可定制生物塑料包装产品的发展

作者：Patrick Zimmermann, Christoph Lohr

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料包装/防水包装展厅 塑料瓶, 聚酯薄膜, 塑料袋, 气相防锈膜, 气相防锈纸, ... 生物塑料。根据特定目标，对可再生资源材质的生物塑料进行针对性改良，可使其适用于越来越广泛的领域。而加入特定添加剂，生物塑料更可以针对特定生产加工程序或适用用途而进行量身定制。 尽管生物塑料的份额在整个塑料市场占有仍然相对不大，但它们已经在某些领域站稳了脚跟，例如，柔性塑料薄膜现在已经应用于许多寻常可见的用途，诸如可堆肥垃圾袋，或植物覆盖膜。有针对性地对这些材料加以强化改良，特别是根据其可加工性，无疑拓宽了生物塑料生产制造的工艺选择，其中包括热成型和注塑工艺。许多此类产品新近引入市场，如热塑食品包装和电脑周边，图1所示的电脑鼠标产品便是很寻常的例子。这些产品之所以能够打入市场，在一定程度上是由其可再生资源材料高含量这一因素推动的。 “生物塑料”这一概念包含种类繁多的塑料材质，这些材质可根据其主要原材料和特性划分类别。部分或完全采用可再生资源制造的一些塑料，未必在特性上与传统塑料有所不同。如今可生物降解且可堆肥塑料可作为替代性选择，这种塑料也被称为不依赖于所使用的原材料的生物塑料。采用生物塑料制造的产品往往归类为可堆肥塑料，其生物降解过程可在特定的时间段、特定工业堆肥环境下，通过纯天然产生的微生物完成，这些特性已通过EN 13432或ASTM D 6400标准。 由此可以看出，生物塑料指的是生物基塑料，或可生物降解塑料，又或者两者都具备，因此“生物塑料”一词也会经常引起歧义。现行已有可堆肥塑料认证，同时，一些可认证由可再生原材料制造生物塑料的新标准，近期也逐步引入。由认可机构发行的该方面认证，能够界定生物塑料并/或披露其原材料来源（见图2）。 薄膜在食品包装、卫生及农业等方面的用途中，主要焦点是生物可降解性。而在可持续性用途方面，制造塑料所使用的可再生资源所占比例已经越来越成为重要因素。 性能可定制 诸如聚乳酸（PLA）、聚烃基脂肪酸酯（PHA）、淀粉及醋酸衍生物等生物塑料原料，近年来因其多样性和适用性，已经越来越多地在生产中采用。但在传统塑料设备上采用这些原料进行生产时，往往无法完全满足大批量加工的需求。合格生物塑料生产的关键在于，多种生物聚合物原料、选择使用的添加剂及流畅的复合工艺这几方面因素如何配合得天衣无缝。只有掌握这个技术，材料特性和生物聚合物加工才能完美达到客户定制的要求。 德国奥伯豪森FKuR Kunststoff有限公司与其合作伙伴Fraunhofer Umsicht公司联手，致力于定制生物复合物的开发与生产。在合作计划之内，双方都已成功开发了生物塑料树脂，该产品专门用于共挤塑生产可生物降解的生物基多层薄膜。该薄膜不仅具备出众的透明度，同时还具有高含量的可再生资源材料。薄膜特性能够根据特定需求，通过改变层厚和结构，而加以调整。例如，采用Bio-Flex A 4100 CL/F 2201 CL/A 4100 CL（层厚比率为20 %/60 %/20 %，层厚为20mm）三种材料制造的3层薄膜，其透明度值高达90%，同时，其可再生资源含量近70%，纯Bio-Flex A 4100 CL材质单层膜的韧性接近PP薄膜，而这种新型3层薄膜会更加坚韧。该薄膜的卓越性能特别适用于某些用途，如VFFS（垂直填充与密封）。与这三种材质近似的组合，如采用与其他Bio-Flex类材质组合，也能够用于生产多层管道或热塑包装。 生物级别C 6509 CL材料，是基于醋酸纤维素的生物基复合物，特别适用于注塑成型薄壁且有长流道的产品。