家紡用化學纖維生產技術與裝備的發展現狀與趨勢

摘要：本文介紹了家紡用化學纖維幾個品種的生產方法和技術特征，包括膨體連續長絲（BCF）、空氣變形絲（ATY）以及采用一步法工藝生產的地毯用短纖維。目前國內鋪敷織物用纖維生產基本靠進口設備，技術與裝備的國產化已勢在必行。而隨著人們消費理念的變化，亦要考慮建筑環境標準和生態認證對家用紡織品市場的影響。

關鍵詞：膨體連續長絲（BCF）；空氣變形紗（ATY）；家紡；地毯與鋪敷織物

中圖分類號：TQ340.5；TQ340.6 文獻標志碼：A

Technology and Equipment Development of Chemical Fiber Used in Home Textiles

Abstract： Process and technology characterics of various types of chemical fiber used in home textiles are introduced in this article， including bulking continuous filament （BCF） ， air textured yarn （ATY） as well as the staple fibers used for carpet with one-step process. Currently， the production of domestic chemical fiber used in carpet and flooring still relies on imported equipment， and localization of relative technology and equipment is urgent. Furthermore， with the consumption concept is changing， it is essential to pay attention to the impact of building environment standards and eco-labels on the home textile market.

Key words： BCF； ATY； home textiles； carpet and flooring

1全球家紡用纖維的發展概況

依據Freedonia集團的研究報告，2014年全球鋪敷織物和地毯市場需求達153億m2，預計將延續5%的年增長率，2018年有望達到190億m2的規模。

目前世界地毯市場90%的絨頭紗選用化纖作原料，主要為聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）以及聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）纖維等，羊毛地毯僅占4%。

家紡用化學纖維生產中，廣泛采用變形加工工藝，即采用熱空氣變形的膨體連續長絲（BCF）和使用空氣作為變形介質的空氣變形紗（ATY）。而纖度在11～22dtex之間、切斷長度為65～150mm的PA短纖維紗亦廣泛用于地毯紗。據統計，目前的BCF地毯中，PA占57%，PP占36%，PET占7%。

通常，地毯的絨頭紗占其成本的80%，在大量使用的化纖原料中，PA纖維性能優良，但價格相對昂貴；PET的價格僅為PA的1/3，性價比更具有優勢。對于PA-BCF而言，PA66比PA6價格要高30%。美國鋪敷織物和地毯市場的化學纖維使用量已接近99%，其中，PA地毯占65%（包括BCF和短纖紗），PP地毯占30%。目前，全球PET地毯紗生產呈持續增長態勢，2011年產量達23.4萬t，其中美國是PET地毯紗最大的市場，主要用以替代PA-BCF。

鋪敷織物和地毯的使用性能對市場拓展至關重要。從易清洗和耐用性角度看，PA與PTT地毯最佳；從使用的舒適性考量，PP地毯最差；從產品的環境友好特征衡量，PTT和PET地毯更優秀，如美國Mohawk公司使用杜邦公司37%生物基PDO合成的PTT膨體連續長絲，其加工過程的GHG排放量據稱可降低63%，這樣每生產1m2地毯較常規石油基地毯可減少4.4L左右的汽油使用。

ATY具有仿短纖紗的外觀，在室內裝飾織物和車用紡織品方面受到消費者的普遍青睞。近年來隨著全球紡織品和工業紗市場的需要，170～2500dtex的ATY顯示出十分誘人的利潤空間，促使纖維設備廠家在ATY設備開發方面加大投入。

隨著地毯與鋪敷織物技術的進步及消費理念的不斷變化，人們保護環境的意識日益加強，因而鋪敷織物的原料選擇也更注重綠色因素，具有如下性能特征的原料和纖維材料受到生產廠家的關注和青睞：原料選擇趨于可再生、環境友好、可回收再利用的資源；加工過程具有最低的GHG排放和最低的揮發性有機物（VOCs）排出；綠色地毯要求節能、有效改善室內的環境品質、良好的使用衛生性能，以確保人體的舒適健康。

