低碳循環(huán)纖維模塑包裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)探討

李昊津 衛(wèi)靈君 孫昊 張美珠 范呂慧 劉雨卉

摘要：纖維模塑制品具有綠色環(huán)保、緩沖性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等特性，近年我國(guó)已成為纖維模塑制品的主要生產(chǎn)國(guó)。目前在工業(yè)、食品、農(nóng)用品包裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且在未來(lái)將逐步替代部分塑料包裝和制品，擁有更大的市場(chǎng)份額。本文從纖維模塑制品的原料天然、創(chuàng)新工藝和低碳環(huán)保三個(gè)角度進(jìn)行了分析探討，而且結(jié)合環(huán)境形勢(shì)提出了纖維模塑包裝通用標(biāo)準(zhǔn)化、高性能、高精度、高品質(zhì)化和整體化的未來(lái)發(fā)展理念。

關(guān)鍵詞：纖維模塑包裝；低碳；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TB48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2022） 01-0015-05

Discussion on Development Trend of Low Carbon Recycling Pulp Molding Packaging Industry

LI Hao-jin1， WEI Ling-jun1， SUN Hao1，2， *， ZHANG Mei-zhu1， FAN Lv-hui1， LIU Yv-hui1

（1.Jiangnan University， Wuxi 214122， China；

2.Reasearch Institute for Environmental Innovation （Suzhou）， Tsinghua， Suzhou 215100， China）

Abstract： At present， China has become a major producer of pulp molding products and they are widely used in the packaging fields of industry， food and agricultural because of their characteristics of green environmental protection， excellent cushioning performance and low price. It is expected that they will gradually replace the traditional plastic cushioning packaging and have a larger market share in the future. This paper investigated and discussed the natural raw materials， innovative process and low carbon environmental protection of pulp molding products. And combined with the analysis of current environmental situation， the future development concepts of pulp molding were proposed for generalization and standardization， high-performance， high-precision， high-quality and integration.

Key words： pulp molding packaging； low carbon； development trend

隨著快遞和電商行業(yè)的興起，我國(guó)的包裝產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了發(fā)展飛躍期，2020年我國(guó)的快遞量已超800億件，一年產(chǎn)生近1600萬(wàn)噸的固體垃圾，相當(dāng)于1.5億個(gè)成年人的體重，而其中紙類包裝的占比高達(dá)90%，大量的紙類包裝廢棄物亟待處理。2017年我國(guó)進(jìn)口廢紙量為2572萬(wàn)噸，并在不斷減少，2020年底我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了廢紙的進(jìn)口清零[1]。而我國(guó)的森林資源短時(shí)間內(nèi)難以填補(bǔ)由此產(chǎn)生的千萬(wàn)噸纖維原料缺口，國(guó)產(chǎn)紙類廢棄物的回收是目前纖維的主要來(lái)源。此外，隨著全球限塑政策的不斷落地，到2025年纖維模塑在塑料包裝市場(chǎng)中的滲透率有望達(dá)到30%，市場(chǎng)容量有望達(dá)到2388億元。因此，以紙類廢棄物為原料的纖維模塑產(chǎn)品再次成為了熱點(diǎn)議題。

纖維模塑制品原料主要來(lái)源于天然纖維，可降解、無(wú)污染、性能良好，廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)用品和工業(yè)包裝中，它既是“以紙代塑”的一種最佳選擇，又能夠?qū)崿F(xiàn)紙類廢棄物回收循環(huán)再利用，促進(jìn)被包裝產(chǎn)品的綠色出口貿(mào)易，是一種集經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益于一體的綠色低碳包裝制品。

1 綠色環(huán)保的纖維模塑材料

纖維模塑是一種多孔介質(zhì)材料，材料的整體骨架主要由纖維成分構(gòu)成，其間比表面積巨大但體積微小、相互連通的空隙，充滿了氣體、水分等介質(zhì)，從而具有緩沖防震、高強(qiáng)度等性能，其原料主要分為原漿和再生漿。

