無損檢測在塑料制品中的應用研究

秦亞 王進

【摘 要】綜合分析了塑料制品在成型和使用過程中存在的缺陷及缺陷產生原因，指出成型工藝、原料因素等是其成型過程中產生缺陷的主要原因。無損檢測是塑料制品質量保證的必要手段，對國內外用于塑料制品的幾種無損檢測方法進行比較，認為射線檢測是塑料產品常見缺陷檢測的有效方法。并介紹了射線檢測技術的研究和應用。

【關鍵詞】塑料制品 無損檢測 應用

【Abstract】Reasons of formation of defects in plastic products during manufacturing process and service are analyzed， which can be attributed to the manufacturing process， poor quality of raw and processing materials. Non-destructive testing is an important method of insuring quality of the plastic product. Comparing with other nondestructive testing methods， the Radiographic testing can be considered an effective method of checking the common defects and damages in plastic， and its development of studying and application is introduced in this paper.

【Key Words】Plastic products； Non-destructive testing； Application

隨著塑料工業[1，2]的迅速發展，塑料制品日益普及，其不僅密度低、比強度高，且具有優異的耐腐蝕性和絕緣性，現已廣泛應用于各行各業，塑料制品作為高分子材料的主要產品，是當今人們日常生活和工業生產中不可缺少的，其[3，4]被廣泛用于農業、工業、建筑、包裝、國防尖端工業等各個領域。塑料加工業中，80%[5，6]采用注塑成型，由于成型材料、成型模具、注塑機、成型環境等多種因素的影響，注塑制品的內在及外觀質量往往存在一定的缺陷。為確保塑料制品的安全使用，通過必要的無損檢測方法控制塑料制品的質量是十分必要的。

1 塑料制品的缺陷

1.1 成型過程中產生的缺陷

塑料在成型[7]過程中由于原料、工藝、模具等的不完備性而產生缺陷，塑料原料的聚合方法、結構、分子量及分子量分布對產品性能有較大的影響，一般聚合度越大，平均分子量越高，制品的力學性能越好，耐低溫、耐熱及耐老化性能越高，但同時熔體的流動性差，粘度[8]高，成型加工困難，物料在機頭內容易分布不勻，造成局部缺料。如果原料中水分含量高，則樹脂的流動性差，容易粘著而產生凝聚，在加工中容易引起氣泡，原料中的雜質對制品的外觀影響較大，加工后在制品表面上形成疵點，還可能引起制品開裂。塑料顆粒大小不均也影響加工時添加劑的分布，而添加劑的分布不均易導致制品表面的缺陷[9，10]。

塑料制品中的常見缺陷現象有氣泡、龜裂、焊接痕等。塑料管材[11]中常見的缺陷現象有光澤不良、表面水紋云紋、熔接痕、內外壁氣泡、內壁裂紋、壁厚不均、彎曲等。塑料板材[11]中的常見缺陷現象有斷裂、厚度不均勻、氣泡、表面斑點、表面粗糙、翹曲等[12，13]。塑料制品中常見缺陷、產生原因如下表1-1：

配混料時的轉速、溫度會影響配混料中各組分的分散均勻性及配混料的凝膠化程度；螺桿轉速不僅影響擠出量，也會影響熔融物料的流動性，轉速過高，會引起物料塑化不良，制品表面粗糙、強度降低；機筒、螺桿和機頭溫度過低，物料在機筒內塑化不良，制品外觀和力學性能較差，易形成熔接痕并影響強度，溫度過高，會造成物料分解，產生變色、焦燒、氣泡等。此外， 模具溫度太低易出現氣泡；模具排氣不良，分流道、澆口太小，澆口離拼縫處太遠等會產生熔接痕[14，15]。

1.2 使用過程中產生的缺陷

塑料制品在使用過程中由于受內外因素的綜合作用，其性能會逐漸變壞，出現老化[16]現象，且一般塑料膨脹系數大，溫度變形大，長期負重會有蠕變，容易變形。塑料制品缺陷或損傷的產生、擴展與積累會加劇塑料的老化，大大降低塑料制品的使用壽命，甚至會照成災難性后果，因此塑料制品在使用過程中的定期檢測極為重要，越來越受到人們的重視。

2 無損檢測

近年來，科學技術的進步使無損檢測技術獲得了快速發展[18-20] ，不僅射線、超聲等傳統的檢測技術進一步發展，還產生了激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發射、微波、磁記憶、超聲相控陣等眾多的無損檢測新方法、新技術[17，18]。無損檢測[19，20]是利用聲、光、電、磁等特性，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，檢測被檢對象是否存在缺陷或不均勻性，并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價[21]，進而判定被檢對象所處的技術狀態的所有技術手段的總稱，是建立在現代科學技術基礎上的一門應用型技術學科[22]，其重要性已得到公認[23，24] ，具體體現在保證機器零件、最終產品的可靠性和安全性上[25，26]。

無損檢測技術雖然發展歷史較久，但每種方法既有優點也存在局限性，其在金屬、復合材料應用較多，在高分子材料方面的應用處于起始階段，通過查閱大量文獻資料[27-30]總結出各方法適用范圍及優缺點，以下為國內外常用的無損檢測方法、適用范圍及優缺點，常用的無損檢測方法如下表2-1：

