轻量化自动灌装封口重包装膜配方优化与应用评价

2021-12-04蔡志强王素玉

合成树脂及塑料 2021年6期

蔡志强，王素玉

（1. 中国石油化工股份有限公司化工事业部，北京 100728；2. 北京燕山石化高科技术有限责任公司，北京 102500）

采用自动灌装封口（FFS）重包装膜袋用于合成树脂粒料产品包装于20世纪90年代初起步于欧美［1］，但在中国得到了快速发展，2015—2019年，我国FFS重包装膜市场规模从32亿元增长到60亿元，FFS重包装膜使用量接近200 kt。目前，国内用于合成树脂的包装袋75%以上以25 kg小包装为主，特别是新建装置设计全部采用FFS膜袋包装，包装速率通常达到1200～2000 袋/h。在市场竞争日趋严峻的形势下，从生产各环节实施节能降耗是当前的重要任务。其中，利用技术进步降低包装成本是企业可采取的有效措施之一。目前，全球范围FFS重包装膜袋厚度主流是0.120 mm，领先水平已达到0.100 mm，通过茂金属聚乙烯等高性能材料的开发与应用，辅以加工制膜技术，实现了减薄降塑。2017年开始，在中国石化系统内陆续实施合成树脂产品包装升级改造，但大部分的膜袋厚度是0.160 mm，部分企业采用的是0.180 mm。2019年，《合成树脂包装通则》将新膜袋的厚度标准由>0.180，0.180，0.170，0.160 mm，调整为0.160，0.140，0.120，0.100 mm，产品的力学性能指标保持不变，逐步向国际先进水平看齐，因此，在不降低产品力学性能的前提下，降低薄膜厚度，是未来FFS膜的发展方向。

目前，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司（简称燕山石化公司）合成树脂年产量近1000 kt，FFS膜年消耗量为3500～4000 t，膜厚度以0.160 mm为主，膜结构为通行的1∶2∶1结构，使用的原料主要有进口茂金属线型低密度聚乙烯（mLLDPE，以1-已烯或1-辛烯为共聚单体），低密度聚乙烯（LDPE），线型低密度聚乙烯（LLDPE，1-丁烯及1-己烯为共聚单体），高密度聚乙烯（HDPE）。

本工作所实施FFS膜配方优化的方案是使用中国石油化工股份有限公司天津分公司（简称天津石化公司）自主开发生产的高性能LLDPE PELF1815部分替代FFS膜生产中使用的mLLDPE，以实现FFS膜减薄到0.140 mm，以及进一步降低成本的目标。

1 实验部分

1.1 主要原料

LLDPE PE-LF1815，天津石化公司；mLLDPE，1-己烯为共聚单体，进口。

1.2 主要仪器与设备

MP600型熔体流动速率仪，美国TA仪器公司；Magna-IR型红外光谱仪，美国Nicolet公司；WATER GPCV2K型测定仪，美国Waters公司；DSC-6200型差热扫描仪，日本精工株式会社；5566型万能试验机，英国Instron公司；IM-702型埃尔门多夫撕裂仪，日本三洋公司；LE25-30C型五层共挤吹膜机组，瑞典LabTech公司；NO613型落镖冲击试验仪，CAPIROGRAPHIB型柱塞式毛细管流变仪：日本东洋精机株式会社；工业化吹膜设备为德国W&H公司的三层共挤吹膜机。

2 结果与讨论

FFS重包装膜袋只有满足了各项力学性能（如密封强度、拉伸强度、摩擦性能、抗刺穿性、填充物的热稳定性等）要求，才能确保产品在运输、存放阶段，外包装不会发生破损。合成树脂产品的包装，一般选用三层共挤膜。因为选用三层共挤膜，不仅使薄膜具备一定的强度，同时还能保障薄膜具有良好的热封性能及印刷着色性能。故利用不同的膜层满足不同的质量指标要求，从而达到满足整体质量指标要求。可根据用户的不同需求，在内、中、外三层选择不同的配方。如内层选择热封性好、密封性好的配方，中层选择强度高、挺括度高的配方，外层选择抗静电、黏性好、印刷着色性能好的配方。

