国内外聚丙烯纤维技术与装备的开发与应用进展

2014-05-06芦长椿

纺织导报 2014年3期

关键词：聚丙烯

芦长椿

摘要：近几年持续进步的聚丙烯纤维技术与市场拓展受到化纤界的普遍关注。本文简要介绍了聚丙烯纤维技术的发展趋势，并就聚丙烯的纺熔非织造布设备、短程纺丝设备、BCF和单丝生产设备的技术特征以及相关设备的国产化途径进行了分析和点评。

关键词：聚丙烯；短程纺丝；膨体连续长丝；生物基聚丙烯；纺熔非织造布

中图分类号：TQ342+.62 文献标志码：A

Latest Technology and Machinery Developments of Polypropylene Fiber

Abstract： Technology improvements and market expansion of polypropylene（PP） fiber attract more and more attention in chemical fiber industry. Technology and machinery developments for PP production， including compact spinning， BCF spinning and spunmelt， were introduced in this article. Besides， the author also analyzed the localization approach of above-mentioned technologies and equipments.

Key words： polypropylene； compact spinning； BCF； bio-polypropylene； spunmelt nonwovens

据统计，2012年世界聚烯烃纤维产量487.9万t，其中纺织用、技术纺织品和地毯用纤维产量243.2万t，裂膜扁丝类244.5万t。聚烯烃纤维在欧洲和美国消费市场占据重要位置，其中欧洲是聚烯烃纤维最大的消费市场。

依据中国化纤工业协会的统计，2010年中国聚丙烯（PP）纤维的生产能力为125.36万t（不包括纺熔非织造布、扁丝和膜裂纤维），其中长丝纱72.33万t，PP-膨体连续长丝（BCF）20.65万t，短纤维20.55万t，PP高强丝11.8万t。而国内聚丙烯纤维生产的开工率约为70%。

1 PP的技术与市场持续发展

1.1 PP制品的市场供求状况

近年来，PP及其制品的市场呈稳步发展态势，其中北美市场的年均增长率在9.2%左右，欧洲为4.0%，日本为9.8%，而中国市场约为4.2%。动态经济发展研究已显示出将不断推动PP的市场需求。依据权威机构的研究报告，强势增长的全球PP市场将在2019年达到1 550亿美元。此外，PP及其制品市场的分布向多地区辐射的趋势亦值得关注，比如亚太地区拥有最大的PP及其制品消费群体，约占全球总消费量的50%。日益增长的PP消费在应用领域方面呈现出多元化趋势，比如在几个新兴汽车制造国家，PP的需求量已明显上升。

目前，世界的PP生产能力已接近600万t/a，且仍在不断增长，其中亚太地区新增的PP产能建设预计将占全球新增产能的57%。

从消费领域来看，目前PP的消费领域即弹性和刚性包装材料大约占50%，纤维占12%，电器/电子工业，运输和建筑工业占6%，其他用途主要涉及纸币箔安检屏，波形板材，装饰条带和医用保健用品等。预计未来的 5 ～ 7 年，全球PP及其制品市场的年增长率在4.4%左右。

PP制品具有优良的使用性能：①PP具有较高的熔融温度（145 ～ 165 ℃），可以经受住蒸汽（121 ℃）条件下的消毒处理；②PP的化学惰性可以避免使用中与试剂或药剂发生迁移或反应现象；③PP制品的杨氏模量可以达到2 000 MPa；④在低温条件下具有良好的耐冲击性；⑤优良的水屏蔽性以及在苛刻环境条件下的耐用性；⑥PP树脂可回收再利用，回收中不损失原有的性能。

鉴于PP及其纤维先天的优良性能，其在卫生保健与医用领域的使用早已受到人们的关注。尽管过去数年间PP价格一路上行，但其生产链的低耗能和低CO2排放量等环境友好特性还是为业界普遍认可，具体如表 1 所示。

