蔡志強(qiáng)，王素玉

（1. 中國(guó)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(zé)任公司，北京 102500）

采用自動(dòng)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(jì)90年代初起步于歐美［1］，但在中國(guó)得到了快速發(fā)展，2015—2019年，我國(guó)FFS重包裝膜市場(chǎng)規(guī)模從32億元增長(zhǎng)到60億元，F(xiàn)FS重包裝膜使用量接近200 kt。目前，國(guó)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(shè)計(jì)全部采用FFS膜袋包裝，包裝速率通常達(dá)到1200～2000 袋/h。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨嚴(yán)峻的形勢(shì)下，從生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實(shí)施節(jié)能降耗是當(dāng)前的重要任務(wù)。其中，利用技術(shù)進(jìn)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(lǐng)先水平已達(dá)到0.100 mm，通過茂金屬聚乙烯等高性能材料的開發(fā)與應(yīng)用，輔以加工制膜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了減薄降塑。2017年開始，在中國(guó)石化系統(tǒng)內(nèi)陸續(xù)實(shí)施合成樹脂產(chǎn)品包裝升級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能指標(biāo)保持不變，逐步向國(guó)際先進(jìn)水平看齊，因此，在不降低產(chǎn)品力學(xué)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(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司（簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)施FFS膜配方優(yōu)化的方案是使用中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司（簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)FFS膜減薄到0.140 mm，以及進(jìn)一步降低成本的目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)口。

1.2 主要儀器與設(shè)備

MP600型熔體流動(dòng)速率儀，美國(guó)TA儀器公司；Magna-IR型紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司；WATER GPCV2K型測(cè)定儀，美國(guó)Waters公司；DSC-6200型差熱掃描儀，日本精工株式會(huì)社；5566型萬能試驗(yàn)機(jī)，英國(guó)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(jī)組，瑞典LabTech公司；NO613型落鏢沖擊試驗(yàn)儀，CAPIROGRAPHIB型柱塞式毛細(xì)管流變儀：日本東洋精機(jī)株式會(huì)社；工業(yè)化吹膜設(shè)備為德國(guó)W&H公司的三層共擠吹膜機(jī)。

2 結(jié)果與討論

FFS重包裝膜袋只有滿足了各項(xiàng)力學(xué)性能（如密封強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)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(yùn)輸、存放階段，外包裝不會(huì)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?yàn)檫x用三層共擠膜，不僅使薄膜具備一定的強(qiáng)度，同時(shí)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(biāo)要求，從而達(dá)到滿足整體質(zhì)量指標(biāo)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(qiáng)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(biāo)的確定

FFS袋用吹塑薄膜的性能指標(biāo)是根據(jù)產(chǎn)品的需求及物流倉儲(chǔ)相關(guān)要求而制定的，包括拉伸斷裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、落鏢沖擊強(qiáng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)可由用戶和生產(chǎn)商根據(jù)運(yùn)輸和貯存環(huán)境協(xié)商制定［2］。根據(jù)國(guó)家對(duì)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)等同等效。自20世紀(jì)80年代起，塑料及塑料制品領(lǐng)域就開展了采用ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)體系有關(guān)試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化工作?；赒/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(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 FFS膜技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（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(xué)性能、優(yōu)異的抗穿刺性能和較強(qiáng)的抗撕裂強(qiáng)度，同時(shí)也具備優(yōu)異的力學(xué)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(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)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(biāo)對(duì)比Tab.2 Performance index of PE-LF1815 and reference product

在聚合物生產(chǎn)過程中，熔體強(qiáng)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(qiáng)度將直接決定膜泡的穩(wěn)定性。熔體強(qiáng)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(cè)試條件下，從圖1可以看出：PE-LF1815熔體的拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變均優(yōu)于mLLDPE，對(duì)于提高加工過程中膜泡穩(wěn)定性有利。

