红外热波无损检测用聚乙烯醇复合膜的制备

米老师

红外热波无损检测如今在广泛的应用前景中显示出潜力。多数情况下还是以定性分析为主，存在人为因素的影响。红外热波无损检测必然会朝着标准化的方向发展。

在处理低发射率表面（例如大部分金属表面）时，通常需要在被测物表面涂覆水溶性黑漆进行二次加工。这种方法不仅工艺繁琐，还容易堵塞测试件裂纹细孔，从而导致测试误差。
对于一些不能被污染的特殊材料或结构，需要采用其他方法进行处理，而试件表面的污染也可能引发测试结果的误差。

根据《GB/T 26643-2011 中C附录》的内容，薄膜的厚度越薄，测试的准确性越高。为了平衡力学性能和测试准确性的要求，薄膜的厚度需要在合理范围内控制。
选择了环境友好型人工合成高分子材料PVA，因其易成膜、成膜工艺简单且在红外波段具有较高的发射率。为了实现较好的拉伸强度和断裂伸长率，制膜过程中需要添加增强剂和增塑剂。

在制备薄膜时，选择了淀粉作为增强剂，甘油作为增塑剂，以改性PVA。淀粉和PVA分子含有许多轻基，因此它们之间有一定的相容性。通过将淀粉作为增塑剂添加到PVA中，获得的复合膜不仅具有良好的生物降解性，而且其拉伸强度和断裂伸长率也得到显著提升。
甘油分子的结构中含有轻基基团，使其容易插入和与PVA分子键合，从而增强了PVA分子的柔韧性。PVA的融化和结晶行为受甘油含量的影响，从而证实了甘油对PVA的增塑作用。

聚乙烯醇1799型，由日本和光纯药工业株式会社提供；可溶性淀粉，由天津市光复精细化工研究所供应；丙三醇（分析纯）取自北京化工厂；乙酸（分析纯）同样来自北京化工厂。
着色剂；智能电子拉力机型号XLW(L)-PC，由济南兰光机电技术有限公司制造；电脑测控厚度精度仪型号DC-HJYO4A，由四川长江造纸仪器有限责任公司供应；申子天平型号IA2003N，由上海精密科学仪器有限公司提供；调温电加热套型号DZTW、干燥箱型号DZF-6050，来自北京鸿达天矩试验仪器有限公司。

精密增力电动搅拌器型号JJ-1，由北京市永光明医疗仪器厂制造；小型搅拌脱泡机型号TP-C8，由北京东方泰阳系统技术有限公司提供。
手动刮膜机，由天津市博跃机械加工厂制造；热重分析仪型号TGA-Q50，产自TA Instruments USA；扫描电子显微镜型号S-4300，出自日本Hitachi公司；热像仪及闪光灯激励系统型号SC3000，由彼岸(珠海)航空器材制造有限公司供应。

PVA被选为主要的成膜材料，首先将一定质量的PVA母料溶解在100 mL去离子水中，温度在90~100°C之间控制。同时加入淀粉，保温搅拌1小时，确保PVA和淀粉充分溶解并均匀混合。随后滴加甘油和着色剂，通过搅拌均匀来调节pH值至5。

为了排除浆液中的气泡，进行真空抽取，并进行冷却处理。在冷却后，将浆料放置在流延机上，将其流延成大小约为A4纸的薄膜，并将薄膜放入55°C恒温的干燥箱中进行干燥。
一旦薄膜成功成膜，将其取出并放入自封袋中备用。为制备试样，采用流延试验方法，通过控制PVA、淀粉和甘油的加入量，以获得所需的材料组成。

根据GB/T1040.3-2006的规定，对PVA复合膜的拉伸强度和断裂伸长率进行测定的试验条件如下：每个试验样品裁取3个尺寸为150mm长、12.5mm宽的矩形样品，复合膜的厚度为23微米。

对最佳配比的复合膜样品1以及纯PVA膜样品2，采用每分钟10°C的升温速率，从室温27°C升温至650°C进行TGA/DTG测试。
样品膜的表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行分析。对尺寸为120mm × 15mm的样品进行液氮脆断后，对断面进行扫描。对最佳配比样品1和纯PVA薄膜样品2进行了包裹处理，将其置于被测试件表面。之后使用SC3000热像仪以及闪光灯激励系统，加热能量为96 kJ，采集频率为60 Hz，采集时间为15秒，进行热像图的采集。

在基本配比下，即淀粉浓度为0.5 g/100 mL、PVA浓度为12 g/100 mL、甘油浓度为2 mL/100 mL，对PVA、淀粉和甘油进行单因素分析，建立了单因素与拉伸强度以及断裂伸长率之间的拟合方程。

