王比松 杜艷芬 劉金剛 李洪才 夏菲

1 前言

日常生活中，商品的包裝已經(jīng)無(wú)處不在。作為包裝業(yè)四大材料之一的塑料，其用量穩(wěn)居第二位，緊隨紙和紙板包裝材料，占25%。根據(jù)全球綜合數(shù)據(jù)資料庫(kù)Statista統(tǒng)計(jì)，2019年，全球合成樹(shù)脂總產(chǎn)量達(dá)到3.68億t，消費(fèi)量估計(jì)在2.55億t左右。我國(guó)塑料消費(fèi)量已經(jīng)占全球比例的15%，僅塑料包裝行業(yè)的產(chǎn)值就達(dá)到了4,297億元，其用量已經(jīng)達(dá)到千萬(wàn)噸水平。這其中，食品用塑料包裝在我國(guó)塑料包裝總量中占到了25%左右。

然而，塑料的回收利用率不高，最終還是需要采用焚燒或填埋來(lái)處理，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重且長(zhǎng)期的污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有800多萬(wàn)t塑料垃圾進(jìn)入海洋，塑料垃圾不僅危害海洋生物，也可能會(huì)威脅人類健康。難降解的塑料垃圾已成為世界公認(rèn)的治理難題，世界各國(guó)紛紛頒布禁、限塑令。在我國(guó)，2020年國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》，其中一項(xiàng)是禁止、限制使用不可降解塑料包裝材料。

紙基包裝材料由于來(lái)源廣泛、可再生、可回收利用、廢棄物可生物降解等特點(diǎn)，用量也在不斷增加。近年來(lái)，作為綠色環(huán)保包裝材料，“以紙代塑”的呼聲不絕于耳。

2 紙基阻隔包裝材料

作為包裝材料，不同的商品，對(duì)阻隔的要求也有差異，阻隔性能是指被阻隔物質(zhì)在材料主體結(jié)構(gòu)中吸附、浸漬、擴(kuò)散、滲透、通過(guò)的能力。通常，被阻隔物包括氣體，如水蒸氣、氧氣、揮發(fā)性有機(jī)氣體，如香氣；液體，如水、有機(jī)溶劑等。生活用紙、衛(wèi)生用品包裝的阻隔要求，主要是一定程度上阻隔水蒸氣和液體。

紙基包裝材料作為最具代表性的可持續(xù)天然綠色材料，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在日常生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。但與塑料包裝基材相比，紙基包裝材料富含親水的羥基、結(jié)構(gòu)為多孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得紙基材對(duì)水、油類和氣體的阻隔性能明顯差于塑料基材，需要從多方面對(duì)紙包裝基材的阻隔性能進(jìn)行改善，其中一個(gè)較為普遍的方式就是紙基包裝材料表面進(jìn)行特殊處理，形成復(fù)合材料。

紙基復(fù)合包裝材料是指以包裝紙或紙板為基材，通過(guò)一定的加工工藝（如浸漬、涂布、鑄涂、鍍膜、層壓復(fù)合等）將其他材料與紙基材料復(fù)合形成多功能性復(fù)合包裝材料，如圖1所示。紙基復(fù)合包裝材料是結(jié)合各種材料性能，取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分利用如金屬材料、聚合物材料等基材優(yōu)異的阻隔、保溫、抗菌等性能和天然植物纖維的生態(tài)環(huán)保性能的產(chǎn)物，一般包括紙基層（起支撐和承印作用）、功能層（起阻隔、保溫、抗菌等作用）和熱封層。

圖1 紙基復(fù)合包裝材料的分類

紙基復(fù)合包裝材料中應(yīng)用比較成熟的包括紙、塑、鋁復(fù)合包裝，例如牛奶的包裝，這類包裝阻隔性能非常好，但難于回收和降解；另一類是紙塑復(fù)合，如較為常見(jiàn)的淋膜紙（紙與PE膜復(fù)合），也存在回收困難，塑料成分不可降解的問(wèn)題。目前，比較熱門(mén)的研究是紙基與乳液或溶液類聚合物材料，通過(guò)表面涂布方式生產(chǎn)的紙基阻隔包裝材料。其中一些聚合物類材料能夠?qū)崿F(xiàn)生物降解，制成紙基包裝材料，可以實(shí)現(xiàn)90%以上的生物降解率，明顯降低了對(duì)環(huán)境的污染。

