在復雜的熱質(zhì)傳遞過程中，張力的精確控制是實現(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)與保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。尤其在溶劑去除階段，涂層自重與物性變化、出風口參數(shù)、溫度場分布、機械傳動以及基材受熱拉伸等因素，均易引發(fā)張力失穩(wěn)，進而對涂層質(zhì)量造成不利影響。當前廣泛采用的雙面懸浮干燥工藝雖提升了干燥效率，但由于基材失去物理支撐，在高速或大風量條件下易發(fā)生顯著振動，進一步增加了張力控制的復雜性。

因此，深入研究干燥過程中基材振動特性與張力失穩(wěn)機理，探明工藝參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)行為之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，對開發(fā)先進控制策略、優(yōu)化干燥工藝具有重要的理論價值與工程意義。

卷對卷制造系統(tǒng)及張力控制結(jié)構(gòu)示意圖

 

（圖片來源：《Control methodology for tensioned web considering thermal behavior in roll-to-roll manufacturing systems》）

涂層在干燥過程中的動態(tài)演變是張力波動的關(guān)鍵內(nèi)在誘因。一是溶劑持續(xù)揮發(fā)致使涂層單位面積質(zhì)量不斷減輕，直接破壞原有張力平衡。二是隨著液態(tài)組分減少，涂層流變特性發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變，黏度與模量上升，并在此相變過程中產(chǎn)生顯著的內(nèi)部收縮應力。該應力作用于柔性基材，會迫使其發(fā)生彈性或塑性變形，從而直接干擾運行張力。

厚度的改變會顯著影響涂層振動的臨界條件，隨著涂層厚度的增大，基材振動的臨界流速也逐漸增大，即基材臨界流速隨涂層厚度的增大而增大。而薄涂層因更輕的自重和更復雜的內(nèi)部應力分布，對張力波動與運行穩(wěn)定性的影響更為顯著，需在工藝控制中予以特別關(guān)注。

理論臨界流速隨涂層厚度變化趨勢圖

（圖片來源：《鋰電池極片干燥振動機理及特性研究》）

吹風口的分布均勻性：直接決定基材表面氣流的穩(wěn)定性，不均勻分布會引發(fā)局部風壓差異，在基材橫向引入不均勻應力，導致跑偏或抖動?？傦L量與出口風壓共同構(gòu)成作用于基材的氣動載荷，其波動會轉(zhuǎn)化為周期性激勵。當激勵頻率接近系統(tǒng)固有頻率時，可能引發(fā)共振，造成張力劇烈波動。

風向與吹風角度同樣關(guān)鍵：垂直吹風在干燥的同時對基材產(chǎn)生壓迫效應，增加等效張力；而特定角度的切向吹風則施加縱向拉伸或阻力，直接改變烘箱內(nèi)的實際張力分布。氣動參數(shù)設置需兼顧干燥效率與基材動態(tài)穩(wěn)定性，通過優(yōu)化配置實現(xiàn)高效干燥與穩(wěn)定運行之間的平衡。

干燥箱結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s/xzFFClvtFzNN8PN0YjoIjg）

在熱風溫度場中，基材受熱產(chǎn)生膨脹趨勢。但在卷對卷連續(xù)生產(chǎn)中，基材兩端受張力約束，自由膨脹受抑制，于是在材料內(nèi)部形成顯著熱應力。同時，熱應力引發(fā)的基材變形又會反作用于內(nèi)部的熱傳遞過程與溫度場分布，從而構(gòu)成溫度與變形間的雙向耦合關(guān)系。

高溫還會軟化基材，造成其彈性模量與屈服強度下降，顯著降低材料的承載能力。此時，即便載荷不大，基材也可能越過彈性臨界點，產(chǎn)生不可逆的塑性伸長或蠕變變形。

基于流體分析的環(huán)境溫度邊界條件及不同干燥溫度設置下的基材溫度

（圖片來源：《Control methodology for tensioned web considering thermal behavior in roll-to-roll manufacturing systems》）

在烘箱等封閉腔體內(nèi)，由于無法直接安裝張力檢測裝置，系統(tǒng)主要通過控制烘箱兩端的張力輥實施調(diào)節(jié)。這種設置使基材在通過烘箱時產(chǎn)生縱向拉伸，其張力狀態(tài)完全依賴入口與出口處張力輥的協(xié)同控制。

研究表明，系統(tǒng)張力與基材動態(tài)穩(wěn)定性存在明確關(guān)聯(lián)：適當增大張力可有效提高振動臨界流速，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。但這種提升呈現(xiàn)顯著非線性特征——在較低張力區(qū)間效果明顯，隨張力繼續(xù)增大，提升幅度逐漸減緩。這一規(guī)律揭示機械傳動系統(tǒng)在張力控制中需要精細平衡：既要提供足夠張力維持穩(wěn)定，又要避免張力過大導致基材過度拉伸或塑性變形。

