【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。

5.结论

随着对于一次性塑料的限制越来越多，这为利用可再生、可生物降解的废旧纤维和适应性强的纸浆模塑食品容器和包装带来了市场机遇。本文讨论了模塑纸浆一次性食品容器的生产、产品性能、纤维选择、性能添加剂和处置途径的技术演变和监管问题。原生木纤维的高昂成本和环境成本，以及缺乏使用回收纤维的明确指导方针，使得模制纸浆食品容器行业的原材料开始从木纤维过渡到从农作物废料（目前主要是甘蔗渣）和其他快速生长的植物（如竹子）中提取未经漂白的原生纤维。作为生产制造中心的中国市场，也开始限制使用聚苯乙烯等塑料，并种植甘蔗、竹子和油棕榈等工业食品/纤维作物。外卖食品容器需要具备与标准模塑纸浆包装不同的功能，包括更强的防潮和防油脂性能、严格的化学迁移限制、良好的隔热性以及防止溢出的设计安全性。

随着纸浆和预制纸的转移成型、热压成型和干压成型等模塑纸浆工艺的发展，原来的包括生产速度慢和能耗高在内的各种挑战正在迎刃而解。在农作物废料制浆、无毒添加剂和定制纤维处理、减少水和能源密集型生产工艺、成型和压制模具的快速打样、3D 打印方面等也取得了重大进展。可生物降解、无毒的植物性添加剂和内衬材料现已可用于纸制品和包装应用，还需要进一步研究和评估。

复杂的立法和市场信息为向植物纤维和聚合物包装过渡以取代石油塑料带来了挑战。聚丙烯等塑料因其成本、耐用性、均匀性、加工速度和简易性，以及成熟的回收和再利用途径，在外卖容器市场上仍具有竞争力。生物塑料已经有了很大的发展，并受益于高效、成熟的塑料制造技术。然而，生物塑料在材料方面效率低下，面临供应链问题，并且需要纳米级添加剂或与石油聚合物共同添加以获得加工性和功能性，这阻碍了生物降解和回收利用，并造成环境污染。

要保持生物质包装的市场竞争力，需要改进堆肥/废物回收途径、进一步开发产品以及积极的政府政策和城市废物管理计划。需要更多关于不同种类的所谓“绿色”外卖包装的特性和相对优缺点的公开数据，并将模塑纸浆与其他生物塑料制成的包装进行比较。目前还缺少一项全面的生命周期评估研究，将不同种类的模塑纸浆容器与聚苯乙烯、聚丙烯、生物塑料或铝制容器进行比较。
【完结】

4.挑战与展望

4.1.政策和市场动态

不断完善的政府立法和最近的产品升级、PFAS 替代品和改进的生产工艺，为一次性食品包装中的植物纤维和植物聚合物塑料提供了更多机会。不含 PFAS 的模塑纸浆食品包装是一个发展中的市场，需要在产品制造和设计方面进行创新（Footprint，2021 年）。包装材市场和监管环境十分复杂，而且往往与直觉相反，例如一些使用大量、种类繁多的食品包装的全球大型食品公司不喜欢可堆肥材料和植物聚合物衍生材料（见表 6，英国的一个公司），聚丙烯、聚乙烯和 PET 等普通石油塑料被列入“绿色首选”名单，而植物聚合物塑料（PLA）、可堆肥材料和纤维素/再生纤维素材料则被列入“红色禁用”或“琥珀色禁用”和“待替代”名单；另一家全球食品分销商也将再生纤维素（如常用于透明包装窗或包装纸的玻璃纸）列为 “淘汰 “材料，因为这些材料很难也不可能建立回收途径，该清单上的其他材料包括聚氯乙烯和相关聚合物、聚苯乙烯和注塑聚苯乙烯，以及有塑料衬里（淋膜）的纸制品，如折叠包装和咖啡杯。

这是由于各种因素造成的，其中之一是包括英国在内的一些西方国家，绿色废弃物/可回收物的收集和分类基础设施不完善（Poole，2020 年）。与生物基材料相比，石油塑料目前受益于更成熟的清洗和再利用/可回收性/可回收成分途径，而食品级纸张（如模塑纸浆、有塑料淋膜的外卖包装、烘焙羊皮纸、汉堡包）中的聚合物和全氟辛烷磺酸使其无法进入城市绿色废物堆肥计划，而被送往垃圾填埋场，导致的问题是这些可堆肥包装产生的甲烷最终进入垃圾填埋场，以及食品和添加剂污染物不利于纸张回收途径（Poole，2020 年）。

上述政策的前提是石油塑料的回收率足够高，但即使在加拿大或英国这样的工业化国家，塑料回收率仍然很低。不可降解或部分可降解的塑料垃圾仍然是所有国家面临的重大挑战，也是植物纤维和其他生物聚合物材料要取代一次性塑料需要面临的问题。由于欧洲《一次性使用塑料指令》（SUPD）（欧洲议会，2019 年）对塑料的定义不明确，使得向可持续包装材料的过渡更加复杂。该指令在食品包装材料的相对材料可持续性、生命周期评估和生物降解途径这三个方面缺乏明确规定。一份提交给 SUPD 的文件（FinnCERES，2021 年）强烈建议欧盟委员会为生物基或者可生物降解的人工合成聚合物建立一个认同并可靠的定义或类别。随着不含全氟辛烷磺酸的模塑纸浆产品的出现，迫切需要更好的纤维食品容器堆肥或回收途径，以实现功能性与堆肥或可回收性的平衡。

4.2.生命周期分析

关于生物塑料和纤维食品包装的可靠生命周期分析（LCA）信息和比较还很缺乏。对一次性外卖食品容器进行生命周期评估的结果（Gallego-Schmid 等人，2019 年）表明，原材料提取和加工、材料效率（每个功能单位所需质量）、容器制造过程和生命末期（填埋、回收、堆肥）对生态影响最大。就单位材料需求、加工和能源效率而言，XPS 被证明是对生态破坏最小的包装选择。在 12 项可持续发展指标中，一次性聚丙烯容器在 7 项指标中排名最低，但仍是外卖食品容器市场的主要产品，仅这一点就极大地推动了可生物降解的XPS产品的发展–它是一次性食品容器市场中模塑纸浆的重要市场挑战者。

模塑纸浆面临着由热塑性植物淀粉制成的生物可降解一次性食品容器的竞争（Khan 等人，2016 年）。可降解塑料（主要是淀粉基塑料和聚乳酸）是所谓的“绿色包装”市场中增长最快的部分，2019 年的价值为 37 亿美元，预计到 2027 年的年复合增长率为 9.5%（Grand View Research，2019 年）。这些产品在回收和废物处理方面也存在问题（表 6）。Gallego-Schmid 的研究并不包括生物塑料或以植物纤维为基础的模塑纸浆容器，也不包括不断增长的清洗和重复使用杯子和容器（Mugshare，2020 年；Walji，2020 年）。另一项生命周期评估（Madival 等人，2009 年）将聚乳酸生物塑料制成的翻盖式餐盒与 PET 和 XPS 同等容器进行了比较，并纳入了为生产聚乳酸而种植玉米所需的生产和运输投入（水、能源、肥料、杀虫剂、除草剂），他们的研究发现，包装体系对环境影响最大的是产品的重量及其各个阶段的运输，其中PET 塑料对环境的影响最大。全球聚乳酸单体供应短缺也使这种材料无法充分满足市场对生物基包装的需求（Jem 和 Tan，2020 年）。

