新型绿色包装薄膜材料产业化研究——聚苯乙烯专用扭结膜.pdf

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1、2 6 塑料包装 z o o g 第l 9 卷 第3 期 新型绿色包装薄膜材料产业化研究 聚苯乙烯专用扭结膜 陈文娜(广东华业包装材料有限公司)针对国际、国内市场需求，结合国内现有 薄膜包装材料生产技术水平，我公司开发研究“新型绿色聚苯乙烯专用扭结膜”的工艺配方 及生产技术，实现并优化行业的产业结构。项 目产品综合性能达到或超过国际同类产 品的指 标，其技术水平属国内领先，国际先进。项 目 为我国塑料包装材料的环保要求提供保障，为 公司的技术水平、经济效益及总体实力提高了 档次。随着世界经济的发展，世界塑料制品的生 产呈稳定增长之势，塑料制品的应用领域不断 拓展，塑料包装材料发展迅速，产量已超

2、过纸 板和金属材料制品，塑料包装作为新兴产业在 生活和生产 中已经愈来愈显示重要作用。包装 材料行业的发展水平随商品包装要求的提高而 提高，由于近年来我国国民经济的迅速发展、人们生活水平的提高以及生活质量的改善，社 会需求量的增长以及出口商品的扩大，故对国 内塑料包装材料从质量到数量都提出了新的要 求，尤其是 目前全球传统呼应的“绿化”要 求。为使我国的传统包装业顺应全球包装工业“绿化”的要求，坚定不移地发展绿色包装产 业才是最明智的选择，研究开发一种具备无 毒、无味、高透明度且力学性能优良，无回弹 性，综合性能好的绿色新型专用扭结膜，并实 现产业规模化。我国 目前大量使用聚氯乙烯(P VC)

3、扭 结膜、聚酯(P E T)扭结膜和玻璃纸应用于糖 果包装。P V C 扭结膜具有 良好的化学稳定性，不易被酸碱侵蚀，但对光、热、紫外线等不稳 定，耐热温度低，若加热温度高易放出氯化氢 和析出增塑剂，影响内装物质的质量。另外，P V C 材料难以回收再利用，在焚烧时无法转换 成能源。作为垃圾 以填埋方式处理时，会对地 下水及土壤产生污染，而 以焚烧方式处理时，则会产生一种二恶英的致癌物对环境和人体造 成不利影响，严重不符合环保要求。因此，该 材料用作包装材料受到强烈的批评。欧洲较长 时间以来在糖果、饼干和巧克力托盘包装中，以P V C 片材 占统治地位。但近年来，由于西欧 许多国家对P V C

4、 包装材料纷纷立法进行限用、禁用或课以商税，如德国已开始禁用多种P V C 包装材料，荷兰、丹麦等国也实施了禁用或限 用P V C 包装材料的法规，在环境保护主义者的 压力下，西欧食 品包装材料市场也正在发生变 化，许多糖果、饼干和巧克力生产公司正热衷 于选用能适应环境保护要求的包装材料；另一 方面欧洲许多国家大型超市和自动销货商店正 在迅速增加，对符合卫生及适应环境要求的可 视透明包装材料的需求也不断增长；加之快餐 市场规模 日益扩大，进一步促进了B O P S 片材 的发展。玻璃纸本身虽然没有毒性，但其生产 2 0 0 9 第1 9 卷 第3 期 塑料包装 27 过程和造纸一样会对环境造成

5、极大影响且价格 极高。P E T 扭结膜在环保角度上优于P V C 扭结 膜和玻璃纸，但其密度大，成本高，扭结性能 较差。根据 目前国内、国际塑料包装市场的需 求增长速度可以预见，“绿色革命”必将是新 世纪全球包装工业运行的主题，也是新世纪包 装业发展的显著特征。我国是糖果生产和出口 大国，而欧盟等国家禁止P V C 包装 的相关产品 进入，采用环保的包装材料势必成为我国糖果 等相关产品进入国际市场的重要前提要求。因 此，开发 一种符合环保要求，可用于食 品、糖果、鲜花和新鲜蔬菜 的扭结包装材料，避 免P V C 材料废弃物焚烧处理时对大气造成的污 染，替代 以往不理想的扭结包装材料“新 型绿

