[2007.02]绿色环型PS热收缩膜的特点及产业化技术

摘要：本文简要介绍了国内外热收缩膜的应用领域和现状，阐述了作为绿色环保型聚苯乙烯（BOPS）热收缩膜的性能特点，以及由此而产生的良好的发展前景，重点论述了该产品在产业化生产中的关键技术。

关键词：BOPS热收缩膜 特点 产业化技术

一、热收缩膜的应用领域和现状

随着世界经济的发展、人们生活水平的提高、生活质量的改善，塑料包装作为塑料应用中的最大领域，其发展速度已远远超过纸板和金属等其它包装材料。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%；美国各种包装材料增长率分别是：玻璃0.9%，纸张2.2%，塑料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。在各类塑料包装薄膜中，热收缩膜的市场需求增长迅速，其地位正日益提高。

热收缩薄膜（简称收缩膜）是一种在生产过程中于聚合物的高弹态下拉伸定向，但不进行热定型，使用的时候受热而发生收缩，从而把被包装商品紧紧地收缩包裹起来。使用热收缩包装时，将收缩膜以适当的大小套在被包装的商品外面（一般比商品尺寸大10％左右），然后将其在适当的温度下加热，薄膜则在长度和宽度方面急剧收缩，紧紧地包裹在商品外面，形成一层紧密包装层。包装后的产品密封性和防潮性好，不仅可以简化包装工序，缩小包装体积，而且由于收缩后的透明薄膜紧裹被包物品，能清楚显示物品的色泽与造型，广泛应用于商品包装。

热收缩包装具有良好的使用优点，比如：

²  外观美，可以使薄膜紧贴在商品外，收缩包装是一种贴体包装；

²  可以包装各种形状的商品，而且可以把不同形状的各种商品收缩包装在一个收缩袋中，方便携带；

²  收缩包装同外包装结合起来，使商品悬挂在外包装中，有良好的防振性、防冲击性，保护性优良；

²  保洁性好，可以防尘、防潮，尤其对电子产品防尘很重要；

²  防窃性好，各种购买的东西可以包在一个包装中，防止丢失；

²  透明性好，可以直接观察到商品的完整性，便于挑选，促进销售。

目前，我国主要的热收缩膜有PVC、PE、BOPP、POF、PET-G等，其中，由于PVC价格低廉，在热收缩膜领域应用最广泛。虽然PVC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（HCI）和析出增塑剂，影响内装物质量，危害人体健康；并且难以回收。燃烧时产生二噁英（dioxin），是一种被确认的致癌物质。在德国等欧洲国家、日本和其它一些国家内禁止使用。美国虽然没有禁用PVC制品，但对食品级PVC中聚氯乙稀单体含量规定为≤0.01ppm。我国目前规定是≤5ppm，是美国标准的500倍，因此目前在我国发展绿色安全环保型的收缩膜产品是急需提上日程的项目。另外，由于PE热收缩膜的收缩张力小, BOPP热收缩膜的收缩率低,POF热收缩膜价格昂贵，PET-G收缩张力高，故而，这几种收缩膜在使用方面有各自的局限性，难以得到广泛的应用。

二、聚苯乙烯（BOPS）热收缩膜的性能特点及发展前景

BOPS是上世纪50年代初由美国Emhart、Plam股份公司首先开发的。二次大战以后，先后有多条生产线投入生产，美国陶氏化学公司也是世界上树脂产量最高和质量最好的厂家。目前世界各国BOPS片材年生产能力大约在55万吨左右，美国、加拿大、日本生产能力约35万吨，欧洲各国约10万吨，我国台湾省有一条生产线能力约1万吨左右。而BOPS热收缩薄膜的生产产家和产量都很少。

BOPS薄膜无味无毒，回收工艺简单，属于绿色环保产品，是取代国内目前广泛使用的PVC收缩膜的首选材料。BOPS在环保方面有两大优势：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化过程中不产生任何对人体健康有害的物质。

PS热收缩膜之所以是当今世界关注的好材料，除它本身是很好的环保材料外，还具有许多良好使用性能：

²  具有良好的透明度和光泽性，可提高包装产品的显示效果，给消费者良好的感觉，有利于直接观察到商品的外形细节，从而提高产品的销售档次。

²  具有良好的耐水性和电性能，其吸水率是PVC 膜的1/2，PET 膜的1/5，在湿度极高时表面也不会形成冷凝水。

²  抗拉强度比PVC高，收缩率和收缩应力均有较大的调节范围，适合于各类商品的热收缩包装要求。

²  易于印刷、装饰，可采用传统的胶印、丝印、涂复、复合、真空镀膜等后加工工艺。

²  比重小（1. 05左右，PVC为1. 37左右），在达到相同强度与PVC壁厚比可减低25％。

²  耐低温、冷冻性能好。

由于其优异的环保特征和包装性能，开展环保型绿色热收缩BOPS包装薄膜的产业化研究，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能力、克服环保壁垒具有重要的市场意义和市场前景。

三、实现绿色BOPS热收缩膜产业化生产的关键技术

BOPS热收缩膜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，由于配方难以掌握、生产工艺难调整、原材料供应紧张等原因，国内对PS收缩膜生产和应用的研究目前还处于初步阶段，没有掌握整条大规模生产线的制造技术与能力，因此，本项目的研究开发将在绿色包装热收缩薄膜领域突破国外技术的封锁，提高我国包装技术与材料的档次。这对于扩大对外出口以及缓解我国环境的污染必将起到重要的作用。我司与大专院校和科研机构密切配合，采取优势互补的策略，利用大专院校和科研机构的科研力量和实验手段，结合公司本身的先进生产设备和丰富的工艺生产经验，终于攻克了制约该产品实现产业化生产的技术难关，实现了BOPS热收缩膜的产业化生产。

