功能性涂层织物涂层克重在线检测技术研究进展

钱永明+张爱辉+吴强+马苏扬+廖萍

摘要：涂层克重是影响功能性涂层织物质量的重要因素，对涂层织物的撕破强力、耐水压等性能以及生产成本影响较大，是生产过程中重要的工艺参数之一。本文在分析传统的人工检测涂层织物涂层克重弊端的基础上，介绍了基于射线、电容、红外 3 种不同测试原理的涂层克重在线检测技术的研究现状，并列举了部分研究工作，最后对涂层克重在线检测的发展动向进行了展望。

关键词：涂层织物；涂层克重；在线检测

中图分类号：TQ63；V258

文献标志码：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

功能性涂层织物通过涂层技术赋予了织物某些特定的功能，产品包括防水透湿、防污抗菌、抗静电防辐射、吸湿散热等涂层织物，在工业、军事、救灾、日常生活、医疗保健、特殊防护和野外作业等领域中得到广泛应用。

在功能性涂层织物的生产加工过程中，涂层克重与涂层克重分布的均匀性对产品的撕破强力和耐水压能力这两项相互制约的性能参数影响较大，即对于涂覆均匀的涂层织物，涂层克重越大织物的耐水压性能越强，织物的撕破强力越低，两者中任意一项不满足要求都会导致产品质量的不合格。因此，如何有效的检测涂层的克重及涂层的均匀性，并根据检测结果及时调节相关工艺参数使得涂层克重及涂层均匀性都满足要求，成为决定功能性涂层织物质量关键因素之一。但在现有的功能性涂层织物生产过程中，对涂层克重的检测主要是采用织物克重仪进行抽样检测，再根据检测结果调整涂刮机构参数使得涂层克重满足要求。这种检测方法不仅存在测量范围小、测量结果可靠性低、人为误差大、测试结果滞后性等缺陷，还难以有效对涂层克重的均匀性进行检测。因此，结合现代自动控制、信息处理以及在线检测等先进技术，研制出能够实现对功能性涂层织物涂层厚度实时全面非接触在线检测的检测系统，对促进功能性涂层织物生产系统的优化升级以及高性能功能性涂层织物的发展具有重要意义。

1研究概况

根据测量原理不同，目前常用的克重在线检测方式为射线、电容、红外等3种检测方式。

射线克重测量仪是利用放射性物质产生的x、β、γ等射线，穿透物质后强度衰减的原理研制而成。射线克重测量仪具有信号源放射性强、辐射保护装置要求严格、使用寿命短、不适合对由多种元素组成的聚合物进行测量等诸多缺点。目前射线测厚技术在国内的应用集中在金属轧制生产线上，用于在线测量生产过程中成品金属的厚度。近些年来国内有些厂家开始尝试将射线测厚/克重技术应用到涂布生产线上，如佛山德众药业有限公司进行中药膏剂涂布生产线的改进和升级时，采用γ射线传感器来检测中药膏剂的涂布厚度，取得了不错的效果。

电容间放置物质时的电容值的变化值与物质的厚度及物质的密度存在特定函数关系，其可测量某种物质的等效厚度，若测量的面积及物质的密度可知，即可得出物质的克重，电容克重测量仪正基于该原理研制，其具有价格便宜、动态响应快、分辨率高等优点。德国米铱测量技术有限公司（MICRO-EPSILON Messtechnik GmbH）在精密位移测量领域始终保持着技术领先优势，其设计开发的capaNCDT6019系列电容传感器，测量范围为0.2～10mm，测量满幅输出分辨率可达0.01%，线性度在1%以内。英国QueensgrteInstruments公司生产的纳米传感器（NanoSensor）是一个基于电容测微原理的非接触式测量系统，在1.25mm的测量范围内，其精度优于0.1nm，线性度在0.02%以内，频率带宽达5kHz。美国WangeKerr公司生产的电容测微仪产品等，在0～10μm的测量范围内分辨率达到0.1～1nm。国内，电容克重在线检测技术尚处于科研阶段，主要研究机构有天津大学、河北工业大学等。

