復合塑料軟包裝材料健康發展的機遇和挑戰

陳 宇 ，張春輝 *，崔 正 ，孫同兵

（1.北京華騰新材料股份有限公司，北京 100084；2.食品用包裝材料安全溯源技術公共服務國家級中小企業公共服務平臺，北京 100084；3.石油和化工行業食品包裝用高性能膠粘劑工程實驗室，北京 100084；4.中國輕工業食品包裝安全技術重點實驗室，北京 100084）

0 前言

復合塑料軟包裝是基于塑料復合膜制造的各種個性化、差異化的包裝制品， 因其材料的多樣化及組合的靈活性，應用性能不斷完善提升，廣泛用于食品、日化、醫藥、工業、農業等多個領域。復合膜泛指將2種或2種以上的薄膜復合而成的柔性材料，通過引入不同材料實現阻隔保鮮保質、耐穿刺保護等功能，具有印刷招徠、提示消費、標識等特點。

1964年起，我國塑料軟包裝產業歷經從無到有、從小到大、從大到強、從強到精的60年高速發展。中國作為世界包裝制造和消費大國，塑料包裝在包裝產業總產值中的占比已超過30 %[1]，薄膜包裝又占到塑料包裝產值的30 %。2021年，全國塑料薄膜包裝材料營業收入達3 514.68億元，占塑料包裝行業營業收入的29.19 %，同比增長18.43 %。持續增長的全球塑料軟包裝市場需求，對包裝材料從量和質兩方面提出了更高更新要求。

1 面臨的挑戰

面臨商業模式多樣化、招徠消費關注的多變性、包裝異型化、阻隔保鮮、印刷的精美度、食藥安全衛生等諸多要求，塑料軟包裝不僅要承受各類內容物的苛刻化學環境，同時還要適應加工或輔助加工的物理環境（熱、光、機械力等）以及安全、衛生、清潔生產、環保帶來的挑戰。塑料軟包裝使用方式近乎一次性，消費后被簡單歸類為其他垃圾，多層異材結構難分離、印刷油墨及復合膠難去除、難清洗，因此塑料復合軟包裝同樣面臨消費后的廢棄包裝難分揀難回收、難再生、難循環問題。因此，塑料軟包裝從源頭、加工過程、末端處置等制造環節到各種差異化的應用環節直到消費后的再生與循環利用環節都面臨著由內而外的挑戰，應對之策唯有針對性的技術創新。

1.1 包裝內容物帶來的壓力

中國多風味食品，軟包裝內容物千奇百怪，既有中性的常規物質，也有酸堿物質，更有結構復雜、功能各異的添加劑。包裝內的化學環境差異巨大。預制食品、配方食品、麻辣鮮香的風味食品中保鮮劑、增味劑、日化產品中的添加劑、農化產品助劑等小分子組分不斷滲透遷移、侵蝕復合界面，導致脫層破包。遷移物附著熱封面導致熱封溫度上升，強度下降，遷移物進入食品等內容物發生化學變化，產生致癌致畸物，如乙基麥芽酚、酸、堿化合物、初級芳香胺等，對于塑料軟包裝的阻隔性能提出了更高的要求。

為方便居家和旅行食用，很多加工食品采用撕開即食的獨立小包裝，衛生要求高，消毒滅菌的方式多樣，100 ℃水煮，121、135 ℃蒸煮，微波，紫外，放射性滅菌等，包裝材料需要具備足夠的化學、能量耐受性。

1.2 復合膜原材料、加工技術面臨的挑戰

基于各種薄膜、油墨、膠黏劑、溶劑等原材料，結合包裝內容物的功能需求，通過印刷、復合、制袋構筑了塑料軟包裝，每一種材料、每一種結構的變化都會帶來新的挑戰；從原料到塑料包裝，歷經多種形式的成型加工（吹塑、流延、混源，拉伸、共擠、多層、多材）、粘結復合、多彩印刷、涂層、鍍層、熱封等多層次、多步驟加工，每一個步驟都是一場化學、物理錘煉。

