一次性竹纤维餐盒研究现状与发展方向

基金项目:科技部 科技助力经济2020 重点专项项目 分餐分食用可降解竹纤维餐盒产业化技术创新与应用 ꎻ国家自然科学基㊀㊀㊀㊀㊀金项目 微纳气泡对汽爆竹纤维网状结构废弃材料的加速解离效应及作用机制 (32171885)ꎮ第一作者:陈晓怡ꎬ硕士ꎬ研究方向为竹木纤维复合材料ꎮE-mail:chenxy@icbr ac cnꎮ
通信作者:王戈ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ主要研究方向为竹木材加工与利用ꎮE-mail:wangge@icbr ac cnꎮ
一次性竹纤维餐盒研究现状与发展方向
陈晓怡1㊀王戈1∗㊀陈复明1㊀叶翰舟1㊀蒋㊀欢1㊀王建忠2
(1国际竹藤中心北京100102ꎻ2重庆瑞竹植物纤维制品有限公司重庆404300)
摘㊀要:基于一次性塑料餐盒对生态造成的严重环境污染ꎬ国内外陆续出台了一系列的 限塑 和 禁塑 政策ꎬ可降解的一次性植物纤维餐盒发展势头强劲ꎮ文章归纳了不可降解的一次性塑料餐盒和可降解植物纤
维餐盒的产品使用现状及优劣势ꎮ竹纤维餐盒作为植物纤维餐盒的一种ꎬ由于原料具有显著的资源㊁材性和技术等方面的优势ꎬ可制备出耐水㊁耐油㊁耐微波㊁可降解的绿环保餐盒ꎬ市场容量迅速增长ꎻ在此基础上ꎬ重点阐述了一次性竹纤维餐盒的技术特点㊁制备工艺和评价指标ꎬ总结了其目前存在的问题和开发方向ꎬ并对废弃竹纤维餐盒的二次利用提出了新思路ꎮ关键词:禁塑ꎻ竹纤维ꎻ一次性餐盒ꎻ纸浆模塑ꎻ二次纤维DOI:10.12168/sjzttx.2022.01.002
DisposableBambooFiberDishware:ResearchStateandDevelopmentProspect
ChenXiaoyi1ꎬWangGe2∗ꎬChenFuming1ꎬYeHanzhou1ꎬJiangHuan1ꎬWangJianzhong2
(1 InternationalCenterforBambooandRattanꎬBeijing100102ꎬChinaꎻ2 ChongqingRuizhuPlantFiberProductsCo ꎬLtdꎬChongqing404300ꎬChina)
Abstract:Duetotheseriousecosystemenvironmentalpollutioncausedbydisposableplasticdishwareꎬpolicieshavebeenissuedtolimitandevenbantheus
eofplasticproductsathomeandabroadꎬandthedegradabledisposableplantfiberdishwarehavethereforebeenonastrongdevelopmentmomentum.Thispapersummarizesthestateofutilizationꎬadvantagesanddisadvantagesofdisposableplasticdishwarewhichisnotdegradableanddegradableplantfiberdishware.Bamboofiberdishwareisonekindofplantfiberdishware.Bamboofiberscanbeprocessedintoagreenꎬeco ̄friendlyanddegradabledishwarewithwaterꎬoilꎬmicrowaveresistanceꎬowingtoitsbroadresourceavailabilityꎬmaterialpropertiesandavailabletechnologyꎬandthemarketcapacityforbamboofiberdishwareisgrowingrapidly.Basedonthediscussionsaboveꎬthispaperelaboratesthetechnicalcharacteristicsꎬprocessingtechnologyandevaluationindexofbamboofiberdishwareꎬsummarizestheexistingproblemsanddevelopmentdirectionꎬandputsf