4.3.制造业的资源消耗

尽管上述研究主要以西方为重点，但是即使是在中国这个全球最大的市场，寻求具有成本效益、可持续的一次性包装同样具有挑战性，因为一些省份已禁止使用不可降解的一次性塑料（Hou & Ma，2019）。Liu（2020 年）研究了中国市场上四类国产一次性“可降解”餐具的可行性。它们是(1) “可降解 ”聚丙烯；(2) 模塑纸浆；(3) 改性淀粉；(4) 植物纤维。他们的研究指出，“可降解”聚丙烯（PP）产品在实际生物降解性方面存在问题，这些产品含有光敏添加剂，可在紫外线照射下加速降解。改性淀粉容器由热塑性（糊化）淀粉塑料或填充淀粉的低密度聚乙烯（LDPE）或聚丙烯制成。研究得出的结论是，传统的模塑纸浆制造方法无法以经济有效且可持续的方式满足中国市场对外卖/配送容器的巨大需求，这是因为中国合适的纤维来源有限，以及制浆和生产工艺对水、化学、能源和污染的高强度要求。与国内制造一次性食品容器的其他工艺（如植物淀粉塑料和磨碎的木质纤维素残渣）相比，所需的制浆和制造工艺的能源、水和污染强度更高。

西方国家的报告也提出了这些问题：Mordor Intelligence (2019)认为，美国政府对制浆行业（与聚苯乙烯生产相比，制浆行业是水、能源和污染高度密集型行业）的环境监管是模塑纸浆市场增长的重要制约因素，因为纸浆和造纸业是美国第四大温室气体和二恶英环境污染物排放者，在水需求方面排名第三。该行业每年排放约 2.12 亿公吨的工业空气和水污染物，而模塑纸浆制造消耗的能源要多 70-115%，产生的空气污染要多 31%，排放的温室气体要多 323-248%（Mordor Intelligence，2019 年）。这将要求开发更高效的制造途径，如最小化制浆和干压成型。

4.4.全氟辛烷磺酸替代品

对外卖食品包装进行的测试表明，模塑纸浆可能含有大量全氟辛烷磺酸（Fassler，2019 年；LaMotte，2020 年；Strakova 等人，2021 年），对环境（浸出、哺乳动物和环境毒性）和公共健康具有重大影响（Grinvalski，2019 年；Schaider 等人，2017 年），且大多数化合物都很难用目标化合物检测法进行鉴定，有些产品的含量超过丹麦兽医和食品监管局规定的 60 倍，足以扰乱内分泌系统功能（Strakova 等人，2021 年）。这些问题非常严重，因此开发不含 PFAS 的可堆肥外卖容器已成为当务之急，纸浆和造纸业以及餐饮服务业正在迅速做出调整：丹麦等国正在推动变革（丹麦兽医和食品管理局，2020 年）、美国多个州现已禁止在食品包装中使用 PFAS（Hogue，2021 年；SGS，2021 年；华盛顿州生态部，2021 年），其他北美地区也在效仿。2020 年，四家化学公司停止生产 6:2 氟烯醇，这是一种常用于模塑纸浆食品包装的短链 PFAS（Hogue，2021 年）。

尽管美国食品及药物管理局（FDA）仍允许约 60 种与食品接触的短链（≤6 C）FC 添加剂用于北美的国内制造或进口产品（Begley 等人，2005 年），但不含 PFAS 的模塑纸浆容器已经上市（Business Wire，2020 年），并被一些快餐连锁店自愿采用（Fassler，2020 年；华盛顿州生态部，2021 年）。含有PFAS 和相关化合物的包装产品已经被禁止参与国际生物降解产品协会（BPI，2020 年）的生物降解性认证。目前对专有 PFAS 替代品的特性和属性的了解仍然非常有限，某些替代化合物的早期生物蓄积性和毒性问题已经得到确认（Hogue，2021 年；Zhang 等人，2021 年）。使用聚四氟乙烯和其他 PFAS 化合物来防止铸模粘在模具上（DTSC，2021 年），也被认为是一个风险因素，使模塑纸浆产品作为不含 PFAS 的包装替代品的认证和接受变得复杂（华盛顿州生态部，2021 年）。

4.5.研究重点

根据上述讨论，纤维食品包装研发的优先领域包括(1) 开发非木质纤维作为市场纸浆的潜力；(2) 预处理和制浆工艺，以提高纤维提取和模塑纸浆制造的可持续性；(3) 提高对非木质纤维形态、化学和物理特性的认识；(4) 了解制浆/（漂白）/精炼之间的相互作用；(5) 探索不同纤维混合物（包括木纤维和/或回收纤维）的协同作用和特性定制；(6) 新型无毒添加剂和系统在模塑纸浆制造中的应用；(7) 发展技术经济和循环经济（包括回收纤维的回收和再利用的可行途径）；以及 (8) 对不同的食品容器包装基材进行生命周期比较分析。

3.产品特性和性能

3.1.一般要求

一次性食品容器必须重量轻，以提高材料利用率、废弃物管理和运输效率（Vartiainen 等人，2014 年），要采用节省时间、资源和成本的工艺制造流程，还得具有隔热性和耐热性（即保持结构完整性），最后还可以完全回收和/或生物降解，具备这些特性的模塑纸浆比生物塑料更具优势。目前，生物聚合物的氧气/水蒸气阻隔性、耐热性、机械性能都比较有限，成本较高，限制了其应用（Zhong 等人，2020 年），例如生物塑料的密度比石油塑料高（约 1.2 g/cm ³ ），软化温度相对较低，仅为 60 °C，耐热温度仅为 70 °C（Pavlovskay 等人，2020 年）。而模塑纸浆的密度范围广泛，从 0.35 到 1.2 g/cm ³ 不等(Curling 等人，2017 年；Rattanawongkun 等人，2020 年；Wang 等人，2019 年），具有比塑料更好的隔热/阻燃（见图 6 储存模量）特性。只有密度为0.033 g/cm ³ 的发泡聚苯乙烯（XPS）才具有优异的隔热性能（Curling 等人，2017 年），因此，人们正在努力开发可生物降解的发泡淀粉托盘和容器，以取代聚苯乙烯，例如聚乳酸（Parker 等人，2011 年）或木薯淀粉（Brant 等人，2018 年）。

 

图 6.a) 应力-应变曲线：聚丙烯（Mohammadpour 等人，2014 年）、淀粉生物塑料（Eterigho 等人，2018 年）、模塑纸浆（Gurav 等人，2003 年）和聚苯乙烯（Chen 等人，2015 年）；a1) 聚苯乙烯应力-应变曲线放大图；以及 b) 储存模量曲线：模塑纸浆、聚丙烯和聚苯乙烯（Chen 等人，2015 年）、2003）和聚苯乙烯（Chen 等人，2015）；a1）聚苯乙烯应力-应变曲线放大图；以及 b) 储存模量曲线：模塑纸浆、聚丙烯、淀粉生物塑料（作者提供的原始数据）、聚苯乙烯（Ahmed 等人，2017）。

