利用红外光谱仪快速测量塑料薄膜厚度

第３２卷第５期

物理实验

ＰＨＹＳＩＣＳＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩ（）Ｎ

Ｖ０１．３２ＮＯ．５

２０１２年５月Ｍａｙ，２０１２

利用红外光谱仪快速测量塑料薄膜厚度

徐

源１，黄金强２，崔

灿１，卢秀乐１，周贤菊１

（１．重庆邮电大学数理学院，重庆４０００６５；２．苏州晶樱光电科技有限公司，江苏苏州２１５６００）

摘要：通过对塑料薄膜红外光谱的研究．得到了快速定量无损伤测量塑料薄膜厚度的方法：记录不同厚度的同种塑料薄膜傅里叶变换红外（ＦＴ—ＩＲ）光谱，应用朗伯一比尔定律，结合红外光谱分析法作出塑料薄膜的厚度与特征峰吸光度的工作曲线．从而快速、准确、无损伤地测量薄膜的厚度．同时建立了特征峰吸光度与厚度线性关系的教学模型，并对此

种模型进行了验证．

关键词：傅里叶变换红外光谱；朗伯一比尔定律ｆ塑料薄膜

中围分类号：０４３３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００５—４６４２（２０１２）０５—００３１—０３

ｌ

引言

扰性极强的特点［７—１．另外，红外光谱法不会污染环境或损害人体健康。这无疑是一个高效、环保、节能的好办法．２实

验

如今塑料制品种类繁多，薄膜产品大量地涌入人们的生活，给人们的生活带来了极大的便利，可是在工业生产中如何快速准确地测量出塑料薄膜产品或者其他具有相同特点的块状产品的厚度（层数）却是一个亟待解决的难题．现行的薄膜测厚技术和方法主要有：８射线在线测厚技术［１］、Ｘ射线在线测厚技术［２］、超声波测厚法［３］、电涡流测量法¨３等，而利用红外吸收光谱法测量薄膜厚度的技术的研究相对较少．红外光谱法多用于研究物质的化学组分与结构，可用于定性与定量分析［ｓ４］．红外光谱仪是目前较多高校使用的物理实验或者近代物理实验设备．相对于红外吸收光谱法测量薄膜厚度而言，ｐ射线在线测厚技术、Ｘ射线在线测厚技术的仪器成本高、能耗高，并可能对人体健康产生危害；电容测厚技术、超声波测厚法和机械测厚法有抗外界干扰能力差，测量产生系统误差大、精度有限、操作不方便等缺点．红外吸收光谱法却能够让待测产品只通过红外线的扫描，就能得出薄膜或者块状物的厚度。操作简便，准确度高．再者，由于红外光吸收专一性的特点，特定波长的红外线只能被特定的分子或基团特定的振动、变形等吸收，造就了红外光谱法抗外界干

２．１实验仪器与样品

以普通聚乙烯塑料包装薄膜为样品，尺寸为

３ｃｍ×３

ｃｍ，放于红外强磁样品支架，以空气为背

底，使用ＰＥ公司的Ｓｐｅｃｔｒｕｍ６５傅里叶变换红外光谱仪扫描样品．扫描范围为４００～

４０００

ｃｍ～，扫描次数为１６．在实验中，以不同层

数的塑料薄膜叠加代替不同厚度的样品．

２．２实验原理

红外吸收光谱法是研究某一化学物质如分子、离子或自由基等，因吸收红外电磁波的能量而致使此化学物质在电子基态时转动、振动或转动一振动的能量变化＂］．由于红外吸收光谱能够提供分子特性的信息，除光学异构体外，几乎没有２种有机化合物的光谱完全一样．因此，红外吸收光谱可以显示物质的化学组成和分子结构等信息．同时，也可以监测或分析化合物的存在与含量，应

