弹性蕾丝花边与氨纶基布复合过程中的张力控制关键技术

一、引言

在现代纺织工业中，功能性与美观性并重的面料需求日益增长，尤其是内衣、运动服饰、泳装及高端时装等领域对弹性织物的要求愈加严格。其中，弹性蕾丝花边因其独特的镂空结构、良好的延展性和优雅的外观，广泛应用于女性内衣、婚纱礼服和贴身衣物中。而氨纶基布（Spandex-based Fabric）以其优异的弹性和回复性能成为高弹性纺织品的核心材料之一。将两者进行复合加工，不仅能够提升产品的整体质感与舒适度，还能增强其力学性能和穿着稳定性。

然而，在实际生产过程中，弹性蕾丝花边与氨纶基布的复合工艺面临诸多挑战，尤其以“张力控制”为核心的技术难题尤为突出。张力不均会导致复合后产品出现褶皱、滑移、变形甚至断裂等问题，严重影响成品率和产品质量。因此，研究并优化该复合过程中的张力控制技术，对于提高生产效率、降低废品率、保障产品一致性具有重要意义。

本文将系统阐述弹性蕾丝花边与氨纶基布复合过程中张力控制的关键技术，涵盖材料特性分析、张力影响因素、张力调控方法、设备选型建议以及典型工艺参数设置，并结合国内外研究成果进行深入探讨。

二、材料特性分析

2.1 弹性蕾丝花边的物理与机械性能

弹性蕾丝花边通常由尼龙（Polyamide）、涤纶（Polyester）或锦氨混纺纱线通过经编或刺绣工艺制成，内部嵌入一定比例的氨纶丝（Spandex），赋予其横向和纵向的双向弹性。其结构疏松、透气性好，但抗拉强度较低，易受外力影响发生形变。

参数	典型值	测试标准
氨纶含量	5%–20%	GB/T 2910-2019
断裂强力（经向）	80–150 N/5cm	ISO 13934-1
断裂伸长率	80%–200%	ISO 13934-1
回弹性（50%伸长后）	≥95%	ASTM D2594
单位面积质量	40–120 g/m²	GB/T 4669-2008

注：数据来源于中国纺织科学研究院2022年发布的《针织蕾丝花边性能测试报告》

从上表可见，弹性蕾丝花边具有较高的伸长率和良好的回弹性能，但由于其结构非连续且存在大量孔洞区域，导致其在受力时应力分布极不均匀，极易因局部张力过大而产生撕裂或永久变形。

2.2 氨纶基布的力学行为特征

氨纶基布多为纬编双面布或罗纹组织，主成分包括聚酯/棉与5%–20%的氨纶纤维。这类基布具备高弹性和良好的贴合性，常用于紧身衣、运动服等需要高动态适应性的服装中。

参数	典型值	测试标准
氨纶含量	10%–18%	GB/T 2910
弹性回复率（循环加载）	≥93%	FZ/T 72013-2019
经向断裂强力	200–350 N/5cm	ISO 13934-1
纬向断裂强力	180–300 N/5cm	ISO 13934-1
延伸度（纬向）	100%–180%	ASTM D3107

值得注意的是，氨纶基布在低张力下即可发生显著形变，且其初始模量较小，表现出明显的“软启动”特性。这一特点使得在复合过程中若张力调节不当，极易造成基布过度拉伸，进而引发后续收缩不均问题。

三、复合工艺流程概述

弹性蕾丝花边与氨纶基布的复合通常采用热熔胶涂覆+层压复合的方式完成，具体工艺流程如下：

放卷准备：分别将蕾丝花边与氨纶基布安装于独立放卷装置；
张力预调：通过磁粉制动器或伺服控制系统设定初始张力；
纠偏对中：利用光电传感器实现自动纠偏，确保两层材料对齐；
热熔胶施加：使用辊式涂布机在基布表面均匀涂覆TPU或PA类热熔胶；
层压复合：在加热压辊作用下完成粘合；
冷却定型：通过风冷或水冷辊稳定复合结构；
收卷成卷：经张力闭环控制后收卷。