1.1 原漿

纖維模塑原漿的來(lái)源以木材、秸稈、甘蔗、竹子為主，草類、果渣、椰殼[2-4]和非植物纖維等占總漿料的15%左右[5]。秸稈、甘蔗、草類纖維等雖然強(qiáng)度不如木材類高，但也可滿足纖維模塑制品的基本需求，而且這些材料成長(zhǎng)周期短、成本低廉且來(lái)源更加廣泛。但由于季節(jié)性和地域性的差異使這些材料屬性有時(shí)也差異較大，因此大規(guī)模使用尚有一定的局限性。非植物纖維作為纖維模塑產(chǎn)品的原漿，目前主要有無(wú)機(jī)填料、化學(xué)纖維、金屬纖維等，這些原料可多次循環(huán)使用且能保持良好性能。近年來(lái)筆者團(tuán)隊(duì)也研發(fā)了一種生物質(zhì)基非植物纖維類填料用于纖維模塑制漿，可大量替代植物纖維且性能更優(yōu)。以非木質(zhì)纖維為原料將減少對(duì)森林資源的砍伐，有利于自然碳匯，先進(jìn)的非木材纖維制漿技術(shù)也將促使生產(chǎn)更加節(jié)能高效，減少碳排放量。

1.2 再生漿

再生漿的來(lái)源主要為回收廢紙、廢舊回收紙箱和紙制品加工邊角料等，其再次利用時(shí)植物纖維由于一次利用和再次碎漿都會(huì)帶來(lái)部分損傷，使強(qiáng)度有所下降。但再生漿為回收再利用材料，碎漿過(guò)程污染小、能耗少，而且是循環(huán)再利用原材料，因此該種漿料的制備過(guò)程碳排放量低，原料的來(lái)源不直接涉及自然碳匯的林木資源，是低碳環(huán)保的可再生材料。在2017-2022年全球的纖維模塑纖維原料需求中，二次回收纖維依舊是全球纖維模塑制品的主要原料，占比達(dá)85%[5]，且復(fù)合增長(zhǎng)率的提高顯示了纖維模塑制品對(duì)紙質(zhì)廢棄物的回收將不斷增長(zhǎng)，廢棄資源的再利用率不斷提高，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條的低碳循環(huán)發(fā)展，推動(dòng)構(gòu)建綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展要求下的可回收體系。

2 性能優(yōu)越的代塑產(chǎn)品

隨著人們對(duì)塑料制品給人類動(dòng)物健康和環(huán)境帶來(lái)危害的意識(shí)提升，尋找替代一次性塑料的包裝制品已成為社會(huì)共識(shí)。纖維模塑材料以其良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性、功能適用性在包裝領(lǐng)域有著較大的發(fā)展前景。近年來(lái)，關(guān)于纖維模塑制品性能的最新相關(guān)研究突破主要包括阻隔性能、表面性能和重型產(chǎn)品緩沖性能等，如采用全氟十四烷、十七氟三甲氧基乙氧基硅烷、無(wú)水乙醇配置的溶液浸泡或噴涂纖維模塑制品，可獲得接觸角達(dá)158°的超疏水制品，解決了部分電子產(chǎn)品的高防水要求；以普通淀粉為黏度調(diào)節(jié)劑，將兩性淀粉與PAM混合配置出的表面施膠劑可明顯改善制品的掉屑掉粉量，促進(jìn)其在高端產(chǎn)品包裝中的應(yīng)用[8]；開發(fā)設(shè)計(jì)新型分體式吸濾成型模具實(shí)現(xiàn)脫模斜度較小或無(wú)脫模斜度的纖維模塑制品的成型[9]；采用雙面吸附成型工藝的立體中空蜂格結(jié)構(gòu)，可大大提高承壓能力和抗彎性能，承載2000kg以上的重型產(chǎn)品[10]。

由以上可以看出纖維模塑各項(xiàng)性能日趨完善，且以其可回收、可降解等特性將會(huì)是EPS等塑料制品的“環(huán)保替代品”，在綠色營(yíng)銷和出口創(chuàng)匯上有更多的優(yōu)勢(shì)[11]。然而，纖維模塑制品在包裝應(yīng)用上也面臨著模具結(jié)構(gòu)適應(yīng)性不夠強(qiáng)、原料不同引起性能不足等問(wèn)題，但是通過(guò)不斷地探索和創(chuàng)新，纖維模塑終將逐步取代塑料在包裝行業(yè)的地位，成為未來(lái)綠色包裝的主要材料之一。

3 低碳創(chuàng)新的纖維模塑制品

纖維模塑制品的生產(chǎn)是一項(xiàng)立體造紙技術(shù)，該過(guò)程包括原料分選、制漿配漿、成型、定型、干燥等多個(gè)工藝步驟，如圖1所示。從制漿過(guò)程到成型過(guò)程，污染物幾乎可做到零排放，而且纖維模塑成型后的白水可循環(huán)復(fù)用，符合低碳循環(huán)的清潔生產(chǎn)要求。

