红外扫描测温仪测量塑料聚合物熔体流延温度分布

随着对挤出塑料薄膜和片材塑料等塑料产品越来越多的市场需求，尽管生产所需的树脂和劳动力的成本越来越高，但用户对产品的性能和质量的一致性也提出了更高的要求。为了保持竞争的优势，许多塑料薄膜、塑料片材以及挤出涂布/复合加工产品的生产厂商必须避免其产品出现任何瑕疵和不一致性，定型生产的产品要说明质量的一致性指标或所能达到的规格标准，甚至还要说明如控制的加工温度等所有的操作参数。

挤压机的主要作用是从模头按设定的恒定温度挤出均匀一致的熔融塑料。为了控制温度，挤压机通常要安装热电偶（一般与其它的变频器在一起）来管理和控制塑料薄膜在挤出加工过程中的质量和最佳的经济运行模式。生产设备要形成闭环控制来控制合适的温度，但是用热电偶测温有局限性，这些局限性影响了对聚合物熔体温度的精确动态测量。本文就来探讨这些局限性，分析熔融流体流动的变化特征、聚合物的物理特性和热电偶本身的结构特点对温度测量产生的综合影响，并分析和讨论用红外扫描测温仪测量聚合物熔体流延温度的优点。

流体流动的变化特征

从挤压机中挤出流入到液流通道中的熔融聚合物是一种高黏性流体，熔体的流速在液流通道的中心部分速度最快而在液流通道的边缘位置流动速度接近为零。 从理论上讲，与流动的黏性流体接触的界面层在流体的接触表面附近是不流动的，因此，插入到熔融流体中直接与塑料接触的热电偶的表面附近流体是不流动的（或者是非常缓慢地流动）。

除了要考虑挤压机料桶的加热器提供热量外，剪边机在切边时对聚合物熔体产生的热的影响也要考虑，不管怎样，这部分能量对挤压机熔体产生了额外的温度而且是不均匀的。熔融流体的温度分布与黏性分布有一定的对应关系，塑料的温度越高（黏性低）则越靠近液流通道的中心部分则熔流越容易流动，反之，塑料的温度越低（黏性高）则越接近流动通道的外壁则熔流越不容易流动，结果沿着塑料流动的区域有一个流速分布，中心部分流速最高，越向外壁流速越低。这样就导致即使熔体的温度是恒定的，但是根据已有的流速分布图也可断定熔流的温度分布是不均匀的，图1是全面描述温度分布状态(中心位置温度高，越向边缘位置温度越低)的热像图，这是一条薄膜挤出LDPE熔体流延的实时温度分布热像图。

聚合物导热性的影响

聚合物的导热系数相对较低（比金属的导热系数要低50~100倍）。聚合物的低导热性影响了热电偶对温度变化的响应速度，聚合物的低导热性和切边机高速运行的共同影响会导致严重的局部过热，切边机高速运行对应的区域，机械能量快速转换成热能，但是由于聚合物的低热导性的影响，热量缓慢传递到聚合物熔体的周围、挤压机内壁最后传递到热电偶。

热电偶的影响

热电偶本身和其外壳的质量大小、热电偶外壳的热传导性和热电偶与外壳之间内部接点的热阻都限制了热电偶的响应时间，由于热电偶的这些局限性，热电偶显示的测量值在很大程度上与实际变化的准确数值不一致。实际上热电偶测量到的熔体温度值是一个平均温度值，这个数值与热电偶接触的所有物质包括聚合物熔体、热电偶外壳和挤压机桶壁以及安装支架有关。

由于介质边界层的存在和热偶接触的聚合物的低热导性以及热电偶的热容量等因素的影响，用非接触红外测量方法得到的读数和热电偶方法测量的读数是不同的，热电偶和红外测温仪测量结果最大可相差20℃。例如，一家企业测量一条PET生产线的熔体流延的温度，用红外扫描测温仪测量的温度是304～307℃，起初，生产线管理人员认为温度偏高，得到的读数是错误的，然而，随后用其它的红外测温仪测量证明红外扫描测温仪的结果是正确的，相反，热电偶所指示的温度一直偏低，一般在280～285℃之间。

