BCF加工技术的进展及其产品应用园产品加工技术作业1

1、【BCF 加工技术的进展及其产品应用】园产品加工技术作业1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 BulkedContinuous Filament (BCF) has madegreat progress which mainlyfocused on three as

2、pects, which could be described as increase ofproduction efficiency, improvement of products quality and reduction ofoutput/investment cost ratio. This article briefly introduced somesignificant changes in BCFtechnologydevelopment course of recent years, and presented some views on thestatus of dome

3、stic BCF industry, as well as the gap to the world advancedlevels.目前，膨体连续长丝（BCF）的产量约占全球变形纱产量的1/4,xx 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,xx 年其 PA ?BCF 产量达50.

4、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xx 年, 瑞士 Pathfinder（ 现 SwissTex 公司的 symTTex M

5、20）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ITMExx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 5502 700 m/min,单纺位挤出量达 88120 kg/h;三色 BCF

6、生 产速度为 2 700 m/min,单纺位挤出量为 7580 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 昆色工艺。 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

7、工。按此新工艺，三色 BCF 原有的均匀混色色调可 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 AustrofilBCF 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

8、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 56 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

9、;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

10、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

11、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 0002 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/PA?BC 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 ,

12、 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

13、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

14、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

15、,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1023 dtex,而 HPTex 变形器趋于细旦化，可扩展到 523 dtexSML 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 TextileComponents（欧瑞康纺织专件）旗下的

16、 Temcc 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 B

17、CF 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

18、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

19、 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Oerlik on Neumag公司开发的 CPC(Color POP Compact in g)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 勺单色 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 B

20、CF 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 勺功能。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 CPCE 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 Oer

21、likonHeberlein 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 000m/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 0006 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 ,

22、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 9103 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 500dtex/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

23、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 Neuma（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

24、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

25、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

26、, 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(5001 500 dtex)、中旦(1 500 3 000 dtex)和高旦(3 0006 000 d

27、tex)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 100dt

28、ex/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

29、 ? 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Neuma必司的BCF生产 线;1989年北京化纤机械厂立足引进设备 , 经

30、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 NeumagWBarmag（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4050 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 勺 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

31、/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。B

32、CF 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

33、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 Oe