高性能三元聚乙烯專用料在重包裝膜袋（FFS袋）減薄降塑應用及循環回收利用的研究

蔡志強 崔宇輝

（1.中國石油化工股份有限公司化工事業部，北京，100728；2.中國石化天津分公司，天津，300271）

1. 前言

目前，合成樹脂粒料包裝絕大多數是以25 kg小包裝袋為主，隨著包裝技術水平的提高和用戶對產品包裝質量要求的提高，25 kg小包裝袋已經由原來使用編織袋復合包裝袋升級到使用重包裝膜袋。

重包裝膜袋也被簡稱為FFS膜袋，為制膜袋（Film）、裝料（Fill）和封口（Seal）一體化的英文縮寫，它是90年代初由歐洲發展起來的一種高速包裝技術，包裝效率高且成本低。

截止到2020年末，中國的聚烯烴樹脂產能約為5611萬噸，其中聚乙烯為2261萬噸，聚丙烯為3350萬噸。預計到2021年末，將新增1150萬噸左右，屆時，聚烯烴將達6761萬噸。

根據中國國情，按75%為25 kg小包裝比例計算，重包裝膜袋用量約32萬噸，2021年新增用量近6萬噸。

FFS膜袋技術發展趨勢為高強度、薄型化。一方面源于環保壓力，全球各國家積極落實聯合國于2015年發布的《2030年可持續發展議程》，出臺進一步減少和限制使用塑料的系列措施，提倡可循環、易回收、可降解可持續發展方向。另一方面，隨著聚烯烴裝置規模日趨大型化，基礎設計規模大部分以30萬噸/年起步，日產量近1000噸，所配置的包裝生產線包裝速度達1200～2000袋/h，大大超過傳統復合袋的包裝效率，要求FFS膜袋應有較高的強度。新型材料的研發和應用，使得FFS膜袋在滿足高強度技術要求的同時，厚度也逐漸往薄型化發展。國際上技術領先水平的FFS薄膜厚度已減薄至0.100 mm，主流是0.120 mm[1]，這對于FFS薄膜所使用材料及配方提出了更高要求。2019年，中石化開始對《合成樹脂包裝通則》（Q/SH 0571-2013）企業標準進行修訂，新標準將FFS膜和袋的厚度通常分為0.160 mm、0.170 mm、0.180 mm、＞0.180 mm修改為0.100 mm、0.120 mm、0.140 mm、0.160 mm，分步接軌國際標準。因此，研究和開發一種高強度FFS專用料，使FFS膜袋既具有優異抗穿刺性、高挺度、高強度，在減薄的同時其功能和外觀符合市場需求，滿足易于回收再利用的環保要求，具有重要社會意義和經濟效益。

中國石化在自主開發的氣-液法聚乙烯生產工藝基礎上開發了高強三元聚乙烯專用料，通過長鏈α-烯烴的引入，在材料性能指標上較常規工藝方案生產的線型低密度聚乙烯產品性能上有較大提升，可以以較高比例替代茂金屬線型聚乙烯使用比例，在重包裝膜減薄配方優化方面起到了良好效果，同時三元聚乙烯是一種乙烯基的單一材料非常易于回收和再利用，是值得推廣的環保型材料。

2. 重包裝膜袋（FFS袋）的用料組成及性能要求[2-4]

以目前國內普遍采用的三層共擠工藝制作FFS袋為例，層結構為1：2：1。主要原料一般采用適于吹膜產品的高壓低密度聚乙烯（LDPE）和線型低密度聚乙烯（LLDPE）配方組合，其中線型低密度聚乙烯中需要使用較高比例的茂金屬線型聚乙烯（mLLDPE）以提高膜袋強度；根據膜袋使用區域的氣候條件和環境的差異性，為提高膜產品的挺度，適量加入低壓高密度聚乙烯（HDPE）調整配方。

