BCF加工技术的进展及其产品应用
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过去 10 年,bcf加工技术取得了长足进步,主要表现在生产效率提高、产品质量改进以及产能与投资成本比(即产能/机械设备投资成本比)降低等方面。本文简要介绍了近年来BCF技术上的重要变革,并就国内BCF加工技术的现状以及与国外先进水平的差距谈及一些看法。
In the past decade, the production technology of Bulked Continuous Filament (BCF) has made great progress which mainly focused on three aspects, which could be described as increase of production efficiency, improvement of products quality and reduction of output/investment cost ratio. This article briefly introduced some significant changes in BCF technology development course of recent years, and presented some views on the status of domestic BCF industry, as well as the gap to the world advanced levels.
目前,膨体连续长丝(BCF)的产量约占全球变形纱产量的 1/4,2006年其总产量达 234 万t左右,并以每年 2%的速度增长。其品种构成大体为:PP占 52%,PA6占 25%,PA66占 22%,PET和PTT占 1% 左右。PTT BCF在美国市场已取得成功,生物可降解聚合物PLA BCF在日本也得到了消费者的认可,并在汽车用纺织品和地毯配料中使用。
美国是BCF产能和消费量最大的国家,2008年其PA BCF产量达 50.6 万t,PP BCF产量为 25.1 万t,PET BCF 8.4 万t,主要使用热定形纱。比利时、土耳其的BCF产量仅次于美国,中国是第 4 个重要的BCF生产国,其PA BCF产量达 2.2 万t/a,PP BCF产量也在 6 万 ～ 8 万t/a浮动。
1BCF加工技术的现状
过去 10 年间,全球BCF技术与装备的发展基本反映在3 个层面,即提高热空气变形加工的生产效率、改进BCF纱品质及降低单位产能的投资成本。
1.1提高BCF的生产效率
2004年,瑞士Pathfinder(现SwissTex公司的 symTTex M20)BCF生产模块进入中国内地市场时,其生产速度不超过 2 500 m/min,运转效率 95%。而最近推出的M40型BCF生产线的实际生产速度已达 3 600 m/min,生产效率提高了 44%。
新一代膨体连续长丝设备,每个纺位可配置 2/3/4 个纺头,特别设计可做到 6 个纺头,开发 8 个纺头的设备也应属正常的设想与计划。在印度孟买ITME 2004纺机展上,原Neumag(现Oerlikon Neumag,欧瑞康纽马格)公司提供的BCF设备系列中,单色BCF生产速度为 2 550 ～ 2 700 m/min,单纺位挤出量达 88 ～ 120 kg/h;三色BCF生产速度为 2 700 m/min,单纺位挤出量为 75 ～ 80 kg/h;而其单纺头BCF生产系统Sytec One的卷绕速度已达 4 000 m/min,生产效率提升了 48%。为提高生产效率,Oerlikon Neumag公司的S5生产模块配置了BCF纺头处理系统,Sytec One生产装置也装备了自动筒管喂入系统。
1.2改进BCF的品质
随着热空气变形技术的进步,BCF纱线品质也在不断地改善和提高。SwissTex公司的三色Flex技术是一种变化的三色BCF混色工艺。将传统单色纱于变形区混色改为单色纱网络、变形、次网络,而于主网络区完成混色加工。按此新工艺,三色BCF原有的均匀混调可转变成具有三色花洒效果(Sprinkle)的BCF纱。由于单色纱变形赋予的高卷曲效果,Flex纱卷曲性能较之于常规的三色BCF要好,其簇绒产品有强烈的单色效果,获得消费者的青睐。Flex技术可用于该公司T20型和ST 10型BCF设备中。
