唐虎 1，潘敬洪 1，向明 2
(1. 廣東德冠包裝材料有限公司，廣東 佛山 528000； 2.四川大學(xué)高分子研究所高分子材料工程國家重點實驗室(四川大學(xué))，四川 成都 610065)
摘要：隨著高分子合成技術(shù)和加工設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，平膜法生產(chǎn)雙向拉伸聚乙烯（ BOPE） 薄膜得以實現(xiàn)。由于其優(yōu)異的綜合性能和環(huán)保優(yōu)勢， BOPE 薄膜具有廣闊的市場前景。本文從原料、設(shè)備、技術(shù)和經(jīng)濟、社會發(fā)展等幾個方面綜述了 BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀、瓶頸與機會。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和環(huán)保政策的落實， BOPE 薄膜有望在近期成為繼雙向拉伸聚丙烯（ BOPP） 薄膜、雙向拉伸聚對苯二甲酸乙二醇酯（ BOPET） 薄膜、雙向拉伸聚苯乙烯（ BOPS） 薄膜等之后的又一個雙向拉伸薄膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的典范。
關(guān)鍵詞： 雙向拉伸； 聚乙烯； 薄膜； 產(chǎn)業(yè)化
聚乙烯（PE）作為一種由乙烯單體聚合而成的熱塑性樹脂，是目前塑料材料中用量最大的[1]。2018 年，全球聚乙烯產(chǎn)能達到1.1×108t，該值預(yù)計在2023年增加到1.5×108t。聚乙烯的用途廣泛，它可以用于包裝薄膜、鋰電池隔膜、排污和給水管材、電纜保護套、高性能纖維、中空制品、注塑件等，其中薄膜應(yīng)用約占其中的 45%，2018 年聚乙烯薄膜用量約為 5×107 t。如 Fig.1 所示， PE 薄膜主要以食品包裝膜、農(nóng)用膜、纏繞膜、手提袋等應(yīng)用為主[2,3]。
目前 PE 薄膜的生產(chǎn)以吹塑法（ IPE）和流延法（ CPE）為主，近年來， 隨著聚乙烯合成技術(shù)的發(fā)展，平膜法生產(chǎn)雙向拉伸聚乙烯（ BOPE）薄膜成為可能[4,5]。不同于吹膜和流延法，在平膜法雙向拉伸工藝中，經(jīng)擠出得到的聚合物鑄片首先被加熱至高彈態(tài)， 在聚合物熔點或黏流溫度與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之間沿縱向和橫向同步或異步拉伸，使聚合物分子鏈或晶片沿縱向和橫向取向，并在張力作用下對薄膜進行退火定型處理，消除內(nèi)應(yīng)力，最后對經(jīng)過雙向拉伸的聚合物薄膜做表面處理并收卷。與吹膜法相比，平膜雙向拉伸法具有拉伸倍率大（PE膜的橫向拉伸倍率與縱向拉伸倍率的乘積可達40倍）、生產(chǎn)效率高（目前，最先進的雙向拉伸生產(chǎn)線生產(chǎn)的薄膜寬幅為10.4m，最快可達500m/min）、薄膜力學(xué)強度、光學(xué)性能和厚度均勻性更加優(yōu)異等優(yōu)點。因此，雙向拉伸技術(shù)被廣泛用于聚合物薄膜生產(chǎn)，如聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龍（PA）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乳酸（PLA）、聚酰亞胺（PI）、聚乙烯（PE）等[6]。其中，雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜的產(chǎn)量和消費量最高，占所有雙向拉伸薄膜產(chǎn)量的2/3，且每年以5%的速度增長，預(yù)計在 2020 年達到1×107 t，遠超過 PP 吹塑和流延薄膜[ 7 ]。