orwardnewideasforthesecondaryutilizationofwastebamboofiberdishware.Keywords:plasticbanꎬbamboofiberꎬdisposabledishwareꎬmoldedpulppackagingꎬsecondaryfiber
1㊀一次性塑料餐盒现状
1 1㊀塑料及其一次性餐盒的现状与危害
钢丝生产
近50年来ꎬ塑料的使用量持续增长ꎬ低成
本㊁易加工的特点使其广泛应用于包装㊁食品加工㊁电子㊁建筑和农业等领域ꎬ目前全球平均每年的塑料使用量高达4亿t[1]ꎮ但塑料制品在给社会发展带来方便的同时ꎬ也给全球环境带来了
白污染 ꎮ«自然:可持续性»在2020年报道微塑料可进入生菜㊁小麦等农作物的可食用部位ꎬ
«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ꎬ并记录了海洋生物如海葵纠缠于塑料的图片ꎮ研究表明ꎬ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ꎬ并逐步影响人类和海洋生物的生存环境[2-5]ꎮ
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ꎮ在众多塑料制品中ꎬ在餐饮业中使用的一次性聚丙烯餐盒占比极大ꎮ由于社会生活节奏加快ꎬ外卖已成为最主流的就餐模式之一ꎬ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ꎮ根据王怡人
电冰箱保护器[6]
的报
道ꎬ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ꎬ年复合增长率为42 49%ꎻ预计2020年消耗量将达450亿个[7]ꎮ加之欧美等国外市场ꎬ市场规模总量十分巨大ꎮ中国是全球最大的一次性塑料快餐盒生产国ꎬ占全球一次性塑料快餐盒行业约44 3%ꎮ这不仅要求生产过检查井井座
程中需要消耗更多的石油和煤炭等不可再生资源ꎬ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ꎮ根据中国2021年都市生活垃圾处理方式的统计ꎬ一次性餐盒目前的处理方式仍以52%的填埋和45%焚烧为主ꎬ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ꎬ而焚烧释放的二氧化硫㊁二恶英等更易造成人体的呼吸系统感染和身体病变ꎬ带来严重的空气污染[8]ꎮ
1 2㊀一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)ꎮ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ꎬ这将提高对植物纤维餐具的需求[9]ꎮ
2020年9月习近平主席在第75届联合国大会上提出ꎬ中国将提高国家自主贡献力度ꎬ采取更加有力的政策和措施达到碳达峰和碳中和目标ꎮ 减碳 概念的推行也在逐步制约塑料餐具的使用ꎮ表1㊀国外限制一次性塑料餐具的相关政策
Tab 1㊀
Relevantforeignpoliciesbanningdisposableplas
tictableware
国家颁布时间政策要点
