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纸基包装材料的研究进展、应用现状及展望

  • 张雪 1,2
  • 张红杰 1,2
  • 程芸 1,2
  • 刘晓菲 1,2
  • 孙琴 3
  • 张涛 4
  • 黄培坤 4
1. 中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102； 2. 制浆造纸国家工程实验室，北京，100102； 3. 中华环境保护基金会，北京，100062； 4. 北京三快在线科技有限公司美团外卖，北京，100102

中图分类号： TS761.7

最近更新：2020-11-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2020.11.009

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摘要

纸基包装材料作为最具应用前景的绿色可持续材料之一，近年来相关研究和产业化应用发展迅速。本文从我国新版“限塑令”下包装行业和造纸行业面临的新机遇与挑战的角度出发，系统性地探讨了纸基包装材料的研究进展及应用现状，特别是纸基包装材料中近年来的研究应用热点材料——纸基复合包装材料和纸浆模塑包装材料；重点阐述了纸基复合包装材料的复合工艺进展及分离回收利用技术、纸浆模塑制品在关键应用性能如表面性能和阻隔性能方面的研究进展，并对纸浆模塑制品的应用现状及发展趋势进行了分析；为拓展纸基包装材料的应用领域和开发功能化纸基包装材料的创新技术及产业化提供了研究方向和思路。

包装材料的应用历史可以追溯到人类文明的初期，是包装行业中至关重要的组成部分。随着环境污染的日益加剧和人们环保意识的逐渐增强，低碳、环保、节能已经成为全球关注的焦点，包装材料的绿色化研发和应用也成为人们关注的热点[

1-2]。绿色包装（Green Packaging）的概念由联合国环境与发展委员会于1987年提出，随后在世界范围内掀起了以保护生态环境为核心的“绿色革命”。目前，世界各国虽然还未形成明确的关于绿色包装的定义，但认为绿色包装应首先符合“3R1D”的原则，即包装的质量和体积在保证性能的前提下减量化（Reduce）、可回收再生（Recycle）、可重复使用（Reuse）、可降解腐化为微生物可利用成分（Degradable）[3]。综合国内外研究者对绿色包装的定义[4-5]，绿色包装是以生态环境保护、资源能源节约为核心要素，在包装材料研发、包装结构设计、生产、使用和再生循环的全生命周期中，对人类健康和生态环境基本无害或危害小，符合可持续发展理念的包装产品及相关技术。

绿色包装材料是指在全生命周期内符合生态环境保护的要求、对人类健康不造成危害的包装材料的统称。天然植物纤维是目前地球上最具发展潜力的生物质资源，来源丰富、廉价易得、可再生、高强度，还具有优异的生物相容性和可全生物降解性，常作为制备各种材料的基质，如纸和纸板、纸浆模塑、微球和纤维素膜等天然植物纤维基材料[

6]。其中纸基材料作为最具代表性的可持续天然绿色材料，广泛应用于各个领域，在日常生活和生产中发挥着重要作用[7]。近年来，电商、快递、外卖等新兴业态的快速发展及我国对农村物流的建设和鼓励，塑料包装制品产生的污染问题受到越来越多的关注；国内外的发展趋势都表明“限塑”的重要性和紧迫性[8-9]，这为纸基包装材料的行业发展带来了新的机遇。但与此同时，由于天然植物纤维材料本身固有属性的局限性，造成纸基包装材料在替代塑料包装材料的过程中遇到了新的挑战。

2020年1月19日，我国国家发改委和生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》（下称《意见》），该《意见》被业界称为新版“限塑令”。本文从新版“限塑令”下包装行业和造纸行业面临的新机遇与挑战的角度出发，系统性地探讨了纸基包装材料的研究进展及应用现状，重点阐述了纸基复合包装材料的工艺和分离回收利用技术进展，以及纸浆模塑新兴包装材料的研究进展及发展趋势，同时基于纸浆模塑制品在使用性能上遇到的挑战，对纸基包装材料在表观性能、机械强度性能和阻隔性能等方面的研究进展进行了重点论述；最后分析了纸基包装材料未来的发展趋势，并为纸基包装材料实现进一步的广泛应用提供了研发思路。

1 纸基包装材料概述

在现代包装的四大支柱——纸、塑料、金属和玻璃材料中，塑料包装材料由于环境污染问题而备受争议，玻璃易碎，金属包装总质量大、不易携带等原因，而纸基包装材料由于具有来源广泛、优异的生物相容性、废弃物可回收利用、可再生和可自然生物降解等特性，在全生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）中，被认定为最具应用前景的绿色可持续包装材料，近年来相关应用研究及发展速率增长速度最快[

10-11]。纸基包装材料（Paper-based Packaging Material），是指用于包装目的的一类天然植物纤维基材料的统称。一般来讲，天然植物纤维基包装材料包括纸基包装材料、植物纤维模压包装材料、木质包装材料、竹制包装材料等。图1列举了以天然植物纤维为原料或基质生产的主要天然植物纤维基包装制品。植物纤维模压包装材料以禾本科类植物为原料，经粉碎研磨、功能助剂添加（如黏结剂、发泡剂、填充剂、防潮剂等）、高速热混搅拌等预处理后，在热压成型机中模压成型，一般用在缓冲包装领域[12-13]；木质包装材料指用于物品保护、支撑或运输等包装功能的木材和人造板材，其中实木包装材料因易携带森林病虫害而限制了其在包装工业中的发展，包装用人造板经干燥、热压等工艺处理后可在一定程度上消除病虫害的影响，多用于机电产品等较大型物品的包装领域[14]；竹制包装材料一般以竹筒、竹条或竹编、竹制包装盒、竹制托盘等形式应用于食品、茶叶、工业品等包装领域，但高品质竹制包装材料的研发和生产仍处于起步阶段[15-16]。

图1 常见天然植物纤维基包装材料制品

纸基材料是人们最为熟悉、使用最早、应用最为广泛的绿色环保材料[

17]，其废弃物既可以通过废纸制浆工艺回收再生制成纸张，又容易在自然环境条件下降解腐化为微生物可以利用的成分。目前广泛应用于包装领域的纸基材料有传统包装用纸和纸板材料、新型功能性纸基包装材料、纸基复合包装材料和纸浆模塑包装材料等。传统包装用原纸材料（通常会做成纸袋、纸盒等）和纸板材料（通常会做成纸箱、隔板等）用定量和厚度来区分，根据国际标准组织（ISO）的建议，将其定量界限确定为225 g/m2，厚度界限为0.1 mm[18]。针对各种应用环境具有特殊功能要求的包装纸种类繁多，如防油包装纸、防锈纸、茶叶纸袋、防潮包装纸、食品羊皮纸、糖果包装原纸等；包装用纸板材料分为瓦楞纸板（纸芯为波形）和蜂窝纸板（如图1所示），主要用在运输包装中起支撑和缓冲作用。蜂窝纸板（纸芯为蜂窝型）包装材料根据自然界蜂窝结构原理制作，将瓦楞原纸采用胶黏结方法连接成无数个空心立体正六边形，形成一个整体的纸芯受力件[19]。由于物品在运输、仓储和装卸等环节中会受到振动、冲击的作用，所以对新型纸蜂窝夹芯复合纸板的缓冲性能和吸能特性的研究尤为重要。王行宁等人[20]研究了纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的静态缓冲性能，研究发现这种复合夹层结构在静态冲击力下是逐层压溃，通过改变瓦楞夹层楞型和提高蜂窝夹层厚度能够明显提高复合结构整体的缓冲性能。杨瑞等人[21]对影响纸蜂窝夹层纸板主共振频率（反应材料的吸能特性）的关键因素进行了探讨，发现纸板厚度、蜂窝胞元边长、芯纸结构、芯纸定量及静应力都对主共振频率产出负响应，该项研究可以为纸蜂窝夹层板的振动传递特性提供理论依据，有助于优化蜂窝夹层板的结构设计。张衬英等人[22]通过静态压缩试验，分析了蜂窝结构设计和蜂窝纸芯的高度对复合纸板的缓冲性能和吸能特性的影响，结果表明纸蜂窝夹芯复合平板的单位体积能量吸收好，而泡状纸蜂窝夹芯板由于泡状结构缓冲性能大大增强，两种结构的新型蜂窝纸板都有很好的应用前景。以蜂窝纸板为主要材料的蜂窝纸板箱与同规格的瓦楞纸箱、木箱相比，在防震、抗压、保温、抗戳穿等性能方面具有明显优势，具有广阔的市场前景[23]。

