聚乳酸擠出淋膜紙關(guān)鍵技術(shù)

梁艷艷 林海泉 許錦才 黃偉倫

（江門市輝隆塑料機(jī)械有限公司，廣東江門）

1. 引言

紙質(zhì)包裝以其塑料用量少、價(jià)廉、挺度高、印刷普適性好等特點(diǎn)，在包裝行業(yè)占據(jù)一席之地。然而，紙的耐水性差，純紙包裝不適宜用于含水的包裝。為了提升紙質(zhì)包裝的使用性能，通常在紙表面涂覆一層或正反兩層的塑料膜，構(gòu)建紙塑復(fù)合材料，也稱淋膜紙[1]。淋膜紙可以應(yīng)用于紙杯、方便面碗、咖啡杯、紙袋等，如圖1所示。這些制品通常在一次使用后即被丟棄，大大加重了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。基于此，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均提出采用可完全生物降解的塑料代替聚乙烯作為涂覆材料用于一次性淋膜紙制品的生產(chǎn)，以期制得的淋膜紙制品能夠在環(huán)境中被微生物分解吸收，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，不污染環(huán)境。不僅如此，各國(guó)各地區(qū)政府也基于此出臺(tái)了一系列的指令法規(guī)，紛紛選擇了源頭治理的辦法，也即禁止生產(chǎn)銷售一次性不可降解塑料袋、膜、紙塑復(fù)合袋等。2019年6月12日，歐盟官方雜志發(fā)表了歐洲議會(huì)和理事會(huì)關(guān)于減少某些塑料產(chǎn)品對(duì)環(huán)境影響的（EU）2019/904號(hào)指令[2]。該指令通過(guò)禁止某些一次性塑料、增加塑料包裝的收集目標(biāo)、延長(zhǎng)生產(chǎn)者責(zé)任計(jì)劃以及改變裝飲料容器的設(shè)計(jì)要求等措施來(lái)影響塑料食品接觸材料和制品。加拿大制定了“最早在2021年禁止有害的一次性塑料，并采取其他措施減少塑料廢棄物”的行動(dòng)計(jì)劃[3]。2019年7月23日，海南省生態(tài)環(huán)境廳向全社會(huì)公開(kāi)征求關(guān)于《海南省禁止生產(chǎn)銷售使用一次性不可降解塑料制品名錄（第一批）》的意見(jiàn)[4]。其中，禁止生產(chǎn)銷售使用的產(chǎn)品類型包含了一次性非生物降解塑料制品的膜、袋類，包括購(gòu)物袋、紙塑復(fù)合袋、塑料袋、盒（含蓋）、碗（含蓋）、碟、盤、飲料杯（含蓋）、勺、叉、刀、吸管、飲料攪拌棒等。同日，吉林省發(fā)改委也發(fā)布關(guān)于《吉林省禁止生產(chǎn)銷售和提供一次性不可降解塑料袋、塑料餐具規(guī)定（2019年版，征求意見(jiàn)稿）》公開(kāi)征求意見(jiàn)的公告。這些意見(jiàn)和法規(guī)標(biāo)志著已經(jīng)由法律法規(guī)來(lái)推進(jìn)可降解制品的生產(chǎn)和銷售，大大促進(jìn)了一次性可降解制品行業(yè)的發(fā)展。

圖1 PLA淋膜紙杯片照片

2. PLA淋膜材料及生產(chǎn)線現(xiàn)狀

可生物降解塑料是指聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、己二酸丁二醇酯和對(duì)苯二甲酸丁二醇酯的共聚物（PBAT）、聚己內(nèi)酯（PCL）等[5]。PLA可從糖類發(fā)酵獲取乳酸作為聚合原料，并且其在堆肥條件下又可轉(zhuǎn)化為乳酸進(jìn)一步被吸收分解為水和二氧化碳，是完全生物基塑料和可生物降解塑料，也是目前應(yīng)用最廣泛、最成功的可生物降解塑料[6]。PBS也可以做到完全生物基來(lái)源，但其降解速率太快，致使商品貨架期太短，限制了應(yīng)用范圍[7]。PBAT的原料一部分來(lái)源于石油，且其質(zhì)地柔軟，多用于共混改性[8]。

