導 語

 

       薄膜的厚度無疑是個至關重要的質量指標，究其涵義主要包括兩個方面，一是薄膜的平均厚度偏差，反映的是薄膜寬度方向的厚度平均值與公稱厚度之間的差值大小。另一個是厚度極限偏差，反應的是薄膜寬度方向厚度差異的大小，是衡量薄膜厚度均勻性的一個的指標。站在技術的角度來看，后者比前者更為重要，在產品的后續加工中影響更大，在生產控制中，影響因素較多，控制難度大。所以，本文主要闡述的對象是后者，即雙向拉伸薄膜厚度極限偏差的測量、評價和控制。

 

       薄膜的厚度在行業內倍受關注，也常常遇到一些困惑，就是當前的厚度到底好不好，這個問題將會直接影響下一步如何做。好，生產就可繼續，不好，當前生產現狀也就不能持續，就得采取必要的措施，甚至要停機處理，損失一定巨大的。但往往是對于當前厚度的狀況的好與壞的判斷，卻缺乏一個很可靠的依據，即便是做一些檢測，結果的可靠性也不高，通常只能大致地憑感覺來定，這就不容易做出正確的決斷，把控松了，會引起投訴；把控嚴了，則會造成不應有的損失。

 

       先來說說行業通常的做法。

 

       1、就厚度的測量而言，目前行業基本上都是依據國標 GB/T 6672-2001 來進行的，測量方法有很大的局限性，主要原因它是從薄膜寬度的一邊向另一邊，按規定的間距等間距取點進行厚度測量，可以得到平均值、最大值、最小值及對應的最大、最小厚度偏差，然后對照標準進行判定是否達標。這種方法之所以有很大的局限性，首先，在選取測量點時，就不一定能取到薄膜最厚和最薄的地方，其次，薄膜的厚度在生產中是處于不斷變化之中的，隨機的一次也取樣測試并不能準確反映薄膜的真實厚度情況，在重復測試時結果重復性也不好（同一件成品膜，前后兩次的測量結果差異很大）。根據這樣的測試結果對產品厚度質量情況進行判定，是很牽強的。

 

 

圖 1 薄膜在線厚度圖

 

       圖 1 是某產品厚度在線測量的圖像的一部分，其中 A 點和 B 點分別是生產線監控測厚儀某次掃描圖像中厚度的最高點和最低點。行業內按照 GB/T 6672-2001 的方法來測量厚度時，很難取到圖 1  中的 A（最低點）和 B（最高點）兩個點。

 

       2、成品厚度質量的判定由于薄膜厚度的測量存在上述的局限性，實際生產中，基本上也沒有人會根據這樣的厚度測量結果，來對出廠成品的厚度質量來進行等級評定的，而常采用的做法是用木棒來敲擊，根據聲音的差異來判定薄膜厚薄的均勻情況，或者用硬度計來測膜卷表面的硬度，而這兩種方法都有很大的主觀性，同樣缺乏可靠性。

 

       3、厚度的在線控制厚度的控制無非是控制得好或不好，只有厚度控制良好，生產才能持續，厚度不好，就會出現較多的降級品，甚至因降級太多而無法進行正常生產。因此，對厚度的好壞做出正確的判斷至關重要。如果有一種比較可靠的方法，能夠較準確地判定目前的厚度狀況是行還是不行，就具有非常重要的意義。

 

       正因為傳統的做法存在以上局限性，筆者試圖采用一種更為科學且易操作的方法來實現對雙向拉伸薄膜厚度較好的控制。本文較為系統地論述了雙向拉伸薄膜厚度的測量、質量評定和在線控制相互關系，是一套較為完整的思路，共分四個部分，可簡單概括為“三準一好”，即測得準、判得準、看得準、控得好。這四個部分之間是有著緊密的邏輯關系，順序上不可顛倒，按照“測得準、判得準、看得準、控得好”四個步驟形成一個完整的閉環控制，見圖 2。下面將逐一展開論述。

