废纸包装材料的研究现状及发展趋势

胡英华

（天津科技大学,天津300222）

废纸包装材料的研究现状及发展趋势

胡英华

（天津科技大学,天津300222）

介绍了废纸包装材料的研究、应用和进展，分析了现有废纸材料应用上的优势及不足，提出了废纸包装材料的发展趋势。

废纸利用；生物降解；包装材料

目前我国许多电子产品、家用电器、机电产品大量使用聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）及聚乙烯（EPE）作为缓冲衬垫材料，由于其难以降解，回收利用困难，并且回收成本较高，因此国内外都加大了对塑料包装的限制力度。国外制定了《新包装规则》、《两指令》、《蒙特利尔议定书》一系列政策，我国也是《蒙特利尔议定书》缔约国之一，为了减少EPS对人类及环境的危害，我国也相应地出台了《中华人民共和国固体废弃物污染防治法》、《臭氧层保护国际公约》及［2007］72号“禁白令”。于是人们将目光转向了森林资源，“以木代塑”成了研究焦点。然而我国的森林覆盖率仅为16%，远低于国际28%的平均水平，并且随着经济的加速发展，我国对木材的消耗量飞速增加，国内森林资源十分匮乏。虽然木材是可再生资源，但成长的周期比较长，速生材最快也要5～6年[1]。为了解决木材供需矛盾，可采取3种有效途径：（1）扩大木材利用范围，如利用枝杈和木材加工过程中剩余材料；（2）寻找木材代替材料，如一些植物纤维：麦杆、稻草、棉杆、蔗渣、稻壳等，其来源丰富，生长周期短；（3）对木材资源重复和分级利用，据统计，造纸厂每回收1 t废纸，相当于节省木材3 m3，废纸材料做成的植物纤维材料如纸浆模、纸基发泡材料则属于对木材资源的循环利用，是现代包装发展的趋势。从以上3点来看，对于废纸的重复利用成为一种首选的补充资源。

1 废纸包装材料的研究和应用状况

在废纸包装材料的利用上，我国目前应用比较成熟的主要是纸浆模制品、瓦楞纸、蜂窝纸板等；仍处于实验室研究阶级的是废纸纤维发泡材料。

1.1 纸浆模制品

纸浆模塑制品是以纸浆为主要原料，通过打浆，将浓度为0.5%的纸浆由成型模具中经过，使脱水后的纤维覆于模具中网的表面，再热压定型后制成纸制品。通常纸浆模塑制品的生产工艺包括纸浆制备、成型、压实、干燥、校形、切边，最后是制品的消毒和包装。我国对纸浆模的研究主要集中在材料性能、结构变化对缓冲性能的影响，在工艺和机械加工方面研究较少。

纸浆模塑生产的主要设备有：水力碎浆机、配浆池、成型机、烘干机和定型机，其中最关键是成型设备。依据成型机的结构可分为往复升降式和转鼓式成型机；按浆料成型工艺方式可分为注浆成型法和吸浆成型法；根据脱水方式又可分为真空减压成型法、压力成型法、压缩空气成型法。真空成型法是利用真空技术在模型内部形成真空，在负压的作用下，废纸纤维均匀地吸附于网模表面，真空吸浆成型法是纸塑制品最普及的一种方法；压力成型法利用液压技术，适合变化不大、定型的标准产品；压缩空气成型法利用气体动力学原理，主要用于外型结构呈口部小于其他部位的中空纸浆模塑制品，如瓶、罐等。

纸浆模制品材料性能研究内容主要有：材料拉伸时弹性模量、泊松比、剪切模量、屈服强度的变化对其缓冲性能的影响，并用数字相关测量法[19]和有限元分析法[2]进行测试和分析。在纸浆模制品的结构和缓冲机理方面主要研究了材料缓冲特性曲线[3]、缓冲机理[4]、静载荷下缓冲变形曲线、结构单元与承载能力间的关系[5]、纸浆模制品结构（如壁厚、高度、侧壁斜度、承载边长和过渡圆角半径）对缓冲性能的影响[6]，并结合计算机分析软件（如ANSYS软件（Pro/ENGINEER）对材料进行分析[7]，对包装容器的结构进行合理的设计[8]。

