在復雜的熱質傳遞過程中，張力的精確控制是實現連續高效生產與保障產品質量的重要因素。尤其在溶劑去除階段，涂層自重與物性變化、出風口參數、溫度場分布、機械傳動以及基材受熱拉伸等因素，均易引發張力失穩，進而對涂層質量造成不利影響。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機理，探明工藝參數與系統動態行為之間的內在關聯，對開發先進控制策略、優化干燥工藝具有重要的理論價值與工程意義。

卷對卷制造系統及張力控制結構示意圖

 

（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演變是張力波動的關鍵內在誘因。一是溶劑持續揮發致使涂層單位面積質量不斷減輕，直接破壞原有張力平衡。二是隨著液態組分減少，涂層流變特性發生顯著轉變，黏度與模量上升，并在此相變過程中產生顯著的內部收縮應力。該應力作用于柔性基材，會迫使其發生彈性或塑性變形，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部應力分布，對張力波動與運行穩定性的影響更為顯著，需在工藝控制中予以特別關注。

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定性，不均勻分布會引發局部風壓差異，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成作用于基材的氣動載荷，其波動會轉化為周期性激勵。當激勵頻率接近系統固有頻率時，可能引發共振，造成張力劇烈波動。

風向與吹風角度同樣關鍵：垂直吹風在干燥的同時對基材產生壓迫效應，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，直接改變烘箱內的實際張力分布。氣動參數設置需兼顧干燥效率與基材動態穩定性，通過優化配置實現高效干燥與穩定運行之間的平衡。

干燥箱結構示意圖

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

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

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，產生不可逆的塑性伸長或蠕變變形。

基于流體分析的環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，由于無法直接安裝張力檢測裝置，系統主要通過控制烘箱兩端的張力輥實施調節。這種設置使基材在通過烘箱時產生縱向拉伸，其張力狀態完全依賴入口與出口處張力輥的協同控制。

研究表明，系統張力與基材動態穩定性存在明確關聯：適當增大張力可有效提高振動臨界流速，增強系統穩定性。但這種提升呈現顯著非線性特征——在較低張力區間效果明顯，隨張力繼續增大，提升幅度逐漸減緩。這一規律揭示機械傳動系統在張力控制中需要精細平衡：既要提供足夠張力維持穩定，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生變化，破壞產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生裂紋或與基材分離（特別是脆性涂層），嚴重影響產品功能。

斷帶風險激增：張力接近或超過基材的抗拉極限時，極易在干燥箱內或傳動部位發生斷裂，造成生產中斷、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生橫向褶皺，或偏離既定路徑，造成持續的刮蹭與涂層損傷。

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

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

交替性質量缺陷：張力在“過大”與“過小”區間內波動，會導致產品不同區段交替出現拉伸變形與褶皺等問題，產生不均勻的“竹節”狀外觀或性能差異。

引發系統共振：特定頻率的張力波動可能與機械傳動系統的固有頻率耦合，引發共振，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。

涂層微觀結構不均：持續的張力波動會干擾涂層內部分子的排列與溶劑的穩定揮發，導致涂層固化后的微觀結構不均勻，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，基材會發生緩慢的塑性伸長（蠕變）。參數設定需確保在干燥時長內，基材的蠕變量處于產品尺寸公差允許的范圍內。

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、屈服強度等關鍵數據，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及其產生的收縮張力，以維持運行穩定性。

溶劑的沸點、蒸發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，避免表干內濕的“夾心”缺陷。劇烈揮發引發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。針對烘箱內部無法直接測量的問題，設計基于電機扭矩、轉速等參數的張力觀測器，實現張力的全流程精確控制。

通過計算流體動力學仿真優化干燥箱內氣流組織，確保吹風口分布均勻，避免局部風壓突變。開發風量—風壓—溫度的協同控制算法，根據基材速度、寬度及干燥階段自適應調節工藝參數，在保證干燥效率的同時有效抑制基材振動。構建分區溫度控制系統，設置合理的溫度梯度，結合紅外測溫實時監測基材溫度分布，并通過熱變形模型動態調整張力設定，以緩解熱應力波動。

建立材料性能數據庫，收錄基材在不同溫度下的彈性模量、屈服強度等關鍵參數。針對不同涂層厚度與涂布液特性，構建張力安全窗口模型，實現從經驗設定向模型驅動的轉變。引入機器學習算法，通過對歷史生產數據的學習，持續優化控制參數，提升系統對不同材料組合的適應能力。

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

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