 

 

圖 2  “三準一好”關系示意圖

 

       一、測得準

 

       首先需要簡述一下雙向拉伸薄膜厚度的在線控制原理。

 

       雙向拉伸薄膜一般都采用T型模頭擠出法，見下圖 3

 

 

圖 3  T 型模頭擠出示意圖

 

       雙向拉伸薄膜厚度的控制可分為三個有機結合的部分，即 T 型模頭、厚度測量系統和厚度自動調節系統。薄膜寬度方向的厚度值大小，實質上是通過T型模頭的可伸縮螺栓來改變擠出狹縫的寬窄來實現的，T 型模頭上排列著一定數量、等間隔排列的可伸縮螺栓，用于調節擠出狹縫的寬窄，從而達到調整對應寬度范圍內薄膜的厚度值的高低（見圖 3）。每個螺栓在薄膜寬度上都有對應的映射范圍。位于生產線后端的厚度測量系統，沿整個寬度方向進行多點的往復厚度掃描，掃描的厚度值也相應的被劃分為數個區域，與模頭螺栓的映射范圍應一一對應，來實現厚度的自動控制。以三菱重工出品的 8.2 米雙向拉伸聚丙烯生產線為例，其 T 型模頭共有 39 個可伸縮厚度調節螺栓，控制著大約 8.2 米的有效膜寬，真正參與薄膜有效寬度部分的螺栓只有 35 個螺栓（其余部分在線時當做邊角料被切除），這 35 個螺栓，每個都有個自控制的寬度范圍，且以薄膜中心，等間隔對稱分布（3# 和 37# 螺栓由于 T 型模頭擠出后存在頸縮及切邊的原因，其控制寬度比中間螺栓要小一些）。當橫拉后薄膜的寬度一定時，控制間隔也是一定的（未拉伸邊的寬度也會對此值有一定影響，但一般影響較小，可以忽略）。

 

       假如制膜的寬度為 8.35 米，4# - 36# 對應薄膜寬度約為 247.4mm（如圖 4）。

 

 

圖 4  可伸縮調節螺栓在薄膜的厚度映射范圍示意圖

 

       所謂測得準，是指實驗室在進行厚度檢測時，結果準確，包括兩方面的涵義，一是實驗室用于檢測薄膜厚度的測厚儀，在對標準樣進行測量時，測量值準確，特別是測量值的穩定性、重復性好。二是位置準確，此時可采用點對點測量法（筆者在之前的文章《雙向拉伸薄膜的點對點測量法》中已有詳細的介紹，可從塑膜網微信公眾號中查看），其含義是指實驗室在進行薄膜厚度檢測時，寬度方向上所選的測量點能與厚度控制螺栓控制范圍的較為準確地一一對應，如此，就可以根據在線測厚儀顯示圖像來找出所檢測的產品上真正的厚度偏差最大和最小值，反過來也能較好地指導厚度的調整，采用這樣測量的結果來評價薄膜的厚度質量則更為可靠。如圖 5 就是薄膜在線生產時生產線監控測厚儀的厚度掃描結果與實驗室厚度測試結果的對照，厚度形態基本一致。

 

 

圖 5 同一產品實驗室與生產線厚度測量結果對照圖

 

       雙向拉伸薄膜厚度的點對點測量法具體的做法是：

 

       1、在試驗臺上標出薄膜中心點的位置（39 個螺栓的模頭中心位置是 B20），該中心也是膜的寬度中心。

 

       2、根據生產線橫拉出口的薄膜寬度計算出每個螺栓所控制的薄膜寬度（三菱 8.2 線 39 個模頭調節螺栓，制膜寬度為 8350mm 時，為每個螺栓的厚度控制寬度約為 247.4mm），按照此寬度間隔，標出其余厚度調節螺栓的位置。

 