由于纸浆模制品抗跌、抗压、防震、防静电、无毒无害、可循环使用，并且具有良好的透气性、保鲜性、环保性、吸附性、缓冲性和优良定位作用，其制品被广泛地用于快餐器具、医用器具、禽蛋托盘、鲜果托盘、工业托盘、农用托盘、室内装潢、玻璃、陶瓷等易碎品包装、军品专用包装、汽车行业零部件的包装以及生活消费品和装饰品。

虽然纸浆模有诸多的优点，但是由于纸浆模工艺及其材料本身的特点，在实际的生产和应用中还有许多不完善。首先，纸浆模塑制品就其结构强度与缓冲性能还不及EPS等材料的1/10[9]，且承载能力小；其次，目前国内设备自动化程度不高，产品合格率在85%～95%[10]，模具的开发技术要求高、投入大、周期长，并且以实验设计的成分多；最后，纸浆模塑制品在干燥过程中的能耗大，干燥成本所占比例在整个制品生产要素中排在首位，约占1/3左右[11]。

1.2 废纸纤维/淀粉发泡材料

利用废纸纤维、淀粉及水的混合物进行发泡的工艺制作方法主要有两种，即一步法成型和两步法成型。一步法成型的工艺特点是采用整体浇注发泡成型，其工艺流程为：物料—混合—制浆—浇注—发泡成型—熟化—脱模—成品[12]；两步法成型工艺是第一步先将废纸纤维与淀粉及水按一定的比例混合发泡形成发泡颗粒，第二步置发泡颗粒于金属模具中，通过加压加热形成最终的发泡模体材料。

根据是否使用发泡，又可将发泡工艺分为两种，即使用化学发泡剂法和不使用化学发泡剂法。不使用化学发泡剂的发泡工艺，是废纸纤维与淀粉及水的混合物在挤压过程中受水蒸气作用而发泡。

目前，国内外对废纸纤维/淀粉的发泡材料均有研究。在国内，广东工业大学[13]研究了纸浆真空成形制品发泡技术，提出了纸制品低温发泡（一般不应超过150℃）的方法；大连轻工业学院[14]研究了以废纸为原料的缓冲包装材料工艺，其主要的工艺步骤有废纸的粉碎、淀粉糊的制备、小粒子的膨化和模铸成型，并利用碳酸钠与柠檬酸的反应使之发泡。国际上，德国不莱梅PSP公司[15]采用废旧书、报纸和面粉作为原料，通过一步法或二步法开发出发泡纸生产工艺。一步法是将纸浆和面粉混合后，一次性进行发泡成型，免去多次发泡和冷却的工艺，过程中需要化学添加剂，只用水蒸气；二步法是先将碾成纤维状的纸浆与面粉以2：1混合，混合均匀后将其注入挤压机压制成圆柱颗粒，在挤压过程中，原料受水蒸气作用，形成发泡颗粒，再用发泡颗粒作为原料在模具中根据需要生产不同形状的包装制品。日本工业技术研究所[16]开发了用废纸作为原料的干式纸浆发泡技术，其工艺是采用二步法将废纸粉碎到5 mm以下，与淀粉浆糊混合制成直径为1～3 mm的粒子，然后在金属模具中进行加压加热，其中的水分在加热过程中从通气孔排出，可制作成精度和壁厚与金属模相应的包装。

在废纸发泡材料发泡方法的研究方面，我国主要是采用添加化学发泡剂来进行的，但是化学发泡剂对环境会造成不利影响，目前无论国内还是国外，对植物纤维发泡制品的研究基本上还处在实验室阶段，还未达到工业化大规模连续生产的要求。

