纺熔非织造技术三十年回顾与展望

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2017-11-21 环球过滤分离技术网

1987年，德国莱芬豪舍公司（Reifenhäuser，以下简称“莱芬”）公司第一条商品生产线在广东从化投入了生产运行，这条生产线开拓了中国纺黏法非织造布的先河，也是中国非织造布产业发展的一个里程碑，到了2017年，这条生产线已整整运行、使用了三十年时间，中国的非织造布产业也发生了今非昔比的巨大变化。

以纺黏法技术为主的熔体纺丝成网非织造布，目前已成了各种非织造布中发展最快，产量占比最大的一个品种。2016年，全球各种非织造布的总产量为890万吨，使用PP、PET原料的纺熔非织造布占了46%。

我国在2016年的纺熔非织造布产量已达266.3万吨，是二十年前（1996年）产量3.5万吨的76倍，年复合增长率为124.2%，超越了全球任何国家和地区的发展速度。中国的纺熔非织造布产量已占全球总产量的一半，对世界非织造布产业的发展有举足轻重的影响。

为探索纺熔非织造材料生产技术，我国曾先后从意大利NWT公司、NWE公司、O.R.V公司、STP公司、卡蓬玛索（Campomarzio Impianti）公司、法瑞公司（Fare）；德国莱芬豪舍公司、吉玛（Zimmer）公司、纽马格公司（Neumage）；日本高度纸公司（NKK），美国诺信公司（Nordson）引进了十多种纺黏法原型设备。

经过对引进设备的深度解读，消化、吸收、再创新实践，终于在本世纪初筛选出“宽狭缝负压牵伸”工艺，及“管式牵伸”两种工艺作为主要发展方向。各种新机型的出现，催生了具有中国特色的非织造布技术，我国也进入了发展的快车道，从设备纯进口国跃升为全球主要的纺熔装备供应国。

目前，中国制造的纺黏法、熔喷法、纺黏/熔喷/纺黏复合（SMS）生产线已大量出口到东南亚、中东、非洲、南美洲和欧洲等地，日本、韩国的企业也购置了中国制造的设备在东南亚设厂生产非织造布；中国企业在越南的工厂早已投产，在美国的工厂也将在今年底试产。

历经三十年的沧桑，我国的熔体纺丝成网非织造布技术已是今非昔比，发展成果骄人。但必须清醒地看到：无论是纺丝系统或配套设备的技术水平，还是非织造布产品的综合质量指标、应用领域等方面，与国际先进水平仍存在着“两代机型”的差距。必须加强技术创新工作，才能实现从“大国”向“强国”的华丽蜕变。

1  中国使用的纺熔非织造生产工艺

目前，德国莱芬“莱科菲”（Reicofil，简称“RF”）工艺及由此衍生出的“宽狭缝负压牵伸”工艺，是目前国内的主流工艺，近90%生产线中的1600个纺黏系统都是使用这种技术，所生产的产品有一半是用作医疗、防护和卫生制品非织造材料。

用“管式牵伸”、“宽狭缝正压牵伸”工艺生产的非织造产品，在卫生制品领域缺乏竞争优势，有的企业已转型、改行了。但在产业用纺织品领域，正是其“用武之地”，目前呈蓬勃发展势头。

“管式牵伸”工艺主要用于PP、PET、PA、PLA、PPS等原料的加工及双组分纤维加工。产品主要用于生产油毡基布、房屋建筑、防水、高速铁路、高速公路、机场、港口码头、水利设施、地面制品、过滤材料等领域。我国已能制造“管式牵伸”工艺生产线的全套设备，使我国的PET非织造材料产量有了可喜的增长，产业结构更趋合理。

“宽狭缝正压牵伸”工艺的牵伸速度高、原料适应性很好，主要用于双组分纤维（PET/PA等）、高强度粗旦PET和PP纤维加工；国内一些加工PLA、PET、PA聚合物的生产线就是使用这种工艺，产品有PET、或PP纺黏针刺土工布、双组分水刺布、热轧非织造布等。

美国诺信、希尔斯公司、日本NKK公司、法国立达公司等的纺丝系统，就是使用“宽狭缝正压牵伸”工艺。德国纽马格公司的牵伸速度最高，可达8000m/min，牵伸气流的压力已由0.35MPa降低到0.1MPa，减少了能耗。所制造的7m幅宽双组分SXMS生产线，有望于2018年在广东恢复运行。

意大利法瑞公司也是使用“宽狭缝正压牵伸”工艺，在高强、粗旦（≥6dtex）PP针刺非织造布技术方面也取得了进展。

“宽狭缝正压牵伸”工艺的一个缺点是能耗高，有的机型PP纺黏产品能耗高达1600~1800kWh/t，SMS产品能耗高达2100~2500kWh/t,企业无法承受高昂的生产成本，只好将一些早期设备弃置了。加上国内使用的“宽狭缝正压牵伸器”基本都是国外制造的产品，因此，应用范围也较窄。