通用的配方是LDPE加入量在5%-25%，主要的作用提供高熔體強度，保持吹膜過程中的膜泡的穩定性。共混可使薄膜力學性能與加工性能達到良好平衡。

LLDPE加入量在90-70%，主要的作用是利用線型低密度聚乙烯的短鏈支化結構使其具有較高的拉伸強度、抗刺穿性和抗撕裂特性，其中，茂金屬線型聚乙烯（mLLDPE）的采用是利用其良好的物理機械性能（耐撕裂強度、抗穿刺和抗沖擊性等）和更好的熱封性能，在配方中使用量約占20-40%。

中國石化天津分公司線型聚乙烯F1815是在中國石化自主研發的氣-液法生產工藝上開發的乙烯-丁烯-已烯三元LLDPE產品，是一種性能介于普通LLDPE和mLLDPE的新產品，既具有良好的光學性能、優異的物理力學性能，同時具備優異的抗穿刺性能和平衡的撕裂強度，適用于重包裝袋，自立袋，農用薄膜，多層包裝薄膜，冷凍食品包裝等多種包裝制品加工，可以減少成本較高mLLDPE（共聚單體采用己烯，以C6表示；或辛烯，以C8表示）的用量，使配方設計更經濟化。線型聚乙烯F1815及參比產品性能指標對比數據如表1。

基于中國石化《合成樹脂包裝通則》（Q/SH 0571-2020）制訂了技術參考指標，如表2。

3. 優化配方實施案例與結果討論

3.1 優化方案

優化方案如表3。

3.2 結果與討論

3.2.1 實施案例1

在河北地區的國產設備上使用F1815優化配方實施案例檢測數據如表4。

結論，優化原設計配方后，由于F1815的加入，可替代35%的C6-mLLDPE和C8-mLLDPE合計用量，膜袋性能指標穩定性良好，成本下降，性價比更高。

3.2.2 實施案例2

在天津地區的進口設備上使用F1815優化配方實施案例檢測數據如表5。

結論，優化原設計配方后，F1815替代量可達到40%，將C6-mLLDPE的使用量降到38%，可以大幅提高FFS制造的經濟性。

表1 F1815及參比產品性能指標對比數據

表2 FFS膜袋技術指標（0.140 mm規格）（暫定）

表3 優化方案

表4 實施案例1檢測數據表

表5 實施案例2檢測數據表

表格6實施案例3、4檢測數據表

3.2.3 實施案例3、實施案例4

分別在山東、北京地區的進口設備上使用F1815優化配方實施案例檢測數據如表6。

由于涉及兩家不同加工企業，雖設備類型相同，兩組試驗方案原始配方結構略有差異，替代方案設計也略有不同。

結論，由于配方中提高了F1815比例，加工時設備熔壓明顯降低，產能提升，停機換網時間延長，在兩家企業替代方案中可實現替代35-40%的mLLDPE用量。成本下降，性價比更高。

3.2.4 實施案例5

在福建地區的進口設備上使用F1815優化配方分別制作了0.160 mm和0.140 mm兩種厚度規格的薄膜，實施案例檢測數據如表7。

注：測試結果來自埃克森上海試驗室，測試方法與項目與包裝通則項目略有不同。

結論，由于該重包裝膜的使用地區處在常年氣溫較高地區，配方結構以中高密度聚乙烯為主以增加膜袋強度，同時，茂金屬聚乙烯產品占比也較高，由于F1815的加入，可降低茂金屬聚乙烯產品比例，在0.160 mm和0.140 mm兩種厚度FFS膜配方中，使用F1815替代比例可以達到21%，各項性能指標達到FFS膜的性能指標要求。成本下降，性價比更高。

表7 實施案例5檢測數據表

4. FFS重包裝膜袋持續減薄、回收及再利用解決方案

隨著新的合成樹脂新材料開發與生產技術的不斷提高，國內FFS重包裝膜的結構配方將會不斷優化調整，未來的發展方向將是開發輕量、薄型優質薄膜，適度降低薄膜厚度，同時，隨著薄膜生產工廠增多，競爭加劇，成本控制變得越來越重要，膜厚度減薄是降低成本的一個重要手段。

