近红外水分和涂层测试仪的应用

简介

Process Sensors Corporation (PSC) 的近红外（NIR）测试仪被广泛应用于胶粘涂层的测试和控制。PSC仪器对水分和涂层厚度的测试特点是，可靠，快速和非破坏性，是理想的实时

在线测试方式，PSC的仪器监测产品是否超出标准，减少不及格产品的浪费，因此可以提高产品质量，减少原材料的消耗，增加产量。

PSC的测试仪可以测试各种底材的水分和胶粘涂层厚度，包括：标准纸，牛皮纸，离型纸和塑料薄膜。精度取决于不同的应用，实验室和取样的技术，但通常优于+/-0.2 水分和0.05mil涂层厚度,仪器可以安装在固定的位置或扫描架上。

测试原理

大多数物质都由于成分的不同而有不同的NIR吸收峰，这样一来就可以选择合适的波长测试不同的物质。例如，所有的有机物均吸收2300-2350nm 和 1670-1750nm 而水分吸收1940nm，如下表：

NIR只可以测试有特别吸收峰的物质，瓷粉和增白剂不吸收红外线，没有特别的吸收峰，所以不适用NIR技术。

PSC测试仪

PSC测试仪是应用固定近红外波长测试不同产品含水量的近红外光电分析仪器，是一体化的仪器，所有连续监测必需的组件均置于仪器内，根据波长的不同可以同时测试两种成分（例如水胶和油胶的涂层厚度）。

水分子的O-H键在几个特定的波长吸收近红外线辐射。PSC测试仪内旋转的滤光盘上三个滤光片产生这些吸收波长和不吸收波长，交替地从产品表面反射到内部光学组件，由光信号转换成的电子脉冲经过一个比率算法计算出正比例的水分含量，这个含量再经偏置和跨度的校正变成直接的水分含量。特别设计的滤光反射信号算法，消除了光学部件老化和不同的物料反射特性引起的偏差。

仪器组件

PSC测试仪一体化地置于铝铸箱体内，内置有：

1光源：石英卤素灯降压使用，产生近红外光源。

2滤光盘：几个近红外和可见光滤光片装置在转盘上，周边有定时用的缺口。

3滤光盘马达：精密的直流无刷马达。

4探测器：半导体制冷的PbS（硫化铅）探测器进行光电转换。

5电路：1）电源：90-260V输入的开关电源，提供仪器所需的直流电压。2）电路板：在一块电路板上包含了前置放大，探测器控制，中央处理系统，模拟和串行通信等电路。3）显示，两行20字符VFD显示，带有设置，标定，和测试等操作键。

标定 

所有NIR测试仪均需要标定。测试范围内的样品经NIR测试仪和实验室测试，对比和线性回归分析可以得到仪器新的标定参数，从而仪器的显示即为真实值。标定结果可以保持稳定一年。

因为NIR仪器需要用实验室的结果进行标定，所以精度受实验室精度的限制，无论仪器的精度有多高，都不可能过实验室。如果实验室的技术是不准确的，仪器的测试也会不准确。在许多水分和涂层测试的例子中，NIR测试仪比实验室的原理具有更高稳定度和重复性，因此可能更。

NIR测试是基于NIR的反射，任何样品反射特性的变化，例如颜色，透明度，或表面纤维构造，都潜在对NIR 标定的影响。因此不同反射特性的产品需要不同的标定，但这对于PSC的测试仪并非问题，因为PSC的仪器应用了光学补偿等多种技术去消除这些影响，而且PSC的仪器可以存储很多的标定参数。

