绿色塑料包装技术研究及新型环保材料XPE 在包装上应用

梁政 王克俭

（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心）

一、什么是绿色包装?

绿色包装又可以称为无公害包装和环境之友包装，指对生态环境和人类健康无害，能重复使用和再生，符合可持续发展的包装。绿色包装有两个方面的含义：一个方面是保护环境，这是绿色包装的核心；另一个方面是节约资源。这两者相辅相成，不可分割。因为节约资源可降低垃圾的产生量，从而减轻对环境的污染，所以节约资源也是从源头上对环境进行保护。从这两方面考虑，凡是能体现保护环境和节约资源的包装我们都可以称之为绿色包装。这是从字面意思理解。

从技术上讲，绿色包装是对生态环境和人体健康无害，方便回收，或者易于降解的包装。这种包装一般是用植物和相关矿物质为原料研制而成。也就是说，这种包装产品从原材料选择、产品生产以及使用的过程中，都应该符合环境保护和节约资源的要求。具体言之，绿色包装应具有以下的含义：（1）实行包装减量化，包装在满足使用要求的前提下，尽量用更少的原材料，这就是要体现节约资源的要求；（2）包装应易于重复利用或易于回收再生，通过多次重复使用，或通过回收废弃物，生产再生制品、焚烧利用热能、堆肥化改善土壤等措施，达到再利用的目的，既不污染环境，又可充分利用资源；（3）包装废弃物可以降解腐化，为了不形成永久的垃圾，不可回收利用的包装废弃物要能分解腐化，进而达到改善土壤的目的，世界各工业国家均重视发展利用生物或光降解的包装材料，实行包装减量化（Reduce）、包装应易于重复利用（Reuse）、回收再生（Recycle）和包装废弃物可以降解腐化（Degradable）就是现在世界公认的发展绿色包装的3R 和1D 原则；（4）包装材料对人体和生物应无毒无害，包装材料中不应含有有毒物质或有毒物质的含量应控制在有关标准以下；（5）在包装产品的整个生命周期中，均不应对环境产生污染或造成公害，即包装制品从原材料采集、材料加工、制造产品、产品使用、废弃物回收再生，直至最终处理的生命全过程均不应对人体及环境造成公害。以上绿色包装的含义中，前四点应是绿色包装必须具备的要求，最后一点是依据生命周期评价，用系统工程的观点，对绿色包装提出的理想的、最高的要求。综上所述，绿色包装就是能够循环复用、再生利用或降解腐化，而且在产品的整个生命周期中对人体及环境不造成公害的适度包装。以上便是对绿色包装比较全面的解释。由此可见，绿色包装不单单是指某一方面，它是对我们生活中的所有包装提出的概念。

二、国内外塑料绿色包装技术发展现状

1. 国外绿色塑料包装行业现状及发展动态

最新的市场预测报告显示：近几年来及未来几年后，欧洲食品、饮料塑料包装用量呈上升态势。业内人士分析：欧洲市场食品、饮料塑料包装销售额增长速度最快的将是PP 包装市场，其中热塑性PP 平均增长率将达10.7%，透明PP 将增长9.5%，其次是PET，年均增长率为9.2%左右，而发泡PS 和软质PVC 市场增幅最小，甚至可能停止增长。欧洲食品饮料工业使用塑料包装材料最多的国家是法国（18.7%），其次为意大利（18%），德国（17.2%）等。随着人们生活水平的提高，新的包装技术、产品和材料不断涌现。绿色包装逐渐成为包装行业的主流。以下为各国在塑料包装领域的高端研究成果。

光分解塑料在日本已实现了工业化或半工业化，并已用于农膜、发泡托盘、瓶子、包装材料等。其中热塑性1,2-聚丁二烯作为农用复合膜已开始了应用。

可生物降解塑料在美国已有产品进入市场，例如Dow、Dupont、Eastman 和Monsanto 等公司能生产的生物降解塑料：聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、Biopol、可降解聚酯（由丁二酸、己二酸和对苯二甲酸等合成）、聚酰胺酯热塑性塑料、Biomax（改性PET）、Easter 共聚酯和氨基酸降解塑料（由天冬氨酸与赖氨酸合成）等。这些可生物降解的塑料，均可在短期内被微生物分解。

目前德国建成了中试装置，由微生物生产生物分解性材料。微生物的体内可以产生3-羟基丁酸酯（3-HB），它是一种可作为储存能量的聚酯。当向微生物Alcaligensentrophus 供给丙酸时，即可产生3-HB 与3HV 共聚的聚酯，已提供样品制成容器。英国的Zeneca 公司生产Biopol，是一种由微生物合成的天然可再循环的高分子，其化学名称为聚羟基丁酸酯共聚戊酸酯，简称PHBV。这种类型的生物降解塑料已引起众多厂商的注意，相继投入开发研究。日本东京工业大学已研制成不少具有新组成的共聚聚酯。英国（ICI）公司已有了一定规模的生产装置，其中一部分塑料用于洗发水瓶子制造。

