趋势性的需求推动聚乙烯的发展

作者:本刊记者Lilli Manolis Sherma 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-06-17
可持续性、消费者便利性和不断发展的电子商务包装正推动着聚乙烯(PE)的新发展。来自埃克森美孚化工公司、Nova化学品公司及Braskem公司的PE行业专家,针对这些趋势进行了评估,并且讨论了在过去3~5年内为满足这些需求而开发的6种获得增长的应用和新材料。

到目前为止,成本最低的全球生产商以及北美的聚乙烯(PE)树脂行业在过去几年内一直蓬勃发展,其提供的聚乙烯新牌号已投入使用,而且通过合作伙伴关系来补充或加强彼此的技术。同时,还开发了特殊的、更高性能的牌号来满足主要的市场趋势,包括可持续性、消费者便利性和不断发展的电子商务包装需求。

来自3家领先PE供应商的行业专家,包括埃克森美孚化工公司全球PE市场开发经理Olivier Lorge、Nova化学品公司PE研发负责人Chris Foy和集团市场负责人Alan Schrob,以及Braskem公司技术和服务经理Louis Orozco Aragon,对上述趋势进行了评估,并且讨论了在过去3~5年内为满足这些需求而开发的6种获得增长的应用和新材料。

可持续发展在这些讨论中占据了很大一部分,涵盖了诸如海洋塑料、再利用和再循环、轻量化解决方案(如单件式瓶盖)以及针对高性能包装转向全PE结构等主题。

在最近举行的第六十三届年度软包装成就奖颁发典礼上,软包装协会(FPA)指出,可持续性仍然是一个焦点。Clemson大学软包装中心副教授兼主任Robert Kimmel代表评委发言时谈道:“我们看到了几个生物基和可堆肥材料的例子。但是我们认为最重要的是另外几个关于多层薄膜的优秀实例,它们以前所采用的多种多样的材料,都被改为现有回收流中的可再回收成分,特别是聚乙烯流。我们认为这对于行业的未来非常重要。”

Nova公司的Schrob说:“作为PE行业从业者,我们有责任向消费者宣传塑料在其生活中的价值,并使其成为解决方案的一部分,从减少不必要的包装和食物浪费,到确保每个人都把报废塑料产品作为宝贵的碳资源,来予以回收,这将最终阻止它们成为我们自然环境中的垃圾。”这3家公司的行业专家都认为供应链协作对于创新和可持续性解决方案是至关重要的。

目前,许多应用都得到了重新设计,以使它们对回收生态系统变得更为友好,同时将塑料及其保护的产品完全排除在废物流之外,Nova公司的Foy和Schrob提供了以下实例:

1.通过改进塑料包装来减少食物浪费:改善PE基柔性薄膜结构中的水分和氧气阻隔性能以及包装完整性(韧性和密封性)有助于延长保质期,从而减少食物的浪费。

2.扩大消费后回收物(PCR)的使用范围:在整个行业中,有许多技术研发用于创建“清洁的”再生PE流,并寻找将其并入成品中的方法,其性能可与纯树脂相媲美。

3.从多种材料的薄膜转向单一材料、可回收的柔性薄膜:在许多食品包装应用中,包括立式袋和流体包装,薄膜通常采用混合材料结构制成。许多品牌商正在与供应商和加工商合作,重新设计这些结构,以取消箔、尼龙或其他材料,从而满足消费者对可持续性的需求,以及满足ACC(美国化学理事会)设定的塑料可回收时间表的要求。多层吹塑和流延薄膜以及层压已经成为许多应用的主要生产技术,PE薄膜取向技术正在探索中,包括机器方向取向和双轴取向,以提供刚度更大和更坚韧的全PE薄膜。

4.刚性到柔性的转换:用柔性塑料包装代替传统包装材料可以减少75%~97%的包装体积。虽然有越来越多的反塑料运动倡议减少和消除一次性塑料的使用,但研究表明,塑料不仅通常具有较低的总生命周期的碳影响,而且它更具成本效益。业界人士主张改变报废塑料的经济性,并在世界快速发展的地区(尤其是东南亚地区)建立废物收集和回收的基础设施,以阻止塑料和其他材料流入水道和海洋。