法国2002年禁止一次性塑料棉签㊁塑料餐具和盘子㊁泡沫塑料制成的食品容器等产品投放市场卢森堡2002年禁止一次性塑料棉签㊁塑料餐具和盘子㊁泡沫塑料制成的食品容器等产品投放市场瑞典2002年禁止一次性塑料棉签㊁塑料餐具和盘子㊁泡沫塑料制成的食品容器等产品投放市场意大利2010年自2021年起禁用塑料制品:如刀叉㊁餐盘㊁吸管㊁聚苯乙烯材质的容器等澳大利亚2020年逐步淘汰塑料在餐饮㊁包装等重点行业中的应用
加拿大2020年禁止部分一次性塑料制品ꎬ包括塑料袋㊁餐具和食品容器㊁吸管等希腊2021年公共机构终止采购塑料餐具㊁盘子㊁聚苯乙烯泡沫塑料容器及盖子
德国
2021年
自2021年起禁止使用一次性塑料ꎬ餐馆必须自2023年起为外卖产品提供可重复使用的容器
表2㊀中国限制一次性塑料餐具的相关政策
Tab 2㊀PoliciesbanningdisposableplastictablewareinChina
省市颁布时间政策要点
海南㊀2020年㊀在全省党政机关㊁事业单位㊁学校㊁场所及政府相关单位主办的大型会议㊁会展等活动禁止提供㊁销售和使用列入名录的一次性不可降解塑料袋㊁塑料餐具制品
北京㊀2020年㊀餐饮行业禁止使用不可降解的一次性塑料吸管ꎻ建成区外卖或打包服务禁止使用不可降解塑料袋ꎬ建成区景区堂食服务禁止使用不可降解塑料餐具
上海㊀2021年㊀到2020年底餐饮堂食服务禁止使用不可降解一次性塑料餐具ꎬ2025年底全市外卖领域不可降解一次性塑料餐具消耗强度下降30%以上
浙江㊀2021年㊀全省县城以上建成区的集贸市场禁止使用不可降解塑料袋ꎬ其次是一次性塑料餐具ꎬ比如塑料吸管㊁刀㊁叉㊁发泡塑料盒等ꎬ并逐步扩大试区
四川㊀
2020年㊀
各级公共机构要全面开展停止使用不可降解一次性塑料制品工作ꎬ包括聚乙烯(PE)㊁聚丙烯(PP)㊁聚苯乙烯(PS)㊁聚氯乙烯(PVC)等
表2(续)
省市颁布时间政策要点
云南㊀
2020年㊀2020年率先在昆明市等部分地区㊁部分领域ꎬ禁止㊁限制部分塑料制品的生产㊁销售和使用ꎬ到2022年有序扩大禁限范围
黑龙江㊀
2020年㊀
全省范围禁止生产和销售一次性发泡塑料餐具ꎻ全省范围餐饮行业禁止使用不可降解一次性塑料吸管ꎻ
地级以上城市建成区的餐饮堂食服务禁止使用不可降解一次性塑料餐具
㊀㊀在全球禁塑的大背景下ꎬ植物纤维餐盒相关领域不断涌现出新产品和新技术ꎬ新阶段其发展面临着巨大的机遇ꎮ植物纤维餐盒是以甘蔗渣㊁玉米秆㊁麦秸和竹纤维等为原料ꎬ混合适量的天然助剂(甲基纤维素㊁大豆蛋白㊁甘油等)ꎬ注入模具高温高压压制成型ꎮ这类餐盒不仅充分利用了农村秸秆㊁蔗渣等废弃的植物资源ꎬ成本低廉ꎬ而且废弃后可以降解ꎬ具有巨大的代替塑料餐盒的潜力ꎮ
2㊀可降解植物纤维餐盒
2 1㊀一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㊁纸板成型餐盒㊁纸浆模塑餐盒和植物纤维压制餐盒ꎮ
淀粉餐盒:以植物淀粉为主要原料ꎬ采用生物复配㊁聚糖交联等技术精制而成ꎮ淀粉类餐盒因植物淀粉具有来源广泛㊁无毒㊁价格低廉㊁可降解等优点ꎬ已经越来越多地被用于制备一次性餐盒[10]ꎮ但是ꎬ淀粉餐盒由于自身所具备的高吸湿性㊁易被微生物污染等因素ꎬ其在长时间储放的过程中易发生霉变ꎬ且受储藏环境的温度㊁湿度等因素的影响较大[11]ꎮ
纸板成型餐盒:以木浆和草浆为原料ꎬ先抄
造成满足要求的纸ꎬ再在其表面涂覆聚乙烯塑料薄膜ꎬ使其具有防水㊁防油的功能ꎮ该类餐具使用安全㊁卫生ꎬ但生产成本较高ꎬ且涂覆的聚乙烯膜降解困难[12]ꎮ
纸浆模塑餐盒:以木浆㊁竹浆㊁芦苇浆㊁蔗
渣浆等为主要原料ꎬ添加适量的功能性化学药品ꎬ经过真空抽滤成型㊁加热干燥而成ꎮ这类餐具生产工艺流程简单ꎬ是目前发泡餐具替代品中生产能力最大㊁企业生产最多的产品ꎮ
植物纤维压制餐盒:以植物纤维如甘蔗渣㊁小麦秸秆㊁稻壳㊁玉米秸秆等为原料ꎬ粉碎后加上特质的胶黏剂热压压制成型ꎬ通过表面处理使其具有防水㊁防油㊁耐高温等性能ꎮ该方法大大提高了农产品的附加价值ꎬ丢弃后易降解ꎮ但生物质纤维餐盒也具有一定的吸湿性ꎬ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ꎬ不宜在潮湿环境下长期保存ꎬ泽和气味上也有待改善ꎮ锚杆挡墙
