梁艷艷 許錦才 黃偉倫 沈金強(qiáng) 黃漢雄

（江門(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司；華南理工大學(xué)）

1 前言

近幾年，食品安全事件不僅將食品企業(yè)推到了風(fēng)口浪尖，也將作為食品生產(chǎn)最后一環(huán)的食品包裝企業(yè)帶入了公眾的視線[1]。食品包裝作為食品的“貼身衣物”，能夠起到保護(hù)、宣傳食品的作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)食品質(zhì)量產(chǎn)生直接或間接的影響。為了實(shí)現(xiàn)食品藥品的宣傳、保護(hù)、阻隔等功能，常見(jiàn)的食品藥品包裝膜通常由多層具備不同功能的薄膜復(fù)合而成，即表層、印刷層、阻隔層、熱封層等[2]。

目前，制備多層復(fù)合膜的方法主要有：干式復(fù)合、擠出復(fù)合和無(wú)溶劑復(fù)合。干式復(fù)合采用經(jīng)溶劑稀釋的膠黏劑作為粘接層，將各種基材粘合起來(lái)構(gòu)成多層復(fù)合膜[3]；擠出復(fù)合采用擠出機(jī)擠出的聚合物熔體作為粘結(jié)層，將將各種基材粘合起來(lái)構(gòu)成多層復(fù)合膜[4]；無(wú)溶劑復(fù)合直接采用雙組分的膠黏劑作為粘接層，將基材粘合起來(lái)構(gòu)成多層復(fù)合膜[5]。不同的復(fù)合方法使用的粘結(jié)料的形式不同，因而呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

干式復(fù)合采用經(jīng)溶劑稀釋過(guò)的膠黏劑，因此復(fù)合過(guò)程中有揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放，由于溶劑無(wú)法完全揮發(fā)，后期會(huì)出現(xiàn)氣泡、白點(diǎn)、溶劑殘留等問(wèn)題；由于經(jīng)溶劑稀釋后的膠黏劑在基材表面的鋪展性好，其具備較高的復(fù)合牢度（也即剝離強(qiáng)度）和較廣泛的基材種類(lèi)。擠出復(fù)合采用聚合物熔體作為粘結(jié)料，復(fù)合過(guò)程環(huán)保，不易出現(xiàn)白點(diǎn)、氣泡以及溶劑殘留等問(wèn)題，但是會(huì)出現(xiàn)漏復(fù)、晶點(diǎn)等，且復(fù)合牢度相對(duì)較低。

無(wú)溶劑復(fù)合采用不含溶劑的膠黏劑作為粘結(jié)料，復(fù)合過(guò)程無(wú) VOC排放，但其膠黏的分子量較低，復(fù)合后易出現(xiàn)遷移等安全問(wèn)題。三種復(fù)合方式均存在其優(yōu)點(diǎn)，但也含有一些不足。因此，開(kāi)發(fā)出復(fù)合過(guò)程無(wú) VOC排放，復(fù)合產(chǎn)品安全且具備較高剝離強(qiáng)度的復(fù)合方式勢(shì)在必行。

2 擠出復(fù)合生產(chǎn)線

如圖1所示，擠出復(fù)合生產(chǎn)線主要由放卷裝置、電暈裝置、涂膠及烘干裝置、擠出機(jī)、復(fù)合裝置、收卷裝置以及中央處理器構(gòu)成[6]。

圖1 擠出復(fù)合生產(chǎn)線

放卷裝置將基材放卷，應(yīng)具備以下條件：①給予基材適當(dāng)?shù)膹埩σ詫?shí)現(xiàn)平整、穩(wěn)定的放卷；②新基材切換時(shí)，接卷容易、損失少；③確?；脑谝欢ǖ奈恢蒙希虎苌暇砣菀?。

電暈裝置的作用是將基材膜電暈，從而使其達(dá)到一定的表面張力，促使粘結(jié)料在基材表面的鋪展[7]。

涂膠及烘干裝置主要應(yīng)用于要求高剝離強(qiáng)度的場(chǎng)合，可采用干式復(fù)合的膠黏劑或水性膠黏劑作為底涂劑，上膠量較少[8,9]。

