研究发现,常见的家用塑料与全球数千人死于心脏病有关

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将食物储存在塑料容器中会使您接触到可能具有潜在危险的化学物质,这些化学物质可能会从塑料泄漏到食物中。

一项新的研究发现,在食品储存容器、洗发水、化妆品、香水和儿童玩具等消费品中发现的称为邻苯二甲酸酯的合成化学物质,可能导致 2018 年全球 55 至 64 岁男性和女性心脏病死亡人数的 10% 以上。

“邻苯二甲酸盐会导致冠状动脉的炎症和全身炎症,这会加速现有疾病并导致包括死亡在内的急性事件,”资深作者、纽约大学格罗斯曼医学院儿科和人口健康教授莱昂纳多·特拉桑德博士说。他还是纽约大学朗格尼分校环境儿科部和环境危害调查中心的主任,“众所周知,邻苯二甲酸盐会破坏睾丸激素,”特拉桑德说,并补充说,在男性中,“低睾丸激素是成人心血管疾病的预测指标。

在早期研究中,邻苯二甲酸盐与生殖问题有关,例如男婴的生殖器畸形和睾丸未降 ,以及成年男性的精子数量和睾丸激素水平较低。研究还将邻苯二甲酸酯与哮喘 、 儿童肥胖和癌症联系起来。

“这项新研究强调了接触 DEHP 可能带来的巨大健康和经济负担,这与对其风险的现有担忧相一致,”环境工作组的代理首席科学官大卫·安德鲁斯 (David Andrews) 说,该组织是一个监测塑料中邻苯二甲酸盐和其他化学物质暴露情况的消费者组织。他没有参与这项研究。

代表行业的美国化学理事会(American Chemistry Council)拒绝对这项研究发表评论,但通过电子邮件告诉 CNN,该组织的邻苯二甲酸酯含量高小组致力于推广 DINP 和 DIDP 等高邻苯二甲酸酯的好处。

邻苯二甲酸盐暴露和风险:邻苯二甲酸酯通常被称为“ 无处不在的化学品 ”,它们被添加到消费品中,例如 PVC 管道、乙烯基地板、防雨和防污产品、医用管材、花园软管和一些儿童玩具,以使塑料更柔韧,更难破裂。其他常见的接触来自食品包装、洗涤剂、服装、家具和汽车塑料中邻苯二甲酸盐的使用。 邻苯二甲酸盐还被添加到个人护理用品中,如洗发水、肥皂、发胶和化妆品,以使香水更持久。据美国疾病控制和预防中心称,当人们呼吸受污染的空气或食用或饮用与塑料接触的食物时,他们就会暴露在空气中。

周二发表在《eBiomedicine》杂志上的这项新研究研究了一种邻苯二甲酸酯—— 邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯 ,或 DEHP——对 200 个国家和地区的全球死亡人数的影响。Trasande 说,研究人员分析了数十项人口调查的健康和环境数据,其中包括含有 DEHP 留下的化学分解产物的尿液样本,已知 DEHP 与心血管疾病有关。

根据加州 65 号提案 ,邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯也与出生缺陷、癌症和男性生殖危害有关,该法案要求公司在产品上贴上警告标签,告知消费者化学品可能对健康产生影响。

研究人员将暴露情况与收集全球医学信息的美国研究机构健康指标与评估研究所(Institute for Health Metrics and Evaluation)收集的死亡统计数据进行了比较。

分析发现,2018 年全球 55 至 64 岁的男性和女性因暴露于 DEHP 导致 368,764 人死亡。研究发现,非洲占与 DEHP 相关的心脏病死亡人数的 30%,而东亚和中东占死亡率的 25%。

该研究的主要作者、纽约大学格罗斯曼医学院副研究科学家 Sara Hyman 说,这项研究被认为是对暴露于 DEHP 的任何健康结果的首次全球估计。

海曼在一份声明中说:“通过强调邻苯二甲酸酯与全球主要死亡原因之间的联系,我们的研究结果增加了大量证据,表明这些化学物质对人类健康构成巨大威胁。

然而,EWG 的 Andrews 说,这项研究的局限性在于美国使用风险比来估计其他国家的人口归因死亡人数。

“虽然作者承认这一局限性,但它假设 DEHP 暴露与心血管疾病之间的关系在全球范围内是一致的,”他在一封电子邮件中说。“鉴于各国在暴露水平和获得 CVD 检测和治疗的机会方面存在显着差异,这可能并不成立。”

Trasande 和他的团队之前的研究测量了美国 5,000 多名成年人的尿邻苯二甲酸盐浓度,并将这些水平与平均 10 年的早逝风险进行了比较。在那项研究中,研究人员发现邻苯二甲酸酯可能导致 55 至 64 岁的美国人每年约 91,000 至 107,000 人过早死亡 。 根据这项研究,邻苯二甲酸酯水平最高的人因任何原因死亡的风险更大,尤其是心血管死亡。即使在研究人员控制了先前存在的心脏病、糖尿病、癌症和其他常见病症、不良饮食习惯、身体活动和体重以及其他已知激素干扰物(如双酚 A 或 BPA)的水平之后,结果仍然成立。

研究人员估计,这些死亡每年可能会给美国造成约 400 亿至 470 亿美元的经济生产力损失。

专家建议将食物装在金属、陶瓷或玻璃容器中,切勿用微波炉加热塑料食物。要最大限度地减少您对邻苯二甲酸盐和其他内分泌干扰物的接触,“尽可能避免使用塑料。减少对超加工食品的使用可以降低您接触的化学品暴露水平,“Trasande 说。“切勿将塑料容器放入微波炉或洗碗机中,因为热量会分解衬里,使其更容易被吸收。”

以下是减少接触的其他提示:
1、使用无味的乳液和洗衣粉。
2、使用没有气味的清洁用品。
3、使用玻璃、不锈钢、陶瓷或木材来盛放和储存食物。
4、购买新鲜或冷冻的水果和蔬菜,而不是罐头和加工的水果和蔬菜。
5、鼓励经常洗手以去除手上的化学物质。
6、避免使用空气清新剂和所有标有 3 号、6 号和 7 号的塑料。

 

13项突破性的环保包装创新重塑行业

1、 黑蝇塑料(Black Fly Plastic)

2、 甘蔗衍生的聚乳酸(Sugarcane-Derived PLA)

3、植物基聚合物(Plant-Based Polymer)

4、木质素基聚合物(Lignin-Based Polymer)

5、可持续印刷蜡纸和羊皮纸(Sustainable Printed Wax & Parchment Paper)

6、可堆肥涂层纸质包装(Paper-Based Packaging with Compostable Coating)

7、无塑料阻隔涂层和可食用薄膜(Plastic-Free Barrier Coating & Edible Films)

8、ACTGreen阻隔涂层(ACTGreen Barrier Coatings)

9、CareTips 生物聚合物(CareTips Biopolymer)

10、CornNext-17生物聚合物(CornNext-17 Biopolymer)

11、金属化可堆肥薄膜 Metallized Compostable Films

12、回收食用油制成的薯片袋(Chip Bags from Recycled Cooking Oil)

三种氟测试方法团标将于24年6月20日起实施

近日,由IQTC联合知里科技(广东)有限公司提出的三项氟测试方法的团体标准已正式发布,并自2024年6月20日起实施。

这三项标准分别是:
• T/CNFIA 191—2024《食品接触用纸、纸板及纸制品中总氟含量的测定 在线燃烧-离子色谱法》
• T/CNFIA 190—2024《食品接触用纸、纸板及纸制品中总有机氟含量的测定 离子色谱法》
• T/CNFIA 189—2024《食品接触用纸、纸板及纸制品中可提取有机氟含量的测定 在线燃烧-离子色谱法》