2家紡用化學纖維的生產技術現狀

鋪敷織物與地毯使用的纖維材料中，天然纖維所占比重不足12%，其中歐洲為8%，而美國地毯使用天然纖維的比例僅為1%。

家紡用化學纖維主要包括變形紗和短纖維。目前廣泛使用的短纖維為PA短纖，采用半精梳工藝和精梳毛紡工藝；已大規模生產并供給市場的變形紗主要為BCF和ATY。

2.1BCF技術的發展

BCF是大規模供給市場的家紡用化纖產品，年增長率在4.9%左右，目前全球BCF的年產量在250萬t/a上下，其中北美地區約占總產量的50%，歐洲和土耳其約占30%，近東、東亞和澳大利亞占20%。BCF生產及后加工工藝流程如圖1所示。

地毯與鋪敷織物的需求增長及市場規模的不斷拓展，促進了BCF技術的發展。2003年OerlikonNeumag（歐瑞康紐馬格）公司開發了緊湊型模塊化設計的S5膨體連續長絲系列，2005年S3系列投放市場，2007年單紡位單卷裝Sytecone系列見諸市場，2011年高效高產的S+設備引起了地毯生產商的巨大興趣。在Domotex2015上，該公司展出了旋轉型網絡裝置——Rotac，可有效改善簇絨或機織加工中缺陷的產生，同時亦可提高三色BCF紗的均勻性。較之于傳統網絡噴嘴，其空氣耗量要節省50%。通過持續地推出高端BCF系列生產設備，歐瑞康紐馬格公司向人們展示了BCF的最新技術，也傳遞出一個信息，即地毯與鋪敷織物巨大的市場需求和潛力。

在適應市場變化上，奧地利SML公司的BCF設備具有一些突出特點，值得國內的相關從業者關注。其生產線采用模塊化設計，操作面配置在擠壓成型單元兩側，最大產量320kg/h，加工線密度為1200～5000dtex；采用高性能冷卻轉鼓設計，使絲束停留時間達15s；預網絡兼上油工藝，主網絡噴嘴置于卷繞前。整機操作面呈臥式布置，設備僅高6.2m。此外，設備生產彈性好，可同時生產兩種不同類型的產品，目前該設備生產的BCF已在地毯、家紡織物以及建筑門窗密封材料上使用。

目前，美國的BCF產量最大，其95%的生產廠家采用直捻工藝。該國不生產BCF設備，基本選用諸如SwissTex等歐洲廠家的成套設備，但其本土可提供高品質的預網絡、后網絡、主網絡噴嘴系列以及BCF使用的熱空氣變形器，據悉SML公司提供的“Austofil”型BCF設備就采用了美國Chiro公司的熱空氣變形裝置。應該說，美國的BCF生產是靠自己的技術能力支撐的，外購的設備僅用作開發新品種或維持生產。

近年來，由于價格因素和加工性能優良，聚酯BCF地毯市場取得了進展。預計美國的聚酯BCF（包括PTT）產量將從2008年的8.5萬t提高到2015年的40萬t。

PP-BCF是膨體連續長絲的重要品種，但其熱性能和彈性回復性不如PA-BCF，這在一定程度上限制了它的使用。PP-BCF是我國地毯紗的主體，但近年亦呈下降趨勢，所占比例從2005年的71%下降到2010年的55%。德國IBU研究所對PP-BCF生產進行了LCA研究，認為傳統PP-BCF圈絨地毯有較好的視覺效果，因此仍會占有一定的市場份額。LCA研究選擇的PP-BCF工廠采取紡前著色工藝，加工線密度在（2600～2900）dtex/（105～135）f之間，強力在1.9～2.0cN/dtex之間，斷裂伸長率則為38.5%～40.0%。