2  德国莱芬的RF纺丝技术

德国莱芬公司在1986~2002年间，开发了RF1、RF2、RF3、RF4等纺丝技术，并在十五年后的2017年开发出了最新的RF5技术，目前是RF3、RF4、RF5三个机型并存，适应不同领域的需要。我国已拥有全球生产线数量最多、机型最齐备、生产能力最大的熔体纺丝成网非织造材料产业群。

3  RF4技术的特点

用德国莱芬公司的RF技术生产的非织造布是卫生、医疗制品的主要材料，产品的特点迎合了制品的“更轻”、“更薄”的时尚趋势。老一代设备无法生产新机型生产的产品、将逐渐失去竞争能力，也促进了技术进步和转型升级。

并不需要所有的设备都是“高、大、上”，但新技术具有明显的领先的竞争优势，并成为竞相发展装备的主流。2002年出现的RF4技术，仍是迄今为止在用的最先进技术，并在长期的应用中得到改进、提高。与早期机型比较，RF4有如下特点：

第一，在外形方面，RF4冷却风侧吹风装置又恢复了类似RF1两层冷却风的结构，但工艺条件则与RF1相反。在RF1系统，上层冷却风是温度较低的14~16℃制冷空调风，而下层则是温度较高（≥28℃）的冷却气流，是抽吸风机的回风与室内、外气流的混合风。

第二，RF4使用了比RF3以前各种机型更宽的喷丝板，纺丝组件的宽度由216mm增大至256mm，“布孔区”的宽度由120mm增加至160mm，喷丝板的孔密度也由5100个/m增加为当前的7000个/m。在喷丝孔单孔流量相同的条件下，产能可增加30%左右。

第三，RF4牵伸通道的外形有了明显的变化，结构和刚性加强，通道出口最小宽度仅20mm左右，比以往机型更窄，这就意味着冷却、牵伸气流速度也就更高，这是获取更细纤维的保障。

第四，RF4在牵伸通道增加了加热装置，补偿了由于内部牵伸气流与环境的温差所引起的通道截面变形，增加了调控铺网均匀度的技术手段。

第五，为了获得更高的牵伸速度，冷却风机的压力是RF1的二十多倍，侧吹风箱内的压力也提高了十倍以上。提高牵伸气流压力还增加了气流密度，有利于提高牵伸效率。

第六，RF4将原来的“封闭式”纺丝通道改为“半开放式”通道，消除了由扩散通道出口与各邻近构件的“动、静密封装置”引发的各种工艺故障，对提高生产线的运行速度和设备可靠性有很好的效果。

第七，在RF4纺丝系统的上、下游设置了辅助抽吸区，这是将纺丝通道由全封闭式改为半开放式的配套措施。减少了压辊数量，除了能有效防止发生缠辊外，还能减少环境气流对铺网过程的干扰。

第八，以往机型的扩散通道与成网机之间的距离是不可调的，仅能通过改变扩散通道的宽窄来控制铺网过程。现在不仅保留了控制通道宽度的手段，还能利用改变通道出口与网带间的高度来调节，这就为改善铺网均匀度及产品MD/CD性能提供了更多手段。

第九，RF4系统的能耗较低，一些多纺丝系统的SMS型生产线的单位产品能耗约为1600~1700kWh/t，节能优势明显。

4  RF5技术的亮点

在传承RF4优点的基础上，RF5还应用了很多新技术，使其性能全面超越了RF4，主要体现在以下几个方面。

（1）RF5生产线的最高运行速度为1200m/min，比RF4提高了30%。可生产规格为8g/cm2的轻薄产品，是当今最先进的水平。在2019年前后、该机型将在中国南方出现。