挤出涂布应用举例

现在已经有许多挤出涂布加工的生产线安装了红外扫描仪，用红外扫描测温仪连续监测熔体流延的温度变化情况。如果测量厚度是1毫米以下的塑料熔体流延的温度，要选择光谱响应波长为3.43mm的红外扫描测温仪，其它响应波长的扫描测温仪不能用来测量熔体流延的温度，但是这些扫描测温仪可以通过聚合物反映背景的温度。

扫描测量的温度线位于模唇下部和轧辊夹的上部之间，扫描测温仪沿熔体流延的宽度方向每秒扫描48条线，每条线有256个温度测量点。瞄准激光用来指示测量温度点在熔体流延上的准确位置。开发的专用软件可支持多个扫描测温头，用在生产线上最多可同时监测4台挤压机。

一般应用

目前，专为塑料薄膜挤出加工设计的红外扫描测温系统已经广泛用于一些塑料薄膜加工企业，除了测量温度外，在各种挤出涂布加工、混合挤压成型和复合工艺中，这些系统还探测、测量以及实时对加工过程中出现的故障进行分类。

用红外扫描测温仪测量熔体流延的温度来控制熔融的温度，可以确保薄膜与基材的黏合强度。众所周知，目前多用表面涂层或多层复合材料做饮料的软包装，如果在生产这些材料时挤出薄膜的温度偏高就会使包装有异味，使饮料失去原有的品质，用红外扫描测温仪可以控制熔体流延的温度，并将温度控制在能避免出现类似缺陷的范围内。

对塑化混炼的考虑

业内专业人士已经用红外扫描测温仪来评估塑料加工的多种操作特征，包括塑化混炼的效率，熔体所受压强和螺杆转速的影响以及这些因素对熔体流温度分布的影响。特别是描述测量温度分布的重要性和用静止混合器产生更均匀的温度分布以消除质量问题，我们注意到如果是涂覆加工过程则在 “边界线处，熔体黏着力的包络将随着温度的包络分布而变化”。

图5显示的是一条LDPE熔体流延的热像图，但是通过与图2对比可以观察到，在图5中有周期性的温度波动，温度的波动沿整个加工面均匀地出现，从中间开始扩展到边缘仅有几秒钟的时间，生产工程师注意到挤压机螺杆当前电流负载提示有周期性的毛刺，可是对螺杆的可靠性能测定以及熔体的温度和熔体压强的显示参数都是恒定的。

由于相对热电偶的响应速度来讲，所以用热电偶无法探测到这种变化，但是如果用红外扫描测温仪能很容易地测量到这种变化，进一步地调查结果发现原来是用来过滤聚合物熔流的筛网上的一个部位发生了阻塞，被污染的筛网对挤压机产生了额外的负压强，这个负压强能通过螺杆的作用改变混炼和熔化的过程，并由此能观察到温度和负载电流的波动。设备上安装的热电偶不能追踪到用红外扫描测温仪观察到的这种短时间温度的波动，更换了被阻塞的筛网部件后，得到了与 图1所示相似的均匀一致的温度分布热像图。

结论

红外扫描测温仪能够精确测量温度分布情况和短时间周期内温度变化的轨迹，这是用热电偶无法做到的。生产加工过程中需要在聚合物接触到基材前及时测量熔体流延的温度，提供有效的温度测量和控制手段以改善挤出涂布加工的质量。尤其是在挤出薄膜的过程中，当通过挤压机模头的温度和黏度在宽度方向发生变化时会导致薄膜边缘“波边”、破边或撕边。

红外扫描测温仪配备专用软件组成一套功能完备的测温系统，这种系统能自动探测薄膜加工过程中出现的异常情况，并为保证产品质量的稳定性和提高工作效率及时提供正确的故障判断。