先得到的紫外波长为316nm情况下的指数型拟合公式中：
y＝2.68471+81.32796*e-20.17437x；
得到该薄膜材料的厚度值X为0.0535mm。
步骤(3)中拟合公式的具体求法如下：
1)按以上步骤1)、步骤2)得到PET薄膜制品在不同厚度参数下波长-紫外透射率数据，共进行10组标准厚度试样的测试；
2)处理数据信息，得到特定紫外波长下的薄膜试样紫外透射率随厚度变化的情况，此处选取的紫外波长为316nm。得到多组实验数据：x1＝0.0125mm，x2＝0.025mm，x3＝0.05mm，x4＝0.075mm，x5＝0.1mm，x6＝0.125mm，x7＝0.15mm，x8＝0.175mm，x9＝0.2mm，x10＝0.25mm。
对应的紫外透射率为：y1＝63.72349％，y2＝55.94002％，y3＝30.30913％,y4＝20.01134％，y5＝13.98470％，y6＝8.90370％，y7＝6.69240％，y8＝4.88679％，y9＝4.87480％，y10＝3.04248％。
3)根据这10组实验数据，利用计算机数据拟合的方法，得到函数方程，如图3和图4所示。
图3为采用线性拟合得到的函数方程图像，函数方程为：
y＝49.48916-243.03036*x
图4为采用指数型拟合得到的函数方程图像，函数方程为：
y＝2.68471+81.32796*e-20.17437x
判断两条曲线拟合好坏的程度：
直观判断：从图3和图4可以直接看出图4的指数型拟合度更高，图3的拟合线与实测数据偏差过大。
理论判断：一方面，线性拟合公式的相关系数为0.74263，而指数型拟合公式的相关系数为0.99377，指数型拟合函数的函数相关度更好；另一方面，对于一块实测紫外透射率为30.31％的PET薄膜厚度测试值为0.0518mm，而通过线性拟合函数计算得到的结果是0.0748mm，绝对误差为0.23mm，相对误差为44.40％；而指数型拟合函数计算得到的结果为0.0535mm，绝对误差为0.0017mm，相对误差为3.28％；指数型拟合的精确程度远远高于线性拟合，因此最终采用指数型拟合公式。
对于一组标准厚度梯度的测试样品采用上述方法进行测试，将上述方法拟合得到的测试值与其实际值进行对比分析，数据如表1所示。在0.0125～0.25mm厚度区间内，头尾两端的误差偏大，但相对误差基本在15％以内，中间段的数值较稳定。
表1
Figure BDA0002688075420000081
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在垂直于待测塑料薄膜试样表面的方向上，向塑料薄膜试样发射出连续稳定且具能穿透试样的紫外线，紫外线透过塑料薄膜试样发射至紫外线接收器上，得出紫外波段范围内塑料薄膜试样的紫外透射率的数据；
(2)预先对一批不同厚度的塑料薄膜试样依次进行步骤(1)的检测过程，得到每个试样在不同紫外波长下所对应的紫外透射率数值，从而能绘制不同厚度塑料薄膜试样在紫外波段内的紫外透射率数值变化曲线；
(3)实时测量得到一个厚度值待测薄膜试样的紫外透射率y，将该值带入到预先得到的厚度与紫外透射率之间的拟合公式(I)中，直接计算得到该试样的厚度值x；
y＝y0+A*exp(R0*x) (I)
其中，y0＝5.0000～7500.0000，A＝-7200.0000～80.0000，R0＝-65.0000～0.1500。
2.根据权利要求1所述一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，其特征在于，步骤(1)中所述紫外线波长为280～400nm。
3.根据权利要求1所述一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，其特征在于，步骤(1)中所述测试在遮光条件下进行。
4.根据权利要求1所述一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，其特征在于，步骤(3)中所述拟合公式(I)由以下步骤得到：
1)重复权利要求1中步骤(1)-(2)得到多组试样的紫外透射率与其厚度值数据；
2)得到各个紫外波长下塑料薄膜的紫外透射率随厚度的分布变化情况，并对其进行指数型拟合，得到塑料薄膜紫外透射率与其厚度的函数关系式；
3)在拟合塑料薄膜厚度与紫外透射率之间的标准化公式时，进行多组不同厚度梯度的平行试样，以不断校准特定波长下的函数方程；
4)即时测量待测样的紫外透射率，在拟合函数中带入该值即可直接计算得到该薄膜材料的厚度。
5.根据权利要求4所述一种紫外线透射式的塑料薄膜厚度在线测量方法，其特征在于，步骤3)中所述紫外线梯度间隔为1-5nm。
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