物质中某些特定的化学键会吸收特定波长的红外光，吸收的量与特定化学键的量间存在特定的函数关系，红外克重测量仪正是基于该原理检测物质的克重。目前，美国的近红外公司（NDC）与Process Sensors Corporation已推出多款在线红外克重测量仪，在克重在线测量领域居于领先位置。国内，张鸣华成功研制出我国第1台红外测厚仪，其测量范围：10～1000μm；测量精度：±2μm（厚度<200μm）、±5μm（厚度>200μm）；重复性：<±（设定值×0.2%+1μm）；稳定性：8h相对波动<1%、24h相对波动小于1.5%。廖复中等人研制了可在线测量涤纶薄膜厚度的HW-1型红外侧厚仪，现场实验结果表明，该测厚仪可以满足一般需要，测厚范围为20～100μm，测量精度为±（名义尺寸×2%+1.5μm）。李杨帆等人利用MCGS组态软件和PID控制方法对一个双向拉伸薄膜厚度测控系统进行了设计和仿真，结果显示该测控系统不仅可以进行实时、精确地测量和控制双向拉伸薄膜的厚度，而且还具有参数调整方便、控制效果好、可视性和可维护性好等优点，具有较大的应用价值。

射线、电容、红外等3种测克重方式从原理上分析均可以用于涂层克重的在线检测。射线测克重技术已经成熟，但射线克重测量仪价格昂贵且有放射性污染；电容测克重技术尚处于科研阶段，测量过程中分布电容的影响、非线性输出特性、高阻抗输出等难题仍未被解决；红外测克重技术具有无放射污染、测量精度高、较射线测克重价格较低等优点，红外克重测量仪正取代射线克重测量仪被用来在线测量薄膜克重。

2发展展望

目前，虽然国内外对射线、电容、红外等克重在线检测技术开展了广泛的研究，但很少有用于涂层织物涂层克重的研究，因此，要能够满足经济社会快速发展下人们对功能性涂层织物更高的要求，需针对功能性涂层织物的特点，进一步发展克重在线检测系统，使其能够在线检测功能性涂层织物涂层克重及涂层均匀性。涂层织物克重在线检测系统的研究工作可从如下几个方面进行。

（1）功能性涂层织物结构及数学模型方面

功能性涂层织物涂层克重的测量不同于纸张、钢板、塑料薄膜等的克重测量，纸张、钢板、塑料薄膜是单层物质且表面较为平整，功能性涂层织物是双层甚至多层物质，涂层粘结在不平整的基布上，涂层表面不平整，且涂层已经渗透到纱线以及织物的孔隙内，功能性涂层织物具有完全不同的结构以及数学模型。分析功能性涂层织物的结构并建立数学模型，对后续涂层克重测量原理及测量流程的设计具有指导意义，因而应首先研究功能性涂层织物的结构及数学模型。目前对于功能性涂层织物结构及数学模型的研究不多，并且研究一般只提及其结构，尚未有较具体精确的功能性涂层织物的结构及数学模型。目前，已运用电子显微镜、相关的分析软件对功能性涂层织物的结构及数学模型进行了研究，取得了初步的成果。

（2）红外克重测量技术方面

由于射线克重在线检测系统存在核辐射污染，容易对操作人员的身体及心理造成一定的伤害，并且购置与维护射线克重在线检测系统所需成本高，功能性涂层织物的生产人员比较密集，从成本与安全两个方面考虑射线在线克重测量仪不适用于纺织涂层行业。

红外克重测量技术具有测量精度高、无辐射污染、价格低等优点，其正得到纺织涂层行业重视。国内尚未有纺织涂层厂家将红外克重在线检测技术应用于检测涂层克重及涂层均匀性。目前已有基于C—H键、N—H键、O—H键特定吸收波长而研制出的红外克重在线测量仪，但还不能够实现对各种物质克重的测量。国内纺织涂层行业目前运用的浆料大多为油溶性浆料，油溶性浆料大多含C—H键，现有的红外克重测量仪已能够精确测量含C—H键涂层克重。随着人们对环保的重视，水溶性浆料将逐渐代替油溶性浆料，并且浆料也随着科技的发展越来越丰富，现有的几类红外克重仪将不能够测量用这些浆料所涂覆形成的涂层克重。面对涂层浆料的发展趋势，能够测量所有种类的全波谱红外（FSIR）技术应该得到更为广泛的研究，基于全波谱红外技术设计用于检测涂层克重的在线检测装置，实现对任意浆料所涂覆的涂层克重进行测量。红外克重仪测量检测油溶性涂层克重时，基布的颜色、环境的温度、不同种类浆料等对测量精度有影响，为了使测量结果更稳定、测量精度更高，应从光线的调制、光路、反射（或）透射光的收集、降低环境干扰等方面入手，优化现有的红外克重测量仪。