PP纤维具有优良的芯吸特征，在高端运动服装领域已取得了成功，在妇女卫生和保健卫生用品领域也有很高的市场地位。亚微米-纳米熔喷（MB）PP非织造布用作面部防护装置中的过滤介质，其过滤效率可达99.99%。PP静电纺纤维网材有很高的成本优势，是高端过滤/分离领域的新一代滤材。

聚烯烃纤维制品的技术特征和使用性能早已为人们青睐，欧洲的合成纤维市场中，聚烯烃纤维占据着42%的份额，已成为欧洲化学纤维消费的大品种，并以每年2.6%的速率在增长。

1.2 生物基聚烯烃技术长足发展

丙烯深加工产品中约有 6 成用作PP，其中PP纤维的性能特征已广为人们认知，在医用缝合线、高端医用滤网、用即弃卫生保健用品等领域得到广泛使用。生物基PP技术的不断进步，无疑给相关行业提供了开发高品质、绿色医用纺织品的新机遇。

美国密歇根大学的研究成果显示，较之于传统石油基PP，生物基PP在制备过程中的CO2排放量可减少42%左右。通常在生产石油基PP时，CO2的排放量为3.14 kg/kg聚合物，而源自于可再生资源的生物基PP则仅为1.82 kg/kg聚合物。

Cereplast公司使用50%淀粉基PP和50%的石油基PP制成的混合型PP材料，其CO2排放指标亦可低至1.82 kg/kg产品，该混合型产品中淀粉基PP组分可提高至60% ～ 70%。

Braskem公司与巴西国家生物科学实验室合作，实施了生物基聚烯烃的研究与开发计划，并利用可再生资源首先实现了生物基聚乙烯（PE）的大规模工业化生产。2008年该公司已成功在实验室制得100%生物基PP。生物基PP均聚物和共聚物的成果取得了美国Bsta公司的确认。目前以甘蔗为原料，基于酶技术的生物基PP的工业性开发正在实施中。图1 为生物基PP的制备工艺路线。

依据欧洲生物塑料协会的统计数据，2010年生物基PE产量达到31.78万t，生物基PP约5 100 t，预计2015年生物基PP将达到 3 万t/a规模。

2 国内PP纤维技术与装备发展现状

20 世纪80年代，甘肃省纺织研究所采用POY-DTY工艺开始了细旦PP长丝（单丝线密度≤2 D）的研究与开发，其后中国纺织大学（现东华大学）采用常规的纺丝-牵伸方法，成功制得了单丝线密度在0.9 D以下的细旦着色PP长丝。

具有优异服用性能的超细旦PP长丝的规模化生产是由中科院化学所和北京涤纶实验厂合作完成的，可向市场提供细旦丙纶POY和DTY产品，包括83 dtex/48 f、83 dtex/72 f、110 dtex/72 f预取向长丝以及经变形加工的68 dtex/48 f、83 dtex/72 f DTY产品。

与此同时，吉林省纺织设计研究院采用卧式纺工艺，成功制得了 7 g/D高强力PP长丝，并投入商业化生产。此后，北京中丽制机工程技术有限公司开发的高强PP复丝设备亦投放市场。

北京化纤研究所与北京麻纺厂合作制得了PP切割纤维和裂膜纤维并实现了商业化生产，为国内大规模生产PP扁丝/膜裂纤维奠定了扎实的技术基础。现阶段，国内建筑行业使用的混凝土防裂纤维、包装行业与自然灾害救助使用的塑料编织袋、编织水泥袋以及500、1 000、1 500 kg的集装袋产品仍占据着国内PP消耗的50%。

PP纤维优良的使用性能和较宽的应用领域，是基于PP纤维生产设备的专业化以及工艺装备融为一体的工程化特征。改革开放以来，我国相继完成了纺丝成网设备、熔喷非织造布设备的国产化，并已批量供给国内生产，部分出口到国外，可以说我国已初步形成了一个品种相对齐全的PP纤维生产和消费市场。

