軟包裝全PE單一材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

許朝華 李育雄 趙素芬

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院；2.中山市朗科包裝有限公司；3.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

前 言

軟包裝為滿足不同包裝需求采用多種不同材質(zhì)復(fù)合而成，如 BOPP/PE，BOPET/AL/PE等結(jié)構(gòu)，不同材料的回收是一個很大的難題，土地掩埋廢棄軟包裝材料會造成土壤貧瘠、惡化，農(nóng)作物減產(chǎn)或不產(chǎn)，焚燒廢棄軟包裝材料會產(chǎn)生大量CO2、CO等有害氣體及灰分中殘留重金屬，加重環(huán)境污染和溫度效應(yīng)[1]。在禁塑令和限塑令的背景下，探尋兼具可持續(xù)性、可回收性、使用便捷的高性能包裝具有重大的意義。

1.軟包裝環(huán)保化現(xiàn)狀

目前軟包裝行業(yè)內(nèi)熱門話題無疑是循環(huán)經(jīng)濟，包括可降解、可回收材料的開發(fā)。生物降解材料是通過土壤、水中的微生物作用或在紫外線的光照的作用下，在自然環(huán)境中分裂降解。軟包裝復(fù)合的材料種類越少，越有利于包裝的回收再利用[2,3]。單一材質(zhì)結(jié)構(gòu)回收時不用分類，可以達到 100%回收利用。目前可降解材料用于一次性包裝，單一材質(zhì)則更適合于性能要求更高的復(fù)合包裝，比如食品、醫(yī)療藥品、日化用品等包裝。

1.1 可降解材料

可降解型塑料大致分四大類：光降解型、生物降解型、復(fù)合降解型和其他新型降解。光降解型塑料是指塑料吸收紫外光后產(chǎn)生水解、胺解、酸解、氧化等化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致塑料高分子斷裂，從大分子量變成小分子量[4]。因為塑料中含有光敏基團，只有在光照條件下發(fā)生降解，如果塑料制品被埋入土中，沒有接受照射，則降解過程會被中斷。

生物降解型塑料是指在微生物或人體及動物體內(nèi)的組織細胞、酶和體液分解作用下，其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致分子量及性能下降的材料[5]，生物降解塑料是一種只能在微生物產(chǎn)生作用才能降解的塑料，而生成降解物是靠微生物的作用，如酶、菌之類的微生物，把它消化掉，每一種生物降解材料的降解都需要在特定的環(huán)境條件下才能快速降解，因此，生物降解材料在自然環(huán)境中很難實現(xiàn)快速降解。

復(fù)合降解型塑料就是結(jié)合光和微生物全面的降解作用，以達到高分子完全降解，即在微生物降解塑料中添加光敏劑，使其具有上述兩者特性。

從目前使用情況來看，可降解塑料薄膜原料樹脂成本較高，供應(yīng)的穩(wěn)定性也是問題，可降解薄膜性能滿足不了商品包裝的裝飾性、保質(zhì)期及長途運輸?shù)纫?，如光學(xué)性能差、力學(xué)強度不夠、封合力不夠等。此外，可降解薄膜材料與商品的保質(zhì)期可能存在一定的矛盾，是否在包裝商品之前，隨著庫存時間的延長性能下降，可降解薄膜材料的保質(zhì)期是否長于商品保質(zhì)期都有待進一步考證。

1.2 可回收再利用材料

從《商品包裝政府采購需求標準》的規(guī)定中不難看出，單一材質(zhì)，或易分離回收材質(zhì)，并且減少油墨使用量和揮發(fā)性有機化合物用量是基于對環(huán)境友好的功能性包裝的要求準則。通過材料或工藝創(chuàng)新，采用單一材質(zhì)，實現(xiàn)包裝綠色環(huán)保的目的。

1.2.1 單一材料

隨著國內(nèi)外對單一材料可回收軟包裝的價值與理念逐步認同與清晰化，設(shè)計作為循環(huán)經(jīng)濟閉環(huán)的起點，也越來越受到關(guān)注。在食品和日化軟包裝領(lǐng)域，全世界品牌商都在各國政策的推動下行動了起來，加速探尋兼具可持續(xù)性、可回收性、使用便捷的高性能包裝。全球各大品牌商開始承諾使用更多的單一材料包裝，一些材料制造企業(yè)，如北歐化工、陶氏、?？松梨?、加拿大諾瓦化學(xué)和沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司，近年來也相繼推出多種可回收的單一材料塑料薄膜，新的創(chuàng)新產(chǎn)品也在不斷推向市場，如全PP、全PE和全PET單一材質(zhì)。