6、色聚苯乙烯专用扭结膜”势在必行。新型绿色专用扭结膜以无增塑聚苯乙烯共 聚物为基材，立足于双向拉伸聚苯乙烯薄膜专 用生产线，开展新型绿色包装材料双向拉伸聚 苯乙烯扭结膜的产业化开发。不但填补该项 目 的国内空白，在很大程度上替代进口产品及不 合格扭结材料，产生可观的经济效益，为国家 节约大量外汇，同时对国内塑料包装材料的发 展起着积极推动作用。困此，开发该项 目具有 重要的社会经济意义。国外相关产 品有P E T 扭结膜，玻璃 纸、P V C 扭结膜及P s 扭结膜，生产厂家极少，最著 名的公司如“美国陶氏化学”，其产品主导了 国外扭结膜市场；但该公司的生产技术以吹膜 法为主，与双向拉伸生产技术

7、比较，产能低，成本高，产品性能较差。国内外扭结膜市场需 求增长速度非常快，而 目前我国投资于新型绿 色包装的塑料薄膜厂家非常少。双向拉伸聚苯 乙烯(B O P S)薄膜系列包装产品是近年来发 展起来的一种新型、高档、绿色环保软包装材 料。因其优异的包装性能和环保特征，在糖果 扭结膜、收缩标签膜及信封窗 口膜等方面得到 日益增长的应用。国外先进国家如欧美、日本 已有批量产品投放市场，但生产技术和原材料 多年来一直垄断于国外少数几家公司。我国经济发展迅速，加入WT O 后，塑料 包装材料社会需求量的增长以及出口商品的扩 大，对国内塑料包装材料从数量到质量都提出 了新的要求。据悉，我国每年 出口产品

8、包装 中 使用P V C 硬片量已经达到一万吨以上，但 已面 临着被禁止出口包装的威胁。世界塑料权威人 士指出：“世界范围内禁止P V C 的趋势正确无 误，现有P V C 食品包装材料前途黯然。”我国 政府已在保护臭氧层维护人类生存环境的协议 上签了字，因此开发和推广应用B O P S 等易回收 无毒的包装材料，是适应国内外维护环境保护 潮流的需要，以B O P S 等新一代包装材料取代 P V C 是势在必行的。塑料包装至 今仍 是塑料应用 中的最大领 域，其发展速度超过了其它包装材料，包装材 料行业的发展水平主要取决于 国民经济的发 展，人们生活水平的提高、生活质量改善程度 的发展，总的

9、趋势是随着商品总量的增长而增 长，随商品包装要求的提高而提高。产 品包装 是其转化为商品的必要技术手段，没有适当的 包装 材料就不 可能对产 品进 行合适 的包装。以 日本和美 国为例，日本各种包装材料年均 增长率分别是：纸张4 7，金属4 9，玻璃 3 3，而塑料为7 1；美国各种材料增长率玻 璃为0 9，纸张为 2 2，塑料为 6 4；我国 近几年塑料包装材料总产量约占包装材料总产 量的1 3，居各种包装材料之首。广东省是 国 内塑料工业最发达 的地区，也是全国最大的改 性塑料生产基地之一，2 0 0 4 年广东省生产销售 的改性塑料大约8 O 万吨，其中用于塑料包装的 占了很大的一部分。

10、“环保型双向拉伸聚苯乙 2 8 塑料包装 2 0 0 9 第1 9 卷 第3 期 烯(B O P S)扭结膜”项 目属于改性塑料行列 之一。在欧美的一些发达国家已经禁止P V C 薄 膜，取而代之的是P E T G 或双向拉伸聚苯乙烯(B O P S)薄膜。我国虽然还没有明文禁止P V C 包装薄膜的使 用，但 随着环保要求 的 日益提 高，大力开发替代P V C 包装薄膜的新型绿色产 品是环保问题的根本出路。国外在上世纪五十 年代就开始将B O P S 膜用于食品包装。目前，B O P S 又有了许多其他 的用途，包括装饰标签 和防干扰包装。1 9 7 5 年，世界范围B O P S 薄膜

11、总产量达到每年l 6 万吨。接下来十年产量增长 2 5，达到年产2 0 万吨。尽管亚太市场没达到 预计增长的水平，但北美市场保持强劲的增长 势头，欧洲的B O P S 薄膜市场也在增长；有关公 司预测，世界B O P S 薄膜市场将以每年1 4 的速 度持续增长。我省对外贸易很发达，增长很快，而且国 外对产品的包装质量要求很高。由于聚苯乙烯 扭结膜有许多独特的优点，特别是符合欧美等 发达地区对进 口商品的包装无毒要求，在出口 商品的包装方面有相当大的市场。开展新型绿 色聚苯乙烯专用扭结膜的产业化研究，不仅对 我国大力提倡绿色消费、控制塑料废弃物的污 染具有重要意义，同时对于增强我国产品的出 口