奥地利SML公司的Austrofil BCF系列设备使用的“STU”变形器,加工范围宽,且无需更换配件,较之于传统变形系统,卷曲度可提高 20% 以上,同时产品的热收缩率可控制在 1% 以内。Austrofil系列配置的冷却转鼓采用无卷边结构、多圈精密的冷却系统设计,丝束冷却停留时间较同类设备要长 5 ～ 6 倍,冷却效果极佳。
Oerlikon Neumag公司的Sytec One生产装置,从纺丝区至变形区,丝路呈直线布置,具有操作故障快速分析和快速处理的功能,保障了BCF生产进行的稳定性。为方便操作并使BCF生产于最佳状态下进行,S5生产模块还配置了产品质量控制和设备运转支持系统,主要包括 3 个方面,即:质量检测系统TQS装置,可以 100% 地在线监测每一个BCF纺头,并形成每一个筒子完整的品质资料记录;Etamax系统用于监测每一批产品的成本因素变化,提供实现成本最佳化的相关数据;而工艺控制与维修技术支持系统配有BCF生产工艺控制和管理系统、设备维修保养软件、生产运转中废丝时间记录以及优化生产和规范维修以获取原材料最低消耗的相关分析。可以说,BCF品质的提升是源于其加工工艺与设备的不断革新。表 1 为近年来部分影响BCF品质提高的技术变化。
1.3投资成本的降低与模块化设计的应用
面对竞争与价格因素,BCF设备制造商试图以较低的价格、较高的品质和良好的生产弹性去适应地毯生产厂家的要求。Rieter(立达)公司首先推出Pathfinder BCF生产模块,该系统主要有以下 3 个特点。
(1)系统结构设计紧凑,设备高度在 10.75 ～ 12 m左右。使用方便,通常只需 6 周就可完成安装试车而投入生产,投资回收周期缩短。
(2)生产区可选用简陋无吊顶厂房,用户建厂的辅助工程投资成本可降至最低。
(3)BCF的所有操作部件均布置在易于看到的地方,工艺控制面基本与操作人员观察面持平,通常不高于 2 m,便于操作和维修。
之后SwissTex公司开发了symTTex M40纺丝系统,每个纺丝位有 4 个头,丝路完全对称,采用上装式纺丝箱体和高性能膨化变形系统,纺丝箱体载量高。
SML公司的Austrofil BCF生产模块一般为 4 个纺位,每位 2 头,其紧凑型设计使聚合物熔体流程短,可快速进行品种更换。设备高度仅 6.2 m,牵伸变形单元于纺丝甬道两侧布置。
Oerlikon Neumag公司的S3生产模块用于单色小规模BCF生产(产能为 1 000 ～ 2 800 t/a),S5模块用于三色BCF生产,后者通常使用 3 纺位、3 纺头配置,其PP/PABCF纱的年产能为 2 200 t/a。S5在运行中显示出很高的生产弹性和优异的成本效率,主要表现在如下几个方面。
(1)可快速进行品种更换
使用Varimelt装置,从三色BCF转向单色生产时,可在30 min内完成。这是由于挤压机直接与纺丝箱体相接,有最短的熔程,这也使更换原料时能将冲洗损失降至最低。S5生产模块的纺丝系统、牵伸变形区及卷绕部位的所有工艺参数如纤度范围、卷曲特性等都可视要求调整。
(2)可灵活调整BCF纱色泽
消费者的爱好,特别是对三色BCF的外观要求,是希望传统的三色BCF簇绒产品能有新的色调效应,从过去均匀的混色向赋予三色纱以强烈单色外观转化。此风格的三色BCF产品一般使用传统的两步法工艺,但其冗长的生产流程和昂贵的设备投资,制约了BCF生产商的选用。而S5生产模块正是生产此类新产品的理想机型。
(3)S5生产模块原料适用性强
对地毯纱生产商来说,消费者喜好的变化,地毯绒头纱款式的更新和市场需求的调整,都会带来原材料的更替。S5生产模块具有十分好的原料适应性,除常用的PP、PA和PET外,还适用于PTT、PBT以及PLA等。
1.4专业化BCF变形装置的研发
变形器是BCF生产的关键部件,其性能和稳定性直接关系着生产效率、产品品质和能耗成本,因此各设备生产厂家都自行研究和配套了热空气变形系统。如SwissTex公司的HPTex变形系统,是一个无摩擦热空气变形装置,具有性能好、经济性高等特点。HPTex对于纺丝油剂的变化适应性较好;在三色BCF加工中,即使色泽添加剂和温度发生波动,变形工艺和纱线品质仍能保持稳定;生产弹性高,十分有利于提高生产效率,目前HPTex的变形速度已适应 3 600 m/min的生产速度。
