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Statista統(tǒng)計，2019年，全球合成樹脂總產(chǎn)量達到3.68億t，消費量估計在2.55億t左右。我國塑料消費量已經(jīng)占全球比例的15%，僅塑料包裝行業(yè)的產(chǎn)值就達到了4,297億元，其用量已經(jīng)達到千萬噸水平。這其中，食品用塑料包裝在我國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處理，對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重且長期的污染。據(jù)統(tǒng)計，全球每年有800多萬t塑料垃圾進入海洋，塑料垃圾不僅危害海洋生物，也可能會威脅人類健康。難降解的塑料垃圾已成為世界公認(rèn)的治理難題，世界各國紛紛頒布禁、限塑令。在我國，2020年國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》，其中一項是禁止、限制使用不可降解塑料包裝材料。

紙基包裝材料由于來源廣泛、可再生、可回收利用、廢棄物可生物降解等特點，用量也在不斷增加。近年來，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、擴散、滲透、通過的能力。通常，被阻隔物包括氣體，如水蒸氣、氧氣、揮發(fā)性有機氣體，如香氣；液體，如水、有機溶劑等。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，需要從多方面對紙包裝基材的阻隔性能進行改善，其中一個較為普遍的方式就是紙基包裝材料表面進行特殊處理，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，取長補短，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題。目前，比較熱門的研究是紙基與乳液或溶液類聚合物材料，通過表面涂布方式生產(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，可以實現(xiàn)90%以上的生物降解率，明顯降低了對環(huán)境的污染。

2.1 阻水性能

紙基材料從阻水機理上來說，可以分為兩種，一種是通過疏水基團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，這些疏水基團向外排列降低材料表面能。另一種是通過涂布或在纖維表面涂覆聚合物，形成致密的膜，降低水的透過率，從而達到良好的阻隔效果，如圖3所示。通常，評價紙基材料阻水性能包括接觸角的測試（GB/T 30693-2014塑料薄膜與水接觸角的測量）、Cobb吸水性的測試（GB/T 1540-2002紙和紙板吸水性的測定）等方法。

圖2 疏水基團阻水機理

圖3 致密膜阻水機理

常見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，主要通過涂布的方式在紙表面形成阻隔涂層。疏水聚合物包括長鏈烷烴類、不飽和內(nèi)酯類，主要是通過降低紙面的表面能，使表面疏水，達到阻隔目的。在應(yīng)用中也會與成膜性材料復(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)管作用通過紙基纖維三維網(wǎng)絡(luò)中的孔縫結(jié)構(gòu)發(fā)生擴散。紙基材料阻油的機理主要包括：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與紙基纖維上的負(fù)電荷通過靜電作用結(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，通過降低表面張力來實現(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理

非含氟類防油劑是通過在紙基材料表面形成一層致密層來達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

對于一些需要阻氣的商品包裝來說，比較常見的，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，通常會通過多層阻隔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。圖5為阻氣的機理。

圖5 紙基材料阻氣的機理

若降低氣體在包裝材料中的透過率，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理幾乎相同，但由于二者的極性不同也會存在一些差異。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，通過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，見表1。納米纖維素通過減小纖維網(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，但對于極性氣體，如水蒸氣的阻隔效果不佳。對多糖類聚合物進行化學(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，也可以通過多層的組合涂層，實現(xiàn)有效阻隔水蒸氣和氧氣的目的。脂類、蛋白類，通過與納米級的片狀顏料、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)，通過增加曲線路徑實現(xiàn)了有效阻隔，如圖6所示。

圖6 長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。生活用紙委員會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2022年，我國生活用紙消費總量是1,185萬t，其中，面巾紙、手帕紙、餐巾紙、廚房紙巾、擦手紙合計消費量達到了570萬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消費量超過了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)，其用量超過了20萬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減少塑料包裝的總用量，從而減少包裝對環(huán)境的污染。然而，塑料包裝材料減薄也帶來了一些如挺度降低、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)品的獨立小包裝所用的包裝材料，這類材質(zhì)應(yīng)用時還存在一些問題，如熱封性能達不到要求、材質(zhì)柔軟，商品外形展示性不好、價格昂貴等問題，限制了該材料的應(yīng)用，還需要進一步優(yōu)化。常規(guī)紙基包裝材料應(yīng)用廣泛，價格低廉，但存在不熱封、阻水差等問題，因此需要對紙基包裝材料進行加工處理，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)過程中的要求。

中國制漿造紙研究院有限公司涂布技術(shù)研發(fā)中心研發(fā)團隊，針對衛(wèi)品中的女性衛(wèi)生用品獨立小包裝和生活用紙中軟抽面巾紙包裝，開發(fā)了能夠替代塑料的紙基包裝材料。該研發(fā)團隊根據(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行了應(yīng)用試驗。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)生巾獨立小包，圖8為應(yīng)用紙基材料包裝好的軟抽面巾紙獨立小包。經(jīng)過應(yīng)用評價，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到應(yīng)用指標(biāo)要求。

圖7 衛(wèi)生巾獨立小包裝

圖8 軟抽面巾紙獨立小包裝

表2為紙基包裝材料的性能測試指標(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)被世界各國所關(guān)注，“限塑、禁塑”的法案也相繼頒布出臺。國內(nèi)新的限塑令的發(fā)布，也加快了對一次性塑料制品減量、限量的步伐。我國出臺的一系列政策，明確提出：“支持企業(yè)實施綠色戰(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，開展綠色評價，引導(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費，實施節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化示范工程?！蔽覈鳛槿蛩芰舷M大國，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，中國造紙學(xué)會紙基綠色包裝材料及制品專業(yè)委員會在京成立，相繼制定了多項紙基綠色包裝材料團體標(biāo)準(zhǔn)，其中有兩項標(biāo)準(zhǔn)《匠心產(chǎn)品 生活用紙》、《匠心產(chǎn)品 衛(wèi)生用品》對產(chǎn)品的包裝材料進行了說明：“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)保型包裝材料越來越受到人們的關(guān)注，國內(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，我國生活用紙和衛(wèi)生用品，有越來越多的產(chǎn)品，會應(yīng)用到紙基包裝材料，讓我們一起推進綠色包裝的應(yīng)用，共同打造可回用、可降解的產(chǎn)品包裝，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，共同保護我們的生態(tài)環(huán)境。