2.1 产品指标的确定

FFS袋用吹塑薄膜的性能指标是根据产品的需求及物流仓储相关要求而制定的，包括拉伸断裂强度、屈服强度、断裂伸长率、落镖冲击强度、摩擦性能等。FFS袋用吹塑薄膜是新型的重包装膜产品，目前还没有统一的国家标准，具体指标可由用户和生产商根据运输和贮存环境协商制定［2］。根据国家对于行业标准的要求，行业标准与国际标准或国外先进标准等同等效。自20世纪80年代起，塑料及塑料制品领域就开展了采用ISO/IEC标准体系有关试验方法的标准转化工作。基于Q/SH 0571—2020《合成树脂包装通则》制定了合成树脂包装用0.140 mm厚FFS膜技术标准（见表1）。

表1 FFS膜技术标准（暂行）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-丁烯三元共聚产品，具有良好的光学性能、优异的抗穿刺性能和较强的抗撕裂强度，同时也具备优异的力学性能，适用于重包装袋、自立袋、农用膜、人造草坪等。PE-LF1815及参比产品性能指标数据对比见表2。从表2可以看出：PE-F1815的性能优于通用LLDPE和mLLDPE，成膜性能优于通用LLDPE，略低于mLLDPE，综合性能介于通用LLDPE和mLLDPE之间。

表2 PE-LF1815与参比产品性能指标对比Tab.2 Performance index of PE-LF1815 and reference product

在聚合物生产过程中，熔体强度是作为拉伸、牵引等操作的重要参数之一，材料的熔体强度将直接决定膜泡的稳定性。熔体强度低，则膜泡不稳定，易破裂；反之，膜泡稳定，不易破裂［3］。在温度为200 ℃的测试条件下，从图1可以看出：PE-LF1815熔体的拉伸强度和断裂拉伸应变均优于mLLDPE，对于提高加工过程中膜泡稳定性有利。

图1 试样的熔体强度Fig.1 Melt strength of different samples

2.3 配方的研究及筛选

（1）需要考虑的因素是包装产品的质量。在包装产品质量为25 kg（如合成树脂袋）时，薄膜厚度通常为0.160～0.190 mm。（2）储存中产生的载荷。基于码垛的储存方式，FFS袋需要承受本身包装产品质量20倍以上的力。由于负载很高，FFS袋必须要有足够的硬度以避免发生横向变形。特别是当储存温度超过30 ℃时，抑制变形会变得更加困难。这就要求在选择薄膜各层的原料时，必须要充分考虑储存中产生的载荷。（3）薄膜的抗撕裂强度非常重要，因为在储存和运输过程中包装袋有可能被刺穿和损坏，足够的抗撕裂扩展力可以减少撕裂的传递，从而避免漏包。（4）热封强度决定密封的质量，这对于保证FFS袋能够承受储存和搬运过程所受到的压力、冲击力极其重要。（5）FFS袋还必须具有足够的冲击强度，以能够承受包装袋从3 m或更高的储存地点跌落所产生的冲击力。（6）内、外表面摩擦因数的差异性是FFS袋必须具有的性质。袋子应该有较高的外表面摩擦因数以防止码垛以后打滑，而内表面摩擦因数则应该较低，这样有助于在填充或者包装过程中提高包装速率。摩擦因数的提高可通过压花或者加入添加剂对薄膜表面进行改性来获得，但必须注意压花必须在不降低薄膜力学性能或薄膜厚度的前提下实施。

2.4 配方优化方案及结果

热封性能是FFS重包装膜的重要性能之一。在确保热封性能的前提下，主要进行了印刷层和中间层的配方替代优化工作，添加剂用量为3%（w）。FFS膜优化配方见表3。

表3 FFS膜优化配方Tab.3 Formulation optimization of FFS films

从图2可以看出：随着PE-LF1815加入量的增加，拉伸强度、断裂标称应变、冲击破损质量均呈现下降的趋势。为确保产品质量满足需求，综合3层结构，配方3中PE-LF1815在优化配方中部分替代mLLDPE，LDPE和HDPE的使用比例可以达到30%，综合力学性能仍可达到使用要求。

图2 不同配方的拉伸强度、断裂标称应变及冲击破损质量曲线Fig.2 Tensile strength，tensile strain at break，and impact damage of product from different formulations