包装材料的四种基本特性会影响其质量和安全性（Jayan 等人，2018 年；Kim 等人，2014 年），它们是：1）机械属性；2）阻隔属性；3）迁移属性；4）化学反应性。纸浆模塑产品的特性和性能受到材料特性（纸浆纤维类型和形态、粘合剂/添加剂、纸页密度、缺陷和空隙、拉伸和压缩模量和强度、湿度影响）、几何形状和制造工艺的影响（Gurav 等人，2003 年；Hunt，1998 年）。纸浆模塑产品的内部结构对传热递和物质传递过程有着至关重要的影响，也是包装耐久性、保温/失热以及添加剂/涂层选择的基础（Didone & Tosello, 2019）。计算机断层扫描（CT）是一种成熟的非接触式技术，用于获取纸张和模塑纸浆产品等多孔软质材料内部结构的三维图像（Didone 和 Tosello，2019 年；Saxena 等人，2017 年）。

3.2.机械性能

模塑纸浆的机械性能与一次性塑料食品容器不同，图 6 比较了拉伸应力-应变行为和储存模量（加热时刚性损失）的差异。模塑纸浆是一种重量轻、多孔性强的介质，与生物塑料或聚丙烯相比，其拉伸应力吸收率较低，但高于聚苯乙烯（图 6a 和 a1）。然而，与聚合物材质相比，其非塑料结构使其在加热弯曲时能很好地保持弹性模量（存储模量）（图 6b），从而使其在高温环境中能保持刚性，而不会吸湿。模塑纸浆的大多数物理和机械性能都可以使用 TAPPI、ISO 以及某些情况下的英国标准或 ASTM 等方法中针对纸张和纸板产品的方法进行评估（见表 4）。

挠曲模量随温度和/或湿度的变化可通过动态机械分析（DMA）进行评估，以达到动态建模的目的。由于天然材料的机械性能受水分含量（MC） 的影响很大，因此要在受控的、稳定的环境条件（温度和湿度）下进行调节和测试，如 TAPPI  T402 Sp-08 2013–纸,纸板,纸浆手抄片,以及相关产品的标准条件和测试所规定的条件，以便进行准确的比较。大多数特性测试应在温湿度可控的环境中进行，相对湿度最好为 50%。测试的具体信息可在相关标准中找到，上述讨论总结了非木质纤维纸浆模制产品的部分特性和性能。

基于 20-40% 的木纤维与小麦浆混合而成模塑纸浆的拉伸模量（0.47 至 0.68 兆帕）明显高于 XPS 的 0.16 兆帕（Curling 等人，2017 年），但其弯曲模量（0.015 兆帕）低于 XPS（0.035 兆帕）。模塑纸浆的极限强度和弹性模量会随着基材密度的增加而增加，这是因为纤维与纤维之间的接触面更大（Alava 和 Niskanen，2006 年；Ji 和 Wang，2011 年），只不过要考虑材料成本、运输成本，以及隔热能力。

模塑纸浆（包括一些新型高性能模塑纸浆）的材料密度和抗拉强度的一些比较数据如表 5所示（Wang 等人，2019 年；Wang 等人，2021 年）。用于外卖食品容器的传统模塑纸浆的密度范围约为 0.12 g/cm ³ 至 0.8 g/cm ³ ，木纤维纸浆产品的抗张强度范围约为 0.5 至 4.5 兆帕。抗拉强度值高于 XPS（0.4 兆帕）。与生物塑料聚乳酸和玉米淀粉塑料基材相比，模塑纸浆在拉伸强度和储存模量等性能方面更有效（图 6）。在相同的拉伸强度范围内，这些塑料的密度高于大多数石油塑料。高性能结构模塑纸浆（SNFM）的密度范围与石油塑料相同，但拉伸强度更高（高达 17 兆帕），这表明高性能模塑纸浆的新兴技术可扩展到结构塑料的许多其他应用领域。

模塑纸浆具有独特而复杂的非线性应力应变行为（Ji 和 Wang，2011 年；Ji 等人，2008 年；Wang 等人，2012 年）。其强度和刚度参数对于缓冲、减震和抗挤压/塌陷性能的设计和静态压缩建模至关重要（Gurav 等人，2003 年；Wang 等人，2012 年）。然而，抗挤压/抗坍塌性能是食品容器性能的关键，尤其是在运输、储存以及高热和潮湿条件下（Wang 等人，2021 年）。Didone 等人（2017 年）的研究表明，由于纤维的随机取向，模塑纸浆的结构比定向纸板的结构刚性更差（即在较低的拉伸应变水平下变形更大、失效更早）。模塑纸浆的拉伸应力-应变行为不仅包括弹塑性变形，还表现出粘性或热塑性特征（Ji 等人，2008 年），由于多孔、空隙异质结构、纤维的随机取向，以及纤维大小/形状的碎片化，应力的累积和分布是不均匀的。

材料密度和加载速率会影响纸浆模塑面的压缩应力-应变关系（Ji 和 Wang，2011 年）：密度增加会提高弹性模量和最终强度，而加载速率会降低弹性模量并提高极限强度估计值。使用一个双线性运动学硬化模型和经验参数（杨氏模量、屈服极限、剪切模量和泊松比）可以为不同形状的纸浆模塑包装的破损行为开发有限元模型（Wang 等人，2012 年）。目前尚未发现与模塑纸浆食品容器在高热和潮湿条件下的抗变形或抗坍塌能力有关的具体数据。有关于容器壁材料拉伸强度和模量的数据，但对容器进行物理测试（如破碎或刚性）的报告却很少见。Tanninen 等人专门设计了三维扭转仪器测试纸质食品容器的刚性，测试表明，为了最大限度地提高容器的刚度，容器或托盘的长边应按照纸浆的机器方向切割。

3.3.阻隔性能

3.3.1.防潮和防油脂

食品中的水分（液态和气态）以及油脂的迁移对一次性食品纸浆模塑容器非常重要。纸浆片材的液体吸水率是根据 TAPPI/ANSI 测试方法 T 441 om-13 和 ISO 2014.535 中给出的纸张可勃测试进行测量的（Curling 等人，2017 年；Dey 等人，2020 年；Jaroenpanyaprat，2012 年；Kim 等人，2015 年）。一般纸张的可勃吸水值为 22-26 g/m ² ，未施胶纸的可勃值大于 50 g/m ² ，而含有 5% 防潮剂的甘蔗浆模塑纸浆餐具的典型值在 15-20 g/m ²(Liu Z，2018）。

水蒸气吸收率是指纤维基材在高湿度环境中暴露一定时间（通常为 2 到 24 小时）后所吸收的水的质量增加百分比，水蒸气透过率 (WVTR) 是指在一定时间（h）内，通过包装材料一定单位面积（m ² ）渗透的水蒸气量（g）（Siracusa 等人，2008 年），该值应为最小值（Han & Krochta，1999 年）。通过 ASTM E96-00 材料水蒸气透过率标准测试法，使用重量法（Germadios 等人，1994 年）进行测试。WVTR 与材料密度（孔隙率）密切呈负相关，与相对湿度基本无关（Nilsson 等人，1993 年）。

