纸浆模塑餐盒生产工艺及其危害物探讨

李志礼，孙彬青，王鸿远，刘 硕，杨洪苏

（1.天津科技大学轻工科学与工程学院，中国轻工业食品包装材料与技术重点实验室，天津300457；2.天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）

随着一次性聚苯乙烯泡沫餐盒的全面禁止，快餐行业在餐盒的种类上存在众多选择。当前，纸餐盒已成为商家的选择之一，但塑料餐盒仍占据大量市场。塑料餐盒具有密度小、质量轻、易于加工等诸多特点，外观可透明也可不透明。用来制造餐盒塑料有聚乙烯、聚丙烯等。塑料餐盒在使用后的回收和降解上存在诸多问题。首先，废弃后的塑料餐盒很难回收利用。塑料制品的降解时间，通常至少需要200年，若将废弃的塑料餐盒进行掩埋处理，会影响农作物对水分、养分的吸收，抑制农作物的生长发育，造成农作物的减产。若把废塑料餐盒直接进行焚烧处理，将给环境造成严重的二次污染。因而，纸浆模塑餐盒的应用在一定程度上可以代替塑料餐盒[1]。

纸浆模塑餐盒是以纸浆为主要原料，利用模塑机上的特殊模具塑造出的纸餐盒。在整个制造过程中，根据纸餐盒产品的相关性能要求，还要添加多种适量的助剂。纸浆模塑源于造纸业，其以常见的芦苇、蔗渣、麦草、秸秆等植物纤维浆为原料，同时还具有一般纸制品的强度、挺度和抗压性等特点。

纸浆模塑餐盒在近几年得到快速发展，我国投人大量人力和资金研制符合我国国情的纸浆模塑餐盒。为了防止食品安全问题的发生，其生产设备、工艺、配方、卫生和理化指标的要求均很高，某些性能指标已达到世界先进水平[2]。本文主要针对纸浆模具餐盒主要生产工艺、生产要求及成品中可能存在的危害物等内容进行了概述。

1 生产工艺简介及研究进展

纸浆模塑餐具是采用一定浓度的纸浆或植物纤维纸浆为基料，通过真空吸浆将纸或植物纤维均匀沉积在模具表面，再经过脱水、干燥、脱毛及后续深层加工制成的精致纸餐盒[3]。

1.1 纸浆的制备

纸浆主要由水、短纤维和细纤维组成。制备纸浆的原材料可以选用回收纸质材料，如纸板、报纸、杂志、再生纸和其他纸基产品，将这些材料与热水混合一定时间，经过浆板粉碎、漂洗、加入添加剂、匀浆等操作过程，再通过一套振动筛去除塑料和金属等杂质，就可以得到匀制好的纸浆[4]。

1.2 真空吸浆成型

成型是将原浆制成一定形状的半湿态纸餐具的毛坯，也就是用经制浆工序得到的纸浆在模具上脱水形成湿纸模。成型是纸餐具生产过程中的关键工序，纸浆中约95%的水是在成型时脱除的，该工序对产品的质量、材料和能源的消耗、生产效率的提高、降低破损率等起着决定性的作用。成型的质量取决于成型机、成型方式、模具的结构和质量以及原浆质量等因素[5]。

在成型过程中，模具被浸没在一个充满纸浆的原料槽（原料池）中，通过真空抽吸让浆料沉积在模具的外表面上。当纸浆积累到所需的厚度后，再通过去真空使成型模从模具上脱落。

真空吸浆成型是生产纸塑制品最常用的一种方法，根据生产设备结构的不同分为3 种方式：转鼓式、翻转式、往复升降式。转鼓式适合纸餐盒的生产，具有连续性旋转生产、生产效率高等特点[6]。但是，其对模具加工精度和设备加工精度的要求高，一套凹模需要配八套凸模，还需用数控中心加工模具，因而整体投资较大。

1.3 冷却定型

在模具成型之后，还要采用机械冷压榨法再次进行脱水定型。这样不仅可以减少制品中的水分含量，还可以增强纤维之间的结合力，从而使制品质地均匀坚实、外观挺括齐整、表面光滑美观[7]。

1.4 干燥

经成型之后纸浆制品还含有较多水分，需进行干燥处理。纸浆模塑餐具的干燥方式多采用烘道对流干燥或在模具内直接加热干燥。

烘道对流干燥方式有热风干燥、远红外线辐射干燥、微波加热干燥等。考虑到成本，一般多采用热风干燥[7]。在模具内直接加热干燥则是在冷却定型后，通过改变模具温度直接对模具内的制品进行热压干燥。此方法干燥后的制品优于烘道对流干燥的制品，并且无需整形模切。

1.5 研究进展

长期以来，漂白木浆一直被用作生产纸浆模塑餐盒的主要原料。然而，近年来，由于漂白木浆相对昂贵的价格和潜在的环境冲突（砍伐森林和制浆过程的高污染负荷），人们越来越有兴趣使用一年生植物纸浆作为纸浆模塑餐盒生产的原料，特别是来自农业废料的纸浆，如漂白甘蔗渣浆。这将大大减少生产成本，提高生产效益。

在纸浆模塑餐盒生产过程中，普遍存在严重的沉淀问题。沉积物的形成会堵塞管道，腐蚀和损坏设备，增加清洗频率，相应地增加成本并降低产品质量。研究发现，防水剂和防油剂中含有较多的细粉是造成这一问题的主要原因。虽然现有的添加剂已经能够达到生产需求，但研发新型的添加剂仍是纸浆模塑餐盒行业发展的趋势之一。

瑞典PalPac 公司研发的新型纸浆模塑生产线已基本实现智能化、无人化操作。它采用先进的直压工艺，利用卷筒纸或浆板作原料，经过分散纤维和纤维成型、成品挤压和定型等过程，实现了纸浆模塑生产的智能化和无人化操作。