2 2㊀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ꎬ在资源㊁材性和技术等方面有着独特的优势ꎮ
资源优势:全球竹资源丰富ꎬ储量超3600
万hm2ꎬ且分布广泛ꎬ主要分布在地球的北纬46ʎ
至南纬47ʎ之间的热带㊁亚热带和暖温带地区ꎮ竹材作为中国的特资源ꎬ竹林面积已达641 16万hm2ꎬ占世界的30%以上ꎬ是世界上拥有竹林面积最大㊁竹材资源最丰富㊁竹材产业化程度最发达的国家[14]ꎮ
材性优势:竹材具有强韧性好㊁培育周期短
的特点[15-16]ꎮ竹纤维长细比大ꎬ长度约1~4mmꎬ微纤丝角较小ꎬ这使得其具备良好的机械性能[17]ꎮ其抗拉强度是木材的2倍ꎬ抗压强度也略高于木材ꎮ竹纤维的戊糖及木质素含量较高ꎬ易于高温模压形成挺度高㊁耐渗性强㊁耐久性好的环保竹纤维复合材料ꎮ竹材生长速快ꎬ3~5年即可成材ꎬ一经栽培ꎬ可永续利用ꎬ原料来源具有可持续性ꎮ
技术优势:竹材的半纤维素多ꎬ非结晶区大ꎬ打浆过程润胀效果明显ꎻ细胞壁由宽窄相间的十几个亚层交替形成ꎬ更易产生内帚化现象ꎬ打浆过程的优化有利于提升餐盒的交织结构ꎬ进而提升其挺度㊁耐渗性能等[18]ꎮ竹纤维天然的材性优
势(强韧性好㊁松厚比大㊁长细比适中)结合亚硫酸钠㊁蒸汽爆破等简单的预处理方式ꎬ可制备性能优异的竹纤维餐盒原料ꎮ
2018年中国竹产品的出口贸易额占全球贸易
车辆调度
总额的73 1%ꎬ其中竹餐具占比42 38%[19]ꎮ由于竹材资源分布的区域特性ꎬ目前大部分的竹纤维餐盒加工企业主要集中在福建㊁浙江㊁江西㊁重庆㊁四川和安徽等省㊁市ꎮ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ꎮ根据预测ꎬ竹纤维餐盒市场容量将迅速增长ꎬ3年内可达50亿个以上[20]ꎮ
3㊀一次性竹纤维餐盒研究与开发
氟苯尼考助溶剂3 1㊀一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ꎬ亟
需创新竹纤维环保餐盒绿制造与自动化加工技术ꎮ区别于传统的纸浆模塑㊁聚乳酸(PLA)㊁甘蔗纤维等可降解餐具ꎬ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ꎬ零添加工业助剂ꎬ绿环保ꎮ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ꎬ构建餐盒用竹纤维
原浆绿制造体系ꎻ2)创新竹纤维环保容器自胶合制造技术ꎬ无需工业助剂ꎬ生产过程无 三废 ꎬ构建包装用竹纤维容器成型技术体系ꎻ3)创新竹纤维环保餐容器功能化设计与自动化㊁智能化加工技术ꎬ研发可控降解竹纤维餐盒新材料ꎬ实现 以竹代塑 ꎮ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)㊁德国LFGB和中国国家标准(GB)的规定ꎬ测得的容积偏差㊁耐温性能㊁耐热水㊁耐热油㊁跌落等性能均符合要求ꎮ产品可直接进入微波炉㊁烤箱及冰箱ꎬ耐温性能好ꎬ使用后无有毒物析出ꎬ而且使用后能自然分解被土壤吸收ꎬ也可回收碎解后作肥料或制作成鸡蛋托等新材料ꎬ真正做到来于自然ꎬ回归自然ꎮ
3 2㊀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ꎮ竹浆模塑的工艺是借鉴纸页成型的基本原理ꎬ开发各种助剂和设备ꎬ通过打浆㊁抄盒㊁冷压和热压过程生产出模塑餐盒ꎬ属于湿法纤维模压工艺ꎻ竹粉的干法热压成型是直接将竹片粉碎成粒ꎬ添加一定量的助剂后混合搅拌ꎬ再热压成型ꎮ二者的工艺流程如下(图1)[21-22]
:
图1㊀一次性竹纤维餐具的2种制备工艺
Fig 1㊀Twopreparationprocessesofdisposablebamboofibertableware