食品包装是纸基材料的重要应用领域之一，纸基食品包装材料分为食品包装纸和食品包装纸板。其中，食品包装纸包括普通包装用纸（如包装纸、牛皮纸、包裹纸等）、特殊包装用纸（如蜡纸、油纸、抗碱纸、防水带胶纸、羊皮纸等）和包装装潢纸（如铜版纸、压花纸、胶版纸、书写纸等）；食品包装纸板包括普通纸板（如箱纸板、白纸板、卡纸等）和加工纸板（如瓦楞纸板和蜂窝纸板等），纸板主要用于食品外包装[

24]。不同的食品在储存和运输的过程中，对纸质包装材料都有着不同的性能要求，如防潮、防腐、防水、保鲜、防油、杀菌等。随着人们对包装安全性和功能性的不断追求，新型功能性纸基包装材料因其在物理性能、节能环保和机械操作性能等方面具有很大的优势，在食品包装的创新研发过程中受到越来越多研究者和业内人士的关注[25-26]。基于目前的研究及行业报道[27]，新型食品功能性纸基包装主要有：水功能性纸包装、热能性食品包装纸、食品包装防腐纸和可食包装纸等。水功能性纸包装分为脱水和吸水功能包装纸，脱水功能包装纸可以很好地脱出被包装食品的水分，适合冷冻食品的保存；而吸水功能包装纸能吸收本材料总质量10倍的水量，适合包装火腿肠类食品[28]。热功能性食品包装纸主要有食品保温包装纸、热封性包装纸、蛋白质涂层包装纸。热封性包装纸能保持食物表面的清爽适合汉堡类的食物；蛋白质涂层包装纸具有很好的耐水性和透气性，已经应用在酒糟渍制食品的真空包装中[29]。食品包装防腐纸能够在不使用防腐剂的情况下单纯通过包装纸达到抑制食品腐败变质的作用，通过对食品表面甚至内部吸水保持食品的新鲜度[30]。可食包装纸是以天然植物纤维、糖类、蛋白质等为主要原料，采用压膜成型或辊压成型等工序而制备的一种纸，如糖果的内包装纸、豆渣纸、果渣纸、蔬菜纸等都属于可食包装纸[31]。

纸基包装材料作为一种最具有应用潜力的绿色包装材料，近年来相关研究和产业化应用发展迅速[

32]。但是，一方面由于天然植物纤维的纤维素表面含有大量的羟基，具有原生亲水性；另一方面天然植物纤维细胞本身的细胞腔及细胞壁的微细层次结构，以及由无数纤维交织形成的三维网络结构可以共同诱发毛细管作用，因此未经任何修饰处理的纸基材料具有强烈的吸湿性。吸湿后的纸基材料强度指标显著下降，从而影响纸基材料的后续使用性能。在传统制浆造纸工业中，可以通过浆内或表面施胶的处理方式赋予纸基材料抗拒液体渗透和扩散的性能。随着纸基材料在包装行业应用领域的逐渐拓展，传统的施胶技术早已不能满足某些领域对纸基材料性能的要求。根据被包装产品对包装材料的要求，如纸基包装材料的缓冲性能、表面性能（机械强度性能、耐磨性能及表观性能等）、阻隔性能（防水、防油、防潮、阻气等）等，研究不同处理工艺和技术来提高和丰富纸基材料的性能以满足不同领域的需求已成为纸基包装材料功能化研究的趋势[33-34]。本文主要阐述了近年来纸基包装材料中的研究应用热点材料——纸基复合包装材料和纸浆模塑包装材料的研究进展、应用现状及发展趋势分析，并对纸浆模塑包装材料的功能化性能改性的处理工艺和技术进行了重点论述。

2 纸基复合包装材料的研究及应用进展

2.1 纸基复合包装材料概述

广义上讲，复合材料是指一切含有两种组分及以上的结构体，按复合工艺可以分为混合型和层合型。混合型复合材料是指主体材料在共混过程中，为增强界面相容性，对单一组分材料或多种组分材料进行改性，制备得到的复合材料，如木纤维增强聚合物材料（为增强界面相容性，需对木质纤维纤维素改性）[

35]、大豆蛋白与聚乳酸共混改性复合材料[36]、聚乙烯醇与大豆蛋白共混改性复合膜材料[37]等。复合包装材料一般指层合型复合材料，由于纸和纸板材料在生产及应用上的广泛适用性，以纸和纸板为基材的复合材料是最常见的包装复合材料之一。纸类材料具有一定的厚度、形态稳定性及耐折性，有助于纸基复合材料基于被包装物形成一定稳定结构；由于纤维素的极性及多孔性，纸类材料易于吸附油墨粒子及黏合剂分子，便于印刷和与塑料类材料进行复合；纸类材料无毒、无害、安全卫生等特性增强了复合包装材料的绿色环保性能[38]。但由于原生植物纤维的亲水和极性特性，限制了100%的天然植物纤维构成的纸基包装材料在某些领域的应用，特别是在阻隔性能要求较高的食品包装领域。聚合物类材料由于其良好的成膜性、阻隔性、化学稳定性、耐温性等特点，将其用于纸基复合包装材料中，可以起到黏合和热封的作用。金属材料类（特别是铝箔）良好的阻光性、耐高温性能及形稳性，与纸基材料/聚合物类材料复合使用可以起到功能层的作用。

纸基复合包装材料是指以包装纸或纸板为基材，通过一定的加工工艺（如浸渍、涂布、铸涂、镀膜、层压复合等）将其他材料与纸基材料复合形成多功能性复合包装材料。纸基复合包装材料是结合各种材料性能，取长补短，充分利用金属材料、聚合物材料等基材优异的阻隔、保温、抗菌等性能和天然植物纤维的生态环保性能的产物，一般包括纸基层（起支撑和承印作用）、功能层（起阻隔、保温、抗菌等作用）和热封层[

39]。纸基复合包装材料是以天然植物纤维作为基本结构材料，与另外一种或多种材料经过层合（湿法、干法）、共挤（也称为淋膜工艺）等复合工艺制备而成的具有一定功能的复合包装材料。依据复合工艺、辅助材料的种类及类别，可以将纸基复合包装材料分为纸/铝/塑复合包装材料和纸/聚合物复合包装材料。

