紅外掃描測溫儀測量塑料聚合物熔體流延溫度分布

隨著對擠出塑料薄膜和片材塑料等塑料產(chǎn)品越來越多的市場需求，盡管生產(chǎn)所需的樹脂和勞動力的成本越來越高，但用戶對產(chǎn)品的性能和質量的一致性也提出了更高的要求。為了保持競爭的優(yōu)勢，許多塑料薄膜、塑料片材以及擠出涂布/復合加工產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商必須避免其產(chǎn)品出現(xiàn)任何瑕疵和不一致性，定型生產(chǎn)的產(chǎn)品要說明質量的一致性指標或所能達到的規(guī)格標準，甚至還要說明如控制的加工溫度等所有的操作參數(shù)。

擠壓機的主要作用是從模頭按設定的恒定溫度擠出均勻一致的熔融塑料。為了控制溫度，擠壓機通常要安裝熱電偶（一般與其它的變頻器在一起）來管理和控制塑料薄膜在擠出加工過程中的質量和最佳的經(jīng)濟運行模式。生產(chǎn)設備要形成閉環(huán)控制來控制合適的溫度，但是用熱電偶測溫有局限性，這些局限性影響了對聚合物熔體溫度的精確動態(tài)測量。本文就來探討這些局限性，分析熔融流體流動的變化特征、聚合物的物理特性和熱電偶本身的結構特點對溫度測量產(chǎn)生的綜合影響，并分析和討論用紅外掃描測溫儀測量聚合物熔體流延溫度的優(yōu)點。

流體流動的變化特征

從擠壓機中擠出流入到液流通道中的熔融聚合物是一種高黏性流體，熔體的流速在液流通道的中心部分速度最快而在液流通道的邊緣位置流動速度接近為零。 從理論上講，與流動的黏性流體接觸的界面層在流體的接觸表面附近是不流動的，因此，插入到熔融流體中直接與塑料接觸的熱電偶的表面附近流體是不流動的（或者是非常緩慢地流動）。

除了要考慮擠壓機料桶的加熱器提供熱量外，剪邊機在切邊時對聚合物熔體產(chǎn)生的熱的影響也要考慮，不管怎樣，這部分能量對擠壓機熔體產(chǎn)生了額外的溫度而且是不均勻的。熔融流體的溫度分布與黏性分布有一定的對應關系，塑料的溫度越高（黏性低）則越靠近液流通道的中心部分則熔流越容易流動，反之，塑料的溫度越低（黏性高）則越接近流動通道的外壁則熔流越不容易流動，結果沿著塑料流動的區(qū)域有一個流速分布，中心部分流速最高，越向外壁流速越低。這樣就導致即使熔體的溫度是恒定的，但是根據(jù)已有的流速分布圖也可斷定熔流的溫度分布是不均勻的，圖1是全面描述溫度分布狀態(tài)(中心位置溫度高，越向邊緣位置溫度越低)的熱像圖，這是一條薄膜擠出LDPE熔體流延的實時溫度分布熱像圖。

聚合物導熱性的影響

聚合物的導熱系數(shù)相對較低（比金屬的導熱系數(shù)要低50~100倍）。聚合物的低導熱性影響了熱電偶對溫度變化的響應速度，聚合物的低導熱性和切邊機高速運行的共同影響會導致嚴重的局部過熱，切邊機高速運行對應的區(qū)域，機械能量快速轉換成熱能，但是由于聚合物的低熱導性的影響，熱量緩慢傳遞到聚合物熔體的周圍、擠壓機內壁最后傳遞到熱電偶。

熱電偶的影響

熱電偶本身和其外殼的質量大小、熱電偶外殼的熱傳導性和熱電偶與外殼之間內部接點的熱阻都限制了熱電偶的響應時間，由于熱電偶的這些局限性，熱電偶顯示的測量值在很大程度上與實際變化的準確數(shù)值不一致。實際上熱電偶測量到的熔體溫度值是一個平均溫度值，這個數(shù)值與熱電偶接觸的所有物質包括聚合物熔體、熱電偶外殼和擠壓機桶壁以及安裝支架有關。

由于介質邊界層的存在和熱偶接觸的聚合物的低熱導性以及熱電偶的熱容量等因素的影響，用非接觸紅外測量方法得到的讀數(shù)和熱電偶方法測量的讀數(shù)是不同的，熱電偶和紅外測溫儀測量結果最大可相差20℃。例如，一家企業(yè)測量一條PET生產(chǎn)線的熔體流延的溫度，用紅外掃描測溫儀測量的溫度是304～307℃，起初，生產(chǎn)線管理人員認為溫度偏高，得到的讀數(shù)是錯誤的，然而，隨后用其它的紅外測溫儀測量證明紅外掃描測溫儀的結果是正確的，相反，熱電偶所指示的溫度一直偏低，一般在280～285℃之間。

