一次性竹纤维餐盒研究现状与发展方向

2022-03-09陈晓怡陈复明叶翰舟王建忠

世界竹藤通讯 2022年1期

陈晓怡王戈* 陈复明叶翰舟蒋欢王建忠

(1 国际竹藤中心北京 100102；2 重庆瑞竹植物纤维制品有限公司重庆 404300)

1 一次性塑料餐盒现状

1.1 塑料及其一次性餐盒的现状与危害

近50 年来，塑料的使用量持续增长，低成本、易加工的特点使其广泛应用于包装、食品加工、电子、建筑和农业等领域，目前全球平均每年的塑料使用量高达4 亿t[1]。但塑料制品在给社会发展带来方便的同时，也给全球环境带来了“白色污染”。《自然：可持续性》在2020 年报道微塑料可进入生菜、小麦等农作物的可食用部位，《科学》在2018 年报道了甚至在地球最深的马里亚纳海沟也发现了微塑料，并记录了海洋生物如海葵纠缠于塑料的图片。研究表明，塑料正演变为造成地球表层生态系统污染最严重的威胁之一，并逐步影响人类和海洋生物的生存环境[2－5]。

一次性餐具指仅一次性使用的用于餐食或类似用途的的器具。在众多塑料制品中，在餐饮业中使用的一次性聚丙烯餐盒占比极大。由于社会生活节奏加快，外卖已成为最主流的就餐模式之一，新冠肺炎防控期间职工和学生分餐分食的特殊条件加剧了一次性餐饮具包装的使用量。根据王怡人[6]的报道，中国一次性塑料餐盒消耗量从2017 年的198亿个增长到2019 年的402 亿个，年复合增长率为42.49%；预计2020 年消耗量将达450 亿个[7]。加之欧美等国外市场，市场规模总量十分巨大。中国是全球最大的一次性塑料快餐盒生产国，占全球一次性塑料快餐盒行业约44.3%。这不仅要求生产过程中需要消耗更多的石油和煤炭等不可再生资源，同时在大量使用后难以降解的缺点加剧了一次性塑料餐盒的环境问题。根据中国2021 年都市生活垃圾处理方式的统计，一次性餐盒目前的处理方式仍以52%的填埋和45%焚烧为主，简单的填埋处理方式会导致大量细菌潜伏在废弃的塑料餐盒上并长期污染土壤和地下水源，而焚烧释放的二氧化硫、二恶英等更易造成人体的呼吸系统感染和身体病变，带来严重的空气污染[8]。

1.2 一次性塑料制品的限用、禁用政策

塑料餐具带来的环境污染问题促使国内外陆续出台一系列“限塑”到“禁塑”的政策(表1和表2)。中国国家发展改革委计划出台在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，这将提高对植物纤维餐具的需求[9]。2020 年9 月习近平主席在第75 届联合国大会上提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施达到碳达峰和碳中和目标。“减碳”概念的推行也在逐步制约塑料餐具的使用。

表1 国外限制一次性塑料餐具的相关政策Tab.1 Relevant foreign policies banning disposable plastic tableware

表2 中国限制一次性塑料餐具的相关政策Tab.2 Policies banning disposable plastic tableware in China

表2 (续)

在全球禁塑的大背景下，植物纤维餐盒相关领域不断涌现出新产品和新技术，新阶段其发展面临着巨大的机遇。植物纤维餐盒是以甘蔗渣、玉米秆、麦秸和竹纤维等为原料，混合适量的天然助剂(甲基纤维素、大豆蛋白、甘油等)，注入模具高温高压压制成型。这类餐盒不仅充分利用了农村秸秆、蔗渣等废弃的植物资源，成本低廉，而且废弃后可以降解，具有巨大的代替塑料餐盒的潜力。

