高性能三元聚乙烯专用料在重包装膜袋（FFS袋）减薄降塑应用及循环回收利用的研究

蔡志强 崔宇辉

（1.中国石油化工股份有限公司化工事业部，北京，100728；2.中国石化天津分公司，天津，300271）

1. 前言

目前，合成树脂粒料包装绝大多数是以25 kg小包装袋为主，随着包装技术水平的提高和用户对产品包装质量要求的提高，25 kg小包装袋已经由原来使用编织袋复合包装袋升级到使用重包装膜袋。

重包装膜袋也被简称为FFS膜袋，为制膜袋（Film）、装料（Fill）和封口（Seal）一体化的英文缩写，它是90年代初由欧洲发展起来的一种高速包装技术，包装效率高且成本低。

截止到2020年末，中国的聚烯烃树脂产能约为5611万吨，其中聚乙烯为2261万吨，聚丙烯为3350万吨。预计到2021年末，将新增1150万吨左右，届时，聚烯烃将达6761万吨。

根据中国国情，按75%为25 kg小包装比例计算，重包装膜袋用量约32万吨，2021年新增用量近6万吨。

FFS膜袋技术发展趋势为高强度、薄型化。一方面源于环保压力，全球各国家积极落实联合国于2015年发布的《2030年可持续发展议程》，出台进一步减少和限制使用塑料的系列措施，提倡可循环、易回收、可降解可持续发展方向。另一方面，随着聚烯烃装置规模日趋大型化，基础设计规模大部分以30万吨/年起步，日产量近1000吨，所配置的包装生产线包装速度达1200～2000袋/h，大大超过传统复合袋的包装效率，要求FFS膜袋应有较高的强度。新型材料的研发和应用，使得FFS膜袋在满足高强度技术要求的同时，厚度也逐渐往薄型化发展。国际上技术领先水平的FFS薄膜厚度已减薄至0.100 mm，主流是0.120 mm[1]，这对于FFS薄膜所使用材料及配方提出了更高要求。2019年，中石化开始对《合成树脂包装通则》（Q/SH 0571-2013）企业标准进行修订，新标准将FFS膜和袋的厚度通常分为0.160 mm、0.170 mm、0.180 mm、＞0.180 mm修改为0.100 mm、0.120 mm、0.140 mm、0.160 mm，分步接轨国际标准。因此，研究和开发一种高强度FFS专用料，使FFS膜袋既具有优异抗穿刺性、高挺度、高强度，在减薄的同时其功能和外观符合市场需求，满足易于回收再利用的环保要求，具有重要社会意义和经济效益。

中国石化在自主开发的气-液法聚乙烯生产工艺基础上开发了高强三元聚乙烯专用料，通过长链α-烯烃的引入，在材料性能指标上较常规工艺方案生产的线型低密度聚乙烯产品性能上有较大提升，可以以较高比例替代茂金属线型聚乙烯使用比例，在重包装膜减薄配方优化方面起到了良好效果，同时三元聚乙烯是一种乙烯基的单一材料非常易于回收和再利用，是值得推广的环保型材料。

2. 重包装膜袋（FFS袋）的用料组成及性能要求[2-4]

以目前国内普遍采用的三层共挤工艺制作FFS袋为例，层结构为1：2：1。主要原料一般采用适于吹膜产品的高压低密度聚乙烯（LDPE）和线型低密度聚乙烯（LLDPE）配方组合，其中线型低密度聚乙烯中需要使用较高比例的茂金属线型聚乙烯（mLLDPE）以提高膜袋强度；根据膜袋使用区域的气候条件和环境的差异性，为提高膜产品的挺度，适量加入低压高密度聚乙烯（HDPE）调整配方。

