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薄膜厚度的各種在線和非在線測量方法

2010-08-25

薄膜厚度的各種在線和非在線測量方法

薄膜厚度是否均勻一致是檢測薄膜各項性能的基礎。很顯然，倘若一批單層薄膜厚度不均勻，不但會影響到薄膜各處的拉伸強度、阻隔性等，更會影響薄膜的后續加工。對于復合薄膜，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，是否與預設值一致，厚度偏差是否在指定的范圍內，這些都成為薄膜是否能夠具有某些特性指標的前提。薄膜厚度測量是薄膜制造業的基礎檢測項目之一。

1. 各種在線和非在線測厚技術發展快速

包裝材料厚度的測試早用于薄膜厚度測量的是非在線測厚技術。之后，隨著射線技術的不斷發展逐漸研制出與薄膜生產線安裝在一起的在線測厚設備。上個世紀60年代在線測厚技術就已經有了廣泛的應用，現在更能夠檢測薄膜某一涂層的厚度。同時，非在線測厚技術也有了長足的發展，各種非在線測試技術紛紛興起。在線測厚技術與非在線測厚技術在測試原理上完全不同，在線測厚技術一般采用射線技術等非接觸式測量法，非在線測厚技術一般采用機械測量法或者基于電渦流技術或電磁感應原理的測量法，也有采用光學測厚技術、超聲波測厚技術的。

2. 在線測厚較為常見的在線測厚技術有β射線技術，X射線技術和近紅外技術。

2.1 β射線技術

β射線技術是先應用于在線測厚技術上的射線技術，在上世紀60年代就已經廣泛用于超薄薄膜的在線厚度測量了。它對于測量物沒有要求，但β傳感器對溫度和大氣壓的變化、以及薄膜上下波動敏感，設備對于輻射保護裝置要求很高，而且信號源更換費用昂貴，Pm147源可用5-6年，Kr85源可用10年，更換費用均在6000美元左右。

2.2 X射線技術

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

2.3 近紅外技術

近紅外技術在在線測厚領域的應用曾受到條紋干涉現象的影響，但現在近紅外技術已經突破了條紋干涉現象對于超薄薄膜厚度測量的限制，完全可以進行多層薄膜總厚度的測量，并且由于紅外技術自身的特點，還可以在測量復合薄膜總厚度的同時給出每一層材料的厚度。近紅外技術可用于雙向拉伸薄膜、流延膜和多層共擠薄膜，信號源無放射性，設備維護難度相對較低。

2.4 在線測厚設備的應用情況

在線測厚能夠以快的速度獲取厚度測試數據，通過數據分析，及時調整生產線的參數，縮短開車時間。但是在線測厚設備必須配備與生產線相匹配的掃描架，這在一定程度上限制了在線測厚設備的重復利用。而且由于薄膜生產線往往需要長期連續工作，因此相應的在線測厚設備也就必須長期連續工作。在設備的價格上，在線測試設備一般要比非在線測試設備貴很多，而且前者的運行費用與維護費用也比較高。

3. 非在線測厚

非在線測厚技術主要有—接觸式測量法和非接觸式測量法兩類，接觸式測量法主要是機械測量法，非接觸式測量法包括光學測量法、電渦流測量法、超聲波測量法等。由于非在線測厚設備價格便宜、體積小等原因，應用領域廣闊。

3.1 渦流測厚儀和磁性測厚儀

渦流測厚儀和磁性測厚儀一般都是小型便攜式設備，分別利用了電渦流原理和電磁感應原理。專用于各種特定涂層厚度的測量，用于測量薄膜、紙張的厚度時有出現誤差的可能。

3.2 超聲波測厚儀

超聲波測厚儀也多是小型便攜式設備，利用超聲波反射原理，可測金屬、塑料、陶瓷、玻璃以及其它任何超聲波良導體的厚度。可在高溫下工作，這是很多其它類型的測厚儀所不具備的，但對檢測試樣的種類具有選擇性。

3.3 光學測厚儀

從測試原理上來說光學測厚儀可達到極高的測試精度，但是這類測厚儀在使用及維護上要求極高：必須遠離振源；嚴格防塵；專業操作及維護等。使用范圍較窄，僅適用于復合層數較少的復合膜。

3.4 機械測厚儀

機械測厚儀可以分為點接觸式和面接觸式兩類，是一種接觸式測厚方法，它與非接觸式測厚方法有著本質的區別——能夠在進行厚度測量前給試樣測量表面施加一定的壓力（點接觸力或面接觸力），這樣可以避免在使用非接觸式測厚儀測量那些具有一定壓縮性、表面高低不平的材料時可能出現數據波動較大的現象。機械測厚儀采用傳統的測厚方法，數據穩定可靠，對試樣沒有選擇性。由于機械測厚儀的測試精度主要取決于測厚元件的精度，所以市場上的機械測厚儀的測試精度參差不齊。此外，機械測厚儀的核心元件——測量頭及測量面——對于微小的振動都十分敏感，所以在有振源的環境中測量精度沒有任何意義。為了避免自身的振動，并盡可能地減少外界振動的影響，設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厚精度，卻也給機械測厚儀的小型化和輕便化帶來了很大的困難。環境溫度和風速同樣可以影響傳感器的精度，因此必須在實驗室環境內使用。國際上制定了很多關于機械式測厚設備的標準（這在包裝材料測厚領域內是比較罕見的，其它類型的測厚設備少有標準的支持），ISO 534：1988，ISO 4593：1993，ASTM D 645-97，GB/T6672-2001等。

需要指出的是，常見的機械測厚儀有點接觸式測厚儀和面接觸式測厚儀兩類，由于測量頭與試樣的接觸面積不同，測量頭的施力不同，施力速度不同，相同的試樣（這里假設厚度均勻一致）使用這兩類測厚儀很可能得到不同的測試結果，這主要是由于可壓縮試樣在不同的情況下產生的形變率往往不相同。因此，在選擇機械測厚儀測試時必須嚴格執行所參照標準的測試條件和測試要求。

3.5 非在線測厚設備的應用情況

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

4. 諸多因素影響厚度測試結果

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，能產生很大的形變；外力去除后能迅速恢復原狀，彈性模數小，約為105～106N/m2。相反，纖維的彈性模數較大，約為109～1010N/m2，受力時形變較小。塑料的彈性模數約為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。通常紙張性質松軟，有一定的壓縮性，存在表面高低不平的情況。可見，聚合物和紙制品受力后都會產生形變，處于一種被壓縮的狀態，所以軟包裝材料一般都有一定的形變率，因此，在進行試樣厚度測量時是否存在對試樣測量面施加的壓力將直接影響測試結果。

5. 總結

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