綠色塑料包裝技術研究及新型環保材料XPE 在包裝上應用

梁政 王克儉

（北京化工大學機電工程學院成型制造研究中心）

一、什么是綠色包裝?

綠色包裝又可以稱為無公害包裝和環境之友包裝，指對生態環境和人類健康無害，能重復使用和再生，符合可持續發展的包裝。綠色包裝有兩個方面的含義：一個方面是保護環境，這是綠色包裝的核心；另一個方面是節約資源。這兩者相輔相成，不可分割。因為節約資源可降低垃圾的產生量，從而減輕對環境的污染，所以節約資源也是從源頭上對環境進行保護。從這兩方面考慮，凡是能體現保護環境和節約資源的包裝我們都可以稱之為綠色包裝。這是從字面意思理解。

從技術上講，綠色包裝是對生態環境和人體健康無害，方便回收，或者易于降解的包裝。這種包裝一般是用植物和相關礦物質為原料研制而成。也就是說，這種包裝產品從原材料選擇、產品生產以及使用的過程中，都應該符合環境保護和節約資源的要求。具體言之，綠色包裝應具有以下的含義：（1）實行包裝減量化，包裝在滿足使用要求的前提下，盡量用更少的原材料，這就是要體現節約資源的要求；（2）包裝應易于重復利用或易于回收再生，通過多次重復使用，或通過回收廢棄物，生產再生制品、焚燒利用熱能、堆肥化改善土壤等措施，達到再利用的目的，既不污染環境，又可充分利用資源；（3）包裝廢棄物可以降解腐化，為了不形成永久的垃圾，不可回收利用的包裝廢棄物要能分解腐化，進而達到改善土壤的目的，世界各工業國家均重視發展利用生物或光降解的包裝材料，實行包裝減量化（Reduce）、包裝應易于重復利用（Reuse）、回收再生（Recycle）和包裝廢棄物可以降解腐化（Degradable）就是現在世界公認的發展綠色包裝的3R 和1D 原則；（4）包裝材料對人體和生物應無毒無害，包裝材料中不應含有有毒物質或有毒物質的含量應控制在有關標準以下；（5）在包裝產品的整個生命周期中，均不應對環境產生污染或造成公害，即包裝制品從原材料采集、材料加工、制造產品、產品使用、廢棄物回收再生，直至最終處理的生命全過程均不應對人體及環境造成公害。以上綠色包裝的含義中，前四點應是綠色包裝必須具備的要求，最后一點是依據生命周期評價，用系統工程的觀點，對綠色包裝提出的理想的、最高的要求。綜上所述，綠色包裝就是能夠循環復用、再生利用或降解腐化，而且在產品的整個生命周期中對人體及環境不造成公害的適度包裝。以上便是對綠色包裝比較全面的解釋。由此可見，綠色包裝不單單是指某一方面，它是對我們生活中的所有包裝提出的概念。

二、國內外塑料綠色包裝技術發展現狀

1. 國外綠色塑料包裝行業現狀及發展動態

最新的市場預測報告顯示：近幾年來及未來幾年后，歐洲食品、飲料塑料包裝用量呈上升態勢。業內人士分析：歐洲市場食品、飲料塑料包裝銷售額增長速度最快的將是PP 包裝市場，其中熱塑性PP 平均增長率將達10.7%，透明PP 將增長9.5%，其次是PET，年均增長率為9.2%左右，而發泡PS 和軟質PVC 市場增幅最小，甚至可能停止增長。歐洲食品飲料工業使用塑料包裝材料最多的國家是法國（18.7%），其次為意大利（18%），德國（17.2%）等。隨著人們生活水平的提高，新的包裝技術、產品和材料不斷涌現。綠色包裝逐漸成為包裝行業的主流。以下為各國在塑料包裝領域的高端研究成果。