Smithers在近日發(fā)布了專題研究報告《單一材料塑料包裝薄膜市場的未來 2025年》指出：2019年全球單一材料塑料包裝薄膜市場規(guī)模為2044萬噸（559億美元），2025年可能達到2603萬噸（709億美元），年復(fù)合增長率達 3.9%。亞太、北美和西歐是全球單一材料塑料包裝薄膜的三大消費市場。2020年上述三個區(qū)域市場占全球單一材料塑料包裝薄膜市場的比重分別為48.6%、17.2%和 15.5%[6]。目前可被作為單一材料的包裝薄膜有幾類，主要是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和再生纖維素纖維（RCF）。其中，聚乙烯（PE）與聚丙烯（PP）占全球單一材料塑料薄膜市場的份額分別達到50%、41.7%。

2.全PE單一材料

2.1 BOPE雙向拉伸薄膜

BOPE雙向拉伸聚乙烯薄膜，以具有特殊分子結(jié)構(gòu)的聚乙烯樹脂 m-LLDPE為原料，采用平膜法雙向拉伸工藝拉伸成型，擠出成型后鑄片，鑄片經(jīng)過二次預(yù)熱再拉伸，在半固態(tài)下拉伸成膜，其大分子鏈和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生高度取向，因而使得薄膜的力學(xué)強度和光學(xué)性能均得到顯著提升，研究表明，薄膜的拉伸模量（挺度）可提高 2-5倍，拉伸強度可提高2-8倍，穿刺強度和沖擊強度可提高2-5倍，薄膜霧度可降低30-85%[7]，由于它較好的抗針孔性能，耐低溫沖擊和穿刺，可以有效降低破包率，可以代替 PA材料，同時對PE材料經(jīng)過雙向拉伸，可對包裝材料進行減薄，降低成本。陶氏推出INNATETM TF-BOPE樹脂，采用這種材料制作的雙向拉伸聚乙烯薄膜其韌性與傳統(tǒng)聚乙烯薄膜相比更強，且光學(xué)性能更好，易撕，使用更便利，TF-BOPE薄膜可直接用于包裝的印刷層，還可與其他 PE功能層配合使用，實現(xiàn)全 PE材質(zhì)的包裝，從而更便于回收利用，提高可持續(xù)性[8]。但由于 BOPE材料的特性，進行現(xiàn)有加工方法的熱封加工時，尤其是多層復(fù)合后，作為表層的BOPE和熱封層PE進行熱封過程中，若采用熱壓平封的方式，由于它的面層仍然是PE，耐熱性不好，會產(chǎn)生封口起皺并拉抻撕裂的現(xiàn)象。

2.2 MDO單向拉伸PE薄膜

MDO單向拉伸，也稱縱向拉伸，也是PE單一材質(zhì)包裝的重要技術(shù)方向。不同于BOPE要進行雙向拉伸，MDO拉伸聚乙烯只需要進行單向拉伸，且拉伸比在5-7左右，市面上大多數(shù)線性產(chǎn)品都可以達到此要求[9]。高拉伸比顯著改變了薄膜的形態(tài)，非晶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都沿著縱向被拉伸，分子結(jié)構(gòu)的排列進一步提高了其密度和半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶性，剛性、拉伸強度、穿刺和撕裂強度等機械性能顯著提升，同時也提升了薄膜的光學(xué)性能和阻隔性能，經(jīng)過 MDO拉伸后的PE薄膜可以取代PET以及PA表層。

縱向拉伸能有效降低縱向薄膜的厚度，但在寬度方向因產(chǎn)生頸縮效應(yīng)而增厚，其薄厚并沒有BOPE薄膜的均勻，而且因橫向沒有拉伸，其拉伸強度相對弱一些，橫向?qū)挾扔捎陬i縮邊修整而減小。

2.3 熱封PE

針對目前單一材料PE/PE由于面層PE耐熱性差，兩者復(fù)合后采用熱壓平封制袋時封口易起皺，并形成拉伸撕裂現(xiàn)象，因此需要兩層材料之間形成熱封溫度梯度，從熱封層PE的角度來講，需要采用低溫?zé)岱饽ぃ档蜔崞鸱鉁囟?，以保證熱封時較寬的熱封窗口和良好的熱封效果。利用三層共擠生產(chǎn) PE熱封膜，即表層、芯層和熱封層，在配方設(shè)計時，提高表層和芯層的耐熱性和拉伸強度，降低熱封層的起封溫度和提高其熱封強度，使表層、芯層與熱封層之間形成熱封溫度差，并且表層和芯層具有較高的拉伸強度，避免拉伸撕裂，提高熱封強度，滿足包裝要求。