2.1 国内PP纤维纺丝设备的发展现状及与国外先进水平的差距

2.1.1 PP纺熔非织造布生产技术与装备

根据美洲非织造布协会（INDA）的市场研究与统计数据，PP纺丝成网与熔喷非织造布约占全球非织造布产量的47%，是非织造布市场的主体品种之一。

我国已可提供系列化的纺丝成网设备和熔喷非织造设备，诸如中纺机械集团宏大研究院SS、SMS和SMXS生产线，邵阳纺机公司生产的五箱体SSMMS配置的生产线等。目前来看，国产的纺熔非织造布系列设备在产品品质、生产效率和设备的运转性能等方面与同类型国外设备还有差距，如进口的SMS设备的运转速度达600 ～ 800 m/min，而国产SMS设备的加工速度大都低于300 m/min。应该说，国内纺熔非织造布技术设备亦面临着如下诸多的竞争压力。

（1）纺熔技术的进步要求生产、设备、市场与技术服务融为一体

德国Reifenhauser（莱芬豪舍）公司与非织造布生产商PGI合作，拟共同开发新的纺熔工艺，以给市场提供多样性高技术含量的产品，满足尿裤、手术用衣和揩巾类产品对屏蔽性、柔软性和透明性能的追求；意大利Unio公司使用Reicofil六箱体、5.2 m幅宽的纺熔设备，采用SSMMMS配置，系列产能2.4万t/a，用以生产高品质、超低克重的非织造布产品，主要用于外科手术医用制品；Gulsan公司增设了Reicofil纺熔生产线，该设备为六箱体，幅宽4.2 m，SSMMMS配置，系列生产能力 2 万t/a；以色列Avgol公司纺熔非织造布主营业务中的90%为卫生保健和医用产品，该公司在华业务亦增添了新的产能为1.5万t/a的纺熔生产线。为了强化与非织造布生产厂家的技术协作力度，提高对用户的服务质量，莱芬豪舍公司建设的精密和完善实验中心配有 3 条纺熔试验线，其中一条实验线为SSMMMXS七箱体配置，专门用作卫生与新型医用纺织品的生产实验。

（2）成本效率是企业追求的目标

成本效率是企业追求的目标。PP纺熔非织造布生产面临原料价格持续上涨的压力，但PP生产链的环境友好特征还是得到业界的普遍认可。PP纺熔非织造布成本效率的提升，目前主要受到纺熔技术如何适应低克重产品（即10、11、12 g/m2）的挑战。低克重的纺熔产品要求保持传统产品的性能，更重要的是在高速运行的纺熔加工线上不出现纤网剥落或撕裂现象，同时赋予产品均一、柔软和最低的废丝率，这些都给高效率和高得率规模化生产带来了一定的技术难度。

（3）开发PP纺熔非织造布新的应用领域

PP纤维系列具有优良的可医用性能，自2000年以来其制品在卫生保健和医用纺织品领域呈稳步增长态势，特别是PP纤维制品的高屏蔽性和对液体或固态颗粒物的防护性能受到人们的广泛关注。美国Hills（希尔）公司开发的用于加工亚微米-纳米纤维熔喷非织造布的商业化设备已投放市场，其加工的熔喷纳米纤维网的单丝直径可以控制在250 nm水平，是面部防护装置的理想过滤材料，屏蔽效率达到99.99%。使用熔喷纳米纤维加工的三明治结构的复合膜，目前已被成功用作高端锂离子电池隔膜。从发展趋势来看，原料选择上趋于生物材料、可再生材料、智能材料及纳米纤维材料，制造工艺上趋于快速、高效、多功能及革新性，正成为纺熔非织造布技术进步的重要内容。此外，为了适应市场的多元化和个性化需要，莱芬豪舍公司特别设计了一条XSXSX配置的试验线，专门用作特定产品的开发和研究。

