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        一次性竹纖維餐盒研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

        2022-03-09 01:44:32陳曉怡陳復(fù)明葉翰舟王建忠
        世界竹藤通訊 2022年1期
        關(guān)鍵詞:模塑餐盒餐具

        陳曉怡 王 戈* 陳復(fù)明 葉翰舟 蔣 歡 王建忠

        (1 國際竹藤中心 北京 100102;2 重慶瑞竹植物纖維制品有限公司 重慶 404300)

        1 一次性塑料餐盒現(xiàn)狀

        1.1 塑料及其一次性餐盒的現(xiàn)狀與危害

        近50 年來,塑料的使用量持續(xù)增長,低成本、易加工的特點使其廣泛應(yīng)用于包裝、食品加工、電子、建筑和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,目前全球平均每年的塑料使用量高達4 億t[1]。但塑料制品在給社會發(fā)展帶來方便的同時,也給全球環(huán)境帶來了“白色污染”?!蹲匀唬嚎沙掷m(xù)性》 在2020 年報道微塑料可進入生菜、小麥等農(nóng)作物的可食用部位,《科學(xué)》 在2018 年報道了甚至在地球最深的馬里亞納海溝也發(fā)現(xiàn)了微塑料,并記錄了海洋生物如??m纏于塑料的圖片。研究表明,塑料正演變?yōu)樵斐傻厍虮韺由鷳B(tài)系統(tǒng)污染最嚴重的威脅之一,并逐步影響人類和海洋生物的生存環(huán)境[2-5]。

        一次性餐具指僅一次性使用的用于餐食或類似用途的的器具。在眾多塑料制品中,在餐飲業(yè)中使用的一次性聚丙烯餐盒占比極大。由于社會生活節(jié)奏加快,外賣已成為最主流的就餐模式之一,新冠肺炎防控期間職工和學(xué)生分餐分食的特殊條件加劇了一次性餐飲具包裝的使用量。根據(jù)王怡人[6]的報道,中國一次性塑料餐盒消耗量從2017 年的198億個增長到2019 年的402 億個,年復(fù)合增長率為42.49%;預(yù)計2020 年消耗量將達450 億個[7]。加之歐美等國外市場,市場規(guī)模總量十分巨大。中國是全球最大的一次性塑料快餐盒生產(chǎn)國,占全球一次性塑料快餐盒行業(yè)約44.3%。這不僅要求生產(chǎn)過程中需要消耗更多的石油和煤炭等不可再生資源,同時在大量使用后難以降解的缺點加劇了一次性塑料餐盒的環(huán)境問題。根據(jù)中國2021 年都市生活垃圾處理方式的統(tǒng)計,一次性餐盒目前的處理方式仍以52%的填埋和45%焚燒為主,簡單的填埋處理方式會導(dǎo)致大量細菌潛伏在廢棄的塑料餐盒上并長期污染土壤和地下水源,而焚燒釋放的二氧化硫、二惡英等更易造成人體的呼吸系統(tǒng)感染和身體病變,帶來嚴重的空氣污染[8]。

        1.2 一次性塑料制品的限用、禁用政策

        塑料餐具帶來的環(huán)境污染問題促使國內(nèi)外陸續(xù)出臺一系列“限塑”到“禁塑”的政策(表1和表2)。中國國家發(fā)展改革委計劃出臺在2025年前用可降解餐具替代一次性塑料餐具30%以上的政策措施,這將提高對植物纖維餐具的需求[9]。2020 年9 月習近平主席在第75 屆聯(lián)合國大會上提出,中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施達到碳達峰和碳中和目標。“減碳”概念的推行也在逐步制約塑料餐具的使用。

        表1 國外限制一次性塑料餐具的相關(guān)政策Tab.1 Relevant foreign policies banning disposable plastic tableware

        表2 中國限制一次性塑料餐具的相關(guān)政策Tab.2 Policies banning disposable plastic tableware in China

        表2 (續(xù))