2.2 纸/铝/塑复合包装材料应用现状

纸/铝/塑复合包装材料（一般指软包装材料）兴起于1980年左右，随着包装设备的引进，在国内的应用迅速发展起来[

40]。纸/铝/塑复合包装材料在微观结构上综合利用金属铝箔的高阻隔性、塑料薄膜的柔软性和纸纤维材料的耐折性和抗冲击性，通过一系列复合工艺制备的具有二维结构、兼具环保优势和使用性能优势的包装材料。如图2所示，纸/铝/塑复合包装材料一般分为6层结构：最外层（第1层）为聚乙烯层，保护第2层的纸基材料免受外部环境水汽的侵袭，同时保护纸基材料上印刷图案的稳定性；第2层为纸基材料，约占整体复合包装75%，利用纤维纸基材料无毒、刚性好、印刷适应性好和易黏接的特点，构成复合包装的主体材料；第4层为铝箔层，铝箔对氧气、水蒸气和异味具有优异的阻隔性，同时能阻挡紫外线，是现代包装中常用的材料之一；第3层和第5层是黏性聚乙烯塑料材料，分别是纸基材料与铝箔层、内层聚乙烯和铝箔层的黏附介质；第6层是具有良好封口强度、无毒无异味的聚乙烯层，直接接触被包装内容物[41-42]。

图2 纸/铝/塑复合包装材料的常规结构图

基于环保和资源节约的压力，人们开始从材料来源到加工成型工艺及废弃的整个过程对环境的影响来重新考虑纸/铝/塑复合包装技术，研究者将研究重点放在如何优化纸/铝/塑复合包装材料的内部微观结构上[

43]。包装材料的复合一般通过专用的复合包装机来完成，复合方法有挤出复合、共挤复合、干法复合、湿法复合等，纸/铝/塑复合包装材料常用的加工工艺是挤出复合。为增强不同材料之间的界面相容性，在复合之前需对材料表面进行处理，如对塑料表面进行真空镀铝、电晕处理、涂布黏合剂等工序，而这些工序的环保性不断受到质疑，研究者也在加紧研发更加绿色环保的工艺解决纸纤维、铝箔与塑料的界面相容性及界面结合等问题[44]。随着复合工艺技术的不断成熟，打破了传统工艺制备多层结构需要多次挤出复合的局限，可以一次性制备出多层复合结构，同时复合材料的拉伸强度、挤压强度等性能也得到显著提升。此外，纸/铝/塑复合包装材料在包装原材料上还有很大的改进与开发空间，如优化已有塑料材料的性能、提高强度和阻隔性、减少塑料用量等，如常用的利乐包，经过研究者的长期研发，复合材料的基体材料——纸板的使用已经减少了18%，铝箔的厚度也减少了30%（相较于最初的利乐复合包装）[45]。

随着国家对环保的要求越来越高及纸/铝/塑复合包装材料的应用越来越广泛，使用后废弃的纸/铝/塑复合包装材料的回收利用引起了越来越多研究者的关注[

46-48]。纸/铝/塑复合包装材料中不仅含有纸基纤维、金属铝箔、塑料基材，还含有种类繁多的黏性物和高聚物，如何实现对复合包装材料的高效分离及回收利用成为研究重点[46]。由于纸层、铝箔、聚乙烯层通过热压或黏合后，结合强度极佳，各层之间难以分离，因此回收利用研究多集中在如何高效制备不同功能的再生复合板材[47]。用化学或化学-机械的方法将铝箔、塑料和纸纤维完全剥离在技术上是可行的，虽然这种分离技术可以有效避免纸/铝/塑包装废弃材料的二次污染问题，但是由于成本较高、分离技术复杂及需要配套专业的分离设备，实现真正产业化还面临不小的挑战。Lopes等人[48]研究了由纸、低密度聚乙烯（LDPE）、铝箔组成的废弃纸/铝/塑复合包装通过离心处理分离天然植物纤维纸基材料、铝箔和LDPE，将天然纤维纸基材料再生成纸，铝箔和LDPE的共混物再生制备得到一种新型工程塑料。Hidalgo[49]利用从纸/铝/塑复合包装材料中回收得到的LDPE和铝箔材料，利用热压成型工艺制备具有低吸水率和良好拉伸强度的刚性热压复合板材。刘杰[50]探索了利用纸/铝/塑包装材料的废弃物制备电磁屏蔽复合板材的可能性，研究发现压制成型和破碎工艺对复合板材的电磁屏蔽效果有显著的影响，在成型温度为180℃，压制时间为420 s时，制备的复合板材的电磁屏蔽效果最好。孙晓等人[51]利用废弃的纸/铝/塑复合包装材料和木屑制备了木塑复合材料，研究了不同配比、压制成型的温度、压力、时间因素对样品机械强度性能和抗水性能的影响，结果表明纸/铝/塑包装废弃物与木屑的质量比为6∶4、压制温度150℃、时间420 s时，制备的样品的性能最佳。

随着人们对健康消费的逐渐重视和对包装质量的要求逐渐提高，纸/铝/塑复合包装由于其在使用方便、热封、遮光、气密、安全卫生和成本低廉等方面的优势，已被世界各国广泛应用于食品、药品、日用品及化妆品等包装领域[

41]。但是，由于纸/铝/塑复合包装材料使用的原辅料品种繁多，为了性能稳定，不同性质的基材相互之间的黏结强度很高，用单一的回收利用技术很难实现对复合包装材料各组分的有效回收利用。由于回收难度和成本较大，大多数的废弃纸/铝/塑复合包装材料被当做无价值的废弃物处理掉，造成资源浪费和环境污染。基于以上分析，随着对包装需求的不断增加和环保要求的不断提高，对纸/铝/塑复合包装技术提出了更多的要求。纸/铝/塑复合包装材料未来的研发方向应该在不影响使用性能的前提下，尽量增加全自然降解的纸基纤维含量，以及减少难以自然降解的塑料及铝箔添加量；研究更加绿色环保的纸/铝/塑复合工艺技术，特别是研发符合环保需求的绿色黏结剂；开发节能、环保、可操作的绿色分离回收技术；研究基于不同包装辅料的性质开发的复合包装材料废弃物的综合回收利用工艺技术，解决二次污染问题。

2.3 纸/聚合物复合包装材料研究及应用进展

纸/聚合物复合包装材料是通过一定的工艺，将具有不同性能的纸基材料和聚合物类材料结合而成的一类复合材料[

52]。纸/聚合物复合包装材料中所用的聚合物种类按环保性能可以分为两大类：难以降解（不可生物降解）的塑料类（纸塑复合包装材料）和可生物降解的聚合物类（纸基生物聚合物复合包装材料）。难以降解的塑料类是用于复合材料中比较早的一大类塑料材料，主要有聚乙烯[53]（按分子结构不同可分为低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE和线性低密度聚乙烯LLDPE）、聚丙烯[54]（按性能可分为非拉伸聚丙烯CPP和双轴定向聚丙烯BOPP）、聚偏二氯乙烯[55]（PVDC，由于大分子中含有大量强极性的氯原子，对非极性气体有很强的阻隔性；同时具有强抗水及阻湿性能）、聚对苯二甲酸乙二醇酯[56]（PET，其耐低温性、耐油性、耐水性及耐腐蚀性相较于其他塑料类较强）、乙烯-乙烯醇共聚物[57]（EVOH）和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）等[58]。表1列举了难以降解的塑料类用于纸塑（纸/聚合物）复合包装制品的主要种类、特性及应用的包装领域。由于这类纸/聚合物复合包装材料存在黏合剂安全问题以及废弃材料回收再生和可否降解（主要由塑料类材料的不可回收性和不可生物降解性导致）的问题，随着环保要求越来越高，此类纸塑复合包装废弃物面临的环保压力越来越大，虽然在技术上有筛选法、溶剂法和乳化法可以对纸塑复合包装材料进行分离、再生、回收和利用，但是效果不佳。基于环保压力，可生物降解的聚合物类纸/聚合物复合包装材料受到越来越多研究者的关注[56]。