3.1 低碳節(jié)能高效的干燥技術(shù)

纖維模塑制品在初步形成模坯時(shí)的含水率在50%-60%，而最終含水量應(yīng)在4%-8%（紙張?jiān)诖鎯?chǔ)或使用時(shí)的平衡含水量）[12]，干燥過(guò)程需要的能耗占據(jù)總能耗的近三分之一。目前，纖維模塑的干燥工藝方法包括低能耗低效的自然風(fēng)干和高能耗高效的熱壓干燥、熱風(fēng)對(duì)流干燥、真空干燥、遠(yuǎn)紅外線輻射干燥等。國(guó)內(nèi)纖維模塑廠主要為干法成型，即采用自然晾曬、熱風(fēng)對(duì)流烘干等能耗較小、成本低的干燥方法，輔以熱壓整形等技術(shù)手段；對(duì)于一些高品質(zhì)精美產(chǎn)品主要為濕法成型——采用熱壓工藝直接干燥成型，其能耗將遠(yuǎn)高于干法成型。

我國(guó)的碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)明確指出，“十四五”期間應(yīng)節(jié)能提高能效、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格控制高耗能項(xiàng)目新增產(chǎn)能，形成綠色產(chǎn)業(yè)、綠色發(fā)展體系。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，纖維模塑行業(yè)應(yīng)繼續(xù)探索新型高效節(jié)能的干燥方式，或通過(guò)改善相關(guān)工藝參數(shù)、元件來(lái)節(jié)約能耗和確保精密制品成型的穩(wěn)定，如Mattia等[13]研究了熱壓過(guò)程中的各參數(shù)對(duì)于工藝脫水效率、制品精度等的影響，江仲文等[14]提出了使用熱超導(dǎo)元件提高傳熱效率、減少模具在傳熱過(guò)程中的熱量損失，Lefeuvre，S.[15]提出將微波射頻技術(shù)應(yīng)用于多孔結(jié)構(gòu)材料的干燥中，Didone等[16-17]首先提出了將脈沖干燥技術(shù)應(yīng)用于纖維模塑的生產(chǎn)中，不僅能節(jié)約時(shí)間、減少能耗，而且能提高制品的強(qiáng)度和成型脫水效率。

3.2 尾水回用零排放

近年來(lái)隨著生態(tài)文明高質(zhì)量建設(shè)的要求，我國(guó)也推行了很多資源循環(huán)利用方向的政策要求。在2021年《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》中提出，我國(guó)要積極推動(dòng)工業(yè)廢水資源化利用、循環(huán)利用，提高重復(fù)利用率，嚴(yán)控新水取用量，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)用水、一水多用和分級(jí)回用。纖維模塑工藝是一種符合大的政策環(huán)境要求的綠色工藝。纖維模塑多數(shù)采用漿板紙和再生漿，碎漿過(guò)程污染低，成型產(chǎn)生的白水經(jīng)過(guò)氣浮、混凝、膜分離等簡(jiǎn)單物化處理后即可循環(huán)使用，生產(chǎn)過(guò)程中尾水排放幾乎為零，可以節(jié)約用水50%左右，節(jié)約能耗60%-70%，符合上述政策中低新水用量、循環(huán)利用和零排放的要求。

3.3 創(chuàng)新干法模壓纖維生產(chǎn)工藝

干法模壓纖維技術(shù)正在不斷進(jìn)步，PulPac制造了一條干法模壓成型纖維標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線——PulPac 300噸生產(chǎn)單元（PU300），可用于生產(chǎn)餐具、纖維模塑瓶等產(chǎn)品。干式工藝生產(chǎn)速率是傳統(tǒng)纖維成型的十倍，周期時(shí)間與塑料制造相當(dāng)，其優(yōu)點(diǎn)在于用水極少，無(wú)需廢水處理且?guī)缀鯖](méi)有污水排放隱患，比傳統(tǒng)的纖維成型工藝更節(jié)能、干燥成本更低，在線回收使材料效率高達(dá)99%，與塑料相比可將二氧化碳排放量降低90%[18]。但這種干法模塑產(chǎn)品的加工受到材料成型的制約，對(duì)于有深度和復(fù)雜形狀的產(chǎn)品加工尚有難度。