以该材质生产的产品色呈透明，且有光滑而有光泽的表面，若应用于生产薄壁元件，该材料在柔性和耐热扭变方面优于标准聚苯乙烯（PS）。基于上述特性，用该款生物塑料制造的如薄壁咖啡杯等产品，可具备无与伦比的柔韧性（见图3）。 生物塑料产品上的标签并无须特别技术，可以采用普通打印技术，例如平版印刷或镭射刻标。瑞士Hägglingen 的Riwisa公司在行业内率先成功实践对Bio-Flex S系列产品进行模内贴标（IML），实现了加工生产薄膜和薄壁注塑元件的强强联合，IML生产的咖啡杯样品如图4所示。IML技术将材料加工生产又提升了一个台阶，打印的单层薄膜为可堆肥材料，薄膜载体材质则由100%生物可降解和基本可再生生物塑料复合物构成，从而满足了生产的所有要求。该薄膜即使承受高注塑负荷，也可保证印刷清晰，而且根据行业标准，薄膜和杯体之间的黏合无须使用黏合剂，只要使用同样或者近似的生物基薄膜，便可以轻易便捷地将两者间的缝隙密闭。 由于许多生物塑料的耐热变形性能非常低，如纯PLA的热变形温度平均约55℃，这导致生产出的包装往往能不能灌装热的物体。一些PLA的衍生物具备更高的耐热性，但要么成本高出许多，要么加工工艺更加复杂。醋酸复合物在这方面是一个例外，如生物级别C 6509 CL，其加工周期与PS相当，且具备良好的透明度、柔性和耐热变形性，同时不需要进行额外的加工或者模具改良。 Bio-Flex S系列也具备卓越的耐热变形性能（Vicat A > 100℃），并且在加工中耐热降解，因此，这些生物基复合物能够简易地在热流道系统内进行生产制造，比如用于生产热灌装食品的薄壁包装。不止如此，该系列塑料还能够用于制造流道/壁厚比率为1/200的元件，而无须调整加工设备。通过对模具进行微小的调整，例如改变浇口的直径，该塑料产品的这一比率更能够被进一步提高到1/300。 与诸如聚乙烯这样的传统包装塑料相比，生物塑料（如PLA或PHA）对水蒸气和氧气的渗透性相对较高，但这完全能够通过多层薄膜或者涂层技术来加以弥补。如图5所示，对Bio-Flex A 4100 CL/F 2201 CL/A 4100 CL材质多层薄膜结构进行铝处理后，便能够显著增强其阻隔性能。薄膜也因此增强了氧气阻隔性能，这样以来便可适用于食品包装用途。 新秀—“绿色”产品 消费类电子产品制造商在判断生产中是否采用生物塑料时，要考量是否可以使用现有生产设备即能便捷地进行生产加工，产品易燃性是否符合行业标准，除此之外，最主要的标准就是该材质含可再生资源材料的比例。目前许多制造商正加大在可持续和环保产品及加工领域的投入，有针对性地采用生物塑料材质便是手段之一。例如，德国门登OBO Bettermann有限责任公司新近引入了绿色产品系列，该系列在电缆管理系统的生产中使用诸如生物聚酰胺等生物塑料。 “绿色”聚乙烯（PE）由甘蔗中提炼制造，是生物塑料发展和多样化的另一里程碑。这种材质首次实现了可适用聚烯烃，且含有接近100%可再生碳。在其机械性能、化学性能和加工相关性能方面，“绿色”PE与油基产品不相上下。如今，大量生物基LDPE和生物基HDPE产品已经投入市场。在该聚合物的基础上，FKuR又已经成功开发出绿色PE复合物，品牌名称为Terralene。Terralene系列含有高达90%可再生碳，领先于传统PE复合物，无疑是切实可行的传统材质可替代选择。不止如此，Terralene（也就是“绿色”PE）像其他聚乙烯一样，其回收工序非常简易。采用天然纤维能够提升Terralene复合物的性能，同时基于这种材料的挤出吹塑、薄膜和消费品生产的定制解决方案目前正在开发中。

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