用范围甚广［８］．

根据红外光吸收光谱法，结合朗伯一比尔定律可以得出特征峰的吸光度与薄膜厚度之间的工作

收稿日期：２０１１—１２—１６；修改日期：２０１２－０４—１０

基金项目：国家自然科学基金资助（Ｎｏ．２０９０３１２３），教育部重点项目资助（Ｎｏ．２１１１５４）；重庆市自然科学基金资助（Ｎｏ．

ＣＳＴＱｊＡｌ４２５，Ｎｏ．ＫＪｌｌ０５３２）；重庆邮电大学研究生教育创新计划重点项目—～应用物理专业提升计划

（Ｎｏ．Ｙ２０１０１４）

作者简介：徐源（１９９０一），男，湖北麻城人，重庆邮电大学数理学院应用物理学专业２００９级本科生．

指导教师：周贤菊（１９７７一），女，重庆铜粱人．重庆邮电大学数理学院教授，博士，从事稀土能级结构及发光材料的设计

与应用研究．

万方数据

３２

物理实验

第３２卷

曲线．朗伯一比尔定律数学表达式为

Ａ＝一ｌｇ丁＝一ｌｇ（Ｉ／，ｏ）＝ｃｂｃ，

其中：Ａ表示吸光度，Ｔ表示透射率，ｆ与Ｊ。分别表示透射光和入射光的光强，￡表示摩尔吸光系数，ｃ表示浓度，６表示厚度．在该实验中对于同一种物质而言￡和ｃ固定不变，假设单层薄膜的厚度为ｄ，薄膜的层数为ｎ，即有：Ａ＝一ｌｇ

Ｔ＝

ｅｃｄｎ，由此不难得出单层薄膜的厚度ｄ２兰．根…‘

据测量得到ｒｌ层塑料薄膜的吸光度Ａ，就可以得到单层薄膜的厚度．当然，也可以结合吸光度～厚度的标准工作曲线，得到未知薄膜的厚度．

２．３实验结果与分析

图１是同种聚乙烯塑料包装薄膜的傅里叶变换红外光谱图．由图可知，红外光谱准确地显示了塑料薄膜聚乙烯分子的振动转动吸收峰．聚乙

烯在４００～４

０００

ｃＩＴ／．叫强的特征吸收峰有３组，分

别为位于２

９５８

ｅｍｌ的Ｃ－－Ｈ伸缩振动峰群（由

于聚乙烯薄膜中，Ｃ—Ｈ基团浓度较高，该组振动强度很大，已达到饱和）、位于１

４７１

ｃｍ＿１的Ｃ－－

Ｈ弯曲振动和位于７２０ｃｍ－１的（ＣＨｚ）。亚甲基团平面摇摆振动．并且，特征峰不随层数的变化发生明显位移．还可以看出：薄膜的层数与红外特征峰吸光度之间存在着显著的线性关系．红外光谱法作为定量分析方法，具有吸收峰多，可选择的余地大的特点［７］．如图１所示，线性关系较好，可选择作为定量分析的特征峰有很多，便于分析有

７２０，１３６７，１４７１ｃｍ－１的峰．首先，选择７２０ｅｎｌｌ

特征峰为例，详细演示数据分析和处理的过程，然后对其他特征峰进行同样的处理，最后进行对比，验证该方法的可行性和准确性．

图１

１～５层聚乙烯塑料薄膜的傅里叶变换红外光谱

７２０

ｃｍ一１是一（ＣＨ２）。一（行＞４）亚甲基团平

万方数据

面摇摆振动产生的吸收锋，并且吸光度相对较强，对７２０ｃｍ－１的特征吸收峰进行放大处理得到图

２．７２０

ｅｌｌａ．＿１特征峰的吸光度与层数对应的关系

的数据见表１．

；

毫

图２

７２０

ｃｌｎ－１特征吸收峰的放大情况

裹１不同层数的聚乙烯塑料薄膜在７２０硼１

处特征峰的吸光度值

Ａ０．６２ｌ

０

１．１５０８１．９３８３２．５０９１２．９２１

１

采集数据运用Ｏｒｉｇｉｎ软件处理得到塑料薄膜层数与特征峰吸光度的工作曲线如图３所示．

图３聚乙烯塑料薄膜层数在７２０ｃｍ．１处特征峰吸光度的线性拟合情况

使用Ｏｒｉｇｉｎ拟合得到的线性关系为：ｎ＝

－－０．０３７１８＋１．６６１４２Ａ．相关度Ｒ＝０．９９４

９７，

显著性概率Ｐ＝０．０００４７．８．由此可见该拟合结果

的线性相关性很强，相关度高达９９．４９７％，并认为可取。

同时，该实验还建立了对比数学模型．验证该

第５期徐源．等：利用红外光谱仪快速测量塑料薄膜厚度

方法的准确性．采用以上处理７２０ｃｍ＿１特征峰的方法，对其他的特征峰进行同样的处理，得到的工作曲线的性质如表２所示．

裹２选择不同的特征峰得到的层散与吸光度的

工作曲线的性质参量对比

料薄膜厚度（层数）的工作曲线，可以准确、快速、无损伤地测量未知薄膜的厚度，并分析和验证了这种方法的可行性和可靠性．相对于传统的薄膜厚度分析测量方法，该方法更加节能、环保、快速、简便以及可靠．