光分解塑料在日本已實現了工業化或半工業化，并已用于農膜、發泡托盤、瓶子、包裝材料等。其中熱塑性1,2-聚丁二烯作為農用復合膜已開始了應用。

可生物降解塑料在美國已有產品進入市場，例如Dow、Dupont、Eastman 和Monsanto 等公司能生產的生物降解塑料：聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL）、Biopol、可降解聚酯（由丁二酸、己二酸和對苯二甲酸等合成）、聚酰胺酯熱塑性塑料、Biomax（改性PET）、Easter 共聚酯和氨基酸降解塑料（由天冬氨酸與賴氨酸合成）等。這些可生物降解的塑料，均可在短期內被微生物分解。

目前德國建成了中試裝置，由微生物生產生物分解性材料。微生物的體內可以產生3-羥基丁酸酯（3-HB），它是一種可作為儲存能量的聚酯。當向微生物Alcaligensentrophus 供給丙酸時，即可產生3-HB 與3HV 共聚的聚酯，已提供樣品制成容器。英國的Zeneca 公司生產Biopol，是一種由微生物合成的天然可再循環的高分子，其化學名稱為聚羥基丁酸酯共聚戊酸酯，簡稱PHBV。這種類型的生物降解塑料已引起眾多廠商的注意，相繼投入開發研究。日本東京工業大學已研制成不少具有新組成的共聚聚酯。英國（ICI）公司已有了一定規模的生產裝置，其中一部分塑料用于洗發水瓶子制造。

天然物制備分解性塑料，如歐美在聚乙烯樹脂中加入淀粉而制成的裂解性塑料已經實用化，并向日本輸出。在意大利，已開發了以淀粉為主要原料和低分子量石油產品為輔助原料的生物分解性塑料用作薄膜和飼料袋等。

日本四國工業技術實驗所成功地開發了纖維素乙酰殼多糖系生物分解性塑料，其原料利用了自然界的殼多糖，所以在土壤中分解更迅速，其薄膜試驗表明，脫乙酰殼多糖的添加量以10%～20%為佳，經濟上也是合算的，并在農業園藝、包裝材料方面獲得了應用。

合成高分子制取分解性塑料。美國 Air Product & Chemical 公司于1990 年將聚乙烯醇、增塑劑和添加劑混合后制成顆粒，開始以“Vinex”商品名在美國銷售，主要開發有機溶劑瓶、沙拉油瓶、水溶性農藥包裝材料及丟棄式容器等方面的市場。而價格昂貴的乳酸降解塑料在美國一般用于醫藥用途上。

塑料包裝的綠色化，自然是根據塑料本身難降解的特性來尋求突破。所以研究可降解塑料就是塑料包裝綠色化的一個重要方向，在這里我們只列舉了國外有關降解塑料方面的研究成果。當然，對于食品包裝的綠色化還有很多方面例如可食性材料、紙材料等，由于與我們所論述主題無關，在這里不再贅述。

2. 國內綠色塑料包裝行業現狀及發展動態

塑料包裝行業已成為我國塑料工業中發展最為迅速的領域之一。據我國權威部門預測，未來幾年，塑料軟包裝在食品行業的銷售額將超過包裝工業銷售額的近50%，預計軟包裝總的發展速度要略快于國民經濟的發展速度。由于塑料材料改進后具有優異的阻透性、防紫外線性、耐冷凍性、耐熱性等，因此應用市場廣闊，尤其是飲料、乳制品行業有著誘人的商機。塑料在無菌包裝中的應用，更是給塑料包裝材料提供了一個發展空間，同時，塑料包裝材料的改進，也必將推動我國無菌包裝的發展。

高阻隔、多功能軟塑包裝材料已成為近年國內發展熱點，涌現一批新產品和新技術，其中包括高阻滲性、多功能保鮮膜、無菌包裝膜等發展很快；有的復合薄膜正在向更深層次發展。制袋、印刷技術上了一個新臺階，已進入“彩色革命”時代，行業中已有膠版、凹版、柔版彩色系統，促進了軟塑包裝制品向更深度、更高檔次發展。