12、能力、克服环保壁垒有着重要的市场意义，具有巨大的市场前景。聚苯乙烯本身无味无毒、回收工艺简单，属于环保产 品，是取代国 内 目前广泛使用 的 P V C 扭结膜及P E T 扭结膜的首选材料。聚苯乙 烯在环保方面有两个优势：一是对使用过的制 品可以回收循环使用；二是在 回收或处理焚烧 过程中不产生任何对人体健康的有害物质。双 向拉伸聚苯乙烯的生产技术和原材料多年来一 直垄断于国外少数几家公司，国内目前尚无其 他厂家生产此类产品，我国是食品饮料、糖果 的生产和出口大国，采用环保的包装材料势必 成为我国相关产品进入国际市场的重要前提和 要求。新型绿色聚苯乙烯专用扭结膜及系列产 品的产业化开发成功，

13、填补该技术在国内的空 白，以产顶进，并且促进印刷等下游产业的发 展。结合 国内薄膜包装材料现有技术 力量，“新型绿色聚苯乙烯专用扭结膜”项 目开发的 主要内容着重有以下几个方面：1、新型绿色聚苯乙烯扭结膜专用料 的配方以及工艺设计 聚苯 乙烯扭结膜用 的原料通过挤出机挤 出、双向拉伸、冷却定型、卷取等工序而得薄 膜制品。由于双 向拉伸工艺可 以使P S 分开取 向，因此其强度较高。目前国外发达国家，如 美国、加拿大、日本等的用量已占所有薄膜类 的6 0 以上。由于配方难掌握、生产工艺难调 整及原材料供应紧张等原因，至今国内尚未有 此类产 品批量投产的报道。本项 目立足于主要 原料国产化以及专用

14、料高性能化，在新型绿色 聚苯乙烯扭结膜专用料方面的研发主要包括以 下内容：新型绿色聚苯乙烯原料选择如下：P s 母料：采用薄膜级高抗冲聚苯乙烯(P S)透明颗粒，要求MF R 在1 22 5 g1 0 mi n _ 间，维卡软化点在1 0 5 o C 左右。一 增韧剂：P S 其质硬且脆，为改善其脆 性和P S 的热成型性能，需加入一定量的增韧 剂。回收料：回收料是将分切P s 大母卷时 得到的边料，经粉碎、造粒，制成清洁的P s 颗 粒。加入一定量的回收料，既可以降低成本，又不影响片材质量。一其它助剂：为了改善扭结膜 的某些性 2 0 0 9 第1 9 卷 第3 期 塑料包装 29 能，还根

15、据不同需要添加一定量的其它助剂，如：改性剂、抗 粘连剂、抗 静 电剂、润滑剂 等。2、新型绿色聚苯 乙烯扭结膜生产工 艺的调试 生产质 量优 良的新型绿 色聚苯乙烯扭结 膜，需要根据生产材料的物理和化学特性 以及 生产工艺的特点制定最佳的加工工艺参数，不 同的原料或者不同的生产设备，所需的加工工 艺也会有很大的差别，对国外的生产过程和生 产工艺，绝不能照搬照抄。新型绿色聚苯乙烯 扭结膜生产过程 中，融熔体处于高聚物的高弹 态、拉伸形成薄膜时，薄膜受外力作用发生强 迫形变，即分子沿作用力方向产生定向排列，此时将薄膜骤冷到玻璃化温度以下，分子取向 被“冻结”，当薄膜 重新加热到拉伸 时的温 度，就

16、会产生应力松弛，也就是已取 向的分子 发生解取向，使薄膜收缩，取向程度大则收缩 率大，取向程度小则收缩率小，其最终产品具 有拉伸强度高、弹性模量大、雾度小、光泽度 高及收缩率大等优点。新型绿色聚苯乙烯扭结膜的主要工艺过程 中，要先将9 5 9 7 的透 明高抗冲聚苯乙烯树 脂与一定量的增韧剂充分搅拌，混和；将混和 物送至平行同向三螺杆抽真空排气的挤出机上 经塑化熔融挤出；通过齿轮泵的精确计量和过 滤后，送入T 型模头挤出，经急冷铸成厚片，同时进行第一次测厚；厚片在纵拉机上进行预 热，拉伸和定型。将上述薄膜在横拉伸机上进 行预热，拉伸、定型和冷却。同时进行第二次 测厚；切除两边厚片，对薄膜进行电