擠出機(jī)作為擠出復(fù)合的核心部件，塑料在擠出機(jī)內(nèi)的塑化情況、T型模頭流出熔體的均勻性將直接決定著復(fù)合產(chǎn)品的優(yōu)劣[6,10]。

復(fù)合裝置的主要作用是把熔融的片材樹(shù)脂均勻平整地涂覆在基材薄膜上，主要由冷卻輥、橡膠壓力輥、支撐輥、修邊裝置、防粘噴粉裝置等組成。擠出機(jī)下型模頭擠出的片狀樹(shù)脂熔體引入到橡膠輥和冷卻輥之間，經(jīng)展平輥展平的基材薄膜也進(jìn)入橡膠壓力輥和冷卻輥之間，片狀樹(shù)脂熔體與基材薄膜在壓力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)合。特別地，冷卻輥的冷卻效果與表面狀態(tài)能夠影響復(fù)合膜的透明性及表面粗糙度等。

收卷裝置是將一種或幾種基材經(jīng)復(fù)合后的復(fù)合膜收緊卷取的裝置，通常要求松緊度適中、無(wú)褶皺、紙管安裝和下卷方便。

中央處理器是整個(gè)擠出復(fù)合機(jī)的中控系統(tǒng)，控制著擠出機(jī)各段的溫度、背壓力、螺桿轉(zhuǎn)速以及整機(jī)的機(jī)械速度、收放卷張力等。

3 擠出復(fù)合工藝

擠出復(fù)合（Extrusion lamination）是將熱塑性樹(shù)脂，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）等，由擠出機(jī)熔融塑化后經(jīng)T模頭擠出在一種基材上，同時(shí)與另一基材復(fù)合貼壓在一起，冷卻后制成復(fù)合薄膜的一種復(fù)合方法[10,11]。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)將擠出涂布（Extrusion coating）也歸為擠出復(fù)合。擠出涂布是將熱熔性樹(shù)脂連續(xù)均勻地?cái)D出，在一種基材上直接冷卻收卷成復(fù)合薄膜，不與另一基材貼合的工藝[12]。擠出復(fù)合工藝中影響復(fù)合膜質(zhì)量的主要參數(shù)如下：

1） 溫度——擠出復(fù)合生產(chǎn)線中的溫度主要為擠出溫度和冷卻溫度。擠出溫度的設(shè)定主要由所采用的樹(shù)脂決定，合理的溫度設(shè)定對(duì)擠出復(fù)合極為重要。溫度太低，復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度差、塑化不良、外觀暗淡[13]；溫度太高，則塑料易分解、復(fù)合膜脆硬、擠出膜的收縮率增大[14]。另外，T型模頭較寬，兩端易散發(fā)熱量，故模頭兩端的溫度設(shè)定可提高 2～3℃。冷卻輥的溫度一般設(shè)定為10～30℃，也可根據(jù)擠出料和基材的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般地，冷卻輥表面溫度適當(dāng)提高，可增加復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度，但是溫度過(guò)高時(shí)又會(huì)出現(xiàn)粘輥現(xiàn)象，不利于操作[15]。

2） 氣隙——從T模頭的模唇口到冷卻輥、復(fù)合壓力輥接觸線的距離稱(chēng)為氣隙。氣隙大，則復(fù)合溫度低、復(fù)合牢度差、透明度不好；另一方面，氣隙大增加了熔體表面的氧化程度，促進(jìn)了復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的提高。一般將氣隙控制在50～100 mm。另外，T模頭擠出的塑料熔體膜要略向復(fù)合橡膠輥方向傾斜，避免因熔體急劇降溫而降低復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度。

3） 過(guò)濾網(wǎng)——過(guò)濾網(wǎng)的作用是過(guò)濾熔體，使熔體流動(dòng)均勻，并形成背壓作用。過(guò)濾網(wǎng)的設(shè)置組合有多種形式，如40/60/80/20、20/100/20、80/100/120/80、80/100/120/120/80等。較細(xì)的網(wǎng)目可使熔體流動(dòng)均勻，塑化良好，但會(huì)提高背壓力[16,17]。

