Тестер толщины тонких плёнок позволяет производителям и исследователям точно и стабильно измерять толщину гибких материалов. От плёнок для пластиковой упаковки до многослойных материалов с высокими барьерными свойствами — толщина может влиять на эксплуатационные характеристики материала, защиту продукта и контроль качества. Но как работают эти приборы и какие материалы они могут измерять? В этом руководстве рассматриваются основы измерения толщины тонких плёнок, распространённые методы измерения и области применения, важные для упаковочной и других отраслей промышленности.

Что измеряет тестер толщины тонких плёнок?

Тестер толщины тонких плёнок измеряет расстояние между двумя поверхностями плёнки или листового материала. В упаковочной отрасли результат обычно выражается в микрометрах (µm). В зависимости от прибора и процедуры испытания измерение может характеризовать локальную точку, усреднённое значение на площади под измерительным зондом или профиль по ширине движущегося полотна.

Это различие имеет значение. Одно измерение позволяет подтвердить толщину в конкретном месте, но не показывает, насколько равномерна вся рулонная плёнка. Аналогично, контактный прибор может определить общую толщину многослойного ламината, не выявляя толщину каждого отдельного слоя.

Понятие «тонкий» охватывает широкий спектр материалов. Лабораторный прибор, предназначенный для измерения гибкой упаковочной плёнки, не обязательно подходит для сверхтонкого покрытия на стекле или нанесённого слоя на полупроводниковой пластине. Выбор подходящего принципа измерения зависит от материала, ожидаемой толщины, состояния поверхности и необходимых данных.

Почему толщина важна для гибкой упаковки

Толщина плёнки влияет на поведение материала при переработке и эксплуатации. Отклонения могут влиять на жёсткость, удобство обращения, намотку, стабильность формирования шва и количество материала в готовой упаковке. Даже плёнка с допустимой средней толщиной может иметь локальные участки с меньшей или большей толщиной, которые создадут проблемы на последующих этапах производства.

В барьерной упаковке толщина — один из факторов, влияющих на характеристики, но она не заменяет испытание барьерных свойств. Проницаемость для кислорода или водяного пара также зависит от используемых материалов, структуры слоёв, дефектов и условий испытания. Одного измерения общей толщины недостаточно, чтобы установить, соответствует ли фармацевтическая упаковка или упаковка с высокими барьерными свойствами конкретным требованиям к защите.

Результаты измерения толщины полезны при анализе результатов других испытаний. Например, изменения поведения при растяжении легче интерпретировать, если известны толщина образца и её вариативность. То же относится к сравнению плёнок из разных партий: измерение даёт контекст, но само по себе не предоставляет полного объяснения.

Чем различаются методы измерения толщины плёнки?

Не существует универсального метода, одинаково подходящего для всех плёнок. Главное различие заключается в том, контактирует ли прибор с образцом и какое физическое свойство используется для расчёта толщины.

Контактное измерение

Контактный толщиномер помещает образец между измерительными поверхностями — обычно между плоской опорной плитой и подвижным измерительным наконечником. Прибор определяет расстояние между поверхностями, когда наконечник опирается на материал. Этот подход широко применяется для гибких плёнок и листовых материалов, поскольку обеспечивает прямое измерение и не требует прозрачности материала.

Сила контакта, а также размер и форма измерительных поверхностей — это не второстепенные детали. Мягкий или сжимаемый материал может показать разные результаты при разной нагрузке. На место контакта поверхностей также может влиять текстура поверхности, поэтому полученное значение может быть напрямую несопоставимо с результатом, полученным другим методом.

Автоматизированные контактные толщиномеры могут контролировать перемещение зонда и снимать показания в заданных точках, снижая влияние некоторых факторов, связанных с действиями оператора. Однако автоматизация не отменяет необходимости в подходящем плане отбора проб, чистых измерительных поверхностях и проверке прибора.

Оптические и другие бесконтактные методы

Оптические системы используют взаимодействие света с материалом для оценки толщины. В зависимости от технологии они могут анализировать отражённый свет, интерференцию или положение поверхностей. Такие системы могут быть полезны, если контакт с образцом способен его деформировать или необходимо охарактеризовать очень тонкие слои.

Пригодность метода зависит от оптических свойств и структуры образца. На результат могут влиять прозрачность, состояние поверхности, показатель преломления, покрытия и наличие нескольких границ раздела. Некоторые методы при соответствующих условиях позволяют определять толщину отдельных слоёв, другие — нет. Метод, подходящий для прозрачного гладкого покрытия, может оказаться непригодным для непрозрачного печатного ламината.

Другие бесконтактные методы применяются для непрерывного контроля производства. Выбор зависит от материала и принципа работы датчика; некоторым системам требуется калибровка для конкретного материала. Поточный толщиномер удобен для отслеживания изменений по ширине полотна, а лабораторное измерение может служить независимой проверкой в контролируемых условиях. Не следует считать их показания взаимозаменяемыми без предварительного сравнения.

Какие материалы можно испытывать?

Тестер толщины плёнок, предназначенный для упаковочных материалов, можно использовать для многих гибких материалов, если образец соответствует диапазону прибора, а выбранный метод подходит для него:

• Пластиковые плёнки: полиэтилен, полипропилен, полиэстер и другие плёнки для пакетов, обёрточных материалов, крышек и переработки.
• Многослойные плёнки и ламинаты: комбинированные структуры, обеспечивающие прочность, герметизацию, внешний вид или барьерные свойства. При контактном измерении обычно определяется общая толщина.
• Фольга и упаковочные материалы на её основе: тонкая металлическая фольга или ламинаты с фольгой, для которых важно учитывать состояние поверхности и деформацию под воздействием зонда.
• Бумага, бумага с покрытием и аналогичные гибкие листовые материалы: материалы, которые могут быть сжимаемыми или текстурированными и поэтому чувствительными к измерительному давлению и площади контакта.
• Покрытия и нанесённые плёнки: их можно измерять подходящим оптическим или другим специализированным методом в зависимости от свойств подложки и слоя.

