紙漿模塑餐盒生產(chǎn)工藝及其危害物探討

李志禮，孫彬青，王鴻遠(yuǎn)，劉 碩，楊洪蘇

（1.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，中國輕工業(yè)食品包裝材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457；2.天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222）

隨著一次性聚苯乙烯泡沫餐盒的全面禁止，快餐行業(yè)在餐盒的種類上存在眾多選擇。當(dāng)前，紙餐盒已成為商家的選擇之一，但塑料餐盒仍占據(jù)大量市場。塑料餐盒具有密度小、質(zhì)量輕、易于加工等諸多特點(diǎn)，外觀可透明也可不透明。用來制造餐盒塑料有聚乙烯、聚丙烯等。塑料餐盒在使用后的回收和降解上存在諸多問題。首先，廢棄后的塑料餐盒很難回收利用。塑料制品的降解時(shí)間，通常至少需要200年，若將廢棄的塑料餐盒進(jìn)行掩埋處理，會影響農(nóng)作物對水分、養(yǎng)分的吸收，抑制農(nóng)作物的生長發(fā)育，造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。若把廢塑料餐盒直接進(jìn)行焚燒處理，將給環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。因而，紙漿模塑餐盒的應(yīng)用在一定程度上可以代替塑料餐盒[1]。

紙漿模塑餐盒是以紙漿為主要原料，利用模塑機(jī)上的特殊模具塑造出的紙餐盒。在整個(gè)制造過程中，根據(jù)紙餐盒產(chǎn)品的相關(guān)性能要求，還要添加多種適量的助劑。紙漿模塑源于造紙業(yè)，其以常見的蘆葦、蔗渣、麥草、秸稈等植物纖維漿為原料，同時(shí)還具有一般紙制品的強(qiáng)度、挺度和抗壓性等特點(diǎn)。

紙漿模塑餐盒在近幾年得到快速發(fā)展，我國投人大量人力和資金研制符合我國國情的紙漿模塑餐盒。為了防止食品安全問題的發(fā)生，其生產(chǎn)設(shè)備、工藝、配方、衛(wèi)生和理化指標(biāo)的要求均很高，某些性能指標(biāo)已達(dá)到世界先進(jìn)水平[2]。本文主要針對紙漿模具餐盒主要生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)要求及成品中可能存在的危害物等內(nèi)容進(jìn)行了概述。

1 生產(chǎn)工藝簡介及研究進(jìn)展

紙漿模塑餐具是采用一定濃度的紙漿或植物纖維紙漿為基料，通過真空吸漿將紙或植物纖維均勻沉積在模具表面，再經(jīng)過脫水、干燥、脫毛及后續(xù)深層加工制成的精致紙餐盒[3]。

1.1 紙漿的制備

紙漿主要由水、短纖維和細(xì)纖維組成。制備紙漿的原材料可以選用回收紙質(zhì)材料，如紙板、報(bào)紙、雜志、再生紙和其他紙基產(chǎn)品，將這些材料與熱水混合一定時(shí)間，經(jīng)過漿板粉碎、漂洗、加入添加劑、勻漿等操作過程，再通過一套振動篩去除塑料和金屬等雜質(zhì)，就可以得到勻制好的紙漿[4]。

1.2 真空吸漿成型

成型是將原漿制成一定形狀的半濕態(tài)紙餐具的毛坯，也就是用經(jīng)制漿工序得到的紙漿在模具上脫水形成濕紙模。成型是紙餐具生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，紙漿中約95%的水是在成型時(shí)脫除的，該工序?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量、材料和能源的消耗、生產(chǎn)效率的提高、降低破損率等起著決定性的作用。成型的質(zhì)量取決于成型機(jī)、成型方式、模具的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量以及原漿質(zhì)量等因素[5]。

在成型過程中，模具被浸沒在一個(gè)充滿紙漿的原料槽（原料池）中，通過真空抽吸讓漿料沉積在模具的外表面上。當(dāng)紙漿積累到所需的厚度后，再通過去真空使成型模從模具上脫落。

真空吸漿成型是生產(chǎn)紙塑制品最常用的一種方法，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同分為3 種方式：轉(zhuǎn)鼓式、翻轉(zhuǎn)式、往復(fù)升降式。轉(zhuǎn)鼓式適合紙餐盒的生產(chǎn)，具有連續(xù)性旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[6]。但是，其對模具加工精度和設(shè)備加工精度的要求高，一套凹模需要配八套凸模，還需用數(shù)控中心加工模具，因而整體投資較大。

