功能性涂層織物涂層克重在線檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

錢永明+張愛輝+吳強(qiáng)+馬蘇揚(yáng)+廖萍

摘要：涂層克重是影響功能性涂層織物質(zhì)量的重要因素，對(duì)涂層織物的撕破強(qiáng)力、耐水壓等性能以及生產(chǎn)成本影響較大，是生產(chǎn)過(guò)程中重要的工藝參數(shù)之一。本文在分析傳統(tǒng)的人工檢測(cè)涂層織物涂層克重弊端的基礎(chǔ)上，介紹了基于射線、電容、紅外 3 種不同測(cè)試原理的涂層克重在線檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并列舉了部分研究工作，最后對(duì)涂層克重在線檢測(cè)的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：涂層織物；涂層克重；在線檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TQ63；V258

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Progress in the Research of Online Coating Weight Testing Technology for Functional Coated Fabric

Abstract： Coating weight is a decisive factor for the quality of functional coated fabric and one of the important process parameters in production and it has direct impact on physical properties of the fabric such as tear strength and water pressure resistance as well as production costs and economic benefits. Based on analyzing the defects of traditional manual coating weight testing techniques， it introduced the recent progress made in the research of online coating weight testing technologies， which are respectively based on situation-ray， capacitance and infrared， and listed some research work undertaken by the authors. Finally， the future development of coating weight measurement system was forecast.

Key words： coated fabric， coating weight， online testing

功能性涂層織物通過(guò)涂層技術(shù)賦予了織物某些特定的功能，產(chǎn)品包括防水透濕、防污抗菌、抗靜電防輻射、吸濕散熱等涂層織物，在工業(yè)、軍事、救災(zāi)、日常生活、醫(yī)療保健、特殊防護(hù)和野外作業(yè)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

在功能性涂層織物的生產(chǎn)加工過(guò)程中，涂層克重與涂層克重分布的均勻性對(duì)產(chǎn)品的撕破強(qiáng)力和耐水壓能力這兩項(xiàng)相互制約的性能參數(shù)影響較大，即對(duì)于涂覆均勻的涂層織物，涂層克重越大織物的耐水壓性能越強(qiáng)，織物的撕破強(qiáng)力越低，兩者中任意一項(xiàng)不滿足要求都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不合格。因此，如何有效的檢測(cè)涂層的克重及涂層的均勻性，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)使得涂層克重及涂層均勻性都滿足要求，成為決定功能性涂層織物質(zhì)量關(guān)鍵因素之一。但在現(xiàn)有的功能性涂層織物生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)涂層克重的檢測(cè)主要是采用織物克重儀進(jìn)行抽樣檢測(cè)，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整涂刮機(jī)構(gòu)參數(shù)使得涂層克重滿足要求。這種檢測(cè)方法不僅存在測(cè)量范圍小、測(cè)量結(jié)果可靠性低、人為誤差大、測(cè)試結(jié)果滯后性等缺陷，還難以有效對(duì)涂層克重的均勻性進(jìn)行檢測(cè)。因此，結(jié)合現(xiàn)代自動(dòng)控制、信息處理以及在線檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，研制出能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功能性涂層織物涂層厚度實(shí)時(shí)全面非接觸在線檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)功能性涂層織物生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)以及高性能功能性涂層織物的發(fā)展具有重要意義。

1研究概況

根據(jù)測(cè)量原理不同，目前常用的克重在線檢測(cè)方式為射線、電容、紅外等3種檢測(cè)方式。

射線克重測(cè)量?jī)x是利用放射性物質(zhì)產(chǎn)生的x、β、γ等射線，穿透物質(zhì)后強(qiáng)度衰減的原理研制而成。射線克重測(cè)量?jī)x具有信號(hào)源放射性強(qiáng)、輻射保護(hù)裝置要求嚴(yán)格、使用壽命短、不適合對(duì)由多種元素組成的聚合物進(jìn)行測(cè)量等諸多缺點(diǎn)。目前射線測(cè)厚技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用集中在金屬軋制生產(chǎn)線上，用于在線測(cè)量生產(chǎn)過(guò)程中成品金屬的厚度。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)有些廠家開始嘗試將射線測(cè)厚/克重技術(shù)應(yīng)用到涂布生產(chǎn)線上，如佛山德眾藥業(yè)有限公司進(jìn)行中藥膏劑涂布生產(chǎn)線的改進(jìn)和升級(jí)時(shí)，采用γ射線傳感器來(lái)檢測(cè)中藥膏劑的涂布厚度，取得了不錯(cuò)的效果。