5.将两件式(PP+PE衬垫)瓶盖转换为单件式(全PE)瓶盖:在碳酸软饮料和热灌装应用中,瓶盖从两件式转到单件式的运动已在北美轰轰烈烈地展开了,因为单一材料组合物会使瓶盖更容易回收。这意味着只有一个部件必须提供所有必需的性能,瓶盖设计、树脂和它的成型方式之间的相互影响对于生产性能一致的瓶盖而言是至关重要的。

单件式瓶盖
在碳酸软饮料和热灌装应用中,瓶盖从两件式向单件式发展在北美成为趋势,因为单一材料使瓶盖更容易回收(图片来自Nova化学公司)

6.工业储存容器中的材料替代:聚乙烯桶、IBC(中型散装容器)和储罐在许多应用中提供了优于金属容器的明显优势:它们具有非腐蚀性,更轻,更实惠,对酸和化学品无反应性,并且不易受极端温度的影响。这些吹塑或滚塑的工业容器也是可持续的,并且生产能耗较低,它们可以无限地重复使用或再循环。

PE工业储罐
旋转成型或吹塑成型的PE工业储罐是可持续的,并且生产能耗较低,它们可以无限地重复使用或再循环(图片来自Nova Chemicals)

消费者的便利性也是一个关键的推动因素,这在便携食品、预分配、可重新封闭的包装以及零售业转向电子商务等领域中很明显。Nova公司的Foy和Schrob指出,趋势是越来越多的便携新鲜健康食品。虽然针对该细分市场的包装优化目前处于早期阶段,但是他们希望看到品牌商寻求基于柔性塑料和更具成本效益的单一服务包装,该包装还同时提供可回收性和足够的食品保护。

例如,挤压袋需要用于分配的装置和封盖,因此研发专注于确保这些新包装的整体可回收性,同时提供密封完整性、保质期和其他所需要的性能属性。

当涉及到“婴儿潮一代”和较年长的“沉默一代”时,消费者便利性的另一个方面是通过颜色、图形或更大的印刷体可以轻松识别产品;同时易于使用,例如易于打开和能重新封闭的包装,以及防溢漏的设计。

电子商务被推动的部分原因是便利性。Nova公司的Foy和Schrob表示,他们正在从电子商务供应链的角度重新考虑可能在线销售的任何产品的包装。而且,亚马逊、沃尔玛和其他大型电子零售商也在追求可持续发展的目标——亚马逊的“无障碍包装”就是一个很有代表性的例子——他们正在寻找多种方法消除二次纸箱和仅用自己的容器中运输产品——另一个目的是开发更加坚固的包装,使之完好无损地到达消费者的家门口。Nova公司的Schrob说:“我们看到电子商务的趋势正朝着消除二次包装的方向发展。”

同时,在线食品购买与其他电子商务商品的购买有着不同的要求。今天,在线食品采购通过点击和付款即可完成,它与传统的在超市购物具有相似的供应链;还有外卖套餐,正面临着一系列独特的挑战。食物必须通过温度控制保持新鲜;一次包装和二次包装必须保护食品免受物理损坏;而且一次包装必须具有完整性以防止泄漏;同时,消费者也要求减少餐具包装。这些都是很大的挑战,因此Nova公司需要重新思考包装的概念。例如,可回收的柔性套餐运输容器、基于PE的瓦楞纸箱或用PE制成的柔性罐。无论概念看起来是什么样的,它们显然都要求聚乙烯比以往的材料具有更大的强度和韧性。

研发重点

目前正在进行的大部分研发都涉及用茂金属或其他单中心催化剂生产的PE。埃克森美孚公司的Lorgezhi指出该公司在全球范围内进行了两类研发。在其位于美国德克萨斯州贝敦的工厂,重点是催化剂和工艺研究,即能够生产出具有卓越性能和加工性能的新型聚合物的新型催化剂。

该公司的Exceed、Enable和新的Exceed XP系列茂金属己烯LLDPE薄膜树脂是该研发重点的一部分,还有在2003年首次推出的埃克森美孚Vistamaxx丙烯-乙烯特种弹性体系列的新增产品,用于从非常柔软的织物和薄膜到非常坚硬的TPO等广泛的应用中。在比利时和中国的工厂,重点是应用开发。Lorge说:“我们正在与客户合作,使用我们的Exceed XP开发创新的解决方案、层压薄膜和全PE包装,用于从食品到家用液体清洁剂等产品。”