参考文献：

Ｆ１］刘隆扯，刘炜炜．口一塑料薄膜测厚技术的研究［Ｊ］．

塑料工业，１９９５（５）１３３—３６．

１２］斯其兵，江晶．薄膜ｘ射线测厚仪［Ｊ］．仪表技术与

传感器，２００７（５）；１８—１９．

由表２可知：在聚乙烯塑料薄膜的傅里叶变换红外吸收光谱结果中．吸光度和层数的相关性很好，而且与特征峰关系不大，由此得出红外光谱法测量塑料薄膜厚度或者层数的方法具有普适性．因此，利用傅里叶变换红外吸收光谱记录到的薄膜的吸光度，代人相应的工作曲线方程，就能方便地得到相应薄膜的层数或者厚度．

［３］常源．王伟明．刘继红．管材挤出机超声波测厚系统

的研究ＥＪ］．塑料．２００８．３７（５）：９６—９９．

Ｅ４］彭雪莲．磁性法和电涡流法测厚仪的特点及应用

［Ｊ］．表面技术，２００４，３３（６）：８０—８２．

［５］胡永茂．项金钟．杨爱明。等．红外光谱仪在红外电

磁波吸收材料研究中的应用口］．物理实验，２００５，

２５（３）：３３－３６．

［６］师丽红。阎文博。孔勇发．钽酸锂晶体组分的ＯＨ一红

外吸收光谱测定方法ＥＪ］．物理实验，２００６，２６（１２）ｌ

１２一１５．

３结束语

红外吸收光谱法在物质的化学组成、结构的定量、定性分析方面有着重要的应用，在生产和生活中发挥了重要作用．本实验通过记录塑料薄膜的红外吸收光谱，找出特征吸收峰的吸光度与塑

［７３邓芹英，刘岚，邓慧敏．波谱分析教程［Ｍ］．北京：

科学出版社。２００３：２９—７６．

［８］吴性良。朱万森。马林．分析化学原理［Ｍ］．北京：

化工工业出版杜。２００４：３３３—３４５．

ＴｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＦＴ－ＩＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＸＵＹｕａｎｌ，ＨＵＡＮＧＪｉｎ—ｑｉａｎ９２，ＣＵＩＣａｎｌ，ＬＵＸｉｕ—ｌｅｌ，ＺＨＯＵ

Ｘｉａｎ－ｊｕｌ

（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ。ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ

ＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｔＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｕｚｈｏｕＪｉｎｇｙｉｎｇＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｉｍｉｔｅｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５６００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ

ａ

ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎｄｆｒｉｅｎｄｌｙｍｅｔｈｏｄ

ｔＯ

ｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ

ｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍｒａｐｉｄｌｙｆｒｏｍｔｈｅＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｆｒａｒｅｄ（ＦＴ－ＩＲ）ｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅｆｉｌｍ．ＡｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｌａｗＯｆＬａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇ

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ｏｆｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍｓ０ｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅｎ

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ｒａｐｉｄ，ａｃｃｕｒａｔｅ，ａｎｄｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｅｘｐｅｒｉ－

ｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ

ｆｉｌｍ（ｏｒｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｌａｙｅｒｓ）ｗａｓｃｒｅａｔｅｄ．Ａｔｌａｓｔ。ｔｈｅ

Ｉｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｂｓｏｒｂａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｌａｓｔｉｃａｎｄｉｔｓｔｈｉｃｋｎｅｓｓ（１ａｙｅｒｓ）ｈａｄｂｅｅｎｖｅｒｉｆｉｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ

ｌ

ｌａｗｏｆＬａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ；ｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍ

［责任编辑：郭伟］

万方数据

利用红外光谱仪快速测量塑料薄膜厚度

作者：作者单位：

徐源， 黄金强， 崔灿， 卢秀乐， 周贤菊， XU Yuan， HUANG Jin-qiang， CUI Can，LU Xiu-le， ZHOU Xian-ju

徐源,崔灿,卢秀乐,周贤菊,XU Yuan,CUI Can,LU Xiu-le,ZHOU Xian-ju(重庆邮电大学数理学院,重庆,400065)， 黄金强,HUANG Jin-qiang(苏州晶樱光电科技有限公司,江苏苏州,215600)

物理实验

Physics Experimentation2012,32(5)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

参考文献(8条)

1. 刘隆祉;刘炜炜 β-塑料薄膜测厚技术的研究 1995(05)

2. 斯其兵;江晶 薄膜X射线测厚仪[期刊论文]-仪表技术与传感器 2007(05)

3. 常源;王伟明;刘继红 管材挤出机超声波测厚系统的研究[期刊论文]-塑料 2008(05)4. 彭雪莲 磁性法和电涡流法测厚仪的特点及应用 2004(06)

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