電容間放置物質(zhì)時(shí)的電容值的變化值與物質(zhì)的厚度及物質(zhì)的密度存在特定函數(shù)關(guān)系，其可測(cè)量某種物質(zhì)的等效厚度，若測(cè)量的面積及物質(zhì)的密度可知，即可得出物質(zhì)的克重，電容克重測(cè)量?jī)x正基于該原理研制，其具有價(jià)格便宜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。德國(guó)米銥測(cè)量技術(shù)有限公司（MICRO-EPSILON Messtechnik GmbH）在精密位移測(cè)量領(lǐng)域始終保持著技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其設(shè)計(jì)開發(fā)的capaNCDT6019系列電容傳感器，測(cè)量范圍為0.2～10mm，測(cè)量滿幅輸出分辨率可達(dá)0.01%，線性度在1%以內(nèi)。英國(guó)QueensgrteInstruments公司生產(chǎn)的納米傳感器（NanoSensor）是一個(gè)基于電容測(cè)微原理的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，在1.25mm的測(cè)量范圍內(nèi)，其精度優(yōu)于0.1nm，線性度在0.02%以內(nèi)，頻率帶寬達(dá)5kHz。美國(guó)WangeKerr公司生產(chǎn)的電容測(cè)微儀產(chǎn)品等，在0～10μm的測(cè)量范圍內(nèi)分辨率達(dá)到0.1～1nm。國(guó)內(nèi)，電容克重在線檢測(cè)技術(shù)尚處于科研階段，主要研究機(jī)構(gòu)有天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等。

物質(zhì)中某些特定的化學(xué)鍵會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，吸收的量與特定化學(xué)鍵的量間存在特定的函數(shù)關(guān)系，紅外克重測(cè)量?jī)x正是基于該原理檢測(cè)物質(zhì)的克重。目前，美國(guó)的近紅外公司（NDC）與Process Sensors Corporation已推出多款在線紅外克重測(cè)量?jī)x，在克重在線測(cè)量領(lǐng)域居于領(lǐng)先位置。國(guó)內(nèi)，張鳴華成功研制出我國(guó)第1臺(tái)紅外測(cè)厚儀，其測(cè)量范圍：10～1000μm；測(cè)量精度：±2μm（厚度<200μm）、±5μm（厚度>200μm）；重復(fù)性：<±（設(shè)定值×0.2%+1μm）；穩(wěn)定性：8h相對(duì)波動(dòng)<1%、24h相對(duì)波動(dòng)小于1.5%。廖復(fù)中等人研制了可在線測(cè)量滌綸薄膜厚度的HW-1型紅外側(cè)厚儀，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)厚儀可以滿足一般需要，測(cè)厚范圍為20～100μm，測(cè)量精度為±（名義尺寸×2%+1.5μm）。李楊帆等人利用MCGS組態(tài)軟件和PID控制方法對(duì)一個(gè)雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，結(jié)果顯示該測(cè)控系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量和控制雙向拉伸薄膜的厚度，而且還具有參數(shù)調(diào)整方便、控制效果好、可視性和可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

射線、電容、紅外等3種測(cè)克重方式從原理上分析均可以用于涂層克重的在線檢測(cè)。射線測(cè)克重技術(shù)已經(jīng)成熟，但射線克重測(cè)量?jī)x價(jià)格昂貴且有放射性污染；電容測(cè)克重技術(shù)尚處于科研階段，測(cè)量過(guò)程中分布電容的影響、非線性輸出特性、高阻抗輸出等難題仍未被解決；紅外測(cè)克重技術(shù)具有無(wú)放射污染、測(cè)量精度高、較射線測(cè)克重價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，紅外克重測(cè)量?jī)x正取代射線克重測(cè)量?jī)x被用來(lái)在線測(cè)量薄膜克重。

2發(fā)展展望

目前，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)射線、電容、紅外等克重在線檢測(cè)技術(shù)開展了廣泛的研究，但很少有用于涂層織物涂層克重的研究，因此，要能夠滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展下人們對(duì)功能性涂層織物更高的要求，需針對(duì)功能性涂層織物的特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展克重在線檢測(cè)系統(tǒng)，使其能夠在線檢測(cè)功能性涂層織物涂層克重及涂層均勻性。涂層織物克重在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究工作可從如下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）功能性涂層織物結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型方面