經(jīng)過雙向拉伸后，聚乙烯的綜合性能會得到極大的提升。如 Fig.2 所示，與傳統(tǒng)吹塑PE 薄膜相比，BOPE薄膜經(jīng)雙向拉伸工藝成型后，由于分子鏈和晶片高度取向，薄膜透明性和力學(xué)性能得到大幅提升， 霧度為普通吹塑 PE 薄膜的 1/3~1/5， 拉伸強度提高了2~8 倍，拉伸模量和落鏢沖擊性能均提高了2~5倍，在低溫下仍能保持良好的韌性和機械強度[4]。在厚度減小30%~60%的情況下，BOPE薄膜力學(xué)性能仍優(yōu)于吹塑薄膜， 能夠滿足使用需求， 從而可以有效地減少包裝物料對資源的使用和能量的消耗，減少運輸成本和碳足跡，因此，BOPE 薄膜具有更加環(huán)保的優(yōu)勢。與BOPP薄膜相比，BOPE薄膜具有更優(yōu)異的熱封性能和低溫韌性；與BOPA薄膜和BOPET薄膜相比，BOPE 薄膜具有可熱封性和更好的耐揉搓性，可替代 BOPP薄膜、BOPA薄膜和 BOPET 薄膜，與作為熱封層的吹塑或流延PE薄膜復(fù)合作為包裝材料使用，這種單一材料包裝結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的多種不同材料復(fù)合的包裝結(jié)構(gòu)相比，更利于塑料的回收再利用[8]。因此，與現(xiàn)有包裝基材薄膜相比，BOPE 薄膜具有更加平衡的綜合性能和巨大的環(huán)保優(yōu)勢，除可替代現(xiàn)有吹塑和流延PE薄膜的多數(shù)應(yīng)用外，還可替代 BOPP 或 BOPET或BOPA薄膜的部分應(yīng)用，單獨或與其它薄膜復(fù)合用于鮮花、水果、食品（特別是冷凍食品）、寵物食品、日化用品和工業(yè)品的包裝，具有廣闊的市場前景。本文將從原料、設(shè)備、技術(shù)和經(jīng)濟、社會發(fā)展等幾個方面來分析 BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀、瓶頸與機會，最后，本文將結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、市場需求和環(huán)保政策，對BOPE薄膜產(chǎn)業(yè)化的未來進行展望。
1 BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
在BOPE產(chǎn)業(yè)鏈上游的原料合成方面，美孚石油公司和埃克森公司在1998年申請了高度雙軸取向的多層聚乙烯薄膜的專利[9-11]。三井化學(xué)公司于 2008 年最先推出商業(yè)化的BOPE 薄膜專用料[12,13]，使雙向拉伸聚乙烯的產(chǎn)業(yè)化成為可能，其核心技術(shù)是茂金屬催化的線型低密度聚乙烯（m-LLDPE）。經(jīng)過十多年的發(fā)展， 中石化[14-18]和陶氏化學(xué)[19-25]相繼推出了BOPE薄膜專用料，2019年沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司[26]也在德國K展上發(fā)布了BOPE薄膜專用料。同時，其它石化企業(yè)也開展了 BOPE 薄膜專用原料的相關(guān)研究。
在雙向薄膜拉伸設(shè)備方面，雙向拉伸薄膜行業(yè)最重要的設(shè)備供應(yīng)商布魯克納集團在2017 年著手開展BOPE薄膜專用設(shè)備的研究，他們提出了可同時用于BOPE和BOPP薄膜生產(chǎn)的概念生產(chǎn)線，其寬度為8.7m，生產(chǎn)速度最快可達500m/min，BOPE薄膜理論產(chǎn)量可達 5t/h。同時，他們開展了與BOPE專用原料供應(yīng)商和助劑供應(yīng)商的合作研究，在全球不同地區(qū)的 BOPP 薄膜生產(chǎn)線上進行 BOPE 薄膜試產(chǎn)，對推進 BOPE 薄膜的產(chǎn)業(yè)化起到了重要作用。
在薄膜生產(chǎn)方面，2008 年廣東德冠薄膜新材料有限公司、佛塑科技有限公司和廈門順峰包裝材料有限公司最先開展了BOPE 薄膜生產(chǎn)。其中，廈門順峰包裝材料有限公司與廈門大學(xué)和中國石化北京化工研究院的相關(guān)研究解決了PE原料開發(fā)中的關(guān)鍵難題，在現(xiàn)有 BOPVC薄膜生產(chǎn)線上生產(chǎn)出雙向拉伸的 BOPE 薄膜[27]；2017 年廣東德冠薄膜新材料有限公司與陶氏化學(xué)和福建凱達集團開展了基于BOPE薄膜應(yīng)用的開發(fā)合作，這為BOPE薄膜的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一種新的范式—— 產(chǎn)業(yè)鏈合作模式； 陶氏化學(xué)與江蘇彩華包裝集團公司和汕頭南誠包裝有限公司合作開發(fā)了 BOPE 薄膜。此外，在國際市場上，日本三井東賽璐公司和印度敬道公司長期從事于 BOPE 薄膜的研發(fā)。目前，許多BOPP薄膜生產(chǎn)企業(yè)都著手開展 BOPE 薄膜的研發(fā)和試產(chǎn)工作。2019 年底，永新股份有限公司更是宣布投資3億元建設(shè)年產(chǎn)3.3×104 tBOPE 薄膜項目[28]。