該項研究從對環境的影響、資源利用、產出流與廢物排放等3個方面著手，對紡前著色PP-BCF地毯紗項目的生命循環周期進行考察和分析。在產出流與廢物排放數據中，除輸出熱能、輸出電能、能量回收和材料與部件再利用方面為0外，其它如表1所示，表2為對環境的影響數據。

2.2ATY技術的發展

ATY多用作緯紗，可以改善織物的手感和外觀，適用于家紡、汽車內飾、篷帳織物及諸如縫紉線等工業織物。

自上世紀80年代以來，ATY技術取得了長足發展，特別是遠東地區如日本、韓國和中國大陸的產品得到了消費者喜歡，并取得了很好的經濟效益。進入21世紀，全球紡織業和工業紡織品的市場需求上升，OerlikonBarmag（歐瑞康巴馬格）公司開發了新的空氣變形絲機CATY，可用于加工室內紡織品、汽車內飾等，亦可提供ATY復合紗、柔軟紗及高蓬松紗。

瑞士SSM（絲絲姆）公司開發的新一代ATY機——RM3-T，適用于3200dtex的粗旦紗生產，產品主要用作汽車內飾、居室裝飾品、縫紉線和涂層織物。該機對產品品種和花色的適應性較強，可視用戶要求生產包括標準花色紗、粗節紗、粗細節花色紗、異收縮紗和桃皮紗等特色紗品種。

目前ATY加工使用的纖維原料大體包括PET、PP、PA的牽伸絲或預取向絲（POY）。在開發高性能ATY產品時，芳香族聚酰胺纖維、PBT纖維、液晶纖維（Vectan）等也有使用。

生產300～6000dtex的空氣變形紗，可配置不同規格的變形噴嘴。空氣介質使用的壓力在6～14bar之間，加工速度為50～500m/min，家紡用ATY的加工工藝配置如表3所示。

德國Aachen（亞琛）大學紡織纖維研究所以短纖維紗為原料，經空氣變形加工制取地毯絨頭紗。其生產成本比BCF要高30%，但僅為半精梳紗的一半。

2.3家紡用短纖維生產技術及其在地毯與鋪敷織物上的應用

短纖紗多用作款式多樣、高端地毯的絨頭紗。目前鋪敷織物廠家使用的多為11～22dtex的PA和PET短纖維，切斷長度有65、150和200mm等幾種。

用作地毯絨頭紗的短纖維要求具有耐UV和良好的光穩定性，色澤鮮艷并有較寬的色譜，纖維的截面為圓形或異形。圖2為使用化纖短纖紗加工鋪敷織物與地毯的加工鏈。

地毯用短纖維生產通常采用紡絲與后處理一步法工藝，即緊湊型（Compact）設計的生產線，具有十分好的生產彈性，非常適宜小批量多品種的市場需求。該紡絲裝置采用中心放射型冷卻系統、大型環形紡絲板，單絲線密度為11～22dtex，生產線加工速度一般在90～150m/min之間。

短纖維紗通常采用環錠紡紗方法，即半精梳或精梳毛紡工藝。地毯短纖紗多使用單股、兩股或3股紗。在使用兩股短纖紗時，先自動并線、倍捻，進入后整理工序后，經絞紗染色、絡絲、倒筒后進入織造工序；使用3股紗時，可以經環錠加捻、連續熱定形、倒筒后進入織造，或采取并線、倍捻，后整理采用連續定形和精練后經倒筒，再進行簇絨或機織工序。

地毯用短纖的性能和品種也在變化，如常規的PA短纖維多為圓形截面、消光產品；第2代PA地毯用短纖維采用異形截面，第3代被賦予了抗靜電功能，第4代增添了防污處理，而第5代PA地毯短纖維已發展至酸性染料可染，并具有抗污功能。表4為部分用于地毯紗的新型短纖維的技術特點。

