散装材料的颜色自动测量系统

在配混过程中，所用的材料和生产的材料大多是散装材料。作为中间产品，它们通常决定着成品的质量。因此，接近进程的质量控制方法对于生产高质量的产品来说至关重要。当然，这同样适用于着色颗粒。颜色与情绪密切相关，例如：蓝色令人放松，红色代表激情，绿色表示和谐。品牌的识别价值通常也与颜色有关。除了形状之外，塑料的颜色是人们首先感知到的产品特征。人们通常会在90秒内做出购买决定。这个决定通常（62-90%）仅仅基于颜色。即使产品在技术性能方面无可挑剔，略微的颜色差异也会给人留下质量差的印象。因此，人们对颜色的质量和一致性都寄予了厚望。

标题图：该测量系统可用于线内、线上和线旁颜色分析测量，因此可以在生产过程中进行快速干预 © SKZ

为了满足这些高要求，持续质量控制必不可少。这一般是通过实验室分析来完成的。因此，首先在生产过程中取样，然后将其注塑成型为板材。待其冷却至室温后，再用实验室光谱仪对其进行目视检查和分析。因此，采样和测量通常需要耗费数小时。这种方法也是配色领域的最新技术之一，它能够根据客户的需求和愿望尽可能精确地为新产品和配方调配所需的色度（可能会进行颜色校正迭代）。通常只有对符合质量参数要求的样品进行评估后才能进行批量生产。但是，如果出现严重偏差，那么这一时间范围内生产的整批产品都将成为废料。为了尽可能减少时滞并降低设定颜色废料的产生，因此必须找到一种能够在短时间内进行近过程控制的方法。

图1：基于混配工艺的测量方法概述：线内、线上和线旁测量都是接近进程的分析方法（来源：SKZ；图：© Hanser）

适用于线内、线上和线旁测量

过程质量控制的方法有多种。过程测量（线内）、旁路测量（线上）和靠近生产现场测量（线旁）的方法是有区别的（图1）。为了使测量尽可能灵活并接近进程，ColorLite GmbH公司与德国塑料中心SKZ一起开发了一种原型测量概念，它属于公共资助项目的一部分，适用于线内、线上和线旁测量。

该系统由一个分光光度计和一个与样品腔相连的外部测量单元组成。该测量单元通过光纤和电缆与中央单元相连，它安装在一个单独的小型控制柜中。控制柜内置工控机，可以用触摸屏进行操作，也可以通过工控界面与生产过程控制系统相连。

移动测量系统

颗粒被LED阵列发出的白光照亮。样品的反射光通过光纤被引导至评估单元，然后在那里通过光栅光谱仪进行光谱分析。测量高度结构化表面时，漫射均匀照明非常关键。这种照明通过测量头内部的硫酸钡涂层产生。

针对线内应用，测量槽可以安装在定量给料单元的上方用于控制全部所用的母料。原型的进料通过吸入输送机（型号：Metro HLI 50-1-A220-0，制造商：Motan ColorTronic）进行。这种装置同样适用于线上应用。在本例中还可以对离析物和颗粒产品进行取样。

图2：其中一个原型是可用于线旁测量的移动版系统 © SKZ

SKZ还专门设计了一个子结构，可用于原型灵活的线旁移动测量应用（图2）。它使测量可以直接在每条挤出生产线上进行而无需额外费用。因此，生产和测量之间的时滞非常短，从而最大限度地减少了废料的产生。

常用颜色空间的自动测量

测量槽配有水平传感器（型号：KG5306，制造商：IFM Electronics），一旦测量槽装满就会自动触发测量操作。测量完成后，散装材料通过液压活板门被排出。在测量过程中，直径为120mm的测量点内检测到了波长为400-700mm的反射光。这基本就是可见波长的范围。

通过这一方法，除了记录的光谱数据之外，常用的颜色空间（CIE Lab、LCh等）也可以测量出来。记录的数据还有散装材料的温度，它通过额外安装的红外温度传感器（型号：CS LTH，制造商：Optris）进行监控。由ColorLite公司专为该项目开发的ColorDaTra软件负责传感器技术的控制、测量操作的触发和执行以及测量数据的输出和显示。所有的测量均根据预定设置自动执行，只有测量刚开始时的校准是手动完成的。当然，这无需花费多大精力。

图3：温度引起的颜色变化被称为热致变色，这种现象在红色颜料中很常见 © SKZ

如果温度出现波动，则会产生影响颜色测量结果的热致变色效应。热致变色是指物质表现出可逆的与温度相关的颜色变化的特性。产生这种效应是因为颜料的晶体结构发生了变化。对于一般根据DIN 5033–4标准进行的实验室颜色测量而言，样品和实验室的温度必须保持不变。高温条件下的热致变色通常会导致颜色变深并且饱和度降低（图3）。红色颜料特别容易热致变色。在温差20°C的情况下，色差dE很可能达到2（图4）。

图4：颗粒（Maxithen Red）在不同温度条件下的L*、a*、b*和dE值：随着温度的升高，所有值都出现了明显的偏差（来源：SKZ；图：© Hanser）

热致变色现象

一天内出现温度波动在生产车间并不罕见。样品温度也可能出现很大差异。例如，刚制成的颗粒可能仍处于70°C的温度，具体取决于造粒和切割方式。因此，温度监测对于在必要时校正热致变色效应至关重要。由于每种颜料的热致变色特性不同，因此校准系列对于此类校正来说必不可少。

对颗粒进行无大偏差的分析

颗粒与注塑板材有很大不同。它在冷切过程中可能会出现所谓的白口。在这种情况下，颗粒的边缘呈白色。此外，颗粒的体积也会影响到测量结果。由于新开发系统的测量点大，能够对测量结果进行均化，因此它们与板材的这些差异几乎不会对测量结果产生影响。测得的颜色值及其标准偏差与台式光谱仪相当（图5）。此外，周期时间以及测得的散装材料数量在多个测量周期中保持一致。这也确保了接近进程的精确测量。

图5：用不同的测量设备对Maxithen Green和Maxithen Red这两种材料新开发原型的L*、a*、b*值进行比较：原型测量值与台式光谱仪相似（来源：SKZ；图：© Hanser）

结论与展望

在生产过程中对颜色进行连续测量有助于提高工艺质量及成品质量。实验室分析适用于配色，但却不太适合进行过程控制。ColorLite和SKZ联合开发的原型可以在加工过程中快速确定散装材料的颜色。该原型可用于线内、线上和线旁测量。凭借灵活的设计，它还适用于来料和产品检验。

除了颜色控制，温度监测也起着重要的作用，因为某些着色剂具有热致变色性。既往研究表明，样品的热致变色行为可以计算出来。通过对热致变色进行补偿，操作期间可以记录极为准确的颜色值。根据这些值，还可以及时采取措施防止批次污染。

新开发的原型为颜色的自动过程控制提供了灵活的解决方案。采样和测量之间的时滞仅为几分钟。因此，工作人员可以对工艺变化迅速做出反应，从而最大限度地减少废料的产生。由于无需进行样品制备，因此还可以在很短的间隔时间内进行测量。此外，自动测量和专门开发的软件可防止操作失误。ColorLite目前正在将原型转化为可上市的设备。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Julia Klein，Dr. David Pryor，Dr. Linda Mittelberg，Prof. Dr. Martin Bastian

来源：荣格-《国际塑料商情》

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