1.2.1 直面原材料的挑戰

薄膜作為包裝基材面臨的挑戰始終是更薄更強。樹脂優化與組合、加工成型方式的選擇、光學力學性能的兼顧、使用便利要求（如高強易撕）的加持，都要求基材膜制造技術持續創新。單材化塑料包裝要求相同化學結構組成的聚合物薄膜在幾十微米的厚度內產生熔融溫度的梯度差，確保熱封層融合、印刷層不損傷構成新挑戰。各層材料一旦采用完全生物降解聚合物薄膜，復合膜除降解性能之外，力學性能、承印性能、性價比等與現有非降解材料相比存在較大差異，投入應用還有相當長的距離。

油墨水性化、無溶劑化，印刷水性化、無溶劑化，能量固化替代化學固化等新技術層出不窮。凹印+水墨+純水調墨印刷或凹印+能量固化的無溶劑油墨印刷，達不到溶劑油墨凹版印刷的精美效果，這是1個系統性難題，對油墨連接樹脂、顏染料，還關聯稀釋劑、引發劑、輻照源、版輥的加工制造、印刷工藝提出了新的要求。同時，油墨中可能殘留的異氰酸酯單體、引發劑、丙烯酸酯單體等會導致異味，有害物質留存及遷移的食品安全隱患。降低安全與環境風險，采用油墨與印刷用溶劑品種單一化，減少油墨用量，拓展印后溶劑回收再利用范圍，都需要技術突破和應用創新。

聚氨酯膠黏劑的無溶劑化可滿足環保需求，也帶來了新的問題。聚氨酯是塑塑復合、塑鋁復合不可撼動的主力膠黏劑。從溶劑型膠黏劑一統塑料復合大局，到無溶劑膠黏劑迅速發展，無溶劑聚氨酯膠能否全方位替代溶劑型聚氨酯膠，理論上可行，實際的路途漫長。同時，聚氨酯復合膠引發的食品安全風險始終備受關注。雙組分溶劑型聚氨酯膠液中的游離異氰酸酯單體含量可控制在0.03 %（質量分數，下同）以下，而雙組分無溶劑聚氨酯溶液中的游離單體含量約為8 %～10 %，是前者的260～330倍，有效控制初級芳香胺致癌物遷移進入食品的風險隱患是長期存在的課題。無溶劑聚氨酯膠高分子量化、低黏度、高流平、高復合強度、低游離單體（三高兩低）是突破高端應用、安全應用的必要措施。

1.2.2 食品衛生安全法規帶來的技術要求

為實現不同的加工需要和功能需求，塑料、油墨、粘合劑以及各類溶劑會引入不同的單體和助劑。全球范圍內針對食品包裝材料制品安全、衛生的法規以及相應的標準內容不斷更新。2009年3月，我國首部《食品安全法》落地實施，正式將食品包裝材料等食品安全相關產品納入法規監管。2011年5月23日，臺灣“起云劑”事件引爆了食品包裝材料中“塑化劑”排查運動。2016年頒布實施的 GB 9685—2016和 GB 4806.1—2016等系列標準，對包裝物原材料和添加劑品種和數量包括遷移量進行了法律層面的限定。由此，軟包裝制品的原材料品種用量、添加劑殘留或遷移量、直接接觸食品類別等技術內容都納入法規監管。

1.3 環保低碳、可持續發展的新需求

復合、彩印工段的揮發性有機溶劑排放組織化，吸附回收高效高質化是溶劑型油墨和膠黏劑產品應用技術生存的保障。現有技術水平還無法實現復合、彩印兩工序的完全無溶劑化，但可以實現膠與復合、墨與印刷的溶劑同一化、單一化，在此基礎上提高膠液濃度、墨液濃度，減少復合塑料包裝耗用溶劑品種與數量，減輕揮發性有機物（VOCs）回收壓力和再生難度，讓有機溶劑在復合包裝生產企業內部循環。但是，原料、工藝、裝備成熟的溶劑型復合（干式復合）和溶劑型油墨凹印技術無法徹底解決制造過程排放VOCs、制品殘留溶劑的缺陷。水性化、無溶劑化印刷和復合的系統技術還不成熟。