2.4家紡用化學纖維新品種的研究與開發動向

現階段地毯市場使用的面紗已經發生了很大變化，纖維細旦化大大改善了地毯的柔軟性，新一代地毯用單絲線密度也在10D左右，甚至有4～5D的。依據Mohorwk公司的報道，居室地毯的結構設計，要求地毯紗的加捻和熱定形工藝同步改進，目前，捻度與傳統工藝相比要提高30%，地毯面紗更趨于輕質化。與此同時，高性能及具有“綠色”性質的地毯用纖維正不斷進入市場。

韓國曉星公司開發的PA6中空地毯紗，纖維截面呈四孔中空，具有良好的抗污性能和耐用性。該公司開發的三維卷曲PET-BCF，在物理機械性能如阻燃性、剛性、卷曲均勻性及壓力條件下的彈性模量上取得了明顯改善，其初始模量為2.0g/D，斷裂強度為3.0g/D。在初始應力1.0g/D下，伸長僅有5%，初始應力為1.0～2.5g/D時，伸長達20%。

歐瑞康紐馬格公司提供的雙組分BCF為皮芯型截面，芯層選用價格低廉的回收PET瓶片作原料，可節省60%左右的成本。

2.4.1生物基BCF

PTT-BCF含有28%～37%的生物基組分，其合成中使用的生物基PDO來源于玉米糖。每千克PTT約耗用0.37kgPDO（占其成本的57%）和0.81kg的PTA（占其成本的43%）。

玉米糖的生命循環周期一般不超過10年，其制備的地毯絨頭紗可以滿足室內空氣的品質要求（IEQ）。據測算，與傳統PA6相比，其CO2排放量可降低63%，能耗節省30%；與PA66相比，其CO2排放量低56%，能耗低40%。

PTT-BCF用作絨頭紗質地柔軟，抗污性能優良，易洗快干。其耐用性能測試顯示要優于PA6、PA66地毯紗。PTT地毯紗的使用性能十分優秀，具體如表5所示。

美國地毯研究所和Mohawk公司使用37%的杜邦TMSorona？與再生PET混合后用于生產地毯紗，其商品名稱為“Smartstrand”，可有效減少石油基資源的使用，與同類型PA產品相比，其能耗可降低30%，GHG排放降低63%。據測算，每生產6m2“Smartstrand”產品可節省3.79L石油。據悉，國內威海山花已有生物基PTT地毯紗生產，常州靈達公司利用杜邦TMSorona？原料生產萬噸級生物基PTT-BCF項目亦在實施中。

Invista（英威達）公司向市場投放了一款紡前著色PA66地毯紗，其商品名為“Antron”，該產品混入了25%的再生PA66和5%的生物基PA-11。依據該公司的研究報告，Antron地毯紗的生產過程可以降低燃油能耗13%，碳排放量減少21%，而CO2污染密度下降6%，預計2011—2020年間污染密度值將下降到20%。目前，Antron地毯紗已投放市場，并取得了環境及可持續性方面的認證。

日本Suminde公司開發的紡前著色PLA地毯纖維，線密度范圍為500～3500dtex，單絲線密度為2.5～25dtex，強力為1.75～3.5cN/dtex，伸長率為35%～60%，沸水收縮率為2%～8%，干熱收縮率為5%～25%，目前已投入試用。

2.4.2新型纖維素纖維地毯紗

Lenzing（蘭精）公司的Tencel？纖維取之于可再生資源，100%可生物降解。其非晶區的溶脹和微細-納米原纖化結構的芯吸功能，賦予其織物新的使用性能。

（1）良好的吸濕性

在相對濕度為90%的條件下，Tencel？纖維的吸濕率達40%，優于棉纖維，當相對濕度從65%升至100%時，Tencel？的吸濕率高過羊毛。其織物良好的吸濕性可有效改善居室內的環境狀況。