        在全球禁塑的大背景下,植物纖維餐盒相關(guān)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出新產(chǎn)品和新技術(shù),新階段其發(fā)展面臨著巨大的機遇。植物纖維餐盒是以甘蔗渣、玉米稈、麥秸和竹纖維等為原料,混合適量的天然助劑(甲基纖維素、大豆蛋白、甘油等),注入模具高溫高壓壓制成型。這類餐盒不僅充分利用了農(nóng)村秸稈、蔗渣等廢棄的植物資源,成本低廉,而且廢棄后可以降解,具有巨大的代替塑料餐盒的潛力。

        2 可降解植物纖維餐盒

        2.1 一次性植物纖維餐盒種類

        目前的植物纖維餐盒主要可以分為植物淀粉餐盒、紙板成型餐盒、紙漿模塑餐盒和植物纖維壓制餐盒。

        淀粉餐盒:以植物淀粉為主要原料,采用生物復(fù)配、聚糖交聯(lián)等技術(shù)精制而成。淀粉類餐盒因植物淀粉具有來源廣泛、無毒、價格低廉、可降解等優(yōu)點,已經(jīng)越來越多地被用于制備一次性餐盒[10]。但是,淀粉餐盒由于自身所具備的高吸濕性、易被微生物污染等因素,其在長時間儲放的過程中易發(fā)生霉變,且受儲藏環(huán)境的溫度、濕度等因素的影響較大[11]。

        紙板成型餐盒:以木漿和草漿為原料,先抄造成滿足要求的紙,再在其表面涂覆聚乙烯塑料薄膜,使其具有防水、防油的功能。該類餐具使用安全、衛(wèi)生,但生產(chǎn)成本較高,且涂覆的聚乙烯膜降解困難[12]。

        紙漿模塑餐盒:以木漿、竹漿、蘆葦漿、蔗渣漿等為主要原料,添加適量的功能性化學(xué)藥品,經(jīng)過真空抽濾成型、加熱干燥而成。這類餐具生產(chǎn)工藝流程簡單,是目前發(fā)泡餐具替代品中生產(chǎn)能力最大、企業(yè)生產(chǎn)最多的產(chǎn)品。

        植物纖維壓制餐盒:以植物纖維如甘蔗渣、小麥秸稈、稻殼、玉米秸稈等為原料,粉碎后加上特質(zhì)的膠黏劑熱壓壓制成型,通過表面處理使其具有防水、防油、耐高溫等性能。該方法大大提高了農(nóng)產(chǎn)品的附加價值,丟棄后易降解。但生物質(zhì)纖維餐盒也具有一定的吸濕性,郭元新等[13]研究表明植物纖維熱壓制成的餐具耐滲漏性還有待提高,不宜在潮濕環(huán)境下長期保存,色澤和氣味上也有待改善。

        2.2 中國竹纖維餐盒優(yōu)勢與現(xiàn)狀

        竹纖維餐盒作為植物纖維餐盒之一,在資源、材性和技術(shù)等方面有著獨特的優(yōu)勢。

        資源優(yōu)勢:全球竹資源豐富,儲量超3 600萬hm2,且分布廣泛,主要分布在地球的北緯46°至南緯47°之間的熱帶、亞熱帶和暖溫帶地區(qū)。竹材作為中國的特色資源,竹林面積已達641.16萬hm2,占世界的30%以上,是世界上擁有竹林面積最大、竹材資源最豐富、竹材產(chǎn)業(yè)化程度最發(fā)達的國家[14]。

        材性優(yōu)勢:竹材具有強韌性好、培育周期短的特點[15-16]。竹纖維長細比大,長度約1~4 mm,微纖絲角較小,這使得其具備良好的機械性能[17]。其抗拉強度是木材的2 倍,抗壓強度也略高于木材。竹纖維的戊糖及木質(zhì)素含量較高,易于高溫模壓形成挺度高、耐滲性強、耐久性好的環(huán)保竹纖維復(fù)合材料。竹材生長速快,3~5 年即可成材,一經(jīng)栽培,可永續(xù)利用,原料來源具有可持續(xù)性。