增賦功能就要增加復合層數，增加不同化學成分結構的異質材料。多層多材復合膜類塑料制品的回收、分揀、清洗、再生、循環利用，就成了共性難題。為了實現塑料軟包裝再生，同材多層共擠復合與異材多層共擠復合技術也應運而生，但依然解決不了熱封、印刷、功能（阻隔氧、水等）、耐介質、耐受環境等一體化問題。同材共擠復合或同材膠粘復合材料的開發成為研發熱點，其熱封性能的改善也成為了亟待解決的難題。

2 單材化復合包裝材料應運而生

各類消費需求不斷翻新，食品安全要求科學細化，揮發性有機物與固體廢棄物排放管理法制化，國家強力推進塑料減污，各種限令與法條織就了1張網，倒逼復合膜與塑料軟包裝創新突破。

2.1 塑料軟包裝材料單一化

復合軟包裝含有多層結構、多種材質，比超薄地膜還難回收和循環利用。在保持功能、性能和印刷美觀度的前提下，異材、雜材復合的塑料制品的單材化是解決回收難題的突破點。

塑料軟包裝單材化即復合的各層材料95 %以上的化學結構成分相同，膜、膠、墨、涂（鍍）層等不同化學成分的材料質量比不得超過5 %。單材化的聚乙烯復合膜、聚丙烯復合膜都已進入規模化應用，單材化的聚酯（PET）復合膜尚未投入大規模應用。2015年—2019年，全球單一材料塑料包裝薄膜市場年復合增長率為3.5 %。2019年全球單一材料塑料包裝薄膜市場規模為2 044萬噸（559億美元），2025年可能達到2 603萬噸（709億美元），年復合增長率達3.9 %。2020年，亞太區域占全球單一材料塑料包裝薄膜市場比重為48.6 %、北美為17.2 %，西歐為15.5 %[2]。

單一材料復合膜完全或部分實現原來異材復合膜的功能并大部替代傳統復合膜成為新的軟包裝材料。目前已實現的PE、PP薄型高強度單材化薄膜，阻氧性可達到0.1～2 mL/（m2·24 h），阻氧性、水透過率、氧透過率可實現可替代傳統復合材料，如表1～2所示。

表1 單一材料復合膜對比傳統復合膜Tab.1 Comparison of mono-material composite films and traditional ones

表2 不同PET鍍層薄膜阻隔性能比較Tab.2 Comparison of barrier properties of various PET coated films

單材化復合膜產品95 %同質同材，也實現了邊角料、廢棄料的不落地回收，重新造粒再利用。1個產值20億的軟包裝企業，每年循環使用單材化薄膜邊角料近億元。

單材化并不是終點。單材化的基礎上，進一步減少塑料的使用量，減薄不減強，反而增強，如薄型（50 μm）聚乙烯高強度共擠膜與120 μm 聚乙烯薄膜性能相當，可用于10 kg重型包裝，成功減材，解決了“薄與強”難題。單材化的實現需要很多現代加工技術來支撐，改善材料結構、結晶、取向等。

2.2 單材化塑料軟包裝材料的功能補強技術

復合膜材料單一化，弱化了阻隔保質功能，增加了熱封難度，降低了基礎力學性能，但應用要求并沒有降低，迫切需要開發補強技術提升單材化包裝材料的性能，增賦功能。

優化原料配伍、借助加工技術強化基材薄膜力學性能，改善熱性能。不同聚合催化劑、聚合工藝、共聚單體的同質材料，例如不同規格的聚乙烯樹脂，在層內、層間進行物料組合優化，通過多層共擠拉伸取向、流延成型、模內層疊等加工成型技術來改善結晶行為，提升綜合力學性能，調整熱行為，實現減薄增強、提高熱封強度，如多層共擠、雙向拉伸、單向拉伸、流延成型、吹塑成型的聚乙烯、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜。

