工業(yè)用聚乙烯纏繞膜減薄應(yīng)用淺析

高鵬

（寶瑞泰（滄州）包裝有限公司）

0. 前言

纏繞膜主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)上用于青飼料的貯存，因此也叫青貯膜（Silage film），其利用的是膜的阻隔性能。纏繞膜在工業(yè)上屬于拉伸包裝（Stretch film），也叫拉伸粘附膜，根據(jù)使用的方式不同，分為手用纏繞膜和機(jī)用纏繞膜。其原理是由于薄膜中的分子受到拉伸后，為了恢復(fù)到初始形態(tài)，而對(duì)被包裝物產(chǎn)生了一定程度的作用力[1]，從而形成對(duì)被包裝物的約束力。工業(yè)上的纏繞膜廣泛應(yīng)用于化工、食品飲料、電子產(chǎn)品以及機(jī)械設(shè)備等等領(lǐng)域的集合打包，迅速將貨物單元化，特別是不規(guī)則的多品類的貨物，往往通過纏繞膜捆包方式統(tǒng)一集合成一套包裝件，讓貨物便于識(shí)別管理和快速裝卸，避免在運(yùn)輸環(huán)境下出現(xiàn)松散或者分離的現(xiàn)象，保證了包裝的完整性。同時(shí)也是進(jìn)一步保護(hù)產(chǎn)品阻隔污染的一種方式，起到了一定的防塵防水防油的效果。它還具備一定美觀效果，由于明顯的裹包束縛的外觀現(xiàn)象，會(huì)直接使客戶獲得一種包裝安全感的信任心理。

同傳統(tǒng)包裝形式相比，采用纏繞膜包裝大大降低了包裝成本，加上如今物流行業(yè)的越來越受到重視和規(guī)范化，越來越多的行業(yè)嘗試或者逐漸代了傳統(tǒng)以木箱、紙箱等為外包裝發(fā)貨方式，而直接使用纏繞膜裹包加上貨物及廠商信息標(biāo)簽，直接廠到廠，倉到倉的之間發(fā)運(yùn)。目前我國的包裝材料消耗量將超越美國成為全球第一，目前纏繞膜用量的年均增長率均為10%-13%之間，如何實(shí)現(xiàn)包裝材料的環(huán)境友好性也成為當(dāng)下重要方向，因而持續(xù)減薄，降低包材消耗是一個(gè)當(dāng)下切實(shí)可行的選擇。

圖1 纏繞膜在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)

1. 纏繞膜的發(fā)展

約在20世紀(jì)70年代，纏繞膜最早的材質(zhì)是聚氯乙烯（PVC），雖然有很好的拉伸性，粘附性等優(yōu)勢，但其應(yīng)力保持性較差，其后很快被生產(chǎn)被乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和低密度聚乙烯（LDPE）替代。而到了1979年，線性低密度聚乙烯（LLDPE）纏繞膜首次出現(xiàn)[2]，由于LLDPE的分子結(jié)構(gòu)擁有更好的規(guī)整性且分子量分布更窄，力學(xué)性能更優(yōu)秀，特別是拉伸強(qiáng)度以及抗穿刺性都高于低密度聚乙烯，使其成為纏繞膜生產(chǎn)原料的最好選擇，而且該類纏繞膜的伸長率可達(dá)到300%，至今仍然國內(nèi)生產(chǎn)手用纏繞膜的原材料。隨著20世紀(jì)90年代茂金屬催化劑在聚乙烯類的商品化，由于茂金屬催化劑的影響，共聚物的含量和分子量的分布得到了更好地控制，使茂金屬聚乙烯的透明度、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度再度得到了提高，其制成的纏繞膜拉伸強(qiáng)度能滿足約350%，從而形成目前機(jī)用纏繞膜的產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)。根據(jù)纏繞膜的發(fā)展過程可見，無論P(yáng)VC還是LLDPE，都屬于典型的線型聚合物，而其特性正如纏繞膜應(yīng)用的領(lǐng)域所關(guān)注的主要功能分別體現(xiàn)在制品的拉伸強(qiáng)度和阻隔性。而聚乙烯的分子量增加，則帶來拉伸強(qiáng)度的增加，分子量分布變窄則帶來極限伸長增加。