制定这三项标准旨在有效控制食品接触用纸和纸制品中的全氟和多氟化合物(PFAS)含量,这些物质在食品包装中广泛使用,但也存在潜在的环境和健康风险。

目前食品接触材料中的氟含量并未有标准测试方法,因此IQTC及其合作伙伴知里科技(广东)有限公司共同提出了制定三项团体标准的立项申请。从2023年9月正式立项,到2024年3月标准正式发布,总共有23家单位参与了这三项标准的起草。

这三项标准,分别测试纸制品中的总氟、有机氟、可提取有机氟含量。总氟是指纸制品中所有形态的氟化合物总量(以氟计),它既包含有机态氟,也包含无机态氟。有机氟是指总氟扣除无机态氟后,剩下的有机态氟化合物含量(以氟计)。可提取有机氟是指在有机态氟化合物中,可被乙醇提取的那一部分氟化合物的含量(以氟计)。这三种不同方式下测得的氟含量将对应纸制品中以不同形态存在的氟,也将对应不同的控制要求。三项标准采用的测试方法均为离子色谱法。

使用显微拉曼光谱技术识别塑料杯中释放的微塑料并确定其特性

IQTC和暨南大学科研团队就淋膜纸杯中微粒塑料的迁移、鉴别及产生机理进行了研究,相关成果以“Identification and characterisation of microplastics released from plastic-coated paper cups using micro-Raman spectroscopy”为题发表在在食品领域知名期刊Food Control (JCR一区,IF=6.652,DOI org / 10.1016 / j.foodcont.2023.109901 ) 上。张天龙和胡佳玲为该论文的共同第一作者,钟怀宁研究员和林勤保研究员为共同通讯作者。该研究得到了IQTC主持的国家重点研发计划课题2022YFF0607202和国家自然科学青年基金42207550的资助。

研究结果:
(1)显微拉曼定性结果表明,淋膜纸杯至少迁移出四种不同的微粒塑料颗粒,其中三种有可定性的拉曼光谱(见图 2):前两种可被定性为聚乙烯(PE)与聚酰胺(PA),其来源应为淋膜纸杯自身及加工中外界环境的引入 ;第三种由于缺少指纹区的特征峰,因而被归为未确定微粒塑料,推测为聚丙烯酸丁酯(PBA)及聚己内酯三元醇(PCL-T)。

(2)对于检测到的微粒塑料统计可得:五款淋膜纸杯迁移出的微粒塑料(大于1um)数量从 5.67±0.33 x 10^5 到 33.67±27.00 x 10^5 个/升,平均值为 12.93±11.69 x 10^5个/升;粒径大小为1-60 um, 平均粒径为18.2±14.5 um。

(3)对五款淋膜纸杯(A-E)根据不同的微粒塑料定性结果,对数量和粒径分布进行统计。除了纸杯A以外,大多数淋膜纸杯中检测到的迁移微粒塑料粒径都小于15 um。且外源性微粒塑料(如PA,未确定微粒塑料等)大多尺寸较大,一般大于20 μm。扫描电镜的结果也证实,暴露后的纸杯涂层上存在微米级(5-20 um)的缺陷或碎片。且通过扫描电镜发现,未暴露的纸杯涂层上存在较高的粗糙度,可能是导致微粒塑料形成的关键因素之。

显微拉曼光谱现已广泛应用于环境及食品科学中微粒塑料的检测,本文首次将其应用于塑料淋膜纸杯的研究,并对检测到的微米级微粒塑料进行准确定性,分析了粒径分布与微塑料种类的相互作用机制,为之后建立统一的食品接触材料中微塑料检测方法规范提供了新的研究思路和技术手段。

IQTC和暨南大学林勤保研究员团队持续关注食品接触材料及环境中微粒塑料的鉴别及检测分析,检测能力涵盖显微红外光谱,显微拉曼光谱,荧光显微镜,扫描电子显微镜,热裂解/气相色谱-质谱联用法等技术。团队前期采用显微拉曼光谱对外卖餐盒中微粒塑料迁移情况进行了检测与分析,研究成果发表于英文期刊Food Additives & Contaminants: Part A。2022年4月20日,来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的化学家ChristopherZangmeister团队开展的一项新研究,以食品级尼龙袋和低密度聚乙烯(LDPE)成分的产品作为样本,探究微塑料的来源及释放情况。事实上,以这两种成分为主的塑料用品在日常生活中很普遍,比如烘焙衬垫和一次性外带咖啡杯的内衬塑料薄膜。

此外,研究结果显示,在普通的外带咖啡杯中放一杯100℃的水,静置20min后,研究者在每升水中能检测到万亿个塑料纳米颗粒。也就是说,当你享用喝一杯500ml的热咖啡或热奶茶时,将有5千亿个塑料纳米颗粒进入你的身体内!

不仅如此,其实早在婴儿时期,人们就已经开始摄入微塑料。据Nature Food上刊登的研究Microplastic release from the degradation ofpolypropylene feeding bottlesduring infant formula preparation估计,在使用聚丙烯塑料瓶制备的每升婴儿配方奶粉中,婴儿可能摄入多达1600万个微塑料颗粒。该研究中,研究人员按照世界卫生组织制备婴儿配方奶粉的标准,将聚丙烯婴儿奶瓶消毒、风干,然后倒入加热到70℃的水。在摇晃瓶子一分钟后,他们过滤了液体并在显微镜下进行分析,发现了数以百万计的微塑料颗粒。仅装瓶1分钟就能检测到,证实了微塑料产生的即时性。

此外,研究者还发现,冲奶粉使用的水温会极大地影响释放的污染颗粒的数量。当水温从25℃上升到95℃,每升释放的微塑料颗粒从60万增加到5500万个。也就是说,水温越高,释放的量就会越多。

由于人们不断地吃外卖、喝咖啡、吨瓶装饮料,微塑料自然也不停地被摄入进人体内。加拿大的Kieran D.Cox教授和他的团队以美国人饮食为基础,根据食物消费种类以及不同种类食物所含有的微塑料数量,估算出每人每年会吃掉5万个微塑料颗粒,如果算上漂浮在空气中、被呼吸吸入的微塑料,那么每人每年吃掉的微塑料颗粒数量在7.4万-12.1万之间。按照重量计算的话,每人每周大约吃掉5g微塑料,相当于一张银行卡的重量。

人类血液中首次发现微塑料的存在!2019年,《Annals ofInternal Medicine》在线发表的一项研究显示,健康志愿者的粪便样本中检测到了微塑料。研究人员发现,所有粪便样本都检测出微塑料呈阳性,每10克人类粪便中平均有20个微塑料颗粒。

研究者在22名健康志愿者的静脉血中检测到了5种最常见的塑料成分,分别是PET、PS、PE、PMMA、PP。在严格控制了采样、样品准备及分析过程中的可能存在的塑料污染后,研究者在近8成志愿者的血液里检测到了微塑料的存在(77%,17/22),平均下来,每个志愿者每毫升血样里有1.6ug的微塑料。