1.3 蜂窝纸板包装制品

蜂窝纸板是利用仿生原理将芯纸制成蜂窝状结构的纸芯后，再与面纸复合而成的板状材料。蜂窝纸板的制造过程分为蜂窝纸芯制作和蜂窝纸板制作两大部分，其中，蜂窝纸芯制作部分又可分为供纸、涂胶、分切、粘合、烘干以及拉伸等环节，蜂窝纸板复合制成部分可分为面纸供给、面纸涂胶、面纸与蜂窝纸芯粘合、成品烘干以及成品分切等环节。

现阶段研究的蜂窝纸板主要以正六角形纸蜂窝芯制蜂窝纸板为主。郭彦峰等[17]通过实验研究了不同厚度的蜂窝纸板动态压缩曲线和振动传递率曲线；郝巍等[18]研究了Nomex纸厚度与蜂窝力学性能的关系，得出增加纸厚不是提高蜂窝综合力学性能的最佳途径；杨嫣红[19]对蜂窝纸板进行力学建模并求出了蜂窝纸板的屈曲临界载荷等；李厚民[20]利用有限元程序对蜂窝纸板的压缩进行了模拟，得出在不同压缩量下蜂窝纸板的应力分布规律与变形情况，Timoshenko[21]对蜂窝的屈曲变形进行了测试和分析，Shafizadeh J.E.and Seferis J.C.[22]对蜂窝材料的压缩屈服应力进行了实验和分析。

蜂窝纸板具有强度高、承载能力大、缓冲性能好、不易变形、符合环保等优点，可以用作托盘、包装箱、角撑、护棱等包装材料，适用于易碎品包装，特别是体积大或较为沉重的易碎品包装。

蜂窝纸板虽然平压强度高，但是其侧压强度低，并且耐破性能、耐折性能、耐戳穿性能等较差，这就限制了其应用范围；加工性能较差，不能像瓦楞纸板那样很容易制成箱型等包装容器，即使能够制作，生产时自动化程度较低；蜂窝纸板用于包装运输主要是作为缓冲衬垫、角撑等，如护棱，起着定位缓冲的作用，还需要外包装的保护，虽然蜂窝纸板也可加工成纸箱，但由于蜂窝纸板较厚，且弯曲后其强度影响较大，势必影响蜂窝纸板箱的强度[23]。

1.4 瓦楞纸板包装制品

瓦楞原纸是用于制造瓦楞纸板原材料之一，通过瓦楞辊加工，使瓦楞原纸变成波形的瓦楞纸，再将瓦楞纸与箱板纸相黏合制成瓦楞纸板。瓦楞纸板作为一种夹层材料，由瓦楞芯纸的波纹形状和高度、瓦楞纸板层数、瓦楞组合方式可形成多种结构形式的瓦楞纸板，并且这些纸板的缓冲性能存在差异。

国内对瓦楞纸板的结构形式与缓冲性能研究主要有：对不同结构组合形式的瓦楞纸板与力学性能的比较[24]，瓦楞纸板承压与瓦楞结构的关系研究[25]，不同结构形式的瓦楞纸板衬垫的缓冲性能研究[26]。国外相关研究有：Kimdo Wook（Kr），Kim Ki Jeong（Kr）[27]在瓦楞纸板的基础上开发了double-ply加强型瓦楞纸板，将原来三层瓦楞纸板中的夹层变为两层波纹状的瓦楞层，Rousserie E[28]对瓦楞纸板夹芯结构进行了试验研究，并建立了夹芯结构的模型；Johnson.M.W.[29]对具有各向异性的瓦楞纸板的不同方向承压的理论进行实验研究；Biancolini M.E.[30]基于试验用有限元理论模型的方式分析了瓦楞纸板的力学特性和瓦楞纸箱的屈曲载荷，并研究了瓦楞纸板的屈曲特性与瓦楞纸箱的屈曲行为，得出瓦楞纸板的屈曲临界载荷不足以评估瓦楞纸箱的压溃行为。

