通过在线图像处理评价聚合物加工性能 本发明涉及使用电荷耦合的器件(charge-coupled device)(CCD)照相机(cameras)以表征熔融的聚合物在它排出模头(die)时的性能。
在大多数加工应用中，树脂当排出挤出模头时膨胀(swell)或恢复的程度是极其重要的树脂特性。在吹塑中，由于模具(mould)与下游装置之间的关系并且由于在加工期间由树脂展现出的相对膨胀，模头膨胀是关键性的。每一应用需要优选数量的膨胀：太小的膨胀可能导致缺乏强度或缺乏韧性，然而太大的膨胀可能导致材料浪费或者导致垂落。因此非常希望能够使膨胀性能与树脂配方、操作条件和模头设计相关联。
在吹塑工艺中，线状热的聚合物在模具中被截留并且被吹成模具的构型。当模具关闭时型坯的形状决定了最终产品的物理特性。挤出模头的设计影响了排出模头的聚合物数量，因此是非常重要的参数。另外，由于从模头中挤出的聚合物是粘弹性材料，其经历了在挤出通过模头期间获得的取向作用以及重力作用。在聚合物已经从模头中显露出来之后出现的膨胀和牵伸(drawdown)决定了型坯中聚合物地分布和因此产品的最终特性以及周期时间。从而已经广泛地研究了膨胀和牵伸。例如Beynon和Glyde(Beynon，D.L.T.和Glyde，B.S.，“聚乙烯熔体的膨胀和破裂”BritishPlastics中，414，1960年9月)已经研究了膨胀具有剪切速率、温度和流动速率的函数。Wechsler和Baylis(Wechsler，R.L.，和Baylis，T.H.，“吹塑聚乙烯”，部分I，Modern Plastics中，107，218，1959年5月和115，127，1959年6月中的部分II)已经研究了膨胀作为熔体温度和挤出速率的函数。
已经开发了几种实验技术以研究膨胀和垂伸(sag)。由于膨胀是熔体粘弹性的表现形式，因此它是与时间相关的数量。另外，在膨胀的同时型坯也在重力的影响下垂伸，并且其所观察到的大小反映了结合的现象。因此希望能够与垂伸不相关地测量膨胀。测量膨胀的方法包括如描述于Sheptak和Beyer(Sheptak，N.和Beyer，C.E.，“Know your parison”SPE Journal中，190，1965年2月)中的截坯口(pinch-off)方法。其他技术是离线(off-line)方法并且包括得到型坯直径膨胀和牵伸的摄影方法、得到松弛数据的摄影技术、得到材料分布和厚度的多重截坯口装置。然后分析照片并且型坯必须从照片中重新构造；该实践被证明是困难的并且不会没有误差。
使用光束偏转或光谱衰减的光学方法描述于Cielo等(Cielo，P.，Lamontagne，M.和Vaudreuil，G，ISA Trans中.，27，1，1988)中。它们准确地测量塑料片材的厚度但是没有考虑到型坯几何构型。
最精确的方法由将型坯挤出到具有与熔体相同的温度和密度的油浴中和在几个时间间隔照相或者使用光导二极管阵监控该过程所组成(Garcia-Rejon，A.，和Dealy，J.M.，Polym.Eng.Sci.中，22，158，1988或Kamal，M.，Adv.Polym.Technol.中，8，367，1988)。这些方法难以用于商业应用并且油对膨胀的影响没有被很好地理解。
树脂的分子量分布、模头构型、温度和流动速率对膨胀的影响已经被Swan等研究并讨论(Swan，P.L.，Dealy，J.M.，Garcia-rejon，A.，和Derdourt，A.，Polym.Eng.and Sci中，31，705，1991)。
在新近Jivraj等的文章中(Jivraj，N.，Sehanobish，K.，Ramanathan，R.，Garcia-Reion，A；和Carmel，M.，在于蒙特利尔举办的2001 PPS会议中)已经研究了树脂的基本流变性能与型坯性能之间的关系。
已经通过与所描述的用于膨胀的相同截坯口模具和摄影方法研究了垂伸。