功能性涂層織物涂層克重的測(cè)量不同于紙張、鋼板、塑料薄膜等的克重測(cè)量，紙張、鋼板、塑料薄膜是單層物質(zhì)且表面較為平整，功能性涂層織物是雙層甚至多層物質(zhì)，涂層粘結(jié)在不平整的基布上，涂層表面不平整，且涂層已經(jīng)滲透到紗線以及織物的孔隙內(nèi)，功能性涂層織物具有完全不同的結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型。分析功能性涂層織物的結(jié)構(gòu)并建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)后續(xù)涂層克重測(cè)量原理及測(cè)量流程的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，因而應(yīng)首先研究功能性涂層織物的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型。目前對(duì)于功能性涂層織物結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型的研究不多，并且研究一般只提及其結(jié)構(gòu)，尚未有較具體精確的功能性涂層織物的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型。目前，已運(yùn)用電子顯微鏡、相關(guān)的分析軟件對(duì)功能性涂層織物的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，取得了初步的成果。

（2）紅外克重測(cè)量技術(shù)方面

由于射線克重在線檢測(cè)系統(tǒng)存在核輻射污染，容易對(duì)操作人員的身體及心理造成一定的傷害，并且購(gòu)置與維護(hù)射線克重在線檢測(cè)系統(tǒng)所需成本高，功能性涂層織物的生產(chǎn)人員比較密集，從成本與安全兩個(gè)方面考慮射線在線克重測(cè)量?jī)x不適用于紡織涂層行業(yè)。

紅外克重測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、無(wú)輻射污染、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，其正得到紡織涂層行業(yè)重視。國(guó)內(nèi)尚未有紡織涂層廠家將紅外克重在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)涂層克重及涂層均勻性。目前已有基于C—H鍵、N—H鍵、O—H鍵特定吸收波長(zhǎng)而研制出的紅外克重在線測(cè)量?jī)x，但還不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種物質(zhì)克重的測(cè)量。國(guó)內(nèi)紡織涂層行業(yè)目前運(yùn)用的漿料大多為油溶性漿料，油溶性漿料大多含C—H鍵，現(xiàn)有的紅外克重測(cè)量?jī)x已能夠精確測(cè)量含C—H鍵涂層克重。隨著人們對(duì)環(huán)保的重視，水溶性漿料將逐漸代替油溶性漿料，并且漿料也隨著科技的發(fā)展越來(lái)越豐富，現(xiàn)有的幾類紅外克重儀將不能夠測(cè)量用這些漿料所涂覆形成的涂層克重。面對(duì)涂層漿料的發(fā)展趨勢(shì)，能夠測(cè)量所有種類的全波譜紅外（FSIR）技術(shù)應(yīng)該得到更為廣泛的研究，基于全波譜紅外技術(shù)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)涂層克重的在線檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意漿料所涂覆的涂層克重進(jìn)行測(cè)量。紅外克重儀測(cè)量檢測(cè)油溶性涂層克重時(shí)，基布的顏色、環(huán)境的溫度、不同種類漿料等對(duì)測(cè)量精度有影響，為了使測(cè)量結(jié)果更穩(wěn)定、測(cè)量精度更高，應(yīng)從光線的調(diào)制、光路、反射（或）透射光的收集、降低環(huán)境干擾等方面入手，優(yōu)化現(xiàn)有的紅外克重測(cè)量?jī)x。

（3）電容克重測(cè)量技術(shù)方面

電容克重測(cè)量技術(shù)具有輸入信號(hào)能量低、無(wú)需大的激勵(lì)信號(hào)、可以獲得較大的相對(duì)變化量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、自熱效應(yīng)甚微、電容式傳感器內(nèi)外摩擦誤差很小、穩(wěn)定性好、能在特殊條件下工作等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛重視，已有很多國(guó)內(nèi)外公司及科研機(jī)構(gòu)從事電容克重測(cè)量技術(shù)研究。但因測(cè)量過(guò)程中分布電容的影響、非線性輸出特性、高阻抗輸出等難題仍未被解決，尚沒有成熟的電容克重在線檢測(cè)系統(tǒng)面世。應(yīng)對(duì)這些難題一一進(jìn)行研究，逐一解決這些難題，逐漸使電容克重測(cè)量技術(shù)成熟，再結(jié)合紡織涂層織物的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出可用于檢測(cè)紡織涂層克重的在線電容測(cè)量?jī)x。