搭建過渡“橋”，實現性能層間遞進。在基材膜減薄的前提下，以多層共擠雙向拉伸加工裝備和工藝為平臺，非對稱結構設計實現同質材料物理機械性能層間漸次遞進，賦予同質基體薄膜特定功能。例如，在7層或9層非對稱結構薄膜中，每一個中間層都是內外2層物理力學性能的過渡層，也就是搭建在內外2層材料間的性能過渡橋。層間性能形成連續過渡，同質材料性能在層間漸次遞進。同時，層內材料性能可通過優化組合同質不同規格的材料來實現。采用聚合物內聚能及溶解度參數相同或相近（相似相溶）的基本規則作為設計熔融溫度過渡橋的依據，提高熱封強度。

通過界面層次性能遞進或過渡，實現多層共擠出薄膜高阻隔性。將阻隔性優異的異質材料的結構層間應力以拉伸過渡橋進行消除或分散或平衡，科學設計不同結構層間的界面張力差異，突破異質材料共擠雙向拉伸制備工藝，適量引入非同質的阻隔功能層，提高功能性單材化薄膜的阻隔性。

借助多層熔體層間交織取向共擠出增強技術提升材料的力學強度、實現減量 15 %～30 %。多層同材復合薄膜由于各層材料化學成分結構相同，不能同時具備阻隔和熱封等多種功能，通過在非晶態高聚物與結晶型高聚物層結構中設置過渡橋，在聚合物多層共擠復合過程中綜合匹配和平衡溫度、應力過渡，獲得可熱封的 PET、BOPP、BOPE等單材化材料。

與傳統軟包裝相比，單一材質軟包裝原料來源廣泛、分類簡單、易回收、易再生循環利用。通過功能補強技術實現單一材料包裝替代對于多層異質材料包裝，可助力實現塑料軟包裝循環利用。

2.3 基材薄膜表面功能化

根據功能配置方案，承印層、熱封層等各層定向引入功能性鍍層和/或涂層，在膜表面實現功能化，如氧化鋁（AlOx）、氧化硅鍍層流延聚丙烯（CPP），成功替代鋁箔和其他異質阻隔材料。

調控匹配基體膜、底涂層、氧化鋁鍍層的界面極性，采用共擠出基膜表層改性以及化學工藝預涂覆薄膜，實現了高效蒸鍍，獲得超高阻隔與透明并存、阻隔性能接近純鋁箔的超高阻隔鍍AlOx薄膜。此類薄膜包裝消費后回收制得的材料力學性能基本保持了原樹脂性能，既滿足高端應用需求，又可實現化石資源的高質循環利用。

利用無溶劑阻隔涂層（膠黏劑）、底涂劑、功能涂層材料充分結合基材界面特性，兼具阻隔功能和粘接性能，實現透明非鍍層材料的阻隔性。表3比較了普通復合膜、含鍍鋁層復合膜以及含阻隔層復合膜的阻隔性能。

表3 不同復合薄膜阻隔性能比較Tab.3 Comparison of barrier properties of different composite films

單材化復合軟包裝的基材多以非極性材料為主，在單材化軟包裝結構設計中通過膠黏劑變涂層、涂層變膠黏劑、涂層功能化、粘接高強化技術，引入高效功能的同時可大幅降低不同于基體材料化學成分結構的涂層粘接材料質量占比（不超過5 %）。同時可利用油墨、膠黏劑在基體薄膜、鍍層、涂層、印刷層或粘接層表面的潤濕行為，結合不同材料層的表面張力差異，引入阻隔性無溶劑聚氨酯粘接性涂層，順利實現復合。

采用稠環芳香酸酐與短鏈多元醇反應制備的阻隔性聚酯聚氨酯，具有共軛大π鍵的芳環構成阻隔性官能團，其阻隔性膠粘層形成“圍堰”，延長水蒸氣、氧氣的透過路徑。此類阻隔性膠黏劑用于BOPP/CPP，滿足功能要求的同時，符合食品安全法規中關于初級芳香胺的要求。

