關(guān)鍵詞：紅外膜厚儀；耐指紋涂層；檢測(cè)原理；RX2500；RX4000

Application of using infrared coating thickness gauge to measure the anti-fingerprint coating on hot-dip galvanized sheets

Abstract: The basic measurement principle of KURABO infrared coating thickness meter is explained in this paper , which uses infrared absorption and the Lambert-Beer law to establish an absorptance-coating thickness curve, and calculates the absorptance of the coating sample to indirectly measure the coating thickness valu. Two different types of anti-fingerprint coating samples were measured by RX2500 and RX4000 to establish absorptance-coating thickness curves. It is demonstrated that the instrument has the ability to measure this coating and has good accuracy.

Keywords：infrared coating thickness gauge; s anti-fingerprint coating; measurement principle; RX2500; RX4000

1 引言

熱鍍鋅板具有耐腐蝕、美觀、易加工等特點(diǎn)，在建筑、家電、汽車(chē)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。目前熱鍍鋅板的主要表面處理工藝包含有：鈍化處理（三價(jià)鉻鈍化和無(wú)鉻鈍化）、耐指紋膜（三價(jià)鉻耐指紋、無(wú)鉻耐指紋）、自潤(rùn)滑膜（三價(jià)鉻自潤(rùn)滑、無(wú)鉻自潤(rùn)滑）、涂油[1]。涂層的決定了產(chǎn)品的最終性能，因此如何有效的控制涂層的厚度以及均勻性一直是各大公司關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，常規(guī)的測(cè)量方式多為在線剪板取樣送至化驗(yàn)室檢測(cè)獲取膜厚值，或者產(chǎn)線旁使用手持設(shè)備進(jìn)行快檢。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境好，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員測(cè)量，檢測(cè)精度較高，但是時(shí)效性差；線旁手持測(cè)量環(huán)境較差，精度稍低，且面對(duì)較寬的板時(shí)操作上存在困難，且需要靠近產(chǎn)線測(cè)量，具有一定的危險(xiǎn)性。

因此隨著性能要求和安全等各方面因素的推動(dòng)，在線厚度檢測(cè)設(shè)備也在逐漸在各產(chǎn)線上出現(xiàn)。RX2500以及RX4000均為日本KURABO公司電子事業(yè)部研發(fā)的紅外膜厚儀，專(zhuān)門(mén)用于鋼鐵行業(yè)內(nèi)涂油，涂層的膜厚在線檢測(cè)設(shè)備。設(shè)備由RX250和RX400系列升級(jí)而來(lái)，已有超過(guò)30余年的使用歷史，國(guó)內(nèi)外超過(guò)150余條產(chǎn)線投入使用。RX2500系列主要測(cè)量涂油的厚度，可用于鍍鋅板涂油厚度測(cè)量，RX4000系列主要應(yīng)用于硅鋼行業(yè)測(cè)量絕緣涂層，但是隨著鍍鋅板涂層性能要求的日益提升，RX4000亦可用于耐指紋、自潤(rùn)滑和鈍化膜的厚度檢測(cè)。

2 檢測(cè)原理

2.1 紅外吸收光譜

當(dāng)紅外光的頻率與分子中某個(gè)基團(tuán)的震動(dòng)頻率一致或成整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)發(fā)生紅外吸收。如圖1所示[1]，改圖展示了某三種鈍化劑的紅外光譜圖，我們可以明確這些鈍化劑在2900cm-1、1750cm-1、1240cm-1位置由明顯的紅外吸收現(xiàn)象。該方法通常用于定性分析物質(zhì)的種類(lèi)并推斷其結(jié)構(gòu)，若對(duì)其中特定吸收峰的位置進(jìn)一步進(jìn)行定量的分析則可以利用朗伯-比爾定律計(jì)算吸光度與膜厚值的關(guān)系。

                                                                                                                                       圖1 鈍化劑K、P、H涂膜的ATR譜圖

2.2朗伯-比爾定律（Beer-Lambert Law）

朗伯-比爾定律，是光吸收的基本定律，適用于所有的電磁輻射和所有的吸光物質(zhì)，包括氣體、固體、液體、分子、原子和離子。是比色分析及分光光度法的理論基礎(chǔ)。表示光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

由于鍍鋅板涂油或涂層多為混合物，我們可以根據(jù)紅外吸收光譜掃描的結(jié)果，選擇合適的吸收峰位置作為厚度計(jì)算的特征吸收峰。且對(duì)特定配方的產(chǎn)品其組分固定，即對(duì)于特定產(chǎn)品而言，公式中的摩爾吸光系數(shù)K，吸光物質(zhì)的濃度c均為定值，說(shuō)明吸光度與膜厚值成正比例關(guān)系，見(jiàn)圖2，圖3所示。