吸收的水分对纸板和模塑纸浆包装的强度特性和性能影响很大，水分每增加 1%，强度就会降低 5-10%（Marcondes，1992 年；Sørensen 和 Hoffmann，2003 年）。水蒸气吸收率在很大程度上取决于纤维来源和湿部添加剂（如防潮剂）（Rhim 和 Lee，2009 年）。很少有研究能确定纸质包装的吸附等温线与特性之间的关系（Rhim 和 Lee，2009 年）。有研究得出了常见纸质包装基材在 25°C、40°C 和 50°C 时的水蒸气吸附等温线，这些基材包括牛皮纸衬里（纸质杂货袋等）、压光防油纸（羊皮纸，汉堡/三明治包装纸）和固体漂白硫酸盐纸板（食品和饮料杯及纸盒）。Foss 等人（2003 年）展示了纸张从潮湿空气中吸湿时的传导模型以及吸附等温线。针对模制纸浆食品杯（Sørensen 和 Hoffmann，2003 年）和纸板（Parkeret 等人，2006 年）建立了抗压强度模型。

外卖食品容器也不得将热油渗透到外部，或在吸油后失去其结构性能。在测量耐油/耐油脂性时，测试方法是检测参考渗透剂蓖麻油、甲苯和正庚烷的不同混合比的液滴向外扩散的情况。抗油脂性等级从 1（最低）到 12（最高）不等，模塑纸浆容器最好在 5 到 8 之间（Liu 等人，2018 年；Yang 和 Bao，2002 年）。对于使用非 PFAS 耐油脂/耐油添加剂制造的产品，则使用餐饮服务产品的调和热油测试标准（餐饮服务包装协会，2013 年）。为了测试产品的防油性，使用可勃圆环在纸浆模塑产品的食品接触面上放置3mm深、65 °C的玉米油，维持20分钟后检查底部表面是否有渗油现象。

3.3.2.隔热

隔热对于保持食物和液体在食用前的热度十分必要。热导热系数（λ）会随着材料密度、水份含量 和环境温度的增加而增加。纸浆模塑食品包装在不断变化的温度和湿度条件下的热传导性和结构性能（机械吸收行为和压缩蠕变）已进行了建模（Sørensen 和 Hoffmann，2003 年；Sørensen 和 Hoffmann，2004 年；Tanner 等人，2002 年）。令人惊讶的是，似乎没有现成的标准来测量薄壁纸浆模塑食品包装基材的导热性，也没有任何（公开的）食品容器 λ 的数据。有关食品和液体容器/杯的热保持能力的大部分公开数据来自有关一次性杯子和面条包造成的儿科烧伤和烫伤入院情况的文献（Greenhalgh 等人，2006 年）。这些研究使用插入式温度热电偶测量并比较了热测试液体和食品本身的冷却速度（Abraham 等人，2016 年；Jamnadas-Khoda 等人，2010 年；Naik 等人，2019 年），表明了平衡隔热能力（保持内容物热度的能力）和安全性（热滞留/烫伤风险）的必要性（Greenhalgh 等人，2006 年；Shalom 等人，2007 年）。

来自纸浆纤维隔热建筑材料（如 ISO 8032）的热导率测试数据可用于评估厚的空心隔热纸板（Čekon 等人，2017 年）。Liu 等人（2012 年）采用热丝法测量了符合中国标准 GB 10297 的蒸汽注入法压制的纸浆树脂隔热隔音厚板（密度为 80-100 kg/m ³ ）的导热系数，密度为 95 kg/m ³ 的木板和稻杆纤维板的导热系数读数分别为 0.061 和 0.058 W/m ^-1 K ^-1 ，上述纤维板产品的密度约为 Gurav 等人（2003 年）测试的模塑纸浆基材密度的 30%，因此其导热系数可能低于模塑纸浆食品容器。XPS材料的导热率更低，其值在 0.035 到 0.045 W/m ^-1  K ^-1 。

3.4.化学反应性和食物迁移

随着食品包装材料、复合材料和内衬材料越来越复杂，有毒化学物质或纳米级微粒（如填料和添加剂）迁移到食品中是一个关键的安全和性能问题（Arvanitoyannis 和 Bosnea，2004 年；Castle，2007 年；Paquette，1998 年；Song 等人，2000 年）。迁移风险与迁移物质、包装材料和食品（如酸或脂肪含量）的物理化学特性、食品和周围环境的温度、储存时间以及包装尺寸与食品体积的比例有关（Muncke，2013年）。

食品接触材料（FCMs）的迁移限值由欧盟统一法律框架（EC 1935/2004 号法规）规定，适用于所有 FCMs，包括所有可能化合物的总体迁移限值（OML）和单个物质（主要是高风险物质）的特定迁移限值（SML）。EN 1186 系列给出了测试程序，使用成分和纯度一致的标准化食品模拟物，模仿食品行为和可能向容器基质迁移的化学物质（Souza 和 Fernando，2016 年）。

虽然聚碳酸酯塑料中的双酚 A 等毒素已广为人知（Vilarinho 等人，2019 年），但纳米复合材料包装中使用的纳米粘土颗粒等其他添加剂也令人担忧（Echegoyen 等人，2016 年；Muncke 等人，2014 年）。大多数纸浆模塑食品容器不需要印刷，是因为基材中的大孔径会使印刷油墨溶剂从外部进入食品接触表面（Dima 等人，2011 年；Richter 等人，2009 年）。全氟添加剂–全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）是纸张涂层中用于防潮防油的污染物，具有生物毒性和生物持久性，但很难使用传统的气相色谱/质谱技术进行追踪（Begley 等人，2005 年）。有研究表明，这些物质会以可检测到的数量（毫克/千克水平，PPM）从内衬转移到食用油中（Begley 等人，2005 年）。因此，与 “用于单一特定物品”的包装相比，纸浆模塑产品必须具有惰性，不会迁移到范围更广的食品中。因此，其添加剂必须尽可能简单、无毒、种类少，以实现所需的功能。

3.5.生物降解性

纸浆模塑产品在运输或储存过程中不得降解，不能与食品中的酸和油接触，但又必须具有足够的活性，以便使用后可以在堆肥条件下分解，即发生氧化、水解和酶降解。根据 ISO/DIS 17088 标准，包装必须符合四项堆肥标准：(1) 生物降解。可分解为水、CO2 、被天然微生物（主要是细菌和真菌）分解为水、CO2、细胞生物质；（2）崩解；（3）对生物过程无负面影响；（4）最终堆肥中无有毒物质（有毒金属和不可降解聚合物）（Muniyasamy 等人，2013 年）。对于新开发的包装或内衬材料，满足法定的生物降解基准比机械和阻隔性能更重要（Siracusa 等人，2008 年）。传统的模塑纸浆食品包装，如浆果或鸡蛋盒，是完全可生物降解的，但有些容器可能含有更复杂的防潮和防油脂添加剂，有时还含有共聚物和塑料衬里，这会影响其快速安全降解（即不释放生物毒素）的能力。木质纤维素纤维中的高木质素含量也会影响其在堆肥过程中的降解速度（Muniyasamy 等人，2013 年）。

在北美，强烈建议外卖食品容器的餐馆和城市绿色废物管理机构只处理经第三方（如生物降解产品研究所）认证符合 ASTM D6400 或 ASTM D6868 系列标准的“可堆肥”包装，这些标准和 ISO 17088-13 和 ISO 14855-18 以及 EN 13432-2000 和 EN 14995 标准涵盖了生物降解包装的规格和测试，尤其是“可堆肥”的生物塑料。