在整个流程中，张力控制贯穿始终，尤其在放卷、复合与收卷三个阶段最为关键。

四、张力控制的影响因素分析

4.1 材料自身属性带来的挑战

不同材料的弹性模量、断裂伸长率及厚度差异直接影响张力响应曲线。例如，蕾丝花边由于存在大量非承重区域，在相同张力条件下其实际应变远高于致密织物，容易出现“局部过拉”现象。

此外，氨纶纤维对温度敏感，在高温环境下（如层压区），其弹性会暂时下降，若此时张力未及时调整，可能导致不可逆塑性变形。

4.2 工艺速度与张力波动关系

生产速度是影响张力稳定性的主要外部变量。随着车速提升，惯性效应增强，放卷与收卷系统的动态响应延迟加剧，导致张力波动幅度增大。

据日本东丽公司（Toray Industries）实验数据显示，当复合线速度从20 m/min提升至60 m/min时，氨纶基布的瞬时张力波动可增加达35%，显著提高了起皱风险。

4.3 设备精度与控制系统匹配性

张力控制系统的精度依赖于传感器灵敏度、执行机构响应速度及控制算法先进程度。传统机械式张力控制器已难以满足高精度复合需求，目前主流设备普遍采用全伺服驱动+闭环反馈系统。

德国巴马格（Barmag）在其FLX系列复合线上引入了基于PID+前馈补偿的复合张力模型，可在±2%范围内实现张力恒定控制，大幅提升了产品一致性。

五、张力控制关键技术解析

5.1 分段式张力分区控制策略

为应对不同材料特性和工艺环节的需求，现代复合生产线普遍采用“分段张力控制”模式，即将整个流程划分为若干张力控制区，每区独立调节。

控制区域	推荐张力范围（cN）	控制方式	功能说明
蕾丝花边放卷区	50–120 cN	磁粉制动 + 张力传感器反馈	防止松弛与跳动
氨纶基布放卷区	80–180 cN	伺服电机 + 编码器闭环	抑制过度拉伸
复合牵引区	100–220 cN	交流变频驱动	保持同步运行
收卷区	120–250 cN（渐进式）	中心驱动 + 锥度张力	防止内紧外松

该策略有效解决了因材料弹性差异导致的“牵连效应”，即一种材料被另一种强行带动而产生形变的问题。

5.2 自适应张力补偿机制

针对车速变化引起的动态张力扰动，先进的复合设备配备了自适应张力补偿系统。该系统通过实时采集线速度信号，结合材料弹性系数数据库，自动调整输出扭矩，实现张力恒定。

例如，意大利Santex集团开发的SmartTension®系统，可通过机器学习算法预测张力趋势，并提前介入调节，使张力波动控制在±3%以内。

其核心原理基于以下公式：

$$
T_{text{adjusted}} = T_0 times left(1 + k_v cdot frac{dv}{dt}right)
$$

其中：

$ T_{text{adjusted}} $：修正后的目标张力
$ T_0 $：基准张力
$ k_v $：速度增益系数（依材料而定）
$ frac{dv}{dt} $：加速度变化率

此模型已在多家国内龙头企业（如浙江棒杰数码科技）的智能缝制产线中成功应用。

5.3 多轴同步控制技术

在双放卷+一收卷的配置中，必须保证各轴之间的速度同步。现代控制系统普遍采用CAN总线或EtherCAT通信协议，实现微秒级数据交互。

同步误差需控制在0.1%以内，否则将在复合界面形成剪切应力，导致错位或起泡缺陷。

同步控制指标	目标值	实测值（优秀设备）
速度同步精度	≤0.2%	0.08%
位置同步偏差	≤0.5 mm	0.2 mm
响应延迟时间	<5 ms	2.1 ms

上述数据表明，高性能运动控制器（如倍福BX系列、汇川IS620P）配合高分辨率编码器，可满足高精度复合要求。

六、关键设备选型与配置建议

6.1 张力检测元件选择

类型	精度	响应频率	适用场景
浮动辊式张力传感器	±1% FS	100 Hz	高速连续运行
应变片式直接测量	±0.5% FS	200 Hz	精密小张力场合
间接计算法（扭矩+半径）	±3% FS	实时	成本敏感项目