另外，已经通过毛细流变方法研究了膨胀和垂伸而用于几种模头设计。已经发现：对于在模头出口的可比较的剪切速率，离开不同模头的材料的流体运动学不能作比较。改变模头的长度(L)对直径(D)比例L/D不会带来在有分歧的观察之间更好的一致。
还已经通过“边角料(scrap)”方法研究了膨胀，其中边角料不从如图1中所示的型坯中分离。型坯的直径和因此膨胀大约是边角料宽度的两倍。
另一个重要参数是熔体破裂，其影响了最终产品的结构。熔体破裂是宽松定义的术语，其已经应用到对于所有聚合物熔体而言在高挤出速率下遇到的各种形式的挤出物粗糙度或者变形。其用来描述小尺寸的粗糙度，或波痕，或鲨鱼皮，或非常规则的螺旋状螺纹的挤出物，或者任何类型的不规则挤出物。通常，这些缺陷和不规则性通过人的肉眼来观察，导致了不准确的评价并且导致了在检测不完整性与机器关闭之间长的延迟。
模头沉积物或模头增长物(build up)由刚好在排出模头之后从型坯中喷出的低分子量聚合物的小滴所组成。同样用目视评价并且因此具有与熔体破裂评价相同的偏差和缺陷。
从而需要在模头的出口迅速和严格地表征熔融聚合物性能。
本发明提供一种方法，用于作为挤出条件例如剪切速率、温度或模头设计的函数并且作为聚合物结构或种类的函数，以二维或三维获得有关模头挤出物组合的膨胀和垂伸(combined swell and sag)的即时(instantaneous)信息。
该方法进一步提供有关挤出物的“仅仅膨胀”和“仅仅垂伸”部分(component)的即时(instantaneous)信息。
该方法还提供有关聚合物的表面结构(surface texture)的在线(on-line)信息。
另外该方法允许即时检测模头增长物。
该方法还提供在树脂流变性能上的信息。
因此，本发明披露了使用一个或三个电荷耦合器件(CCD)照相机和激光检测器，用于分别以二维或三维即时地表征在模头出口熔融聚合物的性能(behaviour)，所述的CCD照相机通过激光检测器与闪光同步。
电荷耦合器件是光敏的集成电路，其以一方式储存并显示图像数据，该方式使得图像中的每一图像元素(像素)转化成电荷，其强度与触发它的光的强度相关。CCD可以包括在静物照相机(still camera)和摄影机(videocamera)中。在本发明中，静物照相机用于光学特征识别。目前使用的捕集器(captor)是以黑色和白色工作的16-位CCD传感器：它们提供216的灰色阴影。
在本发明的高性能两相电荷耦合传感器(two-phase charge coupledsensor)中，透明电极代替多晶硅栅的其中一个。透明栅比多晶硅更少的吸收并且其折射率提供了在上面覆盖的氧化物与硅基片之间比多晶硅更好的匹配，导致了较少的反射损失。该传感器用真正的两相埋置沟道(two-phaseburied channel)CCD方法建立，这对于以用于低的暗电流的多针相(multi-pinned phase)(MPP)模式操作是最佳的。当传感器在低的信号电平下操作时，低的暗电流产生了最好的信号对噪音比例。真正的两相结构提供了许多优点例如逐行扫描、方格像素(square pixels)、高的充电容量和简化的驱动要求。大多数CCD的光子对电子转化比例是相似的，但是光敏面的大小使得它们的性能不同等。响应度(responsivity)是每一像素可以产生的信号量度并且直接与像素面积成比例。随着像素的响应度增加，相同数量的信号可以在较短的时间内收集或者相反，更多的信号可以在固定的曝光时间期间收集。另外，随着低水平的光照度，图像具有较高的信号对噪音比例并且看起来较少的粒状。较大的像素面积同样有助于提高动态范围，因为它们拥有更多的电荷并且因此不会与光亮的物质迅速饱和。
本发明的方法用于工艺本身并且可以用于表征熔融聚合物。可以采用该现有的CCD照相机系统表征所有热塑性树脂的挤出参数和性能，热塑性树脂例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯腈(PAN)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。优选地已经使用了PE和PP，更优选PE。
