MBT-300霍爾效應(yīng)測厚儀在PET吹瓶和灌裝行業(yè)中壁厚的測量與控制

1、為什么要測量PET瓶的瓶壁厚度？

在PET瓶吹瓶行業(yè)，PET瓶在瓶頸、瓶身和底座處的壁厚需要維持在一定的范圍內(nèi)（表1，表2），與瓶身壁厚有關(guān)的主要問題有：瓶頸變細(xì)、瓶身壁薄，底座球狀突起。瓶壁厚度與PET瓶多方面的物理性能密切相關(guān)，尤其是在瓶的CO₂滲漏速度、頂壓強(qiáng)度、耐內(nèi)壓力（爆瓶）、抗真空度和耐熱性能。為了使壁厚達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，在吹瓶時(shí)必須對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，包括溫度、濕度、瓶胚質(zhì)量、樹脂質(zhì)量和設(shè)備的參數(shù)設(shè)置。

對于使用于碳酸飲料的PET瓶（如可樂），瓶壁厚度與CO₂滲漏速度有關(guān)，研究結(jié)果表明：PET分子間的空隙充滿CO₂分子，CO₂分子就會(huì)從瓶身滲漏出來，瓶壁厚度越大，CO₂的損失率越小。PET瓶的壁厚與其耐內(nèi)壓力有關(guān)，由于吹瓶時(shí)瓶胚經(jīng)過拉伸后，分子呈定向排列，耐內(nèi)壓力性能顯著地提高，同時(shí)瓶身壁厚變薄，耐內(nèi)壓力性能下降；如果水瓶壁厚不足，在跌落實(shí)驗(yàn)中容易破損，且需要充氣來維持瓶身的強(qiáng)度；對于熱灌裝的PET瓶，瓶壁厚度與瓶的耐真空度和耐熱性有關(guān)，為了提高其抗真空性能，通常采取增加PET瓶壁厚（瓶重），和在瓶壁上增加各種加強(qiáng)筋等措施。

PET瓶是常用于碳酸飲料、無菌包裝飲料和熱灌裝飲料的包裝容器，分別對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)有：

• QB/T1868 - 2004 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）碳酸飲料瓶
• QB/T 2357 聚酯（PET）無汽飲料瓶
• QB/T2665 - 2004 熱灌裝用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶

瓶胚是在拉吹瓶之前通過熱熔注塑工藝的制成品，瓶胚的一些缺陷在后續(xù)工藝中無法得到彌補(bǔ)和解決。因此，為了zui終拉吹出符合灌裝技術(shù)要求的PET瓶，在吹瓶和灌裝工業(yè)對瓶胚也有要求。除上述標(biāo)準(zhǔn)外，在此再加上兩個(gè)與PET瓶相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。如下：

• BB/T XX - X 包裝容器 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶坯（征求意見稿）
• GB/T17876 - 2008 包裝容器 塑料防盜瓶蓋

碳酸飲料瓶：規(guī)定了不同規(guī)格的PET瓶不同部位的測量點(diǎn)數(shù)和zui小厚度要求，見表1；

無菌灌裝PET瓶：在QB / T 2357 聚酯（PET）無汽飲料瓶中，并未規(guī)定PET瓶厚度要求，但企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)的質(zhì)量控制中有這個(gè)指標(biāo)，而且在每個(gè)廠內(nèi)部質(zhì)量控制值存在一些差異；

熱灌裝飲料瓶：熱灌裝飲料的瓶壁厚度如表2所示。

我們注意到，針對不同使用場合的PET瓶、PET瓶的不同部位，不同規(guī)格的PET瓶，對瓶壁zui小厚度的要求各不同，每個(gè)工廠應(yīng)根據(jù)自身產(chǎn)品的類別和PET瓶的規(guī)格控制瓶壁厚度指標(biāo)。

2、在哪些情況下要測試PET瓶的壁厚？

由于PET材質(zhì)優(yōu)良的物理化學(xué)性能和PET制瓶技術(shù)已相當(dāng)?shù)某墒?，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模地自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)勢，PET瓶已廣泛應(yīng)用于眾多的行業(yè)。在食品飲料行業(yè)中的充氣碳酸飲料，如可樂，果味型汽水等，熱灌裝飲料，如奶茶、果汁等，和無菌灌裝飲料，如茶飲料、純凈水等行業(yè)。PET瓶也被廣泛地應(yīng)用于精細(xì)化工行業(yè)，如機(jī)器的潤滑油，液態(tài)的洗滌日化用品等的包裝容器。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的不同瓶型和不同規(guī)格的瓶子，它們在技術(shù)要求上千差萬別，不同用戶需根據(jù)自身的產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)做好質(zhì)量控制。