涂层种类

通常有3种涂层：

• 水性涂层：溶液的浓度在10%-60%之间

• 油性涂层：溶剂为有机物溶液，和水性涂层应用相似，但要注意有一定的危险品成分

• 挤出和热溶胶涂层：涂在底材上是熔溶物，涂布头的种类有加热压模, 加热槽和浸槽。

测试方式：

近红外水分和涂层测试仪应用方式有多种，通常能归类为湿测试和干测试。

湿测试：测试位于涂布头附近，对于水涂层，测试的是涂层的含水量，对于油涂层，测试的是涂层的溶剂的含量。对于湿测来说，涂层并非直接测试而是通过已知的浓度推算出来。

湿测试要考虑的几个问题：

• 测试位置应该尽量靠近涂布头，以减少挥发的影响，特别是油性涂层，因为挥发比较快，所以测试变成对机器的涂布速度敏感，当车速较慢时，挥发会更多，造成测试的误差。

• 因为测试对象实际上溶剂，所以精度受浓度的影响，尽量保持溶液的浓度。

• 油性溶剂包含有爆炸危险的成分，测试头要有适当的保护措施。

干测试：测试位于水或其他溶剂已经被烘干的地方，是直接zui后的涂层测试。这种测试只有涂层含有红外线吸收物才可以进行，这种涂层几乎都是含有有机物的C-H键。

干测试和湿测试的优缺点

湿测试-优点：

• 控制速度较快，因为测试位置靠近涂布头，

• 通常精度较高，因为溶液的水和溶剂含量通常较高，较少的涂层变化都能测试。

湿测试-缺点：

• 需要保持溶液的浓度来保证测试的精度，批量之间少许的差异不会影响测试，但要求测试仪对每种不同的浓度做不同的标定；

• 油性溶剂需要考虑测试头适合危险的环境，这样一来，测试头体积和成本都有所增加。

干测试-优点：

• 实际的涂层量直接测试；

2．少受危险品的影响。

干测试-缺点：

1．涂层必须为红外线吸收物质；

• 测试头安装在离涂布头较远的位置，对控制系统造成延迟。

各种应用说明

挤出和热溶胶：类似干测试，只不过没有测试的延迟。典型的应用包括衬纸或照相纸的聚乙烯涂层，衬纸或食品袋的腊涂层。涂层测试可以控制挤出机的温度，压力和车速，加上扫描支架，可以控制个别的die bolt避免碰撞和不均匀。

剩余水分：剩余水分在许多涂布过程是严格要求的，NIR的测试精度可以达到千分之几。NIR可以穿透大多数的涂层，因而测试的水分也包括了底材的水分，幸好大多数的应用并不要求分辨涂层和底材的水分。

金属底材的薄涂层：NIR可以测试金属表面特别薄的涂层。其中两个例子是铝箔的力迦涂层，铝片的润滑油。然而，NIR在这方面的测试是困难的，因为这些涂层的吸收很弱，需要特别设计的薄涂层测试头，应用中红外的波长，大约为3400nm,这样一来，吸收比NIR增大了10-100倍，在薄膜或涂层很薄并不规则的情况下，例如铝箔的哑光力迦涂层，仍然可以用NIR反射原理的测试，问题的解决需要用到Brewster角度（大约58°）的偏振光。

透明底材：例如塑料薄膜之类的透明底材对于NIR的测试是比较特别的，首先因为薄膜是透明的，反射非常弱，需要在另一面安装反射装置；其次，如果涂层和薄膜具有相似的化学成分，例如聚乙烯薄膜的丙烯酸涂层，NIR测试仪不能分辨涂层和底材，这样一来需要采用差分测试模式，即应用两个测试头，一个在涂布之前测试薄膜，另一个在涂布头之后，测试薄膜和涂层，涂层可以相减得出。不同厚度的薄的透明膜会对NIR测试造成光学的干涉，解决问题的方法是薄膜接受器，再装上反射装置。

共挤出薄膜：典型的应用包括尼龙/聚乙烯/PET/EVOH

水分：正确安装并良好标定的测试仪通常可以达到+/-0.1%的精度。

克重：NIR可以测试一些薄膜或透明底材，例如塑料薄膜和轻质纸的克重，NIR技术受限制于NIR光线必须穿透被测试物，厚纸和不透明薄膜的克重因此不能测试。

底材

任何底材的水性涂层都很容易测试，铝箔和纸的油性涂层测试也没有问题。透明塑料或其他有机底材的油性涂层测试较为复杂，规则的一致性好的底材对于测试做成的偏差可以用调零的方法消除，不规则的底材的测试可以用双测试头做成差分测试方式来解决，当然也可以仅用单测试头，但会引起偏差。

扫描系统

对于多数的涂布宽度来说，测试的光斑是很小的，能够安装手动或自动的扫描系统，这样不但可以监测更大幅面的涂层，而且可以观察到横向的涂层变化从而调节涂布头的平衡。

典型的应用

纸底材

胶粘涂层：水性或油性，湿测或干测，精度为±0.15gm(0.09lb/rm)

胶粘涂层：热熔胶，干测，精度为±0.2gm/(0.12lb/rm)

粘土/乳胶涂层：湿测，精度为±0.2gm（0.12lb/rm），需要保持溶液的浓度

力架涂层：湿测或干测，精度为±0.15gm（0.09lb/rm）

微胶囊涂层：湿测，精度为±0.2gm（0.12lb/rm）,需要保持溶液的浓度

挤压塑料涂层：干测，精度为±0.1gm（0.06lb/rm）

塑料乳剂涂层：湿测或干测，精度为±0.2gm（0.12lb/rm）

蜡涂层：干测，精度为±0.2gm（0.12lb/rm）

薄膜底材

水性胶粘涂层：湿测或干测，干测可能受不同的薄膜影响，精度为±0.2gm（0.12lb/rm）

水性乳液涂层：湿测，精度为±0.15gm（0.09lb/rm）

金属底材

胶粘涂层：同纸底材，

瓷漆：由于瓷漆通常很少，需要定制特别的长波测试头

塑料涂层：干测，精度为±0.1gm（0.06lb/rm）

蜡涂层：干测，精度为±0.15gm（0.09lb/rm）