2020年12月08日 閱讀:77

紙基包裝材料的研究進展、應用現狀及展望

包裝材料的應用歷史可以追溯到人類文明的初期,是包裝行業中至關重要的組成部分。隨著環境污染的日益加劇和人們環保意識的逐漸增強,低碳、環保、節能已經成為全球關注的焦點,包裝材料的綠色化研發和應用也成為人們關注的熱點,近年來相關研究和產業化應用發展迅速。2020年1月19日,我國國家發改委和生態環境部發布《關于進一步加強塑料污染治理的意見》(下稱《意見》),該《意見》被業界稱為新版“限塑令”。本文從新版“限塑令”下包裝行業和造紙行業面臨的新機遇與挑戰的角度出發,系統性地探討了紙基包裝材料的研究進展及應用現狀,特別是紙基包裝材料中近年來的研究應用熱點材料——紙基復合包裝材料和紙漿模塑包裝材料,為拓展紙基包裝材料的應用領域和開發功能化紙基包裝材料的創新技術及產業化提供了研究方向和思路。


1.紙基包裝材料概述

紙基包裝材料(Paper-based Packaging Material),是指用于包裝目的的一類天然植物纖維基材料的統稱。紙基材料是人們最為熟悉、使用最早、應用最為廣泛的綠色環保材料,目前廣泛應用于包裝領域的紙基材料有傳統包裝用紙和紙板材料、新型功能性紙基包裝材料、紙基復合包裝材料和紙漿模塑包裝材料等。近年來,電商、快遞、外賣等新興業態的快速發展及國家對農村物流的建設和鼓勵,塑料包裝制品產生的污染問題受到越來越多的關注,國內外的發展趨勢都表明“限塑”的重要性和緊迫性,這為紙基包裝材料的行業發展帶來了新的機遇。但與此同時,由于天然植物纖維材料本身固有屬性的局限性,造成紙基包裝材料在替代塑料包裝材料的過程中遇到了新的挑戰。

在傳統制漿造紙工業中,通過漿內或表面施膠的處理方式賦予紙基材料抗拒液體滲透和擴散的性能。隨著紙基材料在包裝行業中應用領域的逐漸拓展,傳統的施膠技術早已不能滿足某些領域對紙基材料性能的要求。根據被包裝產品對包裝材料的要求,如紙基包裝材料的緩沖性能、表面性能、阻隔性能等,研究不同處理工藝和技術來提高和豐富紙基材料的性能以滿足不同領域的需求已成為紙基包裝材料功能化研究的趨勢。


2.紙基復合包裝材料研究及應用進展

紙基復合包裝材料是指以包裝紙或紙板為基材,通過一定的加工工藝將其他材料與紙基材形成多功能性復合包裝材料。紙基復合包裝材料是基于各種材料性能,取長補短,充分利用金屬材料、聚合物材料等基材優異的阻隔、保溫、抗菌等性能和天然植物纖維的生態環保性能的產物,一般包括紙基層、功能層和熱封層。依據復合工藝、輔助材料的種類及類別,可以將紙基復合包裝材料分為紙/塑/鋁復合包裝材料和紙/聚合物復合包裝材料。

紙/塑/鋁復合包裝材料興起于1980年左右,隨著包裝設備的引進,在國內的應用迅速發展起來。但是,由于紙/塑/鋁復合包裝材料使用的原輔料品種繁多,其回收難度較高和成本較大,大多數的廢棄紙/塑/鋁復合包裝材料被當做無價值的廢棄物處理掉,造成資源浪費和環境污染?;诃h保和資源節約壓力,人們開始從材料來源到加工成型工藝及廢棄的整個過程對環境的影響來重新考慮紙/塑/鋁復合包裝技術。