Пригодность определяется не только названием материала. Для образцов со складками, тиснением, липкой или пористой поверхностью, а также для сильно сжимаемых материалов может потребоваться специальная подготовка или другой метод. Прибор следует оценивать на реальном образце, а не только на основании общего описания, например «пластиковая плёнка».

Можно ли измерить отдельные слои ламината?

Не обязательно. Если материал пакета состоит из нескольких соединённых слоёв, обычный контактный толщиномер измеряет всю структуру в целом в месте проведения испытания. Он не позволяет определить, какая часть результата приходится на слой герметика, барьерный слой, клей или наружную плёнку.

Для измерения отдельных слоёв может потребоваться подходящий оптический метод или микроскопическое исследование подготовленного поперечного среза. Выбор подхода зависит от того, можно ли различить слои, какова их ожидаемая толщина и какая точность необходима. Попытка отделить соединённые слои и измерить их по отдельности может повредить или деформировать материал, поэтому такую процедуру не следует автоматически считать эквивалентной измерению целого ламината.

Этот вопрос полезно прояснить заранее: требуется ли контролировать общую толщину, оценить распределение толщины по слоям или исследовать предполагаемый дефект покрытия? Для каждого случая могут понадобиться разные приборы и подготовка образца.

Как получать сопоставимые результаты измерений

Ценность показания толщины зависит от условий, при которых оно было получено. Различия между приборами, лабораториями или поставщиками могут отражать реальные различия материалов, но также могут быть обусловлены различиями в методике.

Начните с репрезентативного образца. Толщина плёнки может меняться по ширине и длине рулона, поэтому выбирайте точки измерения с учётом цели испытания. При анализе производственного процесса измерения по ширине полотна могут быть информативнее, чем повторные измерения в одной точке. Если важна вариативность, указывайте точки отбора проб и отдельные результаты, а не только среднее значение.

Образец должен лежать ровно, без растяжения, складок, попавшего внутрь мусора и наложения слоёв. Не проводите измерение в области печати, шва, тиснения или у края, если именно эта особенность не является предметом испытания. Для мягких материалов дайте показаниям стабилизироваться в соответствии с выбранной процедурой; более длительное или сильное нажатие вручную может изменить результат.

Важны и условия окружающей среды. Некоторые материалы реагируют на температуру или влажность, поэтому кондиционирование и условия испытания должны соответствовать применимому методу или согласованной процедуре. Записывайте сведения о приборе, конфигурации зонда, контактном давлении, если оно имеет значение, и любых отклонениях от процедуры. Эти данные особенно полезны, когда поставщик и заказчик получают разные значения для материала, который, по их предположению, является одинаковым.

Для измерения толщины пластмасс и других материалов существуют утверждённые методы, в том числе ASTM D374 и ISO 4593. Следует проверить, применимы ли они к конкретному материалу и предполагаемому использованию, а также уточнить требования к оборудованию, подготовке образца и актуальные редакции стандартов. Одного упоминания стандарта недостаточно, чтобы считать два результата эквивалентными, если фактически применялись разные процедуры.

Разрешение — не то же самое, что точность измерения

Прибор может показывать несколько знаков после запятой, но это не доказывает надёжность каждой отображаемой цифры. Разрешение характеризует наименьший отображаемый или обнаруживаемый шаг; точность — близость результата измерения к эталонному значению. Повторяемость показывает, насколько близки друг к другу повторные показания при заданных условиях. Эти характеристики связаны между собой, но не тождественны.

При практической оценке следует учитывать ожидаемую толщину плёнки и значимый для применения допуск, а затем проверить, подходят ли заявленные характеристики прибора и метод измерения. Проверка с использованием соответствующих эталонов помогает выявить проблемы, но не устраняет неопределённость, связанную со сжатием образца, шероховатостью или техникой оператора.

При сравнении характеристик проверьте весь диапазон измерений, а не только наименьший отображаемый шаг. Также выясните, как указаны характеристики, при каких условиях они получены и соответствуют ли измерительные поверхности и усилие предполагаемой методике испытания.

С чего начать выбор

Для плановых проверок гибкой упаковки контактный толщиномер часто становится разумным отправным вариантом, если требуется измерить общую толщину. Если плёнка легко повреждается, очень мягкая, непрерывно движется или состоит из слоёв, которые необходимо измерять отдельно, более подходящим может оказаться бесконтактный или специализированный метод.

Перед сравнением приборов определите материал и диапазон толщины, а также то, будет ли измеряться вырезанный образец или движущееся полотно и как будут использоваться результаты. Затем подтвердите требования к методу испытания, измерительному усилию, точкам отбора проб, калибровке и отчётности. Испытание репрезентативного образца может выявить ограничения, которые не видны из одной лишь спецификации.

Paratronix Instruments Co., Ltd. разрабатывает и поставляет приборы для испытаний упаковки, предназначенные, в частности, для фармацевтической упаковки, пластиковых плёнок и материалов с высокими барьерными свойствами. Если толщина — лишь один из аспектов более широкой задачи контроля качества, обсуждение структуры плёнки и других оцениваемых свойств поможет определить, какие измерения необходимы и какие выводы нельзя сделать только на основании результата измерения толщины.