圖1 試樣的熔體強(qiáng)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(shí)，薄膜厚度通常為0.160～0.190 mm。（2）儲(chǔ)存中產(chǎn)生的載荷?；诖a垛的儲(chǔ)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(fù)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(dāng)儲(chǔ)存溫度超過30 ℃時(shí)，抑制變形會(huì)變得更加困難。這就要求在選擇薄膜各層的原料時(shí)，必須要充分考慮儲(chǔ)存中產(chǎn)生的載荷。（3）薄膜的抗撕裂強(qiáng)度非常重要，因?yàn)樵趦?chǔ)存和運(yùn)輸過程中包裝袋有可能被刺穿和損壞，足夠的抗撕裂擴(kuò)展力可以減少撕裂的傳遞，從而避免漏包。（4）熱封強(qiáng)度決定密封的質(zhì)量，這對(duì)于保證FFS袋能夠承受儲(chǔ)存和搬運(yùn)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(qiáng)度，以能夠承受包裝袋從3 m或更高的儲(chǔ)存地點(diǎn)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(yīng)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(yīng)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(duì)薄膜表面進(jìn)行改性來獲得，但必須注意壓花必須在不降低薄膜力學(xué)性能或薄膜厚度的前提下實(shí)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(jìn)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(qiáng)度、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變、沖擊破損質(zhì)量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。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(dá)到30%，綜合力學(xué)性能仍可達(dá)到使用要求 。

圖2 不同配方的拉伸強(qiáng)度、斷裂標(biāo)稱應(yīng)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(shè)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(duì)原料配方進(jìn)行分析，LDPE，LLDPE，mLLDPE的質(zhì)量、用量以及添加劑的加入量等對(duì)各項(xiàng)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(shí)，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(duì)mLLDPE黏度的影響不敏感，使mLLDPE摩擦生熱。主要表現(xiàn)在擠出機(jī)前部熔體實(shí)際溫度明顯高于機(jī)筒設(shè)定溫度，導(dǎo)致機(jī)頭口模處熔體溫度過高，熔體強(qiáng)度過低，吹塑膜泡不穩(wěn)定［4］。針對(duì)加工中出現(xiàn)的問題，采用擠出機(jī)各段按“較低-高-較低”的“馬鞍形”加工溫度曲線進(jìn)行控制。從表4看出：擠出機(jī)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(jìn)入機(jī)頭口模，達(dá)到穩(wěn)定吹膜的技術(shù)要求。

表4 擠出機(jī)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(shè)計(jì)和力學(xué)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(chǔ)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(qiáng)度大于30 MPa，橫向大于31 MPa；縱向斷裂標(biāo)稱應(yīng)變大于648%，橫向大于740%；縱向拉伸屈服應(yīng)力大于15 MPa，橫向大于14 MPa；縱向褲型撕裂強(qiáng)度大于169 kN/m，橫向大于242 kN/m，動(dòng)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(qiáng)度高、撕裂強(qiáng)度高，優(yōu)于制定的FFS膜質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。

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(qiáng)度。熱封強(qiáng)度主要由內(nèi)封層基材薄膜決定，同時(shí)也會(huì)受到熱封工藝、復(fù)合薄膜材料結(jié)構(gòu)以及層間復(fù)合強(qiáng)度的影響［5］。熱封工藝有三大要素，即溫度、壓力及時(shí)間。其中，溫度是最主要的因素，對(duì)熱封強(qiáng)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(fù)合包裝材料的最低熱封溫度。

樹脂自動(dòng)化包裝線，包裝物自動(dòng)填充和袋口封合幾乎是同時(shí)進(jìn)行，熱封性能良好，因此，要確保封口具有一定的強(qiáng)度和密封性，能夠承受一定的質(zhì)量，才能保證商品在運(yùn)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(qiáng)度提高。在130 ℃的條件下，F(xiàn)FS膜的熱封強(qiáng)度大于30 N/15 mm。135 ℃為非熱封黏合點(diǎn)斷裂，可滿足25 kg合成樹脂包裝薄膜熱封強(qiáng)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(yīng)用

在mLLDPE/LDPE共混研究的基礎(chǔ)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(yīng)用，滿足高速包裝機(jī)連續(xù)運(yùn)行要求。對(duì)FFS包裝機(jī)開袋機(jī)口封、底封加熱溫控參數(shù)進(jìn)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(jìn)行了試用。加強(qiáng)摔包試驗(yàn)、抗跌落性能及碼垛性能優(yōu)異。對(duì)產(chǎn)品流向進(jìn)行跟蹤，確保包裝出廠產(chǎn)品質(zhì)量合格，經(jīng)物流運(yùn)輸及用戶應(yīng)用檢驗(yàn)，長(zhǎng)途運(yùn)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(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

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(chǎng)包裝測(cè)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(shí)現(xiàn)了降本增效的目標(biāo)。

3 結(jié)論

a）采用PE-LF1815用于FFS膜袋進(jìn)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(qiáng)度高、撕裂強(qiáng)度高、熱封性能良好、抗跌落性能及碼垛性能優(yōu)異，達(dá)到了《合成樹脂包裝通則》技術(shù)指標(biāo)要求。

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