低碳材料應(yīng)從原料、工藝、機(jī)械、循環(huán)利用、可降解等方面綜合考慮，纖維模塑使用了廢紙、農(nóng)業(yè)剩余物等可循環(huán)再生原料，減少了對(duì)森林的砍伐和對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞。生產(chǎn)工藝中廢水、廢氣可達(dá)零排放，通過(guò)工藝的不斷創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了能耗的大幅降低，碳排放量不斷縮減。在未來(lái)，這些節(jié)省的二氧化碳排放可以在碳匯市場(chǎng)尋求交易。

4 纖維模塑包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與前景分析

4.1 基于5R1D原則下的低碳循環(huán)發(fā)展

隨著環(huán)保意識(shí)漸漸深入人心，時(shí)代賦予環(huán)保的定義也愈發(fā)豐富，綠色包裝的發(fā)展始終都應(yīng)遵循5R+1D原則，即減量化（reduce）、可回收（return）、可復(fù)用（reuse）、循環(huán)利用（recycle）、拒絕非環(huán)保包裝（refuse）、可降解（degradable）[19]。在未來(lái)，纖維模塑制品將回收越來(lái)越多的二次再生纖維或農(nóng)用殘余物進(jìn)行制漿，實(shí)現(xiàn)材料最大限度的循環(huán)利用。當(dāng)材料壽命在多次循環(huán)利用后，其材料屬性終結(jié)時(shí)可直接在大自然中降解，從而減少由焚燒產(chǎn)生的能源消耗、有害物質(zhì)排放和碳排放，助力碳達(dá)峰。纖維模塑的生產(chǎn)過(guò)程也將會(huì)向清潔化生產(chǎn)和處理方向發(fā)展，可通過(guò)采用物化生化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用，最終達(dá)到水源的低輸入和“零排放”，同時(shí)采用脈沖技術(shù)、微波射頻技術(shù)等新的干燥技術(shù)節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的高效節(jié)能[6]。因此，纖維模塑產(chǎn)品將會(huì)是低碳循環(huán)發(fā)展下一種完美符合5R1D原則的綠色環(huán)保包裝方案。

4.2 包裝標(biāo)準(zhǔn)化、通用化

包裝是一類追求個(gè)性化差異的產(chǎn)品，其內(nèi)裝產(chǎn)品不一而同，造成了包裝的尺寸、結(jié)構(gòu)形狀各異，從而在“量體裁衣”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了包裝成本，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。而纖維模塑包裝的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化將在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)等方面提升產(chǎn)品優(yōu)越性，推動(dòng)行業(yè)的綠色低碳循環(huán)發(fā)展。纖維模塑包裝件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化可以統(tǒng)一提高包裝質(zhì)量，避免不良包裝或過(guò)度包裝，降低模具加工、技術(shù)研發(fā)、倉(cāng)儲(chǔ)成本，提高原材料資源有效利用率，便于包裝制品的回收再利用。從生產(chǎn)的角度出發(fā)，纖維模塑包裝的標(biāo)準(zhǔn)化可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化、連續(xù)化和批量化，能夠大規(guī)模地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和品質(zhì)精度，縮短生產(chǎn)周期，減少生產(chǎn)成本。從物流倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，纖維模塑包裝的標(biāo)準(zhǔn)化能提高運(yùn)輸過(guò)程中的空間利用率，提高運(yùn)輸效率、節(jié)約運(yùn)輸成本、優(yōu)化運(yùn)輸體系。從企業(yè)的市場(chǎng)開發(fā)角度上，從上游到下游企業(yè)供應(yīng)鏈的無(wú)縫銜接，儲(chǔ)存、運(yùn)輸、裝卸搬運(yùn)、配送等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)配合，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)—運(yùn)輸過(guò)程的有序化和便捷化，而且高效擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。

