低碳循环纤维模塑包装产业的发展趋势探讨

李昊津 卫灵君 孙昊 张美珠 范吕慧 刘雨卉

摘要：纤维模塑制品具有绿色环保、缓冲性能优良、价格低廉等特性，近年我国已成为纤维模塑制品的主要生产国。目前在工业、食品、农用品包装领域应用广泛，且在未来将逐步替代部分塑料包装和制品，拥有更大的市场份额。本文从纤维模塑制品的原料天然、创新工艺和低碳环保三个角度进行了分析探讨，而且结合环境形势提出了纤维模塑包装通用标准化、高性能、高精度、高品质化和整体化的未来发展理念。

关键词：纤维模塑包装；低碳；发展趋势

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：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

隨着快递和电商行业的兴起，我国的包装产业迎来了发展飞跃期，2020年我国的快递量已超800亿件，一年产生近1600万吨的固体垃圾，相当于1.5亿个成年人的体重，而其中纸类包装的占比高达90%，大量的纸类包装废弃物亟待处理。2017年我国进口废纸量为2572万吨，并在不断减少，2020年底我国已实现了废纸的进口清零[1]。而我国的森林资源短时间内难以填补由此产生的千万吨纤维原料缺口，国产纸类废弃物的回收是目前纤维的主要来源。此外，随着全球限塑政策的不断落地，到2025年纤维模塑在塑料包装市场中的渗透率有望达到30%，市场容量有望达到2388亿元。因此，以纸类废弃物为原料的纤维模塑产品再次成为了热点议题。

纤维模塑制品原料主要来源于天然纤维，可降解、无污染、性能良好，广泛应用于食品、农用品和工业包装中，它既是“以纸代塑”的一种最佳选择，又能够实现纸类废弃物回收循环再利用，促进被包装产品的绿色出口贸易，是一种集经济效益和环境效益于一体的绿色低碳包装制品。

1 绿色环保的纤维模塑材料

纤维模塑是一种多孔介质材料，材料的整体骨架主要由纤维成分构成，其间比表面积巨大但体积微小、相互连通的空隙，充满了气体、水分等介质，从而具有缓冲防震、高强度等性能，其原料主要分为原浆和再生浆。

1.1 原浆

纤维模塑原浆的来源以木材、秸秆、甘蔗、竹子为主，草类、果渣、椰壳[2-4]和非植物纤维等占总浆料的15%左右[5]。秸秆、甘蔗、草类纤维等虽然强度不如木材类高，但也可满足纤维模塑制品的基本需求，而且这些材料成长周期短、成本低廉且来源更加广泛。但由于季节性和地域性的差异使这些材料属性有时也差异较大，因此大规模使用尚有一定的局限性。非植物纤维作为纤维模塑产品的原浆，目前主要有无机填料、化学纤维、金属纤维等，这些原料可多次循环使用且能保持良好性能。近年来笔者团队也研发了一种生物质基非植物纤维类填料用于纤维模塑制浆，可大量替代植物纤维且性能更优。以非木质纤维为原料将减少对森林资源的砍伐，有利于自然碳汇，先进的非木材纤维制浆技术也将促使生产更加节能高效，减少碳排放量。

1.2 再生浆

再生浆的来源主要为回收废纸、废旧回收纸箱和纸制品加工边角料等，其再次利用时植物纤维由于一次利用和再次碎浆都会带来部分损伤，使强度有所下降。但再生浆为回收再利用材料，碎浆过程污染小、能耗少，而且是循环再利用原材料，因此该种浆料的制备过程碳排放量低，原料的来源不直接涉及自然碳汇的林木资源，是低碳环保的可再生材料。在2017-2022年全球的纤维模塑纤维原料需求中，二次回收纤维依旧是全球纤维模塑制品的主要原料，占比达85%[5]，且复合增长率的提高显示了纤维模塑制品对纸质废弃物的回收将不断增长，废弃资源的再利用率不断提高，促进工业产业链条的低碳循环发展，推动构建绿色、低碳、循环发展要求下的可回收体系。

2 性能优越的代塑产品

随着人们对塑料制品给人类动物健康和环境带来危害的意识提升，寻找替代一次性塑料的包装制品已成为社会共识。纤维模塑材料以其良好的经济环保性、功能适用性在包装领域有着较大的发展前景。近年来，关于纤维模塑制品性能的最新相关研究突破主要包括阻隔性能、表面性能和重型产品缓冲性能等，如采用全氟十四烷、十七氟三甲氧基乙氧基硅烷、无水乙醇配置的溶液浸泡或喷涂纤维模塑制品，可获得接触角达158°的超疏水制品，解决了部分电子产品的高防水要求；以普通淀粉为黏度调节剂，将两性淀粉与PAM混合配置出的表面施胶剂可明显改善制品的掉屑掉粉量，促进其在高端产品包装中的应用[8]；开发设计新型分体式吸滤成型模具实现脱模斜度较小或无脱模斜度的纤维模塑制品的成型[9]；采用双面吸附成型工艺的立体中空蜂格结构，可大大提高承压能力和抗弯性能，承载2000kg以上的重型产品[10]。