總體而言，由于BOPE薄膜巨大的市場潛力和商業(yè)價值，BOPE 薄膜相關(guān)的整個產(chǎn)業(yè)鏈的投資熱情高漲。然而，目前 BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)的體量仍然較小，全球年總產(chǎn)量僅為數(shù)千噸， 全球范圍內(nèi)只有幾條生產(chǎn)線在間隙性地生產(chǎn)，與BOPP，BOPET和BOPA薄膜等相比仍存在較大的差距。
2 BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)化的瓶頸與機會
相比于其它雙向拉伸薄膜，BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)化的滯后和差距，主要歸因于以下幾個方面的瓶頸：
首先，缺少可用于雙向拉伸的 BOPE 薄膜專用原料和助劑。BOPE 薄膜對原料的拉伸穩(wěn)定性要求極高，而通用聚乙烯原料結(jié)晶速率快， 結(jié)晶度高， 拉伸倍率小， 鑄片易翹曲。同時，聚乙烯熔點低， 拉伸溫度窗口窄。從2008 年三井化學(xué)公司研發(fā)出第 1 款商業(yè)化的可雙向拉伸的茂金屬線型低密度聚乙烯（m-LLDPE）原料以來，雖然越來越多的原料供應(yīng)商著手研發(fā)和生產(chǎn)BOPE薄膜專用原料，但是與成熟的 BOPP 和 BOPET 薄膜相比，目前，BOPE 原料仍然存在價格高、原料質(zhì)量差、不適合雙向拉伸、薄膜晶點多等問題。另外，現(xiàn)有的BOPE薄膜專用料熔體黏度大，擠出機負載大，擠出量受限，實際生產(chǎn)速度僅為 100~200m/min，遠低于 BOPP 薄膜的生產(chǎn)速度。當擠出速度過快時，鑄片容易出現(xiàn)“鯊魚皮”現(xiàn)象，這進一步增加了生產(chǎn)加工難度。這些問題的解決取決于BOPE薄膜專用原料的改進和專用助劑的開發(fā)和穩(wěn)定供應(yīng)。
其次，BOPE薄膜加工的專用生產(chǎn)設(shè)備缺失。如前文分析，BOPE 薄膜的生產(chǎn)特性與BOPP 薄膜差異較大，存在擠出壓力大、結(jié)晶速率快、加工溫度窗口窄等問題，而目前主流的生產(chǎn)廠家均用BOPP薄膜生產(chǎn)線生產(chǎn)BOPE薄膜，從而導(dǎo)致了薄膜厚度均勻性差、成品率低、生產(chǎn)成本居高不下等問題。雖然布魯克納集團已經(jīng)推出了 BOPE 薄膜專用生產(chǎn)設(shè)備的概念，但由于投資巨大，距離真正商業(yè)化落地還有很大的差距。
再次，BOPE薄膜質(zhì)量穩(wěn)定性差、應(yīng)用成本高、風險高。目前市場上的BOPE產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和產(chǎn)品供應(yīng)穩(wěn)定性差，對比現(xiàn)有競品薄膜性價比偏低，下游的印刷、制袋和包裝廠家替代使用的動力不足，應(yīng)用技術(shù)研發(fā)參差不齊。比如，目前BOPE薄膜仍然存在厚度均勻性差所導(dǎo)致的印刷時套色不準、氣體阻隔性差、制袋或熱封時容易產(chǎn)生熱收縮、復(fù)合時剝離強度不足等問題，這些問題都導(dǎo)致下游市場難以打開，制約 BOPE 薄膜商業(yè)化應(yīng)用的進一步拓展。
最后，與BOPP，BOPET，BOPS和BOPA等薄膜相比，聚乙烯的雙向拉伸理論特別是BOPE 的加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系尚未系統(tǒng)建立。相比于BOPP原料結(jié)構(gòu)、性能、流變、可拉伸性的大量詳實的研究[29,30]，關(guān)于PE拉伸特性的大量研究報道[31-35]主要專注于單向拉伸，而對于PE雙向拉伸特性的研究卻鮮有報道。而這些少量的研究也主要關(guān)注工藝開發(fā)，缺少對揭示BOPE的拉伸加工原理的研究，比如 PE 側(cè)鏈長度、側(cè)鏈數(shù)量、相對分子質(zhì)量及分子量分布、片晶厚度等因素與其可拉伸特性及薄膜性能之間的關(guān)系 [ 36 - 40 ]。只有在闡明PE雙向拉伸加工機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合新材料和特殊的加工工藝，才能開發(fā)出規(guī)?；a(chǎn)BOPE薄膜的技術(shù)。