2.1 阻水性能

紙基材料從阻水機(jī)理上來(lái)說(shuō)，可以分為兩種，一種是通過(guò)疏水基團(tuán)與纖維上的羥基反應(yīng)，形成低表面能的纖維表面，降低水的潤(rùn)濕性和滲透性。如圖2所示，防水劑和纖維的活性羥基反應(yīng)產(chǎn)生疏水基團(tuán)，這些疏水基團(tuán)向外排列降低材料表面能。另一種是通過(guò)涂布或在纖維表面涂覆聚合物，形成致密的膜，降低水的透過(guò)率，從而達(dá)到良好的阻隔效果，如圖3所示。通常，評(píng)價(jià)紙基材料阻水性能包括接觸角的測(cè)試（GB/T 30693-2014塑料薄膜與水接觸角的測(cè)量）、Cobb吸水性的測(cè)試（GB/T 1540-2002紙和紙板吸水性的測(cè)定）等方法。

圖2 疏水基團(tuán)阻水機(jī)理

圖3 致密膜阻水機(jī)理

常見(jiàn)的阻隔材料包括阻隔膜材料、水性阻隔材料和疏水聚合物。其中，較為傳統(tǒng)的阻隔膜采用聚丙烯、聚乙烯等在紙張表面淋膜，形成紙塑復(fù)合材料，起到優(yōu)良的阻隔效果。然而，傳統(tǒng)紙塑復(fù)合包裝材料的廢棄物難以回收處理，塑料部分不能降解等問(wèn)題，正在被一些可降解的材料所替代。水性阻隔材料主要包括乳液聚合物類和生物質(zhì)聚合物類，主要通過(guò)涂布的方式在紙表面形成阻隔涂層。疏水聚合物包括長(zhǎng)鏈烷烴類、不飽和內(nèi)酯類，主要是通過(guò)降低紙面的表面能，使表面疏水，達(dá)到阻隔目的。在應(yīng)用中也會(huì)與成膜性材料復(fù)合應(yīng)用，例如，PVA與AKD復(fù)合應(yīng)用可以獲得良好的阻隔水和水蒸氣性能。達(dá)到綜合的阻隔效果。

2.2 阻油性能

研究表明，油脂分子本身不能溶解或潤(rùn)脹紙基纖維，因而不能像水分子一樣可以借助纖維本體發(fā)生擴(kuò)散，但由于構(gòu)成紙基材料的纖維間存在大量孔縫結(jié)構(gòu)，油脂分子可以借助毛細(xì)管作用通過(guò)紙基纖維三維網(wǎng)絡(luò)中的孔縫結(jié)構(gòu)發(fā)生擴(kuò)散。紙基材料阻油的機(jī)理主要包括：降低紙張表面能或提高紙張表面的封閉程度實(shí)現(xiàn)阻油目的。

含氟類防油劑是利用防油劑中帶正電荷的極化基團(tuán)與紙基纖維上的負(fù)電荷通過(guò)靜電作用結(jié)合，具有極低表面能的氟鏈（比所有類型的油脂分子的表面能都低）朝向外排列在纖維表面形成一層表面張力極低的疏油層，通過(guò)降低表面張力來(lái)實(shí)現(xiàn)阻油的目的，如圖4（A）所示。但這類助劑中的一些物質(zhì)如全氟辛酸、全氟辛烷磺酸及其鹽類，不降解，嚴(yán)重危害環(huán)境和人體健康。目前這類助劑的應(yīng)用已經(jīng)在逐漸減少。

圖4 紙基材料兩種阻油的機(jī)理

非含氟類防油劑是通過(guò)在紙基材料表面形成一層致密層來(lái)達(dá)到阻止油脂分子滲透的目的，如圖4（B）所示，應(yīng)用比較多的是丙烯酸酯類的防油劑，另一種是生物質(zhì)聚合物，如納米纖維素，也有比較好的阻油性能，應(yīng)用時(shí)需要配合其他助劑，如疏水劑等復(fù)合應(yīng)用，以提高綜合的阻隔性能。

2.3 阻氣性能

對(duì)于一些需要阻氣的商品包裝來(lái)說(shuō)，比較常見(jiàn)的，如阻隔水蒸氣，可以防止被包裝物變干；阻隔氧氣，可以防止被包裝食品變質(zhì)；還有些需要阻隔揮發(fā)性的香氣，起到保香的作用。阻氣的原理主要包括多層結(jié)構(gòu)復(fù)合阻隔、疏水化改性、物理共混等。有些被包裝物往往需要阻隔兩種以上的氣體，通常會(huì)通過(guò)多層阻隔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5為阻氣的機(jī)理。

