廢紙包裝材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡英華

（天津科技大學(xué),天津300222）

廢紙包裝材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡英華

（天津科技大學(xué),天津300222）

介紹了廢紙包裝材料的研究、應(yīng)用和進(jìn)展，分析了現(xiàn)有廢紙材料應(yīng)用上的優(yōu)勢及不足，提出了廢紙包裝材料的發(fā)展趨勢。

廢紙利用；生物降解；包裝材料

目前我國許多電子產(chǎn)品、家用電器、機(jī)電產(chǎn)品大量使用聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）及聚乙烯（EPE）作為緩沖襯墊材料，由于其難以降解，回收利用困難，并且回收成本較高，因此國內(nèi)外都加大了對塑料包裝的限制力度。國外制定了《新包裝規(guī)則》、《兩指令》、《蒙特利爾議定書》一系列政策，我國也是《蒙特利爾議定書》締約國之一，為了減少EPS對人類及環(huán)境的危害，我國也相應(yīng)地出臺了《中華人民共和國固體廢棄物污染防治法》、《臭氧層保護(hù)國際公約》及［2007］72號“禁白令”。于是人們將目光轉(zhuǎn)向了森林資源，“以木代塑”成了研究焦點。然而我國的森林覆蓋率僅為16%，遠(yuǎn)低于國際28%的平均水平，并且隨著經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，我國對木材的消耗量飛速增加，國內(nèi)森林資源十分匱乏。雖然木材是可再生資源，但成長的周期比較長，速生材最快也要5～6年[1]。為了解決木材供需矛盾，可采取3種有效途徑：（1）擴(kuò)大木材利用范圍，如利用枝杈和木材加工過程中剩余材料；（2）尋找木材代替材料，如一些植物纖維：麥桿、稻草、棉桿、蔗渣、稻殼等，其來源豐富，生長周期短；（3）對木材資源重復(fù)和分級利用，據(jù)統(tǒng)計，造紙廠每回收1 t廢紙，相當(dāng)于節(jié)省木材3 m3，廢紙材料做成的植物纖維材料如紙漿模、紙基發(fā)泡材料則屬于對木材資源的循環(huán)利用，是現(xiàn)代包裝發(fā)展的趨勢。從以上3點來看，對于廢紙的重復(fù)利用成為一種首選的補(bǔ)充資源。

1 廢紙包裝材料的研究和應(yīng)用狀況

在廢紙包裝材料的利用上，我國目前應(yīng)用比較成熟的主要是紙漿模制品、瓦楞紙、蜂窩紙板等；仍處于實驗室研究階級的是廢紙纖維發(fā)泡材料。

1.1 紙漿模制品

紙漿模塑制品是以紙漿為主要原料，通過打漿，將濃度為0.5%的紙漿由成型模具中經(jīng)過，使脫水后的纖維覆于模具中網(wǎng)的表面，再熱壓定型后制成紙制品。通常紙漿模塑制品的生產(chǎn)工藝包括紙漿制備、成型、壓實、干燥、校形、切邊，最后是制品的消毒和包裝。我國對紙漿模的研究主要集中在材料性能、結(jié)構(gòu)變化對緩沖性能的影響，在工藝和機(jī)械加工方面研究較少。

紙漿模塑生產(chǎn)的主要設(shè)備有：水力碎漿機(jī)、配漿池、成型機(jī)、烘干機(jī)和定型機(jī)，其中最關(guān)鍵是成型設(shè)備。依據(jù)成型機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為往復(fù)升降式和轉(zhuǎn)鼓式成型機(jī)；按漿料成型工藝方式可分為注漿成型法和吸漿成型法；根據(jù)脫水方式又可分為真空減壓成型法、壓力成型法、壓縮空氣成型法。真空成型法是利用真空技術(shù)在模型內(nèi)部形成真空，在負(fù)壓的作用下，廢紙纖維均勻地吸附于網(wǎng)模表面，真空吸漿成型法是紙塑制品最普及的一種方法；壓力成型法利用液壓技術(shù)，適合變化不大、定型的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；壓縮空氣成型法利用氣體動力學(xué)原理，主要用于外型結(jié)構(gòu)呈口部小于其他部位的中空紙漿模塑制品，如瓶、罐等。

