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）。

不同材料的应力-应变曲线

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）。

纸浆模塑产品的测试标准

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。

表 5.传统纸浆和高性能模塑纸浆以及其他石油和生物塑料的密度和拉伸强度比较

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）。

纸浆模塑食品容器生产的纤维来源、浆的类型及属性

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）。