4） 速度——速度控制主要是螺桿轉(zhuǎn)速、牽引速度與產(chǎn)品厚度和性能的匹配關(guān)系。螺桿轉(zhuǎn)速高，牽引速度慢，薄膜厚度大；螺桿轉(zhuǎn)速小，牽引速度快，薄膜厚度小[18,19]。如果擠出量偏大，牽引速度過(guò)快，會(huì)造成薄膜的透明度下降，縱向取向增大，使薄膜的機(jī)械方向性增高。當(dāng)擠出量和薄膜的寬度一定時(shí)，薄膜的厚度可以通過(guò)涂布的速度來(lái)調(diào)整。

5） 縮幅控制——熔體膜在模頭下垂過(guò)程中會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)，使得兩邊有一定的縮幅，不但使復(fù)合膜兩邊增厚，影響收卷及成品質(zhì)量，還會(huì)使擠出復(fù)合寬度難以控制。縮幅與樹(shù)脂本身的性能以及擠出溫度和牽引速度息息相關(guān)[20]。

4 擠出復(fù)合分類(lèi)

目前，基于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的要求，可根據(jù)擠出復(fù)合生產(chǎn)線中擠出機(jī)臺(tái)數(shù)及模頭數(shù)量將擠出復(fù)合分為：?jiǎn)温?lián)單擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線、單聯(lián)共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線、雙聯(lián)單擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線、雙聯(lián)共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線、三聯(lián)共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線等。通常，為了直接將擠出復(fù)合設(shè)備與其功能聯(lián)系起來(lái)，可根據(jù)擠出復(fù)合生產(chǎn)線的用途，將其劃分為：彩印包裝擠出復(fù)合生產(chǎn)線、預(yù)涂膜（保護(hù)膜）擠出復(fù)合生產(chǎn)線、離型紙（標(biāo)簽紙）擠出復(fù)合生產(chǎn)線、紙杯紙擠出復(fù)合生產(chǎn)線、液體包裝擠出復(fù)合生產(chǎn)線。

1）彩印包裝擠出復(fù)合生產(chǎn)線

彩印包裝擠出復(fù)合生產(chǎn)線所采用的基材一般為塑料薄膜，通常為雙向拉伸聚丙烯（BOPP）、雙向拉伸聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（BOPET）、取向尼龍（ONY）、鋁箔（AL）、鍍鋁聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（VMPET）、鍍鋁聚丙烯（VMCPP）、流延聚丙烯（CPP）、吹膜聚乙烯（IPE）中的一種或幾種等。

常用的復(fù)合結(jié)構(gòu)如下：

a. 食品輕包裝，包括方便面包裝（BOPP/exPE、BOPP/exPP、BOPP/exPP*PE、BOPP/exPE/VMCPP 等）、冷飲外包裝（BOPP/exPP*PE、BOPP/exPP）、糖果（BOPP/exPE/LDPE）、餅干內(nèi)袋（BOPP/exPE/LDPE、BOPP/exPE/VMCPP）、冷凍（BOPP/exPE/LDPE）、奶粉袋（BOPP/exLDPE*EAA/VMPET/CPP、BOPP/exLDPE*EAA/VMPET）、奶粉小包（BOPP/exPE/LDPE、BOPP/exPE/CPP）、膨化包裝（BOPP/exPE/VMCPP、BOPP/exPE/VMPET/CPP）等；

b. 非食品輕包裝，包括洗衣粉（BOPP/exPE/LDPE）、洗發(fā)水（PET/exPE/MLLDPE、PET/exPE/VMPET/MLLDPE）等；

c. 紙塑鋁高阻隔包裝，包括瓜子袋（紙/exPE/AL/exPE/LDPE）、方便面碗蓋（PET/紙/exPE/AL/exLLDPE*EVA、紙/exPE/AL/ exLLDPE*EVA）；

d. 果凍膜（ONY//LDPE/exPE/EVA）；

e. 果凍外袋（OPP/exPE/CPP）；

f. 牙膏片材（LDPE/exPE/LLDPE/exPE/MDPE、LDPE/exPE/EAA/AL/exEAA/PE/LDPE）。

2）預(yù)涂膜擠出復(fù)合生產(chǎn)線

預(yù)涂膜是指預(yù)先將塑料薄膜上膠、復(fù)卷后，再與紙張印品復(fù)合的工藝。其一般以 BOPP或BOPET為基材，基材經(jīng)涂覆水性底涂劑后，涂覆一層熔體膜。

