纸基包装材料的研究进展、应用现状及展望

    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，近年来相关研究和产业化应用发展迅速。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，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，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。

    1.纸基包装材料概述

    纸基包装材料（Paper-basedPackagingMaterial），是指用于包装目的的一类天然植物纤维基材料的统称。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，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。近年来，电商、快递、外卖等新兴业态的快速发展及国家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，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。

    在传统制浆造纸工业中，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中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、阻隔性能等，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。

    2.纸基复合包装材料研究及应用进展

    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将其他材料与纸基材形成多功能性复合包装材料。纸基复合包装材料是基于各种材料性能，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、功能层和热封层。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/塑/铝复合包装材料和纸/聚合物复合包装材料。

    纸/塑/铝复合包装材料兴起于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。但是，由于纸/塑/铝复合包装材料使用的原辅料品种繁多，其回收难度较高和成本较大，大多数的废弃纸/塑/铝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。基于环保和资源节约压力，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/塑/铝复合包装技术。

    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。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：不可生物降解塑料类和可生物降解聚合物类（纸基生物聚合物复合包装材料）。纸基生物聚合物复合包装材料的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。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。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样或那样的实际问题，要实现真正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

    纸浆模塑行业起源于20世纪30年代的欧洲，模塑技术最早是应用于塑料行业的一种成型加工技术，通过与造纸技术结合，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。纸浆模塑制品具有非标准、批量小、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的挑战。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、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。

    纸浆模塑包装制品一直存在表观平滑度不足、易掉屑等问题。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、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。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性能的纸浆纤维，属于天然纤维纤维素基材料，因此，相关研究可以基于天然纤维纤维素基材料在抗液态水及流体渗透、阻隔气体扩散、防油脂浸渍等在阻隔机理、阻隔工艺、阻隔助剂等方面的进展进行。

    纸浆模塑制品在我国已经发展了三十多年，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，但是纸浆模塑制品的一些技术共性问题还有待研发解决，如模具制作、纸浆模塑制品表面改性工艺、浆料配制研究、生产过程能耗高、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，以及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，是未来该行业重要的研究方向和发展趋势。

    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。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。