輕量化自動灌裝封口重包裝膜配方優(yōu)化與應用評價

蔡志強，王素玉

（1. 中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部，北京 100728；2. 北京燕山石化高科技術(shù)有限責任公司，北京 102500）

采用自動灌裝封口（FFS）重包裝膜袋用于合成樹脂粒料產(chǎn)品包裝于20世紀90年代初起步于歐美［1］，但在中國得到了快速發(fā)展，2015—2019年，我國FFS重包裝膜市場規(guī)模從32億元增長到60億元，F(xiàn)FS重包裝膜使用量接近200 kt。目前，國內(nèi)用于合成樹脂的包裝袋75%以上以25 kg小包裝為主，特別是新建裝置設計全部采用FFS膜袋包裝，包裝速率通常達到1200～2000 袋/h。在市場競爭日趨嚴峻的形勢下，從生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實施節(jié)能降耗是當前的重要任務。其中，利用技術(shù)進步降低包裝成本是企業(yè)可采取的有效措施之一。目前，全球范圍FFS重包裝膜袋厚度主流是0.120 mm，領先水平已達到0.100 mm，通過茂金屬聚乙烯等高性能材料的開發(fā)與應用，輔以加工制膜技術(shù)，實現(xiàn)了減薄降塑。2017年開始，在中國石化系統(tǒng)內(nèi)陸續(xù)實施合成樹脂產(chǎn)品包裝升級改造，但大部分的膜袋厚度是0.160 mm，部分企業(yè)采用的是0.180 mm。2019年，《合成樹脂包裝通則》將新膜袋的厚度標準由>0.180，0.180，0.170，0.160 mm，調(diào)整為0.160，0.140，0.120，0.100 mm，產(chǎn)品的力學性能指標保持不變，逐步向國際先進水平看齊，因此，在不降低產(chǎn)品力學性能的前提下，降低薄膜厚度，是未來FFS膜的發(fā)展方向。

目前，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司（簡稱燕山石化公司）合成樹脂年產(chǎn)量近1000 kt，F(xiàn)FS膜年消耗量為3500～4000 t，膜厚度以0.160 mm為主，膜結(jié)構(gòu)為通行的1∶2∶1結(jié)構(gòu)，使用的原料主要有進口茂金屬線型低密度聚乙烯（mLLDPE，以1-已烯或1-辛烯為共聚單體），低密度聚乙烯（LDPE），線型低密度聚乙烯（LLDPE，1-丁烯及1-己烯為共聚單體），高密度聚乙烯（HDPE）。

本工作所實施FFS膜配方優(yōu)化的方案是使用中國石油化工股份有限公司天津分公司（簡稱天津石化公司）自主開發(fā)生產(chǎn)的高性能LLDPE PELF1815部分替代FFS膜生產(chǎn)中使用的mLLDPE，以實現(xiàn)FFS膜減薄到0.140 mm，以及進一步降低成本的目標。

1 實驗部分

1.1 主要原料

LLDPE PE-LF1815，天津石化公司；mLLDPE，1-己烯為共聚單體，進口。

1.2 主要儀器與設備

MP600型熔體流動速率儀，美國TA儀器公司；Magna-IR型紅外光譜儀，美國Nicolet公司；WATER GPCV2K型測定儀，美國Waters公司；DSC-6200型差熱掃描儀，日本精工株式會社；5566型萬能試驗機，英國Instron公司；IM-702型埃爾門多夫撕裂儀，日本三洋公司；LE25-30C型五層共擠吹膜機組，瑞典LabTech公司；NO613型落鏢沖擊試驗儀，CAPIROGRAPHIB型柱塞式毛細管流變儀：日本東洋精機株式會社；工業(yè)化吹膜設備為德國W&H公司的三層共擠吹膜機。