2 可降解植物纤维餐盒

2.1 一次性植物纤维餐盒种类

目前的植物纤维餐盒主要可以分为植物淀粉餐盒、纸板成型餐盒、纸浆模塑餐盒和植物纤维压制餐盒。

淀粉餐盒：以植物淀粉为主要原料，采用生物复配、聚糖交联等技术精制而成。淀粉类餐盒因植物淀粉具有来源广泛、无毒、价格低廉、可降解等优点，已经越来越多地被用于制备一次性餐盒[10]。但是，淀粉餐盒由于自身所具备的高吸湿性、易被微生物污染等因素，其在长时间储放的过程中易发生霉变，且受储藏环境的温度、湿度等因素的影响较大[11]。

纸板成型餐盒：以木浆和草浆为原料，先抄造成满足要求的纸，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。该类餐具使用安全、卫生，但生产成本较高，且涂覆的聚乙烯膜降解困难[12]。

纸浆模塑餐盒：以木浆、竹浆、芦苇浆、蔗渣浆等为主要原料，添加适量的功能性化学药品，经过真空抽滤成型、加热干燥而成。这类餐具生产工艺流程简单，是目前发泡餐具替代品中生产能力最大、企业生产最多的产品。

植物纤维压制餐盒：以植物纤维如甘蔗渣、小麦秸秆、稻壳、玉米秸秆等为原料，粉碎后加上特质的胶黏剂热压压制成型，通过表面处理使其具有防水、防油、耐高温等性能。该方法大大提高了农产品的附加价值，丢弃后易降解。但生物质纤维餐盒也具有一定的吸湿性，郭元新等[13]研究表明植物纤维热压制成的餐具耐渗漏性还有待提高，不宜在潮湿环境下长期保存，色泽和气味上也有待改善。

2.2 中国竹纤维餐盒优势与现状

竹纤维餐盒作为植物纤维餐盒之一，在资源、材性和技术等方面有着独特的优势。

资源优势：全球竹资源丰富，储量超3 600万hm2，且分布广泛，主要分布在地球的北纬46°至南纬47°之间的热带、亚热带和暖温带地区。竹材作为中国的特色资源，竹林面积已达641.16万hm2，占世界的30%以上，是世界上拥有竹林面积最大、竹材资源最丰富、竹材产业化程度最发达的国家[14]。

材性优势：竹材具有强韧性好、培育周期短的特点[15－16]。竹纤维长细比大，长度约1～4 mm，微纤丝角较小，这使得其具备良好的机械性能[17]。其抗拉强度是木材的2 倍，抗压强度也略高于木材。竹纤维的戊糖及木质素含量较高，易于高温模压形成挺度高、耐渗性强、耐久性好的环保竹纤维复合材料。竹材生长速快，3～5 年即可成材，一经栽培，可永续利用，原料来源具有可持续性。

技术优势：竹材的半纤维素多，非结晶区大，打浆过程润胀效果明显；细胞壁由宽窄相间的十几个亚层交替形成，更易产生内帚化现象，打浆过程的优化有利于提升餐盒的交织结构，进而提升其挺度、耐渗性能等[18]。竹纤维天然的材性优势(强韧性好、松厚比大、长细比适中) 结合亚硫酸钠、蒸汽爆破等简单的预处理方式，可制备性能优异的竹纤维餐盒原料。

2018 年中国竹产品的出口贸易额占全球贸易总额的73.1%，其中竹餐具占比42.38%[19]。由于竹材资源分布的区域特性，目前大部分的竹纤维餐盒加工企业主要集中在福建、浙江、江西、重庆、四川和安徽等省、市。中国现已发展成为世界竹纤维餐盒生产和消费的第一大国。根据预测，竹纤维餐盒市场容量将迅速增长，3 年内可达50 亿个以上[20]。