備注：殼牌（HELIX）、立白、娃哈哈、怡寶、可口可樂分別為上述各公司的產(chǎn)品品牌。

在PET飲料瓶的生產(chǎn)過程中，主要包括注塑、拉伸和吹瓶幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。注（射）拉（伸）吹塑工藝是一類在聚合物的高彈態(tài)下通過機(jī)械方法軸向拉伸型坯、用壓縮空氣徑向拉伸型坯以成型中空容器的方法，可分成一步法與兩步法。在兩步法中先采用注射法成型瓶胚，并使之冷卻至室溫，成為半成品，然后把瓶胚送入再加熱拉伸吹塑機(jī)械中，成型為制品。注塑工序是將PET樹脂加工成符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

的瓶胚，瓶胚的缺陷可能造成zui終的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或不穩(wěn)定，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。瓶胚厚度是瓶胚質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中zui重要的控制指標(biāo)之一。在拉伸吹瓶工序，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料在高彈態(tài)下經(jīng)拉伸取向后，材料的機(jī)械性能、阻滲性能、透明性與耐溶劑性得到很大提高，同時(shí)瓶身的壁厚逐漸變薄，PET瓶的壁厚與其多個(gè)方面的性能密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)PET瓶的使用方法和瓶型，將瓶各個(gè)部位的壁厚控制在一個(gè)合適的范圍。

根據(jù)包裝工藝和生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度的不同，這些PET瓶或在線上經(jīng)滅菌和清洗后，直接用于灌裝和封蓋，或經(jīng)貼標(biāo)后再運(yùn)輸至需要的灌裝線。這些成品PET瓶需要滿足不同灌裝產(chǎn)品所要求的瓶重，塑料分段重量，各部位的瓶壁zui小厚度等技術(shù)要求。一般由生產(chǎn)操作員按“吹瓶生產(chǎn)過程品質(zhì)控制”的要求從吹瓶線抽取PET空瓶，在開機(jī)時(shí)就對吹瓶機(jī)的每個(gè)模具上取樣瓶檢驗(yàn)瓶壁厚度（剔除*模的樣品）。在生產(chǎn)正常進(jìn)行時(shí)要定時(shí)地從線上取樣瓶檢驗(yàn)瓶壁zui小厚度，檢查產(chǎn)品是否符合相應(yīng)PET瓶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和灌注要求，以便及時(shí)地對生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)工廠的檢驗(yàn)規(guī)則可能不同，但都必須在生產(chǎn)線上對PET瓶的厚度進(jìn)行檢驗(yàn)和控制，例如每臺吹瓶機(jī)每12小時(shí)要做一次厚度測試，每個(gè)吹瓶模號抽取一個(gè)瓶，每個(gè)瓶測量若干個(gè)點(diǎn)，其中冷灌裝瓶的瓶底部中心厚度為每2個(gè)小時(shí)一次，具體測量部位參見各瓶型檢測標(biāo)準(zhǔn)。

上述已清楚得說明PET瓶成型中的注拉吹塑工藝，一切皆為“zui終的產(chǎn)品質(zhì)量”和“下一步的工序”考慮，因此有必要了解一下飲料PET包裝的分類和要求，以及相應(yīng)的灌裝線。根據(jù)包裝產(chǎn)品的特性，PET瓶通常分為：水瓶、碳酸飲料瓶（CSD）、熱灌裝瓶（HR）。HR瓶具有耐熱性能，瓶口采用結(jié)晶處理，瓶身采用熱成型工藝，確保飲料灌裝前后及儲(chǔ)存過程中不產(chǎn)生形變，耐熱溫度可達(dá)90℃以上。CSD瓶則具有耐內(nèi)壓性能。水瓶要求較低一些，沒有耐熱和耐壓的要求，只有跌落性能要求。各灌裝廠應(yīng)根據(jù)自身的產(chǎn)品特性和采用的生產(chǎn)工藝技術(shù)選擇相適應(yīng)的灌裝線。