                               圖2 不同厚度的同類(lèi)產(chǎn)品的紅外吸收光譜圖

                                     圖3 吸光度-膜厚關(guān)系圖

3 Kurabo紅外膜厚儀技術(shù)特點(diǎn)

設(shè)備基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示，光源首先通過(guò)濾光片轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)化為單色光，再透過(guò)偏振片，濾去容易發(fā)生漫反射的S偏光，在涂層內(nèi)發(fā)生紅外吸收后，經(jīng)由鋼板表面反射回到接收器內(nèi)。接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)再通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元轉(zhuǎn)化為吸光度數(shù)據(jù)，代入到吸光度-厚度曲內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，獲得最終的膜厚值[3]。

                                      圖4 紅外膜厚儀基本結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于RX2500和RX4000，兩者均是利用紅外吸收進(jìn)行但是在檢測(cè)波段范圍上存在差異，見(jiàn)圖5所示。RX2500通常選擇3.5μ左右的濾光片作為紅外吸收的檢測(cè)區(qū)域，該位置通常對(duì)應(yīng)C-H鍵的吸收，可涵蓋有機(jī)物的檢測(cè)，如防銹油。RX4000則根據(jù)涂層紅外吸收光譜，選擇合適的吸收峰定制濾光片測(cè)量，波長(zhǎng)范圍可在5-12μm內(nèi)選擇，可涵蓋C=C鍵、SI-O鍵、P-O鍵等傳統(tǒng)紅外膜厚儀無(wú)法檢測(cè)到的吸收峰位置，擴(kuò)大了設(shè)備的適用范圍，針對(duì)半有機(jī)或無(wú)機(jī)的涂液理論上也能適用。

                                     圖5 某涂料紅外吸收光譜曲線

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試采用RX4000對(duì)某廠的耐指紋涂層進(jìn)行曲線的制作，觀察制作曲線的相關(guān)性。并測(cè)試測(cè)量?jī)x器短期穩(wěn)定性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及再現(xiàn)性。

表1為某熱鍍鋅板耐指紋涂層不同厚度的樣品使用RX4000膜厚儀測(cè)量吸光度，并依據(jù)該組數(shù)據(jù)，繪制吸光度-膜厚曲線的結(jié)果。可以看到采用一次項(xiàng)擬合的曲線相關(guān)性為97.73%，采用二次項(xiàng)擬合的曲線為98.8%，見(jiàn)圖6所示。

表1 RX4000吸光度-膜厚數(shù)據(jù)表

根據(jù)朗伯-比爾定律吸光度理論上與厚度成正比例關(guān)系，即一次項(xiàng)曲線，但是實(shí)際應(yīng)用中由于外部環(huán)境因素的干擾，如厚度范圍跨度較大，厚度造成的光損失等因素，在一次項(xiàng)擬合不佳的情況下，亦可選擇二次項(xiàng)進(jìn)行擬合，以達(dá)到更佳的測(cè)試效果。

                                       圖6 RX4000二次項(xiàng)擬合曲線和一次項(xiàng)擬合曲線

將吸光度代入到二次項(xiàng)公式內(nèi)，重新計(jì)算厚度值并于標(biāo)準(zhǔn)值比較發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差最大僅0.04。

下表2另一種熱鍍鋅耐指紋涂層采用RX2500膜厚儀測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果。采用一次項(xiàng)擬合相關(guān)性為98.55%，使用二次項(xiàng)擬合相關(guān)性為99.5%。使用二次項(xiàng)擬合的公式代入吸光度計(jì)算膜厚值與標(biāo)準(zhǔn)值最大偏差為0.07。

表2 RX2500吸光度-膜厚數(shù)據(jù)表

                                圖7 RX2500二次項(xiàng)擬合曲線和一次項(xiàng)擬合曲線

在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的是，由于該設(shè)備為間接測(cè)量膜厚的設(shè)備，膜厚的標(biāo)準(zhǔn)值通常依賴(lài)于其他第三方的儀器獲得，如接觸式測(cè)厚儀或X熒光測(cè)厚儀等，在第三方儀器不能獲得較為準(zhǔn)確的膜厚值的情況時(shí)，采用不準(zhǔn)確的膜厚標(biāo)準(zhǔn)值與吸光度進(jìn)行擬合獲得的曲線相關(guān)性會(huì)比較差，且不具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

KURABO紅外膜厚儀可以用于熱鍍鋅板表面耐指紋膜厚的檢測(cè)。鑒于涂料或涂油時(shí)均含有大量的有機(jī)組分，使用RX2500及RX4000均可以測(cè)量膜厚值。使用標(biāo)樣建立曲線后在相關(guān)性98以上時(shí)，基本可以保證與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差在0.1以?xún)?nèi)，具有優(yōu)秀的檢測(cè)精度。

同時(shí)基于設(shè)備的檢測(cè)原理，亦可用于涂油或其他類(lèi)型涂液的厚度測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。