紙/聚合物復合包裝材料是通過一定的工藝將具有不同性能的紙基材料和聚合物類材料結合而成的一類復合材料。紙/聚合物復合包裝材料中所用的聚合物種類按環保性能可以分為兩大類:不可生物降解塑料類和可生物降解聚合物類(紙基生物聚合物復合包裝材料)。紙基生物聚合物復合包裝材料的研究重點集中在生物聚合物性能改性及種類拓展、基于包裝內容物的需求對包裝材料的性能改進及優化、涂布復合工藝研究、紙基材料與生物聚合物涂層的界面相容性等。聚乳酸(PLA)是最有應用前景的一種新型脂肪族聚酯生物聚合物。但是,目前的聚乳酸紙基復合材料在耐久性及阻隔性能上存在不足,且成本與傳統塑料淋膜類紙基復合材料相比較高,在用作包裝材料時仍會遇到這樣或那樣的實際問題,要實現真正產業化應用還有不少難題需要攻克。


3.新型紙基包裝材料:紙漿模塑制品

紙漿模塑行業起源于20世紀30年代的歐洲,模塑技術最早是應用于塑料行業的一種成型加工技術,通過與造紙技術結合,便衍生出一種利用天然植物纖維材料的立體造紙技術——紙漿模塑。紙漿模塑制品具有非標準、批量小、數量少的特點,這對紙漿模塑制品生產設備的研發及使用效益帶來了很大的挑戰。紙漿模塑制品在六七十年的發展過程中,相關研究工作的重心也從如何降低生產成本和拓展產品應用范圍,轉變到更深層次的紙漿纖維原料性能優化、助劑研發、紙漿及其模塑制品的物理、化學特性參數的測量、專用成型設備的研發、紙漿模塑制品結構設計以及生產加工工藝參數的優化等。

紙漿模塑包裝制品一直存在表觀平滑度不足、易掉屑等問題。國內外對于紙漿模塑制品表面性能方面的研究還處于初始階段,從原材料、添加劑、表面處理工藝等方面提高制品表面性能的研究才剛剛起步。由于紙漿模塑行業發展較晚,針對其專門的阻隔性能方面的研究很少且較為淺顯,但由于紙漿模塑制品的主要原材料是各種性能的紙漿纖維,屬于天然纖維纖維素基材料,因此,相關研究可以基于天然纖維纖維素基材料在抗液態水及流體滲透、阻隔氣體擴散、防油脂浸漬等在阻隔機理、阻隔工藝、阻隔助劑等方面的進展進行。

紙漿模塑制品在我國已經發展了三十多年,特別是借助“限塑”法令使其在環保工業品包裝和一次性環保餐具領域得到越來越廣泛的認可和使用,但是紙漿模塑制品的一些技術共性問題還有待研發解決,如模具制作、紙漿模塑制品表面改性工藝、漿料配制研究、生產過程能耗高、及缺乏統一的行業標準等,需要紙漿模塑行業的上下游產業鏈一起研發攻關解決。隨著紙漿模塑制品在高附加值包裝領域的廣泛應用,如何將智能包裝技術整合到紙漿模塑包裝材料的生產過程中,以及將納米材料或高強度的纖維材料應用到紙漿纖維原料中生產具有特殊性能的紙漿模塑包裝材料,是未來該行業重要的研究方向和發展趨勢。


4.展望

紙基包裝材料是兩大國民經濟支柱產業——造紙行業和包裝行業交叉通融的一種重要材料。近年來,紙基包裝材料的成品種類基于應用領域的拓展而越來越多樣,如在外賣送餐領域,一次性塑料餐具和包裝造成的環保壓力與日俱增。為支持外賣行業綠色供應鏈建設,中華環境保護基金會和美團外賣共同發起的“青山計劃專項基金”專門設立了“紙質外賣包裝推薦名錄及創新產品孵化項目”,助力紙質包裝制品在外賣領域的推廣使用。隨著紙基包裝材料應用場景的不斷延伸、環保及資源節約型經濟的壓力和人們對包裝材料要求越來越高,對紙基包裝材料提出了越來越多的挑戰??傮w來講,在我國2020年初新版“限塑令”的推動下,紙基包裝行業既迎來了新的發展機遇,同時也面臨著新的挑戰。紙基包裝材料應該加大創新力度,研制在使用性能和成本上都相當或接近于被廣泛使用的不可降解塑料制品的成熟替代品,推出滿足市場需求的功能性產品。

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