这项研究首次在人体血液中发现微塑料的存在,考虑到血液循环在体内四通八达,为各器官供给氧气和营养物质,带走代谢废物,不难想象微塑料也随着血流流经全身。“在血液样本中发现微塑料存在”的事实,也说明了人体清除微塑料的速度是低于从外界摄入的速度。进入血液的微塑料可能通过肾脏过滤或胆汁排泄的方式排出体外,也可能通过有孔的毛细血管沉积在肝脏、脾脏等器官。换句话说,微塑料早已无孔不入,甚至遍布全身。肠道疾病患者粪便中含有的微塑料颗粒是健康的1.5倍。

微塑料究竟会对健康造成什么样的危害呢?这才是人们更为关心的话题此前,已有动物实验证明,微塑料可以扰乱内分泌系统,导致出生缺陷,减少精子的产生,引发胰岛素抵抗,并损害学习和记忆。此外,科学家们还观察到了由于微粒刺破和摩擦器官壁而引起的物理损伤迹象,例如炎症。

为了探究微塑料对人类的影响,来自美国哈佛大学和罗格斯大学的科学家们还构建了模拟消化道的体外系统,结果显示,微塑料的存在会对脂肪吸收带来健康上的负面影响,即当脂肪与微塑料颗粒一起摄入时,脂肪的生物利用度会随之增加,导致更多的脂肪进入血液(这可能就是外卖越吃越胖的原因之一)。此外,该研究中还显示微塑料会影响微量营养素吸收、增加小肠渗透性,以及促进某些细菌繁殖等。

现阶段,有关微塑料对人体健康影响的试验有限,但已初见端倪。2021年12月,发表在《Environmental Science & Technology Letters》期刊上的一项学术研究显示,炎症性肠病(IBD)(包括克罗恩病和溃疡性结肠炎)患者的粪便中的微塑料比健康对照组多,表明这些微塑料可能与疾病的发展过程存在相关性。
研究团队从不同地区的50名健康人和52名IBD患者中获取了粪便样本。分析结果表明,IBD患者的粪便中含有的微塑料颗粒是健康受试者粪便的1.5倍。患者体内的微塑料含量越高,疾病相关的腹泻、直肠出血和腹部绞痛症状就越明显。

众所周知,塑料降解速度很慢,通常会持续数百年甚至数干年,这也增加了微塑料被摄入并累积在许多生物体和组织中的可能性。为了避免人类的五脏六腑变成“塑料制品”,最简单的办法就是尽量在生活中减少塑料制品的使用并及时治理塑料污染,别让地球被塑料“攻陷”之后再追悔莫及。

冰鲜乳制品纸浆模塑包装的挑战和机遇

Aarhus大学和芬兰VTT研究中心(VTT technical research centre of Finland)合作在2023年5月22日到23日在Auditório Carvalho Guerra举行了一次以可持续、食品接触新材料为主题的讨论会,丹麦技术研究所(DTI,Danish Technological Institute)做了以《纤维素基材料在食品包装中的应用进展》为主题的报告,介绍了DTI的最新的纸浆模塑阻隔涂层技术,报告由Alexander Leo Bardenstein进行演讲。下面是简要介绍:

1、介绍了阻隔涂层对提升纸浆模塑产品阻隔性的挑战;
2、介绍了纸浆模塑不同的成型技术,包括干压、湿压和浆板热压成型;
3、介绍了DTI的迷你纸浆模塑成型机;
4、介绍了热压成型技术和涂布加工处理对纸浆模塑阻隔性的必要性,以及主流液体阻隔涂层及其功能和涂布方式示例;
5、水性阻隔涂层和纸浆模塑产品表面的交互过程;
a.纸浆模塑基质结构对阻隔性的影响,例如粗糙度、孔隙率、亲水性和吸水性、表面几何形状;
b.具有阻隔性能的纸浆模塑涂层的厚度研究;
c.减少粗糙度、孔隙度和吸水性可以提升对水分的阻隔性能;
d.AKD的作用;
6、由Cellucomp研发的从植物根部提取的微纤维素小板,注册商品名为Curran®;
7、Curran®对改善纸浆模塑表面的作用;
8、介绍由丹麦绿色发展与示范项目(GUDP)资助的一个产品开发项目的成果SinProPack草浆;
9、SinProPack草浆在湿压中的表现;
10、溶胶凝胶(Sol-gel coating)涂层在纸浆模塑的表面处理;
11、Curran®和溶胶凝胶的组合使用效果;
12、等离子体增强化学气相沉积(PECVD,Plasma enhanced chemical vapor deposition)阻隔涂层介绍。
13、DTI的常压PECVD技术;
14、DTI的PECVD技术和溶胶凝胶的组合使用。

美国Smart Planet公司推出基于矿物质涂层的纸杯

总部位于加利福尼亚州的 Smart Planet Technologies 公司推出了矿物质纸杯,以促进回收利用。

鉴于最近关于咖啡杯回收率低的争议,Smart Planet 称 ReCups 更易于回收。英国允许根据纸杯材料的可回收性宣布纸杯可回收,即使它们没有被回收。

实际上,传统纸杯很难回收利用,正如英国广播公司(BBC)的 “向浪费宣战”(War on Waste)节目所展示的那样。在英国,大部分咖啡杯都被填埋;最近成立的 “纸杯宣言”(Paper Cup Manifesto)正在解决这一问题。

ReCUP 可在现有回收基础设施中回收利用,而这正是纸杯回收利用面临的最大挑战之一。

Smart Planet Technologies 公司总裁 Will Lorenzi 告诉《包装新闻》,ReCUP 已通过可回收性试验,使用现有的生产设备,成本不高,塑料用量少得多,而且和普通纸杯一样好用。

ReCup 的地球涂层是一种矿物混合塑料,由 40% 的碳酸钙和 60% 的低密度聚乙烯制成。

EarthCoating 是一种矿化树脂,可用作各种纸板包装的阻隔涂层。

这家包装技术公司表示,ReCup 的涂层在回收过程中可以分解成细小、致密的颗粒,使材料更容易加工。

如果杯子的涂层完全由塑料制成,就会碎成片状,从而堵塞回收设备。

Smart Planet 开发 ReCup 已有两年时间。How2Recycle 公司已独立确定该涂层无污染。

洛伦兹补充说:”既然我们能够证明我们的纸杯可以通过英国的标准回收基础设施进行处理并从中获利,那么可回收标签就适合我们在英国的纸杯,因此这将是解决纸杯回收不足问题的第一步。

二氧化硅制成的阻隔涂层Qwarzo

Qwarzo 是一种由二氧化硅制成的阻隔涂层,可用于替代纸张、纺织品和金属上的塑料和全氟辛烷磺酸,目前已得到联合利华和 Innocent 等品牌的认可。

Qwarzo 称,涂有其产品的产品符合食品接触材料的规定,因为它们具有 “高度耐热 “性、耐寒性、耐水性、耐油性、耐蒸气性、耐化学性和耐破损性,而且无味、不可见、无异味。

该公司的产品可以利用现有的生产线或集成的定制机器进行生产。在潜在应用方面,该涂层可用于为纸杯、餐具、盘子、吸管、搅拌器及其他食品和饮料容器提供防潮防油屏障。

Qwarzo 声称,这种涂层可以帮助产品保持其可回收和可堆肥的特性。该产品可用于各种形式,如卷筒和片材涂层、纸张模切和热成型,也可用于纸张以外的各种材料。

重要的是,联合利华表示,新勺子完全可回收和堆肥,同时还能防水和防油脂。

“Qwarzo的技术可以为纸张提供阻隔性能,使其防水防油。这些特性使其非常适合与我们美味的冰淇淋接触。重要的是,这样做不会影响纸张固有的可回收性和可堆肥性,”联合利华食品创新中心 Hive 的全球研发包装材料专家 Facundo Beltramino 说。