由以上可以看出纤维模塑各项性能日趋完善，且以其可回收、可降解等特性将会是EPS等塑料制品的“环保替代品”，在绿色营销和出口创汇上有更多的优势[11]。然而，纤维模塑制品在包装应用上也面临着模具结构适应性不够强、原料不同引起性能不足等问题，但是通过不断地探索和创新，纤维模塑终将逐步取代塑料在包装行业的地位，成为未来绿色包装的主要材料之一。

3 低碳创新的纤维模塑制品

纤维模塑制品的生产是一项立体造纸技术，该过程包括原料分选、制浆配浆、成型、定型、干燥等多个工艺步骤，如图1所示。从制浆过程到成型过程，污染物几乎可做到零排放，而且纤维模塑成型后的白水可循环复用，符合低碳循环的清洁生产要求。

3.1 低碳节能高效的干燥技术

纤维模塑制品在初步形成模坯时的含水率在50%-60%，而最终含水量应在4%-8%（纸张在存储或使用时的平衡含水量）[12]，干燥过程需要的能耗占据总能耗的近三分之一。目前，纤维模塑的干燥工艺方法包括低能耗低效的自然风干和高能耗高效的热压干燥、热风对流干燥、真空干燥、远红外线辐射干燥等。国内纤维模塑厂主要为干法成型，即采用自然晾晒、热风对流烘干等能耗较小、成本低的干燥方法，辅以热压整形等技术手段；对于一些高品质精美产品主要为湿法成型——采用热压工艺直接干燥成型，其能耗将远高于干法成型。

我国的碳中和、碳达峰目标明确指出，“十四五”期间应节能提高能效、优化能源结构、严格控制高耗能项目新增产能，形成绿色产业、绿色发展体系。为了实现这一目标，纤维模塑行业应继续探索新型高效节能的干燥方式，或通过改善相关工艺参数、元件来节约能耗和确保精密制品成型的稳定，如Mattia等[13]研究了热压过程中的各参数对于工艺脱水效率、制品精度等的影响，江仲文等[14]提出了使用热超导元件提高传热效率、减少模具在传热过程中的热量损失，Lefeuvre，S.[15]提出将微波射频技术应用于多孔结构材料的干燥中，Didone等[16-17]首先提出了将脉冲干燥技术应用于纤维模塑的生产中，不仅能节约时间、减少能耗，而且能提高制品的强度和成型脱水效率。

3.2 尾水回用零排放

近年来随着生态文明高质量建设的要求，我国也推行了很多资源循环利用方向的政策要求。在2021年《关于推进污水资源化利用的指导意见》中提出，我国要积极推动工业废水资源化利用、循环利用，提高重复利用率，严控新水取用量，实现串联用水、一水多用和分级回用。纤维模塑工艺是一种符合大的政策环境要求的绿色工艺。纤维模塑多数采用浆板纸和再生浆，碎浆过程污染低，成型产生的白水经过气浮、混凝、膜分离等简单物化处理后即可循环使用，生产过程中尾水排放几乎为零，可以节约用水50%左右，节约能耗60%-70%，符合上述政策中低新水用量、循环利用和零排放的要求。

3.3 创新干法模压纤维生产工艺

干法模压纤维技术正在不断进步，PulPac制造了一条干法模压成型纤维标准化生产线——PulPac 300吨生产单元（PU300），可用于生产餐具、纤维模塑瓶等产品。干式工艺生产速率是传统纤维成型的十倍，周期時间与塑料制造相当，其优点在于用水极少，无需废水处理且几乎没有污水排放隐患，比传统的纤维成型工艺更节能、干燥成本更低，在线回收使材料效率高达99%，与塑料相比可将二氧化碳排放量降低90%[18]。但这种干法模塑产品的加工受到材料成型的制约，对于有深度和复杂形状的产品加工尚有难度。

低碳材料应从原料、工艺、机械、循环利用、可降解等方面综合考虑，纤维模塑使用了废纸、农业剩余物等可循环再生原料，减少了对森林的砍伐和对自然生态系统的破坏。生产工艺中废水、废气可达零排放，通过工艺的不断创新实现了能耗的大幅降低，碳排放量不断缩减。在未来，这些节省的二氧化碳排放可以在碳汇市场寻求交易。

4 纤维模塑包装产业发展趋势与前景分析

4.1 基于5R1D原则下的低碳循环发展

随着环保意识渐渐深入人心，时代赋予环保的定义也愈发丰富，绿色包装的发展始终都应遵循5R+1D原则，即减量化（reduce）、可回收（return）、可复用（reuse）、循环利用（recycle）、拒绝非环保包装（refuse）、可降解（degradable）[19]。在未来，纤维模塑制品将回收越来越多的二次再生纤维或农用残余物进行制浆，实现材料最大限度的循环利用。当材料寿命在多次循环利用后，其材料属性终结时可直接在大自然中降解，从而减少由焚烧产生的能源消耗、有害物质排放和碳排放，助力碳达峰。纤维模塑的生产过程也将会向清洁化生产和处理方向发展，可通过采用物化生化等技术实现水的循环利用，最终达到水源的低输入和“零排放”，同时采用脉冲技术、微波射频技术等新的干燥技术节约能耗，实现生产过程的高效节能[6]。因此，纤维模塑产品将会是低碳循环发展下一种完美符合5R1D原则的绿色环保包装方案。