由于瓦楞纸板质量轻、结构性能好，对包装物能起到防冲减震作用，并且具有良好的力学特性，瓦楞纸板在我国得到快速发展，其用量占到了纸包装材料的60%以上。瓦楞纸对产品的包装定位，是利用特殊的立体结构来实现的，在运输时可以拆下来展平进行运输，减少占地面积，且在封箱、捆扎、运输的过程中均可以自动化作业，不仅能适应各种类型纸箱的装潢印刷，而且能很好地解决商品保护和促销问题。

然而由瓦楞纸板所制的包装产品，作为衬垫充填物及缓冲材料，不能任意造型，有一定局限性，缓冲性能效果还不够理想[31]；并且过重的纸箱包装，不但影响运输效率，而且损坏概率增加。

2 发展趋势

（1）上述废纸包装材料要在经济和性能上完全取代塑料制品，还需在生产工艺等方面作较大的改进与革新，改变旧的思路和方法，研究出新的工艺，解决现阶段应用中出现的一系列问题，提高废纸包装材料的承载能力，扩大废纸包装材料的应用范围。

（2）提高废纸包装材料生产进程中的自动化水平。目前废纸包装材料生产过程中不能完全实现机器的自动化操作或自动化水平不高，造成生产效率低下，劳动力成本增大，增加了包装制品的成本。

（3）提高材料的湿强度。废纸纤维在耐湿上存在问题，废纸纤维复合材料的耐湿性能差，湿强度低。需要对纤维进行适当的防水处理，如原料中添加防水剂，成型后的材料喷镀防水材料等，以提高植物纤维复合材料的耐水性能。

（4）在使用辅助材料时，选择对环境无污染且具有良好降解性能的添加剂，不给环境造成负担。

（5）提高材料性能的同时降低生产成本，提高市场竞争力。由于环保的压力，环保包装的开发受到普遍重视，减量包装技术是大家所熟知的，即减量比、再利用、再循环，目前包装材料与技术的发展趋势是高效、节能、环保等，在研究与开发新的包装材料时，成本是一个非常重要的因素。

3 结束语

包装行业面临着资源短缺和环境破坏两大问题，环境是人类赖以生存和发展的物质基础，以破坏环境为代价的经济发展是不可取的。全球经济的高速发展对于能源，尤其是可再生、可循环、可持续利用能源的需求日益增加。在现有条件下，采用废纸为主要原材料制作的可降解包装，缓解了对不可再生能源的迫切需求，并且节约了投资，降低了成本，减少了污染，既解决了资源问题，又改善了环境，可谓一举两得。

[1] 张春红.我国废纸的回收利用现状及发展趋势[J].西部纸业论坛，2006，2(35)：7-8.

[2] 王殿君，耿东伟.曹国荣.纸浆模塑材料参数对其缓冲性能影响的仿真研究[J].包装工程，2007(11)：51-52.

[3]EAGLETON D G，MARCONDES J A.Cushionging Characteristics ofMolded Pulp [J].Packaging Technology and Science，1994(7)：30.

[4]MARCONDES Jorge，SCHUENEMAN Herbert.Molded PulpProtecting High2techp roducts[C].Conference on Packaging，Singapore，1999.

[5] 王高升，付春英，金海英.纸浆模塑缓冲结构设计原理的研究[J].中国造纸，2001，22(4)：257-271.

[6] 康勇刚，王 巍，高 鹏，等.纸浆模塑制品结构参数和缓冲作用[J].中国包装，2002(5)：95-98.

[7] 钟毓宁，龙盛蓉，张业鹏.基于有限元的缓冲包装结构参数对缓冲性能影响的仿真研究[J].包装工程，2004，25(4)：149-151.

