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紅外掃描測溫儀的詳細(xì)介紹
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(zhì)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(fù)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(zhì)量的一致性指標(biāo)或所能達(dá)到的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)的主要作用是從模頭按設(shè)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(jī)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(zhì)量和*的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。生產(chǎn)設(shè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)。
流體流動的變化特征
從擠壓機(jī)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zui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(jī)料桶的加熱器提供熱量外，剪邊機(jī)在切邊時(shí)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(jī)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(yīng)關(guān)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(jié)果沿著塑料流動的區(qū)域有一個(gè)流速分布，中心部分流速zui高，越向外壁流速越低。這樣就導(dǎo)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(shí)時(shí)溫度分布熱像圖。
聚合物導(dǎo)熱性的影響
聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低（比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)要低50~100倍）。聚合物的低導(dǎo)熱性影響了熱電偶對溫度變化的響應(yīng)速度，聚合物的低導(dǎo)熱性和切邊機(jī)高速運(yùn)行的共同影響會導(dǎo)致嚴(yán)重的局部過熱，切邊機(jī)高速運(yùn)行對應(yīng)的區(qū)域，機(jī)械能量快速轉(zhuǎn)換成熱能，但是由于聚合物的低熱導(dǎo)性的影響，熱量緩慢傳遞到聚合物熔體的周圍、擠壓機(jī)內(nèi)壁zui后傳遞到熱電偶。
熱電偶的影響
熱電偶本身和其外殼的質(zhì)量大小、熱電偶外殼的熱傳導(dǎo)性和熱電偶與外殼之間內(nèi)部接點(diǎn)的熱阻都限制了熱電偶的響應(yīng)時(shí)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(shí)際變化的準(zhǔn)確數(shù)值不一致。實(shí)際上熱電偶測量到的熔體溫度值是一個(gè)平均溫度值，這個(gè)數(shù)值與熱電偶接觸的所有物質(zhì)包括聚合物熔體、熱電偶外殼和擠壓機(jī)桶壁以及安裝支架有關(guān)。
由于介質(zhì)邊界層的存在和熱偶接觸的聚合物的低熱導(dǎo)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(jié)果zui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(rèn)為溫度偏高，得到的讀數(shù)是錯(cuò)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(jié)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(yīng)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(yīng)波長為3.43mm的紅外掃描測溫儀，其它響應(yīng)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(gè)溫度測量點(diǎn)。瞄準(zhǔn)激光用來指示測量溫度點(diǎn)在熔體流延上的準(zhǔn)確位置。開發(fā)的軟件可支持多個(gè)掃描測溫頭，用在生產(chǎn)線上zui多可同時(shí)監(jiān)測4臺擠壓機(jī)。
一般應(yīng)用
目前，專為塑料薄膜擠出加工設(shè)計(jì)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(fù)合工藝中，這些系統(tǒng)還探測、測量以及實(shí)時(shí)對加工過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)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(qiáng)度。*，目前多用表面涂層或多層復(fù)合材料做飲料的軟包裝，如果在生產(chǎn)這些材料時(shí)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(zhì)，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(nèi)。
對塑化混煉的考慮
業(yè)內(nèi)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(qiáng)和螺桿轉(zhuǎn)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(zhì)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(luò)將隨著溫度的包絡(luò)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(gè)加工面均勻地出現(xiàn)，從中間開始擴(kuò)展到邊緣僅有幾秒鐘的時(shí)間，生產(chǎn)工程師注意到擠壓機(jī)螺桿當(dāng)前電流負(fù)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(qiáng)的顯示參數(shù)都是恒定的。
由于相對熱電偶的響應(yīng)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(jìn)一步地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)原來是用來過濾聚合物熔流?