（3）电容克重测量技术方面

电容克重测量技术具有输入信号能量低、无需大的激励信号、可以获得较大的相对变化量、动态响应快、自热效应甚微、电容式传感器内外摩擦误差很小、稳定性好、能在特殊条件下工作等优点得到了广泛重视，已有很多国内外公司及科研机构从事电容克重测量技术研究。但因测量过程中分布电容的影响、非线性输出特性、高阻抗输出等难题仍未被解决，尚没有成熟的电容克重在线检测系统面世。应对这些难题一一进行研究，逐一解决这些难题，逐渐使电容克重测量技术成熟，再结合纺织涂层织物的特点，设计出可用于检测纺织涂层克重的在线电容测量仪。

（4）反馈调节方面

检测功能性涂层织物的涂层克重及涂层均匀性的目的是为了根据检测结果调节相关工艺参数，目前对于工艺参数的调节依靠人工，调节效果的优劣主要取决于操作工的经验与技术，调节效果一致性与精确性难以保证，反馈调节装置可以使调节效果的一致性与精确性得到保证，因而应设计出性能优良的反馈调节装置，及时根据检测结果调节相关工艺参数，使产品的质量与稳定性大大提高。织物的张力、刮刀的类型与形状、浆料的粘度、烘箱温度、车速、基布类型均会影响涂层的克重，在设计反馈调节装置时需考虑这些因素的影响，设计前应确定调节克重及涂层均匀性的模型。

3结束语

目前，克重在线检测技术虽有一定的研究基础，但几乎还没有专门针对功能性涂层织物涂层克重技术的研究，因此，如何综合建模技术、在线检测技术、反馈调节等技术，实现功能性涂层织物涂层克重及涂层均匀性的在线检测，对提高功能性涂层织物的产品质量、降低其生产成本进而促进功能性涂层织物行业生产技术的发展具有重要意义。

参考文献

[1] 罗瑞林.织物涂层技术[M].北京：中国纺织出版社，2005.

[2] 孙宝才，陈鸿，鲍惠荣，等.防水透湿织物涂层的新进展[A].第三届纺织涂层、复合、功能纺织品技术交流会论文集[C].2007：38-41.

[3] 袁兴婕，吴海波，靳向煜.涤纶水刺非织造布防静电屏蔽涂层工艺初探[J].产业用纺织品，2010（7）：31-34.

[4] 吴强.功能性涂层织物生产装备研究进展[J].染整技术，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] 杨陶利.γ射线测厚仪的原理及在中厚板生产线中的应用[J].钢铁研究，2010（3）：33-35.

[11] 黄龙.热连轧厚度测量系统[D].济南：济南大学，2012.

[12] 邓小龙.中药膏剂涂布生产线关键设备开发及性能优化[D].广州：华南理工大学，2012.

[13] 李恒.电容式塑料薄膜厚度扫描检测系统的研究[D].天津：天津大学，2007.

[14] 马廷锋.单片式电容传感器及动态测厚技术的研究[D].天津：河北工业大学，2003.

[15] 张兴.基于红外法的薄膜厚度测量仪的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[16] 廖复中，魏和荣，赵文奎，等.用红外吸收法非接触测量涤纶薄膜的厚度[J].计量学报，1990，11（4）：266-270.

[17] 李杨帆，蒋品群，李廷会，等.双向拉伸薄膜厚度测控系统的设计和MCGS仿真[J].现代电子技术，2010（1）：163-166.

[18] 李恒.电容式塑料薄膜厚度扫描检测系统的研究[D].天津：天津大学，2007.

[19] 李艳红，赵跃进，张存林.半透明材料涂层的红外检测[J].光学精密工程，2009，17（7）：1502-1506.

[20] 韩江，吴建霖，祖晅，等.智能红外测厚技术在纸币检伪中的应用[J].机械工程与自动化，2010（1）：178-179.

作者简介：钱永明，男，1966年生，副教授，主要研究方向为机械设计及理论、纺织机械设计。

通讯作者：廖 萍，E-mail： liao.p@ntu.edu.cn。

作者单位：南通大学机械工程学院。

基金项目：江苏省产学研联合创新资金 —— 前瞻性联合研究项目（BY2013042-04）；江苏高校优势学科建设工程资助项目；南通市应用研究计划项目（BK2014029）。