紙漿模制品材料性能研究內(nèi)容主要有：材料拉伸時彈性模量、泊松比、剪切模量、屈服強(qiáng)度的變化對其緩沖性能的影響，并用數(shù)字相關(guān)測量法[19]和有限元分析法[2]進(jìn)行測試和分析。在紙漿模制品的結(jié)構(gòu)和緩沖機(jī)理方面主要研究了材料緩沖特性曲線[3]、緩沖機(jī)理[4]、靜載荷下緩沖變形曲線、結(jié)構(gòu)單元與承載能力間的關(guān)系[5]、紙漿模制品結(jié)構(gòu)（如壁厚、高度、側(cè)壁斜度、承載邊長和過渡圓角半徑）對緩沖性能的影響[6]，并結(jié)合計算機(jī)分析軟件（如ANSYS軟件（Pro/ENGINEER）對材料進(jìn)行分析[7]，對包裝容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計[8]。

由于紙漿模制品抗跌、抗壓、防震、防靜電、無毒無害、可循環(huán)使用，并且具有良好的透氣性、保鮮性、環(huán)保性、吸附性、緩沖性和優(yōu)良定位作用，其制品被廣泛地用于快餐器具、醫(yī)用器具、禽蛋托盤、鮮果托盤、工業(yè)托盤、農(nóng)用托盤、室內(nèi)裝潢、玻璃、陶瓷等易碎品包裝、軍品專用包裝、汽車行業(yè)零部件的包裝以及生活消費品和裝飾品。

雖然紙漿模有諸多的優(yōu)點，但是由于紙漿模工藝及其材料本身的特點，在實際的生產(chǎn)和應(yīng)用中還有許多不完善。首先，紙漿模塑制品就其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與緩沖性能還不及EPS等材料的1/10[9]，且承載能力小；其次，目前國內(nèi)設(shè)備自動化程度不高，產(chǎn)品合格率在85%～95%[10]，模具的開發(fā)技術(shù)要求高、投入大、周期長，并且以實驗設(shè)計的成分多；最后，紙漿模塑制品在干燥過程中的能耗大，干燥成本所占比例在整個制品生產(chǎn)要素中排在首位，約占1/3左右[11]。

1.2 廢紙纖維/淀粉發(fā)泡材料

利用廢紙纖維、淀粉及水的混合物進(jìn)行發(fā)泡的工藝制作方法主要有兩種，即一步法成型和兩步法成型。一步法成型的工藝特點是采用整體澆注發(fā)泡成型，其工藝流程為：物料—混合—制漿—澆注—發(fā)泡成型—熟化—脫?！善穂12]；兩步法成型工藝是第一步先將廢紙纖維與淀粉及水按一定的比例混合發(fā)泡形成發(fā)泡顆粒，第二步置發(fā)泡顆粒于金屬模具中，通過加壓加熱形成最終的發(fā)泡模體材料。

根據(jù)是否使用發(fā)泡，又可將發(fā)泡工藝分為兩種，即使用化學(xué)發(fā)泡劑法和不使用化學(xué)發(fā)泡劑法。不使用化學(xué)發(fā)泡劑的發(fā)泡工藝，是廢紙纖維與淀粉及水的混合物在擠壓過程中受水蒸氣作用而發(fā)泡。

目前，國內(nèi)外對廢紙纖維/淀粉的發(fā)泡材料均有研究。在國內(nèi)，廣東工業(yè)大學(xué)[13]研究了紙漿真空成形制品發(fā)泡技術(shù)，提出了紙制品低溫發(fā)泡（一般不應(yīng)超過150℃）的方法；大連輕工業(yè)學(xué)院[14]研究了以廢紙為原料的緩沖包裝材料工藝，其主要的工藝步驟有廢紙的粉碎、淀粉糊的制備、小粒子的膨化和模鑄成型，并利用碳酸鈉與檸檬酸的反應(yīng)使之發(fā)泡。國際上，德國不萊梅PSP公司[15]采用廢舊書、報紙和面粉作為原料，通過一步法或二步法開發(fā)出發(fā)泡紙生產(chǎn)工藝。一步法是將紙漿和面粉混合后，一次性進(jìn)行發(fā)泡成型，免去多次發(fā)泡和冷卻的工藝，過程中需要化學(xué)添加劑，只用水蒸氣；二步法是先將碾成纖維狀的紙漿與面粉以2：1混合，混合均勻后將其注入擠壓機(jī)壓制成圓柱顆粒，在擠壓過程中，原料受水蒸氣作用，形成發(fā)泡顆粒，再用發(fā)泡顆粒作為原料在模具中根據(jù)需要生產(chǎn)不同形狀的包裝制品。日本工業(yè)技術(shù)研究所[16]開發(fā)了用廢紙作為原料的干式紙漿發(fā)泡技術(shù)，其工藝是采用二步法將廢紙粉碎到5 mm以下，與淀粉漿糊混合制成直徑為1～3 mm的粒子，然后在金屬模具中進(jìn)行加壓加熱，其中的水分在加熱過程中從通氣孔排出，可制作成精度和壁厚與金屬模相應(yīng)的包裝。