國內市場對塑料薄膜需求量將以每年9%速度增長，我國塑料薄膜市場前景十分廣闊。目前我國塑料薄膜產量約占塑料制品總產量的40%，是塑料制品業中產量增長最快的。我國現有塑料薄膜生產企業2240 家，產量在5000 噸以上企業有65 家，1 萬噸以上的企業有25 家，超過5 萬噸的企業有5 家。我國生產塑料薄膜所使用的合成樹脂主要有聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯和聚酯等。加工方式為吹塑、雙向延伸、流延等。塑料薄膜的市場約60%多用作包裝材料。市場上主流產品是國產的PE 保鮮膜和PVDC 保鮮膜，具有爭議的PVC 保鮮膜，主要用于一些超市包裝生鮮水果和蔬菜。國內PVC 保鮮膜品牌主要是LG、三菱和三榮，三大品牌占據整個市場的70%至80%，而日韓產品占據整個市場逾80%。國內市場上銷售的家庭用食品保鮮膜大多采用安全的聚乙烯（PE）和聚偏二氯乙烯（PVDC）材料生產。

發達國家共擠包裝薄膜約占全部軟塑料包裝薄膜的40%，而我國僅占6%左右，顯然兩者比例很不合理。共擠包裝薄膜的發展，也將改變多功能薄膜的產品結構，它適用于飲料、牛奶、鮮肉等食品包裝。PET 是用量最大的食品硬包裝樹脂，而且其市場需求增幅高于食品塑料硬包裝總的增幅。我國是世界上第一大果蔬生產和銷售大國。目前，聚乙烯薄膜和聚丙烯薄膜是新鮮水果蔬菜應用最廣的包裝材料。

由以上可看出，塑料在我國食品包裝領域已有了非常廣泛的應用，而且呈現出蓬勃的發展態勢。盡管塑料包裝以其優異的性能正逐漸被廣泛應用，但是以塑料本身的難降解性，大量使用勢必會造成很大的環境污染。同樣，我國在可降解塑料等領域研究也取得了很大成果，這為我國綠色包裝發展以及打破新的貿易壁壘開辟了道路。

我國可降解塑料的研究開發起始于20 世紀70 年代中期，起初是對光降解塑料進行研究，隨后有眾多的高等院校、科研院所參與研究光降解、光/生物降解、光/碳酸鈣降解、光/氧/生物降解、完全生物降解、全淀粉塑料、崩壞性生物降解等塑料以及高填充碳酸鈣環境友好材料等。

國內主要研究單位研究情況介紹：

復旦大學：成功地開發出一種可生物降解的聚氨醋復合塑料。該塑料采用稻草、木屑等植物纖維為添加料經液，化后與異氰酸醋反應制得。其制品不但具有普通聚氨醋塑料的各種特性，而且其廢棄物經一定周期后易被微生物完全分解，也可通過化學處理降解成單體，再用于聚氨醋合成，實現資源再循環。該塑料主要用于包裝、日用品等領域的泡沫塑料制品加工，目前己開始批量生產。

同濟大學：利用玉米淀粉為原料生產乳酸，再經過特殊的聚合反應生產聚乳酸。由這種生物高分子材料制成的物品，廢棄后可采用堆肥填埋處理在，自然界微生物的作用下徹底分解為水和二氧化碳，并可當作有機肥施人農田成為植物養料。目前該項目已被列為上海市科教興市重大，產業化項目，與上海新立工業微生物科技有限公司共同投資2.35 億元建設千噸級生產線。

清華大學：最近首次開發成功利用Aeromonashydropila 大規模生產3-羥基丁酸/3-羥基己酸酯共聚物（PHBHHX）的生產技術，它用作生物醫學材料比聚乳酸具有更優異的生物相容性。PHBHHX 生產技術2002 年分別獲北京市科技進步一等獎和國家發明二等獎。目前該技術已在廣東江門生物技術開發中心和汕頭華逸生物工程公司進行了批量生產，并已有產品出口美國。

