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 種不同測試原理的涂層克重在線檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并列舉了部分研究工作，最后對涂層克重在線檢測的發(fā)展動向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：涂層織物；涂層克重；在線檢測

中圖分類號：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)加工過程中，涂層克重與涂層克重分布的均勻性對產(chǎn)品的撕破強(qiáng)力和耐水壓能力這兩項相互制約的性能參數(shù)影響較大，即對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，兩者中任意一項不滿足要求都會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不合格。因此，如何有效的檢測涂層的克重及涂層的均勻性，并根據(jù)檢測結(jié)果及時調(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)過程中，對涂層克重的檢測主要是采用織物克重儀進(jìn)行抽樣檢測，再根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整涂刮機(jī)構(gòu)參數(shù)使得涂層克重滿足要求。這種檢測方法不僅存在測量范圍小、測量結(jié)果可靠性低、人為誤差大、測試結(jié)果滯后性等缺陷，還難以有效對涂層克重的均勻性進(jìn)行檢測。因此，結(jié)合現(xiàn)代自動控制、信息處理以及在線檢測等先進(jìn)技術(shù)，研制出能夠?qū)崿F(xiàn)對功能性涂層織物涂層厚度實(shí)時全面非接觸在線檢測的檢測系統(tǒng)，對促進(jìn)功能性涂層織物生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化升級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)測量原理不同，目前常用的克重在線檢測方式為射線、電容、紅外等3種檢測方式。

射線克重測量儀是利用放射性物質(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。射線克重測量儀具有信號源放射性強(qiáng)、輻射保護(hù)裝置要求嚴(yán)格、使用壽命短、不適合對由多種元素組成的聚合物進(jìn)行測量等諸多缺點(diǎn)。目前射線測厚技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用集中在金屬軋制生產(chǎn)線上，用于在線測量生產(chǎn)過程中成品金屬的厚度。近些年來國內(nèi)有些廠家開始嘗試將射線測厚/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)和升級時，采用γ射線傳感器來檢測中藥膏劑的涂布厚度，取得了不錯的效果。

電容間放置物質(zhì)時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，其可測量某種物質(zhì)的等效厚度，若測量的面積及物質(zhì)的密度可知，即可得出物質(zhì)的克重，電容克重測量儀正基于該原理研制，其具有價格便宜、動態(tài)響應(yīng)快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。德國米銥測量技術(shù)有限公司（MICRO-EPSILON Messtechnik GmbH）在精密位移測量領(lǐng)域始終保持著技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，其設(shè)計開發(fā)的capaNCDT6019系列電容傳感器，測量范圍為0.2～10mm，測量滿幅輸出分辨率可達(dá)0.01%，線性度在1%以內(nèi)。英國QueensgrteInstruments公司生產(chǎn)的納米傳感器（NanoSensor）是一個基于電容測微原理的非接觸式測量系統(tǒng)，在1.25mm的測量范圍內(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WangeKerr公司生產(chǎn)的電容測微儀產(chǎn)品等，在0～10μm的測量范圍內(nèi)分辨率達(dá)到0.1～1nm。國內(nèi)，電容克重在線檢測技術(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)鍵會吸收特定波長的紅外光，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，紅外克重測量儀正是基于該原理檢測物質(zhì)的克重。目前，美國的近紅外公司（NDC）與Process Sensors Corporation已推出多款在線紅外克重測量儀，在克重在線測量領(lǐng)域居于領(lǐng)先位置。國內(nèi)，張鳴華成功研制出我國第1臺紅外測厚儀，其測量范圍：10～1000μm；測量精度：±2μm（厚度<200μm）、±5μm（厚度>200μm）；重復(fù)性：<±（設(shè)定值×0.2%+1μm）；穩(wěn)定性：8h相對波動<1%、24h相對波動小于1.5%。廖復(fù)中等人研制了可在線測量滌綸薄膜厚度的HW-1型紅外側(cè)厚儀，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測厚儀可以滿足一般需要，測厚范圍為20～100μm，測量精度為±（名義尺寸×2%+1.5μm）。李楊帆等人利用MCGS組態(tài)軟件和PID控制方法對一個雙向拉伸薄膜厚度測控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和仿真，結(jié)果顯示該測控系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行實(shí)時、精確地測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)用價值。