單材化軟包裝各層材料的表面處理技術不同，鍍層、涂層、電暈層、印刷層的表面極性差異大，將膠黏劑作為界面極性過渡介質，調整膠體氫鍵、交聯程度，平衡膠黏劑內聚強度與潤濕能力、錨固能力，以膠液表面張力接近被粘基材表面張力來保證潤濕性能，以膠體的氨酯鍵密度、內聚強度與鍍層極性、附著力接近來保證界面結合，確保粘接與功能兼具。

2.4 單材化復合包裝材料的再生循環利用

單材化技術是解決復合塑料軟包裝高質循環利用的有效途徑。消費后回收的單材化軟包裝經過多次熱歷程加工后，總量占比不超過5 %的熱固性油墨和聚氨酯膠（涂層）以及少量異質材料對基體樹脂性能的影響低，因此單材化包裝材料循環利用性能評價已納入系統研究。

業內選取層共擠材料、透明鍍層材料、非透明鍍層材料、同質材料復合膜等材料，采用旋轉流變儀測試歷經多次熔融擠出加工的回收復合包裝材料的流變行為，證實其具有加工穩定性；利用掃描電子顯微鏡判斷其材料成分具有相容性和穩定性。單材化聚乙烯或聚丙烯軟包裝具有良好的可回收性，可循環利用≥5次。單材化PET軟包裝隨加工次數的增加脆性增大，在不添加其他助劑直接對PET進行重復熱歷程后，使用性能降低，不具備良好的可回收性以及可循環利用性，但可通過加入擴鏈劑和穩定化助劑等實現PET的再次回收加工。

實踐證明，以綠色、可回收、減量設計為理念、通過共擠出-拉伸短流程制膜技術，借助聚合物界面極性調控技術獲得集阻隔、可熱封、可回收、可循環利用等功能于一體的單材化軟包裝，可替代現有市售80 %的非單材化復合軟包裝產品。

單材化包裝不可能是塑料軟包裝生態化的唯一選擇，不可能全部滿足各種功能、應用場景、使用環境的特定要求。滿足更高更強更苛刻功能要求的軟包裝仍然會沿用非同質的熱塑性聚烯烴、聚酰胺、聚酯、金屬鍍層的塑料層、鋁箔等復合在一起的異材或雜材復合膜。針對這兩類復合軟包裝消費后高質再生與循環利用技術的開發得到科技部大力支持。各種物理化學共混、增容、合金化技術不斷深入應用。

3 源頭設計到末端治理，實現復合包裝可持續發展

2021年9月，國家發展改革委、生態環境部聯合發布了《“十四五”塑料污染治理行動方案》，這是繼2020年1月兩部委《關于進一步加強塑料污染治理的意見》出臺后，國家對大力治理塑料污染決心的又一次政策升級。同時，治理塑料污染也是“雙碳”目標下全球關注的焦點。

正視塑料的設計、生產、流通、廢棄、回收、再生的整個產業鏈條缺乏完整的標準、認證、政策、法律制度這一客觀問題，業內企業積極踴躍參加中國合成樹脂協會塑料循環利用分會（CPRRA）、美國華盛頓州兒童安全保護法（CSPA）《塑料可回收性設計指南》[3]系列標準的編制工作。強化源頭設計到末端治理全過程技術創新與應用，減少使用不利于循環再生流程的材料，促進塑料閉環利用。

3.1 源頭開展可回收性設計，提高再生塑料質量

塑料包裝的可回收需要從源頭設計開始。產品設計關注功能性，更強化可回收性。可回收性設計既要考慮單品種，又要有細分應用領域的考量，例如外賣餐盒、快遞包裝、餐飲包裝、軟包裝等，目標是形成閉環。用同一化學成分的材料替代多層異材復合軟包裝，提高再生塑料的質量，進而增加回收塑料的使用。減少油墨使用量也是包裝設計考慮的因素。簡化印刷圖案，減少油墨用量，可突破印刷包裝難回收、難再利用的瓶頸。