圖5 紙基材料阻氣的機(jī)理

若降低氣體在包裝材料中的透過(guò)率，材料本身就必須具備較高的內(nèi)聚能密度和較低的自由體積分?jǐn)?shù)。水蒸氣和氧氣的滲透機(jī)理幾乎相同，但由于二者的極性不同也會(huì)存在一些差異。天然纖維素基材料一般是三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有天然多孔性。有效的阻隔氣體（O2、CO2、水蒸氣）在紙基材料中擴(kuò)散的方法是在紙基材料表面涂覆一層阻隔涂層。除了傳統(tǒng)的樹(shù)脂類阻隔材料，生物質(zhì)阻隔材料也正在受到人們的關(guān)注，包括多糖類、脂類、蛋白質(zhì)類等。多糖類研究，目前比較多的是納米纖維素，通過(guò)改性之后的納米纖維素可以明顯改善水蒸氣的阻隔效果；同時(shí)，通過(guò)有效去除納米纖維素中的木素，形成的致密結(jié)晶區(qū)可有效阻隔氧氣，見(jiàn)表1。納米纖維素通過(guò)減小纖維網(wǎng)絡(luò)空隙、形成致密表面、增加滲透路徑（提高彎曲長(zhǎng)度）。

表1 納米纖維素的阻氣效果

一些多糖類的聚合物復(fù)合應(yīng)用，可增加非極性氣體的阻隔效果，但對(duì)于極性氣體，如水蒸氣的阻隔效果不佳。對(duì)多糖類聚合物進(jìn)行化學(xué)疏水改性，可有效改善水蒸氣的阻隔性能。多糖類的阻隔材料，也可以通過(guò)多層的組合涂層，實(shí)現(xiàn)有效阻隔水蒸氣和氧氣的目的。脂類、蛋白類，通過(guò)與納米級(jí)的片狀顏料、疏水性材料共混也可以有效阻隔氣體，這主要是長(zhǎng)鏈聚合物與納米材料形成的插層或剝離型復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加曲線路徑實(shí)現(xiàn)了有效阻隔，如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)鏈聚合物與納米材料形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)

3 生活用紙及衛(wèi)生用品包裝材料現(xiàn)狀

在生活用紙及衛(wèi)生用品的商品中，塑料包裝應(yīng)用也比較普遍。生活用紙委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2022年，我國(guó)生活用紙消費(fèi)總量是1,185萬(wàn)t，其中，面巾紙、手帕紙、餐巾紙、廚房紙巾、擦手紙合計(jì)消費(fèi)量達(dá)到了570萬(wàn)t；衛(wèi)生用品中女性衛(wèi)生用品、嬰兒紙尿褲/片、成人失禁用品等合計(jì)消費(fèi)量超過(guò)了1,530億片，這些品種中絕大多數(shù)都用到了塑料包裝材料，如PP、PE、PET等合成塑料材質(zhì)，其用量超過(guò)了20萬(wàn)t。

生活用紙及衛(wèi)生用品應(yīng)用的塑料包裝難回收、難降解，容易形成“白色污染”。一些生產(chǎn)廠家采用減薄包裝厚度的方式來(lái)減少塑料包裝的總用量，從而減少包裝對(duì)環(huán)境的污染。然而，塑料包裝材料減薄也帶來(lái)了一些如挺度降低、產(chǎn)品貨架的展示性變差；材料容易拉伸，造成印刷難度增加等問(wèn)題，不得不恢復(fù)原包裝厚度。

4 紙基阻隔包裝材料在衛(wèi)品包裝、生活用紙包裝中的應(yīng)用

在新的限塑政策引導(dǎo)下，綠色環(huán)保的功能性包裝新材料孕育而生。比較典型的就是可降解塑料，作為軟抽和衛(wèi)品的獨(dú)立小包裝所用的包裝材料，這類材質(zhì)應(yīng)用時(shí)還存在一些問(wèn)題，如熱封性能達(dá)不到要求、材質(zhì)柔軟，商品外形展示性不好、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，限制了該材料的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。常規(guī)紙基包裝材料應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉，但存在不熱封、阻水差等問(wèn)題，因此需要對(duì)紙基包裝材料進(jìn)行加工處理，如漿內(nèi)添加或是表面涂布等方式，使紙基包裝材料既有熱封性能又有一定阻隔性能，滿足衛(wèi)品包裝和生活用紙包裝生產(chǎn)過(guò)程中的要求。