目前，預(yù)涂膜擠出復(fù)合生產(chǎn)線使用的塑料一般為EVA，生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。其生產(chǎn)流程一般為：基材放卷-電暈-涂膠-干燥-擠出涂覆（加臭氧）-復(fù)合-電暈-收卷。

圖3 預(yù)涂膜擠出復(fù)合生產(chǎn)線

3）離型紙（標(biāo)簽紙）擠出復(fù)合生產(chǎn)線

圖4 離型紙擠出復(fù)合生產(chǎn)線

離型紙又稱(chēng)隔離紙、防粘紙、硅油紙。是一種防止預(yù)浸料粘連，又可以保護(hù)預(yù)浸料不受污染的防粘紙。

離型紙的制備過(guò)程一般為：紙基材-擠出涂覆PE-涂硅-干燥。

4）紙杯紙擠出復(fù)合生產(chǎn)線

紙杯紙擠出復(fù)合生產(chǎn)線以紙為基材，在紙基材上擠出涂覆一層塑料后，用于制備一次性紙杯、紙碗等日用品。其工藝過(guò)程一般為：紙基材-擠出涂覆-符合-收卷。

圖5 紙杯紙擠出復(fù)合生產(chǎn)線

5）液體無(wú)菌包裝擠出復(fù)合生產(chǎn)線

圖6 無(wú)菌包裝專(zhuān)用三聯(lián)多層共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線

液體無(wú)菌包裝由紙、聚乙烯薄膜和鋁箔復(fù)合而成，可有效隔絕光線、氧氣及外界的污染，從而保證包裝內(nèi)容物無(wú)需冷藏和防腐劑即可擁有較長(zhǎng)貨架期。既解決了長(zhǎng)途運(yùn)輸對(duì)產(chǎn)品保質(zhì)期的挑戰(zhàn)，又避免了食品的浪費(fèi)。

特別地，液體食品包裝通常采用三聯(lián)多層共擠擠出復(fù)合線進(jìn)行生產(chǎn)，其工藝過(guò)程一般為：紙基材放卷→擠出涂覆 LDPE→反轉(zhuǎn)→二放卷 AL→擠出涂覆 LDPE→復(fù)合→三層共擠 EAA/LDPE/PE→收卷。

5 擠出復(fù)合的新工藝及發(fā)展方向

1）低成本高強(qiáng)度無(wú)底涂擠出復(fù)合工藝

江門(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司于 2018年 4月23日在其江門(mén)工廠內(nèi)演示了“食品藥品軟包裝無(wú)AC劑擠出復(fù)合工藝”。該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：基材表面極化處理，產(chǎn)生較多活性基團(tuán)；擠出樹(shù)脂改性與微層共擠結(jié)合，成本僅比LDPE高0.02元/m2；氧化區(qū)加裝導(dǎo)能裝置，高效活化擠出樹(shù)脂表面；全幅寬復(fù)合材料平整度控制；縱向厚薄均勻度調(diào)節(jié)。

演示會(huì)上主要演示了兩種結(jié)構(gòu)：PET/印刷（全版面）/P1-LDPE-P1/VMPET/P1-LDPE-P1/吹膜 PE和 PET/印刷（全版面）/P1-LDPE-P1/AL/P1-LDPE-P1/吹膜PE，加工速度均為120 m/min。經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)，本工藝制備的復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度、熱合強(qiáng)度均達(dá)到藥品類(lèi)多層復(fù)合膜國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，且未檢出溶劑殘留。本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：①層間剝離強(qiáng)度更高，達(dá)到2 N/15 mm或以上；②有機(jī)溶劑零排放，零殘留；③生產(chǎn)工藝更加簡(jiǎn)單，無(wú)需涂布AC劑，成本降低；④外觀無(wú)氣泡、白點(diǎn)；⑤粘合層無(wú)毒，擠出粘合復(fù)合膜100%安全。