在廢紙發(fā)泡材料發(fā)泡方法的研究方面，我國主要是采用添加化學(xué)發(fā)泡劑來進(jìn)行的，但是化學(xué)發(fā)泡劑對環(huán)境會造成不利影響，目前無論國內(nèi)還是國外，對植物纖維發(fā)泡制品的研究基本上還處在實驗室階段，還未達(dá)到工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的要求。

1.3 蜂窩紙板包裝制品

蜂窩紙板是利用仿生原理將芯紙制成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的紙芯后，再與面紙復(fù)合而成的板狀材料。蜂窩紙板的制造過程分為蜂窩紙芯制作和蜂窩紙板制作兩大部分，其中，蜂窩紙芯制作部分又可分為供紙、涂膠、分切、粘合、烘干以及拉伸等環(huán)節(jié)，蜂窩紙板復(fù)合制成部分可分為面紙供給、面紙涂膠、面紙與蜂窩紙芯粘合、成品烘干以及成品分切等環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段研究的蜂窩紙板主要以正六角形紙蜂窩芯制蜂窩紙板為主。郭彥峰等[17]通過實驗研究了不同厚度的蜂窩紙板動態(tài)壓縮曲線和振動傳遞率曲線；郝巍等[18]研究了Nomex紙厚度與蜂窩力學(xué)性能的關(guān)系，得出增加紙厚不是提高蜂窩綜合力學(xué)性能的最佳途徑；楊嫣紅[19]對蜂窩紙板進(jìn)行力學(xué)建模并求出了蜂窩紙板的屈曲臨界載荷等；李厚民[20]利用有限元程序?qū)Ψ涓C紙板的壓縮進(jìn)行了模擬，得出在不同壓縮量下蜂窩紙板的應(yīng)力分布規(guī)律與變形情況，Timoshenko[21]對蜂窩的屈曲變形進(jìn)行了測試和分析，Shafizadeh J.E.and Seferis J.C.[22]對蜂窩材料的壓縮屈服應(yīng)力進(jìn)行了實驗和分析。

蜂窩紙板具有強(qiáng)度高、承載能力大、緩沖性能好、不易變形、符合環(huán)保等優(yōu)點，可以用作托盤、包裝箱、角撐、護(hù)棱等包裝材料，適用于易碎品包裝，特別是體積大或較為沉重的易碎品包裝。

蜂窩紙板雖然平壓強(qiáng)度高，但是其側(cè)壓強(qiáng)度低，并且耐破性能、耐折性能、耐戳穿性能等較差，這就限制了其應(yīng)用范圍；加工性能較差，不能像瓦楞紙板那樣很容易制成箱型等包裝容器，即使能夠制作，生產(chǎn)時自動化程度較低；蜂窩紙板用于包裝運輸主要是作為緩沖襯墊、角撐等，如護(hù)棱，起著定位緩沖的作用，還需要外包裝的保護(hù)，雖然蜂窩紙板也可加工成紙箱，但由于蜂窩紙板較厚，且彎曲后其強(qiáng)度影響較大，勢必影響蜂窩紙板箱的強(qiáng)度[23]。

1.4 瓦楞紙板包裝制品

瓦楞原紙是用于制造瓦楞紙板原材料之一，通過瓦楞輥加工，使瓦楞原紙變成波形的瓦楞紙，再將瓦楞紙與箱板紙相黏合制成瓦楞紙板。瓦楞紙板作為一種夾層材料，由瓦楞芯紙的波紋形狀和高度、瓦楞紙板層數(shù)、瓦楞組合方式可形成多種結(jié)構(gòu)形式的瓦楞紙板，并且這些紙板的緩沖性能存在差異。