2020年底，中國石化14家企業實現了部分FFS重膜包裝袋減薄至0.140 mm，共減少使用FFS膜3547噸，折合減少碳排放17735噸。中國石化正在嘗試從工藝技術再改進、引入辛烯共聚單體和催化體系研發等措施開發更高性能的線型聚乙烯新牌號，或研發在線共混改性復合高性能材料，同時還需聯合下游加工企業進一步優化配方及生產工藝，達到最終的減薄目標。

按中國石化企標的目標，如果從0.140 mm進一步減薄達到最終0.100 mm，減重29%，全部采用重包裝膜袋后，折算減薄后可減少2.9萬噸聚乙烯材料的消耗，同時包裝成本也將大幅下降。

FFS重包裝膜作為一種塑料包裝，在工業品的包裝材料中占有很重要的位置，而在包裝廢棄物中塑料成分占有很大的比例，約40%，其最大的缺點是不易降解，但由于FFS重包裝膜使用的原料為聚乙烯為主，屬于單一材料，是一種易回收的材料，如果能夠采取適當的措施，控制使用后的環節，強化回收再降級利用，是實現經濟性循環的有效一步；如果實現上下游聯動，實現集中采集與統一處理，采取化學回收方式重新得到合成樹脂所需單體原料，再用于生產包裝用的合成樹脂，則可實現全產業鏈的循環經濟發展。

為了解決“白色污染”問題，中國石油化工股份有限公司成為國內首家加入AEPW聯盟的企業，作為中國石化的直屬研究院，石油化工科學研究院開發的以廢塑料生產低雜質油品技術（SPWO）為代表的系列化技術，將廢塑料再次“變為”塑料，同時副產芳烴等化工原料，其主要技術特點是將經過預分揀的廢塑料經化學分選，可以有選擇性的控制終端產品方向，以重包裝膜袋為例，材質為單一且純度較高的聚乙烯，則可以高收率的得到低碳烯烴，返回到聚合裝置生產塑料產品，真正形成烯烴→塑料→廢塑料→烯烴的閉合回路，實現塑料全生命周期的綠色循環，徹底解決“白色污染”。

此外，該技術有更廣的適用性，適用于來自垃圾場的填埋廢塑料、城市生活垃圾中分揀出的廢塑料、各項工農業生產過程中產生的廢塑料、快遞、外賣等商業過程中產生的廢塑料以及醫用廢塑料等，這些原料均為無法物理回收或物理回收成本過高的混合廢塑料，可以是PE、PP、PS、PVC、ABS等塑料中的一種或多種。

5. 結論

5.1 三元線型聚乙烯產品F1815是通過聚合工藝的改進從而得到具有較常規線型聚乙烯更高的抗拉伸和抗沖擊性能，在FFS重包裝膜加工生產中，可實現對部分茂金屬線型聚乙烯替代，使FFS重包裝膜性能仍達到標準使用要求。

5.2 使用三元線型聚乙烯產品F1815替代茂金屬線型聚乙烯的比例需要根據FFS厚度規格、設備類型以及配方設計進行相應調整，F1815的替代量可從21%到40%，同時對不同設備有良好適應性。

5.3 FFS減薄是未來趨勢，目前已在南方地區完成0.140 mm規格的FFS膜減薄優化試驗，且F1815的替代量最高可達到40%。可根據不同地區的使用條件調整F1815增量替代優化方案，進一步降低成本增加效益。

5.4 F1815是采用改進后的齊格勒-納塔（Z-N）催化劑在氣-液法線型聚乙烯工藝上開發生產，較茂金屬線型聚乙烯產品具有良好的經濟性，以兩類產品差價1000元/噸為基礎，噸包裝成本降低200元/噸到400元/噸不等。

FFS重包裝膜袋的基本配方是以不同密度的聚乙烯產品的不同比例組合制成，屬于單一材料，并且屬于易于回收的材料。

集中收集與處理后，可以采用物理回收實現再利用；或是采用化學回收方法，可以獲得高收率的乙烯單體，重新用于聚乙烯的制造。中國石化自主開發了相關的化學回收技術，可以實現未來重包裝膜袋的高效加收和制取化工原料，使合成樹脂全產業鏈生態循環建立成為可能。