通用的配方是LDPE加入量在5%-25%，主要的作用提供高熔体强度，保持吹膜过程中的膜泡的稳定性。共混可使薄膜力学性能与加工性能达到良好平衡。

LLDPE加入量在90-70%，主要的作用是利用线型低密度聚乙烯的短链支化结构使其具有较高的拉伸强度、抗刺穿性和抗撕裂特性，其中，茂金属线型聚乙烯（mLLDPE）的采用是利用其良好的物理机械性能（耐撕裂强度、抗穿刺和抗冲击性等）和更好的热封性能，在配方中使用量约占20-40%。

中国石化天津分公司线型聚乙烯F1815是在中国石化自主研发的气-液法生产工艺上开发的乙烯-丁烯-已烯三元LLDPE产品，是一种性能介于普通LLDPE和mLLDPE的新产品，既具有良好的光学性能、优异的物理力学性能，同时具备优异的抗穿刺性能和平衡的撕裂强度，适用于重包装袋，自立袋，农用薄膜，多层包装薄膜，冷冻食品包装等多种包装制品加工，可以减少成本较高mLLDPE（共聚单体采用己烯，以C6表示；或辛烯，以C8表示）的用量，使配方设计更经济化。线型聚乙烯F1815及参比产品性能指标对比数据如表1。

基于中国石化《合成树脂包装通则》（Q/SH 0571-2020）制订了技术参考指标，如表2。

3. 优化配方实施案例与结果讨论

3.1 优化方案

优化方案如表3。

3.2 结果与讨论

3.2.1 实施案例1

在河北地区的国产设备上使用F1815优化配方实施案例检测数据如表4。

结论，优化原设计配方后，由于F1815的加入，可替代35%的C6-mLLDPE和C8-mLLDPE合计用量，膜袋性能指标稳定性良好，成本下降，性价比更高。

3.2.2 实施案例2

在天津地区的进口设备上使用F1815优化配方实施案例检测数据如表5。

结论，优化原设计配方后，F1815替代量可达到40%，将C6-mLLDPE的使用量降到38%，可以大幅提高FFS制造的经济性。

表1 F1815及参比产品性能指标对比数据

表2 FFS膜袋技术指标（0.140 mm规格）（暂定）

表3 优化方案

表4 实施案例1检测数据表

表5 实施案例2检测数据表

表格6实施案例3、4检测数据表

3.2.3 实施案例3、实施案例4

分别在山东、北京地区的进口设备上使用F1815优化配方实施案例检测数据如表6。

由于涉及两家不同加工企业，虽设备类型相同，两组试验方案原始配方结构略有差异，替代方案设计也略有不同。

结论，由于配方中提高了F1815比例，加工时设备熔压明显降低，产能提升，停机换网时间延长，在两家企业替代方案中可实现替代35-40%的mLLDPE用量。成本下降，性价比更高。

3.2.4 实施案例5

在福建地区的进口设备上使用F1815优化配方分别制作了0.160 mm和0.140 mm两种厚度规格的薄膜，实施案例检测数据如表7。

注：测试结果来自埃克森上海试验室，测试方法与项目与包装通则项目略有不同。

结论，由于该重包装膜的使用地区处在常年气温较高地区，配方结构以中高密度聚乙烯为主以增加膜袋强度，同时，茂金属聚乙烯产品占比也较高，由于F1815的加入，可降低茂金属聚乙烯产品比例，在0.160 mm和0.140 mm两种厚度FFS膜配方中，使用F1815替代比例可以达到21%，各项性能指标达到FFS膜的性能指标要求。成本下降，性价比更高。

表7 实施案例5检测数据表

4. FFS重包装膜袋持续减薄、回收及再利用解决方案

随着新的合成树脂新材料开发与生产技术的不断提高，国内FFS重包装膜的结构配方将会不断优化调整，未来的发展方向将是开发轻量、薄型优质薄膜，适度降低薄膜厚度，同时，随着薄膜生产工厂增多，竞争加剧，成本控制变得越来越重要，膜厚度减薄是降低成本的一个重要手段。