大多数标准都是根据重量损失、CO₂ 生成量、拉伸强度变化、残留物尺寸和质量分数以及化学和物理特性来评估材料的可生物降解性（Singh 和 Sharma，2008 年）。最常见的方法是土壤掩埋法，即通过洒水来维持 20-40% 的湿度水平的土壤环境中连续或定期监测 CO₂ 生成量以及每 15 天监测残留物质量，但也有用于测量海水和河泥环境中降解率的程序（Jayan 等人，2018 年）。生物塑料和薄膜的生物降解性研究通常使用 EN、ASTM 或 ISO 标准中的 CO ₂ 生成标准，并在专门设计的有氧土壤罐中进行监测（Aryal，2019 年；Mazzon 等人，2022 年；Pischedda 等人，2019 年；Šerá 等人，2018 年）、2019，Šerá 等人，2020），而评估模制纸浆容器的生物降解方面只有非常少的研究（C. Liu C，2020；Peng 等人，2007）：他们使用改进的装有消毒土壤的箱子，通过目测和质量损失来评估降解性能，例如Liu （2020 年）将完整的容器埋在天然土壤中 30 天，分别在 15、30、45 和 60 天进行目测和质量损失评估。在一项关于稻草基模塑纸浆的研究中（Curling 等人，2017 年），被测样品被放入一个土壤箱中，样品在箱中静置，并在室温下保持 30-35% 湿度的无菌土壤浅浅覆盖 4 周。Curling 等人开发和使用的方法（2017 年）是基于英国标准方法 ENV807（CEN，2001 年）的非标准测试（Curling 等人，2002 年）。EN 标准中的标准是在 58 ℃的工业堆肥条件下，6 个月内生物降解率达到 90%（相对于参考用的纤维素），且在 12 周内，2 毫米馏分筛上的残留物不得超过材料原始干重的 10%。

二. 纸浆模塑食品包装制造进展

2.1． 工艺概述和比较

传统纸浆模塑生产和纸浆模塑新工艺在其他的出版物中都有全面的介绍（Dey 等人，2020 年；Didone 和 Tosello，2019 年；Didone 等人，2017 年；Dislaire 等人，2021 年；Hogarth ，2005 年；潘恩，1990 年）。 下图3只对纸浆模塑的主要工艺路线进行简要描述和直观比较，重点关注食品容器的制造。一次性外卖容器（例如盘子、餐盒）采用热成型工艺来提高效率、平滑度、外观和功能。

1) 一次吸浆成型：即最初的“平模”或“厚壁”工艺（Keyes，1890，1903），其相对比较光滑的内表面经与铁丝网接触经真空成型，外表面则非常粗糙，成型后湿坯被送到输送带上进行干燥。原料为再生纸和纸板，模具采用凹模成型，壁厚为 6 至 8 毫米，常用于重型机器零件或家具包装。

2) 转移成型：产品经过真空成型、脱水后，从成型模被送到转移模，然后进入干燥阶段。产品外表面有金属网纹，内表面比一次浇注成型的内表面更光滑。 该工艺产量大，每天 > 20 吨（Didone 等人，2017 年），适应性强，可生产各种“轻型”纸浆模塑包装物品，壁厚通常为 3-5 毫米。 产品适合包装各种电子产品、家居和五金产品，例如电脑护角、鸡蛋盒、杯托、葡萄酒运输包装和纸浆小便池（Didone 等人，2017 年；Hogarth，2005 年；Waldman，2009 年）。 干燥的产品也可以转移到热压机以进一步平滑表面并进行压花或标志印刷。

3) 热压成型：也称为“精密成型”或“薄壁”工艺，热压成型工艺不再需要经过对流干燥，而是在模内完成加热、脱水、定型一系列动作（Didone & Tosello，2019；Didone 等人，2017；Dislaire 等人，2021）生产高精度、表面光滑的薄壁产品。热压成型工艺速度更快，过程控制更严格，但生产成本和能源消耗更高，而且规模通常较小（Didone 等人，2017）。生产的产品厚度为 0.4 至 1.5 毫米，表面光滑，具有类似塑料的外观（TRIDAS，2022 年），常用于外卖食品容器、光滑餐具、美容产品和高端电子产品包装。

 

4) 干压成型：这是食品和非食品包装的一种新技术途径，吸收了聚合物和金属热成型的一些工艺，大幅度地减少水和能源要求，缩短了干燥时间。 层压热成型（Laminate thermoforming）使用脱纤卡纸（defibrated cardstock）或多层热压纸板（hot-pressed paperboard laminates）（Khakalo 等人，2017 年），被机械分离的纤维重新分布形成更厚的“被子”，然后两面喷淋与食品级纤维素相容的生物聚合物（如明胶或瓜尔胶）以便于在两面贴合薄纸，最后将三层复合的材料（薄纸+”被子“+薄纸）通过热压成型。 为了实现该技术的商业化，很多科学家在材料和加工技术方面已经做了非常多的研究，并已经开展了大量开发工作（Leminen 等人，2013 年；Leminen 等人，2020 年；¡Ostlund 等人，2011 年；Tanninen 等人，2014 年；Tannin 等人） 等人，2016 年；Tanninen 等人，2020 年；Vishtal 和 Retulainen，2012 年）。本工艺所需的整个纸板可能需要经过带有橡皮布的机械双轴加压，以增加片材的延展性和减少热成型过程中纤维的各向异性，从而显著提高拉伸强度、挺度、温度和湿度稳定性，在两面各裱一层薄纸可以更好地控制产品厚度、纤维渗透性/孔隙率、机械性能和”被子“厚度的均匀性。

 

下图总结了有关水力打浆、真空成型和脱水的更多细节。必须控制好水力打浆时间和浆液稀释，因为它会影响纤维素纤维及其原纤化的稳定性及其形态：打浆时间越长，纸浆保水性越高，纤维素结晶度越低（Chen 等人，2012 年；Dislaire 等人，2021 年）。 制备好的浆液被逐步稀释直到浓度 < 1% ，大多数为 0.3% 至 0.5%（Liu，2020），关于最优浓度的研究目前还不是很多（Cho 等人，2009）。真空成型和热压过程中湿坯的孔隙率和渗透率的变化、及其滤水率和保湿性的控制对纸浆模塑制造的成本有非常大的影响（Park 等，2006）。

网孔尺寸、浆液打浆时间、温度、粉末、污染物和添加剂（例如聚电解质）等因素都会影响脱水率（Sung 等，2004）。 打浆过度和水力制浆过程会破坏用于填充空隙所需的细纤维，也会影响这些细纤维与防潮防油添加剂之间的相互作用。 例如，如果使用竹浆所需的过量的碱和打浆度会降低耐热油添加剂的效果（Peng 等，2007；Peng 等，2006）。孔隙率和渗透率也会影响最终产品的导热率和阻隔性能； 两者对于纸浆模塑外卖食品容器都至关重要。干燥方式和时间影响纸浆模塑壁厚的一致性，对防止产品变形和变脆至关重要。下表总结了热压成型模具的关键参数。

