利用紅外光譜儀快速測量塑料薄膜厚度

徐 源，黃金強，崔 燦，盧秀樂，周賢菊

（1.重慶郵電大學數理學院，重慶400065；2.蘇州晶櫻光電科技有限公司，江蘇蘇州215600）

1 引 言

如今塑料制品種類繁多，薄膜產品大量地涌入人們的生活，給人們的生活帶來了極大的便利，可是在工業生產中如何快速準確地測量出塑料薄膜產品或者其他具有相同特點的塊狀產品的厚度（層數）卻是一個亟待解決的難題.現行的薄膜測厚技術和方法主要有：β射線在線測厚技術[1]、X射線在線測厚技術[2]、超聲波測厚法[3]、電渦流測量法[4]等，而利用紅外吸收光譜法測量薄膜厚度的技術的研究相對較少.紅外光譜法多用于研究物質的化學組分與結構，可用于定性與定量分析[5－6].紅外光譜儀是目前較多高校使用的物理實驗或者近代物理實驗設備.相對于紅外吸收光譜法測量薄膜厚度而言，β射線在線測厚技術、X射線在線測厚技術的儀器成本高、能耗高，并可能對人體健康產生危害；電容測厚技術、超聲波測厚法和機械測厚法有抗外界干擾能力差，測量產生系統誤差大、精度有限、操作不方便等缺點.紅外吸收光譜法卻能夠讓待測產品只通過紅外線的掃描，就能得出薄膜或者塊狀物的厚度，操作簡便，準確度高.再者，由于紅外光吸收專一性的特點，特定波長的紅外線只能被特定的分子或基團特定的振動、變形等吸收，造就了紅外光譜法抗外界干擾性極強的特點[7－8].另外，紅外光譜法不會污染環境或損害人體健康，這無疑是一個高效、環保、節能的好辦法.

2 實 驗

2.1 實驗儀器與樣品

以普通聚乙烯塑料包裝薄膜為樣品，尺寸為3cm×3cm，放于紅外強磁樣品支架，以空氣為背底，使用PE公司的Spectrum 65傅里葉變換紅外光譜儀掃描樣品.掃描范圍為400～4 000cm－1，掃描次數為16.在實驗中，以不同層數的塑料薄膜疊加代替不同厚度的樣品.

2.2 實驗原理

紅外吸收光譜法是研究某一化學物質如分子、離子或自由基等，因吸收紅外電磁波的能量而致使此化學物質在電子基態時轉動、振動或轉動－振動的能量變化[7].由于紅外吸收光譜能夠提供分子特性的信息，除光學異構體外，幾乎沒有2種有機化合物的光譜完全一樣.因此，紅外吸收光譜可以顯示物質的化學組成和分子結構等信息.同時，也可以監測或分析化合物的存在與含量，應用范圍甚廣[8].

根據紅外光吸收光譜法，結合朗伯－比爾定律可以得出特征峰的吸光度與薄膜厚度之間的工作曲線.朗伯－比爾定律數學表達式為

其中：A表示吸光度，T表示透射率，I與I0分別表示透射光和入射光的光強，ε表示摩爾吸光系數，c表示濃度，b表示厚度.在該實驗中對于同一種物質而言ε和c固定不變，假設單層薄膜的厚度為d，薄膜的層數為n，即有：A＝－lg T＝εcdn，由此不難得出單層薄膜的厚度.根據測量得到n層塑料薄膜的吸光度A，就可以得到單層薄膜的厚度.當然，也可以結合吸光度－厚度的標準工作曲線，得到未知薄膜的厚度.