中國(guó)制漿造紙研究院有限公司涂布技術(shù)研發(fā)中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)衛(wèi)品中的女性衛(wèi)生用品獨(dú)立小包裝和生活用紙中軟抽面巾紙包裝，開(kāi)發(fā)了能夠替代塑料的紙基包裝材料。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)衛(wèi)品包裝和軟抽包裝的不同應(yīng)用工況和應(yīng)用要求，如包裝速度、熱封性能、包裝材料柔韌性、阻隔性能等，選擇了表面涂布的方式，通過(guò)優(yōu)化涂層和原紙性能，生產(chǎn)出了紙基包裝材料，該紙基材料要既具有熱封性能又具有阻隔性能。能夠滿足女性衛(wèi)生用品包裝和生活用紙中軟抽面巾紙包裝生產(chǎn)線的應(yīng)用要求。

涂布生產(chǎn)線生產(chǎn)的兩種紙基包裝材料，分別在衛(wèi)生巾包裝線和軟抽包裝線上進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。包裝的產(chǎn)品如圖7和圖8所示。圖7為應(yīng)用紙基材料包裝好的衛(wèi)生巾獨(dú)立小包，圖8為應(yīng)用紙基材料包裝好的軟抽面巾紙獨(dú)立小包。經(jīng)過(guò)應(yīng)用評(píng)價(jià)，兩種包裝材料能夠滿足包裝線的生產(chǎn)要求，熱封性能和阻水性能均達(dá)到應(yīng)用指標(biāo)要求。

圖7 衛(wèi)生巾獨(dú)立小包裝

圖8 軟抽面巾紙獨(dú)立小包裝

表2為紙基包裝材料的性能測(cè)試指標(biāo)，其中1#樣為軟裝包裝紙基材料，2#～4#為女性衛(wèi)生用品小包裝紙基材料。對(duì)比樣1#和2#分別為軟裝包裝塑料基材和女性衛(wèi)生用品小包裝塑料基材。從表2中可以看出，兩種紙基包裝材料熱封強(qiáng)度均好于塑料包裝材料，并且具有比較好的阻水性能。

5 總結(jié)

一次性塑料包裝材料對(duì)土壤環(huán)境、海洋環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重污染，已經(jīng)被世界各國(guó)所關(guān)注，“限塑、禁塑”的法案也相繼頒布出臺(tái)。國(guó)內(nèi)新的限塑令的發(fā)布，也加快了對(duì)一次性塑料制品減量、限量的步伐。我國(guó)出臺(tái)的一系列政策，明確提出：“支持企業(yè)實(shí)施綠色戰(zhàn)略、綠色標(biāo)準(zhǔn)、綠色管理和綠色生產(chǎn)，建立統(tǒng)一的綠色產(chǎn)品體系，開(kāi)展綠色評(píng)價(jià)，引導(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費(fèi)，實(shí)施節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化示范工程?！蔽覈?guó)作為全球塑料消費(fèi)大國(guó)，一次性包裝的塑料制品消耗量巨大，這也給綠色環(huán)保包裝材料的替代與應(yīng)用留下潛在的空間。

2021年，中國(guó)造紙學(xué)會(huì)紙基綠色包裝材料及制品專業(yè)委員會(huì)在京成立，相繼制定了多項(xiàng)紙基綠色包裝材料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，其中有兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)《匠心產(chǎn)品 生活用紙》、《匠心產(chǎn)品 衛(wèi)生用品》對(duì)產(chǎn)品的包裝材料進(jìn)行了說(shuō)明：“匠心產(chǎn)品之生活用紙產(chǎn)品包裝、匠心產(chǎn)品之衛(wèi)生用品及包裝宜采用可降解材料，以降低產(chǎn)品廢棄后對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響”。

可替代塑料包裝的環(huán)保型包裝材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)也在積極尋找可替代的環(huán)保材料，以減少塑料包裝的應(yīng)用。相信不久的將來(lái)，我國(guó)生活用紙和衛(wèi)生用品，有越來(lái)越多的產(chǎn)品，會(huì)應(yīng)用到紙基包裝材料，讓我們一起推進(jìn)綠色包裝的應(yīng)用，共同打造可回用、可降解的產(chǎn)品包裝，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，共同保護(hù)我們的生態(tài)環(huán)境。