徐 源，黄金强，崔 灿，卢秀乐，周贤菊

（1.重庆邮电大学数理学院，重庆400065；2.苏州晶樱光电科技有限公司，江苏苏州215600）

1 引 言

如今塑料制品种类繁多，薄膜产品大量地涌入人们的生活，给人们的生活带来了极大的便利，可是在工业生产中如何快速准确地测量出塑料薄膜产品或者其他具有相同特点的块状产品的厚度（层数）却是一个亟待解决的难题.现行的薄膜测厚技术和方法主要有：β射线在线测厚技术[1]、X射线在线测厚技术[2]、超声波测厚法[3]、电涡流测量法[4]等，而利用红外吸收光谱法测量薄膜厚度的技术的研究相对较少.红外光谱法多用于研究物质的化学组分与结构，可用于定性与定量分析[5－6].红外光谱仪是目前较多高校使用的物理实验或者近代物理实验设备.相对于红外吸收光谱法测量薄膜厚度而言，β射线在线测厚技术、X射线在线测厚技术的仪器成本高、能耗高，并可能对人体健康产生危害；电容测厚技术、超声波测厚法和机械测厚法有抗外界干扰能力差，测量产生系统误差大、精度有限、操作不方便等缺点.红外吸收光谱法却能够让待测产品只通过红外线的扫描，就能得出薄膜或者块状物的厚度，操作简便，准确度高.再者，由于红外光吸收专一性的特点，特定波长的红外线只能被特定的分子或基团特定的振动、变形等吸收，造就了红外光谱法抗外界干扰性极强的特点[7－8].另外，红外光谱法不会污染环境或损害人体健康，这无疑是一个高效、环保、节能的好办法.

2 实 验

2.1 实验仪器与样品

以普通聚乙烯塑料包装薄膜为样品，尺寸为3cm×3cm，放于红外强磁样品支架，以空气为背底，使用PE公司的Spectrum 65傅里叶变换红外光谱仪扫描样品.扫描范围为400～4 000cm－1，扫描次数为16.在实验中，以不同层数的塑料薄膜叠加代替不同厚度的样品.

2.2 实验原理

红外吸收光谱法是研究某一化学物质如分子、离子或自由基等，因吸收红外电磁波的能量而致使此化学物质在电子基态时转动、振动或转动－振动的能量变化[7].由于红外吸收光谱能够提供分子特性的信息，除光学异构体外，几乎没有2种有机化合物的光谱完全一样.因此，红外吸收光谱可以显示物质的化学组成和分子结构等信息.同时，也可以监测或分析化合物的存在与含量，应用范围甚广[8].

根据红外光吸收光谱法，结合朗伯－比尔定律可以得出特征峰的吸光度与薄膜厚度之间的工作曲线.朗伯－比尔定律数学表达式为

其中：A表示吸光度，T表示透射率，I与I0分别表示透射光和入射光的光强，ε表示摩尔吸光系数，c表示浓度，b表示厚度.在该实验中对于同一种物质而言ε和c固定不变，假设单层薄膜的厚度为d，薄膜的层数为n，即有：A＝－lg T＝εcdn，由此不难得出单层薄膜的厚度.根据测量得到n层塑料薄膜的吸光度A，就可以得到单层薄膜的厚度.当然，也可以结合吸光度－厚度的标准工作曲线，得到未知薄膜的厚度.