Aragon指出,可持续性一直是Braskem公司的支柱之一,特别是在研发方面,“我们相信全社会将会对于市售产品的可持续性愈加重视。这一因素加上人们购买的方式和地点的变化,如电子商务,使我们重新思考以前的应用,这些应用现在对新市场产生了更大的影响。”作为例子,Aragon引用了Braskem公司的LLDPE薄膜树脂产品系列中的两大系列:Flexus和Proxess。据Aragon称,它们是两种茂金属催化的己烯类型。Flexus在薄膜中提供了更好的性能,但有时候在老式机器中难以加工。而Proxess在老式机器中更容易加工,特别是它可以成为LDPE的替代品。“这都是它们在分子量和共聚单体分布上的差异造成的。所有这些产品都可以减轻当前包装的重量,并增强产品的展示效果。”

Nova公司的Foy和Schrob看到了由于当今包装应用的性能要求,市场对用茂金属或其他单中心催化剂制成的高价值PE的需求不断增长。他们称这就是为什么我们正在看到辛烯PE产能的扩张,包括Nova公司的第二家Advanced Sclairtech工厂。据Foy称,Nova公司的双峰技术为PE结构设计的灵活性和最终使用性能的订制创造了条件,从而能生产出高度差异化的树脂,比如在要求苛刻的薄膜应用中改善密封或阻隔性;生产满足应用物理要求的封盖,同时封盖不会产生任何可能对消费者体验有负面影响的味道或气味;用于滚塑成型的最高级别的高性能树脂。

Schrob说:“在我们所有新的PE产品和最终的应用开发中,PE具有多个设计参数是关键。多模态产品与高α-烯烃以及可能的添加剂优化相结合,是我们今天设计树脂的关键,而且在未来将变得更加重要。”

食品包装的推动因素

食品包装是最热门的应用开发领域之一,其中用于立式袋和柔性冷冻薄膜的全PE结构正在领跑。

所有的行业专家都认为柔性立式袋十分重要,因为是从铝罐和玻璃罐转变过来。这种袋子的碳排放量比铝低70%,占用的空间更少,而且非常耐损坏,运输更安全。新的PE袋还具有方便性,并有良好的货架吸引力和出色的印刷适应性。

柔性立式袋
柔性立式袋是一个了不起的创新,因为它是从铝和玻璃转换而来,比铝要减少70%的碳排放,它占用更少的空间,并且非常耐损坏,对运输更安全(图片来自Nova 化学公司)

据报道,有史以来第一款全PE立式袋是在2016年由位于德克萨斯州舒格兰的薄膜加工商Accredo包装公司与陶氏化学公司合作进行商业化,为品牌商Seventh Generation制造洗碗机用袋。

5层全PE薄膜生产线
在2016年K展上,意大利机器制造商Macchi公司运行这条5层生产线制造全PE薄膜,该薄膜用于易回收的直立袋。这是当今具有可持续性发展属性的市场的一个重要趋势。这种薄膜采用了陶氏化学公司的一个未公开的配方

Lorge称,埃克森美孚公司的研究人员正致力于取代取向尼龙6和PET。“一位拉丁美洲的客户成功地取代了尼龙6层——这为柔性食品袋提供了坚韧性和柔软性——采用Exceed XP树脂和非常薄的EVOH层,使得产品易于回收利用。

Lorge还举例说明了柔性冷冻薄膜——一种全PE的3层结构,用Enable茂金属己烯共聚物和HDPE制成,在密封胶层中使用Exceed XP,为冷冻鸡肉的品牌商开发。埃克森美孚公司最近还推出了高性能共挤薄膜用的新Exceed XP 8784,用于制造层压袋、冷冻薄膜、阻隔包装和小袋。它具有改善的可加工性,以及极好的薄膜韧性和密封性能。

Nova公司的Foy和Schrob指出,该公司提供多种适用于冷冻产品的树脂,包括用于新型可回收防潮膜的树脂。

Nova公司的Surpass HPs667-AB是一种双峰HDPE,据称它可在挤出层压和/或流延薄膜中提供出色的氧气阻隔性和刚性(这种树脂的吹膜牌号为HPs167-AB)。该材料可以帮助取代多材料薄膜,增加刚度以有助于刚性到柔性的转换,并且可被用于需要高阻隔性的注塑应用中。该材料在2016年被Tetra Pak用于一款新型牛奶包装中,据称,这是世界上第一款用于常温白色牛奶的无菌纸盒。