淀粉含量变化与拉伸强度、断裂伸长率的关系
淀粉浓度变化对拉伸强度和断裂伸长率的影响拟合方程为：Y11 = -39.686X + 39.316X^2 + 25.964，Y12 = -100.95X^2 + 27.297X + 142.71，其中Y1的极值点为0.493。Y1在0~0.5 g/100 mL范围内缓慢下降，因此选择淀粉浓度为0.493 g/100 mL时能够获得综合性能的最佳值。
随着甘油加入量的增加，薄膜的拉伸强度和断裂伸长率先增加后减小。甘油含量与拉伸强度、断裂伸长率的拟合曲线为：Y21 = 4.0472X^2 + 13.46X + 25.729，Y22 = -25.481X^2 + 47.93X + 2.3285，其极值点分别为1.663 mL/100 mL和2.903 mL/100 mL。可以选择甘油含量在1.663~2.903 mL/100 mL的范围。

甘油含量变化与拉伸强度、断裂伸长率的关系
随着PVA浓度的增加，薄膜的拉伸强度逐渐增加并趋于平稳，而断裂伸长率先上升后下降。其拟合方程为：Y31 = -0.0818X^2 + 4.6088X - 18.591，Y32 = -1.0846X^2 + 38.731X - 134.06，其中Y31的极值点为17.80 g/100 mL。此外，Y32在PVA浓度超过18 g/100 mL后趋于平缓。PVA浓度在17.80 g/100 mL时获得了综合性能的最大值。
在单因素试验的情况下，薄膜的最佳成膜配比为每100 mL去离子水中含0.493 g淀粉、2.0 mL甘油和17.80 g PVA，此时力学性能的最佳值为拉伸强度37.53 MPa和断裂伸长率211.75%。

PVA 含量变化与拉伸强度、断裂伸长率的关系
样品1的组成为淀粉浓度为0.5 g/100 mL、甘油浓度为2.0 mL/100 mL、PVA浓度为25 g/100 mL，而样品2则是纯PVA制备而成。使用Origin 7.5软件进行分析后，对比两种样品的薄膜，可以观察到在温度范围在50100°C之间均出现失重现象，失重量大约占5%，这部分失重来自于PVA样品膜上吸附的水分。

热重分析/微商热重分析对比图
而在110200°C范围内，样品1的失重明显超过了样品2，这表明在这个阶段淀粉和甘油与PVA之间形成的氢键可能发生了破裂。
样品2的结果也暗示PVA本身就具有一定的氢键形成能力，且样品中氢键的数量越多，其强度也随之增加。在提高PVA的流动性和改善制品外观方面，增塑剂的添加可以发挥有效作用，而其降低的熔点则有助于制备PVA流膜浆料。进一步分析表明，在200~500°C范围内，PVA材料发生全链断裂以及含碳物质的烧失现象。

样品1的薄膜厚度在合适范围内，其可见光透过率较低，而原料成分的均匀分散使得检测效果表现优异。而样品2的图像轮廓显得不够清晰，成膜均匀性较低，这可能导致测试时出现斑点，从而引发误差。在测试过程中，样品2的强度不够，容易发生破损现象。
可得出样品1中的浆料具有更好的流动性，使得成膜性能得到提升，而塑化剂甘油的加入有助于改善红外热波无损检测。

8扫描电子显微镜分析对比图
实际测试结果显示，样品1能够获得清晰的测试图像，同时增强剂淀粉的使用有效保障了复合膜在测试过程中的强度，避免了破损现象的发生。而且因为样品1的制备过程中无需再涂覆水溶性黑漆，从而避免了二次加工的繁琐步骤。
样品1的优势在于其薄膜的合适厚度、低可见光透过率以及原料成分的均匀分散，使其在红外热波无损检测中表现出色。但是样品2的问题主要体现在图像轮廓不清晰、成膜均匀性较差以及强度不足等方面。这些分析结果指出了样品1中流动性的改善和增塑剂的加入对于优化复合膜性能的积极影响，为无损检测提供了更好的实施途径。

红外热波无损检测结果对比图
在本次实验中，采用的PVA复合膜成功地解决了红外热波无损检测中可能出现的被测试物品二次加工问题。 在淀粉浓度为0.5 g/100 mL、甘油浓度为2.0 mL/100 mL、PVA浓度为25 g/100 mL的配比下，PVA薄膜表现出较优越的综合性能。其力学性能方面，拉伸强度为38.02 MPa，断裂伸长率达到225.60%，与理论预期值相符。

在复合膜的制备中，PVA浓度的影响程度最大，其次是甘油浓度，淀粉浓度的影响程度较小。通过扫描电子显微镜(SEM)图像显示，即便加入淀粉和甘油作为复合膜的添加剂，薄膜表面仍然保持着平滑的特征，而内部结构更加紧密有序。
与纯PVA薄膜相比，使用PVA复合膜进行红外热波无损检测能够获得更好的检测效果。通过本次实验，PVA复合膜成功地解决了红外热波无损检测中可能出现的二次加工问题，同时在一定的配比下，复合膜展现出优越的综合性能，其力学表现与预期值相符。

通过SEM图像观察，复合膜的表面保持光滑，内部结构更加致密。PVA复合膜在红外热波无损检测中表现出更优越的性能，为无损检测领域的应用提供了可靠的解决方案。
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