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太赫茲技術檢驗滾塑制品壁內氣泡缺陷的可行性


時間:2019-06-06

應用領域:滾塑制品


深圳市納研科技有限公司

   摘要:使用預制氣孔的聚乙烯滾塑制品樣品,利用太赫茲技術對該制品的厚度和缺陷進行了測試,結果表明,太赫茲技術可以精確測量樣品的厚度,并可探測到樣品氣孔位置,這為塑料及其襯里制容器或塑制品的質量控制提供了一種新的無損檢驗方法。
   關鍵詞:太赫茲,氣孔,厚度,滾塑制品,塑料及其襯里制容器。
中圖分類號:TQ325.1  文獻標識碼:A  文章編號:

   滾塑成型是制備大型、異形中空塑料制品的一種重要加工方式,大多數時候,滾塑成型使用粉末狀塑料進行加工,在加工過程中氣泡的形成和排除是工藝的必然過程[1],如果工藝條件不完善,在成型制品中存在殘留氣泡是非常常見的一種質量缺陷。氣泡的存在會造成制品力學性能下降、 滲透性增加和誘導制品在應力下開裂[2]。
   非金屬承壓容器是壓力容器的一個重要分支,使用滾塑工藝加工塑料制壓力容器和襯里制壓力容器已經有多年歷史。2018年,在中國腐蝕與防護學會高分子管道和容器專委會的支持下,國家標準 GB/T 35974-2018《塑料及其襯里制壓力容器》 系列標準得以公布并實施。標準中明確指出應對滾塑成型壓力容器的壁內氣孔進行檢驗[3]。此外, 中國標準化協會團體標準 T/CAS266-2017《滾塑制品燃油箱》也明確提出需對壁內氣孔進行控制[4]。
   在大部分情況下,壁內氣孔無法通過目視直接觀測,而破壞性檢驗只具備抽樣價值。目前情況下,對于非極性的聚乙烯塑料制品進行缺陷檢驗尚無很好的辦法。
   太赫茲技術近年內發展迅速,由于0.1-10THz的電磁波業具有透視性,對塑料、紙張、木材等很多介電材料具有良好的穿透性,通過分析太赫茲脈沖透過物質前后波形的變化,或進行太赫茲成像就可以實現無損檢測[5],因此用于檢驗材料內部缺陷成為可能。
   Zhang[6]和Redo-Sanchez[7]等用太赫茲連續波成像系統及THz-TDS 系統對灼燒以及未灼燒的石墨纖維復合材料進行分析。在石墨纖維的太赫茲成像上可以明顯區分出被灼燒的區域。
   Quast[8]運用三維電場太赫茲成像技術對聚苯乙烯泡沫結構進行分析,能發現人工設置的缺陷。
   董??9]使用太赫茲技術對預制缺陷的亞克力板進行了缺陷測量,發現太赫茲技術可較好地表征材料缺陷。
   涂婉麗等[10]采用太赫茲無損檢測系統的反射模式對船舶防護涂層多層結構進行實驗檢測,對含氣泡、剝離等缺陷的涂層進行了對比。
   潘釗等[11]采用采用頻率范圍為反射式連續太赫茲波檢測系統,對航天復合材料與基板的粘接缺陷進行了無損檢測,通過與已知缺陷面積樣件對比,對粘接缺陷面積的預測誤差在±9%以內。
   張丹丹等[12]提出一種基于太赫茲時域光譜無損檢測的太赫茲反射式層析成像技術,用于分析玻璃纖維蜂窩復合材料的粘接質量.實現了玻璃纖維蜂窩材料的上層脫粘厚度50μm、下層脫粘厚度50μm缺陷的太赫茲無損檢測。
可以看出,利用太赫茲技術檢測材料內部缺陷的工作仍然處于前期研究狀態,目前的研究僅論證了可行性,在分析方法、測量精度控制等方面還有待完善。
   由于聚乙烯材料對太赫茲波的吸收接近零(因此聚乙烯經常被作為太赫茲壓片的稀釋物使用[13]),對于聚乙烯為基材的滾塑制品的內部缺陷是否能被太赫茲技術探測到,至今無相關研究。
1、實驗部分
1.1 材料滾塑級 LLDPE 粉末:LLD510P,浙江瑞堂塑料科技有限公司。
1.2 主要設備及儀器烘箱式滾塑機:BF-1000 型,浙江本凡機械有限公司;
模內無線測溫儀:溫嶺旭日滾塑科技有限公司;
太赫茲無損測試測量儀:TeraGaugeTM1000型, 加拿大滑鐵盧大學。




圖 1:太赫茲無損測試測量儀

1.3 試樣制備
   將 LLDPE 粉末按預定重量投入模具中,在模具內部安置模內測溫儀探頭測量模內空氣溫度,根據不同的模內空氣溫度選擇加熱時間,預制出帶有壁內氣泡的和無壁內氣泡的樣品。
A1:無壁內氣孔,表面平整的透明對比樣;
A2:一側表面不平整,但無壁內氣泡的透明樣品;
A3:材料一側內部存在可見氣泡的透明樣品;
B1:無壁內氣孔,表面平整的黑色對比樣;
B2:材料一側內部存在可見氣泡的黑色樣品。
1.4 性能測試
   將樣品編號,A1作為后續缺陷檢測的對比樣。然后從有缺陷的樣本中獲得信號特征,并與對比樣信號進行比較,以確定典型缺陷區域。信號差異確定檢測氣泡的有效性。
所有樣品均從板材兩側進行掃描,以驗證是否可以檢測到缺陷而不考慮板材方向。
試驗參數:掃描頻率:0.1-5THz;掃描速度: 300ms;樣品工作距離:77mm;掃描斑束尺寸直徑:4mm。
2、結果及其討論
2.1 掃描端面對測試的影響    
   從兩個面對 A1 樣品分別進行掃描。從圖 2 可以看出,無論從那個面進行掃描,樣品面均出現強烈的反射現象,兩個反射峰之間的距離代表的樣品厚度。反射峰的出現和掃描面無關。



圖 2:A1 樣品的太赫茲掃描反射圖譜


2.2 表面平整度對測試的影響    
    對 A2 樣品進行掃描,從圖 3 可看出,無論樣品的表面平整程度如何,反射峰均會出現,但由于樣品表面不平整,該側反射峰的位置發生變化, 這也正反應了太赫茲測量技術對厚度測試的敏感性。


圖 3:A2樣品的太赫茲掃描反射圖譜


2.3 壁內氣孔對測試的影響在 A3 樣品上選擇無氣泡的區域,和 A1 樣品進行對比,從圖 4 可看出基本無區別。


圖 4:A3 無氣泡區域太赫茲反射圖像



在 A3 樣品上選擇有氣泡的區域進行掃描,從圖 5 可以看出,有氣孔的一側反射峰嚴重衰減。



圖 5:A3 有氣泡區域太赫茲反射圖像


2.4 樣品透明度對測試的影響對 B1 樣品進行掃描,得出的圖譜和 A1 類似, 對 B2 樣品進行掃描,得出的圖譜和 A3 類似,說明材料的透明度對測試無影響。


圖 6:B1 樣品太赫茲反射圖像


圖 7:B2 樣品太赫茲反射圖像


3. 結論
   根據試驗樣品,太赫茲信號可用于檢測聚乙烯滾塑制品的的壁內氣孔缺陷。 測量面、樣品表面平整度和樣品透明度不影響對壁內氣孔的測試。