天然物制备分解性塑料，如欧美在聚乙烯树脂中加入淀粉而制成的裂解性塑料已经实用化，并向日本输出。在意大利，已开发了以淀粉为主要原料和低分子量石油产品为辅助原料的生物分解性塑料用作薄膜和饲料袋等。

日本四国工业技术实验所成功地开发了纤维素乙酰壳多糖系生物分解性塑料，其原料利用了自然界的壳多糖，所以在土壤中分解更迅速，其薄膜试验表明，脱乙酰壳多糖的添加量以10%～20%为佳，经济上也是合算的，并在农业园艺、包装材料方面获得了应用。

合成高分子制取分解性塑料。美国 Air Product & Chemical 公司于1990 年将聚乙烯醇、增塑剂和添加剂混合后制成颗粒，开始以“Vinex”商品名在美国销售，主要开发有机溶剂瓶、沙拉油瓶、水溶性农药包装材料及丢弃式容器等方面的市场。而价格昂贵的乳酸降解塑料在美国一般用于医药用途上。

塑料包装的绿色化，自然是根据塑料本身难降解的特性来寻求突破。所以研究可降解塑料就是塑料包装绿色化的一个重要方向，在这里我们只列举了国外有关降解塑料方面的研究成果。当然，对于食品包装的绿色化还有很多方面例如可食性材料、纸材料等，由于与我们所论述主题无关，在这里不再赘述。

2. 国内绿色塑料包装行业现状及发展动态

塑料包装行业已成为我国塑料工业中发展最为迅速的领域之一。据我国权威部门预测，未来几年，塑料软包装在食品行业的销售额将超过包装工业销售额的近50%，预计软包装总的发展速度要略快于国民经济的发展速度。由于塑料材料改进后具有优异的阻透性、防紫外线性、耐冷冻性、耐热性等，因此应用市场广阔，尤其是饮料、乳制品行业有着诱人的商机。塑料在无菌包装中的应用，更是给塑料包装材料提供了一个发展空间，同时，塑料包装材料的改进，也必将推动我国无菌包装的发展。

高阻隔、多功能软塑包装材料已成为近年国内发展热点，涌现一批新产品和新技术，其中包括高阻渗性、多功能保鲜膜、无菌包装膜等发展很快；有的复合薄膜正在向更深层次发展。制袋、印刷技术上了一个新台阶，已进入“彩色革命”时代，行业中已有胶版、凹版、柔版彩色系统，促进了软塑包装制品向更深度、更高档次发展。

国内市场对塑料薄膜需求量将以每年9%速度增长，我国塑料薄膜市场前景十分广阔。目前我国塑料薄膜产量约占塑料制品总产量的40%，是塑料制品业中产量增长最快的。我国现有塑料薄膜生产企业2240 家，产量在5000 吨以上企业有65 家，1 万吨以上的企业有25 家，超过5 万吨的企业有5 家。我国生产塑料薄膜所使用的合成树脂主要有聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯和聚酯等。加工方式为吹塑、双向延伸、流延等。塑料薄膜的市场约60%多用作包装材料。市场上主流产品是国产的PE 保鲜膜和PVDC 保鲜膜，具有争议的PVC 保鲜膜，主要用于一些超市包装生鲜水果和蔬菜。国内PVC 保鲜膜品牌主要是LG、三菱和三荣，三大品牌占据整个市场的70%至80%，而日韩产品占据整个市场逾80%。国内市场上销售的家庭用食品保鲜膜大多采用安全的聚乙烯（PE）和聚偏二氯乙烯（PVDC）材料生产。

发达国家共挤包装薄膜约占全部软塑料包装薄膜的40%，而我国仅占6%左右，显然两者比例很不合理。共挤包装薄膜的发展，也将改变多功能薄膜的产品结构，它适用于饮料、牛奶、鲜肉等食品包装。PET 是用量最大的食品硬包装树脂，而且其市场需求增幅高于食品塑料硬包装总的增幅。我国是世界上第一大果蔬生产和销售大国。目前，聚乙烯薄膜和聚丙烯薄膜是新鲜水果蔬菜应用最广的包装材料。

由以上可看出，塑料在我国食品包装领域已有了非常广泛的应用，而且呈现出蓬勃的发展态势。尽管塑料包装以其优异的性能正逐渐被广泛应用，但是以塑料本身的难降解性，大量使用势必会造成很大的环境污染。同样，我国在可降解塑料等领域研究也取得了很大成果，这为我国绿色包装发展以及打破新的贸易壁垒开辟了道路。