       3、將生產線取來的測量厚度的樣品膜平鋪在實驗臺上，注意膜的方向與厚度調節螺栓的順序一致，樣品膜的中心點與 B20 中心完全重合。

 

       4、從換卷時拍攝的厚度圖像上找出如圖 1 中的 A、B 兩個極值點，找出這兩個點對應的螺栓位置（可以精確到 0.1 個螺栓單位）。

 

       此方法也可以移植到分切成品的厚度的檢測。具體做法就是，將實驗室的模頭調節螺栓位置標識張貼到分切機上，這樣就可以確定每件成品的寬度范圍對應哪些螺栓。在分切時，重點關注哪些厚度偏差較大且位置相對固定的點，這些點事先可以通過看對應的厚度圖來確定，這些點往往是造成厚度質量缺陷的主要因素。根據筆者的親身實踐，這些點，在分切后的成品上，都有共同的特征，用木棒敲擊時軟硬程度較明顯，位置與厚度圖像有非常高的吻合度。每件膜上都有一個相對比較硬和軟的點，分別對應的是最高和最低點，為了準確地知道這些點實際的厚度究竟如何，在敲擊時，就可以將這些點標記出來，再進行準確的厚度檢測，這樣測量的厚度結果相對比較可靠，可用于厚度等級的判定。

 

       關于薄膜厚度測量的工具，業內通常采用的是微米級的薄膜測厚儀，目前大部分用的是進口的產品，精度稍高一些，即便如此，仍然有較大的偏差，重復性不好，在重復測量時，相差 0.3 - 1.0um，假定公稱厚度 30um 的薄膜，對應的相對偏差為 1.0 - 3.3%。

 

       根據筆者的經驗，若利用分析天平測薄膜的克重，再根據材料的比重計算得到薄膜的厚度，偏差會小很多，主要原因是，分析天平的精度可以達到 0.1 - 0.3%，因此得到的厚度偏差范圍也是 0.1 - 0.3%，比測厚儀的精度高出很多。但通過稱重得到的厚度值是建立在材料的有一個固定的理論比重，厚度值也是一個理論值，若是材料比重不確定的情況下，實際厚度就無法確定，譬如消光膜、珠光膜、合成紙等，其比重往往是不確定的，就不能用此法來測量薄膜的真實厚度。如果僅僅是在評價厚度的均勻性時，此方法則不受材料比重的影響，用此法沒有問題。

 

       測量薄膜克重時，薄膜樣品的大小是不是一致，對測量結果有直接的影響，為了消除此影響，可以采用機械裁樣的方法，見圖 6 薄膜裁樣機，這樣切出來的樣品大小尺寸幾乎沒有差別。

 

 

圖 6  薄膜裁樣機

 

       二、判得準

 

       是指薄膜在成品出廠檢驗時厚度質量等級判定的準確性較好。

 

       薄膜厚度質量的判定，傳統的方法無外乎三種方法：厚度測量法、收卷硬度測量是和敲擊法，當中的每一種方法都有其局限性。

 

       從理論上，薄膜的厚度質量的好壞應取決于實際測量的結果是否符合相應的標準，但由于傳統的測量局限性，導致這一方法實際上無法真正實施。行業中往往都是采用后兩種方法，即敲擊法和收卷硬度測量法其，最大的優點是方便是、快捷，缺點是可靠性差，是一種定性的判定。

 

       實事求是地講對于薄膜厚度的測量和判定，確實沒有一種既科學又簡捷的方法。相對而言，筆者所論述的以下方法似乎更科學一些，僅供大家參考。

 

       在此，有必要先對雙向拉伸薄膜的厚度的規律性做一個大體闡述。雙向拉伸薄膜的厚度可以概括為這么三種情況：

 

       第一種情況：

 

       厚度均勻而穩定，這樣的薄膜取樣檢測時，厚度偏差小，成品在敲擊時聲音較一致。在線的掃描圖像（NDC 的 3D 厚度圖）顏色基本上呈現一種顏色（綠色），這種情形可形象地比喻為“晴天”，如圖 7 所示。

