聚乳酸挤出淋膜纸关键技术

梁艳艳 林海泉 许锦才 黄伟伦

（江门市辉隆塑料机械有限公司，广东江门）

1. 引言

纸质包装以其塑料用量少、价廉、挺度高、印刷普适性好等特点，在包装行业占据一席之地。然而，纸的耐水性差，纯纸包装不适宜用于含水的包装。为了提升纸质包装的使用性能，通常在纸表面涂覆一层或正反两层的塑料膜，构建纸塑复合材料，也称淋膜纸[1]。淋膜纸可以应用于纸杯、方便面碗、咖啡杯、纸袋等，如图1所示。这些制品通常在一次使用后即被丢弃，大大加重了环境的负担。基于此，学术界和产业界均提出采用可完全生物降解的塑料代替聚乙烯作为涂覆材料用于一次性淋膜纸制品的生产，以期制得的淋膜纸制品能够在环境中被微生物分解吸收，转化为二氧化碳和水，不污染环境。不仅如此，各国各地区政府也基于此出台了一系列的指令法规，纷纷选择了源头治理的办法，也即禁止生产销售一次性不可降解塑料袋、膜、纸塑复合袋等。2019年6月12日，欧盟官方杂志发表了欧洲议会和理事会关于减少某些塑料产品对环境影响的（EU）2019/904号指令[2]。该指令通过禁止某些一次性塑料、增加塑料包装的收集目标、延长生产者责任计划以及改变装饮料容器的设计要求等措施来影响塑料食品接触材料和制品。加拿大制定了“最早在2021年禁止有害的一次性塑料，并采取其他措施减少塑料废弃物”的行动计划[3]。2019年7月23日，海南省生态环境厅向全社会公开征求关于《海南省禁止生产销售使用一次性不可降解塑料制品名录（第一批）》的意见[4]。其中，禁止生产销售使用的产品类型包含了一次性非生物降解塑料制品的膜、袋类，包括购物袋、纸塑复合袋、塑料袋、盒（含盖）、碗（含盖）、碟、盘、饮料杯（含盖）、勺、叉、刀、吸管、饮料搅拌棒等。同日，吉林省发改委也发布关于《吉林省禁止生产销售和提供一次性不可降解塑料袋、塑料餐具规定（2019年版，征求意见稿）》公开征求意见的公告。这些意见和法规标志着已经由法律法规来推进可降解制品的生产和销售，大大促进了一次性可降解制品行业的发展。

图1 PLA淋膜纸杯片照片

2. PLA淋膜材料及生产线现状

可生物降解塑料是指聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物（PBAT）、聚己内酯（PCL）等[5]。PLA可从糖类发酵获取乳酸作为聚合原料，并且其在堆肥条件下又可转化为乳酸进一步被吸收分解为水和二氧化碳，是完全生物基塑料和可生物降解塑料，也是目前应用最广泛、最成功的可生物降解塑料[6]。PBS也可以做到完全生物基来源，但其降解速率太快，致使商品货架期太短，限制了应用范围[7]。PBAT的原料一部分来源于石油，且其质地柔软，多用于共混改性[8]。

PLA原料的生产以国外为主。美国的Nature Works长期占据聚乳酸行业半数以上市场，年产量为15万吨。道达尔和科碧恩成立合资公司Total Corbion，于2017年在泰国投建万吨级聚乳酸工厂，2018年12月正式投产，年产量为7.5万吨。浙江海正于2015年扩建1万吨聚乳酸，现年产量为1.5万吨。另外，Total Corbion的另一条7.5万吨/年的产线已于近日开车生产。近三年，可生物降解材料市场异常火爆，出现了严重的供不应求现象，价格大幅提升。基于未来的发展趋势，很多企业纷纷上马了可降解材料生产设备，期望未来可以解决可生物降解材料短缺的问题[9]。

目前，我国约有300台纸塑复合机在生产一次性不可降解纸塑复合制品，包括纸杯、纸碗和纸袋等。按其生产速度200 m/min，则月产量约15万吨。生产一次性可降解纸塑复合制品的淋膜机约为20台，月产量为2700吨。也就是说，目前聚乙烯淋膜纸的年产量约为可降解淋膜纸的55倍。随着环保政策的逐步推进，可降解淋膜纸有广阔的发展空间。

3. 可生物降解淋膜生产线配置

可生物降解材料淋膜生产线主要由放卷装置、烘箱、电晕装置、复合装置、挤出机、干燥机、收卷装置及中央处理器组成，如图2所示。

图2 PLA淋膜生产线

放卷装置将基材放卷，需具备几个条件：适当的张力以实现平整、稳定的放卷；新基材卷切换时，接卷容易、损耗低；基材在一定的位置上；上卷容易。目前，PLA淋膜生产线通常配置一个放卷装置。为实现换卷快速、损耗低，可采用自动接纸机作为放卷装置。自动接纸机可以将单次接纸的损耗由手动接纸时的10 m降至10 cm以下或零纸尾，使每卷纸用至纸芯，避免大量残卷浪费，断纸现象也有效减少。机器内部的张力控制系统通过控制纸架上的刹车控制张力，气控系统监控张力对原纸的作用，保护原纸在运行中不会断裂，减少停机次数，保证纸板的品质。自动接纸机还可在生产线正常运行速度时接纸，而不必像手动接纸一样必须停机或者降至很低的车速。