2.1.2 短程纺丝（Compact）生产设备

短程纺丝是生产PP短纤维的重要设备。采用多孔低速纺丝工艺，通常使用的纺丝板直径为700 mm，孔数（以棉型纤维计）7.4万孔，Oerlikon Barmag（欧瑞康巴马格）公司使用的纺丝板孔数可达11.9万～ 15万孔。生产线加工速度在90 ～ 160 m/min之间。

短程纺丝生产线的标准配置为 6 ～ 8 个纺丝位，系列生产能力为1.1万～ 1.5万t/a。以2.2 dtex热黏合短纤维为准，意大利Fare（法瑞）公司的短程纺生产设备使用 9 万孔纺丝板，单纺位生产效率达1 000 t/a，生产普通6.6 dtex短纤维，单纺位生产能力达1 250 t/a。该公司最新提供的双组分短程纺生产设备，每小时单纺位产量达600 kg，产能高达4 500 t/a。

自20世纪80年代以来，我国化纤厂开始使用引进的短程纺设备生产PP短纤维，同时还开展了短程纺技术和装备的国产化探索。这期间邵阳纺织机械公司、江苏港鹰机械公司等相继推出了 4 ～ 8 纺位的短程纺丝生产线。以国产化8 纺位短程纺丝生产设备为准，在生产6.6 dtex的PP短纤维时，使用 3 万孔纺丝板，单纺位年产能为450 ～ 550 t。

短程纺丝具有十分好的生产弹性，品种调整的时间间隔很短。在同一生产线上可以生产1.0 dtex棉型产品，亦可生产2.2 dtex热黏合纤维和普通6.7 dtex PP短纤维。短程纺丝系统还可以用作无干燥的涤纶短纤生产设备。

我国吉林辽源得利纤维公司引进的 4 纺位双组分短程纺丝生产线可生产PP/PE低熔点纤维，亦可生产普通短纤维或远红外等改性PP短纤维，配置切断机后还可生产短切纤维。

短程纺丝是PP短纤专用的生产设备，也兼具一定的多功能性。国内自20世纪80年代开始，陆续引进了德国Fleissner（福来司拿）和巴马格公司，意大利Plantex、法瑞、Varimak等公司，美国希尔公司和英国Plastisers公司的 9 种型号的短程纺设备，几乎囊括了全球所有同类型设备。目前来看，国产短程纺设备的生产弹性水平还不高，生产效率亦仅为国外同类型设备的20% ～ 30%，因此提升国产短程纺设备的成本效率，满足梳理型非织造布对高性能纤维的需求还是很有必要的。

2.1.3 PP膨体连续长丝生产技术与设备

2011年世界铺地材料与地毯的需求量在130亿m左右，预计至2016年市场需求的年增长率在4.9%左右，期间北美的年增长率约5.6%，亚太地区则约为6.0%。膨体连续长丝是簇绒地毯的重要原料，而PP-BCF的产量约占膨体连续长丝总产量的 6 成。2010年我国簇绒地毯产量约为15 110万m2，其中使用BCF绒头纱的原料构成即PP-BCF和PA-BCF的比例约为3∶1。

Oerlikon Neumag（欧瑞康纽马格）开发的PP-BCF设备占据着全球70%左右的市场份额，该公司提供的PP膨体连续长丝生产线，卷绕速度达3 200 m/min（1 650 dtex），运转率达99%。以S5系列三色BCF设备计（600 ～ 4 100 dtex的平均纤度），其每纺位的产能为640 t/a。

奥地利SML公司的膨体连续长丝设备配置了新型变形装置，可以降低20%左右的原料消耗，该变形系统加工的丝束范围可低至300 dtex。变更产品时无需更换变形部件，具有十分好的加工弹性。该公司BCF设备中独特的冷却转鼓设计可保证加工丝束的冷却时间长达15 s，丝塞的处理长达 7 m，（即实际处理为700 m）确保了膨体连续长丝稳定的品质。SML公司的BCF设备为卧式布置，操作方便。其三色每位两卷装的BCF设备的单纺位的产能为540 t/a（2 100 dtex）。