表1 常见纸塑复合包装材料及特性
包装领域被包装物特性纸塑基复合材料
饮料 果汁，酒类 阻气，耐煮沸 纸/PET/Al/PE
医药 药品，注射器 阻湿性，阻隔性 纸/Al/PP
日化 洗衣粉，洗发水 阻湿，耐油 纸/PE/CPP
服装 展示性 纸/BOPP/PE
电缆 阻隔性 纸/PET/PE
电器元件 电磁屏蔽 纸/PE(导电)
种子 阻隔性，遮光 纸/PET/PP
干燥食品 方便面 阻气阻湿性 纸/PE
面粉 阻湿性 纸/BOPP/PE
调料 抗污染，避光 纸/PET/Al/PE
糖果 阻湿，耐油性 纸/PE/CPP
咖啡，奶粉 阻湿，热封性 纸/PET/PE
冷冻食品 耐低温性 纸/LDPE
肉制品 腊肉，肠 阻气性 纸/PE

可生物降解类的聚合物是指在自然环境下，可以被微生物（细菌、真菌等）通过酶作用或其分泌物有关的化学作用分解为简单化合物或单质（如CO2、H2O、CH4和小分子生物质等）的聚合物[

59]。根据来源，可生物降解聚合物可以分为石油基可生物降解聚合物和以可再生资源为来源的生物基聚合物。目前来源于石油化工单体的可生物降解聚合物主要有聚丁二酸丁二醇酯（PBS）[60]、聚乙烯醇（PVA）[61]、芳香族-脂肪族共聚酯（如聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯，PBAT[62]）、聚已内酯（PCL）[63]及脂肪族聚碳酸酯（如聚丙撑碳酸酯，PPC[64]），但是由于这类可降解聚合物（塑料）成本较高，限制了其在包装领域的应用。此外，由于石油资源的不可再生性，此类可降解聚合物必将面临原材料短缺和价格上涨的问题。而以可再生资源为原料的可生物降解聚合物类，则具有可持续发展性及绿色环保的特性，成为近年来可降解包装材料领域的研究热点[65-66]。以可再生资源为原料制备的聚合物基本都是可生物降解聚合物，目前已经出现了许多能够满足包装功能要求的生物基聚合物复合材料和包装膜材料，其构成和组分用量可随被包装物的要求不同而变化。

图3总结了用于包装材料领域的、以可再生资源为原料的天然生物基聚合物。由图3可以看出，生物基聚合物又可以分为天然高分子类（如甲壳素、热塑性淀粉及蛋白质）和合成生物基聚合物类（如壳聚糖、聚羟基烷基酸酯）[

67]。虽然天然高分子类材料来源广泛、廉价易得，但其阻隔性、机械特性、热封性、热塑性等性能较差，在与纸基材料复合或者单独作为包装材料使用时存在阻湿性差、抗张强度有限、相对湿度对机械性能影响大及热封性不足等问题，因此，目前的研究多集中在此类天然材料的改性和应用性能开发上[68]。比较而言，以生物质的生物化学产物为原料的合成生物基聚合物的各项应用性能较佳，根据目前的前沿研究表明[69-70]，脂肪族聚酯（如羟基丁酸酯-羟基戊酸酯、聚乳酸）和热塑性淀粉基聚合物是两类最具发展潜力的合成生物基聚合物材料。此外，由于某些生物聚合物应用于包装材料领域时，在性能上或多或少存在缺陷，此类包装材料的研究热点主要集中在如何适应应用性能和经济性上的要求方面[70]。因此，研究报道多是通过共混改性或与其他材料复合改性来提高合成生物基聚合物的实际应用潜力和价值[71]，而与同为可再生资源的纸类材料层合成复合材料是一个可行的选择。

图3 可再生的天然生物基聚合物[

67]

纸基生物聚合物类复合包装材料的开发与实际应用探索成为近年来绿色包装材料领域的研究热点[

72-73]。此类复合包装材料是借助传统造纸涂布工艺，将多种生物聚合物用作纸张涂布材料，研究重点集中在生物聚合物性能改性及种类拓展、基于包装内容物的需求对包装材料的性能改进及优化、涂布复合工艺研究、纸基材料与生物聚合物涂层的界面相容性等[74-75]。目前，纸基生物聚合物类复合包装材料中研究涉及的生物聚合物种类主要有大豆分离蛋白、玉米醇溶蛋白、聚乳酸、卡拉胶、酪蛋白、麦麸、壳聚糖、海藻酸盐和淀粉等。Khwaldia[76]研究了酪蛋白酸钠涂布纸张形成的复合材料应用于包装领域的潜质，发现此类复合材料的水蒸气阻隔性能和机械性能都较原纸张得到明显改善。Pascale等人[77]对大豆分离蛋白用作纸张涂布材料进行了研究，重点分析了纸基复合材料中挥发性活性剂的扩散特性。Parris等人[78]研究了玉米醇溶蛋白对纸基材料油脂阻隔性能和阻水性能的影响，发现在最佳涂布工艺条件下，玉米醇溶蛋白纸基复合材料的油脂阻隔性能和阻水性能显著提高，且发现通过酶解反应，玉米醇溶蛋白可以有效地从基纸表面除去，有利于后期此类复合材料的回收利用。Gallstedt等人[79]研究了纸和纸板分别涂布乳清浓缩蛋白、乳清分离蛋白和小麦面筋蛋白形成的复合包装材料的机械性能和阻气性能，发现采用溶液涂布、帘式涂布、模压等复合工艺获得的涂布纸的机械强度都显著提高。Carole等人[80]发现涂布有小麦面筋蛋白的复合纸张对CO2有一定的选择透过性，具有应用于气调包装的潜力。Chan等人[81]将变性和非变性的乳清分离蛋白用于和纸板层合，发现纸/乳清分离蛋白复合材料的透氧性显著降低，可用于食品保鲜。其他关于蛋白质纸基复合包装材料的研究及专利多集中在水蒸气透过性和（或）油脂阻隔性等阻隔性能优化及阻隔机理探究上[82-83]。