 

 

圖 7  “晴天”厚度形態

 

       第二種情況：

 

       厚度不穩定，膜的橫向和縱向都在發生較大的波動，厚度形態呈現一塊紅（厚度偏薄）、一塊黃（厚度偏厚）、一塊綠，這種形態可形象地稱之為“晴天間多云”，如圖 8 所示。

 

 

圖 8  “晴天間多云”厚度形態

 

       第三種情況：

 

       薄膜的縱向厚度較為穩定，但橫向上下起伏較大，如“一道道梁、一道道溝”形態，個別點的厚度偏差較大，且長時間地保持這種形態，可形象地稱之為“陰天”，對應的厚度偏差較大的位置被稱為“死點”，如圖 9。

 

 

圖 9  “陰天”厚度形態

 

       “晴天”的厚度形態，是很理想的一種厚度狀態，厚度最佳且穩定，此時相鄰兩點的厚度差基本上在 0.5um 之內，標準偏差較小，2δ 值小于 1.3%（在不同的生產線上，此值可能會有不同），敲擊時聲音基本無差別。

 

       “陰天”的厚度形態是一種最糟糕的厚度狀態，薄膜的橫向厚度起伏較大，厚度“死點”的地方比較固定，厚度偏差值隨時間的變化不大，相鄰兩點的厚度差基本上在 0.5um 以上，標準偏差 2δ 值大于 1.3%，敲擊時，厚度高點很硬，低點很軟，且持續的時間很長，一旦出現就是批量降級。這種情況往往需要人工干預后才能恢復正常，但這種情況產生的原因復雜，解決起來較為麻煩。這種情況的產生的厚度缺陷，往往位置比較固定，短期內不會消失，且會日益加劇，因此。把這種因素可概括為非流動性因素。

 

       “晴天間多云”的形態，表明厚度狀態很不穩定，薄膜橫向的某些位置，厚度值忽高忽低，這種情況一般發生在，開機、破膜后、換料中、加熱溫度不穩定、熔體壓力不穩等，這種情況會時常遇到，但持續的時間短，造成的影響和損失一般較小。導致這種情況出現的因素，是隨時間可變的，因此可概括為流動性因素。出現此情況時，無論采取怎樣的檢測方法都不可靠。

 

       如何判得準？

 

       行業內關于薄膜厚度質量等級的評定，基本上都是在分切這個環節進行的，判得準須按照以下步驟進行：

 

       第一步：

 

       根據當前分切產品的生產編號對應的厚度圖，找出圖像中的“死點”（厚度偏差較大、形態隨時間不太變化的那些點）。

 

       第二步：

 

       針對這些“死點”重點敲擊確認，并做上標記。

 

       第三步：

 

       測量包括這些“死點”在內的若干厚度測量點的厚度數據，計算出最大、最小厚度偏差值，對照厚度標準進行判定。

 

       在此需要說明的是，在實際操作中，不可能對每一件產品都通過測厚度來判定等級，大多數情況還是以敲擊為準，實際上“晴天”的厚度形態厚度很均勻，敲擊時聲音基本一致，沒有必要測。“晴天間多云”的厚度形態，厚度是變化的，測是測不準的，所以也沒有必要測，敲出來是什么就是什么，況且這種情況產生的產品數量不是很多，不必太過于關注。

 

       “陰天”的厚度形態是關注的重點，這種情況一旦出現，就會存在很長一段時間，涉及的產品數量往往是巨大的，定級不慎，影響就非常大。但是這種形態往往又比較固定的，一方面這些“死點”位置比較固定，厚度偏差值也比較固定，利用敲擊加測量的方法比較可行。在實際操作中，用此法針對首件進行判定，并以此為參照來判定之后對應的位置的其余產品，而不必每件都測量厚度，保險起見，也可以中途再做若干次抽檢。

 