17、晕处理，然后收卷；母卷在经时效处理后分切成所需规 格的产品并包装出厂。详细的生产工艺流程可以分为以下几个方 面：原材料 及助剂、添加 剂 的计 量、混 合和输 送：通过加料系统旋转计量阀，按一定比例将 粒料、增韧剂和其它助剂从储仓输送至料斗，同时，将一定比例的回收边 角废料经计量后输 送，与其它原料混合后，送往挤出机。料槽下 部各装有可以计量的星形加料器，调整加料器 的转数可以控制各组分的放料配比，并分别将 四组分配料放入底部的接料总输送管道，在压 缩空气的作用下，使 各组分在悬浮状 态下通 过输送管道进行混合，然后加入到 中间混合贮 槽，并定量的加入到挤 出机的料斗中。本工序 物料 的输送主

18、要用气流输送和螺旋输送机，关 键的控制是物料计量及混合均匀。挤出、造片：主料及助剂、增韧剂的混合 物进入挤 出机前，先经过金属分离器，将物 料中夹带的金属屑(或颗粒)分离 出来，然后 进入动态三螺杆混炼挤 出机，在螺杆高速旋转 下，受热熔融并被均匀的输送。熔料之 中低分 子分解气体通过挤出机的排气孔，被抽吸入冷 凝系统而使低分子物质冷凝下来。物料挤出之 前要经过过滤，滤去塑化不良材料以及杂质，保证熔融物料的高度纯洁。物料在口模 中通过 模唇 的定型面挤 出而成为厚度均 匀的熔料片 坯，再经过高度光洁的冷却辊急冷膜片以达到 规定的温度，使之冷却定型，膜片厚度可 由模 头调节确定。本工序要控制好挤

19、出时的温度及 冷却辊的温度，保证膜片厚度的均匀性并节约 能源。拉伸成膜：前述步骤得到的膜片经预热辊 使之加热到工艺要求 的一 定温 度，由横 向拉 伸机作横向拉伸，直至达到所需的膜宽和拉伸 到一定的倍率，然后进行冷却定型。在横向拉 伸的过程中，拉伸温度和冷却定型温度都很重 要，使温度在生产过程 中保持平稳，避免突 30 塑料包装 2 0 0 9 第l 9 卷 第3 期 变，既利于提高产品质 量，又有利于节约能 源。纵拉和横拉是工艺技术 的关键，模 片温 度的控制直接影响到拉伸的稳定性和片材的质 量。纵拉要经多道辊预热，使厚片温度大于弹 性态极限温度1 3 5 oC 为宜，利用快一漫辊速差 一次

20、拉伸成型，再经冷却定型辊牵 引入横拉。横拉包括预热拉伸定型三个过程，利 用可调轨道 由链夹牵引膜 片完成横 向拉伸。纵、横向拉伸过程使聚合物分子链在这两个方 向拉长、定向，获得较好的机械特性。本工序 要控制横 向拉伸后的膜的厚度，经在线测厚仪 测定不合格的，作为废品处理。后处理：经过拉 伸和厚 度检测合格的薄 膜，先用切边机将其两边剪齐，然后用 电晕 机进行处理，以增加 印刷油墨 的附着力和摩 擦力。经电晕处理后的薄膜在收卷机上收卷成 捆，然后放置一段时间，进行时效处理，使产 品的性能趋向稳定。经后处理后的双向拉伸聚苯乙烯(B O P S)薄膜，按照用户的要求分切为各种规格，然后 进行包装，即

21、得到双向拉伸聚苯乙烯(B O P S)扭结膜成品。整条新型绿色聚苯乙烯扭结膜生产线具有 一系列的生产设备，包括主要生产设备以及相 关的附属设备，如工艺供料系统、时效处理系 统、回收造粒 以及公用工程系统等。有关设备 的规格与数量，详见下附的主要设备一览表：序号 设备名称 数量 l 原料输送系统 1 套 2 挤出机系统 3 套 3 急冷系统 l 套 4 横拉机 l 套 5 牵引系统 l 套 6 电晕系统 l 套 7 薄膜测厚系统 l 套 8 收卷机 l 台 9 边料粉碎回收系统 l 套 1 0 电气系统 l 套 1 l 计算机过程控制系统 l 套 1 2 全自动分切机 l 台 1 3 质量检测仪