我国可降解塑料的研究开发起始于20 世纪70 年代中期，起初是对光降解塑料进行研究，随后有众多的高等院校、科研院所参与研究光降解、光/生物降解、光/碳酸钙降解、光/氧/生物降解、完全生物降解、全淀粉塑料、崩坏性生物降解等塑料以及高填充碳酸钙环境友好材料等。

国内主要研究单位研究情况介绍：

复旦大学：成功地开发出一种可生物降解的聚氨醋复合塑料。该塑料采用稻草、木屑等植物纤维为添加料经液，化后与异氰酸醋反应制得。其制品不但具有普通聚氨醋塑料的各种特性，而且其废弃物经一定周期后易被微生物完全分解，也可通过化学处理降解成单体，再用于聚氨醋合成，实现资源再循环。该塑料主要用于包装、日用品等领域的泡沫塑料制品加工，目前己开始批量生产。

同济大学：利用玉米淀粉为原料生产乳酸，再经过特殊的聚合反应生产聚乳酸。由这种生物高分子材料制成的物品，废弃后可采用堆肥填埋处理在，自然界微生物的作用下彻底分解为水和二氧化碳，并可当作有机肥施人农田成为植物养料。目前该项目已被列为上海市科教兴市重大，产业化项目，与上海新立工业微生物科技有限公司共同投资2.35 亿元建设千吨级生产线。

清华大学：最近首次开发成功利用Aeromonashydropila 大规模生产3-羟基丁酸/3-羟基己酸酯共聚物（PHBHHX）的生产技术，它用作生物医学材料比聚乳酸具有更优异的生物相容性。PHBHHX 生产技术2002 年分别获北京市科技进步一等奖和国家发明二等奖。目前该技术已在广东江门生物技术开发中心和汕头华逸生物工程公司进行了批量生产，并已有产品出口美国。

天津大学：采用溶剂（矿物油、植物油）浸渍淀粉细化改性技术，提高淀粉与聚乙烯的相容性和分散性，制品中淀粉含量大于30%，最高可达50%，在国内外均是领先的。

武汉大学：继2000 年研制出魔芋可降解塑料包装膜以来，又将可降解塑料包装膜的原材料延伸到玉米、马铃薯，使该系列可降解塑料包装膜又增加了新品种，该新型可降解塑料包装膜以玉米、马铃薯为原料，其拉伸强度、柔韧性和透明度等特性与普通塑料膜相同，其造价与普通塑料膜相差不大，并且可食用、可降解，对保护环境及降低白色污染有显著效果。

中科院微生物所：目前已开发出用淀粉糖与丙酸发酵生产聚3-羟基丁酸/戊酸酯（PHBV）技术，并与杭州天安有限公司合作建立了一个年产1000 吨PHBV 生产装置。随着PHBV 的开发成功，我国在这一领域的研究和生产达到了国际先进水平。这标志着我国在生物降解塑料的生产方面迈上了一个新的台阶。

昆明理工大学：利用我国南方芭蕉芋淀粉资源开发出芭蕉芋淀粉基微生物降解塑料，可用作耐油和干性包装材料。

浙江大学：主要开展淀粉接枝技术研究，其膜制品的淀粉含量达50%，强度和外观质量均较好，价格适中，生物降解性能正在检测中，目前正计划扩大试生产。

华中农业大学：以干法改性淀粉为主要原料，通过由甘油:乙二醇＝1:2 组成的复合增塑剂的增塑，添加增强剂PX 和增溶剂EAA，共混后可研制出淀粉基热塑性生物降解塑料。研究表明，该塑料中改性淀粉为50%-70%，其它添加成分也均可生物降解，具有良好的机械性能。生物降解实验显示，其在90 天后降解率达50%以上。四川大学：采用价格便宜的一缩二乙二醇为原料，经一步合成对二氧环己酮（PDO），再用PDO 作单体和高效的催化体系合成一系列具有完全可生物降解性的聚（对一二氧环己酮）（PPDO）均聚物、共聚物、淀粉接枝共聚物，用这些聚合物与淀粉共混制得可完全生物降解树脂，这种树脂可用于制备一次性使用的塑料制品。