基材形變與尺寸失準：基材被拉長、變窄，導致單位面積的涂布量發(fā)生變化，破壞產(chǎn)品設計的幾何精度與一致性。

涂層均勻性破壞：過大的張力會使涂層在微觀層面產(chǎn)生裂紋或與基材分離（特別是脆性涂層），嚴重影響產(chǎn)品功能。

斷帶風險激增：張力接近或超過基材的抗拉極限時，極易在干燥箱內(nèi)或傳動部位發(fā)生斷裂，造成生產(chǎn)中斷、物料報廢和設備清理等嚴重后果。

基材褶皺與跑偏：松弛的基材在熱風沖擊或輥筒傳動下易產(chǎn)生橫向褶皺，或偏離既定路徑，造成持續(xù)的刮蹭與涂層損傷。

涂層表面缺陷：基材抖動會使涂層產(chǎn)生橫向條紋或“橘皮”等表面缺陷。在極端情況下，松弛的基材會與導輥發(fā)生粘黏，導致涂層被徹底破壞。

傳動失穩(wěn)與堆料：張力過小可能導致基材在傳動輥上打滑，破壞同步性，甚至在收放卷處發(fā)生松垮、堆料，迫使生產(chǎn)線停機。

交替性質(zhì)量缺陷：張力在“過大”與“過小”區(qū)間內(nèi)波動，會導致產(chǎn)品不同區(qū)段交替出現(xiàn)拉伸變形與褶皺等問題，產(chǎn)生不均勻的“竹節(jié)”狀外觀或性能差異。

引發(fā)系統(tǒng)共振：特定頻率的張力波動可能與機械傳動系統(tǒng)的固有頻率耦合，引發(fā)共振，放大基材的振動幅度，加劇上述所有缺陷，甚至對設備造成損傷。

涂層微觀結(jié)構(gòu)不均：持續(xù)的張力波動會干擾涂層內(nèi)部分子的排列與溶劑的穩(wěn)定揮發(fā)，導致涂層固化后的微觀結(jié)構(gòu)不均勻，影響其最終的電學、光學或力學性能。

耐溫性能：基材的軟化溫度是設定干燥溫度的上限。工作溫度必須低于此臨界值，以防止基材因軟化而喪失機械強度，在張力作用下發(fā)生不可控的拉伸變形。

抗蠕變性能：在恒定張力與高溫的共同作用下，基材會發(fā)生緩慢的塑性伸長（蠕變）。參數(shù)設定需確保在干燥時長內(nèi)，基材的蠕變量處于產(chǎn)品尺寸公差允許的范圍內(nèi)。

力學性能：通過力學試驗機獲取基材在不同溫度下的彈性模量、屈服強度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以確定其可承受的安全張力范圍。同時，需評估基材在受熱時的熱膨脹系數(shù)及其產(chǎn)生的收縮張力，以維持運行穩(wěn)定性。

溶劑的沸點、蒸發(fā)潛熱與擴散速率共同決定干燥動力學行為。溫度設定需保障溶劑均勻揮發(fā)，避免表干內(nèi)濕的“夾心”缺陷。劇烈揮發(fā)引發(fā)的涂層收縮應力與外部張力疊加可能超出基材承載極限，張力設定需預留安全空間。

建立基于檢測與預測的雙重控制機制。在烘箱入口與出口安裝高精度張力傳感器，實時監(jiān)測張力變化。采用前饋—反饋復合控制策略：前饋單元基于熱變形模型預測張力變化趨勢，反饋單元通過PID控制器實時修正偏差。針對烘箱內(nèi)部無法直接測量的問題，設計基于電機扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的張力觀測器，實現(xiàn)張力的全流程精確控制。

通過計算流體動力學仿真優(yōu)化干燥箱內(nèi)氣流組織，確保吹風口分布均勻，避免局部風壓突變。開發(fā)風量—風壓—溫度的協(xié)同控制算法，根據(jù)基材速度、寬度及干燥階段自適應調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，在保證干燥效率的同時有效抑制基材振動。構(gòu)建分區(qū)溫度控制系統(tǒng)，設置合理的溫度梯度，結(jié)合紅外測溫實時監(jiān)測基材溫度分布，并通過熱變形模型動態(tài)調(diào)整張力設定，以緩解熱應力波動。

建立材料性能數(shù)據(jù)庫，收錄基材在不同溫度下的彈性模量、屈服強度等關(guān)鍵參數(shù)。針對不同涂層厚度與涂布液特性，構(gòu)建張力安全窗口模型，實現(xiàn)從經(jīng)驗設定向模型驅(qū)動的轉(zhuǎn)變。引入機器學習算法，通過對歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的學習，持續(xù)優(yōu)化控制參數(shù)，提升系統(tǒng)對不同材料組合的適應能力。

對傳動系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析，通過優(yōu)化輥筒布局與增設阻尼裝置，提高系統(tǒng)固有頻率，避免共振。采用伺服直驅(qū)技術(shù)以減小傳動間隙，開發(fā)基于振動信號監(jiān)測的預警系統(tǒng)，實時識別基材異常振動并自動調(diào)整工藝參數(shù)，避免振動加劇導致的張力失控。

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