氧气透过率(OTR)和水汽透过率(MVTR)

在开发用于货架稳定和延长保质期食品的材料时,需要使用通过高性能材料和多层共挤阻隔结构实现的阻隔包装材料解决方案,以确保产品安全无虞,免受氧气和湿气渗透导致食品变质的有害影响。在食品包装行业中,有两种最重要、使用最广泛的测试方法和标准用于确定阻隔性能,从而确定保质期预期,它们是氧气透过率(OTR)和水汽透过率(MVTR)。

氧气透过率 (OTR) 是指在给定时间内透过某种物质的氧气量。塑料薄膜材料的氧气透过率是指在特定条件(温度和相对湿度)下氧气透过薄膜的稳定速率。OTR 的测量适用于不同的食品(固体和液体)和医疗包装材料,如木材、软木、玻璃、铝、塑料(硬质和软质)等。在食品包装中,随着时间的推移,氧气在包装中的渗透会导致被称为氧化的食品腐烂过程,因此,通过定制的材料阻隔结构来降低氧气渗透速度,从而延长产品的保质期,对于保持食品的安全和质量至关重要。

食品类的包装对WVTR和OTR的要求如下:

OTR:102 cc/m2/24hrs

WVTR:102 g/m2/24hrs

湿(水)气透过率(MVTR/WVTR)是指在一定时间内透过物质的水蒸气量。与 OTR 相似,MVTR 也是在特定条件下测量的,如温度和相对湿度,以复制实际使用条件或进行加速测试以计算保质期。

美国材料试验协会(ASTM)和国际标准化组织(ISO)制定了各种标准测试方法,用于测量材料的 OTR 和 MVTR。根据最终应用和包装产品所需的测试结果的准确性来选择测试方法:

OTR 测量:
无论是薄膜、片材还是托盘、杯子、瓶子等成型部件,都有测量包装材料 OTR 的标准测试方法。在进行氧气透过率测试时,将阻隔薄膜或部件密封在一个含氧室和一个无氧室之间,由库仑传感器测量在选定温度和湿度下氧气透过材料的情况。当传感器检测到空氧室中的氧气量恒定时,测试在平衡点或稳定状态下完成。OTR 测试的标准测试条件是 73°F (23°C) 和 0% 相对湿度,最终结果值以毫升/100 英寸2/24 小时(美国标准)和毫升/平方米/24 小时(公制单位)表示。根据行业标准,当材料或包装的 OTR 小于 1 cc/100in2/24hr 或 15.5 cc/m2/24hr 时,该材料或包装即被视为高氧气阻隔性包装。

MVTR 测量:
标准测试方法可用于测量包装材料的 MVTR,无论是薄膜、片材还是成型部件(如托盘、杯子、瓶子等)。在 MVTR 测试中,将阻隔薄膜或部件密封在高湿度室(湿室)和干室之间,然后用压力调节传感器测量在选定温度和湿度下通过材料传输的湿度。当红外线传感器检测到水分子以恒定的速度离开干燥室时,测试在平衡点或稳定状态下完成。MVTR 测试的标准测试条件是华氏 100 度(摄氏 37.8 度)和相对湿度 90%,最终结果值按美国标准以 g/100in2/24hr 表示,按公制单位以 g/m2/24hr 表示。由于没有固定的标准值来决定一种材料是否具有较高的 MVTR 率,业界认为定向聚丙烯(OPP)是 MVTR 率最高的阻隔材料。

有各种 ASTM 和 ISO 测试方法可用于 OTR 和 MVTR。在北美,ASTM 测试方法是测试任何材料的任何特定材料特性的标准:
OTR:
ASTM D3985 是塑料行业使用最广泛的测试方法,它采用库仑传感器法精确测量塑料薄膜和薄片的氧气透过率。
F1307 使用库仑计传感器测定干包装氧气透过率的标准测试法
F1927 使用库仑计检测器测定氧气气体在受控相对湿度下通过阻隔材料的传输速率、渗透性和渗透率的标准测试法
F2622 使用各种传感器测定氧气透过塑料薄膜和薄片的速率的标准测试法
其它参考方法:JIS K7126, ISO 15105-2

MVTR:
ASTM D1434 是塑料行业使用最广泛的测试方法,可使用红外传感器精确测量塑料薄膜和薄片的透湿性。
ASTM E96 材料水蒸气透过率标准测试方法
ASTM E398 利用动态相对湿度测量板材材料水蒸气透过率的标准测试法
ASTM F1249 使用调制红外传感器测定塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的标准测试法
其它参考方法:JIS K7129, ISO 15106-2

是什么影响了材料的 OTR 和 MVTR?
一般来说,OTR 和 MVTR 是材料的固有属性,设计等因素在其中发挥着重要作用,因为大多数功能性阻隔多层包装材料都是通过将具有优异 OTR 和 MVTR 阻隔性的材料组合在一起来生产可用包装的。其他因素也会影响包装材料的 OTR 和 MVTR:
1、厚度
一般来说,材料越厚,OTR 和 MVTR 率越高,但由于工艺和成本的限制,包装中材料的厚度也会受到限制。例如,EVOH 具有优异的 OTR 性能,但它是一种昂贵的材料,而且性质较脆。因此,在多层共挤或挤压层压结构中使用的 EVOH 层很薄。EVOH 还具有吸湿性。因此,在使用前必须将材料烘干,并在 EVOH 的两侧使用聚丙烯等材料作为防潮层,以减少 EVOH 材料中可能影响包装中 OTR 功能的水分吸收。

2、加工过程
在 EVOH 的实际原材料生产过程中,需要在 OTR 阻隔性和加工之间进行权衡,因为乙烯摩尔百分比越低,阻隔性越高,但加工难度越大,反之亦然。除此以外,材料的取向也会影响并降低 MVTR 率,因为取向会使分子链排列整齐,并为蒸汽分子的通过创造一条不那么曲折的路径。

总之,渗透理论非常复杂,测试过程耗时(平均测试时间为 3 天至 3 周),而且难以执行,因为在测试过程中密封附近的任何泄漏都会导致测试失败。不过,氧气和水蒸气渗透率测试是设计、开发和生产延长保质期和货架稳定型阻隔食品包装应用的关键因素,是保持最终使用产品的质量、安全和性能的一种手段。

解读美国的 PFAS 食品包装法规

被称为 “永远的化学品 “的全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 自 20 世纪 40 年代以来一直在使用。它们被添加到各种产品中,使其具有耐热、耐水、耐油和耐腐蚀性能。PFAS 化学物质不仅存在于消防泡沫中,还存在于众多消费品中,包括食品包装。食品包装中对 PFAS 的限制主要针对植物纤维制成的包装,其中包括纸或纸板,因为这些材料通常都经过 PFAS 化学品处理,以达到防油、防油脂或防水的目的。

由玻璃、金属或塑料等其他材料制成的食品包装通常不在限制范围内,但各州的情况可能有所不同。对食品包装中 PFAS 的限制并不局限于餐饮场所使用的产品,消费者的食品包装产品,如零售用的纸盘、纸杯和纸碗通常也在限制范围内。

