可回收的塑料包装解决方案顶层设计——同材质化

时间：2024-05-22

李焕盛承林

（1.上海子源经贸有限公司，2.江苏精良高分子材料有限公司）

1. 引言

塑料是20世纪以来人类的重大发明之一，随着塑料工业的兴起，人类进入了塑料时代。塑料强度高且质量低、化学稳定性好、绝缘性能好，同时能起到良好的防护、减震和保鲜效果，其透光和消音等优越性能又进一步增加了其实用性，使其一跃成为电子、家具、交通工具、建筑、包装等行业不可或缺的工业材料。

塑料制造的重要原料是石油，而石油的有限性和不可再生性使得这种资源的耗费速度大大提高，结合当今世界的石油储量和产量，粗略预计石油资源将在五十年内消耗殆尽。

海洋环境的塑料污染问题日益严重，引起全球范围高度重视，并且已经到了必须采取措施的时节。为了减轻进而避免废旧塑料对人类赖以生存的自然环境的破坏，对废旧塑料的控制包括循环利用势在必行。

2. 塑料行业产量及回收量现状

图1 2012-2017年全国塑料制品产量

在世界各国中，我国的塑料产业产量位居前列，国家统计局数据显示，我国塑料制品产量在2017年为7515.5万吨，见图1（近年塑料制品产量情况）。全球塑料制品愈三亿吨。从国内地区分布来看，塑料制品主要集中在浙江、广东、河南、江苏、四川、山东、福建、湖北等省份，其中浙江产量居高，达1035万t，占全国13.78%[1]，如图2。

图2 2017年塑料制品产量前八省份全国占比

据2018年中国塑料加工工业协会数据，从塑料制品分类来看，塑料薄膜产量为1180.36万吨，日用塑料为559.21万吨，农用薄膜为119.95万吨[2]。塑料除用于制取各种塑料薄膜以外，还用于制造玩具、工程建材、汽车部件、电子产品等。

然而，上述塑料制品在使用过后却没能得到有效分类及回收，大都散落在土壤、空气和海洋中，形成人们目不忍睹、危害自然平衡的塑料污染，包括塑料微粒带来的海洋污染。

3. 废旧塑料现状及趋势

3.1 回收概况

2011年我国废旧塑料累计总量已近2亿吨，2017年废旧塑料一年回收量为1693万吨，较2016年1878万吨同比下降9.9%[3]，见图3。我国废旧塑料回收主要来源于生活废旧塑料，回收率不足20%，虽然如边角料、下脚料等工业源废旧塑料基本可实现全回收，回收率可达90%，但大量在人们日常生活中使用的塑料制品却难于回收。

图3 2012-2017年废旧塑料回收量

三年前，我国每年从国外进口废旧塑料约700万吨，以PET、PE、PVC、PS等品种的破碎料和下脚料为主，PET和PE的进口量可占全部进口量的三分之二[4]。中国禁止进口废旧塑料之后，给全球塑料市场乃至环境保护市场带来巨大震动甚至叫做变革。

3.2 趋势

自2017年7月起，国务院办公厅印发《关于禁止洋垃圾入境推进固体废物进口管理制度改革实施方案》（国办发〔2017〕70号），要求全面禁止“洋垃圾”入境，国内废旧塑料进口出现明显收缩现象。不仅如此，2019年1月31日，上海市人大通过《上海市生活垃圾管理条例》，在全市施行垃圾分类[5]。

作为全球危害，世界各国也纷纷做出行动。2019年1月23日，纽约州州长、民主党成员安德鲁•库默（Andrew Cuomo）宣布，2019年行政预算案将包括禁止使用塑料袋以及扩大“挤瓶法”（Bottle Bill）的适用范围[6]；2019年3月6日，印度政府宣布将禁止进口塑料垃圾[7]。2019年3月27日，欧洲议会以压倒性投票结果（560票赞成，35票反对，28票弃权）通过一项“禁塑令”——到2021年，欧盟成员国将禁止使用包括一次性塑料餐具、塑料纸棉签、塑料吸管、塑料搅拌棒在内的10种一次性塑料制品[8]。

同时塑料制品厂家也积极加入解决塑料污染的行动中。2019年1月17日，巴斯夫、陶氏、科思创等在内的逾20家公司宣布成立了“终结塑料污染联盟”（Alliance to End Plastic Waste）（简称AEPW）并承诺共同出资10亿美元。接下来，该联盟希望再筹集5亿美元，在未来五年内努力解决塑料污染问题[9]。

4. 处理技术

塑料制品质量较小、体积相对较大，在自然环境下不易降解，这些特殊性质决定了塑料想要进行无害化处理的难度较大。当今处理废旧塑料主要有三种方式：焚烧、填埋、回收利用。但是，填埋会占用大量土地，污染地下水资源；焚烧塑料会释放二噁英等有害物质，污染空气环境。而废旧塑料的再利用则更绿色化。废塑回收利用方法主要有：直接利用法、改性法、裂解法、气化法等[10]。

4.1 直接利用法

回收的废旧塑料经过分选、清洗、破碎、熔融、造粒后直接成型加工生产再生制品，其主要用于回收塑料生产及加工过程中产生的边脚料、下脚料等，也用于回收那些易清洗和挑选的一次性废弃品。该技术工艺简便，投入小，成本较低，被回收再生界广泛应用。