2.3 实验结果与分析

图1是同种聚乙烯塑料包装薄膜的傅里叶变换红外光谱图.由图可知，红外光谱准确地显示了塑料薄膜聚乙烯分子的振动转动吸收峰.聚乙烯在400～4 000cm－1强的特征吸收峰有3组，分别为位于2 958cm－1的C－H伸缩振动峰群（由于聚乙烯薄膜中，C－H基团浓度较高，该组振动强度很大，已达到饱和）、位于1 471cm－1的CH弯曲振动和位于720cm－1的（CH2）n亚甲基团平面摇摆振动.并且，特征峰不随层数的变化发生明显位移.还可以看出：薄膜的层数与红外特征峰吸光度之间存在着显著的线性关系.红外光谱法作为定量分析方法，具有吸收峰多，可选择的余地大的特点[7].如图1所示，线性关系较好，可选择作为定量分析的特征峰有很多，便于分析有720，1 367，1 471cm－1的峰.首先，选择720cm－1特征峰为例，详细演示数据分析和处理的过程，然后对其他特征峰进行同样的处理，最后进行对比，验证该方法的可行性和准确性.

图1 1～5层聚乙烯塑料薄膜的傅里叶变换红外光谱

720cm－1是－（CH2）n－（n＞4）亚甲基团平面摇摆振动产生的吸收锋，并且吸光度相对较强，对720cm－1的特征吸收峰进行放大处理得到图2.720cm－1特征峰的吸光度与层数对应的关系的数据见表1.

图2 720cm－1特征吸收峰的放大情况

表1 不同层数的聚乙烯塑料薄膜在720cm－1处特征峰的吸光度值

采集数据运用Origin软件处理得到塑料薄膜层数与特征峰吸光度的工作曲线如图3所示.

图3 聚乙烯塑料薄膜层数在720cm－1处特征峰吸光度的线性拟合情况

使用Origin拟合得到的线性关系为：n＝－0.037 18＋1.66 142A.相关度R＝0.994 97，显著性概率P＝0.000 428.由此可见该拟合结果的线性相关性很强，相关度高达99.497%，并认为可取.

同时，该实验还建立了对比数学模型，验证该方法的准确性.采用以上处理720cm－1特征峰的方法，对其他的特征峰进行同样的处理，得到的工作曲线的性质如表2所示.

表2 选择不同的特征峰得到的层数与吸光度的工作曲线的性质参量对比

由表2可知：在聚乙烯塑料薄膜的傅里叶变换红外吸收光谱结果中，吸光度和层数的相关性很好，而且与特征峰关系不大，由此得出红外光谱法测量塑料薄膜厚度或者层数的方法具有普适性.因此，利用傅里叶变换红外吸收光谱记录到的薄膜的吸光度，代入相应的工作曲线方程，就能方便地得到相应薄膜的层数或者厚度.

3 结束语

红外吸收光谱法在物质的化学组成、结构的定量、定性分析方面有着重要的应用，在生产和生活中发挥了重要作用.本实验通过记录塑料薄膜的红外吸收光谱，找出特征吸收峰的吸光度与塑料薄膜厚度（层数）的工作曲线，可以准确、快速、无损伤地测量未知薄膜的厚度，并分析和验证了这种方法的可行性和可靠性.相对于传统的薄膜厚度分析测量方法，该方法更加节能、环保、快速、简便以及可靠.

[1] 刘隆祉，刘炜炜.β－塑料薄膜测厚技术的研究[J].塑料工业，1995（5）；33－36.

[2] 斯其兵，江晶.薄膜X射线测厚仪[J].仪表技术与传感器，2007（5）：18－19.

[3] 常源，王伟明，刘继红.管材挤出机超声波测厚系统的研究[J].塑料，2008，37（5）：96－99.

[4] 彭雪莲.磁性法和电涡流法测厚仪的特点及应用[J].表面技术，2004，33（6）：80－82.

[5] 胡永茂，项金钟，杨爱明，等.红外光谱仪在红外电磁波吸收材料研究中的应用[J].物理实验，2005，25（3）：33－36.

[6] 师丽红，阎文博，孔勇发.钽酸锂晶体组分的OH－红外吸收光谱测定方法[J].物理实验，2006，26（12）：12－15.

[7] 邓芹英，刘岚，邓慧敏.波谱分析教程[M].北京：科学出版社，2003：29－76.

[8] 吴性良，朱万森，马林.分析化学原理[M].北京：化工工业出版社，2004：333－345.