美国国会尚未通过全面禁止 PFAS 化学品的立法,但它在 2020 年底颁布了一项法律,禁止在提供给军队的食品包装中使用 PFAS。 在没有联邦法规的情况下,至少有 12 个州已着手对食品包装中的 PFAS 进行监管,还有许多州正在考虑这样做。大多数已通过立法的州只对 “有意添加 “的 PFAS 进行监管,但加利福尼亚州也对食品包装中的 PFAS 设立了最高阈值。各州的实施时间表各不相同,详情如下。

  • 已经或将要立法规定在食品包装中使用全氟辛烷磺酸的国家按从旧到新的顺序排列如下:
  • 纽约:目前禁止分销和销售含有有意添加的全氟辛烷磺酸的食品包装。
  • 加利福尼亚州:加州禁止任何人分发、销售或提供销售任何含有 PFAS(有意添加或含量达到或超过百万分之 100 (ppm))的食品包装。
  • 华盛顿州:华盛顿州的食品包装禁令规定,一旦华盛顿州生态部确定了更安全的替代品,将分级禁止生产、销售和分销任何 “有意添加何数量 PFAS 化学品的食品包装”。首批禁令于 2023 年 2 月生效,适用于包装、盘子、食品船或披萨盒;随后将于 2024 年 5 月对包装袋和套管(由柔性材料制成)、碗、扁平餐具(如托盘和盘子)、敞口容器和封闭容器实施禁令。
  • 佛蒙特州:自 2023 年 7 月 1 日起,佛蒙特州法律禁止生产、销售和分销任何有意添加 PFAS 的食品包装。
  • 康涅狄格州:截至 2023 年 12 月 31 日,康涅狄格州的法律禁止在生产或销售过程中有意添加 PFAS 的食品包装。
  • 科罗拉多州:科罗拉多州禁止在食品包装中有意添加 PFAS 的禁令于 2024 年 1 月 1 日生效。
  • 马里兰州:自 2024 年 1 月 1 日起,马里兰州法律禁止生产或销售任何有意添加 PFAS 的食品包装。
  • 明尼苏达州:从 2024 年 1 月 1 日起,明尼苏达州的法规禁止生产、销售或分销含有有意添加的 PFAS 的食品包装。
  • 罗得岛州:自 2024 年 1 月 1 日起,罗得岛州禁止在生产或销售过程中有意添加 PFAS 的食品包装。
  • 夏威夷州:截至 2024 年 12 月 31 日,夏威夷法律规定,制造、销售或分销”(b) 小节中规定的任何食品包装(包装纸和内衬、盘子、食品船和比萨饼盒),只要其中有意添加了任何数量的 PFAS 化学物质,均属违法行为”。
  • 俄勒冈州:自 2025 年 1 月 1 日起,俄勒冈州的法律禁止销售或分销有意添加 PFAS 的食品容器,食品供应商也不得使用聚苯乙烯泡沫塑料容器盛装熟食。
  • 缅因州:从 2030 年 1 月 1 日起,在缅因州销售、提供销售或分销的任何产品都不得含有有意添加的 PFAS。缅因州环境保护部进一步发布了食品包装中 PFAS 化学物质的监管法规草案;这些法规草案将适用于销售额超过 10 亿美元的制造商。

今后如何应对 PFAS?

制造商应考虑产品测试,要求产品部件制造商测试其部件并提供合格证 (CoC)。为了可能避免责任或将风险降至最低,分销商和零售商应要求制造商提供适当的 CoC。企业应与法律顾问和其他专家合作,以便在制造、分销和销售含有 PFAS 化学品的食品包装时做出明智的选择。

纸浆模塑产品作为塑料的绿色可持续替代品简介

【摘要】减少塑料及其相关产品的压力推动了对清洁、可再生、可回收、可生物降解包装产品的强烈需求。在这种情况下,纸浆模塑产品因其可持续发展的优势,吸引了越来越多的关注,原因很简单,因为其使用的原材料是植物纤维或回收纤维。许多公司已将其包装方式从塑料转向更环保的产品,如纸浆模塑产品。本文首先概述了纸浆模塑产品的一般概念,并从天然纤维来源、制造工艺、当前和新兴应用以及模塑产品的环境可持续性等方面进一步总结了不同类型的纸浆模塑产品。

塑料及其相关产品因其成本低、重量轻、性能高和易于加工而十分常见(MacArthur,2017;Schneiderman 和 Hillmyer,2017)。因此,人们对一次性塑料上了瘾,在过去几十年里,塑料制品的激增程度非同寻常(Azmin 等人,2020 年)。然而,随着一次性塑料产量的快速增长,再加上这些化石衍生塑料大多不可生物降解,塑料污染已成为威胁水生动物甚至人类健康的最紧迫的环境问题之一(Horejs,2020;Macleod 等人,2021)。因此,不断提高的环保意识和反对塑料污染的生活方式成为绿色可持续替代品的主要推动力。人们将重点转移到以木质纤维素为原料,寻找清洁、可再生、可回收的生物降解产品上(Garcia 和 Robertson,2017 年;Wei 等人,2020 年;Oyeoka 等人,2021 年;Qin 等人,2021 年)。

一、导言

作为绿色可持续包装材料之一,纸浆模塑及其产品因其可再生性、可回收性、可持续性和可生物降解性而受到越来越多的关注(Didone等人,2017;Didone和Tosello,2019)。纸浆模塑制品(MFPs)由可再生、可生物降解的天然纤维经过制浆、成型、压制和干燥等一系列工序在模具中压缩成型(Didone 等人,2017;Su 等人,2018)。这些纤维制品已在不同的包装市场得到商业应用,如食品行业(鸡蛋和水果托盘)、工业包装(电子产品和汽车零部件)、一次性用品(便盆和尿瓶)以及园艺托盘等(Didone 等人,2017 年;Su 等人,2018 年)。

本文简要概述了纸浆模塑的一般概念,包括各种类型的纸浆模塑产品、新兴应用、制造工艺以及基于纸浆模塑生命周期评估(LCA)的一般环境可持续性。

二、塑料及相关问题

塑料是一种人工合成的有机聚合物,具有许多理想的特性,如耐化学腐蚀、耐机械冲击、成本低廉、经久耐用等。包装中常用的塑料有高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(表 1)(Andrady,2011 年)。这些聚合物共占全球塑料总产量的 90%(Li 等人,2016 年)。因此,这些聚合物也是环境污染中的主要塑料成分。尽管部分废旧塑料可以回收利用,但由于管理制度不完善、限制条件多、成本高昂等各种原因,大部分废旧塑料最终都变成了废弃物。

表 1.包装中常用的塑料类别(Andrady,2011 年)

近来,与塑料废弃物相关的环境问题日益受到关注。根据联合国环境规划署(UNEP)的调查,全球每年生产超过 3.80 × 10(8) 吨塑料,其中约三分之一不可回收,而 50%塑料用于一次性使用,换句话说,只使用短暂的一次,却在地球上至少存在数百年(Geyer 等人,2017 年;Almeshal 等人,2020 年;Macleod 等人,2021 年)。此外,海洋环境中存在的塑料废物也是人们关注的焦点之一(Jambeck 等人,2015 年)。自 20 世纪 50 年代初以来,塑料的产量已超过 8.3 × 10(9) 吨,但只有约 9% 的塑料被回收利用,12% 被焚烧,79% 被堆积在垃圾填埋场或自然环境中(其中大部分最终进入海洋)(Geyer 等人,2017 年)。按目前的趋势,到 2050 年,海洋中的塑料含量可能超过鱼类(Horejs,2020 年)。此外,陆基来源占全球海洋污染的 80%,其中包括一次性塑料(SUP),如塑料袋、餐具、吸管和聚苯乙烯容器,它们是海洋污染的主要来源(Schnurr 等人,2018 年)。

