摘要：功能性涂层织物是21世纪纺织领域重要的研究方向之一，其生产装备的自动化、连续化和精细化等水平对最终产品的质量起到关键作用。本文介绍了功能性涂层织物生产装备中整纬、张力控制、节能等系统的研究现状，并列举了部分研究工作，最后对其传送、浆料转换、涂覆、轧车以及节能等系统的发展动向进行了展望。
关键字：生产装备；功能；涂层织物
功能性涂层织物通过涂层技术赋予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应用广泛。随着经济社会的快速发展，人们对功能性涂层织物的功能化要求越来越高，这就对功能性涂层织物的生产工艺提出了更高的要求，而生产装备的性能优劣是决定生产工艺能否顺利实施的关键因素，因此，要生产出高性能的功能性涂层织物，必然需要高性能的生产装备。
目前与功能性涂层织物生产加工所配套的拉幅定形机、涂层机等生产装备，由于自动化、连续化、精细化等水平较低，难以满足高性能功能性涂层织物的生产工艺要求。因此，结合现代自动控制、信息处理以及磁悬浮等先进技术，对功能性涂层织物生产装备进行优化，使其在加工性能、加工精度以及工作能耗等方面得到大幅改善，对促进功能性涂层织物的发展具有重要意义。
1 研究概况
1.1 设备研究进展
拉幅定形机和涂层机是功能性涂层织物的重要生产装备。其中，拉幅定形机由进布、上针、伸幅、热定形烘房、传送以及冷却落布等装置构成，主要通过浸轧的方式在赋予织物特定功能的同时消除织物上原有的皱痕。最早由德国Stentex公司于1844年研制成功，并于1860年取得了织物面料定形机的首个发明专利，随后国内外对其进行了广泛研究，如邓玉针对传统拉幅定形机中整纬器所存在的反应速度慢、效率低、灵敏度低等问题，对光电检测技术在整纬领域的应用进行了深入的调研，设计了一种纬斜检测精度可达0.25°的光电整纬系统；陈静等对织物在定形过程中的张力控制系统进行了研究，并基于比例积分微分（PID）控制器的原理设计了张力控制器，实验表明，该控制器能够有效提高张力控制系统的动静态性能；彭志洪针对传统定形机采用手动调整织物纬密所存在的误差大、稳定性低等问题，介绍了一种将移动式织物密度镜法和计算机图像处理技术相结合的可有效提高生产效率和降低次品率的新型纬密控制器。
涂层机主要包括进布、张力、涂布器、烘房、冷却辊、出布等装置，其中，涂布器的涂覆精度对产品的性能起到决定性作用，因此受到研究者的广泛关注，如郭宗富等研究了涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物的弹性模量和平均吸声系数的影响，得出了当涂层厚度为0.10 mm左右时，玄武岩长丝振膜织物的断裂强力和弹性模量均优良；当涂层厚度为0.16mm时，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数最大等结论，为玄武岩长丝在声学上的应用提供了一定的理论依据；陈益人等研究了涂层厚度与DMF含量对涂层织物耐水压性和透湿量性能的影响，得出当涂覆量在64 ～ 68 g/m2、DMF含量在2% ～ 13%之间时，织物耐水压性和透湿量达到最优，这些均为涂布器的结构设计及优化提供了理论依据。
1.2 节能环保性的提升
近年来，随着低碳经济的提出和不断的发展，如何提高拉幅定形机和涂层机的环保化水平，降低其能耗成为研究者重点研究的方向。拉幅定形机和涂层机在工作时，需通过烘房对织物进行烘燥，使织物涂层上的溶剂得以蒸发，在此过程中会产生高温废气，通过热交换器吸收高温废气中的热能并对进入烘房的新鲜空气进行预加热，可达到降低新鲜空气在烘房内升温能耗的目的，然后再由排放装置将低温废气排出烘房之外。