2020年底，中国石化14家企业实现了部分FFS重膜包装袋减薄至0.140 mm，共减少使用FFS膜3547吨，折合减少碳排放17735吨。中国石化正在尝试从工艺技术再改进、引入辛烯共聚单体和催化体系研发等措施开发更高性能的线型聚乙烯新牌号，或研发在线共混改性复合高性能材料，同时还需联合下游加工企业进一步优化配方及生产工艺，达到最终的减薄目标。

按中国石化企标的目标，如果从0.140 mm进一步减薄达到最终0.100 mm，减重29%，全部采用重包装膜袋后，折算减薄后可减少2.9万吨聚乙烯材料的消耗，同时包装成本也将大幅下降。

FFS重包装膜作为一种塑料包装，在工业品的包装材料中占有很重要的位置，而在包装废弃物中塑料成分占有很大的比例，约40%，其最大的缺点是不易降解，但由于FFS重包装膜使用的原料为聚乙烯为主，属于单一材料，是一种易回收的材料，如果能够采取适当的措施，控制使用后的环节，强化回收再降级利用，是实现经济性循环的有效一步；如果实现上下游联动，实现集中采集与统一处理，采取化学回收方式重新得到合成树脂所需单体原料，再用于生产包装用的合成树脂，则可实现全产业链的循环经济发展。

为了解决“白色污染”问题，中国石油化工股份有限公司成为国内首家加入AEPW联盟的企业，作为中国石化的直属研究院，石油化工科学研究院开发的以废塑料生产低杂质油品技术（SPWO）为代表的系列化技术，将废塑料再次“变为”塑料，同时副产芳烃等化工原料，其主要技术特点是将经过预分拣的废塑料经化学分选，可以有选择性的控制终端产品方向，以重包装膜袋为例，材质为单一且纯度较高的聚乙烯，则可以高收率的得到低碳烯烃，返回到聚合装置生产塑料产品，真正形成烯烃→塑料→废塑料→烯烃的闭合回路，实现塑料全生命周期的绿色循环，彻底解决“白色污染”。

此外，该技术有更广的适用性，适用于来自垃圾场的填埋废塑料、城市生活垃圾中分拣出的废塑料、各项工农业生产过程中产生的废塑料、快递、外卖等商业过程中产生的废塑料以及医用废塑料等，这些原料均为无法物理回收或物理回收成本过高的混合废塑料，可以是PE、PP、PS、PVC、ABS等塑料中的一种或多种。

5. 结论

5.1 三元线型聚乙烯产品F1815是通过聚合工艺的改进从而得到具有较常规线型聚乙烯更高的抗拉伸和抗冲击性能，在FFS重包装膜加工生产中，可实现对部分茂金属线型聚乙烯替代，使FFS重包装膜性能仍达到标准使用要求。

5.2 使用三元线型聚乙烯产品F1815替代茂金属线型聚乙烯的比例需要根据FFS厚度规格、设备类型以及配方设计进行相应调整，F1815的替代量可从21%到40%，同时对不同设备有良好适应性。

5.3 FFS减薄是未来趋势，目前已在南方地区完成0.140 mm规格的FFS膜减薄优化试验，且F1815的替代量最高可达到40%。可根据不同地区的使用条件调整F1815增量替代优化方案，进一步降低成本增加效益。

5.4 F1815是采用改进后的齐格勒-纳塔（Z-N）催化剂在气-液法线型聚乙烯工艺上开发生产，较茂金属线型聚乙烯产品具有良好的经济性，以两类产品差价1000元/吨为基础，吨包装成本降低200元/吨到400元/吨不等。

FFS重包装膜袋的基本配方是以不同密度的聚乙烯产品的不同比例组合制成，属于单一材料，并且属于易于回收的材料。

集中收集与处理后，可以采用物理回收实现再利用；或是采用化学回收方法，可以获得高收率的乙烯单体，重新用于聚乙烯的制造。中国石化自主开发了相关的化学回收技术，可以实现未来重包装膜袋的高效加收和制取化工原料，使合成树脂全产业链生态循环建立成为可能。