關鍵詞：紅外膜厚儀；耐指紋涂層；檢測原理；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，在建筑、家電、汽車等行業具有廣泛的應用。目前熱鍍鋅板的主要表面處理工藝包含有：鈍化處理（三價鉻鈍化和無鉻鈍化）、耐指紋膜（三價鉻耐指紋、無鉻耐指紋）、自潤滑膜（三價鉻自潤滑、無鉻自潤滑）、涂油[1]。涂層的決定了產品的最終性能，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注的重點問題，常規的測量方式多為在線剪板取樣送至化驗室檢測獲取膜厚值，或者產線旁使用手持設備進行快檢。實驗室環境好，專業技術人員測量，檢測精度較高，但是時效性差；線旁手持測量環境較差，精度稍低，且面對較寬的板時操作上存在困難，且需要靠近產線測量，具有一定的危險性。

因此隨著性能要求和安全等各方面因素的推動，在線厚度檢測設備也在逐漸在各產線上出現。RX2500以及RX4000均為日本KURABO公司電子事業部研發的紅外膜厚儀，專門用于鋼鐵行業內涂油，涂層的膜厚在線檢測設備。設備由RX250和RX400系列升級而來，已有超過30余年的使用歷史，國內外超過150余條產線投入使用。RX2500系列主要測量涂油的厚度，可用于鍍鋅板涂油厚度測量，RX4000系列主要應用于硅鋼行業測量絕緣涂層，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、自潤滑和鈍化膜的厚度檢測。

2 檢測原理

2.1 紅外吸收光譜

當紅外光的頻率與分子中某個基團的震動頻率一致或成整數倍時，就會發生紅外吸收。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象。該方法通常用于定性分析物質的種類并推斷其結構，若對其中特定吸收峰的位置進一步進行定量的分析則可以利用朗伯-比爾定律計算吸光度與膜厚值的關系。

                                                                                                                                       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，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。表示光被吸收的量正比于光程中產生光吸收的分子數目，其數學表達式如下：

由于鍍鋅板涂油或涂層多為混合物，我們可以根據紅外吸收光譜掃描的結果，選擇合適的吸收峰位置作為厚度計算的特征吸收峰。且對特定配方的產品其組分固定，即對于特定產品而言，公式中的摩爾吸光系數K，吸光物質的濃度c均為定值，說明吸光度與膜厚值成正比例關系，見圖2，圖3所示。

                               圖2 不同厚度的同類產品的紅外吸收光譜圖

                                     圖3 吸光度-膜厚關系圖

3 Kurabo紅外膜厚儀技術特點

設備基本結構見圖4所示，光源首先通過濾光片轉盤轉化為單色光，再透過偏振片，濾去容易發生漫反射的S偏光，在涂層內發生紅外吸收后，經由鋼板表面反射回到接收器內。接收器將光信號轉化為電信號再通過數據處理單元轉化為吸光度數據，代入到吸光度-厚度曲內進行計算，獲得最終的膜厚值[3]。

                                      圖4 紅外膜厚儀基本結構示意圖

對于RX2500和RX4000，兩者均是利用紅外吸收進行但是在檢測波段范圍上存在差異，見圖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區域，該位置通常對應C-H鍵的吸收，可涵蓋有機物的檢測，如防銹油。RX4000則根據涂層紅外吸收光譜，選擇合適的吸收峰定制濾光片測量，波長范圍可在5-12μm內選擇，可涵蓋C=C鍵、SI-O鍵、P-O鍵等傳統紅外膜厚儀無法檢測到的吸收峰位置，擴大了設備的適用范圍，針對半有機或無機的涂液理論上也能適用。

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

4 測試結果

測試采用RX4000對某廠的耐指紋涂層進行曲線的制作，觀察制作曲線的相關性。并測試測量儀器短期穩定性、長期穩定性及再現性。

表1為某熱鍍鋅板耐指紋涂層不同厚度的樣品使用RX4000膜厚儀測量吸光度，并依據該組數據，繪制吸光度-膜厚曲線的結果。可以看到采用一次項擬合的曲線相關性為97.73%，采用二次項擬合的曲線為98.8%，見圖6所示。

表1 RX4000吸光度-膜厚數據表

根據朗伯-比爾定律吸光度理論上與厚度成正比例關系，即一次項曲線，但是實際應用中由于外部環境因素的干擾，如厚度范圍跨度較大，厚度造成的光損失等因素，在一次項擬合不佳的情況下，亦可選擇二次項進行擬合，以達到更佳的測試效果。

                                       圖6 RX4000二次項擬合曲線和一次項擬合曲線

將吸光度代入到二次項公式內，重新計算厚度值并于標準值比較發現，與標準值的偏差最大僅0.04。

下表2另一種熱鍍鋅耐指紋涂層采用RX2500膜厚儀測量的數據結果。采用一次項擬合相關性為98.55%，使用二次項擬合相關性為99.5%。使用二次項擬合的公式代入吸光度計算膜厚值與標準值最大偏差為0.07。

表2 RX2500吸光度-膜厚數據表

                                圖7 RX2500二次項擬合曲線和一次項擬合曲線

在實際應用中需要注意的是，由于該設備為間接測量膜厚的設備，膜厚的標準值通常依賴于其他第三方的儀器獲得，如接觸式測厚儀或X熒光測厚儀等，在第三方儀器不能獲得較為準確的膜厚值的情況時，采用不準確的膜厚標準值與吸光度進行擬合獲得的曲線相關性會比較差，且不具有實際的指導意義。

5 結論

KURABO紅外膜厚儀可以用于熱鍍鋅板表面耐指紋膜厚的檢測。鑒于涂料或涂油時均含有大量的有機組分，使用RX2500及RX4000均可以測量膜厚值。使用標樣建立曲線后在相關性98以上時，基本可以保證與標準值的偏差在0.1以內，具有優秀的檢測精度。

同時基于設備的檢測原理，亦可用于涂油或其他類型涂液的厚度測量，具有廣闊的應用前景。