射線、電容、紅外等3種測克重方式從原理上分析均可以用于涂層克重的在線檢測。射線測克重技術(shù)已經(jīng)成熟，但射線克重測量儀價格昂貴且有放射性污染；電容測克重技術(shù)尚處于科研階段，測量過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；紅外測克重技術(shù)具有無放射污染、測量精度高、較射線測克重價格較低等優(yōu)點(diǎn)，紅外克重測量儀正取代射線克重測量儀被用來在線測量薄膜克重。

2發(fā)展展望

目前，雖然國內(nèi)外對射線、電容、紅外等克重在線檢測技術(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)社會快速發(fā)展下人們對功能性涂層織物更高的要求，需針對功能性涂層織物的特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展克重在線檢測系統(tǒng)，使其能夠在線檢測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系統(tǒng)的研究工作可從如下幾個方面進(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量不同于紙張、鋼板、塑料薄膜等的克重測量，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，對后續(xù)涂層克重測量原理及測量流程的設(shè)計具有指導(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）紅外克重測量技術(shù)方面

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

紅外克重測量技術(shù)具有測量精度高、無輻射污染、價格低等優(yōu)點(diǎn)，其正得到紡織涂層行業(yè)重視。國內(nèi)尚未有紡織涂層廠家將紅外克重在線檢測技術(shù)應(yīng)用于檢測涂層克重及涂層均勻性。目前已有基于C—H鍵、N—H鍵、O—H鍵特定吸收波長而研制出的紅外克重在線測量儀，但還不能夠?qū)崿F(xiàn)對各種物質(zhì)克重的測量。國內(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)有的紅外克重測量儀已能夠精確測量含C—H鍵涂層克重。隨著人們對環(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)展越來越豐富，現(xiàn)有的幾類紅外克重儀將不能夠測量用這些漿料所涂覆形成的涂層克重。面對涂層漿料的發(fā)展趨勢，能夠測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)計用于檢測涂層克重的在線檢測裝置，實(shí)現(xiàn)對任意漿料所涂覆的涂層克重進(jìn)行測量。紅外克重儀測量檢測油溶性涂層克重時，基布的顏色、環(huán)境的溫度、不同種類漿料等對測量精度有影響，為了使測量結(jié)果更穩(wěn)定、測量精度更高，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)有的紅外克重測量儀。

（3）電容克重測量技術(shù)方面

電容克重測量技術(shù)具有輸入信號能量低、無需大的激勵信號、可以獲得較大的相對變化量、動態(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，已有很多國內(nèi)外公司及科研機(jī)構(gòu)從事電容克重測量技術(shù)研究。但因測量過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系統(tǒng)面世。應(yīng)對這些難題一一進(jìn)行研究，逐一解決這些難題，逐漸使電容克重測量技術(shù)成熟，再結(jié)合紡織涂層織物的特點(diǎn)，設(shè)計出可用于檢測紡織涂層克重的在線電容測量儀。

（4）反饋調(diào)節(jié)方面

檢測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)檢測結(jié)果調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，目前對于工藝參數(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)計出性能優(yōu)良的反饋調(diào)節(jié)裝置，及時根據(jù)檢測結(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?？椢锏膹埩?、刮刀的類型與形狀、漿料的粘度、烘箱溫度、車速、基布類型均會影響涂層的克重，在設(shè)計反饋調(diào)節(jié)裝置時需考慮這些因素的影響，設(shè)計前應(yīng)確定調(diào)節(jié)克重及涂層均勻性的模型。

3結(jié)束語

目前，克重在線檢測技術(shù)雖有一定的研究基礎(chǔ)，但幾乎還沒有專門針對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，對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態(tài)測厚技術(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量儀的研制[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量滌綸薄膜的厚度[J].計量學(xué)報，1990，11（4）：266-270.

[17] 李楊帆，蔣品群，李廷會，等.雙向拉伸薄膜厚度測控系統(tǒng)的設(shè)計和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[J].光學(xué)精密工程，2009，17（7）：1502-1506.

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

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

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)合研究項目（BY2013042-04）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目；南通市應(yīng)用研究計劃項目（BK2014029）。