（2）抗靜電性

抗靜電性能是地毯應用的重要指標，依據EN1815標準，以Tencel？/PP（80/20）為原料的地毯的靜電負荷為0.7kV，而未經處理的PA地毯為10kV，同樣未經處理的羊毛地毯靜電負荷4kV。通常對地毯靜電性的要求低于4kV。

Tencel纖維的高模量賦予纖維制品優良的壓縮性和彈性回復性能，受到地毯廠家的青睞。與傳統纖維如羊毛、PA、PAN纖維一樣，可采用纖維或紗的形式染色。用作地毯絨頭紗常使用的紗支數為Nm3～10，具體如表6和表7所示。

（3）Tencel？纖維地毯紗的衛生性能

Tencel？纖維家紡產品的衛生性能主要表現為對室內環境的影響，即人體對纖維材料的過敏性反應以及纖維是否助長微生物侵潤皮膚而威脅人的健康。研究和實驗結果顯示，用該纖維加工的地毯產品的細菌或微生物滋生狀況僅為常用合成纖維地毯的1/1000～1/100，可以說，采用線密度為15dtex、切斷長度為150mm的Tencel？纖維的簇絨地毯具有良好的吸濕性和衛生性能，可有效改善居室的微環境。

2.4.3利用回收資源制地毯紗技術受到普遍重視

尋求價格低廉的化學纖維原料是鋪敷織物與地毯工業近20年來總的發展趨勢。而4R的資源開發方式，即降低消耗（R）、立足于可再生（R）、可重復使用（R）和可循環利用（R）是家紡業的廣泛共識。

發達國家如美國每小時要扔掉250萬個軟飲料瓶，我國每年纖維生產使用的回收PET瓶基切片已達數萬噸。回收PET瓶不僅環保，且100%PET瓶基地毯紗也顯示出了良好的耐用性、色澤、靜電防護性能和抗污性能。通常回收1350個飲料瓶可以節省垃圾填埋場0.765m3的填埋空間，使用14個（約567g）PET瓶可以制得0.093m2的地毯。

美國Mohawk公司采用回收PET瓶片料制得了100%PET瓶基BCF，并成功投放市場。該公司每年約回收使用30億個PET瓶，相當于北美地區每產生4個垃圾飲料瓶中就有1個被用于加工地毯紗。進入21世紀以來，該公司已從垃圾填埋場回收利用了240億個PET瓶用作地毯紗生產。

美國Universal公司利用廢舊的PA66地毯做原料，經篩選、分級后的絨毛纖維加工后得到符合紡絲規格的切片。回收PA66聚合體可以進行正常的紡絲和變形加工，并獲得與常規PA66纖維產品相當的品質。Universal公司已形成完整的廢舊PA66地毯回收產業鏈，每年約從美國的垃圾填埋場找回14.1萬t的廢舊PA66地毯紗，將其變廢為寶。

3國內地毯與鋪敷織物用化學纖維的技術現狀與思考

2011—2020年間，全球地毯和鋪敷織物的年增長率約為4.9%，其中亞洲和非洲是需求最旺盛的地區，年增長率超過6%。據預測，中國將占有新增市場的1/3。

2013年我國的纖維加工總量約為4850萬t，三大終端纖維即服裝/家紡/產業用紡織品的消費比例為48/29/23。據此可推算，目前國內用作家紡產品的化纖量在900萬～1100萬t/a之間。

變形紗（包括BCF和ATY）是地毯和鋪敷織物使用的主打化纖品種，而短纖維化纖紗僅占30%的市場。國內目前PP-BCF的產能在20.65萬t/a左右，而PA-BCF為4.1萬t/a。PA短纖地毯紗和ATY在鋪敷織物上的使用還不多。