無菌冷灌裝線：首先對物料進(jìn)行UHT瞬時(shí)殺菌，然后快速降溫至常溫（25℃），進(jìn)入無菌罐中暫存。其次用化學(xué)消毒劑將瓶子、蓋子進(jìn)行殺菌，然后在無菌環(huán)境下進(jìn)行灌裝，直至*密封后才離開無菌環(huán)境。整個(gè)過程物料受熱時(shí)間短，灌裝操作均在無菌環(huán)境下進(jìn)行，灌裝設(shè)備和灌裝區(qū)也都經(jīng)過消毒處理。即“無菌的產(chǎn)品液”在“無菌的環(huán)境”下使用“無菌的容器”進(jìn)行“常溫”充填、封蓋的系統(tǒng)。

熱灌裝線：物料經(jīng)過UHT瞬時(shí)殺菌后，降溫到85 ~ 92℃進(jìn)行灌裝，同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品回流以保持恒定的灌裝溫度，然后保持該溫度對瓶蓋進(jìn)行殺菌。

中溫?zé)峁嘌b：物料殺菌灌裝后在65 ~ 75℃進(jìn)行巴氏殺菌并添加防腐劑。這兩種方式無需對瓶子和蓋子進(jìn)行單獨(dú)滅菌，只需將產(chǎn)品在高溫下保持足夠長的時(shí)間即可達(dá)到殺菌效果。

對于那些只有吹瓶機(jī)的用戶必須對新入廠的瓶胚做好空瓶質(zhì)量接收檢驗(yàn)，同時(shí)對吹瓶生產(chǎn)過程中PET空瓶的壁厚進(jìn)行檢驗(yàn)和控制。而對于只有灌裝機(jī)的用戶必須對新入廠的空瓶做好質(zhì)量接收（原料）

檢驗(yàn)。瓶胚壁厚、PET瓶的壁厚是吹瓶廠和灌裝廠zui重要的控制指標(biāo)之一，在生產(chǎn)過程中需嚴(yán)格控制。

連線吹瓶灌裝（Integrated blowing and filling operation）：是指瓶胚倒入料斗，胚機(jī)由傳輸帶送入加熱爐，在吹瓶機(jī)上瓶胚經(jīng)拉吹塑成型，由灌裝機(jī)往PET瓶內(nèi)注入被灌裝液體，再進(jìn)入旋蓋機(jī)封口。以上操作均在自動(dòng)化的生產(chǎn)線上完成。

非連線灌裝（Off line hot filling）：從別的吹瓶機(jī)將PET瓶運(yùn)輸入廠后，經(jīng)檢驗(yàn)合格批次的PET瓶從傳輸帶送至灌裝機(jī)，完成灌裝和旋蓋封口。

3、如何測量PET瓶的壁厚？

無損檢測（Non Destructive Testing, NTD）是在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，采用射線、超聲、紅外、電磁等技術(shù)的儀器對材料、零件、設(shè)備進(jìn)行缺陷、化學(xué)、物理參數(shù)的檢測技術(shù)，如檢測對象是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷大小，位置，性質(zhì)和數(shù)量等信息。無損檢測可有效地降低企業(yè)的質(zhì)量控制成本，提高檢測頻次甚至實(shí)現(xiàn)全檢，提高產(chǎn)品質(zhì)量保證。目前在瓶壁厚度檢驗(yàn)方便使用zui多的無損檢驗(yàn)技術(shù)，包括磁力（霍爾效應(yīng)）測厚技術(shù)、X光投影技術(shù)和超聲波測厚探傷技術(shù)。其中X光常用于金屬材料和復(fù)合材料，超聲波測厚和磁力測厚可用于陶瓷、塑料、鋁質(zhì)金屬，鈦合金等非鐵類

材料，尤其是不規(guī)格形狀，或小曲率表面的厚度測量發(fā)揮巨大的用途。

MBT-300基于霍爾效應(yīng)傳感器測量從探頭至鋼珠間的距離，即時(shí)顯示出材料的厚度變化。磁場強(qiáng)度在鋼珠遠(yuǎn)離時(shí)為zui小，在鋼珠置于*時(shí)為zui大（如圖7）。當(dāng)然對于不同尺寸的鋼珠及不同的探頭，磁場強(qiáng)度也是不同的。因此，控制器運(yùn)用了一個(gè)數(shù)碼查詢表，將磁場強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化為厚度數(shù)據(jù)。只有在校準(zhǔn)步驟完成后，及儀器在經(jīng)正確地校準(zhǔn)達(dá)到良好工作狀態(tài)時(shí)，在MBT-300上得出的厚度數(shù)據(jù)才會(huì)準(zhǔn)確而有效。