在众多可用于纸基涂布材料的多糖中，壳聚糖是研究最多的一种[

84]。壳聚糖是甲壳素脱除部分乙酰基之后的产物，具有良好的生物相容性、无毒性、可生物降解性、抑菌性等多种特性，分子结构中含有游离氨基，是天然多糖中唯一的碱性多糖。甲壳素提取自甲壳动物的骨骼，是世界上含量仅次于纤维素的一类天然生物高分子[67]，将其用作纸张表面处理剂和纸浆浆内添加剂已经有几十年的历史。研究显示壳聚糖基薄膜和涂层具有良好的阻隔氧气和油脂的性能及优良的机械性能，其与纸张的作用效果常被用来作为研究其他纸基/生物高分子复合包装材料的参照[84]。海藻酸盐（另一类天然存在的聚合物）是一种从天然海藻中提取出来的古洛糖醛酸和甘露糖醛酸残余组分的阴离子多糖混合物，研究发现海藻酸盐具有良好的氧气阻隔性能、抗溶剂性能、油脂阻隔性能，也已广泛用于纸张施胶和涂布工艺中[85]。羟丙基甲基纤维素（HPMC）是一种多糖基聚合物，具有良好的成膜性，同时具有优异的阻隔氧气、二氧化碳和油脂的性能。Sothornvit[86]研究表明HPMC涂布的纸基复合材料具有很好的柔性和耐久性。Aloui等人[87]研究了酪蛋白酸钠（NaCAS）、壳聚糖和羟丙基甲基纤维素（HPMC）3种生物聚合物用于纸张涂布形成的纸基复合材料的性能，发现甘油浓度和涂布量对复合材料的水蒸气阻隔性和机械性能影响较大，并且纸/HPMC复合材料的抗张强度最大，而纸/NaCAS复合材料的水蒸气阻隔性能最好。

基于目前的研究报道[

88]，聚乳酸（PLA）是最有应用前景的一种新型脂肪族聚酯生物聚合物。PLA的原料——乳酸来源于玉米或其他淀粉含量较高的农作物等可再生植物资源，其分子结构中的酯键易水解，可经过微生物降解作用最终分解为二氧化碳和水。国内外对于聚乳酸涂布纸已经有一些研究。Rhim等人[89]利用溶液涂布工艺制备了聚乳酸涂布纸板，研究发现涂布纸板的抗张强度、耐水性、伸长率和热封性能都有提高，可以替代PE涂布纸用于生产一次性纸杯。Lim等人[90]先将L型PLA和D型PLA共混，之后通过溶液涂布工艺制备聚乳酸涂布纸基复合材料，研究了两种结构构型的PLA的相容性和复合纸基材料的降解性能。此外，国内也有许多关于聚乳酸纸基复合包装材料的相关的研究及专利[91-92]。但是，目前的聚乳酸纸基复合材料在耐久性及阻隔性能上存在不足，且成本与传统塑料淋膜类纸基复合材料相比较高，在用作包装材料时仍会遇到这许多实际问题，离真正实现产业化应用还有不少难题需要攻克。

3 新型纸基包装材料：纸浆模塑制品

塑料制品作为四大主要包装材料之一，因其性能优异、价格低廉等优势在包装材料中占据重要比重，但最近几十年来随着生活水平的提高和环保理念的普及，塑料包装制品的弊端日渐凸显，尤其是发泡聚苯乙烯（EPS）缓冲塑料包装材料[

93]。EPS用量大，由于成本低廉，使用后被随意丢弃且在自然环境下难以降解，对环境造成极大污染。为满足国际社会对环保的要求，传统的不可生物降解的塑料制品被环保型包装材料所替代已是大势所趋[9]。基于国际及国内“限塑”形势发展，具有良好环保特性的纸浆模塑包装材料应运而生。纸浆模塑制品是以植物原生纤维或二次纤维为原料，根据性能要求混入多种化学助剂制成一定浓度的纸浆悬浮液，通过特制模具成型机形成湿纸模坯，脱模脱水干燥后，经过整饰工艺形成的、具有特定几何空腔结构和一定缓冲性能的纸制品[94]。纸浆模塑包装材料由于原料广泛、优异的包装材料应用性能、生产加工简单、易成型、可再生及易于回收利用和可生物降解等优势而成为一次性发泡塑料制品的最佳替代产品[93,95-96]。

3.1 纸浆模塑制品应用领域及原料发展现状

纸浆模塑行业起源于20世纪30年代的欧洲，当时由于用作包装材料的废旧纸箱以及旧报纸等纸制废品的量越来越大，人们开始考虑如何有效再生利用这些废弃纸制品，从而展开了使用其作为纸浆模塑包装制品原材料的研究[

97]。在美国这一生产技术的研究很快取得了成功，并且由于纸浆模塑制品的加工设备和工艺相对简单，因此很快就在同样受到废纸处理问题困扰的国家和地区推广开来[98]。模塑技术最早是应用于塑料行业的一种成型加工技术，将其与造纸技术结合，便衍生出一种利用天然植物纤维材料的立体造纸技术——纸浆模塑[99]。根据用途和生产工艺，纸浆模塑材料可分为两大类：①缓冲保护包装材料：此类包装材料在国外得到广泛应用之后在国内发展起来。在发展之初，纸浆模塑制品由于结构单一、制品粗糙及生产加工技术落后等原因主要用作较为低端的缓冲包装类产品，如农用品托盘（如蛋托、果托、瓶托等）和工业制品内包装等[100]。近年来，随着纸浆模塑包装材料在机械性能、表面性能及阻隔性能等包装特性的改善，精致化纸浆模塑包装材料逐渐应用于某些高附加值领域，如精密仪器仪表、工业品包装（如高端电子产品包装、化妆品包装、高端白酒、茶包装、工艺品包装）、食物冷链的蔬果及肉类托盘等和其他特殊食品包装（如即食类产品包装）[101]。②纸浆模塑餐具[102]：此类包装材料属于日常生活中的消费品，包括纸浆模塑一次性餐盒、餐盘、餐碗、一次性刀叉、一次性纸吸管等。

纸浆模塑制品所用的原料主要有两大类：商品浆（植物原生纤维，一般以浆板的形式运输）和废纸原料（二次纤维）。商品浆一般采用蔗渣浆、竹浆、麦草浆、漂白化学木浆和芦苇浆等植物纤维浆，以某种或多种商品浆搭配为原料制得的纸浆模塑制品大多应用于前述高附加值商品包装和餐具领域[

101]。废纸原料主要是书刊杂志纸、旧瓦楞纸箱、旧报纸、纸箱厂边角料、水泥袋、混合废纸等回收纸，制得的纸浆模塑制品由于表面粗糙、承印性差及制品厚度较大等缺点，主要应用于前述对包装外观要求不高的低端缓冲包装类产品[100]。近年来，关于以非木材纸浆纤维及纸浆纤维与聚合物的复合材料为原材料的纸浆模塑包装制品成为一种研究趋势。Gouw等人[103]研究了具有不同纤维组成和形态的苹果、蓝莓和蔓越莓等果渣纤维与再生废纸的相容性，发现通过采用纳米纤维素作为黏合剂，果渣可以在一定程度上取代废纸制备纸浆模塑包装材料。杜亚洲[104]以稻草秸秆作为主要原料，通过优化纸浆模塑包装材料的制备工艺，分析了稻草模塑制品的性能及替代废纸原料的可能性。姚蓓蓓等人[105]利用木质剩余物制备纸浆模塑包装材料，并与废纸性能进行对比，发现木质剩余物制备的模塑材料在耐折度、抗张强度和耐破度等机械强度方面均优于废纸模塑材料。Jiang等人[106]将竹纤维和一种聚酸酯混合制备纸浆模塑复合材料，发现竹纤维用量达到20%时，材料的整体性能最佳。汤雅萌等人[107]研究了聚乳酸和小麦秸秆复合制备纸浆模塑包装材料的可能性，发现在最佳制备条件下复合材料的硬度、冲击强度和拉伸强度都较好。