3.1國內家紡用化學纖維技術與裝備的發展現狀

20世紀80年代中期，紐馬格的PP-BCF設備進入中國內地，隨后陸續引進的還有巴馬格公司（STM系列）、瑞士立達公司、意大利Plantex公司和Filtec公司以及意大利4000t/a的PET-BCF生產線。進入90年代后，立達等公司的PA-BCF生產線亦陸續在上海、四川、河南、湖南、山東、湖北等地投入運轉。

回顧立足于紐馬格BCF設備的國產化工作，進展并不順利，北京化機的LKP-BCF國產設備始終不能正常運行，幾經周折已進入報廢期。目前國內的BCF生產（除近期引進的幾臺設備外）基本靠已臨近折舊期限的進口設備維持。國內上海、鹽城、河南等地仍有極其簡陋的BCF設備供應，其裝備水平與國外差距在30年以上。

家紡用ATY的發展狀況與BCF相似，進口設備也充當著生產主體，主要包括德國Eltex（AT、HS、ABS）、巴馬格（FK6-T80）、美國Enterprise公司（Emad-17）、日本愛機（AT-501）和村田335等機型。

在利用空氣變形技術開發仿短纖紗的研究中，國內積累了較為豐富的經驗，其中北京、天津、江蘇、浙江和上海等地的紡織化纖研究院所和企業開發的7個系列ATY噴嘴已在生產中試用（加工產品的線密度為150～4000dtex）。

華源紡機集團也可提供適用于PET、PP長絲加工的空氣變形機，整機64錠或128錠。但近20多年間，沒有新的國產ATY機型出現，家紡用ATY的開發和應用亦略顯不足。

地毯用短纖維生產通常采用連續一步法工藝，即紡絲-與后處理兩段工藝一步完成，俗稱短紡。國內大規模多型號引進的一步法短纖維生產線，幾乎包攬了全球所有的短紡設備型號（即從德國引進3個系列，從意大利引進6個系列，從英國引進2個系列）。國內邵陽第二紡機公司和張家港港鷹機械公司可提供國產化短紡生產線，但設備效率僅為進口生產線的25%～30%。

國內家紡用化纖生產技術的研究與開發力量相對薄弱，大量引進生產裝備帶來的技術上的發展機遇也沒能抓住。我國家紡用化纖原料的供應鏈尚不完整，行業的功能界限亦不清晰。

3.2關于我國家紡用化學纖維技術進步的一點思考

目前，國內家紡用（700～4000dtex）ATY產品的開發相對滯后，國產一步法紡絲設備的生產效率比較低，BCF技術的研究與開發投入幾乎呈空白狀態。

以BCF為例，30多年間，我們引進了不同時期全球最具代表性的BCF生產線，但忽視了BCF的技術特點，僅通過依靠機械廠家簡單意義上的轉換設計的方式著手BCF設備的國產化，未能取得預期的結果，錯過了關鍵時間。

現今看來，從國內企業的技術狀況及不少設備廠家仍然熱衷于生產簡陋的BCF設備的經營理念來看，著手重大設備的國產化仍有走急功近利老路的可能。鑒于此，可考慮參考北美BCF生產企業的做法，即先在企業與相關院所的研發方面加大投入，待企業有了一定的技術積累后，再實施BCF設備國產化可能會更實際一些。我國是化纖生產大國，亦是家用紡織品的消費大國，不可能長期讓進口設備占據國內的家紡用化學纖維市場，但在技術上還需腳踏實地地進行。

4結束語

家用紡織品約占我國纖維加工總量的4成份額，國內的家紡用化纖生產技術，如BCF、ATY技術以及一步法短纖維生產技術，在品種、產品品質和成本效率上與國外還有不小的差距。目前生產中大量使用的進口設備大部分臨近折舊期限，而國產家紡用化纖設備技術水平較低，尚不能滿足升級中的國內化纖企業的要求，我國家紡用化纖原料的供應鏈面臨著困難的調整期。

作者簡介：蘆長椿，男，1941年生，高工。

作者單位：全國化纖新技術開發推廣中心。