MBT-300霍爾測厚儀的校準(zhǔn)：

在每次重新開機(jī)，或更換鋼珠時(shí)，儀器必須做一次簡單校準(zhǔn)。重新開機(jī)而未做簡單校準(zhǔn)儀器將不能進(jìn)入測試狀態(tài)。更換鋼珠時(shí)執(zhí)行簡單校準(zhǔn)是為了儀器自動(dòng)識別鋼珠類型。要使測量數(shù)據(jù)一致可靠，必須要保持儀器的性，我們鼓勵(lì)用戶對儀器進(jìn)行保養(yǎng)操作和多點(diǎn)校準(zhǔn)。多點(diǎn)校準(zhǔn)生成自定義的查詢表格，以便獲得更高的度。具體的簡單校準(zhǔn)和多點(diǎn)校準(zhǔn)方法參考嘉儀儀器公司《MBT-300霍爾效應(yīng)測厚儀使用說明書》。

正確地使用霍爾效應(yīng)測厚儀（正確地選擇鋼珠、測量方法）：

建議每次使用前都要進(jìn)行簡單的單點(diǎn)校準(zhǔn)，因?yàn)檫@樣可以自動(dòng)識別鋼珠的類型，以確保其厚度讀數(shù)的連貫性，要測量材料壁厚，將一枚小鋼珠置于測試材料的一面，并將探頭置于材料的另一面，鋼珠會(huì)被探頭尖的磁場吸引。探頭的霍爾效應(yīng)傳感器測量從探頭至鋼珠間的距離，即時(shí)顯示出厚度讀數(shù)。MBT-300配有三種不同尺寸的鋼珠，通常情況下，使用能在被測量的凹面范圍內(nèi)自由滾動(dòng)的zui大鋼珠。

當(dāng)鋼珠處于范圍內(nèi)時(shí)，如果探頭軸垂直，鋼珠或探頭尖遇到障礙，或探頭不正，會(huì)導(dǎo)致測量錯(cuò)誤。測量材料的方式是在探頭支架上使用探頭，此方法使重力和探頭引力共同作用，確保與探頭尖對齊。在表四中圖示出各種正確的和錯(cuò)誤的厚度測量的方法。

zui大值和zui小值捕捉測量：

zui小值測量功能是zui重要的功能之一，當(dāng)zui小值測量模式開啟時(shí)，屏幕上除了當(dāng)前的厚度讀數(shù)，還出現(xiàn)一個(gè)zui小的厚度值，使用該模式，用戶可審查某一特定區(qū)域，并在短時(shí)間內(nèi)可靠地記錄zui小數(shù)值。將Min Capture設(shè)置為ON，并返回測量模式可啟動(dòng)此項(xiàng)功能，zui小捕獲的默認(rèn)狀態(tài)為關(guān)閉，按面板上的“min”鍵進(jìn)行zui小值捕捉和普通測量模式之間切換，轉(zhuǎn)動(dòng)瓶身，測量一圈厚度，儀器自動(dòng)捕捉和記錄zui小值，測量儀每個(gè)班次校正一次，在每次開機(jī)或更換鋼珠時(shí)必須做一次簡單校準(zhǔn)。如果要進(jìn)行zui大值捕捉測量模式，其操作與zui小值捕獲相似，將Max Capture設(shè)置為ON，按面板上的“2nF”鍵，開始激活zui大厚度讀數(shù)。zui大值捕捉測量和zui小值捕捉測量不能同時(shí)開啟。

注意：按ENTER鍵可鎖定當(dāng)前測量值，或zui小捕獲值，或zui大捕獲值；按“2nF”鍵可清除已鎖定的值，下一次測量的值就被更新為zui小值、或zui大值。按“SAVE”鍵機(jī)器保存當(dāng)前數(shù)據(jù)后ID自動(dòng)增加1。

其他測厚方法的介紹：

超聲波測厚：當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過測量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測材料的厚度。它可以對各種材料的板材和加工零件作測量；可以對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測，檢測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度。也可以在不去除所涂油漆層的情況下，準(zhǔn)確的測量板材厚度。

分段稱重法：把PET瓶子切割成幾部分(zui多可切成五段)，對每部分進(jìn)行分段稱重，核查每個(gè)部分是否達(dá)到對應(yīng)的重量標(biāo)準(zhǔn)。如，對于200 mL ~ 500 mL(zui大直徑 = 110 mm) PET樣瓶，測試時(shí)可以被地切割成三段：底、身和頂，分別稱重。每一個(gè)部分均有準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)重量，要求符合質(zhì)量指標(biāo)。