Surpass VPsK914是一种新的辛烯LLDPE密封胶树脂,据称它可以在最苛刻的食品包装(包括电子商务包装)应用中实现更快且更可靠的密封。据报道,该材料可以生产出一种高强度的薄膜,而不会增加塑性体和薄膜配方的成本。它具有典型PE /塑性密封胶混合物3倍的韧性,适用于即食麦片和带骨鸡等产品。

Braskem公司最新推出的Proxess茂金属LLDPE系列产品Proxess1509XP,具有出色的加工性和加工灵活性(可与任何螺杆配置一起使用);0.9 MI的等级,可与其他树脂混合;由于采用专为层压而订制的一种添加剂包,具有稳定的COF(摩擦系数)。据报道,因具有优异的加工性能,该树脂可以取代LDPE或其他茂金属LLDPE,包括辛烯类型。它是0.6 MI等级的Proxess 180653和0.9 MI等级的Proxess 1809的补充,用于共挤出通用薄膜、高性能薄膜、自动包装和层压的技术薄膜。

重型袋

作为该领域技术进步的一个例子,25kg/ 55.2lb塑料树脂用袋有了大幅改善,自1998年以来,厚度减薄已超过50%,现在厚度为105µm。Lorge说这种袋子具有3层薄膜结构,在表层中采用Exceed XP,在内层中采用Exceed XP和HDPE的混合物,以此可以提供非常好的密封性和出色的硬度。在亚洲,这种结构袋业已取代了包装大米和肥料的PP拉菲袋(50kg/110.3lb)。

Nova公司的Surpass VPsK914这种超耐用、防滥用密封胶树脂,在装锐利和沉重物料的重型包装袋中起着重要作用。Nova声称,与典型的辛烯LLDPE相比,其高熔体强度使生产线速度提高了20%。

Surpass SPsK919被描述为一种更坚硬、更韧性及更透明的多模态辛烯LLDPE,为重型包装袋和电子商务包装进行了优化。

托盘拉伸膜和罩子

Lorge表示,埃克森美孚公司率先推出的动力预拉伸(PPS)流延薄膜技术,在运输中使各种货物的装载/托盘获得安全,目前在美国和欧洲发展迅速。“我们一直与流延拉伸薄膜生产商和机器制造商合作,以改善这些薄膜的结构。茂金属催化的特种烯烃TPE Vistamaxx 6000系列专门针对PPS薄膜,其与Exceed 3812茂金属LLDPE结合使用,可提供应用所需的额外强度和伸长率。”

托盘拉伸膜
埃克森美孚公司的Vistamaxx PBE用于制造更薄、强度更大的拉伸罩薄膜

Nova公司的Schrob指出,传统的基础拉伸薄膜是一个非常庞大和成熟的市场,Nova为此提供多种吹塑和流延树脂。新型Novapol PF-Y-818是一种丁烯LLDPE,据称它比传统的丁烯LLDPE更坚韧、更透明,在许多吹膜生产线上的加工速度可提高20%。应用包括拉伸膜、零售袋、垃圾袋和工业衬里。

Braskem公司提供抗穿刺和抗冲击的Flexus茂金属LLDPE树脂,并与奥地利的SML Maschinengesellschaft mbH合作开发新的拉伸解决方案。在德国的2016年K展上,两家公司展出了一款13层、12µm的拉伸薄膜,它具有出色的性能。Braskem公司的两种用于拉伸薄膜的Flexus树脂为4.5 MI等级的3600和3.5 MI等级的7200 XP。Flexus Cling是4.3 MI等级,专为保鲜层设计。

Lorge表示,另一种托盘拉伸罩吹膜技术正在快速增长,用于货物和电器的包装运输。通常它是3层薄膜结构,其中Exceed XP和Vistamaxx树脂提供了更好的防雨和防其他污染物,并使薄膜具有韧性、高抗撕裂性和出色的抗穿刺性,以及高回弹性和弹性恢复性,并且成本低于纸板。

收缩膜

据埃克森美孚公司的Lorge称,收缩包装已被大量用于食品包装,包括水和碳酸饮料,已经走过了漫长的道路。“针对6个1.5L瓶子的收缩包装,我们的解决方案经历了从20年前的100µm LDPE收缩薄膜到2010年的单层薄膜,以及使用Enable茂金属支化LLDPE,再到今天具有良好印刷能力的3层50µm全PE解决方案——表层使用Exceed XP,内层使用Enable 4002。”埃克森美孚公司还与客户合作,用透明、有光泽的薄膜代替厚且有结雾的薄膜,来获得更好的货架吸引力和可印刷性。

