單一材質(zhì)可回收高阻隔耐穿刺軟包裝的研究

韋麗明

（上海若祎新材料科技有限公司，上海200335）

0. 前言

聯(lián)合國193個會員國在2015年9月舉行的歷史性首腦會議上一致通過了可持續(xù)發(fā)展目標[1]，《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》于2016年1月1日正式啟動，開啟全球可持續(xù)發(fā)展事業(yè)新紀元。2015年9月，習近平主席在紐約聯(lián)合國總部出席聯(lián)合國發(fā)展峰會并發(fā)表題為《謀共同永續(xù)發(fā)展做合作共贏伙伴》的重要講話[2]，2016年9月，李克強總理在聯(lián)合國總部宣布發(fā)布《中國落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程國別方案》[3]；2018年5月，習近平總書記在全國生態(tài)環(huán)境保護大會上強調(diào)[4]：“用最嚴格制度最嚴密法治保護生態(tài)環(huán)境，加快制度創(chuàng)新，強化制度執(zhí)行，讓制度成為剛性的約束和不可觸碰的高壓線。2019年9月，《中國落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程進展報告（2019）》發(fā)布。

碳達峰、碳中和是全球極為關注的重要議題。2020年9月，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會期間提出[5]，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

讓低碳綠色生活成為新時尚。碳中和、碳達峰與包裝產(chǎn)業(yè)鏈每一個流程與環(huán)節(jié)都有密切關系。未來，預計會有數(shù)百萬億美元的碳資產(chǎn)，從煉油到下游相關的生產(chǎn)制造流程和設備，都會因為碳中和的進程而擱淺。與此同時，一個新的零碳新工業(yè)體系加快成型落地。碳中和來了，倒逼包裝產(chǎn)業(yè)鏈每個企業(yè)要去想，如何做到碳達峰？碳中和？

中國是塑料包裝薄膜生產(chǎn)制造大國。據(jù)若祎統(tǒng)計，據(jù)若祎統(tǒng)計，2020年末中國薄膜產(chǎn)量，BOPP包裝薄膜約為400萬噸，BOPP香煙包裝薄膜約為7.5萬噸，CPP包裝薄膜約為200萬噸，CPE包裝薄膜約為12萬噸，PE吹塑薄膜（含包裝、農(nóng)地膜、牧草膜、棉花膜等等）約為超500萬噸。BOPE包裝薄膜目前可以BOPP生產(chǎn)線上實現(xiàn)，德國雙拉生產(chǎn)設備廠商宣稱與全球客戶達成9條BOPE生產(chǎn)線制造合約，預計2022年BOPE新投產(chǎn)產(chǎn)能將達到10萬噸及以上。

然而，終端消費者不希望消費品包裝視覺、觸感、以及包裝的功能性變差。出于食品保質(zhì)、保鮮、保香、食品安全性、運輸便利性等方面的考慮，對包裝材料抗穿刺性、抗跌落性、阻隔性等功能性要求越來越高。

目前絕大多數(shù)塑料軟包裝采用多種不同材質(zhì)的薄膜通過膠水緊密貼合（復合）制成。例如大米的復合包裝結(jié)構(gòu)之一是BOPA薄膜//粘合劑//PE薄膜。包裝材料需求量及產(chǎn)量在增長，但多材質(zhì)復合包裝在完成包裝生命周期丟棄后分類、回收卻不易，目前仍無有效的方法使復合不同材質(zhì)的包裝材料分開并分類回收。

因此，研究和開發(fā)包裝結(jié)構(gòu)，既具有優(yōu)異的阻隔性、抗穿刺性、性價比高，其功能和外觀符合市場需求、亦符合環(huán)保趨勢，具有重要意義。若祎新材料科技不斷摸索BOPE薄膜應用范疇，成功將BOPE薄膜//高阻隔PE吹塑薄膜復合包裝結(jié)構(gòu)創(chuàng)新拓展和應用在食品、日化品、工業(yè)品等多個領域包裝上。

1. 實驗

1.1 主要結(jié)構(gòu)

（1）雙向拉伸聚乙烯（BOPE）薄膜，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 BOPE基材膜結(jié)構(gòu)圖

（2）多層共擠高阻隔聚乙烯吹塑（MTPE）薄膜，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 MTPE薄膜結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要設備及儀器

雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線，8.2 m，德國Brückner Group；

五層共擠吹膜生產(chǎn)線，1.2 m折徑，中國JINMING

無溶劑復合生產(chǎn)線，300 m/min，中國SINSTAR

干式復合生產(chǎn)線，120 m/min，中國BEIREN

萬能力學測試機，配置有加熱箱，MTS系統(tǒng)（中國）有限公司

智能電子拉力試驗機，XLW，中國Labthink

氧氣透過率測試儀，OX-TRAN 2/22，美國MOCON

1.3 性能測試與表征方法

針孔穿刺強度按照GB/T 37841-2019的規(guī)定進行測試。

氧氣透過量按照ASTM D 3985(GB/T 19789-2005)的規(guī)定進行測試。

2. 主要原料

雙向拉伸聚乙烯原料，BOPE-3，中國石化

防粘開口母料，WB1007EB，上海若祎

防粘開口母料，WB05EN，上海若祎

高阻隔材料，TPVA-OBP，中國石化

3. 結(jié)果與討論

3.1 針孔穿刺強度測試

產(chǎn)業(yè)對薄膜的抗穿刺強度表征，通常采用針孔穿刺、落鏢沖擊、擺錘沖擊等數(shù)值表征。針對抽真空包裝、包裝后可能存在尖銳角、裝卸及運輸過程可能存在尖銳物品穿刺的應用，例如米磚抽真空包裝等，通常通過測試針孔穿刺強度評價包裝材料抵抗刺穿的能力。

BOPE薄膜采用多碳線性低密度聚乙烯材料，經(jīng)過熔融擠出、縱向及橫向拉伸，分子鏈排布整齊，可獲得優(yōu)異的穿刺強度及拉伸強度等力學性能[6,7]。

MTPE薄膜熱封層及電暈層PE采用添加茂金屬催化線性聚乙烯材料、高熔體強度線性聚乙烯材料復配，經(jīng)過熔融擠出，吹脹及牽引拉伸，可獲得較高的落鏢沖擊強度等力學性能。

不同材質(zhì)和厚度的復合膜穿刺強度測試結(jié)果見表1。

表1 針孔穿刺強度測試比較

3.2 氣體阻隔性測試

良好的阻氧阻氣性是保持被包裝物原有品質(zhì)、不易產(chǎn)生氧化變質(zhì)（腐?。┑闹匾Ｕ稀＞巯N（PP、PE）為疏水性非極性分子，與H2O相互作用很弱，具有天然優(yōu)異的阻濕阻水性。但是聚烯烴（PP、PE）是半結(jié)晶材料，小分子氣體易從分子鏈段非晶區(qū)、結(jié)晶缺陷部分的空隙滲透。

本試驗多層共擠高阻隔吹塑薄膜結(jié)構(gòu)采用對稱型結(jié)構(gòu)，中間層（芯層）采用熱塑性PVA材料作為高阻隔材料，內(nèi)外層（電暈層、熱封層）采用PE材料。經(jīng)熔融擠出、橫向吹脹及縱向牽引，分子空間排列規(guī)整，且TPVA是高致密材料，因此在冷卻定型后，該層具有優(yōu)異的阻氣性。因內(nèi)、外層PE材料提供了良好的水汽阻隔性，多層共擠高阻隔吹塑薄膜成型后不受環(huán)境濕度影響，使TPVA的氧氣阻隔性得到充分發(fā)揮。

在其他擠出層的材料及層厚比不變的條件下，不同的阻隔層厚（TPVA單層厚度）的氣體阻隔性變化結(jié)果見表2。

表2 TPVA層厚度氧氣透過量測試比較

一般認為，氧氣透過量小于或等于5 ml/(m2·24hr·atm)的材料稱為高阻隔材料；氧氣透過量小于或等于1 ml/(m2·24hr·atm)的材料稱為超高阻隔材料[8]。從上表數(shù)據(jù)可知，TPVA具有優(yōu)異的阻氧阻氣性。

4. 結(jié)語

綜上所述，BOPE薄膜/多層共擠高阻隔吹塑（MTPE）薄膜可獲得優(yōu)異的耐穿刺性能、阻隔性能，在包裝領域上實現(xiàn)了取代“非聚烯烴材質(zhì)/粘合劑/聚烯烴材質(zhì)”包裝結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)包裝材料單一材質(zhì)易回收，可再塑化造粒、循環(huán)利用的環(huán)保目的。

全球碳排放100億噸這樣的規(guī)模，中國占了三分之一的規(guī)模，包裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模及產(chǎn)量也是全球最大。我們是最大的受挑戰(zhàn)者，也是最大的受益者。在碳中和這個考題面前，我們面臨的挑戰(zhàn)和困難也比較多。包括人員觀念的改變、專用樹脂的配套、設備的改進等等。認識決定行動，碳中和不僅是環(huán)境責任、社會責任，以綠色低碳為標志的生活方式將成為一種時尚。

抓住這一次可再生能源革命，將不可回收的包裝形式改變?yōu)閱我徊馁|(zhì)可回收包裝形式，包裝產(chǎn)業(yè)將從人口紅利，走向綠能紅利。這是包裝產(chǎn)業(yè)制造又一次騰飛的良好機遇。