PLA淋膜机的烘箱主要是为了消除纸基材内的水分，避免水分降低淋膜后PLA/纸的粘合强度。如图2中所示的PLA淋膜生产线配置了红外烘箱。红外烘箱采用电热丝加热的碳化硅远红外辐射板，使其产生一定波长的远红外线，当被加热物体吸收时，可以直接转变为热能，从而达到快速干燥的目的。被干燥对象的远红外吸收峰越接近辐射原件的远红外辐射峰时，干燥效果越好。特别适合干燥各种吸收峰在远红外波段范围内的水、水蒸气等，以及绝大多数的有机物和高分子物质。烘干效率高，适合于纸张烘干。

电晕装置对基材膜进行极化处理，一方面使薄膜表面产生一些含氧基团，增加表面张力，利于挤出树脂或底涂剂的铺展；另一方面，可以除去基材膜表面的部分杂质[10]。电晕机处理材料的原理是利用高频高电压在处理过的基材表面进行电晕放电（高频交流电压高达5000-15000V/m2），产生低温等离子体，使基材表面产生自由基。同时，可以提高材料表面粗糙度，利于挤出熔体的渗透以及PLA分子链与纸纤维之间缠结形成机械互锁力。

挤出机作为淋膜生产线的核心部件，塑料在挤出机内的塑化情况、T型模头流出熔体的均匀性等将直接决定着淋膜制品的优劣[11]。聚乳酸的熔点约为157℃，分解温度约为230℃，熔融温度范围相对较窄[12]。故PLA淋膜生产线需要专用挤出机，一方面保证PLA熔融塑化，另一方面避免PLA高温分解。PLA的熔体强度低，颈缩大，因此还需对其匹配合适的模头流道结构。为了稳定挤出，PLA淋膜生产线通常还配备了熔体计量泵。熔体计量泵能有效的降低挤出机参数引起的物料输出不稳定及压力脉动，由原来的螺杆向模头建压，改为熔体泵向模头建压。螺杆可以高速高效的挤出，且挤出机背压可以调节，减少了熔体在螺筒内的驻留时间，稳定了塑化过程，降低了熔融温度，提高了产品的产量和质量。

复合装置的主要作用是把熔融的树脂膜均匀平整地压合在基材膜上，主要由冷却辊、橡胶压力辊、支撑辊、修边装置等组成。挤出机T型模头挤出的片状树脂熔体引入到橡胶辊和冷却辊之间，经展平辊展平的基材薄膜也进入橡胶压力辊和冷却辊之间，片状树脂熔体与基材薄膜在压力作用下实现复合。特别地，冷却辊的冷却效果与表面状态能够影响复合膜的透明性及表面粗糙度等。对于PLA淋膜来说，由于PLA膜较硬，冷却辊有时采用温水辊，以提高PLA熔体和纸之间的粘合强度。

干燥器的作用是对PLA料进行干燥，避免水分对挤出过程和后续产品质量的影响。PLA无论是改性，还是成型加工，在其使用前都必须干燥处理，否则水分会促使PLA分解，进而影响加工过程。一般建议干燥至水分含量在400 PPM，也即将PLA除湿干燥器内45-80℃加热6～12小时。需要注意的是，PLA在干燥器内的温度控制，时常会有干燥后含水不均、材料粘结、甚至无法下料等现象发生。

收卷装置是将经复合后的复合膜片收紧卷取的装置，通常要求松紧度适中、无褶皱、纸管安装和下卷方便。PLA淋膜生产线通常采用双工位摩擦收卷机，具备双向自动切换轴和收卷功能。主要由收卷主动辊、双向飞刀换卷机构、飞刀动力传动机构、幅状材料驱动机构和换卷压辊机构组成。可以实现在线自动完成切换轴和收卷的工作，且能有效地解决新轴卷芯起皱的问题[13]。

中央处理器是整个挤出复合机的中控系统，能够设置和修改挤出机各段的温度、背压力、螺杆转速、整机的机械速度和收放卷张力等，便于操作。

4. PLA淋膜实例

可生物降解材料PLA淋膜示意图见图3。

如图3所示，PLA淋膜工艺过程为纸基材放卷-烘箱预热-电晕处理-复合-收卷。挤出机挤出经烘箱干燥后的PLA。

实例1：

采用江门市辉隆塑料机械有限公司的PLA专用淋膜机EXCA1450/90/200/S进行淋膜实验，过程和结果如表1所示。

图3 可生物降解材料PLA淋膜示意图

表1 Ingeo2003D淋膜实验

表2 LX175淋膜实验

实例2：

采用江门市辉隆塑料机械有限公司的PLA专用淋膜机EXCA1450/90/200/S进行淋膜实验，过程和结果如表2所示。

从上面的实例1和实例2可以看到，PLA淋膜纸在横向的克重差别较大，也即淋膜厚度难以控制。出现这种现象的原因在于PLA的熔体强度低[14]，难以进行均匀拉伸。

另外，纯PLA与纸张的粘合强度差，难与聚乙烯进行对比，通常在淋膜28 gsm时才能够撕下纸纤维（纸毛）。基于此，不仅仅淋膜机要进步，淋膜材料的性能，加工性能和使用性能均需进一步的提升。

5. 结束语

PLA淋膜纸制品能够有效代替PE淋膜纸制品，符合国家保护环境的基本国策。但这个行业尚未准备完全，原材料的供应、淋膜料的供应、高速淋膜设备的供应等均未能完备，还需产业链上下游共同努力。可喜的是，已有几家大厂上马了生产可降解材料的设备，但这还远远不够。如何提高淋膜速度、降低淋膜厚度、提高粘结强度仍是PLA淋膜纸行业面临的问题。只有解决了这些问题，PLA淋膜纸制品才能真正的走入大众的生活之中。