（2）纺黏系统的生产能力达270kg/（m•h），比RF4提高了35%；熔喷系统的产能达70kg/（m•h），比RF4提高了40%。

（3）RF5的单丝纤度小于1den，比RF4减小20%，产品具有更好的均匀性、遮盖性、强度和柔软性。

（4）工艺稳定性、可控性增强，大幅度减少了产品的疵点，提高了产品质量。与RF4相比较，能减少90%以上的云斑、硬块等疵点。

（5）在纺熔复合机型方面，能提供更多的组合、排列方案，RF5首次提供了有8个纺丝系统的SSMMMMSS结构的复合非织造布装备。

（6）熔喷系统可选只有一行喷丝孔的传统机型、也可以选有“多行”喷丝孔的“Multi row”熔喷技术。

（7）在SMS型生产线中，RF5熔喷技术可以灵活调控静水压，在增加35%的产量时，产品的质量也提高了20%，解决了以往高产量与高质量之间的矛盾。

（8）只有幅宽不小于4200mm的机型才需要建造放置设备和管网的地下室，现在幅宽小于4200mm的RF5生产线已不需要建造地下室，大幅度降低了土建费用。

（9）RF5生产线中的螺杆挤出机、热轧机、电动机等都是高效、节能产品。虽然生产线总装机容量较大，但产品的能耗仍比RF4减少了15%。

（10）效率更高，停机时间更少。RF5型的技术改进有助于增加有效生产时间，如通过对工艺风系统的改进，使维护清洁的工作更加便捷，减少了停机时间，提高了生产线的利用率。

（11）利用双组分（RF Bico）技术,可以生产双组分“并列型”的PP/PP，或PP/PE自卷曲纤维，利用热风或热轧固结这种纤网后，便成为高度蓬松、触感和厚度保持性良好的双组分非织造产品，是一种性能优异的卫生制品材料。

5 RF5的数字化、智能化技术

RF5融合大量数字化和智能化技术，体现了其工业4.0数字化特征。加强了现有各种技术优势，生产线更容易操作, 提高了生产线的利用率、产量与质量。还可以利用这些技术将已在运行的RF4生产线升级为RF4.5，其特点如下：

第一，友好的人机界面。RF5生产线有一个很直观和容易操作的全新控制系统。用户界面突出关键参数，显著减少复杂性，更容易、直观操作。通过自定义仪表板,可以快捷查找更多细节。系统能提供专家支持，进行远程诊断和视频通话。

第二，数字化助理。可以从任何地方使用移动设备，通过扫描二维码访问、检索所有存储相关信息,如机器文档、产品描述、技术图纸,维护指令,或培训视频。数字化功能可储存最佳的生产参数，方便操作人员从系统获得帮助。操作系统还会持续监测过程和产品质量的性能变化，优化生产参数，确保产品质量的一致性。

第三，控制质量与非织造分级。RF5提供一个即时反馈在产的产品质量及变化趋势等功能，并根据不同目标市场的需求分级，能与其他系统进行通信、自学习,自主实现生产目标，实现个性化定制生产。当实际质量偏离目标质量时,系统会发出警告,并提供调整工艺参数的信息。

第四，检测判断设备的异常。智能化系统使用特殊的算法,通过大数据分析、比较，能感知异常现象，发现即将磨损的设备、准确预测纺丝组件的剩余使用时间，做出状态评判，为操作人员提供解决问题的信息。据此，用户能够制定主动的维修计划，减少意外停机时间,从而提高生产线的利用率。

6 智能型生产线“RF Smart Line”

在应对高技术、高效、高速、高产能的发展趋势的同时，针对新兴市场订单数量多，产品批量小，转产频繁这个特点，莱芬推出了运行方式灵活，产能不是很高的“智能型”非织造布生产线“RF Smart Line”。

智能生产线的最高运行速度只有400m/min或600m/min，年产能约10000吨。客户能快速、灵活地应对市场需求，并能在小批量生产中获益。虽然生产线的配置较简单，但在产品的质量、可靠性、安全性和服务等方面，能忠实RF的品质,产品满足医疗、卫生制品材料的最高标准要求。

RF Smart仅能使用PP或PE原料，没有双组分纺丝功能，配置的纺黏系统为“RF3.1”,熔喷系统为“MB Smart”；幅宽只有1600、2400、3200三种规格；机型配置方式有：S、SS、S(MM)S、S(MM)(MM)S等。

型号中的“（MM）”也称为“Twin M”，表示两个熔喷系统安装在同一个钢结构纺丝平台上，共用一台较大的螺杆挤出机和一台熔体过滤器，然后分为两路向两个熔喷系统供应熔体，从纺丝泵开始，每个纺丝系统其他下游设备则是各自独立的。

与早期的机型比较，智能生产线不需要建地下室，降低了对基础设施要求，能以较低的成本将设备集成到现有的建筑中。

7 熔喷技术

除了纺黏法非织造布技术以外，熔喷技术也是熔体纺丝成网技术的一个重要品类，目前，熔喷技术的实用发展方向有如下几个。

7.1 提高过滤效率或阻隔性能

通过使用小孔径、高孔密度的喷丝板等技术，制造微米、亚微米、纳米级产品，可以显著提高材料过滤效率和阻隔性能。

莱芬RF5系统，熔喷系统喷丝板的孔密度可增加至75（hpi），其主要目的就是提高阻隔性能，纤维平均直径约2μm，产品可以用作HEPA（高效空气过滤）级过滤器。

美国Hills公司的高孔密度喷丝板早已进入商业化应用，喷丝孔的最小直径为0.10mm，孔密度（hpi）＝100（相当于3937个/m）。由于采用了特殊刻蚀和粘合加工技术，喷丝孔的长径比可≥100，熔体压力可达到10.4MPa，是常规机型的五倍。