PLA原料的生產(chǎn)以國(guó)外為主。美國(guó)的Nature Works長(zhǎng)期占據(jù)聚乳酸行業(yè)半數(shù)以上市場(chǎng)，年產(chǎn)量為15萬(wàn)噸。道達(dá)爾和科碧恩成立合資公司Total Corbion，于2017年在泰國(guó)投建萬(wàn)噸級(jí)聚乳酸工廠，2018年12月正式投產(chǎn)，年產(chǎn)量為7.5萬(wàn)噸。浙江海正于2015年擴(kuò)建1萬(wàn)噸聚乳酸，現(xiàn)年產(chǎn)量為1.5萬(wàn)噸。另外，Total Corbion的另一條7.5萬(wàn)噸/年的產(chǎn)線已于近日開(kāi)車生產(chǎn)。近三年，可生物降解材料市場(chǎng)異常火爆，出現(xiàn)了嚴(yán)重的供不應(yīng)求現(xiàn)象，價(jià)格大幅提升?；谖磥?lái)的發(fā)展趨勢(shì)，很多企業(yè)紛紛上馬了可降解材料生產(chǎn)設(shè)備，期望未來(lái)可以解決可生物降解材料短缺的問(wèn)題[9]。

目前，我國(guó)約有300臺(tái)紙塑復(fù)合機(jī)在生產(chǎn)一次性不可降解紙塑復(fù)合制品，包括紙杯、紙碗和紙袋等。按其生產(chǎn)速度200 m/min，則月產(chǎn)量約15萬(wàn)噸。生產(chǎn)一次性可降解紙塑復(fù)合制品的淋膜機(jī)約為20臺(tái)，月產(chǎn)量為2700噸。也就是說(shuō)，目前聚乙烯淋膜紙的年產(chǎn)量約為可降解淋膜紙的55倍。隨著環(huán)保政策的逐步推進(jìn)，可降解淋膜紙有廣闊的發(fā)展空間。

3. 可生物降解淋膜生產(chǎn)線配置

可生物降解材料淋膜生產(chǎn)線主要由放卷裝置、烘箱、電暈裝置、復(fù)合裝置、擠出機(jī)、干燥機(jī)、收卷裝置及中央處理器組成，如圖2所示。

圖2 PLA淋膜生產(chǎn)線

放卷裝置將基材放卷，需具備幾個(gè)條件：適當(dāng)?shù)膹埩σ詫?shí)現(xiàn)平整、穩(wěn)定的放卷；新基材卷切換時(shí)，接卷容易、損耗低；基材在一定的位置上；上卷容易。目前，PLA淋膜生產(chǎn)線通常配置一個(gè)放卷裝置。為實(shí)現(xiàn)換卷快速、損耗低，可采用自動(dòng)接紙機(jī)作為放卷裝置。自動(dòng)接紙機(jī)可以將單次接紙的損耗由手動(dòng)接紙時(shí)的10 m降至10 cm以下或零紙尾，使每卷紙用至紙芯，避免大量殘卷浪費(fèi)，斷紙現(xiàn)象也有效減少。機(jī)器內(nèi)部的張力控制系統(tǒng)通過(guò)控制紙架上的剎車控制張力，氣控系統(tǒng)監(jiān)控張力對(duì)原紙的作用，保護(hù)原紙?jiān)谶\(yùn)行中不會(huì)斷裂，減少停機(jī)次數(shù)，保證紙板的品質(zhì)。自動(dòng)接紙機(jī)還可在生產(chǎn)線正常運(yùn)行速度時(shí)接紙，而不必像手動(dòng)接紙一樣必須停機(jī)或者降至很低的車速。