我们主要研究开发的内容如下：

1、生产加工设备的研发与改造

由于国内对BOPS热收缩膜生产和应用的研究目前还没有掌握整条大规模生产线的制造技术与能力，因此，我们着眼于对国外关键生产设备的消化吸收，并通过自身的研发能力，改革创新，形成具有自主知识产权的关键国产化生产装备，技术性能指标达到国际先进水平。

1）生产线的操作及控制全部由PLC控制。对挤出机组传动装置实行速度控制和压力控制，保证挤出机和冷鼓有极高的传动精度，以确保薄膜纵向公差的均匀性。冷鼓和纵拉慢速辊之间，以及纵拉快速辊和横拉之间采用张力传感器进行速度协调。从冷鼓开始至牵引机组的速度给定呈速度链关系，保证生产线的线速度是协调的，提高整个生产线的稳定性及可靠性。所有传动系统均采用全数字调速装置，并配置有总线通讯卡、能直接联网与PLC控制器构成现场总线网络。操作人员能根据生产过程要求多种形式的速度快速变换、自动调节、程序动作、前后跟踪等。

2）在拉伸过程中，拉伸与定向是否均匀、程度大小是否适当，关键在于材料温度的均匀和稳定。为了保证温度的准确，采用热媒油或软化水加热，由铂电阻检测温度，输人到PLC并通过PID运算，控制比例流量控制阀来实现温度控制。温度控制器可采用PID控制方式，又可采用模糊逻辑控制，并具有自适应功能，控制参数可自整定。

3）挤出机系统。挤出机系统的好坏直接影响到PS熔融以及各种助剂在熔体内的分散效果，本项目采用具有自主知识产权的同向平行三螺杆挤出机加计量泵的方式，保证挤出过程的稳定和物料的良好塑化；挤出机螺杆采用较大长径比，以使得PS颗粒得到充分熔融。过滤装置将其中杂质、异物剔除并保持较高背压，使物料得到更好的塑化。采用齿轮泵精确计量，流量稳定、压力稳定的熔体送入模腔，经模唇挤出形成厚度均匀、表面光洁的厚片。

整条BOPS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。

2、BOPS热收缩膜专用料的配方以及工艺设计

BOPS热收缩膜是使用专用原料通过挤出机挤出、双向拉伸、冷却定型、牵引收卷等工序而得到的。

1）、BOPS专用料方面的研发：

●         PS母料。采用薄膜级高抗冲聚苯乙烯（PS）透明颗粒，要求MFR在1.2～2.5g／10min之间，维卡软化点在105℃左右。目前主要国外生产厂家有美国DOW公司、德国BASF公司、日本三菱公司和PS JAPAN公司。国内的生产厂家有北京燕山石化公司、南京扬子石化公司、汕头海洋集团公司等。从主要原料国产化的目的出发，本项目采用国产化的PS材料。

●         增韧剂。薄膜级高抗冲聚苯乙烯（PS）透明颗粒其质硬且脆，为改善其脆性和PS的热成型性能，需加入一定量的增韧剂，如：飞利浦公司的K树脂等。

●         回收料。回收料是将横拉切边和分切PS大母卷时得到的边料，经粉碎、造粒，制成清洁的PS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。

●         其它助剂。为了改善收缩膜的某些性能，还根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）、工艺设计

基本成型工艺条件

3、BOPS热收缩膜生产工艺的调试

生产质量优良的BOPS热收缩膜，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。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，

主要工艺过程中，要先将95~97%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；切除两边未经拉伸的厚边，对薄膜进行电晕处理，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：

1）、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，按一定比例将主料、增韧剂和其它助剂从储仓输送至料斗，同时，将一定比例的回用边角废料经计量后输送，与其它原料混合后，送往挤出机。各料槽下部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。料斗设有高低料位报警控制。本工序物料的输送主要用气流和螺旋输送机输送，关键的控制是物料计量及混合均匀。

2）、挤出、铸片

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。物料在模头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。

3）、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，由纵向拉伸机进行纵向拉伸，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，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，一般以135℃为宜 ，利用快——慢辊速差一次拉伸成型，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。对于适用于食品包装热成型的薄膜，要保证热成型工艺使制品成型完整，厚度均匀。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。

4）、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BOPS热收缩薄膜，利用分切机，将其分切为用户要求的规格，然后进行包装，即得到BOPS热收缩膜成品。

四、结论

1、生产线的操作与控制全部由PLC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，拉伸倍数可调。

2、横向拉伸的过程中，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℃之间，采用在线测厚仪检验横向拉伸后薄膜的厚度，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，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、热收缩率等技术指标均达到要求的产品配方及其生产方法，制成性能优异的BOPS热收缩膜。

5、生产过程中不添加任何对人体有害的加工助剂，热收缩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：厚度范围15-80um；平均厚度偏差小（≤±4%）；拉伸强度高（纵向≥40MPa、横向≥80MPa）、弹性模量高（纵向≥1400MPa、横向≥1600MPa）、雾度小（≤5％）、光泽度高（≥100％）、收缩率大（纵向≥10％、横向≥70％），其技术处于国内领先、国际先进水平。

参 考 文 献

[1]《2006年广东省关键领域重点突破项目》投标文件

广东华业包装材料有限公司和华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心联合编制

[2]《前景广阔的双向拉伸聚苯乙烯加工技术》

《今日科技》2000年第4期   蒋新萍

[3]《BOPS片材生产工艺及设备》

《塑料包装》2000年 第10卷 第4期   周理水

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