3.2 纸浆模塑制品生产工艺及设备发展现状

纸浆模塑制品的生产工艺原理较为简单，在原料处理和制浆过程如纸浆碎解、筛选、净化和浓缩等所用生产设备与传统造纸厂无异，其生产工艺过程如图4所示[

108]。纸浆模塑制品的重点工艺流程是产品的成型和定型工段，这两个流程对产品的性能和表观质量有决定作用。其中，成型工艺是将一定浓度及配比的纸浆悬浮液，通过真空吸附或挤压的方法使纤维均匀分布于具有特定结构的金属模具表面，从而形成一定尺寸和形状的纸浆湿坯的技术；定型工艺是将获得的纸浆湿坯进行常温压榨脱水（降低半成品含水率，易于后续转移操作）、凹凸模具上的转移、热压干燥的技术，其关键是使纸浆模塑制品的结构和形状更加精确，并且确保产品在干燥过程中的形变得到有效控制，因此需要控制热压干燥过程中温度浮动范围、持续时间以及升温、降温速度等；最后根据纸浆模塑包装材料制品的不同用途，需要对制品做进一步的整饰处理，以满足对产品表观的特殊要求[108-109]。Hoffmann[110]通过压缩实验和跌落实验研究了纸浆模塑包装的几何形状与包装件动、静态强度之间的关系。李琛等人[111]探讨了纸浆模塑材料在成型过程中热压压力和热压温度对制品的抗张强度、裂断长、弹性模量的影响，并确定了最佳的成型工艺条件。Didone等人[112]研究了纸浆模塑的热成型工艺及其特性，分析发现制品的脱水效率主要取决于模具的温度，微观结构可塑性的几何精度受所用纸浆种类的影响。肖颖喆等人[113]研究了温度对纸浆模塑材料抗压性能的影响，发现温度对抗压强度有较大影响。Gurav等人[114]以相机纸浆模塑包装为研究对象，探讨了包装肋条形状变化对纸浆模塑材料力学性能的影响。

图4 纸浆模塑包装材料制品生产工艺流程图[

108]

纸浆模塑制品具有批量小、非标准、数量少的特点，这对纸浆模塑制品生产设备的研发及使用效益带来了很大挑战。我国于1986年从法国引进第一套纸浆模塑生产线，主要以生产鸡蛋托盘为主，当时对生产的蛋托做了大量的防水、防震等保障鸡蛋安全的测试，最终纸浆模塑蛋托逐渐推广应用起来，开启了我国纸浆模塑行业的先河[

115]。1988年我国拥有了第一条自主研发的纸浆模塑生产线，此后纸浆模塑制品逐渐得到市场的认可，越来越多的科研人员及包装行业从业人员开始研究和关注纸浆模塑制品及行业的发展[116-117]。到1990年，纸浆模塑类制品开始广泛应用于水果包装；1993年之后，各种小型电气设备的包装也开始使用纸浆模塑制品。如1994年Eagleton D.G 等人[118]对比研究了EPS塑料缓冲包装与纸浆模塑制品的抗跌落性能，发现纸浆模塑制品在低跌落高度的情况下承受一次性冲击的能力更强；1997年Noguchi等人[119]研究了纸浆模塑制品用于电子产品包装；2003年Sorensen [120]探讨了纸浆模塑工业品包装制品的3种结构形状与缓冲强度的关系。随着纸浆模塑生产设备的研发和生产工艺的优化，纸浆模塑制品的产品结构越来越多样，同时逐渐拓展到越来越多的新兴应用领域，如衣架、文具盒、包装袋、杯具包装、鞋撑、椅子、鞋盒和宠物用品等。

纸浆模塑制品在六七十年的发展过程中，相关研究工作的重心也从如何降低生产成本和拓展产品应用范围，转变到更深层次的纸浆纤维原料性能优化、助剂研发（用于改善纸浆模塑制品的机械强度性能、表面性能及阻隔性能等）、纸浆及其模塑制品的物理化学特性参数的测量、专用成型设备的研发、纸浆模塑制品结构设计以及生产加工工艺参数的优化等。

3.3 纸浆模塑制品（纸基材料）表面性能研究进展

纸浆模塑制品以其优越的环保及应用性能，一定程度上正逐步替代塑料和木质包装材料，但普通制品由于其表面易掉屑、较粗糙、机械强度低和色彩单一等缺点，附加值较低。近年来，纸浆模塑制品的功能化处理成为该领域的一个研究热点[

121-122]，所谓功能化处理是指缓冲性能的提高、物理机械强度的提升、防潮、防水、防油、防火、防静电、防霉、防伪、制品表面颜色（漂白及染色研究）、表观平滑度及质感（防掉屑研究）等性能的改善等。经过功能化处理的纸浆模塑制品一方面可以应用于普通制品无法涉及的包装领域，另一方面可以增加纸浆模塑包装制品的经济附加值。纸浆模塑包装制品一直存在表观平滑度不足（或表面较粗糙，耐磨性差）、易掉屑等问题，其中掉屑（包括掉毛掉粉）是指在外界机械力（如摩擦、黏附、冲击等）的作用下，纸浆模塑制品表面或边缘脱落下细小纤维、碎屑、填料粒子、施胶剂或颜料粒子等表面细小组分，也是表面机械强度不足的一种表现。改善表面性能的处理方法主要有改性纸浆纤维原料、进行浆内助剂添加及表面涂覆工艺处理等，其中浆内助剂法在人工成本、生产效率及自动化生产方面具有一定优势[122-124]。但是，由于纸浆模塑的工业化生产起步较晚，且前期主要用于对外观要求不高的缓冲包装领域，对其表观性能方面的问题较少涉及，故国内外前期的研究主要集中在如何通过改进制品的结构设计来提高其强度性能，而表面性能改善方面的研究较少[125]。

近年来，有部分研究者[

126-127]从纸浆纤维原材料或工艺设备等方面来探讨制品的表面性能改善的问题，尤其是在纸浆纤维改性、相关助剂的研发和后期工艺优化等方面，但应用到具体纸浆模塑包装制品的相关研究较少。由于纸浆模塑制品的原材料是纸浆纤维（原生纤维或二次纤维），因此，从原材料角度改善纸浆模塑制品表面性能的研究思路可以借鉴纸浆纤维表面改性处理以提高纸制品表面性能的相关研究。目前纸浆模塑制品表面处理方面的研究主要集中在防掉屑和改善表观平滑度、漂白及染色性能方面。Amiri等人[128]用纤维掉毛潜在指数（PLPI）这一指标表征了不同纤维种类及浆料品质对纸制品掉毛掉粉现象的影响，研究发现纸浆中减少斑克松浆的含量可以降低制品掉粉程度。Karademir等人[129]采用水解前后的AKD对加填及未加填PCC的纸张进行处理来研究添加剂对纸张摩擦性能的影响，发现AKD无论是否水解，加填PCC的纸张表面平滑度均降低。汪欣等人[130]采用浆内添加的方式研究了阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺等助剂对纸浆模塑制品表观性能的影响。Drzewinska[131]研究了阳离子直接染料对化学机械浆、化学浆及二者混合浆料的着色性。Shallhorn等人[132]研究了用不同的物化方法处理射线细胞对纸张掉屑的影响，发现经过碱性过氧化氢处理后所得纸张的掉屑情况得到明显改善。张洁等人[133]通过添加阳离子淀粉改性纸浆纤维和成品表面涂覆两张处理方法来改善纸浆模塑制品掉毛掉屑现象。Lee等人[134]探讨了还原染料对二次纤维的染色及其色牢度情况。刘洋[135]研究了PS-255施胶类淀粉对纸浆模塑制品平滑度的影响，发现通过与KR-002表面干强剂复配可以明显改善制品表面的掉屑问题。总体而言，国内外对于纸浆模塑制品表面性能方面的研究还处于初始阶段，从原材料、添加剂（特别是针对纸浆模塑制品专用表面改性助剂）、表面处理工艺等方面提高制品表面性能的研究才刚刚起步。

