一次性竹纖維餐盒研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

陳曉怡 王 戈* 陳復(fù)明 葉翰舟 蔣 歡 王建忠

(1 國(guó)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(zhǎng)，低成本、易加工的特點(diǎn)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(dá)4 億t[1]。但塑料制品在給社會(huì)發(fā)展帶來方便的同時(shí)，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(bào)道微塑料可進(jìn)入生菜、小麥等農(nóng)作物的可食用部位，《科學(xué)》 在2018 年報(bào)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海葵糾纏于塑料的圖片。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(yán)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(huì)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(bào)道，中國(guó)一次性塑料餐盒消耗量從2017 年的198億個(gè)增長(zhǎng)到2019 年的402 億個(gè)，年復(fù)合增長(zhǎng)率為42.49%；預(yù)計(jì)2020 年消耗量將達(dá)450 億個(gè)[7]。加之歐美等國(guó)外市場(chǎng)，市場(chǎng)規(guī)模總量十分巨大。中國(guó)是全球最大的一次性塑料快餐盒生產(chǎn)國(guó)，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(shí)在大量使用后難以降解的缺點(diǎn)加劇了一次性塑料餐盒的環(huán)境問題。根據(jù)中國(guó)2021 年都市生活垃圾處理方式的統(tǒng)計(jì)，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(jiǎn)單的填埋處理方式會(huì)導(dǎo)致大量細(xì)菌潛伏在廢棄的塑料餐盒上并長(zhǎng)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(yán)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(guó)內(nèi)外陸續(xù)出臺(tái)一系列“限塑”到“禁塑”的政策(表1和表2)。中國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委計(jì)劃出臺(tái)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(duì)植物纖維餐具的需求[9]。2020 年9 月習(xí)近平主席在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施達(dá)到碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)?！皽p碳”概念的推行也在逐步制約塑料餐具的使用。

表1 國(guó)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(guó)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(jī)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(jià)格低廉、可降解等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)放的過程中易發(fā)生霉變，且受儲(chǔ)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(jiǎn)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(jià)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(zhǎng)期保存，色澤和氣味上也有待改善。

2.2 中國(guó)竹纖維餐盒優(yōu)勢(shì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

資源優(yōu)勢(shì)：全球竹資源豐富，儲(chǔ)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(guó)的特色資源，竹林面積已達(dá)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(dá)的國(guó)家[14]。

材性優(yōu)勢(shì)：竹材具有強(qiáng)韌性好、培育周期短的特點(diǎn)[15－16]。竹纖維長(zhǎng)細(xì)比大，長(zhǎng)度約1～4 mm，微纖絲角較小，這使得其具備良好的機(jī)械性能[17]。其抗拉強(qiáng)度是木材的2 倍，抗壓強(qiáng)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(qiáng)、耐久性好的環(huán)保竹纖維復(fù)合材料。竹材生長(zhǎng)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(shì)：竹材的半纖維素多，非結(jié)晶區(qū)大，打漿過程潤(rùn)脹效果明顯；細(xì)胞壁由寬窄相間的十幾個(gè)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(jìn)而提升其挺度、耐滲性能等[18]。竹纖維天然的材性優(yōu)勢(shì)(強(qiáng)韌性好、松厚比大、長(zhǎng)細(xì)比適中) 結(jié)合亞硫酸鈉、蒸汽爆破等簡(jiǎn)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(guó)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(guó)現(xiàn)已發(fā)展成為世界竹纖維餐盒生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國(guó)。根據(jù)預(yù)測(cè)，竹纖維餐盒市場(chǎng)容量將迅速增長(zhǎng)，3 年內(nèi)可達(dá)50 億個(gè)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(diǎn)

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(dòng)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(diǎn)：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(jì)與自動(dòng)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(shí)現(xiàn)“以竹代塑”。該技術(shù)制備的竹纖維餐盒參照美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)、德國(guó)LFGB和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB) 的規(guī)定，測(cè)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(jìn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)

針對(duì)一次性餐具制定的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、輕工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)指標(biāo)和規(guī)定等級(jí)，正在制訂林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(guó)已發(fā)展成為世界竹纖維餐盒生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)，但整個(gè)竹纖維餐盒行業(yè)尚未形成統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)化程度較弱，生產(chǎn)線落后；植物纖維餐盒利用壓機(jī)模壓而成，現(xiàn)有的成型機(jī)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(jī)器不能全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格單一，不能實(shí)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(shì)的龍頭企業(yè)，生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)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(qiáng)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(dòng)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(jī)和液壓成型機(jī)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(jí)的挑戰(zhàn)[24]。液壓成型機(jī)通常包括液壓缸、支座、上下模、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿和液壓泵站部分。這種成型機(jī)具有一模一腔和多腔類型，一個(gè)流程一般需要7 min 左右，效率不高。專用成型機(jī)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(duì)原料配方的要求較高。目前市場(chǎng)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(shí)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(biāo)也不一樣。該工藝的主要特點(diǎn)是物料在模具內(nèi)被擠壓的同時(shí)，需對(duì)模具進(jìn)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(duì)竹纖維模塑餐盒的研究主要有2 個(gè)改良方面：

1) 助劑。竹纖維餐盒為達(dá)到防水防油的效果，通常會(huì)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(rèn)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(diǎn)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(jìn)行大量的蒸煮，在反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生含硫化合溶出物和含硫氣體，這些氣體會(huì)殘留在纖維間及纖維的細(xì)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(xì)胞壁內(nèi)的H2S 等氣體會(huì)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(guó)內(nèi)外對(duì)植物纖維餐盒降解性能的主要研究方法有：田間試驗(yàn)、活性淤泥法、特定酶或微生物降解法、好氧堆肥法、厭氧試驗(yàn)法等[27]。郭安福等[28]采用霉菌侵蝕實(shí)驗(yàn)法對(duì)植物纖維餐盒的降解性能進(jìn)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(jí)，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(gè)月內(nèi)全部降解。當(dāng)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(yuǎn)沒有竹纖維餐盒快[1]。為優(yōu)化餐盒的使用性能，國(guó)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(shí)，其抵抗降解的能力也在增強(qiáng)[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?jiān)?、減輕污染和節(jié)約能源，目前針對(duì)來源于紙和紙板的二次纖維研究較多，其用途主要有造紙?jiān)匣蛑圃斓巴?、果托等，再回收利用率不?0%[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(qiáng)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(xì)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(rùn)脹能力下降，因此形成的紙張抗張和耐折強(qiáng)度會(huì)普遍降低[34]。2) 膠黏劑和細(xì)小纖維成分多且復(fù)雜，容易產(chǎn)生粘網(wǎng)，影響設(shè)備運(yùn)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(duì)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(zhǎng)度、平均寬度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可回收到品質(zhì)較好的纖維，具有很高的再利用價(jià)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(jiǎn)單的機(jī)械手段(粉碎) 或農(nóng)業(yè)治理技術(shù)(微納氣泡) 進(jìn)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(hù)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(shì)，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(dòng)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。