3.2 過程控制與末端治理技術緊密結合，推動塑料軟包裝可持續發展

加工過程中改進工藝和引入專用設備可以將復合（印刷）工藝中溶劑揮發納入控制管理，實現VOCs達標排放，促進復合軟包裝可持續發展。

在復合工序中，規模以上企業都已采用排風調節—濃縮—活性碳纖維吸附—蒸汽脫附—冷凝密度差分離—精餾脫水工藝，或者排風調節—濃縮—活性碳吸附—高溫惰性氣體脫附—冷凝分離—精餾精制回收溶劑。采用2種工藝回收的乙酸乙酯純度達99.5 %以上，可返用于復合或印刷，實現循環。規模較小企業則采用排風調節—濃縮—活性炭纖吸附—蒸汽脫附—蓄熱燃燒蓄熱式熱力焚化裝置（RTO）或催化燃燒蓄熱式催化燃燒裝置（RCO），燃燒熱用于廠內干燥和熟化步驟，實現能量回收循環。

在印刷工序中，通過技術集成創新穩定使用針對單一酯類油墨的企業，采用排風調節—濃縮—吸附—高溫氣體脫附—冷凝氣液分離—精餾去除高沸物，得到的酯類溶劑純度99.5 %以上，可循環用于復合或印刷。回收處理的酯類溶劑滿足全廠溶劑使用，短期即可收回設備投入成本。仍然采用混合溶劑油墨印刷的企業，回收溶劑質量波動，返用難度較大，多采用回收—燃燒工藝。

油墨制造與塑料印刷全方位互動合作。業內將大量精力投入到純水性油墨、無溶劑油墨開發，配合新型油墨凹印、表印、柔印的版輥設計與制作、全水印刷或能量固化工藝及裝備，取得了局部成功應用。與此同步，單一溶劑油墨的制造與應用技術取得突破。企業以油墨、印刷、復合共用同一種酯類有機溶劑為目標，聯合相關單位，從油墨連接樹脂的結構成分與溶解性、染顏料的分散性、印刷調墨稀釋與干燥等因素入手開展系統創新，采用淺版印刷，完全實現了廠內單一溶劑印刷，回收溶劑可以返用復合與印刷兩個工段，真正實現了溶劑的循環利用。

無溶劑聚氨酯膠黏劑在軟包裝復合工藝中的應用比例不斷提高。全國正常運行的無溶劑復合機保守估計5 000條，其中國產4 000條，進口或合資品牌1 000條，每年消耗無溶劑膠黏劑12萬噸，替代溶劑型膠黏劑18萬噸。按溶劑型聚氨酯膠黏劑復合工作液濃度計算，減少乙酸乙酯使用量28萬噸。

面向原材料合成制造、聚合物改性、復合加工成型、各場景應用、廢棄、回收、高質化再生、循環使用、重返塑料包裝加工應用等塑料軟包裝產業鏈條的各個環節，從源頭設計、過程控制，末端治理3個階段進行科學統籌，持續創新，污染是可控的。

4 結論

塑料軟包裝已成為國計民生不可或缺的物質資料。膜、墨、膠、溶劑等基礎原材料引入風險化合物的可能性，加工過程中風險物質的泄露或無組織排放，末端治理風險的有效性，包裝內容物苛刻的物理化學特性、包裝后再加工以及貨架要求引發的功能需求，消費后包裝材料的再生與高質循環利用等構成技術層面新挑戰的同時也激發了復合膜及軟包裝技術創新的新機遇。本著塑料軟包裝易再生可循環利用的原則開展源頭設計，各層材料同質單材化，薄膜減薄增強功能化，油墨高固體分單一溶劑化或水性化、無溶劑化，印刷淺版減墨，無溶劑膠黏劑復合功能化，溶劑高效回收閉環再利用等新技術新成果應運而生。

我們已不可能回到“無塑”時代，更沒有必要“聞塑色變”，直面挑戰、捕捉機遇，大力推進技術創新成果的應用，實效推動塑料包裝產業 “疏”“堵”結合，結果必然是環境負荷降低，資源的壓力減少、利用效率提高。