3.4 纸浆模塑制品（纸基材料）阻隔性能研究进展

一般而言，包装材料的阻隔性能是指材料阻隔气体（O2、CO2、挥发性有机气体（如香气或气味等）水蒸气等）和液体（水、有机溶剂、油脂等）等在材料主体结构中渗透通过的能力[

136]。根据被包装物的需求不同，对包装材料阻隔性能的要求也不同。工业品纸浆模塑制品要求具有良好的防潮（阻隔水蒸气）和防水性能；纸浆模塑餐具制品不但要求具有良好的防潮和防水性能，还要有良好的阻隔油脂及保温隔热性能。由于纸浆模塑行业发展较晚，针对其专门的阻隔性能方面的研究很少且较为浅显，但由于纸浆模塑制品的主要原材料是各种纸浆纤维，属于天然纤维素基材料，因此，接下来对天然纤维素基材料（特别是纸浆模塑制品）在抗液态水及流体渗透、阻隔气体扩散、防油脂浸渍等性能的阻隔机理、阻隔工艺、阻隔助剂等方面的研究进展进行论述。

由于天然纤维素基材料含有丰富的羟基，具有天然亲水性，传统造纸领域一般用施胶的方法来提高纤维材料的疏水性[

137]。施胶就是对纸浆纤维、纸张材料或纸板材料进行加工处理，使其获得抗拒液体渗透的性能，如抗水、抗墨水或印刷油墨晕染、抗弱酸性果汁等，通过加入合适施胶剂并选择合适的施胶工艺（浆内添加或表面施胶）来实现。施胶剂按来源分为天然高分子施胶剂和合成聚合物施胶剂，其中天然高分子类（使用最广泛的是淀粉类施胶剂，还有瓜尔胶、明胶、甲壳素和海藻酸等）由于来源广、价格低及易生物降解等特性成为近年来的研究热点[138-139]。合成聚合物类施胶剂（如苯乙烯-马来酸酐共聚物（SMA）[140]、苯乙烯-丙烯酸溶液聚合物（SAA）[141]、苯乙烯-丙烯酸酯聚合物乳液（SAE）[142]、聚氨酯(PU)水分散液等[143]）主要针对表面施胶工艺而设计合成的，虽然表面施胶相对于浆内添加在留着、用量及添加效果上都具有优势，但由于纸浆模塑制品的立体结构、形状结构复杂多样、多拐角及沟壑等特点，目前关于纸浆模塑制品的表面施胶工艺及设备的研发还处于初始阶段[144]。

天然纤维素基材料一般是三维网络结构，具有天然多孔性。基于目前的研究进展[

145]，最有效的阻隔气体（O2、CO2、水蒸气）在纸基材料中扩散的方法是在纸基材料表面涂覆一层聚合物纳米复合涂层，如图5所示。该方法是基于曲线路径理论（图5(A)），认为纳米粒子本身拥有致密的结构，传质小分子由于难以直接透过，因而需要绕过纳米粒子实现扩散过程，而纳米粒子本身带来的曲线路径效应是复合膜材对水蒸气阻隔性能提高的主要原因，其中纳米粒子的长径比是“曲折因子”的决定因素[146]。图5(B)列举了常用的黏土纳米粒子与聚合物相互作用的方式：分离型微观复合材料形态、插层型纳米复合材料形态、剥离型纳米复合材料形态[147]。近年来关于聚合物纳米复合涂层研究热点[148-154]多集中在研发可降解聚合物如聚乳酸、聚乙烯醇、聚已酸内酯等的复合性能，以及拓展纳米粒子的种类等。目前主要的纳米粒子有黏土等硅酸盐类纳米薄片[146]（图5(C)显示了其分级化学结构）、二氧化硅纳米粒子[148]、碳纳米管[149]、石墨烯[150]、淀粉纳米晶体[151]、微纤化纤维素[152]、纳米纤维素晶体[153]、甲壳素或壳聚糖纳米粒子[154]。

图5 聚合物纳米复合阻隔涂层

注：

(A)黏土纳米薄片与聚合物大分子相互作用的一般形态类型：(a)分离型微观复合材料形态；(b)插层型纳米复合材料形态；

(c)剥离型纳米复合材料；(B)黏土纳米薄片的分级化学结构；(C)聚合物纳米复合阻隔涂层的阻隔机理：曲线路径理论。

研究表明[

155]，油脂分子本身不能溶解或润胀纸基纤维，因而不能像水分子一样可以借助纤维本体发生扩散，但由于构成纸基材料的纤维间存在大量孔缝结构，油脂分子可以借助毛细管作用通过纸基纤维三维网络中的孔缝结构发生扩散，并逐渐渗透至整个纸基材料。依据防油的原理不同，可以将防油助剂分为含氟类防油剂和非含氟类防油剂两大类[155]。如图6所示，含氟类防油剂的防油原理是利用防油剂中带正电荷的极化基团与纸基纤维上的负电荷通过静电作用结合，具有极低表面能的氟链（比所有类型的油脂分子的表面能都低）朝向外排列在纤维表面形成一层表面张力极低的疏油层[156]；而非含氟类防油剂是通过在纸基材料表面形成一层致密层来达到阻止油脂分子渗透的目的（物理阻隔）。一般来讲，基于物理阻隔作用使纸基材料获得防油性能的方法有3种[155]：①提高纸浆的打浆度（降低纸基材料纤维网络的孔隙率）；②在纸基材料表面涂覆蜡、铝粉或者复合一层铝箔；③通过在纸基材料表面涂覆一层连续致密的合成聚合物薄膜（如聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、聚乙烯、羧甲基纤维素等，但这些合成聚合物不能在自然环境下降解）。通过降低表面能的防油方法主要是通过浆内添加或在纸基材料表面涂布含氟类防油助剂。

图6 两种典型的纸基材料防油机理

传统含氟类防油剂的重要单体全氟辛烷磺酸盐/酯（PFOS）和全氟辛酸(PFOA) 都是含有8个碳原子的化合物（称为C8型氟碳化合物），会转移到食品内部和污染水生动物及地下水，对人体有致癌风险[