22、器 l 套 1 4 时效处理架 l 套 3、拟采用的方法、技术路线及工艺 流程 根据项 目研究开发 的 内容，针对该项 目 新型绿色聚苯乙烯扭结膜的生产设备的技术难 点，基于现有工作经验，借鉴国外先进生产设 备的优点和发展趋势，制定了如下主要技术路 线：利 用 现 有技 术 力 量(收集 先 进 经验 和 先进技术)建议专业队伍(设计系统实 施 方 案)了解 分 析 市场 需 求(结 合 实 践经验)优化过程(重点类产品性 能方 面)小试推广进一步优化产品定 型。生产新型绿色聚苯乙烯扭结膜的原料通 过挤出机挤 出、双向拉伸、冷却定型、卷取等 工序而得。由于双 向拉伸工艺可 以使P S 分开 取

23、向，因此其强度较高。目前发达国家，如美 国、加拿大、日 本等的用量已占所有薄膜类的 z o o 9 第l 9 卷 第3 期 塑料包装 3 1 5 5 以上。由于配方难掌握、生产工艺难调整 及原材料供应紧张等原因，至今国内尚未有此 类产品批量投产的报道。生产质量优良的B O P S 扭结膜，需要根据生产材料的物理和化学特性 以及生产工 艺的特点制定最佳 的加工工艺参 数，不同的原料或者不同的生产设备，所需的 加工工艺也会有很大的差别。该扭结膜的主要 生产工艺流程如下图所示：生 产 工 艺 流 程 原 料(添加 辅 助 材 料)搅拌、混和挤出机 计量+过 滤铸 片、急冷纵 向拉 伸、定型(首 次测

24、 厚)横 向拉 伸、定型(第 二 次 测 厚)切边收卷 时效处理 分 切、包装出厂。聚苯乙烯本身无毒、无味、耐水、耐化学 药品性能好，易于加工成型，电性能好，比起 传统使用的聚乙烯和聚氯乙烯薄膜等，具有强 度高、刚度大、无毒、易着色、有 良好的光泽 度和透明度，在商品包装 中的应用 日益扩大。本项 目针对我国制造技术的特点以及我国 目前 原材料的生产技术现状，提出新型绿色聚苯乙 烯扭结膜国产化的技术思路。通过在消化吸收 国际B O P S 生产技术先进性的基础上，又充分 考虑我国制造生产线的技术水平，依靠我们公 司的生产技术优势，突破国外对我国的技术封 锁，成功研制我国具有 自主知识产权的新型

25、绿 色聚苯乙烯扭结膜的生产技术装备以及主要原 材料的国产化。(1)生产线的操作与控制全部 由P L C 控 制，提高生产过程的稳定性和产品质量控制的 精确性。对挤 出机传动装置实行速度控制和压 力控制，保证挤出机和冷鼓之间有极高的传动 精度，从而确保薄膜纵 向公差的均匀性，纵向 拉伸采用小间隙单点拉伸，拉伸倍数任意可 调。(2)横 向拉伸过程 中，拉 伸温度和冷却 定型温度均由计算机控制，要求稳定可靠，误 差在正负1 度之间，采用在线测厚仪检验横向拉 伸后膜的厚度，可实时调整工艺以达到制品要 求。(3)采用具有 自主知识产权 的同向平行 三螺杆挤出机系统，将振动力场引入熔融塑化 混炼挤出全过程

26、，在 中间螺杆作轴向振动下，通过调节振动强度，使 中间螺杆和副螺杆间的 轴向齿间啮合间隙周期性变化，对物料产生强 制的挤压研磨作用，实现在较小的螺杆长径比 的条件下，达到双螺杆要在比较大的长径比条 件下，才能达到的混炼混合的目的。(4)主要生产用原料聚苯 乙烯采用国产 化材料，添加适量独特助剂，改进工艺配方和 技术，克服了现有原材料的各种不足，提供了 一种能进行大规模工业化生产，且产品质量如 抗拉强度、断裂伸长率、光泽度、雾度等技术 指标均有明显提高的产 品配方及其生产方法，满足生产工艺的要求，制成性能优异的新型绿 色聚苯乙烯扭结膜。(5)生产过程 中不添加任何对人体有害 的加工助剂，扭结膜制品的有害物质残 留量满 足国内外食品、药品使用要求，对人体无毒害 作用，边角料可以回收利用，且回收焚烧无公 害，在使用过程中不会产生有害物质，符合绿 色、环保的要求。产品具备无毒、无味、高透 明度且力学性能优良，综合性能好，并实现产 业化。(6)产品的综合性能指标达到国际同 类产品指标，纵 向拉伸强度3 5 Mp a；横向 拉伸强度5 0 Mp a；纵向和横向弹性模量都 1 8 0 0 Mp a；雾度3；光泽度高于1 1 0；润 湿张力 I4 0 N m m，其技术水平处于国内领先、国际先进。