4.2 包装标准化、通用化

包装是一类追求个性化差异的产品，其内装产品不一而同，造成了包装的尺寸、结构形状各异，从而在“量体裁衣”的产品设计过程中增加了包装成本，延长了设计和生产周期。而纤维模塑包装的标准化和通用化将在设计、生产、仓储等方面提升产品优越性，推动行业的绿色低碳循环发展。纤维模塑包装件的标准化、通用化可以统一提高包装质量，避免不良包装或过度包装，降低模具加工、技术研发、仓储成本，提高原材料资源有效利用率，便于包装制品的回收再利用。从生产的角度出发，纤维模塑包装的标准化可实现生产的机械化、自动化、连续化和批量化，能够大规模地提高产品的生产效率和品质精度，缩短生产周期，减少生产成本。从物流仓储运输的角度出发，纤维模塑包装的标准化能提高运输过程中的空间利用率，提高运输效率、节约运输成本、优化运输体系。从企业的市场开发角度上，从上游到下游企业供应链的无缝衔接，储存、运输、装卸搬运、配送等环节的协调配合，可实现整个生产—运输过程的有序化和便捷化，而且高效扩大市场占有率。

4.3 高精度化、高品质化、高性能化

上世纪80-90年代，纤维模塑工业才正式进入中国，过去传统的纤维模塑制品表面粗糙、易掉屑、机械强度低和印刷性差，不能满足完全替代塑料产品的要求。若要应用于精密电子产品的工业包装，则需要采用浆内助剂、表面涂覆、对纤维原料改性等方法改善其表面性能[20]，例如迪乐公司生产的高光滑度、低拔模斜度的高精度化纤维模塑制品，这不仅增加了与产品的贴合，而且提高了包装的承压能力、减少包装耗材；为了适应食品包装的高品质化需求，纤维模塑应减少或避免添加剂的使用，保证食品的安全性。今年腾讯发行的中秋月饼礼盒就采用了食品级环保甘蔗渣纤维模塑包装，甘蔗渣来自于糖厂榨糖后的剩余物，纯天然无污染，不含塑料、油墨，卫生环保，可与食物直接接触。此外，纤维模塑也在向高性能化发展，如高阻隔材料、保鲜材料、高强度材料等，Footprint团队制作了杯盖和杯身均为植物纤维的原型杯CoolTouch，内里为不含有机溶剂、对环境无害的水基涂层，能够保证水分不渗漏[21]。

4.4 包装整体化

纤维模塑制品的另一大趋势为包装整体化，即由纯包装衬垫发展为内中外包装均为纤维模塑材料，这不仅便于在纤维模塑工厂进行机械化生产、一体成型、无需其他材料或产品的运输，而且能够使材料统一、易于回收、开启简便，节约外包装箱成本。明基（BenQ）为其投影仪推出的全新纤维模塑包装，其特点在于其缓冲衬垫和外包装都只采用了纤维模塑一种材料，形状规则易于堆码、便于回收，消费者在开启时也只需简易的拆装就能够取出产品。

4.5 应用多元化

随着干法、湿法纤维模塑等技术的不断成熟，纤维模塑将应用于更多领域，如餐盒餐具（勺子、搅拌棒）、全纸模杯瓶、工业包装、农用品包装、医用器具、文具产品（笔壳）、家具用品、汽车内部缓冲构件、日用品部件（衣架、化妆瓶）等。其中，纸模瓶的发展是最被看好的，最新研究显示，2021年包装纸瓶销量预计增长5.4%至2430万瓶，而未来10年将以超过6%的复合年增长率扩大，2031年纸瓶市场的价值将增加1.8倍。Pulpex以环保可持续的纸浆作为原料，开发了一种易回收、不含PET、食品级阻隔的纤维模塑瓶。虽然绿色可降解的纤维模塑瓶发展前景可期，但是目前其成本、寿命和耐用性都不及塑料瓶，这也将是未来纤维模塑行业发展需要克服的重大难题。

5 结语

“绿色发展是生态文明建设的必然要求，代表了当今科技和产业变革方向，是最有前途的发展领域。”绿色发展是未来三十年最具社会价值和意义的赛道，是未来最重要和最明确的趋势，完全契合我国的方针。近年来，国内每年纸浆和木材都有大量的缺口，需要进口，这两年纸浆价格也是一路猛涨。纤维模塑的发展将废纸等废弃物变废为宝创造了全新的可再生资源、节约纸浆消耗、保护森林等植被资源，同时也减少了由制浆带来高污染、高能耗，替代了高污染的塑料制品的部分市场。碳达峰、碳中和目标是我国的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，是一场广泛而深刻的经济社会系统变革，未來每个人、每个系统、每个组织都将涉及其中，绿色低碳的纤维模塑企业将会面临更大的发展机遇。

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