1.3 冷卻定型

在模具成型之后，還要采用機(jī)械冷壓榨法再次進(jìn)行脫水定型。這樣不僅可以減少制品中的水分含量，還可以增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合力，從而使制品質(zhì)地均勻堅(jiān)實(shí)、外觀挺括齊整、表面光滑美觀[7]。

1.4 干燥

經(jīng)成型之后紙漿制品還含有較多水分，需進(jìn)行干燥處理。紙漿模塑餐具的干燥方式多采用烘道對流干燥或在模具內(nèi)直接加熱干燥。

烘道對流干燥方式有熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外線輻射干燥、微波加熱干燥等。考慮到成本，一般多采用熱風(fēng)干燥[7]。在模具內(nèi)直接加熱干燥則是在冷卻定型后，通過改變模具溫度直接對模具內(nèi)的制品進(jìn)行熱壓干燥。此方法干燥后的制品優(yōu)于烘道對流干燥的制品，并且無需整形模切。

1.5 研究進(jìn)展

長期以來，漂白木漿一直被用作生產(chǎn)紙漿模塑餐盒的主要原料。然而，近年來，由于漂白木漿相對昂貴的價(jià)格和潛在的環(huán)境沖突（砍伐森林和制漿過程的高污染負(fù)荷），人們越來越有興趣使用一年生植物紙漿作為紙漿模塑餐盒生產(chǎn)的原料，特別是來自農(nóng)業(yè)廢料的紙漿，如漂白甘蔗渣漿。這將大大減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益。

在紙漿模塑餐盒生產(chǎn)過程中，普遍存在嚴(yán)重的沉淀問題。沉積物的形成會堵塞管道，腐蝕和損壞設(shè)備，增加清洗頻率，相應(yīng)地增加成本并降低產(chǎn)品質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，防水劑和防油劑中含有較多的細(xì)粉是造成這一問題的主要原因。雖然現(xiàn)有的添加劑已經(jīng)能夠達(dá)到生產(chǎn)需求，但研發(fā)新型的添加劑仍是紙漿模塑餐盒行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。

瑞典PalPac 公司研發(fā)的新型紙漿模塑生產(chǎn)線已基本實(shí)現(xiàn)智能化、無人化操作。它采用先進(jìn)的直壓工藝，利用卷筒紙或漿板作原料，經(jīng)過分散纖維和纖維成型、成品擠壓和定型等過程，實(shí)現(xiàn)了紙漿模塑生產(chǎn)的智能化和無人化操作。

在未來，為了提升產(chǎn)品性能、降低成本并精確地控制產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程，可以嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)更多地應(yīng)用到紙漿模塑餐盒的生產(chǎn)中，研發(fā)出我國的智能化、無人化紙漿模塑生產(chǎn)線[8]。

2 生產(chǎn)要求

模具結(jié)構(gòu)由凸模、凹模、網(wǎng)模、模座、模具背腔和氣室等組成，其中網(wǎng)模是模具主體。網(wǎng)模不能獨(dú)立于成型模具，必須依附在模具表面才能成型。模具背面與模具工作面保持一定厚度、與模具工作面形狀完全同步。背面部位與模具工作面之間形成空腔，并由均布的小孔聯(lián)通。模具通過模座安裝在成型機(jī)的模板上[9]。

紙漿模塑除了滿足紙制品的強(qiáng)度和韌性外，還要根據(jù)具體的功能性應(yīng)用生產(chǎn)多種復(fù)雜的紙制品。對于一次性餐具紙漿模塑制品，其生產(chǎn)設(shè)備相對簡單，功率要求不高。當(dāng)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，對于其設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求會更嚴(yán)格[10]。

紙漿模塑餐盒要對被承裝的食品起到保護(hù)作用，尤其對湯類食物。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可利用形腔和立筋調(diào)整制品的強(qiáng)度和緩沖性，形腔可以增加制品整體的彈性和柔性，立筋可增加制品強(qiáng)度和剛性[11]。在紙漿模塑餐盒的內(nèi)外表面轉(zhuǎn)角處、立筋與主體聯(lián)接處等部位都用圓角過渡，避免直棱直角。過渡圓角有利于漿料在吸附成形時(shí)的流動、脫模、減小應(yīng)力集中等[12]。