3 一次性竹纤维餐盒研究与开发

3.1 一次性竹纤维餐盒技术特点

在全球禁塑和废弃物资源利用大背景下，亟需创新竹纤维环保餐盒绿色制造与自动化加工技术。区别于传统的纸浆模塑、聚乳酸(PLA)、甘蔗纤维等可降解餐具，以重庆瑞竹植物纤维制品有限公司为代表生产的竹纤维环保餐盒采用湿法纤维模压工艺，零添加工业助剂，绿色环保。主要具有以下技术特点：1) 采用竹纤维高效无污染制备技术——蒸汽爆破法，构建餐盒用竹纤维原浆绿色制造体系；2) 创新竹纤维环保容器自胶合制造技术，无需工业助剂，生产过程无“三废”，构建包装用竹纤维容器成型技术体系；3)创新竹纤维环保餐容器功能化设计与自动化、智能化加工技术，研发可控降解竹纤维餐盒新材料，实现“以竹代塑”。该技术制备的竹纤维餐盒参照美国食品药品监督管理局(FDA)、德国LFGB和中国国家标准(GB) 的规定，测得的容积偏差、耐温性能、耐热水、耐热油、跌落等性能均符合要求。产品可直接进入微波炉、烤箱及冰箱，耐温性能好，使用后无有毒物析出，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鸡蛋托等新材料，真正做到来于自然，回归自然。

3.2 加工工艺流程

一次性竹纤维餐盒主要有竹浆模塑和竹粉热压压制2 种制备方式。竹浆模塑的工艺是借鉴纸页成型的基本原理，开发各种助剂和设备，通过打浆、抄盒、冷压和热压过程生产出模塑餐盒，属于湿法纤维模压工艺；竹粉的干法热压成型是直接将竹片粉碎成粒，添加一定量的助剂后混合搅拌，再热压成型。二者的工艺流程如下(图1)[21－22]：

图1 一次性竹纤维餐具的2 种制备工艺Fig.1 Two preparation processes of disposable bamboo fiber tableware

3.3 评价标准和指标

针对一次性餐具制定的相关国家标准、轻工业标准和铁道行业标准汇总见表3。相关单位借鉴上述纸浆餐盒、食品接触用纸等的检验指标和规定等级，正在制订林业行业标准《竹纤维模压容器》 (表4)，具体要求如下。

表3 一次性餐盒使用性能相关标准Tab.3 Relevant standards for the use performance of disposable tableware

表4 一次性植物纤维餐盒使用性能评价指标Tab.4 Evaluation index for the performance of disposable plant fiber tableware

3.4 行业发展存在的问题

尽管中国已发展成为世界竹纤维餐盒生产和消费第一大国，但整个竹纤维餐盒行业尚未形成统一的国家标准和行业标准，缺乏产品质量的追溯体系，目前主要存在以下问题：1) 自动化程度较弱，生产线落后；植物纤维餐盒利用压机模压而成，现有的成型机在送料、成型到顶出产品的过程中往往需要投入大量的人力，大多数机器不能全部实现自动化，生产产品的规格单一，不能实现餐盒的系列化生产。2) 行业尚未形成具有明显优势的龙头企业，生产企业经营规模较小，产品质量参差不一；一些产品还存在颜色较深、异味和强度不高等问题，其中异味和颜色主要与竹浆生产前期的预处理有关[23]。

4 一次性竹纤维餐盒研究与开发方向

4.1 自动化加工水平提升

一次性竹纤维模塑餐盒设备主要以纸浆模塑用专用成型机和液压成型机设备为主，新阶段下模塑餐盒的工艺仍面临着落后设备的淘汰和转型升级的挑战[24]。液压成型机通常包括液压缸、支座、上下模、运动导杆和液压泵站部分。这种成型机具有一模一腔和多腔类型，一个流程一般需要7 min 左右，效率不高。专用成型机沿用纸浆模塑的成型模式，虽然提高了生产效率，但成型压力较低，成型后的餐盒壁厚不均，且对原料配方的要求较高。目前市场上尚未广泛推广[25]。