由于纸浆中残留的木质素和半纤维素具有较低的玻璃化温度转换点（Back & Salmen，1982），可以在热压过程中与激活的淀粉和蜡基添加剂一起帮助粘合和巩固纤维产品。 王等人 (2021) 开发了一种快速压制的、具备防潮功能的竹浆食品容器：其中将棉条用温硝酸和过氧化氢预处理 48 小时，然后经清洗、疏解形成纤维，在160°C 、0.5Mpa的条件下5分钟热压成型。纤维中残留的木质素既起到了粘合剂的作用，又降低了孔隙率，在赋予产品优异的强度和防潮性、不含添加剂、不需要做表面处理的同时，还可满足完全可生物降解的要求。 而较高的成型模具温度 (220–250°C) 会增加纤维素的结晶度指数，降低其吸湿性，并产生更坚固、孔隙更少的产品，从而更耐吸湿（Dislaire 等人，2021）。高性能结构的纸浆模塑产品是用更具热塑性的纯纤维素纤维（即去除大部分木质素和半纤维素）经热压形成的：纤维用酶解木质素 (EHL) 作为粘合剂进行预处理，其在热压过程中的缩聚形成额外的“粘合”键，这对模塑纸浆的强度和防潮性有显著贡献（Faix，1991；Sun 等，2014；王等人，2019；王等人，2017）。湿坯受到的压力通常不超过1 MPa，并根据原浆纤维的堆积密度和最终产品所需的密度设定（Dislaire等，2021）。

2.2. 供应链

生产纸浆模塑食品包装需要全球统一的供应链（如下图所示）。 北美或欧洲的一些食品包装公司或供应商通常将包装的制造外包给距离原料产地较近的合作伙伴，例如中国或泰国。 一个典型的供应链的顺序通常是这样的：
1) 种植者（供应纤维原材料）；
2) 初级浆厂（用纤维原材料生产浆板或浆液）；
3) 纸浆模塑产品生产或包装制造企业；
4) 包装批发商或一级供应商（如餐馆/包装商品的公司）；
5）二级零售商（例如超市/在线订购公司）；
6）消费者使用后变成废弃物用于回收/堆肥。

第3）步的包装制造企业通常负责提供第三方食品安全测试、堆肥测试、认证和产品销售信息，下游供应商和消费者则可以向包装制造企业提供反馈信息以便进一步的产品研究、设计和改进。有一家全球炸鸡连锁店于 2021 年在其所有加拿大餐厅开始使用可家庭堆肥的用竹浆桶、肉汁容器和袋子，还将所有塑料餐具替换为由竹子、玉米和甘蔗渣纤维制成的可生物降解纤维餐具。加拿大是全球木纤维生产国，但快餐包装越来越多地使用国外生产的非木材产品和竹纤维制品。

在产品被商业化并投入批量生产之前，包装制造企业通过试产流程以验证样品、模具和刀模的属性和性能，还会根据消费者的需求或反馈对产品进行调整。决定纸浆模塑产品性能的主要因素包括：纤维类型、打浆度、添加剂、模具设计、成型方式、压制和干燥条件、以及表面处理方式等（Sikora & Danielewicz，2019）。此外，还将委托第三方测试机构对产品的相关规范、质量和安全性进行测试以获得客户认可。计算机辅助设计 (CAD) 、快速打样模具、产品建模等技术大大缩短了曾经漫长的“概念到生产”过程，使得纸浆模塑成为 XPS 泡沫的有竞争力的替代品（ Ma 等，2004；Song 等，2001）。 目前已经可以使用耐磨尼龙聚合物或金属 3D 打印成型模具、过滤网、热压模具，从而实现快速设计打样和定制。

2.3. 纤维来源

随着制浆和模塑技术的进步，具有快速生长、成本低、来源广等特点的甘蔗、小麦和竹子等，正在取代木质纤维用于纸浆模塑食品包装生产（Curling 等人，2017 年；Liu，2020 年）。 下表总结了纸浆模塑食品容器生产的纤维来源、纸浆类型及其特性。TMP 纸浆具有成本效益，但细粉含量较高，可生产出体积更大、湿度敏感性更高的纸浆模塑产品（Sung、Kim、Kim 和 Lee，2015 年）。 传统纸张和纸板制造中使用的牛皮木纤维并不是制造纸浆模塑一次性食品容器的最佳纤维类型（Wang 等人，2021）。化学热磨机械浆 (CTMP)或者漂白的化学热磨机械浆（BCTMP）在纸浆模塑生产中最为常见，因为其成本较低且得浆率高（Dislaire、Grohens 等人，2021 年）。

在北美，虽然食品安全法规明确禁止在直接接触食品的包装中使用氯漂白的纸浆（Liu，2018），但是目前还没有提供足够详细的使用指南供企业自信地采用再生纤维用于直接接触食品包装（Bailey，2015；Paquette，1998；宋等人，2000）。而在欧洲，也只有在严格和明确的监管指导方针下，再生纤维才允许用于食品接触包装（von Wright，2006）。这是因为回收的纤维可能含有多种生物（真菌、细菌）和非食品级化学（油墨、染料）污染物，构成食品安全风险（Hurter，2014；Luan 等，2019），例如钉书钉、玻璃和砾石等非纤维污染物会扰乱生产，不同的纤维来源及其具有的不同特性也会对纸浆模塑食品包装的制造、外观和性能产生不利影响（Huo 和 Saito，2009 年）。除了上述纤维之外的其它替代植物材料（例如叶子和粉末状废弃物）已被用于开发一次性容器，但这些不属于本次论文的范围。

2.4. 提升加工性能的添加剂

添加剂对于满足各种加工和产品质量/性能要求是必要的，例如可以增加湿胚的湿强度（可塑性）和干粘合强度、调节pH值以避免细粉和其他添加剂絮凝、增加排水速度、减少气泡、提高产品的尺寸稳定性、防潮和防油性、改善油墨印刷适性、减少纤维和生产成本、提高白度、亮度和颜色稳定性、并降低能耗（Huang 等，2009）。 下表总结了不同类型和功能的纸浆模塑添加剂。

植物纤维具有天然亲水性，如果未经添加剂处理，很容易吸收水分、油脂和油。 根据纤维类型和加工条件，在整个加工过程中氢键、离子键、偶极相互作用、诱导极性相互作用、范德华力和共价力（对于湿强度树脂）的复杂相互作用会影响纸浆及其产品的强度和其他性能（Lindströom 等，2005）。不过添加剂虽然可以增强纤维之间自然发生的粘合，但其作用要低于纤维精炼/打浆过程对纤维的改造（Lindström 等，2005）。 造纸和纸浆模塑中使用的添加剂的类型和组合差异很大，必须根据纤维来源和产品应用要求仔细定制（Hogarth，2005；Waldman，2009）。