PLA淋膜機(jī)的烘箱主要是為了消除紙基材內(nèi)的水分，避免水分降低淋膜后PLA/紙的粘合強(qiáng)度。如圖2中所示的PLA淋膜生產(chǎn)線配置了紅外烘箱。紅外烘箱采用電熱絲加熱的碳化硅遠(yuǎn)紅外輻射板，使其產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線，當(dāng)被加熱物體吸收時(shí)，可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而達(dá)到快速干燥的目的。被干燥對(duì)象的遠(yuǎn)紅外吸收峰越接近輻射原件的遠(yuǎn)紅外輻射峰時(shí)，干燥效果越好。特別適合干燥各種吸收峰在遠(yuǎn)紅外波段范圍內(nèi)的水、水蒸氣等，以及絕大多數(shù)的有機(jī)物和高分子物質(zhì)。烘干效率高，適合于紙張烘干。

電暈裝置對(duì)基材膜進(jìn)行極化處理，一方面使薄膜表面產(chǎn)生一些含氧基團(tuán)，增加表面張力，利于擠出樹(shù)脂或底涂劑的鋪展；另一方面，可以除去基材膜表面的部分雜質(zhì)[10]。電暈機(jī)處理材料的原理是利用高頻高電壓在處理過(guò)的基材表面進(jìn)行電暈放電（高頻交流電壓高達(dá)5000-15000V/m2），產(chǎn)生低溫等離子體，使基材表面產(chǎn)生自由基。同時(shí)，可以提高材料表面粗糙度，利于擠出熔體的滲透以及PLA分子鏈與紙纖維之間纏結(jié)形成機(jī)械互鎖力。

擠出機(jī)作為淋膜生產(chǎn)線的核心部件，塑料在擠出機(jī)內(nèi)的塑化情況、T型模頭流出熔體的均勻性等將直接決定著淋膜制品的優(yōu)劣[11]。聚乳酸的熔點(diǎn)約為157℃，分解溫度約為230℃，熔融溫度范圍相對(duì)較窄[12]。故PLA淋膜生產(chǎn)線需要專用擠出機(jī)，一方面保證PLA熔融塑化，另一方面避免PLA高溫分解。PLA的熔體強(qiáng)度低，頸縮大，因此還需對(duì)其匹配合適的模頭流道結(jié)構(gòu)。為了穩(wěn)定擠出，PLA淋膜生產(chǎn)線通常還配備了熔體計(jì)量泵。熔體計(jì)量泵能有效的降低擠出機(jī)參數(shù)引起的物料輸出不穩(wěn)定及壓力脈動(dòng)，由原來(lái)的螺桿向模頭建壓，改為熔體泵向模頭建壓。螺桿可以高速高效的擠出，且擠出機(jī)背壓可以調(diào)節(jié)，減少了熔體在螺筒內(nèi)的駐留時(shí)間，穩(wěn)定了塑化過(guò)程，降低了熔融溫度，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

復(fù)合裝置的主要作用是把熔融的樹(shù)脂膜均勻平整地壓合在基材膜上，主要由冷卻輥、橡膠壓力輥、支撐輥、修邊裝置等組成。擠出機(jī)T型模頭擠出的片狀樹(shù)脂熔體引入到橡膠輥和冷卻輥之間，經(jīng)展平輥展平的基材薄膜也進(jìn)入橡膠壓力輥和冷卻輥之間，片狀樹(shù)脂熔體與基材薄膜在壓力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)合。特別地，冷卻輥的冷卻效果與表面狀態(tài)能夠影響復(fù)合膜的透明性及表面粗糙度等。對(duì)于PLA淋膜來(lái)說(shuō)，由于PLA膜較硬，冷卻輥有時(shí)采用溫水輥，以提高PLA熔體和紙之間的粘合強(qiáng)度。

