软包装全PE单一材料的应用现状

许朝华 李育雄 赵素芬

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院；2.中山市朗科包装有限公司；3.中山火炬职业技术学院）

前 言

软包装为满足不同包装需求采用多种不同材质复合而成，如 BOPP/PE，BOPET/AL/PE等结构，不同材料的回收是一个很大的难题，土地掩埋废弃软包装材料会造成土壤贫瘠、恶化，农作物减产或不产，焚烧废弃软包装材料会产生大量CO2、CO等有害气体及灰分中残留重金属，加重环境污染和温度效应[1]。在禁塑令和限塑令的背景下，探寻兼具可持续性、可回收性、使用便捷的高性能包装具有重大的意义。

1.软包装环保化现状

目前软包装行业内热门话题无疑是循环经济，包括可降解、可回收材料的开发。生物降解材料是通过土壤、水中的微生物作用或在紫外线的光照的作用下，在自然环境中分裂降解。软包装复合的材料种类越少，越有利于包装的回收再利用[2,3]。单一材质结构回收时不用分类，可以达到 100%回收利用。目前可降解材料用于一次性包装，单一材质则更适合于性能要求更高的复合包装，比如食品、医疗药品、日化用品等包装。

1.1 可降解材料

可降解型塑料大致分四大类：光降解型、生物降解型、复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产生水解、胺解、酸解、氧化等化学反应，导致塑料高分子断裂，从大分子量变成小分子量[4]。因为塑料中含有光敏基团，只有在光照条件下发生降解，如果塑料制品被埋入土中，没有接受照射，则降解过程会被中断。

生物降解型塑料是指在微生物或人体及动物体内的组织细胞、酶和体液分解作用下，其化学结构发生变化，导致分子量及性能下降的材料[5]，生物降解塑料是一种只能在微生物产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、菌之类的微生物，把它消化掉，每一种生物降解材料的降解都需要在特定的环境条件下才能快速降解，因此，生物降解材料在自然环境中很难实现快速降解。

复合降解型塑料就是结合光和微生物全面的降解作用，以达到高分子完全降解，即在微生物降解塑料中添加光敏剂，使其具有上述两者特性。

从目前使用情况来看，可降解塑料薄膜原料树脂成本较高，供应的稳定性也是问题，可降解薄膜性能满足不了商品包装的装饰性、保质期及长途运输等要求，如光学性能差、力学强度不够、封合力不够等。此外，可降解薄膜材料与商品的保质期可能存在一定的矛盾，是否在包装商品之前，随着库存时间的延长性能下降，可降解薄膜材料的保质期是否长于商品保质期都有待进一步考证。

1.2 可回收再利用材料

从《商品包装政府采购需求标准》的规定中不难看出，单一材质，或易分离回收材质，并且减少油墨使用量和挥发性有机化合物用量是基于对环境友好的功能性包装的要求准则。通过材料或工艺创新，采用单一材质，实现包装绿色环保的目的。

1.2.1 单一材料

随着国内外对单一材料可回收软包装的价值与理念逐步认同与清晰化，设计作为循环经济闭环的起点，也越来越受到关注。在食品和日化软包装领域，全世界品牌商都在各国政策的推动下行动了起来，加速探寻兼具可持续性、可回收性、使用便捷的高性能包装。全球各大品牌商开始承诺使用更多的单一材料包装，一些材料制造企业，如北欧化工、陶氏、埃克森美孚、加拿大诺瓦化学和沙特基础工业公司，近年来也相继推出多种可回收的单一材料塑料薄膜，新的创新产品也在不断推向市场，如全PP、全PE和全PET单一材质。

Smithers在近日发布了专题研究报告《单一材料塑料包装薄膜市场的未来 2025年》指出：2019年全球单一材料塑料包装薄膜市场规模为2044万吨（559亿美元），2025年可能达到2603万吨（709亿美元），年复合增长率达 3.9%。亚太、北美和西欧是全球单一材料塑料包装薄膜的三大消费市场。2020年上述三个区域市场占全球单一材料塑料包装薄膜市场的比重分别为48.6%、17.2%和 15.5%[6]。目前可被作为单一材料的包装薄膜有几类，主要是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和再生纤维素纤维（RCF）。其中，聚乙烯（PE）与聚丙烯（PP）占全球单一材料塑料薄膜市场的份额分别达到50%、41.7%。

2.全PE单一材料

2.1 BOPE双向拉伸薄膜

BOPE双向拉伸聚乙烯薄膜，以具有特殊分子结构的聚乙烯树脂 m-LLDPE为原料，采用平膜法双向拉伸工艺拉伸成型，挤出成型后铸片，铸片经过二次预热再拉伸，在半固态下拉伸成膜，其大分子链和聚集态结构发生高度取向，因而使得薄膜的力学强度和光学性能均得到显著提升，研究表明，薄膜的拉伸模量（挺度）可提高 2-5倍，拉伸强度可提高2-8倍，穿刺强度和冲击强度可提高2-5倍，薄膜雾度可降低30-85%[7]，由于它较好的抗针孔性能，耐低温冲击和穿刺，可以有效降低破包率，可以代替 PA材料，同时对PE材料经过双向拉伸，可对包装材料进行减薄，降低成本。陶氏推出INNATETM TF-BOPE树脂，采用这种材料制作的双向拉伸聚乙烯薄膜其韧性与传统聚乙烯薄膜相比更强，且光学性能更好，易撕，使用更便利，TF-BOPE薄膜可直接用于包装的印刷层，还可与其他 PE功能层配合使用，实现全 PE材质的包装，从而更便于回收利用，提高可持续性[8]。但由于 BOPE材料的特性，进行现有加工方法的热封加工时，尤其是多层复合后，作为表层的BOPE和热封层PE进行热封过程中，若采用热压平封的方式，由于它的面层仍然是PE，耐热性不好，会产生封口起皱并拉抻撕裂的现象。