2 結(jié)果與討論

FFS重包裝膜袋只有滿足了各項力學性能（如密封強度、拉伸強度、摩擦性能、抗刺穿性、填充物的熱穩(wěn)定性等）要求，才能確保產(chǎn)品在運輸、存放階段，外包裝不會發(fā)生破損。合成樹脂產(chǎn)品的包裝，一般選用三層共擠膜。因為選用三層共擠膜，不僅使薄膜具備一定的強度，同時還能保障薄膜具有良好的熱封性能及印刷著色性能。故利用不同的膜層滿足不同的質(zhì)量指標要求，從而達到滿足整體質(zhì)量指標要求?？筛鶕?jù)用戶的不同需求，在內(nèi)、中、外三層選擇不同的配方。如內(nèi)層選擇熱封性好、密封性好的配方，中層選擇強度高、挺括度高的配方，外層選擇抗靜電、黏性好、印刷著色性能好的配方。

2.1 產(chǎn)品指標的確定

FFS袋用吹塑薄膜的性能指標是根據(jù)產(chǎn)品的需求及物流倉儲相關(guān)要求而制定的，包括拉伸斷裂強度、屈服強度、斷裂伸長率、落鏢沖擊強度、摩擦性能等。FFS袋用吹塑薄膜是新型的重包裝膜產(chǎn)品，目前還沒有統(tǒng)一的國家標準，具體指標可由用戶和生產(chǎn)商根據(jù)運輸和貯存環(huán)境協(xié)商制定［2］。根據(jù)國家對于行業(yè)標準的要求，行業(yè)標準與國際標準或國外先進標準等同等效。自20世紀80年代起，塑料及塑料制品領域就開展了采用ISO/IEC標準體系有關(guān)試驗方法的標準轉(zhuǎn)化工作。基于Q/SH 0571—2020《合成樹脂包裝通則》制定了合成樹脂包裝用0.140 mm厚FFS膜技術(shù)標準（見表1）。

表1 FFS膜技術(shù)標準（暫行）Tab.1 Technical standard of FFS films

2.2 PE-LF1815的物理性能

PE-LF1815是乙烯、1-己烯、1-丁烯三元共聚產(chǎn)品，具有良好的光學性能、優(yōu)異的抗穿刺性能和較強的抗撕裂強度，同時也具備優(yōu)異的力學性能，適用于重包裝袋、自立袋、農(nóng)用膜、人造草坪等。PE-LF1815及參比產(chǎn)品性能指標數(shù)據(jù)對比見表2。從表2可以看出：PE-F1815的性能優(yōu)于通用LLDPE和mLLDPE，成膜性能優(yōu)于通用LLDPE，略低于mLLDPE，綜合性能介于通用LLDPE和mLLDPE之間。

表2 PE-LF1815與參比產(chǎn)品性能指標對比Tab.2 Performance index of PE-LF1815 and reference product

在聚合物生產(chǎn)過程中，熔體強度是作為拉伸、牽引等操作的重要參數(shù)之一，材料的熔體強度將直接決定膜泡的穩(wěn)定性。熔體強度低，則膜泡不穩(wěn)定，易破裂；反之，膜泡穩(wěn)定，不易破裂［3］。在溫度為200 ℃的測試條件下，從圖1可以看出：PE-LF1815熔體的拉伸強度和斷裂拉伸應變均優(yōu)于mLLDPE，對于提高加工過程中膜泡穩(wěn)定性有利。