圖7 低成本高強(qiáng)度無(wú)底涂擠出復(fù)合工藝示意圖

2）可循環(huán)單一材質(zhì)擠出復(fù)合工藝

限塑令實(shí)施至今，由多種膜復(fù)合而成的復(fù)合膜袋仍難以進(jìn)入循環(huán)經(jīng)濟(jì)。如何將廢棄包裝材料回收以及回收后變?yōu)橘|(zhì)量可媲美純凈、未使用的初生材料的原材料仍面臨著挑戰(zhàn)。在塑料原料、塑料加工企業(yè)的共同努力下，單一材質(zhì)可回收的多層復(fù)合膜應(yīng)運(yùn)而生。目前，?？松梨诎l(fā)布了以埃奇得?XP、埃奇得?、埃能寶?以及 Exact?高性能聚乙烯(PE)為原料生產(chǎn)的 PE單一材料復(fù)合膜，認(rèn)為此復(fù)合膜可提供優(yōu)異的包裝完整性，穿刺能和出色的光學(xué)性能，同時(shí)具備可回收性[21]。單向拉伸聚乙烯（MDO PE）與其他基材相比具有優(yōu)異的光學(xué)性能、相似的霧度、出色的縱向模量、較非MDO PE可減薄28%并能夠支持柔印和凹版印刷的特性可使其作為單一包裝材料的外層基材使用[22]。另外也有研究表面，EVOH經(jīng)MDO工藝處理后，其阻隔性能可提高三倍以上[23]?；诖耍T(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司推出了最新的關(guān)于單一材料的擠出復(fù)合技術(shù)，制備了結(jié)構(gòu)為MDO PE25μm/exPE15μm/IPE45μm的復(fù)合膜，工藝過(guò)程為：基材（MDO PE）放卷-電暈-基材（IPE）放卷-擠出涂布 PE-復(fù)合-收卷。更進(jìn)一步的，可采用含EVOH或氧化物阻隔層為基材，制備可回收的阻隔性多層復(fù)合膜。

3）可生物降解一次性口杯紙的擠出復(fù)合工藝

淋膜紙常見(jiàn)于我們的生活，如紙水杯、方便面碗、咖啡杯、紙購(gòu)物袋等。通常，作為一次性用品的淋膜紙?jiān)谑褂煤蠹幢粊G棄。因其表面涂覆有一層或兩層塑料膜，丟棄后不可降解的塑料會(huì)大大加重環(huán)境的負(fù)擔(dān)，引起一系列的問(wèn)題?；诖耍藗兤谕捎每赏耆锝到獾乃芰献鳛橥扛膊牧?，使制得的一次性淋膜紙制品能夠在環(huán)境中被微生物分解吸收，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，避免污染環(huán)境。

然而，我國(guó)當(dāng)前約有300臺(tái)紙塑復(fù)合機(jī)生產(chǎn)一次性不可降解紙塑復(fù)合制品，包括紙杯、紙碗等，且其生產(chǎn)速度較高，約為 200 m/min。生產(chǎn)一次性可降解紙塑復(fù)合制品的淋膜機(jī)約為20臺(tái)，生產(chǎn)速度較低，約為50 m/min，從而導(dǎo)致可生物降解的一次性紙塑復(fù)合制品的價(jià)格相對(duì)較高，不利于大量進(jìn)入市場(chǎng)。因此，降低可生物降解的一次性紙塑復(fù)合制品的價(jià)格迫在眉睫。與此相對(duì)應(yīng)的，開(kāi)發(fā)出可降解紙塑復(fù)合制品的高速淋膜機(jī)勢(shì)在必行?；诖?，江門(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)了新型淋膜機(jī)，當(dāng)以PBS為淋膜料時(shí)，速度可達(dá)180 m/min；以PLA為淋膜料時(shí)，速度可達(dá)70 m/min。