推荐在关键控制点（如复合入口）使用浮动辊式传感器，确保长期稳定性。

6.2 制动与驱动系统配置

组件	推荐型号	特点
放卷制动器	日本三垦（Sankyo）MT系列磁粉制动器	恒转矩输出，耐高温
牵引电机	松下MINAS A6系列伺服	高动态响应，支持MODBUS通讯
收卷驱动	台达VFD-B系列变频器	内置锥度张力控制功能

国产替代方面，汇川技术、英威腾等品牌近年来在张力控制专用变频器领域进步显著，性价比优势明显。

七、典型工艺参数设置实例

以下为某知名内衣制造商（维珍妮国际控股有限公司）在生产文胸罩杯用复合蕾丝时的实际工艺参数：

工序	参数名称	设置值	备注
放卷张力（蕾丝）	张力值	90 cN	使用磁粉制动器
放卷张力（基布）	张力值	150 cN	伺服闭环控制
涂胶温度	热熔胶辊温	160°C	TPU胶粒型号：Ellastollan S 70D
层压温度	压辊表面温度	130°C	气压：0.4 MPa
层压压力	线压力	180 N/cm	双钢辊压合
生产速度	运行线速	35 m/min	恒速模式
收卷张力	初始值	180 cN	锥度比：1:1.3
环境温湿度	温度/湿度	23±2°C / 55±5%RH	控湿防静电

该工艺条件下，产品一次合格率达98.6%，复合剥离强度≥8 N/3cm（依据FZ/T 01010-2019测试）。

八、常见问题与解决方案

问题现象	可能原因	解决措施
复合后起皱	基布张力过大或蕾丝张力过小	调整张力配比，增加蕾丝端张力
边缘翘曲	两侧张力不平衡	检查纠偏系统，校准传感器
粘合不牢	胶温不足或压力偏低	提高压辊温度至135°C，检查气路密封
收卷不齐	收卷张力梯度不合理	启用锥度张力模式，设置合理斜率
材料打滑	导辊表面污染或包角不足	清洁导辊，增加导向包角至180°以上

特别提醒：在更换不同批次材料时，务必重新标定张力参数，避免因材料公差引发质量问题。

九、智能化发展趋势

随着工业4.0理念的深入，张力控制系统正朝着数字化、网络化、智能化方向发展。

9.1 数字孪生技术的应用

部分领先企业已开始构建复合生产线的数字孪生模型，通过虚拟仿真预演张力分布状态，提前识别潜在风险点。例如，瑞士Unitika Machinery AG在其最新机型中集成了TwinWeave™系统，可模拟不同张力组合下的复合效果，优化参数组合。

9.2 AI辅助决策系统

基于深度学习的张力异常预警系统正在兴起。通过历史数据训练神经网络模型，系统可自动识别张力波动模式，并判断是否即将发生断带或褶皱故障。

华南理工大学团队于2023年发表的研究指出，采用LSTM（长短期记忆网络）构建的张力预测模型，对突发性张力失稳的预警准确率达到91.7%，平均提前报警时间为12秒。

9.3 远程监控与云平台集成

借助5G与边缘计算技术，复合设备可实现远程状态监测。管理人员可通过手机APP实时查看各张力区数值、报警记录及能耗数据，极大提升了运维效率。

十、国内外研究进展对比

研究方向	国外代表成果	国内代表性进展
张力建模	英国利兹大学提出非线性粘弹性张力模型（2020）	东华大学建立针织物张力衰减方程（2021）
控制算法	德国西门子推出SINAMICS S210自适应控制器	浙江理工大学研发模糊PID复合控制算法
在线检测	日本岛精机制作所开发激光测张系统	江南大学研制基于视觉的张力分布图谱仪
节能优化	美国杜邦公司提出低张力节能复合工艺	常州宏大科技推出HawkVision智能张力节电系统