2.3 實驗結果與分析

圖1是同種聚乙烯塑料包裝薄膜的傅里葉變換紅外光譜圖.由圖可知，紅外光譜準確地顯示了塑料薄膜聚乙烯分子的振動轉動吸收峰.聚乙烯在400～4 000cm－1強的特征吸收峰有3組，分別為位于2 958cm－1的C－H伸縮振動峰群（由于聚乙烯薄膜中，C－H基團濃度較高，該組振動強度很大，已達到飽和）、位于1 471cm－1的CH彎曲振動和位于720cm－1的（CH2）n亞甲基團平面搖擺振動.并且，特征峰不隨層數的變化發生明顯位移.還可以看出：薄膜的層數與紅外特征峰吸光度之間存在著顯著的線性關系.紅外光譜法作為定量分析方法，具有吸收峰多，可選擇的余地大的特點[7].如圖1所示，線性關系較好，可選擇作為定量分析的特征峰有很多，便于分析有720，1 367，1 471cm－1的峰.首先，選擇720cm－1特征峰為例，詳細演示數據分析和處理的過程，然后對其他特征峰進行同樣的處理，最后進行對比，驗證該方法的可行性和準確性.

圖1 1～5層聚乙烯塑料薄膜的傅里葉變換紅外光譜

720cm－1是－（CH2）n－（n＞4）亞甲基團平面搖擺振動產生的吸收鋒，并且吸光度相對較強，對720cm－1的特征吸收峰進行放大處理得到圖2.720cm－1特征峰的吸光度與層數對應的關系的數據見表1.

圖2 720cm－1特征吸收峰的放大情況

表1 不同層數的聚乙烯塑料薄膜在720cm－1處特征峰的吸光度值

采集數據運用Origin軟件處理得到塑料薄膜層數與特征峰吸光度的工作曲線如圖3所示.

圖3 聚乙烯塑料薄膜層數在720cm－1處特征峰吸光度的線性擬合情況

使用Origin擬合得到的線性關系為：n＝－0.037 18＋1.66 142A.相關度R＝0.994 97，顯著性概率P＝0.000 428.由此可見該擬合結果的線性相關性很強，相關度高達99.497%，并認為可取.

同時，該實驗還建立了對比數學模型，驗證該方法的準確性.采用以上處理720cm－1特征峰的方法，對其他的特征峰進行同樣的處理，得到的工作曲線的性質如表2所示.

表2 選擇不同的特征峰得到的層數與吸光度的工作曲線的性質參量對比

由表2可知：在聚乙烯塑料薄膜的傅里葉變換紅外吸收光譜結果中，吸光度和層數的相關性很好，而且與特征峰關系不大，由此得出紅外光譜法測量塑料薄膜厚度或者層數的方法具有普適性.因此，利用傅里葉變換紅外吸收光譜記錄到的薄膜的吸光度，代入相應的工作曲線方程，就能方便地得到相應薄膜的層數或者厚度.

3 結束語

紅外吸收光譜法在物質的化學組成、結構的定量、定性分析方面有著重要的應用，在生產和生活中發揮了重要作用.本實驗通過記錄塑料薄膜的紅外吸收光譜，找出特征吸收峰的吸光度與塑料薄膜厚度（層數）的工作曲線，可以準確、快速、無損傷地測量未知薄膜的厚度，并分析和驗證了這種方法的可行性和可靠性.相對于傳統的薄膜厚度分析測量方法，該方法更加節能、環保、快速、簡便以及可靠.

[1] 劉隆祉，劉煒煒.β－塑料薄膜測厚技術的研究[J].塑料工業，1995（5）；33－36.

[2] 斯其兵，江晶.薄膜X射線測厚儀[J].儀表技術與傳感器，2007（5）：18－19.

[3] 常源，王偉明，劉繼紅.管材擠出機超聲波測厚系統的研究[J].塑料，2008，37（5）：96－99.

[4] 彭雪蓮.磁性法和電渦流法測厚儀的特點及應用[J].表面技術，2004，33（6）：80－82.

[5] 胡永茂，項金鐘，楊愛明，等.紅外光譜儀在紅外電磁波吸收材料研究中的應用[J].物理實驗，2005，25（3）：33－36.

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[7] 鄧芹英，劉嵐，鄧慧敏.波譜分析教程[M].北京：科學出版社，2003：29－76.

[8] 吳性良，朱萬森，馬林.分析化學原理[M].北京：化工工業出版社，2004：333－345.