國內(nèi)對瓦楞紙板的結(jié)構(gòu)形式與緩沖性能研究主要有：對不同結(jié)構(gòu)組合形式的瓦楞紙板與力學(xué)性能的比較[24]，瓦楞紙板承壓與瓦楞結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究[25]，不同結(jié)構(gòu)形式的瓦楞紙板襯墊的緩沖性能研究[26]。國外相關(guān)研究有：Kimdo Wook（Kr），Kim Ki Jeong（Kr）[27]在瓦楞紙板的基礎(chǔ)上開發(fā)了double-ply加強(qiáng)型瓦楞紙板，將原來三層瓦楞紙板中的夾層變?yōu)閮蓪硬y狀的瓦楞層，Rousserie E[28]對瓦楞紙板夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究，并建立了夾芯結(jié)構(gòu)的模型；Johnson.M.W.[29]對具有各向異性的瓦楞紙板的不同方向承壓的理論進(jìn)行實驗研究；Biancolini M.E.[30]基于試驗用有限元理論模型的方式分析了瓦楞紙板的力學(xué)特性和瓦楞紙箱的屈曲載荷，并研究了瓦楞紙板的屈曲特性與瓦楞紙箱的屈曲行為，得出瓦楞紙板的屈曲臨界載荷不足以評估瓦楞紙箱的壓潰行為。

由于瓦楞紙板質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)性能好，對包裝物能起到防沖減震作用，并且具有良好的力學(xué)特性，瓦楞紙板在我國得到快速發(fā)展，其用量占到了紙包裝材料的60%以上。瓦楞紙對產(chǎn)品的包裝定位，是利用特殊的立體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，在運輸時可以拆下來展平進(jìn)行運輸，減少占地面積，且在封箱、捆扎、運輸?shù)倪^程中均可以自動化作業(yè)，不僅能適應(yīng)各種類型紙箱的裝潢印刷，而且能很好地解決商品保護(hù)和促銷問題。

然而由瓦楞紙板所制的包裝產(chǎn)品，作為襯墊充填物及緩沖材料，不能任意造型，有一定局限性，緩沖性能效果還不夠理想[31]；并且過重的紙箱包裝，不但影響運輸效率，而且損壞概率增加。

2 發(fā)展趨勢

（1）上述廢紙包裝材料要在經(jīng)濟(jì)和性能上完全取代塑料制品，還需在生產(chǎn)工藝等方面作較大的改進(jìn)與革新，改變舊的思路和方法，研究出新的工藝，解決現(xiàn)階段應(yīng)用中出現(xiàn)的一系列問題，提高廢紙包裝材料的承載能力，擴(kuò)大廢紙包裝材料的應(yīng)用范圍。

（2）提高廢紙包裝材料生產(chǎn)進(jìn)程中的自動化水平。目前廢紙包裝材料生產(chǎn)過程中不能完全實現(xiàn)機(jī)器的自動化操作或自動化水平不高，造成生產(chǎn)效率低下，勞動力成本增大，增加了包裝制品的成本。

（3）提高材料的濕強(qiáng)度。廢紙纖維在耐濕上存在問題，廢紙纖維復(fù)合材料的耐濕性能差，濕強(qiáng)度低。需要對纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆浪幚恚缭现刑砑臃浪畡?，成型后的材料噴鍍防水材料等，以提高植物纖維復(fù)合材料的耐水性能。

（4）在使用輔助材料時，選擇對環(huán)境無污染且具有良好降解性能的添加劑，不給環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

（5）提高材料性能的同時降低生產(chǎn)成本，提高市場競爭力。由于環(huán)保的壓力，環(huán)保包裝的開發(fā)受到普遍重視，減量包裝技術(shù)是大家所熟知的，即減量比、再利用、再循環(huán)，目前包裝材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢是高效、節(jié)能、環(huán)保等，在研究與開發(fā)新的包裝材料時，成本是一個非常重要的因素。

3 結(jié)束語

包裝行業(yè)面臨著資源短缺和環(huán)境破壞兩大問題，環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，以破壞環(huán)境為代價的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是不可取的。全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對于能源，尤其是可再生、可循環(huán)、可持續(xù)利用能源的需求日益增加。在現(xiàn)有條件下，采用廢紙為主要原材料制作的可降解包裝，緩解了對不可再生能源的迫切需求，并且節(jié)約了投資，降低了成本，減少了污染，既解決了資源問題，又改善了環(huán)境，可謂一舉兩得。

[1] 張春紅.我國廢紙的回收利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].西部紙業(yè)論壇，2006，2(35)：7-8.

[2] 王殿君，耿東偉.曹國榮.紙漿模塑材料參數(shù)對其緩沖性能影響的仿真研究[J].包裝工程，2007(11)：51-52.

[3]EAGLETON D G，MARCONDES J A.Cushionging Characteristics ofMolded Pulp [J].Packaging Technology and Science，1994(7)：30.

[4]MARCONDES Jorge，SCHUENEMAN Herbert.Molded PulpProtecting High2techp roducts[C].Conference on Packaging，Singapore，1999.

[5] 王高升，付春英，金海英.紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的研究[J].中國造紙，2001，22(4)：257-271.