       筆者曾做過大量的實踐，結果表明，在穩定的厚度形態下，存在厚度缺陷的“死點”，其敲擊時的聲音與厚度的測量值基本相符，比較硬或比較軟的點對應的厚度偏差都較大，且能夠重復和再現。由于測的操作過于復雜費時，不宜測很多，所以，初期可多做一些檢測，當檢驗人員經過較長時間這樣敲與測相結合的訓練，就會形成一種熟悉的感覺體驗，之后，只通過敲擊就大體上知道某處厚度的偏差大小，從而使敲擊判斷的準確性大大提高，以后就可以少檢測甚至不檢測，就能較準確地做出合適的質量等級判定，見圖 10。

 

 

 圖 10  敲擊與厚度檢測的互動關系示意圖

 

       筆者正是按照此法對檢驗人員進行訓練，進行了一段時間的練習，這些檢驗人員基本上通過敲擊的聲音，就能大體上知道某件產品厚度偏差大致的數值是多少，這樣就極大地減少了厚度的誤判。

 

       在此我也分享一下曾經的實戰經驗，供大家借鑒。

 

       第一步：

 

       根據厚度圖分別選擇一批“晴天”形態和一批不同程度的“陰天”形態的膜進行分切，并取樣測量厚度，然后將每個測量點的厚度偏差標注在對應的測量點上，也將根據厚度標準判定的質量級別標在每件對應的膜上。

 

       第二步：

 

       讓每個檢驗人員，對已經標注了測量結果的膜，反復進行敲擊檢驗，體驗不同厚度偏差的的膜敲擊時的感覺。

 

       第三步：

 

       對檢驗人員進行考核，評判其是否掌握了該檢驗方法。

 

       考核方法：

 

       1、另外選擇一批厚度偏差程度不同的膜，取樣測量厚度偏差，記錄好測量結果和評判的等級。

 

       2、只將取樣位置準確地標注在膜上、不標注測量結果。

 

       3、讓檢驗人員對準各膜上每個測量點進行敲擊檢驗，給出自己的判定等級。

 

       4、對每個檢驗人員的評判結果進行考評，判斷其是否通過考核，沒有通過的繼續練習，直至通過。

 

       三、看得準

 

       薄膜的厚度好不好，是一件很難判斷的事情，無論是在線控制還是實驗室檢測，其判斷都是一種抽象的感覺，到分切成了成品，這種感覺會更接近真實一些 ，而只有最后到了客戶使用時，才能有肯定的結論，但到這個階段造成影響和損失則是巨大的。從質量控制的角度來講，越靠近產品前端、問題暴露的越早，質量成本越低。因此，如果在線生產時，我們就能知道現在的產品厚度質量是可接受的還是不可接受的，就是最佳的控制方法。

 

       看得準，就是要求制膜生產人員，在線時就能對當前生產中的薄膜的厚度質量狀況能做出比較準確的判定。

 

       生產人員常常到會遇到這樣的兩難境地，知道當前的產品有質量缺陷，卻無法確定這種缺陷是可接受還是不可接受，可接受就可以讓步生產，不可接受，往往需要中斷生產，停機處理。看得準，就是利用以往對厚度判定的經驗，這種經驗來源于過去對在線厚度信息（主要是對厚度圖像）、檢測信息（母卷下線時的實驗室檢測、分切檢測、敲擊）、客戶使用情況的反饋等各種綜合信息的分析，對照當前的生產線的厚度情況，做出比較準確的判斷，避免盲目生產。這種經驗的累積不是一蹴而就，必須經過較長時間對所在生產線生產情況的持續跟蹤而獲得，不具有簡單的復制性。具體來講，就是生產人員只需要通過看厚度圖像，必要時再加上實驗室檢測，就可以知道當前的厚度究竟行不行。厚度信息通常包括厚度標準偏差（2δ 百分率）、厚度缺陷的位置及這些點的厚度偏差大小、持續的時間規律（厚度缺陷是偶然性的、還是持續性的）。這種能力若能被最基層的生產人員（生產線人員、檢驗人員）掌握，控制就會更加有效，做到這一點雖然有困難，但經過一段時間的訓練也是可以實現的。