该方法可以用于吹塑机的工艺控制系统或者用于管道或型材应用。其也可以用于通过挤出机流变方法表征树脂。
可以采用该方法评价的剪切速率从接近0直到30,000s-1。
可以评价所有的模头类型例如环形模头或扁平模头。
本发明还披露了一种表征在模头加工(die tooling)下挤出物流动的方法，其包括以下步骤：
-提供一个垂直移动的激光器或几个垂直排列的激光器，其检测正排出模头的挤出物的下边缘(lower edge)并且在检测所述下边缘的时候发出连续的数字信号；
-提供微控制器(micro controller)，其接收来自垂直移动的激光器(laser)或来自几个垂直排列的激光器的连续数字信号；
-提供闪光(flash)，其通过微控制器激活；
-提供CCD照相机，其通过微控制器激活并且与闪光同步；
-在每一步骤记录时间；
-在每一步骤记录数字信息；
-提供软件，其即时计算挤出物直径和重量的膨胀以及垂伸的方程。
可以以1/1,000秒的精确度记录时间。
闪光持续时间决定了在图像保持清晰时的速度并因此是该系统的关键因素。其优选在1/16-1/64的闪光功率(flash power)之间工作。因此闪光持续时间优选为1/9,100-1/28,000秒。从而可以获得多至20个图像并且因此可以采用高达2m/s的型坯或熔体线的线速度来工作。
照相机和激光器的动力水平(dynamic level)也是重要的参数。激光器可以在高达2m/s的速度下位移并且其可以调节成具有mm数量级的精确度。
根据本发明的方法还可以包括提供反馈软件(feedback software)的附加步骤，该反馈软件能够调节模头的参数、温度和剪切速率以达到即时最优化挤出物的性能的目的。
附图列表
图1是仍然带有“边角料”附加在其上的型坯的照片。其用于测定直径膨胀，直径膨胀定义成边角料宽度的两倍。
图2表示在排出模头之后在几个时间的顺序的型坯照片。该顺序的照片能够顺次测定垂伸和膨胀并且测定熔体破裂的开始(onset of meltfracture)(OMF)。
图3表示在直径膨胀的x和y中球形拟合(global fitting)的结果，其中x代表离模头出口的垂直距离并且以cm表示，y代表离垂直轴的横向距离并且也以cm表示。y作为x的函数的方程通过次数为3的多项式拟合即时计算。
上曲线yH由三阶方程表示
yH＝299.045+0.236x-7.28.10-4x2+5.079.10-7x3
下曲线yL由三阶方程表示
yL＝225.176-0.106x-2.17.10-4x2+5.24.10-7x3
图4表示在排出模头之后在几个时间的型坯直径作为型坯长度函数的多项式拟合获得的组合的膨胀和垂伸曲线。型坯直径和长度以cm表示。在200℃的温度下并且采用模头n°10进行测量。
图5分别表示从图3组合的膨胀和垂伸曲线衍生的“仅仅膨胀”和“仅仅垂伸”曲线。以cm表示的型坯直径作为同样以cm表示、分别用于组合的垂伸和膨胀、用于理想的挤出(具有模头直径的管)、用于“仅仅膨胀”和用于“仅仅垂伸”的型坯长度的函数绘制。
图6表示用于二维聚合物表示特性的一个照相机设置(one-camera setup)，其中在排出模头的挤出物的下端中断了在所述激光器与激光反射器之间穿过的激光束的时候，激光器激活信号，并且所述的信号通过与CCD照相机和与闪光同步的计算机传送。
图7表示用于三维聚合物表示特性的三个照相机设置。其正如同二维设置那样操作。
图8表示垂直移动的激光器系统。
图9表示几个固定垂直排列的激光器系统。
图10表示在离模头出口x＝60像素的距离时挤出物的直径膨胀照片。
图11表示表明在挤出物上初始(incipient)熔体破裂的照片。
收回的数据是在直径和重量上的模头膨胀、垂伸、熔体破裂的浓度和类型以及模头增长物的浓度：对于确定的模头设计，它们都被记录成剪切速率和温度的函数。剪切速率对于固定的产量而言可以通过改变模头间隙(gap)或者通过改变产量、不改变模头间隙而改进。