在未来，为了提升产品性能、降低成本并精确地控制产品的整个生产过程，可以尝试将计算机技术更多地应用到纸浆模塑餐盒的生产中，研发出我国的智能化、无人化纸浆模塑生产线[8]。

2 生产要求

模具结构由凸模、凹模、网模、模座、模具背腔和气室等组成，其中网模是模具主体。网模不能独立于成型模具，必须依附在模具表面才能成型。模具背面与模具工作面保持一定厚度、与模具工作面形状完全同步。背面部位与模具工作面之间形成空腔，并由均布的小孔联通。模具通过模座安装在成型机的模板上[9]。

纸浆模塑除了满足纸制品的强度和韧性外，还要根据具体的功能性应用生产多种复杂的纸制品。对于一次性餐具纸浆模塑制品，其生产设备相对简单，功率要求不高。当进行工业化生产时，对于其设计生产要求会更严格[10]。

纸浆模塑餐盒要对被承装的食品起到保护作用，尤其对汤类食物。在结构设计中，可利用形腔和立筋调整制品的强度和缓冲性，形腔可以增加制品整体的弹性和柔性，立筋可增加制品强度和刚性[11]。在纸浆模塑餐盒的内外表面转角处、立筋与主体联接处等部位都用圆角过渡，避免直棱直角。过渡圆角有利于浆料在吸附成形时的流动、脱模、减小应力集中等[12]。

纸浆模塑制品的稳定性受环境中水分的影响非常大。在纸浆中，还要添加满足包装功能性的添加剂。

3 成品中可能存在的危害物

餐盒直接用来盛放食品，若餐盒中存在危害物，就可能通过接触渗入到食品中。危害物被人摄入会造成诸多食品安全问题[13]。

3.1 甲醇

木质纤维素制浆材料中含有木质素和半纤维素。木质素和半纤维素上存在甲氧基基团，在制浆和漂白过程中会产生大量甲醇[14]。由于纸浆纤维中存在亲水基团，即使在纸浆洗涤和干燥过程之后，也会有大量甲醇保留在纸浆和最终纸制品中。制品基质中的原始甲醇含量是一个重要指标，其与可能迁移到包装商品中的甲醇量直接相关[15]。

甲醇是一种轻质、易挥发、无色、易燃的液体，其被人体吸收消化后，会产生甲酸或甲酸盐。甲醇的代谢产物对中枢神经系统有毒，在极端情况下，可导致失明、昏迷和死亡。欧盟、美国和其他国家已通过严格的法规来限制食品、饮用水和工作场所空气中甲醇的含量。有研究发现，甲醇从固体纸浆纤维中的释放极其缓慢，需要几周或几个月才能达到平衡。这可能是甲醇和纸浆纤维中极性官能团之间强分子相互作用的结果。尽管如此，甲醛造成的食品安全问题仍然不可以轻视[16]。如果不小心口服甲醛而导致中毒，经口摄入0.3～1 g/kg 就可致人死亡。

在甲醇迁移量的测定实验中，用体积分数为10%的乙酸充当模拟水性食品模拟物，通常采用碱萃取和顶空气相色谱分析快速测定纸浆模塑餐盒中的甲醇含量[17]。在实际的生产中，通过材料处理（如表面涂层和填充）可以抑制甲醇从纸制品中的迁移。同时，还要关注木质纤维素制浆材料中的原始甲醇含量。

3.2 氟化化合物

改善纸浆模塑纸餐盒耐水耐油性能的主要方法是增加制品厚度和添加防水防油剂。增加厚度可以在一定程度上改善问题，但不如添加防水防油剂有效。防水防油剂的原理就是改变纸张的表面张力，使水或油不容易渗透到纸浆模塑中。

国内常用的防水防油剂有含氟类表面活性剂、石蜡、松香胶、壳聚糖等。其中，单独使用含氟或全氟类单体作为防水剂的成本较高，在实际应用中受到很大限制。实际生产中常选用将含氟单体和其他单体聚合得到的共聚物作为防油防水剂，其既有良好的物理机械性能，又有有机氟类良好的防水、防油防污和耐候性[18]。

含氟类表面活性剂是高持久性的合成化学品，特有的碳氟键使其在高温下也极不易降解。长时间接触或误食含氟的有害聚合物会引起肾癌和睾丸癌、低出生体重、甲状腺疾病、精子质量下降、妊娠高血压和儿童免疫毒性等诸多安全问题。

对于食品接触材料中的氟化化合物，国内和国外都没有相关检测标准。在相关实验中，通常采用高效液相色谱-质谱法和高效液相色谱-串联质谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱荧光检测法等测定氟化化合物，如全氟辛烷膦酸（C8 PFPA）和双全氟辛烷膦酸钠（C8/C8 PFPiA）[19]。

尽管制造商已经淘汰了20 种PFOA、全氟辛烷磺酸和一些其他长链全氟辛烷磺酸，但在全球范围内，在水、土壤、沉积物、野生动物和人类血液样本中经常检测到有害的氟化合物[16]。所以，对含氟类表面活性剂的种类和用量还要进行深一步的研究，从而避免发生食品安全问题。

4 结束语

随着人们物质生活水平和环保意识的普遍提高，在生产和生活中会更多考虑对人体健康的影响、对社会环境的影响、垃圾处理的便利性和资源回收等问题。纸浆模塑餐盒是一种可生物分解的绿色包装产品，在其生产和使用过程中产生的工业污染较少，并且废弃物可回收利用。我国纸浆模塑餐盒的生产工艺和技术已较成熟，进一步的研究应集中于降低生产成本、优化生产工艺和提高食品安全性等方面。