HPTex变形器的使用性能优良,因此其维修保养工作量很小。HPTex系统可以精确控制变形喷嘴组件和冷却转鼓,使变形丝塞处于最佳状态,这是确保变形工艺稳定、变形加工位与位间品质一致性和重现性的关键。HPTex变形系统使BCF生产取得了以下 3 个方面的明显改进。
(1)随着变形器使用时间的增长,BCF品质也会发生变化。一般标准喷嘴的性能下降周期在 4 周到 6 个月,而HPTex可提高到两年以上。
(2)改善了锭位间卷曲率品质差异。通过 6 个变形位的测试结果,标准型变形器的卷曲率锭位最大和最小间的差异为 20% ～ 25%,而HPTex的差异率几乎可以忽略。
(3)变形加工纤度向细旦范围扩展。标准型变形器的加工纤度为 10 ～ 23 dtex,而HPTex变形器趋于细旦化,可扩展到 5 ～ 23 dtex。
SML公司的STU变形系统较之于老型号喷嘴产品的卷曲率可提高 20%。Oerlikon Neumag公司可提供摩擦型和罗拉型变形系统供用户选用,该公司的Sytec One单纺头BCF生产线配备了新的M Tex变形系统。
由于变形器的专业化程度高,一些厂家如Oerlikon Textile Components(欧瑞康纺织专件)旗下的Temco公司长期从事纤维材料的空气喷射加工专件研究,不断地为BCF生产商提供配套的变形器和技术服务。
美国Chiron技术公司是专业从事BCF变形系统及冷却技术研究的公司,该公司在开发BCF相关技术方面与Oerlikon Neumag公司有密切合作经历。SML公司的第一台Austrofil BCF生产线投放市场时,使用的变形和冷却系统即为Chiron技术公司提供。
2BCF技术与装备的新变革
近年来,BCF生产在工艺技术、装备、纺丝专件及设计理念等方面都出现了一些新的变革,技术更新周期也明显缩短。
2.1BCF冷却工艺的改进
通过热空气变形的BCF丝束,其卷曲状态在于冷却转鼓对丝束进行冷却而固定下来。因此,冷却条件对BCF的卷曲稳定性和均匀性至关重要。
在后续加工中,相当一部分未均匀冷却的卷曲状态的丝束可能被拉长,形成难以补救的品质缺陷,将影响BCF地毯绒头纱的包敷性能。不均匀的冷却现象一般是连续出现的,处于这种状态下的丝束的卷曲性对后加工条件十分敏感,且直接影响丝束的牵伸性能、卷装纱贮存时间等条件,同时,卷曲性能的差异也会引起成品地毯织物的条花瑕疵。进入冷却转鼓的丝束通常呈两种不同的状态,即直线状与弯曲状。一般运行中的丝束占据着冷却转鼓表面积的 40% ～ 45%,要确保冷却转鼓抽吸的有效面积和均匀性,且不能存在死角。
丝束的冷却效果取决于在冷却转鼓上的停留时间、变形后的丝束直径、转鼓直径及加工速度。一般BCF纱生产中,丝束的停留时间大都在 0.4 s左右。Oerlikon Neumag公司开发的新型冷却转鼓可将变形后丝束的冷却停留时间延长至 2.5 s,从而使BCF纱的卷曲水平提高 30% 以上,大大改进了长丝纱的包敷性。这样的BCF纱在进行簇绒加工时,即使采用相同的间距,地毯的密度也会明显提高。SML公司的Austrofil系列设备采用无卷格(Seamless)冷却转鼓,丝束抽吸后表面柔软,独特的冷却工艺可使丝束停留时间长达 15 s,产品的卷曲性能尚佳。
冷却技术的改进提高了BCF生产过程的稳定性及产品品质,同时,也给变形速度和生产效率的提高提供了可能。
2.2CPC分色装置
Oerlikon Neumag公司开发的CPC(Color POP Compacting)分色装置是一个快捷配色系统,其功能是防止出现不当的变形点,即单色纱进入变形区时,不进行混色。为防止单色纱混纤,借助纤维间的交络处理,沿纱线长度方向形成交络点。
CPC装置一般置于加工丝路中的变形区之前。通过CPC的单色丝束形成交络点,阻止丝束在其后的变形和主网络加工中出现混纤现象。经CPC处理过的三色BCF纱,其后序加工仅存有 3 个加工点,即 1 个变形区、1 个冷却区和1 个主网络区。使用中依据CPC操作压力的变化,可以控制单色纱的交络点数及强度。CPC系统操作便捷,并有丝束运行保护装置,当出现缠辊事故时,不会损坏CPC的功能。
CPC系统的应用大大拓展了BCF纱的应用领域,同时也提高了三色BCF设备的生产弹性。变换BCF纱的色泽品种,可以通过CPC装置在数分钟内快速完成。三色BCF生产工艺与CPC工艺的比较如表 2 所示。
2.3PremiJET装置开发与应用
PremiJET系统是瑞士前Heberlein公司(赫泊利,现为Oerlikon Heberlein Temco Wattwil公司)开发的兼有上油和预网络双重功能的密闭式装置,具有良好的经济性和生态友好特征,其卷绕速度最高可达 6 000 m/min。