还可以获得有关树脂特性例如松弛时间的信息，松弛时间定义成：抑制由熔融材料在其穿过模头期间获得的取向作用所必须的时间。
直径上的膨胀定义为型坯直径与模头直径的比例。
通过图像处理评价在时间t的直径膨胀。软件采用该多项式通式通过拟合所观察的型坯壁而即时计算在排出模头之后在时间t组合的膨胀和垂伸曲线：
y＝axn+bxn-1+cxn-2+...+z
其中x是离模头出口的距离，y是型坯直径，n是3-11的整数，取决于所需的精确度。图2表示在排出模头之后在几个时间的型坯照片，图3表示用于这些照片其中一个的次数为3的多项式拟合。
膨胀和垂伸是导致最终型坯直径的附加现象：膨胀增加了型坯直径然而垂伸趋向于降低它。图4表示由在排出模头之后在几个时间型坯壁的多项式拟合表示的组合的膨胀和垂伸。
型坯的下端由于没有材料附在下面而不被垂伸所影响，并且因此没有由重力牵引造成的伸长。型坯下端的直径进展(evolution)因此给出了真实的膨胀因子并且其得到了外推的“仅仅膨胀曲线”。具有模头尺度的管表示“理想的”挤出曲线。按照
垂伸＝观察的+理想的-膨胀而计算“仅仅垂伸曲线”，如图5所示。
膨胀现象的进展可以通过指数方程拟合
D＝Do+(D∞-Do)·(1-exp(-t/λ))
其中D是在时间t的型坯直径，Do是外模头直径，D∞是最终型坯直径，λ是与膨胀现象相关的特征松弛时间。
重量上的膨胀定义成：作为剪切速率的函数的预定长度的型坯重量。重量上的膨胀Sw是直径上的膨胀Sd和厚度上的膨胀St的乘积
Sw＝Sd×St
随着模头间隙逐渐闭合以达到增加剪切速率的目的，型坯重量或重量上的膨胀随着增加的剪切速率而降低。厚度上的膨胀由下式给出
St＝m/(πρLh(Do-h))·Do/D
其中ρ是树脂的密度，h是模头间隙，Do是外模头直径，D是最终型坯直径，L是型坯长度，m是型坯重量。其随着增加的剪切速率而增加。
通过图像处理测定熔体破裂和模头增长物。用于本发明的传感器提供超过30,000个允许即时检测挤出物中的不规则性的灰色阴影(shade ofgrey)。
本发明从而提供一种新的系统，该系统能够以二维或三维提供有关表征在模头出口的挤出物性能的参数的即时和同步信息。该信息直接与本方法相关并且基于剪切速率。其还可以提供有关树脂本身的信息。
相同的照相机器件还可以用于研究经受内压的夹紧的型坯的变形或者在注坯拉伸吹塑中预成型坯(perform)的变形。
实施例
用于本申请的CCD传感器是采用由Kodak商购获得的单片电路的兆像素逐步扫描行间CCD。
-结构：行间CCD、逐步扫描、不隔行扫描
-像素计算：1000(H)×1000(V)
-像素大小：7.4微米(H)×7.4微米(V)
-光敏面积：7.4mm(H)×7.4mm(V)
-输出灵敏度：12微伏/电子
-饱和信号：40,000电子
-暗噪声：40电子rms
-暗电流(典型的)：＜0.5nA/cm2
-动态范围：60dB
-在500、540、600nm的量子效率：36％、33％、26％
-开坯悬置(blooming suspension)：100X
-影像延迟：＜10电子
-拖影(smear)：＜0.03％
-最大信息率：40MHz/频道(2个频道)
-整合的(integrated)垂直时钟驱动器
-整合的相关复式抽样(CDS)
-整合的电子快门驱动器
带有透明栅电极的高性能15-位CCD传感器提供32768个无符号的灰色水平，允许采集(acquisition)约10,000帧并且覆盖400-1000nm的宽光谱范围。
该器件在图6中示出，用于采用单个照相机系统进行二维采集，并且在图7中示出，用于采用三个照相机进行三维采集。作为时间的函数的挤出物下端的连续位置可以通过如图8中所示、与挤出物同时沿着垂直轴移动的单个激光器或者通过如图9中所示的几个垂直排列的固定激光器测量。
挤出机是吹塑机，Battenfeld VK1-4。
模头膨胀结果如图2、3和10中所示。
图11表示熔体破裂开始。CCD传感器非常高的灵敏度允许客观和及早的检测所有的表面不规则。
本技术提供了在精确性、完整性和快速性上的显著收获。