在环保方面，相关研究主要集中在吸附材料及其有效利用上。李国文等以柱状活性炭为吸附剂，在空塔气速为3.54 cm/s，气体停留时间为30 s，入口气体中甲苯浓度为1 800～ 2 400 mg/m3的实验条件下研究了活性炭对甲苯的吸附性能，得到了活性炭吸附容量为0.179 kg（甲苯）/kg（活性炭），传质区高度为12.7 cm时活性炭吸附甲苯的理论穿透曲线模型。李捷等对活性炭吸附热空气脱附回收甲苯的工艺参数进行了研究，得出了增大热空气流量或提高热空气温度可缩短脱附时间和提高脱附率等结论，并分析了吸附柱温升与甲苯入口浓度、表观气速等之间的关系。
在降低能耗方面，研究主要集中在热交换器上。德国Kxantz公司研制了一种用于热定形机中的玻璃列管式热交换器，实验证明：当热定形机内部温度为150 ℃，排气温度为105 ℃，新鲜空气为20 ℃时，可节能10% ～ 15%；Zhang等建立了全热交换器膜的热湿传递数学物理模型，得到了在不同风量下，板翅式空气全热交换器的潜热效率与湿度差、显热效率与温度差以及二者与传热单元数的关系；钟珂等研究了热湿交换材料特性、通道长度和运行工况等因素对全热交换器热回收效率的影响，得出了上述因素对全热交换器潜热交换效率的影响大于显热交换效率的结论。
除上述研究之外，国内外对两者的传送装置、涂布器、浆料搅拌系统以及轧车等也开展了一定的研究，但对于如何运用其他应用领域中成熟的技术手段对上述功能部件进行优化的研究较少。
2 发展展望
目前，虽然国内外对功能性涂层织物生产装备的控制、在线检测等系统进行了广泛研究，使得功能性涂层织物生产装备的自动化、连续化和精密化等水平得到了不同程度的提高，所加工产品的性能也有了较大幅度提高，但还需要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，其生产装备还需在以下几个方面取得进一步发展。
2.1 传送系统
目前，拉幅定形机中的织物传送装置大多采用接触式导轨副，无法避免由于接触而产生的磨损，使得传送装置的传送精度、响应速度以及使用寿命受到较大影响，因此，如何降低或消除拉幅定形机传送装置运行过程中的接触摩擦，成为制约拉幅定形机发展的主要因素之一。磁悬浮技术具有无机械摩擦、无接触磨损和无需润滑等优点，且环境污染小、使用寿命长，能够有效解决拉幅定形机传送装置中由于接触摩擦所造成的各类问题。在磁悬浮技术中，悬浮气隙的精确控制是保证磁悬浮系统性能稳定的重要条件，不同的悬浮气隙形状所对应的控制系统及结构设计也有所不同。在其他应用领域中，磁悬浮系统的悬浮气隙形状一般为矩形或圆环形，使得磁悬浮系统在设计时仅针对一种悬浮气隙形状进行，但为保证针板能够做周期循环运动，拉幅定形机传送装置的整体结构被设计成由直线导轨和圆周导轨组成的跑道式导轨形式，因此，磁悬浮技术在应用时，既要保证针毡在直线导轨上的精确导向，又要保证针毡在圆周导轨上的精确导向，即磁悬浮系统导向方向的气隙形状将发生周期性变化，这成为制约磁悬浮技术在拉幅定形机传送装置中应用的重要因素。如何实现磁悬浮系统在不同悬浮气隙形状之间的平稳过渡，是磁悬浮技术在拉幅定形机传送装置中应用的重要研究方向之一。目前，笔者所在的课题组已申请了这方面的发明专利，并完成了对其总体结构的设计，通过初步实验证明，磁悬浮技术的应用可有效降低拉幅定形机传送装置工作时的能耗和噪音。
2.2 浆料快速转换系统