在BCF生产中,上油后油剂的均化靠预网络喷嘴完成。PremiJET装置将上油和油剂均化功能合二为一,形成一个密闭的模块,可有效防止油剂滴漏和油雾外逸,有效避免了纺丝机及纺丝车间内的油剂污染以及空气中的悬浮颗粒等问题。PremiJET在负压下操作,运行中 1 000 ～6 000 dtex的丝束进入该喷嘴后,先经过 1 组陶瓷罗拉完成上油操作,随即在均化喷嘴的作用下,将油剂横向均匀地分配到单根丝条上,并将丝束上多余的油剂吹除,吹除的油剂被PermiJET回收并且可以循环使用,从而降低耗油量,节约成本。
使用PremiJET装置后,BCF生产速度也由 1 910 ～3 340 m/min提高到了 5 000 m/min。表 3 所示为PremiJET系统使用前后的上油效率变化,表 3 中的实验数据基于如下生产条件:纺制PP BCF,产品规格 2 500 dtex/140 f ,卷绕速度 2 570 m/min。
2.4单头纺BCF生产系统 ―― Sytec One
为提高BCF的生产效率,众多生产商采取增加每个纺丝单元中纺头数的方式,头数一般为 2 或 4,甚至为了某些特殊要求选用每纺位 6 个头。增加纺头数的效果是直观的,但也产生了诸多弊端。如 4 头/位的操作中出现 1 根断丝,即使其余 3 根丝完好,也相当于 4 根全部为断头丝。对于 2 头/位而言,废丝率几乎成倍增加,设备的有效利用率明显降低。增加单纺位纺头数必然会使相关设备和部件复杂化,同时也会增加运行中出现故障的几率。鉴于这样的考虑,Oerlikon Neumag公司开发出了单纺头BCF生产系统 ―― Sytec One,即每个纺头都有自己的喷丝板、计量泵、冷却风窗、牵伸辊、膨化变形系统、冷却鼓以及单独的卷绕头,展示了一种全新的提高BCF生产能力的设计理念,其技术特征主要包括以下几点。
(1)使用精确对称的丝路设计。从纺丝系统到热空气变形装置丝路呈直线布置,中间只需几组罗拉,没有丝束转向形成的折返角。1 根丝断头,不影响相邻纺丝单元的生产,废丝率可降至 1% 以下。
(2)基于Sytec One合理的丝路设计,BCF纱线的加工速度可提升 10% ～ 40%,超过 4 000 m/min。由于每纺位单纺头配置,断头因素分析可快速完成,便于工艺调整,设备的有效利用率也相应提高。
(3)每个纺位单纺头配置,有效简化了操作工序。生头引丝的时间可缩减 70%,变形喷嘴以及其他关键部件的维修也更方便合理。
(4)Sytec One生产装置自动化程度高,配有筒管喂入系统,从筒管准备、输送到卷绕工序以及卷装落筒、打结、系标签、包装全流程实现自动化,也可根据需要转为手动操作,一般 1 个操作人员可管理 54 个纺丝单元。
Sytec One系统的高性能和相关操作的自动化配置,必然会引起纤维生产商在设备投资方面的疑虑,而Sytec One所显示出的在投资成本和能耗方面的竞争力正在改变人们的传统认识。
3BCF的供需状况与地毯市场
3.1国外地毯市场及BCF供需现状
欧洲与北美是世界主要的地毯市场。目前,地毯用纤维原料中,天然纤维仅占 8% 左右,其余绝大部分为合成纤维。而在合纤原料中,短纤维绒头纱占 37%,其中,PA占39%,PP占 27%,PET占 27%,此外还有少量的PAN纱;长丝占 63%,其中,PA占 58%,PP占 41%,另外还有少量的PET和PTT。
不同的纤维类型,分别拥有各自的地毯加工领域。针刺地毯中,PP短纤维占据重要位置,随着PP价格的持续走高,PET短纤市场份额的增长也在预料之中。簇绒地毯市场中,PA和PP的BCF纱占绝对优势,其主要产品规格包括低旦(500 ～ 1 500 dtex)、中旦(1 500 ～ 3 000 dtex)和高旦 (3 000 ～ 6 000 dtex)BCF。机织地毯的原料使用面比较宽,包括天然纤维以及化纤短纤和长丝纱。
目前的BCF地毯市场已显示,消费者更喜欢高品质、高性价比且具有强烈感染力的产品,新型织物结构与纤维组合赋予现代地毯很强的视觉冲击。同时,居高的原料成本也影响了市场的变化走势,选用高性能纤维去优化地毯的加工成本、提高产品的性价比显得愈发重要。