（4）反饋調(diào)節(jié)方面

檢測(cè)功能性涂層織物的涂層克重及涂層均勻性的目的是為了根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，目前對(duì)于工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)依靠人工，調(diào)節(jié)效果的優(yōu)劣主要取決于操作工的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，調(diào)節(jié)效果一致性與精確性難以保證，反饋調(diào)節(jié)裝置可以使調(diào)節(jié)效果的一致性與精確性得到保證，因而應(yīng)設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的反饋調(diào)節(jié)裝置，及時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，使產(chǎn)品的質(zhì)量與穩(wěn)定性大大提高。織物的張力、刮刀的類型與形狀、漿料的粘度、烘箱溫度、車速、基布類型均會(huì)影響涂層的克重，在設(shè)計(jì)反饋調(diào)節(jié)裝置時(shí)需考慮這些因素的影響，設(shè)計(jì)前應(yīng)確定調(diào)節(jié)克重及涂層均勻性的模型。

3結(jié)束語(yǔ)

目前，克重在線檢測(cè)技術(shù)雖有一定的研究基礎(chǔ)，但幾乎還沒有專門針對(duì)功能性涂層織物涂層克重技術(shù)的研究，因此，如何綜合建模技術(shù)、在線檢測(cè)技術(shù)、反饋調(diào)節(jié)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能性涂層織物涂層克重及涂層均勻性的在線檢測(cè)，對(duì)提高功能性涂層織物的產(chǎn)品質(zhì)量、降低其生產(chǎn)成本進(jìn)而促進(jìn)功能性涂層織物行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅瑞林.織物涂層技術(shù)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2005.

[2] 孫寶才，陳鴻，鮑惠榮，等.防水透濕織物涂層的新進(jìn)展[A].第三屆紡織涂層、復(fù)合、功能紡織品技術(shù)交流會(huì)論文集[C].2007：38-41.

[3] 袁興婕，吳海波，靳向煜.滌綸水刺非織造布防靜電屏蔽涂層工藝初探[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010（7）：31-34.

[4] 吳強(qiáng).功能性涂層織物生產(chǎn)裝備研究進(jìn)展[J].染整技術(shù)，2013（7）：87-90.

[5] Alan Owens，S C Bayliss，G W Fraser，et al.On the relationship between total electron photoyield and X-ray absorption coefficient[J]. Nuclear Instrument and Methods in Physics Research，1997，385（6）：556-557.

[6] Lieslehto J，Tanttu J T，Koivo H N.An expert system for multivariable controller design[J].Automatica，1993，29：953-968.

[7] Halevi Y，Palmor Z J，Efrati T.Automatic tuning of decentralized PID controllers for MIMO process[J].J.Proc.Cont.，1997，7（2）：119-128.

[8] Tan K K，Huang S N，Lee T H.Development of a Gpc-based PID controller for unstable systems with deadtime[J].ISA Transactions，2000，39：57-70.

[9] Fung W.Coated and laminated textiles[M].Woodhead Publishing Ltd，2002.

[10] 楊陶利.γ射線測(cè)厚儀的原理及在中厚板生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].鋼鐵研究，2010（3）：33-35.

[11] 黃龍.熱連軋厚度測(cè)量系統(tǒng)[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2012.

[12] 鄧小龍.中藥膏劑涂布生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)及性能優(yōu)化[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[13] 李恒.電容式塑料薄膜厚度掃描檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[14] 馬廷鋒.單片式電容傳感器及動(dòng)態(tài)測(cè)厚技術(shù)的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2003.

[15] 張興.基于紅外法的薄膜厚度測(cè)量?jī)x的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[16] 廖復(fù)中，魏和榮，趙文奎，等.用紅外吸收法非接觸測(cè)量滌綸薄膜的厚度[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，1990，11（4）：266-270.

[17] 李楊帆，蔣品群，李廷會(huì)，等.雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和MCGS仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（1）：163-166.

[18] 李恒.電容式塑料薄膜厚度掃描檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[19] 李艷紅，趙躍進(jìn)，張存林.半透明材料涂層的紅外檢測(cè)[J].光學(xué)精密工程，2009，17（7）：1502-1506.

[20] 韓江，吳建霖，祖晅，等.智能紅外測(cè)厚技術(shù)在紙幣檢偽中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（1）：178-179.

作者簡(jiǎn)介：錢永明，男，1966年生，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、紡織機(jī)械設(shè)計(jì)。

通訊作者：廖 萍，E-mail： liao.p@ntu.edu.cn。

作者單位：南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

基金項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金 —— 前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2013042-04）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；南通市應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（BK2014029）。