        技術(shù)優(yōu)勢:竹材的半纖維素多,非結(jié)晶區(qū)大,打漿過程潤脹效果明顯;細胞壁由寬窄相間的十幾個亞層交替形成,更易產(chǎn)生內(nèi)帚化現(xiàn)象,打漿過程的優(yōu)化有利于提升餐盒的交織結(jié)構(gòu),進而提升其挺度、耐滲性能等[18]。竹纖維天然的材性優(yōu)勢(強韌性好、松厚比大、長細比適中) 結(jié)合亞硫酸鈉、蒸汽爆破等簡單的預(yù)處理方式,可制備性能優(yōu)異的竹纖維餐盒原料。

        2018 年中國竹產(chǎn)品的出口貿(mào)易額占全球貿(mào)易總額的73.1%,其中竹餐具占比42.38%[19]。由于竹材資源分布的區(qū)域特性,目前大部分的竹纖維餐盒加工企業(yè)主要集中在福建、浙江、江西、重慶、四川和安徽等省、市。中國現(xiàn)已發(fā)展成為世界竹纖維餐盒生產(chǎn)和消費的第一大國。根據(jù)預(yù)測,竹纖維餐盒市場容量將迅速增長,3 年內(nèi)可達50 億個以上[20]。

        3 一次性竹纖維餐盒研究與開發(fā)

        3.1 一次性竹纖維餐盒技術(shù)特點

        在全球禁塑和廢棄物資源利用大背景下,亟需創(chuàng)新竹纖維環(huán)保餐盒綠色制造與自動化加工技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的紙漿模塑、聚乳酸(PLA)、甘蔗纖維等可降解餐具,以重慶瑞竹植物纖維制品有限公司為代表生產(chǎn)的竹纖維環(huán)保餐盒采用濕法纖維模壓工藝,零添加工業(yè)助劑,綠色環(huán)保。主要具有以下技術(shù)特點:1) 采用竹纖維高效無污染制備技術(shù)——蒸汽爆破法,構(gòu)建餐盒用竹纖維原漿綠色制造體系;2) 創(chuàng)新竹纖維環(huán)保容器自膠合制造技術(shù),無需工業(yè)助劑,生產(chǎn)過程無“三廢”,構(gòu)建包裝用竹纖維容器成型技術(shù)體系;3)創(chuàng)新竹纖維環(huán)保餐容器功能化設(shè)計與自動化、智能化加工技術(shù),研發(fā)可控降解竹纖維餐盒新材料,實現(xiàn)“以竹代塑”。該技術(shù)制備的竹纖維餐盒參照美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)、德國LFGB和中國國家標準(GB) 的規(guī)定,測得的容積偏差、耐溫性能、耐熱水、耐熱油、跌落等性能均符合要求。產(chǎn)品可直接進入微波爐、烤箱及冰箱,耐溫性能好,使用后無有毒物析出,而且使用后能自然分解被土壤吸收,也可回收碎解后作肥料或制作成雞蛋托等新材料,真正做到來于自然,回歸自然。

        3.2 加工工藝流程

        一次性竹纖維餐盒主要有竹漿模塑和竹粉熱壓壓制2 種制備方式。竹漿模塑的工藝是借鑒紙頁成型的基本原理,開發(fā)各種助劑和設(shè)備,通過打漿、抄盒、冷壓和熱壓過程生產(chǎn)出模塑餐盒,屬于濕法纖維模壓工藝;竹粉的干法熱壓成型是直接將竹片粉碎成粒,添加一定量的助劑后混合攪拌,再熱壓成型。二者的工藝流程如下(圖1)[21-22]:

        圖1 一次性竹纖維餐具的2 種制備工藝Fig.1 Two preparation processes of disposable bamboo fiber tableware