總之，目前制約BOPE薄膜產(chǎn)業(yè)化的瓶頸在于薄膜質(zhì)量穩(wěn)定性差、供應(yīng)周期不穩(wěn)定、性價比低，除個別掌握核心技術(shù)的企業(yè)能夠穩(wěn)定供應(yīng)高質(zhì)量的BOPE薄膜外，多數(shù)企業(yè)仍處于跟進狀態(tài)或持觀望態(tài)度。BOPE 薄膜的主要應(yīng)用是替代傳統(tǒng)的BOPP，BOPET，BOPA 或吹塑和流延PE薄膜。與這些薄膜相比，目前BOPE薄膜缺乏成本優(yōu)勢，進入了應(yīng)用開發(fā)積極性不高與商業(yè)化規(guī)模擴展緩慢的循環(huán)（Fig.3）：由于上游原料和制膜成本高，薄膜價格居高不下，BOPE薄膜相比于現(xiàn)有競品薄膜，存在性價比低、下游包裝企業(yè)使用的動力不足、需求量和產(chǎn)量偏低等缺點； 而較低的產(chǎn)量導(dǎo)致了原料合成和薄膜生產(chǎn)成本居高不下；最終，當整個產(chǎn)業(yè)鏈都沒有較好的經(jīng)濟效益時，產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)投入研發(fā)的積極性必然會下降。但是，BOPE 薄膜產(chǎn)業(yè)化瓶頸以及其性能和環(huán)保優(yōu)勢的存在對于持續(xù)投入研發(fā)的企業(yè)也意味著巨大的機會。
3 BOPE 產(chǎn)業(yè)化展望
一個工業(yè)產(chǎn)品從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化需要經(jīng)歷漫長的過程， 尤其是具有長產(chǎn)業(yè)鏈和長開發(fā)周期的雙向拉伸薄膜。BOPP 薄膜從 1958 年由意大利蒙物卡蒂公司首創(chuàng)到今天已經(jīng)發(fā)展了 60 多年，與之相比，目前 BOPE 薄膜仍處于探索和起步階段，需要時間的沉淀和市場的檢驗。因此，與 BOPP 薄膜一樣， BOPE 薄膜的產(chǎn)業(yè)化也將是一個漫長的過程。不過隨著行業(yè)日益發(fā)展，市場將歡迎更多優(yōu)質(zhì)的包裝材料來適應(yīng)消費需求。如 Fig.3 所示， 隨著科學(xué)研究的深入和環(huán)保政策的落實， BOPE 薄膜的市場需求會逐步提高， 其產(chǎn)業(yè)化也有望進入良性循環(huán)，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，筆者分析主要有以下幾個方面的原因：
1.技術(shù)方面：隨著越來越多石化企業(yè)的參與和合成技術(shù)的成熟，特別是對線型低密度聚乙烯相對分子質(zhì)量和分子量分布及其短支鏈的種類、數(shù)量和分布的有效控制，將使得 BOPE薄膜專用原料的可拉伸性進一步提高。BOPE薄膜專用原料的開發(fā)，除滿足可拉伸特性和性能要求外，還需要提高其擠出加工特性，即需要對相對分子質(zhì)量和分子量分布進行合理的調(diào)控。同時，設(shè)備供應(yīng)商也在積極投入BOPE薄膜專用雙向拉伸生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)，針對現(xiàn)有的 BOPP 或 BOPVC 薄膜生產(chǎn)線的改造也在進一步的發(fā)展?；贐OPE 薄膜的生產(chǎn)特性， 其生產(chǎn)設(shè)備研究或改造的重點體現(xiàn)在兩個方面：一是提高設(shè)備對線型低密度聚乙烯的塑化能力（ 如使用雙螺桿擠出機，并加大擠出機的扭矩）并開發(fā)出在保證樹脂被塑化的同時不被降解的特殊螺桿設(shè)計；二是提高縱向拉伸和橫向拉伸區(qū)溫度控制的精準程度。隨著針對 BOPE 薄膜加工工藝參數(shù)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、可拉伸性和薄膜性能之間關(guān)系的研究的不斷開展，對 BOPE 原料的結(jié)構(gòu)-加工-形態(tài)-性能關(guān)系的理解也將越來越深入。這些技術(shù)上的進步將使 BOPE 薄膜的規(guī)?；a(chǎn)在技術(shù)上成為可能。