Hills喷丝板单孔流量一般为0.012~0.40g/min，相当于单位幅宽产量在2.83~94.5kg/h，纤维的直径约为150~600nm。

由于纳米级熔喷非织造布的过滤效率更高，可以用更轻薄的熔喷滤材，或减少熔喷纤网在SMS类产品中的占比，降低产品成本。从表中可以看到，用2g/m2纳米MS材料的过滤效率就接近普通的30g/m2材料的过滤效率，而过滤阻力则远比普通材料小。

7.2 提高产量，降低能耗

由于传统的熔喷技术使用高温（＞250℃）牵伸气流，而产量又相对较低，因而单位产品的能耗很大。

目前，降低能耗的一个方法是不用高温牵伸气流，如非织造技术公司（Nonwoven Technologies）采用了多排孔的喷丝板，孔密度可达到8640个/m，增加了产量；使用较低温度、甚至常温气流牵伸，使单位产品的能耗大幅度降低。

“双轴”公司（Biax-Fiber film）也是使用多排孔（最多有18排）的喷丝板，孔密度可达到12000个/m，工作压力为2.0~12.4MPa，生产较粗纤维的产量可达常规工艺的5倍。可将能耗降低至600~1400kWh/t，已与一些纺黏法非织造布的能耗接近。

这个“多排孔”喷丝板技术已在莱芬公司的SMS型生产线上应用，称为“multi-row”，虽然产量较高，但产品的纤维直径分布较宽。

纽马格公司曾开发了一种可变铺网宽度的熔喷系统，能在各种幅宽要求下，使纺丝系统保持在最大产能状态运行，而不会产生过量的切边废料，也是降低能耗的有效手段。

熔喷系统配置冷却吹风装置除了可以稳定生产条件、改进产品的质量外，在同样的工艺条件下，系统的产量可提高10%~15%，这项技术已在国内的一些熔喷系统得到了成功应用。

7.3 用多组分技术制造功能性非织造材料     

目前多组分熔喷技术的应用还较少，其中以皮芯（C/S）型和并列（S/S）型纤维较多，皮芯型可以做成同心、偏心、异形的产品。一般廉价材料做芯，昂贵的、具有特殊或所需性能的聚合物为外皮层，使纤维具有特定性能，如低熔点，亲水、吸湿等。

由于并列型双组分纤维两个组分具有不同的热收缩性，在热应力作用下形成三维卷曲的纤维，使非织造布有良好的尺寸保持性，具有很好的手感和弹性。

美国Hills公司一直在双组分熔喷技术应用方面进行了大量研究工作，并得到实际应用，孔密度100hpi的双组分喷丝板，可生产“并列型”纤维熔喷布，而我国基本尚处于空白状态。

7.4 提高单位产能，与其他纤网复合

与纺黏纤网复合、生产SMS型非织造材料是熔喷法非织造材料的一个重要应用领域，但传统熔喷技术的产能仅为纺黏法的1/3~1/5，要制造熔喷层纤网占比较大的高阻隔性能SMS材料时，就要牺牲纺黏系统的生产能力，或要用到数量较多的熔喷系统。

美国的EG（Extrution Group）公司已开发了一种新型的熔喷系统，其单位产能达90kg/（m•h）[最高近110kg/（m•h）]，比常规工艺提高了80%~100%。

该系统喷丝孔直径0.1~0.3mm、长径比10~15，孔密度为30~50hpi，纺丝组件使用周期8~12周，能在30min内快速完成换板作业。

一条MM型熔喷生产线的工艺速度可达250m/min，比普通熔喷系统高很多。熔体的压力接近7MPa（1000psi），是常规机型的两倍多,为了保证系统的安全运行，其螺杆挤出机，纺丝泵等设备都配置有超压安全防爆装置。

EG工艺的纺丝箱体直接利用高温牵伸气流加热，结构简单、外形紧凑。1600幅宽纺丝箱体＋纺丝组件的总重量才920kg，仅为传统熔喷系统的一半，原来安装一个熔喷系统的空间，现在能够布置两个EG系统。国外已有由12个EG系统组成的熔喷法非织造材料生产线。

两个EG系统可以在与垂直方向成一定倾斜角度安装，并可在两者所形成的夹角中添加木浆（Pulp），这种“双熔喷＋木浆”复合技术称为“孖纺”（MultiForm™）技术，所生产的“MPM”型复合非织造材料具有良好的触感和吸收性能，是制造高端纸尿裤的材料。

来源：中国产业用纺织品行业协会