擠出涂布應用舉例

現(xiàn)在已經(jīng)有許多擠出涂布加工的生產(chǎn)線安裝了紅外掃描儀，用紅外掃描測溫儀連續(xù)監(jiān)測熔體流延的溫度變化情況。如果測量厚度是1毫米以下的塑料熔體流延的溫度，要選擇光譜響應波長為3.43mm的紅外掃描測溫儀，其它響應波長的掃描測溫儀不能用來測量熔體流延的溫度，但是這些掃描測溫儀可以通過聚合物反映背景的溫度。

掃描測量的溫度線位于模唇下部和軋輥夾的上部之間，掃描測溫儀沿熔體流延的寬度方向每秒掃描48條線，每條線有256個溫度測量點。瞄準激光用來指示測量溫度點在熔體流延上的準確位置。開發(fā)的專用軟件可支持多個掃描測溫頭，用在生產(chǎn)線上最多可同時監(jiān)測4臺擠壓機。

一般應用

目前，專為塑料薄膜擠出加工設計的紅外掃描測溫系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于一些塑料薄膜加工企業(yè)，除了測量溫度外，在各種擠出涂布加工、混合擠壓成型和復合工藝中，這些系統(tǒng)還探測、測量以及實時對加工過程中出現(xiàn)的故障進行分類。

用紅外掃描測溫儀測量熔體流延的溫度來控制熔融的溫度，可以確保薄膜與基材的黏合強度。眾所周知，目前多用表面涂層或多層復合材料做飲料的軟包裝，如果在生產(chǎn)這些材料時擠出薄膜的溫度偏高就會使包裝有異味，使飲料失去原有的品質，用紅外掃描測溫儀可以控制熔體流延的溫度，并將溫度控制在能避免出現(xiàn)類似缺陷的范圍內。

對塑化混煉的考慮

業(yè)內專業(yè)人士已經(jīng)用紅外掃描測溫儀來評估塑料加工的多種操作特征，包括塑化混煉的效率，熔體所受壓強和螺桿轉速的影響以及這些因素對熔體流溫度分布的影響。特別是描述測量溫度分布的重要性和用靜止混合器產(chǎn)生更均勻的溫度分布以消除質量問題，我們注意到如果是涂覆加工過程則在 “邊界線處，熔體黏著力的包絡將隨著溫度的包絡分布而變化”。

圖5顯示的是一條LDPE熔體流延的熱像圖，但是通過與圖2對比可以觀察到，在圖5中有周期性的溫度波動，溫度的波動沿整個加工面均勻地出現(xiàn)，從中間開始擴展到邊緣僅有幾秒鐘的時間，生產(chǎn)工程師注意到擠壓機螺桿當前電流負載提示有周期性的毛刺，可是對螺桿的可靠性能測定以及熔體的溫度和熔體壓強的顯示參數(shù)都是恒定的。

由于相對熱電偶的響應速度來講，所以用熱電偶無法探測到這種變化，但是如果用紅外掃描測溫儀能很容易地測量到這種變化，進一步地調查結果發(fā)現(xiàn)原來是用來過濾聚合物熔流的篩網(wǎng)上的一個部位發(fā)生了阻塞，被污染的篩網(wǎng)對擠壓機產(chǎn)生了額外的負壓強，這個負壓強能通過螺桿的作用改變混煉和熔化的過程，并由此能觀察到溫度和負載電流的波動。設備上安裝的熱電偶不能追蹤到用紅外掃描測溫儀觀察到的這種短時間溫度的波動，更換了被阻塞的篩網(wǎng)部件后，得到了與 圖1所示相似的均勻一致的溫度分布熱像圖。

結論

紅外掃描測溫儀能夠精確測量溫度分布情況和短時間周期內溫度變化的軌跡，這是用熱電偶無法做到的。生產(chǎn)加工過程中需要在聚合物接觸到基材前及時測量熔體流延的溫度，提供有效的溫度測量和控制手段以改善擠出涂布加工的質量。尤其是在擠出薄膜的過程中，當通過擠壓機模頭的溫度和黏度在寬度方向發(fā)生變化時會導致薄膜邊緣“波邊”、破邊或撕邊。

紅外掃描測溫儀配備專用軟件組成一套功能完備的測溫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能自動探測薄膜加工過程中出現(xiàn)的異常情況，并為保證產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性和提高工作效率及時提供正確的故障判斷。