热压成型的主要工艺参数包含温度压力和物料在成型模具内的滞留时间。由于不同产地、种类的竹纤维粉料中纤维素、木质素含量及物料的形状不同，因此成型温度和压力参数值指标也不一样。该工艺的主要特点是物料在模具内被挤压的同时，需对模具进行外部加热，将热量传递给物料，使物料温度升高。

4.2 产品使用性能优化

目前针对竹纤维模塑餐盒的研究主要有2 个改良方面：

1) 助剂。竹纤维餐盒为达到防水防油的效果，通常会加入碳氟类防油助剂和聚丙烯酸、烷基烯酮二聚体(AKD) 等防水剂。彭渊[26]认为，植物纤维原料中的木素在模塑餐盒的热干燥温度(150～210 ℃) 下可以热熔重组，在餐盒中起到胶联和防水的作用。可利用该特点在甚至不加助剂的情况下，改善一次性餐盒防油、防水的功能。

2) 浆料。竹纤维模塑餐盒前期通常是采用亚硫酸盐法制浆，需进行大量的蒸煮，在反应中会产生含硫化合溶出物和含硫气体，这些气体会残留在纤维间及纤维的细胞壁内。浆料在模塑成型过程的温度通常在180 ℃，在高温条件下，残留在纤维间及纤维细胞壁内的H2S 等气体会逸出，因而不可避免地产生难闻的气味。可采用蒸汽爆破等清洁的物理预处理方式，改善竹纤维餐盒加工过程中残存的气味。

4.3 降解性能研究

近年来，国内外对植物纤维餐盒降解性能的主要研究方法有：田间试验、活性淤泥法、特定酶或微生物降解法、好氧堆肥法、厌氧试验法等[27]。郭安福等[28]采用霉菌侵蚀实验法对植物纤维餐盒的降解性能进行了研究，结果表明植物纤维淀粉餐盒的微生物降解程度为Ⅴ级，生物降解率大于41%。

废弃的竹纤维餐盒丢弃在土壤中，可在2 个月内全部降解。当前备受关注的PLA 餐盒虽然可降解，但其降解条件较为苛刻(湿度50%～60%，温度50～70 ℃)，在自然环境下的降解速度远没有竹纤维餐盒快[1]。为优化餐盒的使用性能，国内外学者通过调节打浆度、成型温度和压力等方法提高材料的挺度、抗压性能，并配比不同助剂改善餐盒的耐水、耐油、耐温等性能[29]。材料使用性能在不断提高的同时，其抵抗降解的能力也在增强[30－31]。

4.4 废弃纤维餐盒预处理与再利用

纤维的回收利用可以节约造纸原料、减轻污染和节约能源，目前针对来源于纸和纸板的二次纤维研究较多，其用途主要有造纸原料或制造蛋托、果托等，再回收利用率不到40%[32]。纤维二次利用主要存在以下问题：1) 纤维品质下降，成纸强度较差[33]。二次纤维的角质化问题是有效利用二次纤维所面临的最重要的问题，由于二次纤维在抄纸过程中纤维细胞腔产生不可逆收缩并形成内部氢键，相比于原纤维，滤水性能和润胀能力下降，因此形成的纸张抗张和耐折强度会普遍降低[34]。2) 胶黏剂和细小纤维成分多且复杂，容易产生粘网，影响设备运行[35]。

废弃竹纤维餐盒在使用过程中涉及的食用成分复杂，对其回收利用的技术研究很少。张素凤等[36]通过水力搅拌和分离废弃的液体包装盒，以纤维平均长度、平均宽度为评价指标，可回收到品质较好的纤维，具有很高的再利用价值。该研究思路也为废弃竹纤维餐盒的再利用提供了新方向。如丢弃前通过简单的机械手段(粉碎) 或农业治理技术(微纳气泡) 进行结构破坏和油水分离，使废弃餐盒具有加速降解和二次纤维高质量利用的双重作用，可以更好地节约森林资源，保护生态环境。