2.4.1 提升纤维粘合强度的添加剂

纸浆模塑食品容器生产通常使用造纸常用的添加剂，如湿部施胶蜡、用于提高湿和干纤维粘合强度的阳离子淀粉以及用于提高产品强度和性能的合成树脂。 添加到纸浆中的淀粉颗粒在干燥和热压过程中被煮成基质，对产品的干强度有显著贡献（Hubbe＆Gill，2016）。在纸浆模塑制造中，需要在纸浆中添加 1-2% 的阳离子淀粉，以防止干燥产品中的表面纤维脱落，并且需要将转移模具加热至 140-150 ℃（Huang 等，2009）。 当纤维间的自然粘合力有限的时候，例如再生纤维、不易打浆的纤维等，可以使用添加剂的组合，例如阳离子淀粉 + 工程纳米纤维素 (CNF) (Brodin et al., 2014; Hii et al., 2012)， 或者二醛淀粉 + 壳聚糖 (Korhonen et al., 2017)，以实现相辅相成，产生更致密、更强韧的纤维产品。植物蛋白（例如大豆）也已被开发为与淀粉结合使用的新型干强度添加剂，尤其适用于富含木质素的纤维，或者有抗粘性、疏水性的外来污染物的纤维（Arboleda 等人，2014 年；Jin 等人，2012 年；Tayeb 等人，2017 年）。

2.4.2 泡沫控制和湿强度

湿部添加剂还用于泡沫和絮凝控制以及产品的湿强度，气泡和絮凝会大大降低纸幅的均匀性和湿强度，导致在张力点处出现裂缝，并增加了其对液体和蒸汽的吸收能力，这些问题会增加干燥时间，在制造过程中必须仔细控制（Sung 等人，2015）。消泡剂通常是表面活性剂，可以是油基、水基或硅基的。 泡沫和絮凝控制剂包括聚乙二醇或烷基聚丙烯酰胺，用于增加纸浆的滤水性，减少泵和设备清洁的压力，并防止纸浆混合和形成过程中形成的泡沫和气泡在产品中产生缺陷（气泡、空隙、破裂）。

2.4.3 防水性

施胶蜡如烷基乙烯酮二聚体 (AKD)、烯基琥珀酸酐 (ASA) 或聚乙烯丙烯酰胺 (PVAm) 用于为纸浆中的纤维素提供防水性（Lindstrom & Soderberg，1986），在所有纸浆模塑产品尤其是食品包装的制造中都至关重要。这些添加剂可提高纸浆网的排水性，当使用量较高时，有且于包装暴露在热液体和/或蒸汽中的时候仍然维持结构和隔热性能。由于进入基材的过多水分会破坏纤维素纤维之间的天然氢键，所以大多数防潮剂都会在纤维上涂覆一层强键交联剂，当产品受潮时，这种交联剂会继续结合纤维。为了确保在混合纸浆时添加剂与纤维表面结合，且不会在脱水时流失，通常会使用阳离子粘合剂或保留/固定剂，如阳离子聚丙烯酰胺（PAM）稳定剂。固定剂可将憎水剂粘合到纸浆纤维上，减少真空脱水过程中的流失和排水阻塞。研究表明，与内表面相比，添加剂在容器外层的浓度更高（Fassler，2019 年）。

Sung 等人（2015 年）提供了添加各种添加剂（包括 AKD、PVAm 和环氧树脂）的回收木纤维纸浆模塑的耐水性数据：添加 1%的 AKD 和 1%的固色剂（未说明）对提高防潮性最有效，可将平均水表面接触角从对照样品的 12° 提高到由回收新闻纸制成的模塑纸浆的近 90°。纸浆模塑生产中常用的漂白牛皮浆（BKP）具有较高的体积密度，如果以原浆形式使用，则亲水性很强，通过添加 1%的 AKD，可轻松解决这一问题，从而产生疏水表面，并将液体接触角提高到 > 100°。根据美国食品和药物管理局法规 21 CFR 176.120（FDA，2022 年），纸浆模塑食品容器中的 AKD 固体含量不得超过总重量的 0.4%。

2.4.4 耐油、耐油脂

无内衬的一次性接触热食品的容器必须含有防油脂剂。对于纸浆模塑和其他纸张/纺织品/织物/地毯产品来说，最便宜、最有效的防油剂是全氟碳化物（FC），例如全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）。当添加到纸浆浆料中时，纤维会与 PFAS 的强阳离子（+）表面电荷相互作用，PFAS 会与纤维上带负电荷的 OH- 基团强力结合，从而对水和脂质产生强烈的排斥作用（Li 和 Liu，2003 年；Liu 等人，2018 年）。制造未漂白甘蔗渣纤维一次性餐具所需的添加剂（Liu，2018 年）包括添加 2% 的氟化抗油剂（通常为 PFAS）、5% 的抗水剂（未说明）和 0.02% 的保留剂（聚丙烯酰胺或 PAM），因此添加剂约占纸浆干重的 7%。

第 4.4 节讨论了与全氟辛烷磺酸有关的问题。某些纤维组合（如竹子与甘蔗渣）（Liu 等人，2020 年）有助于减少甚至消除产品中对全氟辛烷磺酸的需求。其他天然聚合物添加剂，如活性或酶水解木质素 (EHL) 也值得关注。在纸浆模塑生产过程中添加 EHL 能有效地将抗张强度提高到 20.3 兆帕，将表面水接触角提高到 95.0°（Zhao 等人，2020 年），傅立叶变换红外光谱（FTIR）和热导管光谱（TG）分析表明，纤维粘合力和表面疏水性得到增强，扫描电镜观察结果表明，添加 EHL 能有效填充纤维之间的空隙。目前正在开发和测试基于活性植物淀粉和蜡的添加剂，作为全氟辛烷磺酸的替代品。全氟辛烷磺酸替代品不会强烈排斥纤维表面的脂类，而是会限制流经纤维壁的流动路径，并与食物油发生反应，改变其流动特性，从而阻止其渗透基质。

2.4.5 衬里和模具控制

对于接触超高温液体和蒸汽影响的容器（如茶杯/咖啡杯、面碗和可用于烤箱/微波炉的餐盘），会使用一层薄薄的防热防潮塑料膜，如 PET，但这极大地阻碍了产品的回收和生物降解（Kottasova，2016 年；Recyclecoach，2019 年）。

科学家们正在开发生物基或可生物降解的替代品以取代石油基塑料的添加剂、衬里和涂料，其中许多都是基于壳聚糖（表 3）。经过纯化和衍生化处理后，壳聚糖可以溶解在 pH 值为 6.2 的水中，并通过溶液浇淋成阻隔膜（Chenite 等人，2001 年），还可以在热压前以溶解形式添加到湿纸浆中（Gällstedt 和 Hedenqvist，2006 年）。壳聚糖也是一种有效的干强度添加剂，与阳离子淀粉施胶相比，壳聚糖能更好地改善半纤维素提取蔗渣浆的机械性能（爆裂和撕裂）（Hamzeh 等人，2013 年）。通过化学改性和与其他生物聚合物混合，在改善壳聚糖的强度、湿度和氧气阻隔性能方面取得了进展（Haghighi 等人，2020 年）。

为了改善食品纸和纸浆产品的氧气阻隔性、湿气阻隔性（水蒸气渗透性和液体渗透性）和耐油性能（Khwaldia 等人，2010 年）以及完全生物降解性能（Dumée，2022 年；Triantafillopoulos 和 Koukoulas，2020 年），已经开发了多种其他天然来源的无毒衬里和薄膜（”交联生物聚合物”）（表 3）并实现了商业化。防霉化学品通常不会用于食品接触产品的生产，不过在相对湿度较高的地区，霉菌是天然纤维包装在储存和运输过程中的一个主要问题（Suhem 等人，2019 年）。山苍子油和热处理可有效提高由热压竹浆和淀粉制成的食品容器产品的防霉性（Suhem 等人，2019 年）。