干燥器的作用是對(duì)PLA料進(jìn)行干燥，避免水分對(duì)擠出過(guò)程和后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。PLA無(wú)論是改性，還是成型加工，在其使用前都必須干燥處理，否則水分會(huì)促使PLA分解，進(jìn)而影響加工過(guò)程。一般建議干燥至水分含量在400 PPM，也即將PLA除濕干燥器內(nèi)45-80℃加熱6～12小時(shí)。需要注意的是，PLA在干燥器內(nèi)的溫度控制，時(shí)常會(huì)有干燥后含水不均、材料粘結(jié)、甚至無(wú)法下料等現(xiàn)象發(fā)生。

收卷裝置是將經(jīng)復(fù)合后的復(fù)合膜片收緊卷取的裝置，通常要求松緊度適中、無(wú)褶皺、紙管安裝和下卷方便。PLA淋膜生產(chǎn)線通常采用雙工位摩擦收卷機(jī)，具備雙向自動(dòng)切換軸和收卷功能。主要由收卷主動(dòng)輥、雙向飛刀換卷機(jī)構(gòu)、飛刀動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、幅狀材料驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和換卷壓輥機(jī)構(gòu)組成。可以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)完成切換軸和收卷的工作，且能有效地解決新軸卷芯起皺的問(wèn)題[13]。

中央處理器是整個(gè)擠出復(fù)合機(jī)的中控系統(tǒng)，能夠設(shè)置和修改擠出機(jī)各段的溫度、背壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、整機(jī)的機(jī)械速度和收放卷張力等，便于操作。

4. PLA淋膜實(shí)例

可生物降解材料PLA淋膜示意圖見(jiàn)圖3。

如圖3所示，PLA淋膜工藝過(guò)程為紙基材放卷-烘箱預(yù)熱-電暈處理-復(fù)合-收卷。擠出機(jī)擠出經(jīng)烘箱干燥后的PLA。

實(shí)例1：

采用江門市輝隆塑料機(jī)械有限公司的PLA專用淋膜機(jī)EXCA1450/90/200/S進(jìn)行淋膜實(shí)驗(yàn)，過(guò)程和結(jié)果如表1所示。

圖3 可生物降解材料PLA淋膜示意圖

表1 Ingeo2003D淋膜實(shí)驗(yàn)

表2 LX175淋膜實(shí)驗(yàn)

實(shí)例2：

采用江門市輝隆塑料機(jī)械有限公司的PLA專用淋膜機(jī)EXCA1450/90/200/S進(jìn)行淋膜實(shí)驗(yàn)，過(guò)程和結(jié)果如表2所示。

從上面的實(shí)例1和實(shí)例2可以看到，PLA淋膜紙?jiān)跈M向的克重差別較大，也即淋膜厚度難以控制。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于PLA的熔體強(qiáng)度低[14]，難以進(jìn)行均勻拉伸。

另外，純PLA與紙張的粘合強(qiáng)度差，難與聚乙烯進(jìn)行對(duì)比，通常在淋膜28 gsm時(shí)才能夠撕下紙纖維（紙毛）?；诖耍粌H僅淋膜機(jī)要進(jìn)步，淋膜材料的性能，加工性能和使用性能均需進(jìn)一步的提升。

5. 結(jié)束語(yǔ)

PLA淋膜紙制品能夠有效代替PE淋膜紙制品，符合國(guó)家保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策。但這個(gè)行業(yè)尚未準(zhǔn)備完全，原材料的供應(yīng)、淋膜料的供應(yīng)、高速淋膜設(shè)備的供應(yīng)等均未能完備，還需產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同努力?？上驳氖牵延袔准掖髲S上馬了生產(chǎn)可降解材料的設(shè)備，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如何提高淋膜速度、降低淋膜厚度、提高粘結(jié)強(qiáng)度仍是PLA淋膜紙行業(yè)面臨的問(wèn)題。只有解決了這些問(wèn)題，PLA淋膜紙制品才能真正的走入大眾的生活之中。