圖1 試樣的熔體強度Fig.1 Melt strength of different samples

2.3 配方的研究及篩選

（1）需要考慮的因素是包裝產(chǎn)品的質(zhì)量。在包裝產(chǎn)品質(zhì)量為25 kg（如合成樹脂袋）時，薄膜厚度通常為0.160～0.190 mm。（2）儲存中產(chǎn)生的載荷?；诖a垛的儲存方式，F(xiàn)FS袋需要承受本身包裝產(chǎn)品質(zhì)量20倍以上的力。由于負載很高，F(xiàn)FS袋必須要有足夠的硬度以避免發(fā)生橫向變形。特別是當儲存溫度超過30 ℃時，抑制變形會變得更加困難。這就要求在選擇薄膜各層的原料時，必須要充分考慮儲存中產(chǎn)生的載荷。（3）薄膜的抗撕裂強度非常重要，因為在儲存和運輸過程中包裝袋有可能被刺穿和損壞，足夠的抗撕裂擴展力可以減少撕裂的傳遞，從而避免漏包。（4）熱封強度決定密封的質(zhì)量，這對于保證FFS袋能夠承受儲存和搬運過程所受到的壓力、沖擊力極其重要。（5）FFS袋還必須具有足夠的沖擊強度，以能夠承受包裝袋從3 m或更高的儲存地點跌落所產(chǎn)生的沖擊力。（6）內(nèi)、外表面摩擦因數(shù)的差異性是FFS袋必須具有的性質(zhì)。袋子應該有較高的外表面摩擦因數(shù)以防止碼垛以后打滑，而內(nèi)表面摩擦因數(shù)則應該較低，這樣有助于在填充或者包裝過程中提高包裝速率。摩擦因數(shù)的提高可通過壓花或者加入添加劑對薄膜表面進行改性來獲得，但必須注意壓花必須在不降低薄膜力學性能或薄膜厚度的前提下實施。

2.4 配方優(yōu)化方案及結(jié)果

熱封性能是FFS重包裝膜的重要性能之一。在確保熱封性能的前提下，主要進行了印刷層和中間層的配方替代優(yōu)化工作，添加劑用量為3%（w）。FFS膜優(yōu)化配方見表3。

表3 FFS膜優(yōu)化配方Tab.3 Formulation optimization of FFS films

從圖2可以看出：隨著PE-LF1815加入量的增加，拉伸強度、斷裂標稱應變、沖擊破損質(zhì)量均呈現(xiàn)下降的趨勢。為確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足需求，綜合3層結(jié)構(gòu)，配方3中PE-LF1815在優(yōu)化配方中部分替代mLLDPE，LDPE和HDPE的使用比例可以達到30%，綜合力學性能仍可達到使用要求 。

圖2 不同配方的拉伸強度、斷裂標稱應變及沖擊破損質(zhì)量曲線Fig.2 Tensile strength，tensile strain at break，and impact damage of product from different formulations

2.5 FFS膜的加工工藝

基于配方3，開展膜加工工藝條件的研究。原料配方和設備性能是決定FFS袋用吹塑薄膜產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，對原料配方進行分析，LDPE，LLDPE，mLLDPE的質(zhì)量、用量以及添加劑的加入量等對各項參數(shù)都有較為顯著的影響。

以mLLDPE與LDPE共混物擠出吹塑薄膜時，擠出過程出現(xiàn)的主要問題是：LDPE提前熔融，mLLDPE熔融延后，混熔效果較差。因剪切對mLLDPE黏度的影響不敏感，使mLLDPE摩擦生熱。主要表現(xiàn)在擠出機前部熔體實際溫度明顯高于機筒設定溫度，導致機頭口模處熔體溫度過高，熔體強度過低，吹塑膜泡不穩(wěn)定［4］。針對加工中出現(xiàn)的問題，采用擠出機各段按“較低-高-較低”的“馬鞍形”加工溫度曲線進行控制。從表4看出：擠出機第1段溫度低，第2段和第3段溫度明顯升高，第4段溫度明顯降低。通過采取如此的加工溫度曲線，不僅避免了在均化段摩擦生熱，而且在控制溫度較低的均化段轉(zhuǎn)移多余熱量后使熔體在適宜溫度下進入機頭口模，達到穩(wěn)定吹膜的技術(shù)要求。

表4 擠出機及模頭溫度Tab.4 Temperature of extruder and die head

2.6 FFS膜的性能

影響FFS袋設計和力學性能的因素有：填充系統(tǒng)類型、被包裝物質(zhì)量、填充溫度、物流倉儲條件、封口類型等?；谂浞?制成的FFS薄膜的性能完全滿足包裝的要求。從表5看出：B20200518與A20200911的FFS包裝膜的縱向拉伸強度大于30 MPa，橫向大于31 MPa；縱向斷裂標稱應變大于648%，橫向大于740%；縱向拉伸屈服應力大于15 MPa，橫向大于14 MPa；縱向褲型撕裂強度大于169 kN/m，橫向大于242 kN/m，動摩擦因數(shù)為0.3～0.4，靜摩擦因數(shù)為0.3～0.5，表面的沖擊破損質(zhì)量大于730 g，折邊處大于610 g，薄膜的拉伸強度高、撕裂強度高，優(yōu)于制定的FFS膜質(zhì)量技術(shù)指標。