Braskem公司的新型Proxess 2609是一种0.6 MI的茂金属LLDPE,专用于收缩膜以及冰袋、工业袋和砂浆包装。

帽和盖

对于这一刚性包装市场,Foy和Schrob谈到了Nova公司开发的HDPE牌号,它们利用了该公司的Advanced Sclairtech单点催化剂技术。Surpass CCs757 sHDPE树脂专为水瓶盖而设计,对于此应用而言,高的生产速度,以及良好的感观性、一致性和物理性能都是必不可少的。鉴于瓶盖的产量极大(一车皮的树脂可以制造多达1亿个封盖),为确保送到消费者手中每个瓶盖的功能良好,该树脂的性能稳定性非常关键。

Surpass CCs154 sHDPE树脂专为碳酸软饮料而设计。它采用与CCs757相同的技术,并专为碳酸化压力和ESCR量身订制。Foy表示:“很少有PE技术可以生产出这些树脂品种,它们可制造出满足这些要求的瓶盖,而且可以取代PP——从两件式转换到单件式瓶盖。”

Sclair 2807CC树脂专为多种应用而设计,包括非碳酸饮料、个人护理和工业瓶盖,非常适合于标准重量热灌装饮料应用中的单件式PE瓶盖。它在加工性、刚度、ESCR和感官特性方面的出色平衡性使得瓶盖制造商能够实现树脂整合。

旋转成型

Nova公司开发了Surpass RMs245-U/UGs HDPE树脂,专门用于大型储罐和订制滚塑商品。Foy和Schrob称,这种“全能树脂”兼有行业领先的刚度、韧性和ESCR。它还具有同类最佳的1600 psi静水压设计(HDR)级别,可用于改善大型储罐中的侧壁刚度。较高的刚度可使储罐壁厚度减少10%~20%,或者在相同壁厚时具有额外的安全余量。此外,它还具有出色的熔体流动和加工特性。

PE的更多增长应用

埃克森美孚公司已在使用“重新思考回收利用(Rethink Recycle)”来推广其Vistamaxx高性能聚合物,据报道,该类聚合物可以为高价值应用提供低成本回收。由于Vistamaxx可使PE和PP回收物相容,从而减少了对昂贵且耗时的材料分离的需求,并为更高的PCR含量创造了条件,同时提高最终产品的性能。

Nova化学公司已经研制出了新的Novapol PF-0118-FI,它是一种1.0 MI、0.919 g/cm3的丁烯共聚物LLDPE,在回收严格的条件下更具相容性和高强度。它既可以被频繁地回收,也可用于提高较低质量PCR的百分比。可能是此类树脂中的第一个,它适合于共混、垃圾袋、衬里、通用包装、重型袋、拉伸包装和外表薄膜。Nova正在与客户合作,帮助品牌商将其混合材料且难以回收的柔性应用转变为更环保的配方。现在正在开展的研究是将PCR纳入目前通常用100%纯材料制成的包装和商品中。

Braskem公司的Wecycle回收平台涉及到为所有类型的PE和PP使用不同的技术。目前的进展包括:用于LLDPE、LDPE和PP的技术正在实验室中进行试验;HDPE的技术正处于验证阶段,正与客户和合作伙伴进行持续试验,这些客户和合作伙伴正在测试再生树脂作为小体积热成型包装的原材料。这种有前途的技术可以生产出高质量的回收HDPE,并且允许使用更高比例的来自家用消费后热成型包装的回收物。这种回收HDPE具有抗应力开裂性、与纯树脂相似的抗拉强度,以及比目前回收的HDPE高70%的机械性能。

农业用的地膜和温室薄膜在亚洲和澳大利亚正在快速发展,并且是埃克森美孚的Exceed XP正在获得市场份额的另一大领域。Lorge说:“最新的应用之一是澳大利亚地膜生产商用Exceed XP制造的黑色3层薄膜,Exceed XP用在表层和内层中,可以减少厚度20%。

同样,Exceed XP牌号已经成功应用于温室薄膜,由于其更好的机械性能和耐候性,农民可以长时间地使用这种薄膜。

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