2.5 FFS膜的加工工艺

基于配方3，开展膜加工工艺条件的研究。原料配方和设备性能是决定FFS袋用吹塑薄膜产品质量的主要因素，对原料配方进行分析，LDPE，LLDPE，mLLDPE的质量、用量以及添加剂的加入量等对各项参数都有较为显著的影响。

以mLLDPE与LDPE共混物挤出吹塑薄膜时，挤出过程出现的主要问题是：LDPE提前熔融，mLLDPE熔融延后，混熔效果较差。因剪切对mLLDPE黏度的影响不敏感，使mLLDPE摩擦生热。主要表现在挤出机前部熔体实际温度明显高于机筒设定温度，导致机头口模处熔体温度过高，熔体强度过低，吹塑膜泡不稳定［4］。针对加工中出现的问题，采用挤出机各段按“较低-高-较低”的“马鞍形”加工温度曲线进行控制。从表4看出：挤出机第1段温度低，第2段和第3段温度明显升高，第4段温度明显降低。通过采取如此的加工温度曲线，不仅避免了在均化段摩擦生热，而且在控制温度较低的均化段转移多余热量后使熔体在适宜温度下进入机头口模，达到稳定吹膜的技术要求。

表4 挤出机及模头温度Tab.4 Temperature of extruder and die head

2.6 FFS膜的性能

影响FFS袋设计和力学性能的因素有：填充系统类型、被包装物质量、填充温度、物流仓储条件、封口类型等。基于配方3制成的FFS薄膜的性能完全满足包装的要求。从表5看出：B20200518与A20200911的FFS包装膜的纵向拉伸强度大于30 MPa，横向大于31 MPa；纵向断裂标称应变大于648%，横向大于740%；纵向拉伸屈服应力大于15 MPa，横向大于14 MPa；纵向裤型撕裂强度大于169 kN/m，横向大于242 kN/m，动摩擦因数为0.3～0.4，静摩擦因数为0.3～0.5，表面的冲击破损质量大于730 g，折边处大于610 g，薄膜的拉伸强度高、撕裂强度高，优于制定的FFS膜质量技术指标。

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

影响薄膜包装袋质量的核心是薄膜包装袋的热封强度。热封强度主要由内封层基材薄膜决定，同时也会受到热封工艺、复合薄膜材料结构以及层间复合强度的影响［5］。热封工艺有三大要素，即温度、压力及时间。其中，温度是最主要的因素，对热封强度的影响最直接，也是选择最佳黏流温度的主要依据。各种热封基材熔融温度的高低，直接决定了塑料复合包装材料的最低热封温度。

树脂自动化包装线，包装物自动填充和袋口封合几乎是同时进行，热封性能良好，因此，要确保封口具有一定的强度和密封性，能够承受一定的质量，才能保证商品在运输过程中外包装完整。从图3可以看出：不同批次的厚度为0.140 mm的FFS膜，随着热封温度的提高，薄膜的热封强度提高。在130 ℃的条件下，FFS膜的热封强度大于30 N/15 mm。135 ℃为非热封黏合点断裂，可满足25 kg合成树脂包装薄膜热封强度的要求。

图3 不同批次FFS薄膜的热封性能Fig.3 Heat sealing properties of different batches of FFS films

2.7 FFS膜的应用

在mLLDPE/LDPE共混研究的基础上，通过配方筛选及生产工艺优化完成了0.140 mm厚FFS袋用重包装膜的技术开发。所制FFS膜袋在燕山石化公司包装生产线应用，满足高速包装机连续运行要求。对FFS包装机开袋机口封、底封加热温控参数进行优化调整，在聚丙烯冷拉伸套膜包装产品和聚丙烯普通25 kg散包产品上进行了试用。加强摔包试验、抗跌落性能及码垛性能优异。对产品流向进行跟踪，确保包装出厂产品质量合格，经物流运输及用户应用检验，长途运输过程仍能保持良好垛型，无变型无破包，未发生用户反馈破损增加情况出现，实现了预期目标。

在合成树脂产品的包装中，将0.160 mm厚的FFS重包装膜优化减薄至0.140 mm，通过了在包装生产线的现场包装测试。在此减薄产品的优化方案中，既将原材料用量减少了12.5%，又起到了节能的作用，成功实现了降本增效的目标。