156-157]。欧洲和美国等部分国家已经开始禁止使用，未来我国也将会逐渐减少硅氟类防油剂的使用[158]。由于C8型含氟类防油剂存在的安全隐患，目前研究者正在研制无毒害、对环境友好的各种新型防油剂，如碳链更短、危害更小的C6及C4型含氟类防油剂（此类防油剂已实现商业应用，但是使用效果不如传统的C8型氟碳化合物，仍有不少技术难点需要攻克），不含氟的丙烯酸酯共聚物防油剂等[158]。其中以可降解生物聚合物（如多糖、蛋白质、脂类等）作为主要原料来制备防油剂受到越来越多研究者的关注[158-160]，目前国外的相关研究较多，而国内才刚刚起步。总体来说，目前有关纸基材料防油剂的研究主要围绕两个方向展开，一是在传统含氟类防油剂的基础上进行改进，如与其他物质复配、引入杂原子、减少碳链长度等；二是开发能满足防油需求的新型非含氟类防油剂，无硅无氟型食品防油纸将是未来的研究及发展趋势。

目前已有文献中也有专门针对纸浆模塑制品阻隔性能的研究报道。刘丽[

161]采用蔗渣本色浆为原料制备了纸浆模塑餐具，将其和一次性塑料餐具的各项性能做了对比，研究了蔗渣本色浆卡伯值和打浆度，防水剂、防油剂、助留剂的添加量及添加顺序对纸浆模塑餐具性能的影响，特别是对防水和防油性能的影响，通过单因素和正交试验确定了最佳工艺条件。葛建楼等人[162]研制了含氟防油剂，并分析了助剂添加量和添加工艺对纸基材料防油性能的影响，得出了最佳用量和使用工艺条件。戴燕等人[163]研究了F-321型防油剂和HA-321型防水剂配合使用对纸浆模塑制品防水防油性能的影响，发现由于两种助剂均为阳离子型，添加时会产生竞争，因此应该优化添加顺序和添加方式以达到最好的防水和防油效果。彭渊[164]采用竹材ECMP纸浆纤维为原料生产纸浆模塑餐具，研究了GTI助剂的防水和防油机理，确定了最佳的助剂用量及添加方式、制浆及成型工艺。袁大想等人[165]根据溶液聚合原理，以氟化乙烯基醚为防水和防油功能单体成功制备了纸浆模塑餐具拒油脱模剂，此脱模剂可以被纸浆纤维很好地留着的同时赋予制品良好的脱模、防油和防水性能。

3.5 纸浆模塑制品的应用现状及发展趋势

纸浆模塑制品在我国已经发展了30多年，在纸浆纤维原料种类拓展及性能优化、应用领域的延伸、生产工艺及设备改进、制品功能化研发及应用等方面都取得了很大的进展，特别是借助“限塑”法令使其在环保工业品包装和一次性环保餐具领域得到越来越广泛的认可和使用[

97-105]，但是纸浆模塑制品的一些技术共性问题还有待研发解决。首先，模具制作是纸浆模塑生产过程中关键的环节，制品的结构、外形和几何尺寸都由模具的特性参数决定，但是目前的模具制作周期长且成本高，因此通过优化模具设计工艺，改变工艺参数实现能源和原材料的节约，从而有效降低纸浆模塑制品的生产成本是目前需要解决的技术问题之一。其次，纸浆模塑制品的应用领域十分广泛，因此对于最终纸浆模塑包装材料的性能要求各有侧重。目前制品的阻隔性能、机械强度及表观特性等性能都是通过调节纸浆原料中添加的助剂种类及用量来实现的，但是由于不同助剂的作用机理不同会产生相互影响，因此需要研究和控制纸浆纤维配比及浓度、助剂添加工艺等来满足不同应用领域对纸浆模塑包装材料性能的要求。此外，基于传统造纸领域前期研究及产业应用情况，助剂的表面应用效果从成本及产品的最终性能上都明显优于浆内添加的方式。但是由于纸浆模塑包装制品是立体结构且形状复杂多样，助剂在成品的表面应用一直是一个技术难题，因此，研发一种高效的后处理工艺实现助剂在纸浆模塑成品表面的应用是未来纸浆模塑生产工艺优化的重点方向。最后，纸浆模塑与传统造纸还有一些共性问题，如对浆料配制研究不足（许多厂家为提高产品质量，直接放弃使用二次纤维，既增加成本又不环保）、制品表面掉毛掉粉、缺乏有效的表面后处理工艺、生产过程能耗高、自动化生产技术和设备不成熟及缺乏统一的行业标准等，需要纸浆模塑行业的上下游产业链一起研发攻关解决。

随着纸浆模塑制品在高附加值包装领域的广泛应用，如何将智能包装技术整合到纸浆模塑包装材料的生产过程中，也是未来该行业的一个重要的研究方向和发展趋势，如应用于高端工业品及化妆品的智能防伪溯源、食品和药品的智能安全监测等领域；或将保温测温技术应用到纸浆模塑材料中，研发用于外卖热食的包装，实现对被包装物的保温并能够实时温度检测的目的；以及将测菌感湿技术应用到纸浆模塑包装材料中，研发用于食品保鲜的纸浆模塑材料，实时监测新鲜果蔬的新鲜度（通过储藏环境的菌落数、温湿度等检测）。此外，将纳米材料或高强度的纤维材料应用到纸浆纤维原料中，生产具有特殊性能的纸浆模塑包装材料，也是未来的一个研究方向。

4 展　望

纸基包装材料是两大国民经济支柱产业——造纸行业和包装行业交叉通融的一种重要材料。近年来，纸基包装材料的成品种类基于应用领域的拓展而越来越多样，如在外卖送餐领域，一次性塑料餐具和包装造成的环保压力与日俱增。为支持外卖行业绿色供应链建设，中华环境保护基金会和美团外卖共同发起的“青山计划专项基金”专门设立了“纸质外卖包装推荐名录及创新产品孵化项目”，助力纸质包装制品在外卖领域的推广使用。随着纸基包装材料应用场景的不断延伸、环保及资源节约型经济的压力和人们对包装材料要求越来越高，对纸基包装材料提出了越来越多的挑战。为了充分利用天然植物纤维材料和降低纸基包装材料的运输成本，在满足性能的前提下，研发低定量的包装用原纸、纸板和箱纸板是纸基包装行业持续努力的发展方向，尤其是用量最大的瓦楞原纸及牛皮箱纸板的优质轻量化；由于食品包装领域的包装内容物成分、性能复杂多样，基于被包装物的性能要求研发专用功能性食品包装用纸和纸板很有必要；以市场需求为导向，开发差异化纸基包装材料也是未来的一个发展方向。此外，智能包装将是纸基包装材料提高附加值、拓展应用领域的重要研发策略。随着科学技术的进步和经济的发展，人们不但要求包装具有传统的功能如防护、定量及说明、装饰、隔离等，还要求包装制品功能更加多元化。智能包装技术是集合了多个基础知识应用领域的新兴技术分支，随着《中国制造2025》发展规划的版本，智能纸质包装材料必然成为纸基包装材料向高端化、智能化发展的主流趋势。

总体来讲，在我国2020年初新版“限塑令”的推动下，纸基包装行业既迎来了新的发展机遇，同时也面临着新的挑战。纸基包装材料应该加大创新力度，研制在使用性能和成本上都相当或接近于被广泛使用的不可降解塑料制品的成熟替代品，推出满足市场需求的功能性产品。“以纸代塑”不但要实现技术上可行，还要在性能和成本应用上探索。在政策的引导下，以市场需求为目标，加紧落实技术创新，纸基包装材料行业才能抓住机遇获得更大的发展。

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