紙漿模塑制品的穩(wěn)定性受環(huán)境中水分的影響非常大。在紙漿中，還要添加滿足包裝功能性的添加劑。

3 成品中可能存在的危害物

餐盒直接用來盛放食品，若餐盒中存在危害物，就可能通過接觸滲入到食品中。危害物被人攝入會造成諸多食品安全問題[13]。

3.1 甲醇

木質(zhì)纖維素制漿材料中含有木質(zhì)素和半纖維素。木質(zhì)素和半纖維素上存在甲氧基基團(tuán)，在制漿和漂白過程中會產(chǎn)生大量甲醇[14]。由于紙漿纖維中存在親水基團(tuán)，即使在紙漿洗滌和干燥過程之后，也會有大量甲醇保留在紙漿和最終紙制品中。制品基質(zhì)中的原始甲醇含量是一個(gè)重要指標(biāo)，其與可能遷移到包裝商品中的甲醇量直接相關(guān)[15]。

甲醇是一種輕質(zhì)、易揮發(fā)、無色、易燃的液體，其被人體吸收消化后，會產(chǎn)生甲酸或甲酸鹽。甲醇的代謝產(chǎn)物對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有毒，在極端情況下，可導(dǎo)致失明、昏迷和死亡。歐盟、美國和其他國家已通過嚴(yán)格的法規(guī)來限制食品、飲用水和工作場所空氣中甲醇的含量。有研究發(fā)現(xiàn)，甲醇從固體紙漿纖維中的釋放極其緩慢，需要幾周或幾個(gè)月才能達(dá)到平衡。這可能是甲醇和紙漿纖維中極性官能團(tuán)之間強(qiáng)分子相互作用的結(jié)果。盡管如此，甲醛造成的食品安全問題仍然不可以輕視[16]。如果不小心口服甲醛而導(dǎo)致中毒，經(jīng)口攝入0.3～1 g/kg 就可致人死亡。

在甲醇遷移量的測定實(shí)驗(yàn)中，用體積分?jǐn)?shù)為10%的乙酸充當(dāng)模擬水性食品模擬物，通常采用堿萃取和頂空氣相色譜分析快速測定紙漿模塑餐盒中的甲醇含量[17]。在實(shí)際的生產(chǎn)中，通過材料處理（如表面涂層和填充）可以抑制甲醇從紙制品中的遷移。同時(shí)，還要關(guān)注木質(zhì)纖維素制漿材料中的原始甲醇含量。

3.2 氟化化合物

改善紙漿模塑紙餐盒耐水耐油性能的主要方法是增加制品厚度和添加防水防油劑。增加厚度可以在一定程度上改善問題，但不如添加防水防油劑有效。防水防油劑的原理就是改變紙張的表面張力，使水或油不容易滲透到紙漿模塑中。

國內(nèi)常用的防水防油劑有含氟類表面活性劑、石蠟、松香膠、殼聚糖等。其中，單獨(dú)使用含氟或全氟類單體作為防水劑的成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。實(shí)際生產(chǎn)中常選用將含氟單體和其他單體聚合得到的共聚物作為防油防水劑，其既有良好的物理機(jī)械性能，又有有機(jī)氟類良好的防水、防油防污和耐候性[18]。

含氟類表面活性劑是高持久性的合成化學(xué)品，特有的碳氟鍵使其在高溫下也極不易降解。長時(shí)間接觸或誤食含氟的有害聚合物會引起腎癌和睪丸癌、低出生體重、甲狀腺疾病、精子質(zhì)量下降、妊娠高血壓和兒童免疫毒性等諸多安全問題。

對于食品接觸材料中的氟化化合物，國內(nèi)和國外都沒有相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，通常采用高效液相色譜-質(zhì)譜法和高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、液相色譜熒光檢測法等測定氟化化合物，如全氟辛烷膦酸（C8 PFPA）和雙全氟辛烷膦酸鈉（C8/C8 PFPiA）[19]。

盡管制造商已經(jīng)淘汰了20 種PFOA、全氟辛烷磺酸和一些其他長鏈全氟辛烷磺酸，但在全球范圍內(nèi)，在水、土壤、沉積物、野生動物和人類血液樣本中經(jīng)常檢測到有害的氟化合物[16]。所以，對含氟類表面活性劑的種類和用量還要進(jìn)行深一步的研究，從而避免發(fā)生食品安全問題。

4 結(jié)束語

隨著人們物質(zhì)生活水平和環(huán)保意識的普遍提高，在生產(chǎn)和生活中會更多考慮對人體健康的影響、對社會環(huán)境的影響、垃圾處理的便利性和資源回收等問題。紙漿模塑餐盒是一種可生物分解的綠色包裝產(chǎn)品，在其生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的工業(yè)污染較少，并且廢棄物可回收利用。我國紙漿模塑餐盒的生產(chǎn)工藝和技術(shù)已較成熟，進(jìn)一步的研究應(yīng)集中于降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提高食品安全性等方面。