浆料是决定功能性涂层织物功能的直接因素，使用时必须通过搅拌器将其搅拌均匀。随着人们对功能性涂层织物多元化要求的不断提高，产品的小批量多品种趋势越来越明显，这使得浆料种类大为增加，浆料用量随之降低。为消除前一产品残余浆料对后一产品浆料品质的影响，更换产品之前，必须将搅拌轴和搅拌叶轮上的残余浆料清洗干净。目前采用系统停止运行后人工清洗洁净方式，影响产品生产周期。因此，如何保证浆料品质的情况下，实现搅拌系统在不同浆料之间的快速转换，提高生产效率，对促进功能性涂层织物的多元化发展具有重要意义。
2.3 涂覆系统
浆料在织物上的涂覆均匀性和稳定性是决定产品性能稳定性的重要因素，而涂覆均匀性和稳定性直接由涂布器的涂覆精度所决定。传统的涂布器大多采用机械式调节装置，通过目测调整距织物的高度，难以满足现代高性能功能性涂层织物的加工要求。因此，实时检测与织物之间的间隙并精确控制涂布器在工作过程中的涂布高度，在确保浆料涂覆均匀性的同时，提高浆料涂覆厚度的稳定性是亟需解决的问题之一。例如，为了将涂层剂有效地涂覆于专利201220274124.5中提及的表面呈V型结构的织物上（如图 1所示），一方面可以对涂刮器的结构进行改进与优化，设计出符合织物结构表面特征的涂刮器，另一方面可利用智能检测与自动跟踪等技术，在检测分析出织物的结构特征后，对涂刮器的工作位置进行实时调整，确保织物各个区域的涂层涂覆厚度均匀一致。
2.4 轧车系统
功能性涂层织物在拉幅定形机上的加工过程中，需要将浸渍功能性溶液后的织物送至轧车上轧压，在将功能助剂轧入到织物中的同时去除多余的溶液，若功能助剂的轧入量较少，则产品的功能性指标难以满足要求；若功能助剂的轧入量较多，则不仅增加了生产成本，还有可能引起产品的综合性能降低。这就要求轧车具有较高的控制精度和响应速度，能够根据实际需要迅速、精确地调节轧液率，从而保障产品质量的稳定性。
传统的轧车一般是由质量较大的实心轧辊和传动系统复杂的液（气）压式调压系统组成，这种设计不仅增大了维修的难度，还加大了系统的惯性质量，使得响应速度大大降低。因此，如何在不降低轧车压力的情况下实现其轻量化以及简化轧车传动系统提高响应速度，成为轧车今后发展的方向之一。其中，在轧车中心轴外周安装压力调节装置可作为解决该问题的一种方案，此举既能实现压力调节的“零传动”，又能将轧车制成空心结构，实现轧车的轻量化，提高其响应速度。
2.5 能源的综合利用
针对废气排放过程中伴随大量热能散失而造成拉幅定形和涂层机能耗高的问题，目前国内外学者进行了广泛研究，但仅仅停留在对拉幅定形机或涂层机的单机层面上，而在实际生产过程中，拉幅定形机和涂层机一般是同时运行，且由于工艺要求，拉幅定形机烘房温度比涂层机烘房的温度约高出30%，废气排放量约为涂层机的1.8倍，废气排放温度高出涂层机烘房温度90%以上，且废气成分主要是水蒸汽，因此，若能将拉幅定形机所排放的高温废气中的水蒸汽去除后，直接送至涂层机烘房内，将使涂层机烘房能耗降低80%以上，从而使得两者烘燥系统的综合能耗降低40%以上。
3 结束语
目前，业界对功能性涂层织物生产装备的研究虽取得了一定的成果，但仍难以满足今后功能性涂层织物高性能化、多元化的加工要求，因此，综合运用磁悬浮技术、在线检测技术、补偿技术以及位置反馈等技术，进一步提升功能性涂层织物生产装备的自动化、连续化和精细化水平，对促进功能性涂层织物的发展具有重要意义。
参考文献略
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