4.2 改性法

根据废塑料不同类型的特征，选择添加不同的改性剂，促使废塑料转化成为具备高附加值的材料。废塑料经过改性后，使机械性能得到明显的改良，可以用于制造档次更高的塑料制品。

4.3 裂解法

在高温或者催化剂的作用下，废旧塑料转化为再生油，从而当作燃料、化工原料来使用。

图4 奥地利航空公司空姐手捧由塑料杯热裂解制得油品

据《塑料新闻》报道，奥地利能源公司OMVAG的ReOil工厂，采用奥地利航空公司回收的消费后塑料杯，利用热裂解工艺，在300℃的温度下进行热裂解，该专利技术将聚合物长链裂解为短链烃，可将100千克废旧塑料加工成100升合成原油，如图4，奥地利航空公司空姐手捧由塑料杯热裂解制得油品[11]。

4.4 气化法

利用空气、氧气、水蒸气或等离子体[12]等来充当气化介质，可以处理大量废旧塑料完全转化为相当能量的产物，如：CO，H2，CH4等。它们可以用作生产甲醇、合成氨等化工产品的原料，或者燃烧发电、供热。

5. 同材质化创新方案

从目前的技术来看，塑料还不是一个可以完全回收利用的产品。随着国民经济水平的提高，消费升级的产生，消费者对塑料制品的美观性、功能性、安全性等方面更加注重。为改善塑料制品性能，塑料在加工成型过程中亦添加发泡剂、热稳定剂、着色剂、阻燃剂等材料。市场上，改性塑料和复合材料日益增多，塑料的成分复杂化、形态规格多样化，甚至同一品种塑料的性质差异越来越大，尤其对软包装塑料来说十分明显。软包装的回收之所以比硬包装困难，是因为硬包装多由单一材料生产而成，而大多数软包装是经过多次加工的多层共挤复合产品。因此塑料制品废弃后回收分类难度越来越大。

为此，我们提出塑料包装应用设计方案同材质化，旨在给出塑料制品生产企业在开发初期和生产初期就考虑材料可回收性方案的方向。

5.1 同材质化

塑料同材质化即在同一产品上所用塑料制品均使用单一的化学组分相同而物理性质可不同的树脂材料。如图5，上海虹桥高铁站某奶茶的包装，杯材采用PP吸塑拉伸成型，盖材采用BOPP//CPP复合材料，吸管是PP，吸管包装膜用BOPP，在整个产品包装上做到同材质化，易于回收，详情见表1。

图5 上海虹桥高铁站某奶茶的包装

表1 奶茶包装同一材质应用方案

图6 博禄的重包袋解决方案

图7 博禄纯PE复合直立袋实物、直立袋结构图

同理，博禄在其2019年9月的产品推广会上也提到，其新牌号的HDPE可实现应用在重包袋上的同材质化。FK系列为其LLDPE系列，FB系列为Borstar®双峰技术新开发的HDPE。图6为博禄在宣讲会上提出的重包袋解决方案，图7为博禄生产的纯PE复合直立袋实物及结构图。

但现在市场上同一产品多数不能做到塑料制品同材质化，如可乐瓶等，瓶身采用PET材料，标签正由BOPP大量转为BOPET及BOPETG，但是瓶盖仍在采用HDPE，不利于回收。可通过对PET聚合物的改性，制成性能与HDPE瓶盖相似甚至相同的瓶盖，实现同材质化。

通过对包装解决方案的顶层设计，法律法规约束，规范塑料包装制品的材料选用（及创新），采用单一化学结构的材料，从生产源头抓起，为之后回收分拣工作奠定物质基础。正如上文所述，高铁站的食品、饮料包装，可立法规定必须使用同材质的塑料，这样就便于高铁站场所工作人员进行废塑料回收，进而为之后的再生利用打下基础。图8为高铁站垃圾回收。

图8 高铁站垃圾回收

例如日本及其严苛的垃圾分类政策——生活垃圾一般分为可燃垃圾、不可燃垃圾及资源垃圾（金属、纸张、玻璃）等三大类，居民根据当地政府的规定，在每周固定的时间用标准的垃圾袋摆放在固定的地点（图9）。

图9 日本垃圾分类手册（中文版）部分图

日本废旧塑料回收处于全球先进水平。根据日本PET瓶回收协会的数据显示，2017年日本的消费者和企业共回收了同年PET瓶产量的92%旧PET瓶，并且84.8%的废旧塑料实现了回收利用[13]。假如塑料同材质化可使民众进行垃圾分类使更易分辨，不仅节约了民众分类垃圾的时间成本，也节约了废旧塑料回收再生企业进行再分类的时间成本，废旧塑料回收效率会更高。

5.2 单一聚合物复合材料

1975年，N.J.Capiati等[14]首次制备聚乙烯（PE）纤维增强PE复合材料，提出单聚合物复合材料（SPCs）的概念。SPCs的基体和增强材料来自同种高分子聚合物，是把两种或两种以上化学组分相同、物理性质不同的聚合物复合在一起的材料，与传统的纤维增强聚合物基复合材料相比，SPCs的力学性能和基体与增强材料的界面结合强度都得到提高。且单聚合物复合材料（SPCs）具有质量轻、比强度高、耐冲击等特点，同时只需简单熔融即可回收再利用[15]。图10为某品牌采用PP制造的旅行箱。

图10 某品牌采用PP材质利用SPCs制造的旅行箱

在全球能源回收和再利用意识不断提高的今天，单聚合物复合材料已然成为复合材料研究领域的热点之一。