早期纏繞膜是以線性低密度聚乙烯配合黏性劑（主要為聚異丁烯PIB）的單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，但除了通過材質(zhì)改善膜的性能以外，借助多層結(jié)構(gòu)來也是對(duì)纏繞膜性能提升的一個(gè)重要方法。共擠出工藝是纏繞膜最常用的生產(chǎn)方式，目前主流市場的纏繞膜以三層共擠結(jié)構(gòu)，以線性低密度聚乙烯配合黏性劑為表層，中間層為線性低密度聚乙烯，底層為低密度聚乙烯[3]，從而形成性能更穩(wěn)定功能結(jié)構(gòu)。

2. 工業(yè)用纏繞膜性能及選用

2.1 工業(yè)用纏繞膜的性能

與纏繞膜使用相關(guān)的性能有黏性、剛性、韌性、抗撕裂擴(kuò)展性、拉伸性能等，纏繞膜約束被包裝物的功能是基于拉伸性能，因而只要在材料的強(qiáng)度極限內(nèi)，捆扎力與拉伸強(qiáng)度成正比，拉伸率是作為纏繞膜的主要性能指標(biāo)，但隨著拉伸增加，縮頸、撕裂擴(kuò)展性都會(huì)隨著厚度降低而下降。高分子材料會(huì)因長時(shí)間重負(fù)荷出現(xiàn)應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，纏繞膜也不例外，在對(duì)被包裝物施加的作用力會(huì)隨著時(shí)間的延長而減小，這種特性是由于纏繞膜自身的蠕變性和抗疲勞性能所決定的。可用拉伸度是在應(yīng)用中薄膜的可以使用的拉伸長度，同時(shí)保持韌性和夾持力，可用拉伸度越高其單位使用條件下成本越低。目前越來越多的設(shè)備進(jìn)一步考慮進(jìn)行預(yù)拉伸，即在使用前通過設(shè)備預(yù)拉伸的方法提高纏繞膜的拉伸水平，減少纏繞膜的縮頸現(xiàn)象，而且提高膜的利用率。

圖2 通過預(yù)拉伸裝置提高纏繞膜的利用

2.2 工業(yè)用纏繞膜的選用

貨物的形狀也是纏繞膜選用的關(guān)鍵因素，形狀均勻整齊堆碼的貨物對(duì)纏繞膜的撕裂或戳穿要求低，對(duì)纏繞膜要求就偏低。但是均勻性差，特別有尖銳凸起的貨物則會(huì)對(duì)纏繞膜的物理性能要求高。

纏繞膜的使用設(shè)備也是影響纏繞膜的選用，不同設(shè)備使用的拉力值不同，對(duì)膜的匹配要求則不同。對(duì)于機(jī)械纏繞膜設(shè)備又分全幅纏繞膜設(shè)備和窄幅纏繞膜設(shè)備，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方式又分為托盤旋轉(zhuǎn)式、膜卷低速旋轉(zhuǎn)式及膜卷高速旋轉(zhuǎn)式等，因此在適配正確的纏繞膜時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)備的實(shí)際使用情況。

3. 工業(yè)用纏繞膜減薄應(yīng)用

手用纏繞膜厚度一般在18微米，而機(jī)用纏繞膜多在25～35微米范圍。由于歐盟即將在2021年對(duì)于塑料進(jìn)行征稅，跨國企業(yè)為了規(guī)避和減少相應(yīng)的稅務(wù)成本，對(duì)于纏繞膜的減薄有急切的動(dòng)力和需求。纏繞膜所具備的主要功能為約束被包裝物，產(chǎn)生約束力的來源是纏繞膜拉伸后回復(fù)而產(chǎn)生的作用力，但如果薄膜減薄，除拉伸強(qiáng)度下降容易造成拉伸過載斷裂，其抗刺穿性能也下降，一旦貨物出現(xiàn)尖銳部分，對(duì)纏繞膜產(chǎn)生磕傷也會(huì)加速纏繞膜的斷裂從而導(dǎo)致保護(hù)失效的可能，并使材質(zhì)在拉伸過程中容易發(fā)生縮頸現(xiàn)象。盡管十年前國內(nèi)已經(jīng)有廠商專注于減薄纏繞膜的嘗試，但受制材料本身限制發(fā)展并不順利，因?yàn)槔p繞膜包裝本身出現(xiàn)托盤松散以及傾向或者倒塌的現(xiàn)象均較多的發(fā)生在運(yùn)輸過程中，在包裝期間是很難發(fā)現(xiàn)纏繞膜的不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象。由于儲(chǔ)運(yùn)過程的不確定性，如貨物是否堆碼齊整、裝卸過程是否會(huì)有較大的傾斜，運(yùn)輸過程的沖擊，是整車運(yùn)輸還是零擔(dān)拼車以及運(yùn)輸時(shí)長等，多種復(fù)雜因素，導(dǎo)致可能減薄的纏繞膜在某一種組合環(huán)境下可以使用，但進(jìn)入新的組合因素中則出現(xiàn)斷裂而達(dá)不到包裝保護(hù)的效果，而一旦纏繞膜斷裂就會(huì)引起包裝不良現(xiàn)象，造成纏繞膜減薄在商業(yè)上試錯(cuò)成本極高。