天津大學：采用溶劑（礦物油、植物油）浸漬淀粉細化改性技術，提高淀粉與聚乙烯的相容性和分散性，制品中淀粉含量大于30%，最高可達50%，在國內外均是領先的。

武漢大學：繼2000 年研制出魔芋可降解塑料包裝膜以來，又將可降解塑料包裝膜的原材料延伸到玉米、馬鈴薯，使該系列可降解塑料包裝膜又增加了新品種，該新型可降解塑料包裝膜以玉米、馬鈴薯為原料，其拉伸強度、柔韌性和透明度等特性與普通塑料膜相同，其造價與普通塑料膜相差不大，并且可食用、可降解，對保護環境及降低白色污染有顯著效果。

中科院微生物所：目前已開發出用淀粉糖與丙酸發酵生產聚3-羥基丁酸/戊酸酯（PHBV）技術，并與杭州天安有限公司合作建立了一個年產1000 噸PHBV 生產裝置。隨著PHBV 的開發成功，我國在這一領域的研究和生產達到了國際先進水平。這標志著我國在生物降解塑料的生產方面邁上了一個新的臺階。

昆明理工大學：利用我國南方芭蕉芋淀粉資源開發出芭蕉芋淀粉基微生物降解塑料，可用作耐油和干性包裝材料。

浙江大學：主要開展淀粉接枝技術研究，其膜制品的淀粉含量達50%，強度和外觀質量均較好，價格適中，生物降解性能正在檢測中，目前正計劃擴大試生產。

華中農業大學：以干法改性淀粉為主要原料，通過由甘油:乙二醇＝1:2 組成的復合增塑劑的增塑，添加增強劑PX 和增溶劑EAA，共混后可研制出淀粉基熱塑性生物降解塑料。研究表明，該塑料中改性淀粉為50%-70%，其它添加成分也均可生物降解，具有良好的機械性能。生物降解實驗顯示，其在90 天后降解率達50%以上。四川大學：采用價格便宜的一縮二乙二醇為原料，經一步合成對二氧環己酮（PDO），再用PDO 作單體和高效的催化體系合成一系列具有完全可生物降解性的聚（對一二氧環己酮）（PPDO）均聚物、共聚物、淀粉接枝共聚物，用這些聚合物與淀粉共混制得可完全生物降解樹脂，這種樹脂可用于制備一次性使用的塑料制品。

大連理工大學：研究添加中草藥中揮發性成分的可降解塑料，經過三年使用后用手輕搓就會成為碎末，從而找到了一種新的塑料降解途徑。

中科院廣州化學研究所：從事二氧化碳降解塑料母粒項目研究，“二氧化碳制取全降解塑料”的新技術已經完成30t/a 的中試試驗，并通過中科院組織的專家驗收。

中科院長春應用化學研究所：也從事二氧化碳降解塑料技術開發，其成果已經轉讓給內蒙古蒙西高新技術集團公司進行產業化生產。

北京降解塑料研究中心：從事復合降解塑料合成技術及專用設備研究，借鑒光、生物雙降解技術和科學原理，在配方及工藝上大膽地取消了添加淀粉和光敏材料的諸多弊病，提高了其力學性能，達到誘導期可控及充分降解的目的，大幅度地降低了生產成本。

福州師范大學：開發可降解、可焚燒塑料材料，通過添加30%以上經表面生物活化處理的超細碳酸鈣，不僅可以促進生物降解，而且還可減少光敏劑的應用量，降低成本，有利于實現垃圾焚燒及掩埋綜合處理的方式，并可達到減量化、節省資源的目的。