[8] 李厚民，朱若燕，王章苹，等.手机用纸浆模塑盒的有限元分析[J].包装工程，2006，27(5)：8-9.

[9] 金国斌，徐兰萍.纸浆模塑件生产工艺方法综合研究[J].包装工程，2004，25(3)：1-3.

[10]汪再文.国内外纸浆模塑发展现状分析[J].中国包装工业.2006(6)：25-26.

[11] 张 琳.纸浆模塑包装制品干燥机理及其工艺参数研究[D].无锡：江南大学，2006.

[12] 曹绍文，吴其叶.发泡型植物纤维缓冲包装材料[J].中国包装工业，2002，9(9)：9-11.

[13] 李江平.纸浆发泡技术的研究[J].电器电机技术，1999(1)：42-44.

[14] 吕艳娜，张运展，欧建志.用废纸制取包装缓冲材料的研究[J].包装工程，2004，25（6）：78-79.

[15] Johnson，Jim.Packaging maker betting on green[J].Waste News，2000，6(22)：5.

[16] 孙玉冰，纸浆模塑制品发泡原理及实验方法[EB/OL].[2009-10-18].中国包装标准网.

[17] 郭彦峰，张景绘，许文才，等.蜂窝纸板及其缓冲衬垫缓冲特性研究[J].包装工程，2002，23(5)：110-112.

[18] 郝 巍，李 勇，罗玉清.中、高密度蜂窝力学性能研究[J].航空材料学报，2002，22(2)：41-45.

[19] 杨嫣红.环保运输包装材料性能研究[D].无锡：江南大学，2003.

[20] 李厚民.蜂窝纸板受压时的有限元分析[J].包装工程，2006，27(1)：34－36.

[21] Timoshenko S P，Gere J M.Theory of elastic stability[M].mcgraw-hill,New York，1961.

[22] Shafizadeh JE，SeferisJC.Scaling of honeycomb compressive yield tresses[J]. Applied Science and Manufacturing.2000，31：681-688.

[23]蜂窝纸板的技术工艺应用现状及前景[EB/OL].[2009-12-30].现代物流网.

[24] 郭彦峰，张 伟.X-PLY超强瓦楞纸板的强度试验研究[J].包装工程.2002，23(3)：6-8.

[25] 刘 哗，王振林.三重组合瓦楞纸板静态平压性能的理论建模[J].包装工程，2004，25(5)：162-164.

[26] 高 德，王振林.B楞双层瓦楞纸板衬垫平压缓冲动态性能建模[J].振动工程学报，2001，14(2)：172-178.

[27]Kim Do Wook(KR)，Kim KiJeong(KR).Double-ply corrugated paperboard[P].Korea：WO9632249.

[28] Rousserie，Pouyet J.Characterrization of corrugated board panels：An experimental[J].Study.Journal of Pulp and Paper Science，1997，23(7)：330-334.

[29]Jr M W Johnson，T J Urbanik.Buckling of axially loaded long rectangular paperboard plates[J].Wood and Fiber Science,1987，2(19)：135-146.

[30] M E Biancolini，C Brutti.Numerical and experimental investigation of the strength of corrugated board packages[J].Packag.Technol.Sci.，2003(16)：47-60.

[31]丰琪纸箱博客.解决纸箱破损的措施.[EB/OL].[2009-10-12].http：//www.fengqipaper.com/zhixiang/paper/85.html.

Research and application trend of the wastepaper packaging materials

HU Yinghua
（Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China）

This paper summarized research progress and application of the wastepaper packaging materials analysised the strengths and weaknesses of waste paper materials and pointed out application trends of the wastepaper packaging materials.

wastepaper recycling;biodegradable;packaging material

X799

A

1674-0912（2010）05-0037-04

2010－01－25）

胡英华（1980-），女，陕西人，天津科技大学在读硕士研究生，主攻废纸纤维基包装材料。