2.經(jīng)濟方面：目前全球BOPP薄膜產(chǎn)能嚴重過剩，BOPP薄膜行業(yè)利潤率降低，很多BOPP生產(chǎn)線長期處于閑置狀態(tài)，將這些過剩的產(chǎn)能用于BOPE薄膜的生產(chǎn)對薄膜生產(chǎn)商而言具有較大的經(jīng)濟效益。同時，隨著需求量的加大，原料價格會降低，加上雙向拉伸技術(shù)的高生產(chǎn)效率，BOPE薄膜生產(chǎn)的利潤空間將進一步擴大。從長期發(fā)展的角度來看，BOPE薄膜未來可能是一個可以與 BOPP 薄膜媲美的龐大產(chǎn)業(yè)。
3.社會方面：BOPE薄膜的產(chǎn)業(yè)化除了為包裝企業(yè)和消費者提供一種全新的包裝解決方案外，它的意義更在于環(huán)保。過去半個世紀，全球塑料產(chǎn)量增長了20倍，從1964年的 1500t增長到2014年的3×108t，而且有望在接下來的20年翻倍，并在2050年達到12×108t。然而，在過去，多數(shù)塑料材料特別是一次性塑料包裝材料，多數(shù)均只使用一次便被丟棄，這些塑料垃圾一方面造成海洋和陸地的污染，另一方面這些本可以回收循環(huán)使用的塑料失去了 95%的經(jīng)濟價值，全球每年因此而造成的損失高達 800~1200 億美元[41]。近年來，隨著塑料垃圾日益增長，人們環(huán)保意識逐漸增強，各個國家的政府和非政府組織都將環(huán)境保護提上日程。例如，中國開始禁止“洋垃圾”；2019 年海南省通過了《海南經(jīng)濟特區(qū)禁止一次性不可降解塑料制品規(guī)定》；2020 中國政府相關(guān)部門公布了《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》；歐盟更是通過立法施加壓力，要求將歐盟塑料回收利用率提高到50%以上，到 2030 年之前實現(xiàn)所有塑料包裝的可重復(fù)使用或可回收利用；英國將這一目標的實現(xiàn)提前到了2025年。為了實現(xiàn)這一目標，可以從兩個方面著手，一是從源頭上減量，另一個是從末端進行回收再利用，而 BOPE 薄膜的產(chǎn)業(yè)化能同時滿足這兩個方面的要求， 因此， BOPE 薄膜在歐洲大受歡迎。2019 年中國國家工信部也將 BOPE 薄膜列入《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》[42]。
4 結(jié)語
BOPE薄膜具有優(yōu)異的物理性能，能夠很好地拓寬塑料薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域，同時迎合了包裝輕量化和環(huán)保趨勢，具有廣闊的市場前景，有望在 5~10 年內(nèi)實現(xiàn)原料、設(shè)備、制膜和包裝應(yīng)用技術(shù)的重大突破，成為雙向拉伸薄膜技術(shù)的另一個產(chǎn)業(yè)化典范。此愿景的實現(xiàn)需要全球各個國家和組織持續(xù)的政策支持和努力，特別是保持環(huán)保政策的高壓態(tài)勢。此外，還需要通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作來實現(xiàn)包裝的可持續(xù)發(fā)展， 以及產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)不間斷的研發(fā)投入：設(shè)備廠家研發(fā)出適合BOPE薄膜生產(chǎn)的專用設(shè)備，樹脂合成企業(yè)進一步提升原料的可加工性、降低原料成本，制膜廠家進一步降低生產(chǎn)成本，提高薄膜質(zhì)量，開發(fā)出不同種類的功能性 BOPE 薄膜，下游包裝企業(yè)積極探索適合BOPE薄膜獨特優(yōu)勢的新應(yīng)用（比如冷凍包裝和單一材料包裝）。整個產(chǎn)業(yè)鏈不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)、增加產(chǎn)品品類、提升客戶使用體驗，可持續(xù)發(fā)展，形成良性循環(huán)，從而真正實現(xiàn) BOPE 薄膜的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
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