本文译自:《Moulded pulp fibers for disposable food packaging: A state-of-the-art review》

原作者：Katherine E. Semple, Chenli Zhou, Orlando J. Rojas, William Nguegang Nkeuwa, Chunping Dai

关键词：食品包装、可持续、纸浆模塑、竹（纤维）、可再生纤维、热成型

概    述：

本文全面回顾了纸浆模塑的生产及其特性，以及与一次性塑料和生物质塑料食品包装的比较。由于甘蔗、小麦和竹子具有成本低、来源广泛、生长快等优点，它们正在逐渐取代木材成为纤维材料的来源，在非木浆制浆技术和热成型工艺的进步也提高了这些材料的纤维回收率、生产效率和产品质量。而制约这些非木质纤维使用的因素包括较长的生产周期、大量化学物质和能源的消耗、来自生物塑料的竞争，以及存在有毒的全氟和多氟烷基物质 (PFAS)的风险等。不过即使这样，该行业的迅速发展正在逐渐解决这些问题，例如：使用新的干压多层热成型工艺、天然添加剂、定制的纤维组合配方和不含PFAS的原料等。不过，要建立和维持纤维素生物产品的竞争力，还需要引入完善的生命周期评估方法、具备明确可行的绿色废弃物和回收途径。本文最后提出了一些关键的研究领域。

一、介绍

塑料的增长速度几乎超过了所有其他制造材料：从 1950 年的年产量 200 万吨 (MT) 增至 2015 年的 3.22 亿吨（Geyer 等人，2017 年），而塑料包装不仅是最大需求，也是塑料废物的最大来源（图 1）。超过 40% 的工业包装用于包装食品（全球市场价值超过 560 亿美元），其中 40% 的食品包装由塑料制成（Rattanawongkun 等人，2020 年）（图2）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

根据联合国环境规划署2021年发布的报告，1950~2017年期间全球累计生产约92亿吨塑料。报告预计，到2050年，全球塑料累计产量将增长到340亿吨，年塑料废弃物产生量约为3亿吨。塑料污染问题已成为仅次于气候变化的全球第二大环境焦点问题，给全球可持续发展带来极大挑战。

不能被回收和堆肥的包装对垃圾填埋场产生了巨大的需求（Berthet 等人，2016；第 8, 4252 页；Breslin，1993）和严重的环境（土地、河流和海洋）污染（Barnes 等人，2009；Jambeck 等人，2015）。外卖食品行业的资源使用和浪费规模巨大且不断增长（Molina-Besch，2020）。中国是世界上最大的外卖食品包装生产国和消费国，例如在2019 年每天产生近 35万吨的外卖包装，丢弃了 400 亿个塑料外卖食品盒（Zhou 等，2020），食品包装约占中国制造业和废水污染总量及其用水需求的三分之一（Zhou et al., 2020）。在加拿大，每年会产生300万吨塑料废物，在浪费的资源和能源方面的损失高达 80 亿美元（加拿大政府，2020 年；Walji，2020 年），外卖容器占此类废物的很大一部分。

欧盟的塑料回收率约为 30%（Briard 等，2018），加拿大为 9%，明显低于约15%的全球平均水平。目前，中国废塑料回收与再生利用产能和产量都位居世界第一，从事废塑料回收和再生利用的企业数量超过了1.5万家，相关从业人员规模约为90万人。2021年，我国废塑料的材料化回收量约为1900万吨，回收率达到31%，是全球废塑料平均材料化回收率的近1.74倍，回收利用产能约占全球70%，并且实现了100%本国材料化回收利用。而同期美国、欧盟、日本的本土废塑料的材料化回收率分别只有5.31%、17.18%和12.50%。（来源：中国经济导报 2022年6月14日刊）

阻止有效塑料回收的障碍包括：种类繁多的聚合物、辅助添加剂、填料、表面处理材料和增强材料、着色剂和增塑剂等（Andrady & Neal，2009；Song 等，2009）。另外一些所谓的“绿色”塑料，例如含有辅助添加剂的氧化降解塑料，可以在紫外线 (UV) 光和氧气下降解，让消费者认为它们产生的垃圾很容易生物降解（Hann 等人， 2017），实际上这一类塑料垃圾的降解并不完全，焚烧或熔化会释放小分子生物毒素（例如溴化阻燃剂、纳米添加剂），并且需要对塑料废物进行更复杂的分离（Das 等人，2021 年；Leslie 等人，2016），给废弃物管理带来进一步的复杂性。2017年之前，西方国家丢弃的塑料垃圾70%出口到东亚和太平洋地区，其中89%是一次性塑料食品包装常用的聚合物，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。中国于 2017 年停止了这些进口，马来西亚等其他国家随后也停止了进口。

中国推出了各种政策和激励措施，目标是逐渐向可重复使用/可共享，或者是可堆肥/可回收的植物纤维包装过渡（Zhou 等人，2020）。其中之一是纸浆模塑 — 从19 世纪末发展起来用于回收木浆、纸张和纸板的一个相对“简单”且成熟的制浆行业。在塑料工业出现之前，大量一次性和可生物降解的包装材料、花盆、食品容器和托盘都是纸浆模塑产品，例如最早的一次性食品餐盘和托盘都是由纸浆模塑制成。但是在 20 世纪 70 年代被石油塑料尤其是发泡聚苯乙烯 (XPS) 所取代。这些材料当时被宣传为更清洁、“更现代化”、更便宜、可以大规模生产、加工和材料效率高。现在则相反，由于塑料环境污染问题促进了一次性食品容器市场向纸浆模塑和更新的“可生物降解”生物塑料的过渡。虽然生物塑料被标榜为“绿色”，如植物淀粉和多糖基可降解生物塑料，但是目前所生产的生物塑料中约有一半是不可生物降解的（Rahman & Bhoi，2021），而那些可生物降解的材料则需要在一个严格控制温度、湿度和细菌/真菌堆肥条件的环境中才能降解，材料之间的降解率有很大差异，有些还会在分解过程中会释放生态毒素、纳米颗粒和温室气体 (GHG)（Adhikari 等人，2016 年；Emadian 等人，2017 年；Souza 和 Fernando，2016 年）。此外，生物塑料的来源为专门为特定目的种植和运输的农作物可食用部分（例如玉米粒、土豆、甜菜）中的淀粉和多糖（Madival 等人，2009 年），而纸浆模塑来自不可食用的主要粮食作物的废弃纤维（茎、叶、种子），包括甘蔗、油棕榈、玉米和小麦。

我们可以找到一些关于纸浆模塑产品和及其制造技术的讨论（Dey 等人，2020 年；Didone 等人，2017 年；Zhang 等人，2022 年），但是，他们都没有将包装放在更广泛的背景下进行讨论，也没有关注外卖食品容器的具体制造、添加剂和要求方面的内容。 本文对非木质纤维食品包装的制造、工艺和添加剂以及相关特点进行了全面综述，介绍了与一次性食品包装行业这一重要且不断增长的部分相关的挑战和研究差异。