能够漂浮的塑料垃圾会悬浮在海面上,而沉入海底的塑料垃圾则会在海底沉积数年、数十年甚至数百年。随着时间的推移,直接暴露在阳光下或海水中的塑料在紫外线(UV)的辐射下会变得脆弱并降解成从 0.1 μm 到< 5 mm的小碎片(Eerkes-Medrano 等人,2015 年;de Souza Machado 等人,2018 年),不过紫外线辐射对陆基塑料的降解速度比较快,同样的塑料在水中暴露于阳光下时,降解会严重延迟(Lambert 和 Wagner,2016 年)。因此,塑料在海洋环境中完全降解所需的时间仍然未知。

近年来,塑料对海洋物种的威胁与日俱增(Eriksen 等人,2014 年;Geyer 等人,2017 年)。人们经常发现海洋生物被缠绕在漂浮和水下的塑料中。由于塑料通常被误认为是正常的食物,大量海洋物种食用不同大小的塑料(微塑料、大塑料或两者兼有),会导致系统失灵,有时甚至死亡。例如,海龟很容易误食塑料,因为它们很难区分白色塑料和水母。摄入塑料还会造成持续的负面影响,因为塑料会在食物链中被传递到更高级别的生物。大多数情况下,塑料对海洋生物的影响都是亚致死的,即会产生长期的慢性影响:它会导致肠道堵塞、胃酶分泌受限、饥饿感减弱、类固醇激素水平下降、排卵延迟和繁殖失败等(Cole 等人,2013 年;Wright 等人,2013 年)。一些研究称,人类食用受塑料污染的渔业产品(如牡蛎和贻贝)可能会面临风险(Keswani 等人,2016 年)。

塑料对海洋生态系统和海洋动物的有害影响会对人类福祉产生持久影响(Li 等人,2016 年;Wright 和 Kelly,2017 年)。海洋生态系统提供了人们所需的各种必需品,包括食物供应、废物解毒、生计来源和碳储存(Bouwmeester 等人,2015 年)。许多国家已经制定了限制使用塑料吸管、瓶子和餐具等一次性塑料的政策或详细指南,这些政策或指南影响并提高了大众对于塑料的认识。

限制、禁止、重罚和重税的实施使得消费者减少了对一次性塑料制品的使用。各级政府制定了许多关于使用一次性塑料制品的法规和限制措施。此外,食品和饮料行业、相关公民个人也采取了更多的非立法干预措施。在提高认识方面,媒体一直在发挥着强大的影响力,因为描述海洋动物遭受塑料危害(如搁浅的鲸鱼和腹中装满塑料的海鸟)的纪录片、图片和文章在主流媒体中越来越常见。海洋生态系统是地球健康的基础,公众的日益关注、批评和政府的干预是塑料替代解决方案的关键推动因素。

出于保护产品、方便客户,提升环保效益和经济利益的目的,纸浆模塑产品正在替代塑料制品而被广泛用于处理和包装成千上万的制成品(Didone等人,2017;Su等人,2018),它们一般由那些可生物降解的木质纤维素组成,来源包括再生纸、新闻纸、纸板和其他天然植物纤维,如一些漂白/未漂白化学浆和高产浆等(Didone 等人,2017 年;Su 等人,2018 年;Didone 和 Tosello,2019 年),以这些纤维素为基础的纸浆模塑产品还可以被回收和生物降解。因此,纸浆模塑产品确实可以减少环境废弃物和塑料污染。

三、纤维素纤维来源

天然纤维素或木质纤维素纤维是纸浆模塑产品的主要原材料,主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。天然纤维可来自各种资源,如通过化学和机械制浆工艺制成的木纤维、回收纤维、农业生物质废物,如油菜秸秆(Hosseinpour 等人,2010 年)、小麦秸秆(Zhang 等人,2011 年)、稻草(Sarwar Jahan 等人,2012 年;Jahan 等人,2021 年)、麻纤维(Su 等人,2018 年)、甘蔗渣和竹纤维(Liu 等人,2020 年)。

在工业规模上,可采用不同的方法从各种纤维来源中提取纤维素纤维,一般有两种制浆方法:机械制浆和化学制浆(Li 等人,2017 年),每种方法都有各自的优缺点。机械制浆法生产的纸浆一般产量较高,但由于纤维中木质素含量较高,强度较低(Li 等人,2011 年)。化学制浆工艺在高温高压下使用化学品提取纸浆纤维,同时去除木质素,产量低,但生产的纸浆强度高(Duan 等人,2015 年)。纤维的特性、化学成分和形态,因工艺条件而异。对于纸浆模塑产品,机械制浆和化学制浆的纤维均可使用。

除原生纤维外,回收纤维也是纸浆模塑产品的重要天然纤维来源。回收纤维是指经过多次回收处理的纤维,如办公废纸、瓦楞纸、报纸、卡纸等。因此,回收纤维通常是未漂白或有色纸浆,由于在反复干燥过程中纤维角质化加剧,纤维强度和纤维间粘合力相对较低。一般来说,这些回收纤维可通过典型的废纸制浆工艺获得,包括再打浆、筛选/净化、洗涤和漂白(Wistara 和 Young,1999 年;Hubbe 等人,2007 年)。使用回收纤维的突出优点包括:1)降低纤维成本(Dai 等人,2017 年);2)降低生产纤维原料所需的能耗,例如,生产 1 吨再生纤维纸浆的能耗比生产原生纤维纸浆的能耗低 27%(Bajpai,2014 年)。

农业生物质废料,如小麦、水稻和油菜秸秆,也可用作纸浆模塑产品的纤维来源。可采用酶解-机械脱纤两步法将这些农业生物质废料转化为木质纤维素纤维(Qin 等人,2021 年)。白腐真菌具有同时产生水解酶和氧化纤维素酶的卓越能力。Trametes versicolor 是一种多用途白腐基枝菌,能同时降解木质素和全纤维素,从而改变纤维壁结构,如减薄次生壁。实验室研究表明,用白腐真菌(Ceriporiopsis subvermispora)处理生物质可节能 30%-50%(Collins 等人,1997 年)。

四、一般纸浆模塑制品制造工艺

1、制造工艺

图 1 显示了生产各种多功能食品包装的一般流程示意图,主要包括制浆(图 1a)和成型过程(图 1b)。如图 1a 所示,典型的废纸回收流程包括一系列步骤:废纸收集、分类、再制浆、脱墨(可选)、筛选、清洗和精炼(Wistara 和 Young,1999 年;Hubbe 等人,2007 年)。具体来说,在制备纸浆模塑时,首先要收集和分拣不同种类的废纸,如牛皮纸、报纸和瓦楞纸。随后,在碎浆机中对这些分拣好的废纸进行再制浆,在碎浆机中,纤维原料与热水混合,纤维在水力分解作用下相互分离。然后,对回收纤维依次进行脱墨、清洗和筛选处理,以去除杂质,如金属、塑料等。一般来说,对于一些普通成型产品,如鸡蛋托盘、水果和蔬菜托盘,再生纤维在纸浆系统中占主导地位,而对于餐具和高档电器包装等的纸浆模塑制品,由于强度和外观方面的质量要求,纸浆系统中的绝大多数原生纤维是不可或缺的(Su 等人,2018;Sengupta 等人,2020)。因此,原生纤维的制备成为模塑纸浆制备的一部分,通常情况下,工厂会配备一条独立的浆线,对商业原生纤维进行再制浆和磨浆,然后根据不同的配方或要求在模塑工艺前将其融入浆池中。