瑞士SwissTex公司（现为Trützschler Switzerland AG）开发的膨体连续长丝设备配置了新型SymTTex挤压系统，具有良好的加工性能，其柔性设计的挤压装置，可以适应PP和PA的加工。独特的无摩擦热空气变形系统，可以确保加工丝束色泽的均一性和锭位间最佳的品质再现性。SwissTex膨体连续长丝设备的牵伸区布置较长，可以有效改善工艺的适应性，确保聚合物始终处于最佳的状态。

自20世纪80年代以来，我国从意大利、瑞士和德国陆续进口了40余套膨体连续长丝设备，形成了4.5万t/a的生产能力。目前先期引进的BCF设备的寿命已超过设备折旧期，基本退出了生产。

与BCF引进潮同时，中纺院化纤机械厂以纽马格四锭位BCF设备为样机，立足于国内的加工能力对引进设备进行转换设计，完成了 4 部位PP-BCF设备（即LKP602型）的研制任务并批量投入生产。LKP602型BCF设备的加工速度为1 000 m/min，每纺位的产能在200 ～ 230 t/a（1 660 dtex）之间。此外，20年前，盐城纺机厂以国产化BCF设备做技术依据，提供了派生的FS-1/3膨体连续长丝生产设备。应该说，LKP602或FS-1/3型BCF设备是20年前的仿制产品，已属淘汰系列。北京中丽纺机选用意大利Comoli卷绕头的嫁接设计并同经纬纺机合作开发的新型BCF设备尚未在市场见到。

2.1.4 卧式纺工艺制PP单丝生产设备

高性能单丝多采用卧式纺丝一步法工艺，生产线能力通常为50 ～ 60 kg/h，产能高的可达300 kg/h。通常人工草坪单股纱的纤度范围一般在2 000 ～ 33 000 dtex之间；工业用、农用及编织用单丝直径在0.1 ～ 0.5 mm之间；工业滤材、衬垫织物、绳索用单丝直径在0.7 ～ 1.5 mm之间。单丝生产的能耗较低，一般可控制在0.7 ～ 1.2 kW？h/kg这一范围。

通用型单丝生产线一般都有承担小批量试验的功能，生产线系列产能一般在50 ～ 300 kg/h左右，这是适应高性能单丝小批量多品种的市场需求而形成的技术特点。这样的系统配置有利于新产品研发和应对快速变化的市场。一般条件下，单丝生产的品种转换过程可在数十分钟内完成。

意大利Sima公司开发的T-20单丝生产线，其最大的物料投放量为50 kg/h，配备了扁平形和圆形纺丝组件，可承接裂膜纱和单丝实验。一旦试验成功便可直接在同一生产线上继续完成商业化运行。德国Reimotec公司可提供专门设计的R/D单丝生产线，该装置将单丝成形过程中相关的基本单元模块式植入到单丝的R/D流程中，可满足研究试验和小规模生产可能出现的设备和工艺上的变化。

单丝生产设备的专用化特征十分明显，为了实现最佳的成本效率，重要的单丝品种如人工草坪、扁丝、双组分单丝等一般都有专用的生产线供用户选择。表 2 为已投放市场的部分专一产品的单丝生产线。

我国国内采用卧式纺工艺的单丝品种很少，生产工艺水平也比较低。以用途广、产量大的扁丝生产为例，国产设备的加工速度一般为130 ～ 280 m/min，而奥地利Starlinger公司的同类型扁丝生产线的卷绕速度达600 m/min。PP膜裂纤维的生产效率亦大抵如此，国内设备的加工速度一般在100 ～ 150 m/min之间，而德国Reimotec公司人造草坪生产线的卷绕速度可达到500 m/min。目前国内高性能单丝和专用化的单丝设备基本靠进口满足市场需求。