 

       四、控得好

 

       這是厚度質量控制的最高境界，涉及因素最復雜、技術維度最大的一個階段。好比一個人生了病，前三個階段是診斷什么病、當下如何減輕病痛，而第四個階段的核心是如何讓這個人以后不得此病。

 

       任何事情的發生都是有原因的，厚度缺陷的產生亦如此。對于厚度來講，和其他質量屬性一樣，影響因素也無外乎人、機、料、法、環，每個方面都有可能，但出現最多的大體為以下三種情況：

 

       第一種：

 

       如開機、破膜、轉產、換料（包括換配方）等，其影響是短時間的，是不可避免的，出現的概率很高，但影響的程度是可預知、人為可控的。

 

       第二種：

 

       隨機的、不可預知的，譬如溫度、壓力、速度等控制的偶然故障，導致厚度的劣化。發生具有突然性，但概率相對較少，短時間可以消除、影響程度也不大。

 

       第三種：

 

       就是厚度形態當中“陰天”的情況，這種情況在生產中是極為常見的，且隨時間而不斷加劇，如模頭、流道內的炭化等，或調節螺栓調節失效，或其他不明原因，會導致厚度質量越來越差，持續時間會更長，處理起來費時費力，出現的頻率越來越高，這種情況是關注的重點，應極力避免或減少。

 

       怎樣消除或減少上述第三種情況的出現，是“控得好”的關鍵，從設備方面來看，其主原因有以下幾個：

 

       1、模頭或流道積炭過多。為了避免出現這種情況，平時生產中，模頭的溫度盡可能設定低一些，停機時多排料，防止樹脂在模頭內停留太久而炭化，也可以考慮停機時將模頭溫度降到更低。每次開機前用銅絲綿或銅絲網將模口做較徹底的清潔，去除已形成的積炭。若這樣的清潔仍不能消除積炭時，則應果斷拆解模頭，做更加徹底的清潔保養，這樣處理的結果往往較為顯著。

 

       2、是厚度調節螺栓調節失效，無論手動還是自動調節，都無法消除厚度“死點”，此時應果斷停機更換調節螺栓。

 

       3、模口處存在應力。此時，將相關部分的螺栓與模唇脫開，使模唇處于自然狀態，讓應力充分釋放。

 

       4、模唇開口不合適。樹脂熔體經模唇口流出時，存在一種叫離模彭脹的現象，在擠出量一定的情況下，模唇開口越大，膨脹越弱，越小則越強。太強或太弱都對厚度控制有影響。具體開口多大合適，要根據生產線的特點、產品的厚度、產量來定。原則是，產品厚、產量高時，開口應大一些，厚度薄、產量低時，應小一些。

 

       5、模頭內流道受損，此時應及時送出去做維修保養。

 

       控得好，不是不生產次品，而是把它管控到可接受的程度，知道什么時候該停機處理，什么時候可以繼續生產。

 

       總結

 

       測得準、判得準、看得準、控得好，是一個完整的、系統的過程，是相輔相成的。測得準、判得準、看得準是基礎，控得好目的，有邏輯上的順序。測得準才能判得準，判得準才能看得準，看得準才能控得好。測得準，能使產品在出廠檢驗時較為正確地判定質量等級，避免誤判。看得準，能對在線的生產產品的質量狀況做出正確的判斷，較為合理地做生產決斷，減少不應有的停機和更多不可接受的缺陷產品的產生。只有能正確判定當前的生產狀況及掌握各種導致質量缺陷產生的原因和相應的處理措施，最終才能實現控得好的目的。

 

（江西冠德新材科技股份有限公司生產技術中心祁少利 供稿）

 

轉自—— 中國塑協BOPP專委會公眾號

 

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