2.4 全PE材料的應(yīng)用難點解決進展

復(fù)合軟包裝的基材一般分為印刷層、阻隔層和熱封層三個基本層，印刷層主要滿足軟包裝的印刷和拉伸性能等，中間阻隔層主要滿足阻氣要求，熱封層主要滿足熱封性能。由于 PE本身存在韌性拉伸，作為印刷層主要存在印刷時會出現(xiàn)因拉伸變形圖案套印不準的現(xiàn)象，采用熱壓式制袋工藝時，作為表層的PE和熱封層PE進行熱封過程中，PE在高溫下，存在熔融狀態(tài)，制袋時受張力拉伸，熱封處會被拉伸斷裂；如果將溫度降低，則不能將里層 PE熔融，造成熱封不完全，即虛封狀態(tài)，而熱封不牢固必然會造成內(nèi)容物泄漏或變質(zhì)，從而導(dǎo)致食品或藥品質(zhì)量事故。同時對于要求阻隔性較高的產(chǎn)品，單純的全 PE也是無法達到高阻隔要求。因此，目前 PE單一材質(zhì)結(jié)構(gòu)需要解決的問題主要有PE的印刷適應(yīng)性能、制袋時熱封邊的平整封實和解決全 PE材料的高阻隔性要求。

2.4.1 印刷層PE的印刷適應(yīng)性

PE作為面層材料使用，需要通過配方改性，使 PE挺度、透明度和耐溫都要稍微高一點。西班牙Comexi公司通過BOPE薄膜在EB膠印機上做里印，在電子束的能量作用下，BOPE印刷薄膜的耐熱溫度大幅提升，使表面熔點升高至大于200℃；同時PE材料存在韌性拉伸，對于“框?qū)颉钡膱D案設(shè)計印刷時會出現(xiàn)拉伸錯位現(xiàn)象，需調(diào)整相應(yīng)的印刷工藝參數(shù)。

2.4.2 PE//PE的制袋工藝

目前存在的主要問題是在制袋熱封時全 PE材料易出現(xiàn)拉伸撕裂現(xiàn)象，解決這個問題主要從材料和工藝方面入手，材料上通過提高面層 PE耐熱性或降低熱封 PE的起封溫度，使兩者的熱封溫度梯度差在30℃以上，并提高PE熱封膜的拉伸性。在制袋工藝上融斷的制袋方式是完全可以解決的，但對于熱壓式制袋，需要在燙壓和冷卻上進行改善并提高零部件的精度，上海洲泰通過對制袋設(shè)備的燙壓和冷卻裝置進行針對性的設(shè)備和改進，解決全 PE結(jié)構(gòu)的制袋問題，日本托塔尼公司展示了HDPE/LDPE復(fù)合袋的制袋設(shè)備和工藝。

2.4.3 PE//PE結(jié)構(gòu)的阻隔性

在食品、藥品和化妝品等包裝要求材料具有高阻隔性，但 PE材料的阻氣性能相對較差，無法與 PA相提并論，無法形成真空包裝，隨著材料的不斷研發(fā)，單一結(jié)構(gòu)的應(yīng)該的領(lǐng)域和范圍會越來越廣，因此要提高全 PE材料的阻隔性，以便達到包裝的阻隔性要求。目前主要有的方式是在熱封層PE多層擠中擠出一層厚度約為5-6 um的EVOH，因EVOH可以與PE熔融在一起，并且較薄，不影響全PE材料的回收性；也可以PE材料上涂布阻氧涂層、真空鍍鋁或氧化硅，以便增加全PE膜的阻隔性，延長保質(zhì)期。

總 結(jié)

單一材質(zhì)包裝即整個包裝由同一種材料組成，回收時不用分類，可以達到 100%的回收利用。單一材質(zhì)包裝更適合于性能要求更高的復(fù)合包裝，比如食品、醫(yī)療藥品、日化用品等包裝。本文主要從全PE的視角，闡述全PE單一材料目前的研究進展及需要解決的技術(shù)問題，包括印刷適性、熱壓制袋起皺及阻隔性等。單一材料的應(yīng)用將是塑料包裝的可持續(xù)性發(fā)展最為可行的一條路徑。