4.3 高精度化、高品質(zhì)化、高性能化

上世紀(jì)80-90年代，纖維模塑工業(yè)才正式進(jìn)入中國(guó)，過(guò)去傳統(tǒng)的纖維模塑制品表面粗糙、易掉屑、機(jī)械強(qiáng)度低和印刷性差，不能滿足完全替代塑料產(chǎn)品的要求。若要應(yīng)用于精密電子產(chǎn)品的工業(yè)包裝，則需要采用漿內(nèi)助劑、表面涂覆、對(duì)纖維原料改性等方法改善其表面性能[20]，例如迪樂(lè)公司生產(chǎn)的高光滑度、低拔模斜度的高精度化纖維模塑制品，這不僅增加了與產(chǎn)品的貼合，而且提高了包裝的承壓能力、減少包裝耗材；為了適應(yīng)食品包裝的高品質(zhì)化需求，纖維模塑應(yīng)減少或避免添加劑的使用，保證食品的安全性。今年騰訊發(fā)行的中秋月餅禮盒就采用了食品級(jí)環(huán)保甘蔗渣纖維模塑包裝，甘蔗渣來(lái)自于糖廠榨糖后的剩余物，純天然無(wú)污染，不含塑料、油墨，衛(wèi)生環(huán)保，可與食物直接接觸。此外，纖維模塑也在向高性能化發(fā)展，如高阻隔材料、保鮮材料、高強(qiáng)度材料等，F(xiàn)ootprint團(tuán)隊(duì)制作了杯蓋和杯身均為植物纖維的原型杯CoolTouch，內(nèi)里為不含有機(jī)溶劑、對(duì)環(huán)境無(wú)害的水基涂層，能夠保證水分不滲漏[21]。

4.4 包裝整體化

纖維模塑制品的另一大趨勢(shì)為包裝整體化，即由純包裝襯墊發(fā)展為內(nèi)中外包裝均為纖維模塑材料，這不僅便于在纖維模塑工廠進(jìn)行機(jī)械化生產(chǎn)、一體成型、無(wú)需其他材料或產(chǎn)品的運(yùn)輸，而且能夠使材料統(tǒng)一、易于回收、開啟簡(jiǎn)便，節(jié)約外包裝箱成本。明基（BenQ）為其投影儀推出的全新纖維模塑包裝，其特點(diǎn)在于其緩沖襯墊和外包裝都只采用了纖維模塑一種材料，形狀規(guī)則易于堆碼、便于回收，消費(fèi)者在開啟時(shí)也只需簡(jiǎn)易的拆裝就能夠取出產(chǎn)品。

4.5 應(yīng)用多元化

隨著干法、濕法纖維模塑等技術(shù)的不斷成熟，纖維模塑將應(yīng)用于更多領(lǐng)域，如餐盒餐具（勺子、攪拌棒）、全紙模杯瓶、工業(yè)包裝、農(nóng)用品包裝、醫(yī)用器具、文具產(chǎn)品（筆殼）、家具用品、汽車內(nèi)部緩沖構(gòu)件、日用品部件（衣架、化妝瓶）等。其中，紙模瓶的發(fā)展是最被看好的，最新研究顯示，2021年包裝紙瓶銷量預(yù)計(jì)增長(zhǎng)5.4%至2430萬(wàn)瓶，而未來(lái)10年將以超過(guò)6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率擴(kuò)大，2031年紙瓶市場(chǎng)的價(jià)值將增加1.8倍。Pulpex以環(huán)?？沙掷m(xù)的紙漿作為原料，開發(fā)了一種易回收、不含PET、食品級(jí)阻隔的纖維模塑瓶。雖然綠色可降解的纖維模塑瓶發(fā)展前景可期，但是目前其成本、壽命和耐用性都不及塑料瓶，這也將是未來(lái)纖維模塑行業(yè)發(fā)展需要克服的重大難題。

5 結(jié)語(yǔ)

“綠色發(fā)展是生態(tài)文明建設(shè)的必然要求，代表了當(dāng)今科技和產(chǎn)業(yè)變革方向，是最有前途的發(fā)展領(lǐng)域?！本G色發(fā)展是未來(lái)三十年最具社會(huì)價(jià)值和意義的賽道，是未來(lái)最重要和最明確的趨勢(shì)，完全契合我國(guó)的方針。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)每年紙漿和木材都有大量的缺口，需要進(jìn)口，這兩年紙漿價(jià)格也是一路猛漲。纖維模塑的發(fā)展將廢紙等廢棄物變廢為寶創(chuàng)造了全新的可再生資源、節(jié)約紙漿消耗、保護(hù)森林等植被資源，同時(shí)也減少了由制漿帶來(lái)高污染、高能耗，替代了高污染的塑料制品的部分市場(chǎng)。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)是我國(guó)的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)變革，未來(lái)每個(gè)人、每個(gè)系統(tǒng)、每個(gè)組織都將涉及其中，綠色低碳的纖維模塑企業(yè)將會(huì)面臨更大的發(fā)展機(jī)遇。

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