總之，除合成型光降解、完全生物降解塑料外，我國降解塑料的研究開發進程與世界相差無幾，技術水平和世界先進水平接近或相當。

三、在綠色包裝中有廣闊應用前景的材料XPE

1. XPE 材料

XPE 材料為化學交聯聚乙烯發泡材料，是用低密度聚乙烯樹脂加交聯劑、發泡劑和其它改性試劑經過低溫擠出高溫連續發泡而成，與EPE（物理發泡聚乙烯，俗稱珍珠棉）相比，抗拉強度更高，泡孔更細。XPE 材質相較于其他PE 或者非PE 類的材料在耐用性、抗光照、抗物理撞擊等方面有著出色的表現，XPE 本身化學性質穩定，不易分解，無氣味，彈性好。是制造爬行墊、隔音層、隔熱層、汽車腳墊的優選材料。

圖1 XPE 泡材生產工藝流程

2. XPE 材料的性能及環保特性

（1）XPE 材料的性能

XPE 材料作為一種新型的環保材料，它在各方面有著優良的性能，具體表現如下：

絕熱性--其細微的獨立氣泡結構，可有效降低空氣對流導致的能量交換，適合制作保溫管、保溫板。并且兼具防結露性，使之極適合用于冰箱、空調及冷庫等多濕環境的保溫材料。

吸音性--具有吸音降噪功能，適合用于飛機、鐵路車輛、汽車、電動機等強噪音設備及環境中的吸音隔音材料。

成型性--耐熱性強，延展性能好，密度均勻，可實現真空成型及熱成型等較深部位的成型，因而可用于汽車空調蒸發柜、汽車熱壓頂棚等內飾件及鞋材方面的材料。

緩沖性--材質為半硬質發泡體，受強沖擊后也不失原性能，多用于精密儀器，半導體包裝等領域，同時也可利用其易成型性，而用于體育防護用品及休閑用品的制作領域。

此外，XPE 還具有無毒、無味、耐藥品性、耐油、耐酸、耐鹵及其他各類化學藥品的性能，并非常容易加工，可任意裁切，與多種材料貼合。

（2）XPE 材料的環保特性

XPE 產品被世界上先進國家稱為無公害產品，產品生產過程中，不造成環境污染，產品在使用后，易于回收，焚燒時不造成嚴重大氣污染。而且產品使用壽命較長，在長時間的使用過程中也不會對環境造成危害。所以，XPE 材料的開發利用以及其在包裝領域的應用本身就是塑料在綠色包裝中的應用。

3. XPE 材料在包裝領域的應用前景

根據XPE 材料其優良的性能，其在包裝領域也有很大的應用前景，例如利用其高彈性，高韌性，易于二次加工性，可以加工成各種形狀，用于各種易碎材質物品的包裝，比如用作陶瓷做的馬桶、玻璃等的外包裝。其高彈性和韌性可以使產品在運輸的過程中得到緩沖，避免產品的損傷破碎。而其柔軟的表面可以防止產品在運輸過程中被磕破和刮傷。

還可利用其良好的保溫隔熱性能，用作低溫或高溫物品的包裝。比如雪糕的包裝運輸，其良好的保溫隔熱性能可以延長雪糕的儲存時間。還有需要保溫的食物，都可以用XPE 材料做成箱式包裝來短時間儲存。

XPE 材料還可以用作手機、工具、高檔水杯、化妝品、珠寶玉石等的需要內襯的商品的包裝，而這些包裝的共同點就是利用XPE 材料的易于二次加工的特性，可以將符合倍率要求的XPE 泡材，按商品的形狀加工出凹槽，以此來固定商品達到防護的作用。還有各種食物，例如雞蛋、水果等都可以用XPE 材料來進行包裝。其都是利用材料易于加工且有高彈性、高韌性的特點，且無毒無害。

由此可以看出，XPE 材料在包裝領域有很大的應用前景，因為其本身為環保材料無公害，易于回收。燃燒時不會造成環境污染。且其易于加工的性能就為其在包裝領域的應用創造了條件。