從上表可以看出，超聲檢測需要使用耦合劑，且很難檢測出近距離缺陷；滲透檢測只能檢測表面開口缺陷；聲發射檢測必須把材料置于一定的載荷環境中，這對某些成品構件和裝備好的產品是不現實的；激光全息檢測對工作環境要求高，不利于現場檢測，對內部缺陷檢測靈敏度不高；紅外檢測費用高，對內部缺陷的形狀和定位不精確；熱成像法要求工件表層有較好的熱吸收率。綜合分析知射線檢測結果直觀易于觀察和保存，且對缺陷定性容易，定量定位方便，現在發展起來的數字射線自動探傷系統可對塑料制品進行批量檢測，故得出結論：射線檢測是塑料制品最適合的無損檢測方法。

3 塑料制品的射線檢測

3.1 射線無損檢測的特點

射線[31]是指波長較短的電磁波，或運動速度高、能量大的粒子流，射線在穿過物質的過程中將發生衰減而使其強度降低，衰減的程度取決于被檢材料的種類、射線種類以及所穿透的距離。當把強度均勻的射線照射到物體上一個側面時，由于各部位對入射射線的衰減不同，透射射線的強度分布將不均勻，采用照相、熒光觀察等手段，通過在物體的另一側檢測射線在穿透物體后的強度分布，就可檢測出物體表面或內部的缺陷，包括缺陷的種類、大小和分布情況。

射線檢測[32]（Radiographic testing， RT）是基于被檢測件對透入射線的不同吸收來檢測零件內部缺陷[33]的檢測方法，其[34-36]幾乎適用于所有材料，能直觀地顯示缺陷影像，便于對缺陷進行定性、定量分析，射線底片可長期保存，對體積型缺陷比較靈敏，但難于發現垂直射線方向的薄層缺陷，檢測費用較高，同時射線對人體模型有害，需作特殊防護 [37]。最近幾年數字X射線直接成像技術[38，39]發展十分迅速，從王曉飛等人[40-42]對X射線實時成像檢測系統的研究可知，與傳統的膠片成像相比，其有快速實時成像、安全環保無耗材等優點[43-46]，贏得了很多企業的青睞。

3.2 射線無損檢測的應用

沈振等人[47]提出了運用X射線照相對鋁塑復合管中的缺陷進行檢測的方法，該方法是將感光材料置于被檢工件后面，利用穿透工件后強度不同的射線使膠片感光，得到黑度不同的底片，以此來評價工件內部缺陷。工件內部缺陷處衰減小，到達膠片的射線強度大，膠片感光強，底片黑度大；無缺陷處，衰減大，到達膠片的射線強度小，膠片感光弱，底片黑度小，從而在缺陷和缺陷周圍形成黑度差，產生缺陷影像。據影像的形狀和黑度情況可判別工件內部缺陷有無、大小、位置和形狀等。該方法靈敏度高，直觀可見，重復性好，結果可保存，適用于各種工件。

有資料[48]顯示了一種對聚氨酯泡沫塑料的X射線檢測方法，聚氨酯泡沫塑料是一種多泡性的低密度材料，對其工件內部單個氣孔體積、金屬和非金屬夾雜物等有一定要求，需要進行X射線探傷，由于該材料密度低，X射線吸收系數小，因此必須選用軟X射線進行透照。探傷時選用比利進三角牌D7型或性能相似的細微膠粒膠片，不使用增感屏。在聚氨酯泡沫塑料件中，除了均勻分布的二氧化碳外，還經常含有一些金屬和非金屬夾雜物，這些夾雜物的密度大于聚氨酯泡沫塑料的密度，在底片上以亮點的形式出現。

程剛[49]總結了數字射線照相成像技術在無損檢測中的應用，他指出數字射線直接成像技術具有一系列的優勢，可長期重復使用CR（Computed Radiography，計算機X射線成像系統）和DR（Digital Radiography，數字化X射線攝影系統）成像[50]，射線有很好的感光靈敏度，利于環境保護，使用方便，且攝像處理比較便捷。通常情況下，數字射線照相技術有很多成像系統和成像方法：①底片掃描法：采用較高的分辨率來掃描射線照相底片，然后轉換射線照相底片上的影像，使其成為數字圖像，將生成的數字圖像儲存在計算機中，由監視器顯示屏觀察和評定。②CR成像系統：是將載體定義為一些可以記錄的熒光成像板，激光可以將射線影像信息讀出，后由掃描器進行掃描，計算機處理圖像，可形成一個平面圖像。③DR成像系統：將原來的工業射線膠片替換成了影像檢測器，以便對 X 射線影像進行很好的捕獲，且可以將其直接轉化，計算機會進一步進行處理和儲存。

美國Tietek公司[51]已經開發出一種材料出廠前的X射線檢測系統，當被檢材料通過X射線檢測機器時，可同時生成多個X射線圖像。檢測結果由內部軟件數字化并以圖片形式顯示在屏幕上。缺陷的位置與大小可通過屏幕上的圖像估計，檢測系統的內部軟件決定缺陷的大小，位置和類型，允許用戶確定生產產品是否合格，并為生產工藝調整提供信息。額外的專有軟件可確定產品是否符合供應商和客戶制定的規格。為確保缺陷檢測的靈敏度，應通過已知的缺陷校正來滿足相應標準，不同的尺寸和密度檢測結果可能不同，這需要靠優化內部軟件系統來完善。

4 展望

目前，我國塑料制品的無損檢測處于起步階段，未廣泛應用于塑料制品缺陷的檢測。射線檢測、超聲檢測[52]是核心的無損檢測方法，近年來，國內外各種無損檢測方法迅速發展，在此基礎上發展起來的數字射線照相成像技術[53]，以其快速實時成像、安全環保無耗材等優點贏得眾多企業的青睞。該項射線檢測新技術有希望于為提高塑料制品質量，確保塑料制品使用安全性，做出重大貢獻，并能促進塑料制品行業快速健康發展。

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