图 1.制造各类纸浆模塑产品的一般流程示意图

 

成型过程(图 1b)主要涉及两个步骤:真空成型和脱水(Didone 等人,2017 年)。具体来说,先用各种定制设计的成型模具生产不同形状的湿胚,然后通过真空抽吸来去除多余的水分(35%-50%)就可以实现初步的形状,这一过程被称为成型过程(Didone 等人,2017 年;Sengupta 等人,2020 年)。

随后的干燥过程会去除残余的水分(40%-55%),从而获得相对干燥的纸浆模塑产品(含水量:4%-8%)(Didone 等人,2017 年)。干压技术(普通成型,图 1c)和湿压技术(热成型,图 1d)是两种常见的干燥工艺,根据产品的最终用途进行选择,干压法中的烘箱干燥适用于普通成型,而湿压成型则是通过模内加热干燥(Didone 等人,2017 年)。

国际纸浆模塑协会(IMFA)根据生产工艺、制造技术和产品密度把纸浆模塑制品分为四类:(1)厚壁产品;(2)转移模塑产品;(3)热压成型或薄壁产品;(4)加工。表 2 比较了纸浆模塑产品各类别的区别(Didone 等人,2017 年;Su 等人,2018 年;Sengupta 等人,2020 年)。

表 2.四种纸浆模塑产品的特征

2、模塑产品的性能和价值

纸浆模塑产品的机械性能和价格在很大程度上受到纤维来源(原生纤维与回收纤维)、模塑工艺(尤其是干燥工艺)和不同后期处理等因素的影响(图 2)。
图 2.成型纤维制品(MFP)的质量/价格与纤维来源、成型工艺和后处理的关系

就纤维来源而言,回收纤维在经过多次回收后,由于纤维角质化,纤维强度和纤维间的结合力会不可逆转地降低(Hubbe 等人,2007 年),从而使制品的表面粗糙,机械强度差。因此,回收纤维通常用于质量较低、价格低的普通成型产品中(Sengupta 等人,2020 年)。一般来说,纤维原料中的原生纤维越多,模塑产品的等级和质量就越高。然而,考虑到再生纤维具有相当大的成本优势,鼓励大多数模塑生产商充分利用这些廉价纤维(Su 等人,2018 年)。因此,原生纤维和回收纤维的组合成为当前纸浆模塑厂常用的流行配方,一些寻求其他廉价可用纤维(如农业残留物、果渣和废谷物)的研究也在进行之中(Gouw 等人,2017 年)。

纸浆模塑产品的等级、质量和价格通常是从 第1 类到4 类逐渐增加。其中,就成型-干燥工艺而言,主要有两种方法,包括湿压工艺(图 1c)和干压工艺(图 1d),这两种方法的具体区别详见表 3。一般来说,湿压工艺将成型和干燥过程整合在一台成型机中,因此与干压工艺相比,其形状和表面质量更好。所以,尽管湿压工艺的加热效率和生产率较低,但其生产的纸浆模塑(类型 3)更有可能用于高档产品,如手机内托和餐具(图 2)。

表 3.干压和湿压工艺比较

另一方面,为了赋予纤维一些特殊的性能和价值,如光滑的表面、防水等,通常会添加一些添加剂,如胶体松香、蜡乳剂和明矾等,使亲水性纤维变成疏水性(抗水性)产品。表 4 列出了用于憎水纸浆模塑产品的添加剂的摘要。纸浆模塑产品的制造工艺因最终产品的应用而异,例如,光滑的内表面或外表面有利于涂层和贴标等二次加工。

表 4.用于纸浆模塑产品防水功能的各种基材和添加剂

五、应用和最新创新

1、应用

纸浆模塑产品市场范围非常广泛,主要分为三大类:工业包装、一次性用品和餐饮相关产品(图 4)。
图 4.纸浆模塑产品的三大应用:(a) 餐饮相关产品,(b) 一次性用品 (c) 工业包装(Didone 等人,2017 年)

在工业包装中,纸浆模塑的一个典型应用是电子产品和家居用品。目前,工业市场的包装材料主要是发泡聚苯乙烯(EPS),这是一种对环境最有害的材料。纸浆模塑的性能与发泡聚苯乙烯相当(表 5),可作为发泡聚苯乙烯的合适替代品。此外,纸浆模塑产品的缓冲效率取决于其几何形状和设计,因此,具有可定制特性的纸浆模塑包装具有各种尺寸,适用于小型、中型或大型应用。

表 5.纸浆模塑与发泡聚苯乙烯(EPS)对比

在一次性用品市场,纸浆模塑产品因其低成本、生物可降解性和可抛弃性而被大量使用。临床保健产品,如尿瓶、便盆等就是一个不断增长的领域。与传统产品相比,一次性使用的产品更方便、更便宜,而且可以大大降低交叉污染和感染的风险。

纸浆模塑产品在食品相关市场的使用量迅速增长,以取代塑料,并满足社会对绿色可持续产品不断增长的需求。不过,食品市场的应用需要满足特定的要求,例如强度、拉伸性能、耐热性、阻隔性等。食品包装的目的是保护其内容物,延长保质期和食品稳定性,以确保质量,所以阻隔性对于减少食品与周围环境之间的水蒸气和气体交换,从而降低化学、物理和微生物对食品的影响至关重要(Azeredo 等人,2017 年;Khan 等人,2018 年;Duan 等人,2019 年)。水蒸气渗透性和氧气渗透性是食品相关产品包装材料需要考虑的重要特性。随着制造工艺的进步,更多的涂层和纸浆模塑产品具有更强的柔韧性、刚性、耐水和耐油性、透气性和吸水能力,是塑料食品包装的绝佳替代品(Saxena 等人,2018 年)。

2、最近的创新和发展

最近有关塑料废弃物的头条新闻,如对海洋物种的负面影响、微塑料问题等,进一步推动了用于各种包装用途的纸浆模塑制品的市场扩张和开发。在基础研究和实践研究方面,包括纸浆制备、成型工艺和产品功能化等方面,各个研发领域都做出了许多努力。例如,许多研究人员致力于开发更多可用的植物或作物基纤维作为替代品,如秸秆、甘蔗渣、竹麻和柔性纤维,以及生态友好和具有成本效益的制浆工艺,以降低生产成本和对环境的影响(Didone 等人,2017 年;Su 等人,2018 年)、2017;Su 等人,2018;Liu 等人,2020);同时,通过采用先进的湿压甚至脉冲干燥工艺,或集成的 3D 成型技术,提高成型效率和质量(Didone 等人,2017;Didone 等人,2019)。此外,一些理想的特性,如阻隔性和防潮性,也通过涂层和添加剂等进一步加工处理而得到赋予和提高(Yang 等人,2019 年;Liu 等人,2020 年)。更令人鼓舞的是,其中一些创新和试验已经实现,下面列出了一些很好的例子。

