太赫兹技术检验滚塑制品壁内气泡缺陷的可行性

滚塑成型是制备大型、异形中空塑料制品的一种重要加工方式，大多数时候，滚塑成型使用 粉末状塑料进行加工，在加工过程中气泡的形成 和排除是工艺的必然过程[1]，如果工艺条件不完善，在成型制品中存在残留气泡是非常常见的一种质 量缺陷。气泡的存在，会造成制品力学性能下降， 渗透性增加和诱导制品在应力下开裂[2]。

非金属承压容器是压力容器的一个重要分支， 使用滚塑工艺加工塑料制压力容器和衬里制压力 容器已经有

在大部分情况下，壁内气孔无法通过目视直 接观测，而破坏性检验只具备抽样价值。目前情 况下，对于非极性的聚乙烯塑料制品进行缺陷检 验尚无很好的办法。

太赫兹技术近年内发展迅速，由于0.1-10THz 的电磁波业具有透视性，对塑料、纸张、木材等 很多介电材料具有良好的穿透性，通过分析太赫 兹脉冲透过物质前后波形的变化或进行太赫兹成 像就可以实现无损检测[5],因此用于检验材料内部缺陷成为可能。

Zhang[6]和Ｒedo-Sanchez[7]等用太赫兹连续波 成像系统及THz-TDS 系统对灼烧以及未灼烧的石 墨纤维复合材料进行分析。在石墨纤维的太赫兹成像上可以明显区分出被灼烧的区域。

Quast［8］运用三维电场太赫兹成像技术对聚苯 乙烯泡沫结构进行分析，能发现人工设置的缺陷。

董福俊[9]使用太赫兹技术对预制缺陷的亚克力板进行了缺陷测量，发现太赫兹技术可较好地表征材料陷。 涂婉丽等[10]采用太赫兹无损检测系统的反射 模式对船舶防护涂层多层结构进行实验检测，对含气泡、剥离等缺陷的涂层进行了对比。

潘钊等[11]采用采用频率范围为反射式连续太 赫兹波检测系统，对航天复合材料与基板的粘接 缺陷进行了无损检测，通过与已知缺陷面积样件 对比，对粘接缺陷面积的预测误差在±9%以内。

张丹丹等[12]提出一种基于太赫兹时域光谱无 损检测的太赫兹反射式层析成像技术,用于分析玻 璃纤维蜂窝复合材料的粘接质量.实现了玻璃纤维 蜂窝材料的上层脱粘厚度 50μm、下层脱粘厚度 50μm 缺陷的太赫兹无损检测。

可以看出，利用太赫兹技术检测材料内部缺 陷的工作仍然处于前期研究状态，目前的研究仅 论证了可行性，在分析方法、测量精度控制等方 面还有待完善。

由于聚乙烯材料对太赫兹波的吸收接近零 （因此聚乙烯经常被作为太赫兹压片的稀释物使 用[13]），对于聚乙烯为基材的滚塑制品的内部缺陷 是否能被太赫兹技术探测到，至今无相关研究。

1、实验部分

1.1 材料 滚塑级 LLDPE 粉末：LLD510P,浙江瑞堂塑料科 技有限公司。 1.2 主要设备及仪器 烘箱式滚塑机：BF-1000 型，浙江本凡机械有 限公司； 模内无线测温仪：温岭旭日滚塑科技有限公 司； 太赫兹无损测试测量仪：TeraGaugeTM1000型， 加拿大滑铁卢大学。

图 1：太赫兹无损测试测量仪

1.3 试样制备 将 LLDPE 粉末按预定重量投入模具中，在模 具内部安置模内测温仪探头测量模内空气温度， 根据不同的模内空气温度选择加热时间，预制出 带有壁内气泡的和无壁内气泡的样品。 A1：无壁内气孔，表面平整的透明对比样； A2：一侧表面不平整，但无壁内气泡的透明 样品； A3：材料一侧内部存在可见气泡的透明样品； B1：无壁内气孔，表面平整的黑色对比样； B2：材料一侧内部存在可见气泡的黑色样品

1.4 性能测试 将样品编号，A1 作为后续缺陷检测的对比样。 然后从有缺陷的样本中获得信号特征，并与对比 样信号进行比较，以确定典型缺陷区域。信号差 异确定检测气泡的有效性。 所有样品均从板材两侧进行扫描，以验证是 否可以检测到缺陷而不考虑板材方向。 试验参数：扫描频率：0.1-5THz；扫描速度： 300ms；样品工作距离：77mm；扫描斑束尺寸直 径:4mm。

2、结果及其讨论

2.1 扫描端面对测试的影响 从两个面对 A1 样品分别进行扫描。从图 2 可 以看出，无论从那个面进行扫描，样品面均出现 强烈的反射现象，两个反射峰之间的距离代表的 样品厚度。反射峰的出现和扫描面无关。

图 2：A1 样品的太赫兹扫描反射图谱

2.2 表面平整度对测试的影响 对 A2 样品进行扫描，从图 3 可看出，无论样 品的表面平整程度如何，反射峰均会出现，但由 于样品表面不平整，该侧反射峰的位置发生变化， 这也正反应了太赫兹测量技术对厚度测试的敏感性。

图 3：A2 样品的太赫兹扫描反射图谱

2.3 壁内气孔对测试的影响 在 A3 样品上选择无气泡的区域，和 A1 样品 进行对比，从图 4 可看出基本无区别。

图 4：A3 无气泡区域太赫兹反射图像

在 A3 样品上选择有气泡的区域进行扫描，从 图 5 可以看出，有气孔的一侧反射峰严重衰减。

图 5：A3 有气泡区域太赫兹反射图像

2.4 样品透明度对测试的影响 对 B1 样品进行扫描，得出的图谱和 A1 类似， 对 B2 样品进行扫描，得出的图谱和 A3 类似，说 明材料的透明度对测试无影响。

图 6：B1 样品太赫兹反射图像

图 7：B2 样品太赫兹反射图像

3 结论

根据试验样品，太赫兹信号可用于检测聚乙 烯滚塑制品的的壁内气孔缺陷。 测量面、样品表面平整度和样品透明度不影 响对壁内气孔的测试。

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