大连理工大学：研究添加中草药中挥发性成分的可降解塑料，经过三年使用后用手轻搓就会成为碎末，从而找到了一种新的塑料降解途径。

中科院广州化学研究所：从事二氧化碳降解塑料母粒项目研究，“二氧化碳制取全降解塑料”的新技术已经完成30t/a 的中试试验，并通过中科院组织的专家验收。

中科院长春应用化学研究所：也从事二氧化碳降解塑料技术开发，其成果已经转让给内蒙古蒙西高新技术集团公司进行产业化生产。

北京降解塑料研究中心：从事复合降解塑料合成技术及专用设备研究，借鉴光、生物双降解技术和科学原理，在配方及工艺上大胆地取消了添加淀粉和光敏材料的诸多弊病，提高了其力学性能，达到诱导期可控及充分降解的目的，大幅度地降低了生产成本。

福州师范大学：开发可降解、可焚烧塑料材料，通过添加30%以上经表面生物活化处理的超细碳酸钙，不仅可以促进生物降解，而且还可减少光敏剂的应用量，降低成本，有利于实现垃圾焚烧及掩埋综合处理的方式，并可达到减量化、节省资源的目的。

总之，除合成型光降解、完全生物降解塑料外，我国降解塑料的研究开发进程与世界相差无几，技术水平和世界先进水平接近或相当。

三、在绿色包装中有广阔应用前景的材料XPE

1. XPE 材料

XPE 材料为化学交联聚乙烯发泡材料，是用低密度聚乙烯树脂加交联剂、发泡剂和其它改性试剂经过低温挤出高温连续发泡而成，与EPE（物理发泡聚乙烯，俗称珍珠棉）相比，抗拉强度更高，泡孔更细。XPE 材质相较于其他PE 或者非PE 类的材料在耐用性、抗光照、抗物理撞击等方面有着出色的表现，XPE 本身化学性质稳定，不易分解，无气味，弹性好。是制造爬行垫、隔音层、隔热层、汽车脚垫的优选材料。

图1 XPE 泡材生产工艺流程

2. XPE 材料的性能及环保特性

（1）XPE 材料的性能

XPE 材料作为一种新型的环保材料，它在各方面有着优良的性能，具体表现如下：

绝热性--其细微的独立气泡结构，可有效降低空气对流导致的能量交换，适合制作保温管、保温板。并且兼具防结露性，使之极适合用于冰箱、空调及冷库等多湿环境的保温材料。

吸音性--具有吸音降噪功能，适合用于飞机、铁路车辆、汽车、电动机等强噪音设备及环境中的吸音隔音材料。

成型性--耐热性强，延展性能好，密度均匀，可实现真空成型及热成型等较深部位的成型，因而可用于汽车空调蒸发柜、汽车热压顶棚等内饰件及鞋材方面的材料。

缓冲性--材质为半硬质发泡体，受强冲击后也不失原性能，多用于精密仪器，半导体包装等领域，同时也可利用其易成型性，而用于体育防护用品及休闲用品的制作领域。

此外，XPE 还具有无毒、无味、耐药品性、耐油、耐酸、耐卤及其他各类化学药品的性能，并非常容易加工，可任意裁切，与多种材料贴合。

（2）XPE 材料的环保特性

XPE 产品被世界上先进国家称为无公害产品，产品生产过程中，不造成环境污染，产品在使用后，易于回收，焚烧时不造成严重大气污染。而且产品使用寿命较长，在长时间的使用过程中也不会对环境造成危害。所以，XPE 材料的开发利用以及其在包装领域的应用本身就是塑料在绿色包装中的应用。

3. XPE 材料在包装领域的应用前景

根据XPE 材料其优良的性能，其在包装领域也有很大的应用前景，例如利用其高弹性，高韧性，易于二次加工性，可以加工成各种形状，用于各种易碎材质物品的包装，比如用作陶瓷做的马桶、玻璃等的外包装。其高弹性和韧性可以使产品在运输的过程中得到缓冲，避免产品的损伤破碎。而其柔软的表面可以防止产品在运输过程中被磕破和刮伤。

还可利用其良好的保温隔热性能，用作低温或高温物品的包装。比如雪糕的包装运输，其良好的保温隔热性能可以延长雪糕的储存时间。还有需要保温的食物，都可以用XPE 材料做成箱式包装来短时间储存。

XPE 材料还可以用作手机、工具、高档水杯、化妆品、珠宝玉石等的需要内衬的商品的包装，而这些包装的共同点就是利用XPE 材料的易于二次加工的特性，可以将符合倍率要求的XPE 泡材，按商品的形状加工出凹槽，以此来固定商品达到防护的作用。还有各种食物，例如鸡蛋、水果等都可以用XPE 材料来进行包装。其都是利用材料易于加工且有高弹性、高韧性的特点，且无毒无害。

由此可以看出，XPE 材料在包装领域有很大的应用前景，因为其本身为环保材料无公害，易于回收。燃烧时不会造成环境污染。且其易于加工的性能就为其在包装领域的应用创造了条件。