目前,欧洲市场BCF纱的平均纤度在 1 100 dtex左右;北美也较偏向细旦BCF,80% 的PA BCF的规格为 1 200或 1 250 dtex。对于PP BCF,比利时、伊朗及海湾地区国家的机织地毯普遍使用的规格为 2 100 dtex/124 f。细旦化的趋势日渐明显,因为细旦的BCF可明显改善地毯的手感。
PA BCF是地毯领域最具美感的纱线。Aquafil公司开发的原液着色PA BCF系列,具有非常高的色牢度,同时还节省了染色加工成本。该产品可替代短纤纱用于对品质要求极高的乘用车簇绒织物,也可用于政府机关、公司企业的写字间,大型公寓,保健设施,百货商店及学校等场所的铺覆材料。基于技术和经济方面的因素,进入21世纪以来,原液着色PA BCF市场快速拓展,目前已占据欧洲PA BCF市场的 30%。
PP BCF由于不断攀升的原料价格,市场份额已与PA BCF相近。存在原料优势的PET BCF虽然在北美市场得到消费者认可,但在拓展欧洲市场方面并不成功。近来,生物聚合物PLA BCF已成功进入日本市场,并在车用地毯方面得到应用。
全球BCF技术市场正在形成一种新的发展理念,即纤维工程研究已成为地毯产品款式和外观创新的重要工具。一个极具竞争性的从聚合到BCF纱再加工的产业链,正成为快速开发高效益产品的方式。BCF生产与市场的这种变化值得关注。
3.2国内BCF的技术现状及与国外的差距
20世纪80年代初,辽阳石化引进当时Neumag公司的BCF生产线;1989年北京化纤机械厂立足引进设备,经转换设计完成了国内第一台PP BCF设备LKP系列的试制任务。其后国内又相继引进了原德国Neumag与Barmag(现为Oerlikon Barmag,欧瑞康巴马格)公司的两个型号、意大利Plantex和Filtec公司的两个型号以及Rieter公司的BCF设备,总计 40 ～ 50 条BCF生产线,产能在 5 万 ～ 6 万t/a左右。
此后至今的近 20 年间,国内新增BCF产能,除部分引进设备外(如Oerlikon Neumag的S3模块),基本使用的都是北京化纤机械厂的LKP系列或以其为基础的经盐城、沈阳等地仿制的简易型设备,即FS 1/FS 3型BCF设备。
PP BCF是我国膨体连续长丝的主体品种,多用于密封材料、装饰布、地毯及低档过滤材料等,品种较为单一,产品质量普遍较差,废丝率一般为 4% ～ 6%,与国外 0.9% ～ 1.0%的比率相比,差距很大。近年来虽已开发了PTT BCF产品,但尚未规模化生产投入市场。
目前的BCF生产中,原料成本占PA BCF总成本的73%,PP BCF的原料成本则占 53%。PA的价格始终处于合成纤维原料价格的高位,而价格不断上涨的丙烯,也使PP树酯价格与PA相当。面对原料价格波动,国内BCF生产厂家面临着提高产品质量和开发新品的双重压力。
BCF生产过程的技术含量较高,且要求工艺与装备的协同配合,即通过热空气变形技术、上油及预网络油剂均化技术、牵伸辊和丝路设计以及精密的冷却技术与装备融合实现工程化发展。目前,国内在BCF相关技术的研究及陈旧国产装备的更新方面,基本无人问津,这种状况至今已有 20 余年。近来,Oerlikon Neumag公司的BCF实验中心在江苏苏州落户,说明我国的BCF市场还是有开发潜力的,值得业内思考。
回顾20世纪80年代国内引进的BCF设备,可以说基本囊括了当时全球所有类型的BCF生产线,而且是同一型号多台分期引进,可利用的消化吸收的条件十分理想,也是提高我国BCF技术水平的最佳时机。今天看来,当时确实没能抓住良好机遇,但也反映出,任何技术和设备的引进,代价都是高昂的,企业之所以坚持引进,是因为消化吸收可以提升自身的技术基础,其后必然的技术创新也会带来规模生产和技术再出口的巨大效益。没有消化吸收的设备引进,对于国内市场来说,得不偿失,而且也会影响行业的技术创新环境。
4结束语
BCF在产业和装饰用纺织品领域有很大的发展潜力,特别是PA BCF簇绒织物在中高档乘用车纺织品市场上的快速发展,值得国内的生产厂家关注。要发展必然要寻找差距,但要拿 20 多年间几乎毫无技术改进的国产BCF设备与Oerlikon Neumag公司的Sytec One设备比较,已经没什么意义了。重要的是面对国内每年 1 300 ～ 1 700 万辆乘用车市场,在开发PA BCF新产品方面企业还能做点什么。基于国内BCF的技术现状,在热空气变形专件研制方面可提前做点安排,因为技术进步需要资金和时间的投入,也需要一个经验积累的过程。
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