[6] 康勇剛，王 巍，高 鵬，等.紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)參數(shù)和緩沖作用[J].中國包裝，2002(5)：95-98.

[7] 鐘毓寧，龍盛蓉，張業(yè)鵬.基于有限元的緩沖包裝結(jié)構(gòu)參數(shù)對緩沖性能影響的仿真研究[J].包裝工程，2004，25(4)：149-151.

[8] 李厚民，朱若燕，王章蘋，等.手機(jī)用紙漿模塑盒的有限元分析[J].包裝工程，2006，27(5)：8-9.

[9] 金國斌，徐蘭萍.紙漿模塑件生產(chǎn)工藝方法綜合研究[J].包裝工程，2004，25(3)：1-3.

[10]汪再文.國內(nèi)外紙漿模塑發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].中國包裝工業(yè).2006(6)：25-26.

[11] 張 琳.紙漿模塑包裝制品干燥機(jī)理及其工藝參數(shù)研究[D].無錫：江南大學(xué)，2006.

[12] 曹紹文，吳其葉.發(fā)泡型植物纖維緩沖包裝材料[J].中國包裝工業(yè)，2002，9(9)：9-11.

[13] 李江平.紙漿發(fā)泡技術(shù)的研究[J].電器電機(jī)技術(shù)，1999(1)：42-44.

[14] 呂艷娜，張運展，歐建志.用廢紙制取包裝緩沖材料的研究[J].包裝工程，2004，25（6）：78-79.

[15] Johnson，Jim.Packaging maker betting on green[J].Waste News，2000，6(22)：5.

[16] 孫玉冰，紙漿模塑制品發(fā)泡原理及實驗方法[EB/OL].[2009-10-18].中國包裝標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng).

[17] 郭彥峰，張景繪，許文才，等.蜂窩紙板及其緩沖襯墊緩沖特性研究[J].包裝工程，2002，23(5)：110-112.

[18] 郝 巍，李 勇，羅玉清.中、高密度蜂窩力學(xué)性能研究[J].航空材料學(xué)報，2002，22(2)：41-45.

[19] 楊嫣紅.環(huán)保運輸包裝材料性能研究[D].無錫：江南大學(xué)，2003.

[20] 李厚民.蜂窩紙板受壓時的有限元分析[J].包裝工程，2006，27(1)：34－36.

[21] Timoshenko S P，Gere J M.Theory of elastic stability[M].mcgraw-hill,New York，1961.

[22] Shafizadeh JE，SeferisJC.Scaling of honeycomb compressive yield tresses[J]. Applied Science and Manufacturing.2000，31：681-688.

[23]蜂窩紙板的技術(shù)工藝應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[EB/OL].[2009-12-30].現(xiàn)代物流網(wǎng).

[24] 郭彥峰，張 偉.X-PLY超強(qiáng)瓦楞紙板的強(qiáng)度試驗研究[J].包裝工程.2002，23(3)：6-8.

[25] 劉 嘩，王振林.三重組合瓦楞紙板靜態(tài)平壓性能的理論建模[J].包裝工程，2004，25(5)：162-164.

[26] 高 德，王振林.B楞雙層瓦楞紙板襯墊平壓緩沖動態(tài)性能建模[J].振動工程學(xué)報，2001，14(2)：172-178.

[27]Kim Do Wook(KR)，Kim KiJeong(KR).Double-ply corrugated paperboard[P].Korea：WO9632249.

[28] Rousserie，Pouyet J.Characterrization of corrugated board panels：An experimental[J].Study.Journal of Pulp and Paper Science，1997，23(7)：330-334.

[29]Jr M W Johnson，T J Urbanik.Buckling of axially loaded long rectangular paperboard plates[J].Wood and Fiber Science,1987，2(19)：135-146.

[30] M E Biancolini，C Brutti.Numerical and experimental investigation of the strength of corrugated board packages[J].Packag.Technol.Sci.，2003(16)：47-60.

[31]豐琪紙箱博客.解決紙箱破損的措施.[EB/OL].[2009-10-12].http：//www.fengqipaper.com/zhixiang/paper/85.html.

Research and application trend of the wastepaper packaging materials

HU Yinghua
（Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China）

This paper summarized research progress and application of the wastepaper packaging materials analysised the strengths and weaknesses of waste paper materials and pointed out application trends of the wastepaper packaging materials.

wastepaper recycling;biodegradable;packaging material

X799

A

1674-0912（2010）05-0037-04

2010－01－25）

胡英華（1980-），女，陜西人，天津科技大學(xué)在讀碩士研究生，主攻廢紙纖維基包裝材料。