圖3 客戶收貨出現(xiàn)的纏繞膜不良現(xiàn)象

3.1通過五層共擠出的方法進(jìn)行纏繞膜減薄

進(jìn)行減薄優(yōu)化前，先明確使用方當(dāng)前實(shí)際纏繞膜應(yīng)用場景，假設(shè)目前使用的門幅為500毫米的機(jī)用纏繞膜，設(shè)備為托盤旋轉(zhuǎn)式纏繞膜機(jī)?？紤]纏繞膜的調(diào)整既能達(dá)到貨物包裝的安全也不會(huì)給現(xiàn)場操作人員的使用習(xí)慣帶來過多的改變。行業(yè)內(nèi)包裹的單元化包裝類型一般歸納為A,B,C三種類型。

圖4 三種單元化包裝類型，從左到右順序?yàn)锳型，B型，C型

通過現(xiàn)場明確需要改善的目標(biāo)包裝類型屬于A型，它在纏繞膜的抗刺穿性能上要求不會(huì)偏高。通過對(duì)常見三層共擠的35微米纏繞膜進(jìn)行性能分析可得表1。

表1 參考對(duì)象35微米纏繞膜測試數(shù)據(jù)指標(biāo)

明顯可見該纏繞膜擁有優(yōu)秀的斷裂伸長率，但考慮實(shí)際設(shè)備本身設(shè)置，設(shè)備預(yù)拉伸設(shè)置為250%的拉伸率，因此盡管該35微米的纏繞膜斷裂拉伸率達(dá)到847%，但在實(shí)際使用過程中，并未充分利用了該款膜的優(yōu)勢，反而膜厚在當(dāng)前客觀條件下變成了劣勢。針對(duì)貨物情況分析，減薄膜在斷裂伸長率上實(shí)際使用需要滿足300%以上，為保證一定安全性，理論技術(shù)要求斷裂拉伸率平均值達(dá)到450%即可。

對(duì)減薄后厚度為17微米的5層共擠出纏繞膜不同配方設(shè)計(jì)進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果見下表2。

表2 減薄為17微米纏繞膜測試數(shù)據(jù)指標(biāo)

在不改變當(dāng)前纏繞膜設(shè)備情況下，該款采用五擠共擠的17微米的減薄纏繞膜最小斷裂伸長率達(dá)到了351%，平均值達(dá)到了450.3%，并且通過測試順利通過了包裝發(fā)貨，而且原35微米的纏繞膜一托消耗的纏繞膜重量為617g，通過減薄至17微米后，其消耗的重量為276g，自重下降45%。

4. 結(jié)語

我國纏繞膜市場仍然存在巨大的空間，目前國內(nèi)約手用纏繞膜和機(jī)用纏繞膜在市場上占比相差不大，由于手用纏繞膜的使用方自身關(guān)注度不高，貨值較低，膜本身的利用率是否合適，并非使用方考慮的要點(diǎn)，更多的是依靠操作人員的主觀感覺。而對(duì)于機(jī)用纏繞膜，大部分使用方實(shí)際對(duì)設(shè)備與膜之間的匹配關(guān)系并不了解，特別是預(yù)拉伸纏繞膜機(jī)，操作人員不了解設(shè)備預(yù)拉伸與膜之間的關(guān)系，為避免和減少斷裂問題的投訴，纏繞膜生產(chǎn)廠商不得不去生產(chǎn)偏厚且高拉伸率的膜。但面對(duì)全球越來越多的針對(duì)塑料廢棄物的關(guān)注，為纏繞膜的減薄和再利用方向的發(fā)展帶來了積極的助推力，本文通過更多層的結(jié)構(gòu)疊加則成為纏繞膜減薄成為新的方向，探討了通過五層共擠出的方法進(jìn)行纏繞膜減薄的理論可行性。