        3.3 評價標準和指標

        針對一次性餐具制定的相關(guān)國家標準、輕工業(yè)標準和鐵道行業(yè)標準匯總見表3。相關(guān)單位借鑒上述紙漿餐盒、食品接觸用紙等的檢驗指標和規(guī)定等級,正在制訂林業(yè)行業(yè)標準《竹纖維模壓容器》 (表4),具體要求如下。

        表3 一次性餐盒使用性能相關(guān)標準Tab.3 Relevant standards for the use performance of disposable tableware

        表4 一次性植物纖維餐盒使用性能評價指標Tab.4 Evaluation index for the performance of disposable plant fiber tableware

        3.4 行業(yè)發(fā)展存在的問題

        盡管中國已發(fā)展成為世界竹纖維餐盒生產(chǎn)和消費第一大國,但整個竹纖維餐盒行業(yè)尚未形成統(tǒng)一的國家標準和行業(yè)標準,缺乏產(chǎn)品質(zhì)量的追溯體系,目前主要存在以下問題:1) 自動化程度較弱,生產(chǎn)線落后;植物纖維餐盒利用壓機模壓而成,現(xiàn)有的成型機在送料、成型到頂出產(chǎn)品的過程中往往需要投入大量的人力,大多數(shù)機器不能全部實現(xiàn)自動化,生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格單一,不能實現(xiàn)餐盒的系列化生產(chǎn)。2) 行業(yè)尚未形成具有明顯優(yōu)勢的龍頭企業(yè),生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)營規(guī)模較小,產(chǎn)品質(zhì)量參差不一;一些產(chǎn)品還存在顏色較深、異味和強度不高等問題,其中異味和顏色主要與竹漿生產(chǎn)前期的預(yù)處理有關(guān)[23]。

        4 一次性竹纖維餐盒研究與開發(fā)方向

        4.1 自動化加工水平提升

        一次性竹纖維模塑餐盒設(shè)備主要以紙漿模塑用專用成型機和液壓成型機設(shè)備為主,新階段下模塑餐盒的工藝仍面臨著落后設(shè)備的淘汰和轉(zhuǎn)型升級的挑戰(zhàn)[24]。液壓成型機通常包括液壓缸、支座、上下模、運動導(dǎo)桿和液壓泵站部分。這種成型機具有一模一腔和多腔類型,一個流程一般需要7 min 左右,效率不高。專用成型機沿用紙漿模塑的成型模式,雖然提高了生產(chǎn)效率,但成型壓力較低,成型后的餐盒壁厚不均,且對原料配方的要求較高。目前市場上尚未廣泛推廣[25]。

        熱壓成型的主要工藝參數(shù)包含溫度壓力和物料在成型模具內(nèi)的滯留時間。由于不同產(chǎn)地、種類的竹纖維粉料中纖維素、木質(zhì)素含量及物料的形狀不同,因此成型溫度和壓力參數(shù)值指標也不一樣。該工藝的主要特點是物料在模具內(nèi)被擠壓的同時,需對模具進行外部加熱,將熱量傳遞給物料,使物料溫度升高。

        4.2 產(chǎn)品使用性能優(yōu)化

        目前針對竹纖維模塑餐盒的研究主要有2 個改良方面:

        1) 助劑。竹纖維餐盒為達到防水防油的效果,通常會加入碳氟類防油助劑和聚丙烯酸、烷基烯酮二聚體(AKD) 等防水劑。彭淵[26]認為,植物纖維原料中的木素在模塑餐盒的熱干燥溫度(150~210 ℃) 下可以熱熔重組,在餐盒中起到膠聯(lián)和防水的作用??衫迷撎攸c在甚至不加助劑的情況下,改善一次性餐盒防油、防水的功能。