2.2 提升我国PP纤维的工程化水平

PP纤维生产能否获取最佳的成本效益在于工程化水平，我国的纤维生产、装备制造和产品研发长期脱节，工程化技术水平较差。如我国出口至北非某国的PP工业用长丝设备，该项目设计能力为650 t/a，用于生产纤度范围在400～ 900 D的PP工业用长丝。中方提供的设备是由国内工程公司和机械生产商共同完成的，其竞争者为一家欧洲公司。如表 3 所示，在成套设备报价基本相近的情况下，不难看出国产设备无论是在配置还是技术水平、成本效率方面与其竞争对手均有明显的差距，特别是生产能力仅为其一半。

在与印度Zenith纤维公司进行的产能1 100 ～ 1 800 t/a PP短程纺生产线的销售谈判中，由于我国企业不能提供2.5 D、断裂强度5.5 g/D的强力PP短纤维的工艺配套服务而导致谈判失败。

2.3 国内PP纤维的生产与市场需求情况

近年来，我国纺织用PP纤维的需求不旺、而用户开发新品的需求又得不到满足的“尴尬”状况较为普遍。如亚微米-纳米熔喷非织造布材料早已见诸市场，其在面部防护过滤介质上的使用取得了十分理想的效果。具有三明治结构的亚微米-纳米纤维制作的面罩或呼吸器，可以有效屏蔽800 ～ 2 500 nm范围内的颗粒物，具体如表 4 所示。目前国内已大规模生产熔喷非织造布材料，但还不能提供亚微米-纳米纤维类产品。而相对于空气污染造成雾霾地区已占国土面积的1/4、约 6 亿人群需要面部防护的现状来说，高端面部防护材料的研发具有极大的市场前景。

PP短纤维的供求状况亦大抵如此。近来梳理型非织造布市场中出现的三叶截面PP热黏合纤维，可以提高非织造布的撕裂强力，并将产品的透明度由常规的19%提高到41%，该纤维主要用于生产卫生保健产品。PTC型PP系列黏合纤维采用PP/PET双组分结构，是特种非织造布专用纤维，可赋予非织造布产品优良的蓬松性和回弹性。其他诸如专用于喷气纺的T-111型可染PP短纤维，断裂强力为3.0 ～6.5 g/D，切断长度为3、6、13、19、25 mm的高强力PP短纤维等高技术含量，适应轻薄（低克重）、柔软、透明性好非织造布使用的PP短纤维等目前国内基本不能生产。

3 结束语

近年来，世界聚烯烃及其纤维技术呈持续发展态势，市场也显得兴旺。特别是PP产品的能耗和CO2排放较之于聚酯和聚酰胺具有一定的优势，且生物基聚烯烃技术近年来取得了长足进展，这些都为高端聚烯烃纤维产品（卫生保健与医疗用）的开发提供了新的发展空间。

我国PP纤维虽品类齐全，但纺丝装备的成本效率较低，粗放经营的低端产品占据着市场主流，甚至可以说，PP纤维是国内化纤工业中技术装备状况最令人堪忧的品种。而换个角度来看，PP纤维亦是开发空间大、市场潜力不错的品种，建议对PP及其纤维产业链进行生命周期分析（LCA）研究，这对国内PP纤维行业的转型发展具有积极的作用。

参考文献

[1] 中国化学纤维工业协会，东华大学纤维材料改性国家重点实验室.2011—2015年：中国化纤行业发展规划研究[M].上海：东华大学出版社，2012：280-297.

[2] 司徒元舜.我国SMS非织造布装备行业的发展现状与方向[J].纺织导报，2013（9）：40-49.

[3] Sandra Levy. Spunmelt explosion[J]. Nonwovens Industry，2011（2）：42-48.