3 3㊀评价标准和指标
针对一次性餐具制定的相关国家标准㊁轻工
业标准和铁道行业标准汇总见表3ꎮ相关单位借
鉴上述纸浆餐盒㊁食品接触用纸等的检验指标和规定等级ꎬ正在制订林业行业标准«竹纤维模压容器»(表4)ꎬ具体要求如下ꎮ
表3㊀一次性餐盒使用性能相关标准
Tab 3㊀Relevantstandardsfortheuseperformanceofdisposabletableware
标准类型㊀㊀标准号标准名称
国家标准GB4806 8 2016«食品安全国家标准食品接触用纸和纸板材料及制品»
GB/T27589 2011«纸餐盒»
GB/T27590 2011«纸杯»
GB/T27591 2011«纸碗»
GB/T20077 2006«一次性托盘»
GB18006 1 2009«塑料一次性餐饮具通用技术要求»
GB/T18192 2008«液体食品无菌包装用纸基复合材料»
企业标准QB/T4763 2018«纸浆模塑餐盒»
QB2294 2006«纸杯»
QB/T2898-2007«餐用纸制品»
其它标准TB/T2611 1 1999«铁路一次性餐盒供货技术条件»
T/ZZB0837 2018«一次性纸杯»
表4㊀一次性植物纤维餐盒使用性能评价指标
Tab 4㊀Evaluationindexfortheperformanceofdisposableplantfibertableware
指标类型指标名称要求㊀㊀标准号
容器偏差尺寸偏差ʃ2mmQB/T4763 2018容量偏差ʃ4%QB/T4763 2018力学性能负重性能ɤ7%QB/T4763 2018抗压性能ȡ300NQB/T4763 2018
跌落性能无破损QB/T4763 2018
盒盖对折性能无裂纹㊁无破损QB/T4763 2018
杯身挺度ȡ3 5NQB/T4763 2018耐温性能耐热水无阴渗㊁无渗漏㊁无变形QB/T4763 2018耐热油无阴渗㊁无渗漏㊁无变形QB/T4763 2018漏水性漏水性无渗漏QB/T4763 2018理化指标铅㊁砷铅ɤ3 0mg/kgꎬ砷ɤ1 0mg/kgGB4806 8 2016残留物 GB4806 8 2016
迁移物 GB4806 8 2016微生物限量大肠杆菌㊁沙门氏菌和霉菌大肠杆菌㊁沙门氏菌不得检出ꎬ霉菌ɤ50CFU/gGB4806 8 2016
3 4㊀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ꎬ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ꎬ缺乏产品质量的追溯体系ꎬ目前主要存在以下问题:1)自动化程度较弱ꎬ生产线落后ꎻ植物纤维餐盒利用压机模压而成ꎬ现有的成型机在送料㊁成型到顶出产品的过程中往往需要投入大量的人力ꎬ大多数机器不能全部实现自动化ꎬ生产产品的规格单一ꎬ不能实现餐盒的系列化生产ꎮ2)行业尚未形成具有明显优势的龙头企业ꎬ生产企业经营规模较小ꎬ产品质量参差不一ꎻ一些产品还存在颜较深㊁异味和强度不高等问题ꎬ其中异味和颜主要与竹浆生产前期的预处理有关[23]ꎮ4㊀一次性竹纤维餐盒研究与开发方向4 1㊀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ꎬ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]ꎮ液压成型机通常包括液压缸㊁支座㊁上下模㊁运动导杆和液压泵站部分ꎮ这种成型机具有一模一腔和多腔类型ꎬ一个流程一般需要7min左右ꎬ效率不高ꎮ专用成型机沿用纸浆模塑的成型模式ꎬ虽然提高了生产效率ꎬ但成型压力较低ꎬ成型后的餐盒壁厚不均ꎬ且对原料配方的要求较高ꎮ目前市场上尚未广泛推广[25]ꎮ热压成型的主要工艺参数包含温度压力和物
01

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