        2) 漿料。竹纖維模塑餐盒前期通常是采用亞硫酸鹽法制漿,需進行大量的蒸煮,在反應(yīng)中會產(chǎn)生含硫化合溶出物和含硫氣體,這些氣體會殘留在纖維間及纖維的細胞壁內(nèi)。漿料在模塑成型過程的溫度通常在180 ℃,在高溫條件下,殘留在纖維間及纖維細胞壁內(nèi)的H2S 等氣體會逸出,因而不可避免地產(chǎn)生難聞的氣味??刹捎谜羝频惹鍧嵉奈锢眍A(yù)處理方式,改善竹纖維餐盒加工過程中殘存的氣味。

        4.3 降解性能研究

        近年來,國內(nèi)外對植物纖維餐盒降解性能的主要研究方法有:田間試驗、活性淤泥法、特定酶或微生物降解法、好氧堆肥法、厭氧試驗法等[27]。郭安福等[28]采用霉菌侵蝕實驗法對植物纖維餐盒的降解性能進行了研究,結(jié)果表明植物纖維淀粉餐盒的微生物降解程度為Ⅴ級,生物降解率大于41%。

        廢棄的竹纖維餐盒丟棄在土壤中,可在2 個月內(nèi)全部降解。當前備受關(guān)注的PLA 餐盒雖然可降解,但其降解條件較為苛刻(濕度50%~60%,溫度50~70 ℃),在自然環(huán)境下的降解速度遠沒有竹纖維餐盒快[1]。為優(yōu)化餐盒的使用性能,國內(nèi)外學(xué)者通過調(diào)節(jié)打漿度、成型溫度和壓力等方法提高材料的挺度、抗壓性能,并配比不同助劑改善餐盒的耐水、耐油、耐溫等性能[29]。材料使用性能在不斷提高的同時,其抵抗降解的能力也在增強[30-31]。

        4.4 廢棄纖維餐盒預(yù)處理與再利用

        纖維的回收利用可以節(jié)約造紙原料、減輕污染和節(jié)約能源,目前針對來源于紙和紙板的二次纖維研究較多,其用途主要有造紙原料或制造蛋托、果托等,再回收利用率不到40%[32]。纖維二次利用主要存在以下問題:1) 纖維品質(zhì)下降,成紙強度較差[33]。二次纖維的角質(zhì)化問題是有效利用二次纖維所面臨的最重要的問題,由于二次纖維在抄紙過程中纖維細胞腔產(chǎn)生不可逆收縮并形成內(nèi)部氫鍵,相比于原纖維,濾水性能和潤脹能力下降,因此形成的紙張抗張和耐折強度會普遍降低[34]。2) 膠黏劑和細小纖維成分多且復(fù)雜,容易產(chǎn)生粘網(wǎng),影響設(shè)備運行[35]。

        廢棄竹纖維餐盒在使用過程中涉及的食用成分復(fù)雜,對其回收利用的技術(shù)研究很少。張素鳳等[36]通過水力攪拌和分離廢棄的液體包裝盒,以纖維平均長度、平均寬度為評價指標,可回收到品質(zhì)較好的纖維,具有很高的再利用價值。該研究思路也為廢棄竹纖維餐盒的再利用提供了新方向。如丟棄前通過簡單的機械手段(粉碎) 或農(nóng)業(yè)治理技術(shù)(微納氣泡) 進行結(jié)構(gòu)破壞和油水分離,使廢棄餐盒具有加速降解和二次纖維高質(zhì)量利用的雙重作用,可以更好地節(jié)約森林資源,保護生態(tài)環(huán)境。

        5 結(jié)語

        綜上所述,以竹纖維為原料制備的一次性餐盒,具有顯著的資源、材性和技術(shù)優(yōu)勢,產(chǎn)品性能優(yōu)良,具有良好的發(fā)展前景。但目前還存在一些需要克服的問題和挑戰(zhàn),如設(shè)備自動化程度較低、產(chǎn)品質(zhì)量有待提高和缺乏系統(tǒng)的追溯體系等。廢棄竹纖維餐盒還可借鑒紙和紙板二次纖維的再打漿和抄造等方式,提高纖維的利用率。

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