表5 不同批次0.140 mm厚FFS膜的性能Tab.5 Properties of different batches of FFS films with thickness of 0.140 mm

影響薄膜包裝袋質(zhì)量的核心是薄膜包裝袋的熱封強度。熱封強度主要由內(nèi)封層基材薄膜決定，同時也會受到熱封工藝、復合薄膜材料結(jié)構(gòu)以及層間復合強度的影響［5］。熱封工藝有三大要素，即溫度、壓力及時間。其中，溫度是最主要的因素，對熱封強度的影響最直接，也是選擇最佳黏流溫度的主要依據(jù)。各種熱封基材熔融溫度的高低，直接決定了塑料復合包裝材料的最低熱封溫度。

樹脂自動化包裝線，包裝物自動填充和袋口封合幾乎是同時進行，熱封性能良好，因此，要確保封口具有一定的強度和密封性，能夠承受一定的質(zhì)量，才能保證商品在運輸過程中外包裝完整。從圖3可以看出：不同批次的厚度為0.140 mm的FFS膜，隨著熱封溫度的提高，薄膜的熱封強度提高。在130 ℃的條件下，F(xiàn)FS膜的熱封強度大于30 N/15 mm。135 ℃為非熱封黏合點斷裂，可滿足25 kg合成樹脂包裝薄膜熱封強度的要求。

圖3 不同批次FFS薄膜的熱封性能Fig.3 Heat sealing properties of different batches of FFS films

2.7 FFS膜的應用

在mLLDPE/LDPE共混研究的基礎上，通過配方篩選及生產(chǎn)工藝優(yōu)化完成了0.140 mm厚FFS袋用重包裝膜的技術(shù)開發(fā)。所制FFS膜袋在燕山石化公司包裝生產(chǎn)線應用，滿足高速包裝機連續(xù)運行要求。對FFS包裝機開袋機口封、底封加熱溫控參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，在聚丙烯冷拉伸套膜包裝產(chǎn)品和聚丙烯普通25 kg散包產(chǎn)品上進行了試用。加強摔包試驗、抗跌落性能及碼垛性能優(yōu)異。對產(chǎn)品流向進行跟蹤，確保包裝出廠產(chǎn)品質(zhì)量合格，經(jīng)物流運輸及用戶應用檢驗，長途運輸過程仍能保持良好垛型，無變型無破包，未發(fā)生用戶反饋破損增加情況出現(xiàn)，實現(xiàn)了預期目標。

在合成樹脂產(chǎn)品的包裝中，將0.160 mm厚的FFS重包裝膜優(yōu)化減薄至0.140 mm，通過了在包裝生產(chǎn)線的現(xiàn)場包裝測試。在此減薄產(chǎn)品的優(yōu)化方案中，既將原材料用量減少了12.5%，又起到了節(jié)能的作用，成功實現(xiàn)了降本增效的目標。

3 結(jié)論

a）采用PE-LF1815用于FFS膜袋進行配方優(yōu)化研究，開發(fā)生產(chǎn)了厚度為0.140 mm的FFS膜，薄膜的拉伸強度高、撕裂強度高、熱封性能良好、抗跌落性能及碼垛性能優(yōu)異，達到了《合成樹脂包裝通則》技術(shù)指標要求。

b）所制FFS膜袋在燕山石化公司包裝生產(chǎn)線應用表明， 滿足高速包裝機連續(xù)運行要求，經(jīng)物流運輸及用戶應用檢驗，長途運輸過程仍能保持良好垛型，無變型無破包。