2.2 MDO单向拉伸PE薄膜

MDO单向拉伸，也称纵向拉伸，也是PE单一材质包装的重要技术方向。不同于BOPE要进行双向拉伸，MDO拉伸聚乙烯只需要进行单向拉伸，且拉伸比在5-7左右，市面上大多数线性产品都可以达到此要求[9]。高拉伸比显著改变了薄膜的形态，非晶结构和晶体结构都沿着纵向被拉伸，分子结构的排列进一步提高了其密度和半结晶聚合物的结晶性，刚性、拉伸强度、穿刺和撕裂强度等机械性能显著提升，同时也提升了薄膜的光学性能和阻隔性能，经过 MDO拉伸后的PE薄膜可以取代PET以及PA表层。

纵向拉伸能有效降低纵向薄膜的厚度，但在宽度方向因产生颈缩效应而增厚，其薄厚并没有BOPE薄膜的均匀，而且因横向没有拉伸，其拉伸强度相对弱一些，横向宽度由于颈缩边修整而减小。

2.3 热封PE

针对目前单一材料PE/PE由于面层PE耐热性差，两者复合后采用热压平封制袋时封口易起皱，并形成拉伸撕裂现象，因此需要两层材料之间形成热封温度梯度，从热封层PE的角度来讲，需要采用低温热封膜，降低热起封温度，以保证热封时较宽的热封窗口和良好的热封效果。利用三层共挤生产 PE热封膜，即表层、芯层和热封层，在配方设计时，提高表层和芯层的耐热性和拉伸强度，降低热封层的起封温度和提高其热封强度，使表层、芯层与热封层之间形成热封温度差，并且表层和芯层具有较高的拉伸强度，避免拉伸撕裂，提高热封强度，满足包装要求。

2.4 全PE材料的应用难点解决进展

复合软包装的基材一般分为印刷层、阻隔层和热封层三个基本层，印刷层主要满足软包装的印刷和拉伸性能等，中间阻隔层主要满足阻气要求，热封层主要满足热封性能。由于 PE本身存在韧性拉伸，作为印刷层主要存在印刷时会出现因拉伸变形图案套印不准的现象，采用热压式制袋工艺时，作为表层的PE和热封层PE进行热封过程中，PE在高温下，存在熔融状态，制袋时受张力拉伸，热封处会被拉伸断裂；如果将温度降低，则不能将里层 PE熔融，造成热封不完全，即虚封状态，而热封不牢固必然会造成内容物泄漏或变质，从而导致食品或药品质量事故。同时对于要求阻隔性较高的产品，单纯的全 PE也是无法达到高阻隔要求。因此，目前 PE单一材质结构需要解决的问题主要有PE的印刷适应性能、制袋时热封边的平整封实和解决全 PE材料的高阻隔性要求。

2.4.1 印刷层PE的印刷适应性

PE作为面层材料使用，需要通过配方改性，使 PE挺度、透明度和耐温都要稍微高一点。西班牙Comexi公司通过BOPE薄膜在EB胶印机上做里印，在电子束的能量作用下，BOPE印刷薄膜的耐热温度大幅提升，使表面熔点升高至大于200℃；同时PE材料存在韧性拉伸，对于“框对框”的图案设计印刷时会出现拉伸错位现象，需调整相应的印刷工艺参数。

2.4.2 PE//PE的制袋工艺

目前存在的主要问题是在制袋热封时全 PE材料易出现拉伸撕裂现象，解决这个问题主要从材料和工艺方面入手，材料上通过提高面层 PE耐热性或降低热封 PE的起封温度，使两者的热封温度梯度差在30℃以上，并提高PE热封膜的拉伸性。在制袋工艺上融断的制袋方式是完全可以解决的，但对于热压式制袋，需要在烫压和冷却上进行改善并提高零部件的精度，上海洲泰通过对制袋设备的烫压和冷却装置进行针对性的设备和改进，解决全 PE结构的制袋问题，日本托塔尼公司展示了HDPE/LDPE复合袋的制袋设备和工艺。

2.4.3 PE//PE结构的阻隔性

在食品、药品和化妆品等包装要求材料具有高阻隔性，但 PE材料的阻气性能相对较差，无法与 PA相提并论，无法形成真空包装，随着材料的不断研发，单一结构的应该的领域和范围会越来越广，因此要提高全 PE材料的阻隔性，以便达到包装的阻隔性要求。目前主要有的方式是在热封层PE多层挤中挤出一层厚度约为5-6 um的EVOH，因EVOH可以与PE熔融在一起，并且较薄，不影响全PE材料的回收性；也可以PE材料上涂布阻氧涂层、真空镀铝或氧化硅，以便增加全PE膜的阻隔性，延长保质期。

总 结

单一材质包装即整个包装由同一种材料组成，回收时不用分类，可以达到 100%的回收利用。单一材质包装更适合于性能要求更高的复合包装，比如食品、医疗药品、日化用品等包装。本文主要从全PE的视角，阐述全PE单一材料目前的研究进展及需要解决的技术问题，包括印刷适性、热压制袋起皱及阻隔性等。单一材料的应用将是塑料包装的可持续性发展最为可行的一条路径。