(1) Huhtamaki 和 Waitrose 分别在其多功能食品包装解决方案(https://www.huhtamaki.com/en/highlights/recent)中用草纤维和番茄叶等植物纤维取代了部分木质纤维。事实上,Huhtamaki 采用了 50%的草纤维和 50%的再生纸,而 Waitrose 则在鸡蛋包装产品中使用番茄叶以减少了 15%的再生瓦楞纸板,这两种解决方案不仅可以节约生产成本,还能减少10%到20%的将温室气体排放。

(2)欧莱雅和露希(Lush)推出的化妆品的纸浆模塑泵瓶是用来自自身和外部废弃物的纤维生产的,具有很强的可持续性(https://www.loreal.com/ reducing-plastic-packaging/)。欧莱雅的纸浆模塑泵瓶(图 5a)的外壳由 70% 的瓦楞纸板废料和 30% 的旧报纸制成,其外壳的两半是通过机械而不是胶水粘合在一起的。露希公司与 James Copper 3D 公司合作,利用 Colourform™ 技术,使用 100% 的回收咖啡杯纸生产了固体沐浴油球(Solid bath oil ball)和化妆品包装,这些产品形状各异、色彩鲜艳(图 5a)。

图 5:(a)色彩鲜艳的纸浆模塑泵瓶和化妆品包装;(b)纸浆模塑制品啤酒瓶原型(Didone 等人,2017 年;Saxena 等人,2018 年);(c)披萨盒;(d)一般工业包装和(e)Pactiv 包装 (https://earthchoicepackaging.com/)

(3)嘉士伯与其他公司合作开发了完全可生物降解的啤酒瓶,这种啤酒瓶由可持续采购的木纤维制成,不含内衬,采用了可靠的制造技术(Saxena 等人,2018 年),瓶子内部有等离子涂层,为碳酸饮料提供屏障,纤维瓶的原型如图 5b 所示。这种绿色纤维瓶非常符合环保包装产品的市场需求。Pabacothat 公司主要生产纸质瓶子 (https://www.paboco.com/)。此外,这种瓶子含有生物基阻隔层,可抵御水蒸气和氧气的传输,其独特的技术可使纤维特性在高压下保持不变。另外,其所有原材料都是可回收和可再生的。这项技术吸引了可口可乐、The Absolut(饮料)、罗莱尔(化妆品)、Teknos(油漆和涂料)等多家公司的关注。

(4)Zume Pizza生产的披萨盒是一种可堆肥的创新包装,用于取代不可持续、不可回收堆肥的披萨盒(图 5c),使用甘蔗渣纤维作为原材料,底部有凸起的加强筋可将液体或油脂导入到中间的圆形凹槽,让披萨不会接触到这些液体或油脂,确保了披萨不会被任何水分浸湿,而这正是传统披萨盒所缺乏的特性。

(5) E-Molding正在开发工业包装行业的新型纸浆模塑产品,包括电子产品及各种家庭用品(图 5d)。此外,联想、苹果和戴尔等领先的消费电子产品巨头已开始用蔗渣、竹子或小麦秸秆纤维制成的纸浆模塑取代塑料托盘(图 5d)。例如,联想通过与永丰余Jupiter合作,使用竹子混合甘蔗渣或小麦秸秆作为替代原料,用于生产笔记本电脑的内托和外包装。永丰余的秸秆纸使用Npulp® 生产工艺,不使用任何刺激性化学物质,与传统方法相比,预计可降低 15%的成本、40%的能耗、90%的水耗和 25% 的 CO 2 排放(https://www.yfyjupiter.com/about-us/npulp/)。

(6)Pactiv一直在生产用于一次性食品包装的纸浆模塑制品,这些产品可根据不同的应用场合进行设计。例如,可安全盛放冷热饮料杯的饮料外带托盘、带翻盖的容器和具有防油防潮功能的普通餐具(图 5e)。所有产品均使用回收或可持续再生资源制成,并可生物降解。

六、环境的可持续发展

生命周期评估方法是评估纸浆模塑制品的的环境可持续性最基本、最常用的方法,如图 6 所示,纸浆模塑制品的整个生命周期一般涉及五个方面,包括阀木、制浆、生产、使用和处置(Didone 等人,2017 年)。然而,关于纸浆模塑制品对环境的潜在影响的信息却寥寥无几。根据 Didone 等人(2017 年)目前的回顾分析,有理由认为阀木和使用(可用信息较少)对环境影响的相关贡献微乎其微,而制浆和生产在生命周期中对环境的影响最大(Huo 和 Saito,2009 年)。

图 6.典型纸浆模塑产品的生命周期阶段(Didone 等人,2017 年)

例如,在纸浆制备过程中,使用原生纤维还是回收纤维,使用机械打浆还是化学打浆,都会对环境产生重大影响。幸运的是,大多数模塑产品工厂只购买商品纤维,并从其他工厂收集这些回收纤维;他们需要做的是整合和再制浆这些纤维,这需要消耗更少的能源和化学品(Su 等人,2018 年)。此外,与使用原生纤维相比,使用回收纤维作为原材料对环境的影响更小(Bajpai,2014)。

在纸浆模塑制品的生产过程中,成型过程中的干燥工艺需要大量的能源,是产品生命周期中对整体环境影响最大的过程(Didone 等人,2017 年;Huo 和 Saito,2009 年)。当然,确切的环境影响还取决于应用的热源(蒸汽或热空气)、加热过程(干压、湿压或脉冲干燥)和加热时间。

关于使用寿命的终结,纸浆模塑产品有几种处理方式,如回收和填埋。如前所述,纸浆模塑制品的回收可通过常规回收流程实现。从环保角度来看,回收利用比焚烧回收能源更好(Bajpai,2014 年)。至于填埋,由于纸浆模塑制品大部分原材料都是可生物降解的木质纤维素纤维,因此对环境的影响较小,其中一些还能以堆肥的形式提供有价值的副产品,这进一步促进了纸浆模塑制品在日常生活中的利用(Zabaniotou 和 Kassidi,2003 年;Tan 和 Khoo,2005 年;Didone 等人,2017 年)。

七、结论

纸浆模塑技术及产品的应用正在迅速发展,从环境优势到成本效益,科技和工业设计实践对于发掘纸浆模塑产品在各种包装应用中的真正潜力至关重要。下面举例说明一些需要解决的问题:

7.1 纸浆模塑技术的驱动力主要来自可持续优势。因此,必须对纤维原料的选择、纤维制备技术(酶解、机械、化学、能源消耗、产生的废物、消费后处理等)进行仔细评估和优化,因为它们必然会决定最终纸浆模塑产品及其整个制造过程对环境的影响。

7.2 需要在各种纸浆模塑产品的某些特定应用中进行基础研究,例如,针对食品包装等许多应用中,需要这些纸浆模塑产品具有高透性和高阻隔性能,需要经济有效的方案解决这些问题。

7.3 市场上确实存在不同的纸浆模塑:产量大价值低的如咖啡/饮料托盘、野餐盘等,在市场上已经很常见;产量小价值高的小众产品如药品/药丸、化妆品的包装,还有待开发,需要更多的研发努力。

7.4 工艺开发和优化,尤其是脱水和干燥技术。例如,利用一些更有效的添加剂来提高脱水效率,了解新型脉冲干燥工艺的机理,从而显著提高精密成型产品的干燥和能效。

7.5为了全面了解模塑产品的环境可持续性,应根据生命周期评估方法对其生命周期进行进一步的具体研究,特别是对纸浆制备和产品生产的关键阶段(如干燥过程)进行研究,因为这些阶段对生命周期的影响最大。