纸基阻隔包装的发展及其在卫品包装中的应用

王比松 杜艳芬 刘金刚 李洪才 夏菲

1 前言

日常生活中，商品的包装已经无处不在。作为包装业四大材料之一的塑料，其用量稳居第二位，紧随纸和纸板包装材料，占25%。根据全球综合数据资料库Statista统计，2019年，全球合成树脂总产量达到3.68亿t，消费量估计在2.55亿t左右。我国塑料消费量已经占全球比例的15%，仅塑料包装行业的产值就达到了4,297亿元，其用量已经达到千万吨水平。这其中，食品用塑料包装在我国塑料包装总量中占到了25%左右。

然而，塑料的回收利用率不高，最终还是需要采用焚烧或填埋来处理，对环境产生了严重且长期的污染。据统计，全球每年有800多万t塑料垃圾进入海洋，塑料垃圾不仅危害海洋生物，也可能会威胁人类健康。难降解的塑料垃圾已成为世界公认的治理难题，世界各国纷纷颁布禁、限塑令。在我国，2020年国家发展改革委、生态环境部发布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，其中一项是禁止、限制使用不可降解塑料包装材料。

纸基包装材料由于来源广泛、可再生、可回收利用、废弃物可生物降解等特点，用量也在不断增加。近年来，作为绿色环保包装材料，“以纸代塑”的呼声不绝于耳。

2 纸基阻隔包装材料

作为包装材料，不同的商品，对阻隔的要求也有差异，阻隔性能是指被阻隔物质在材料主体结构中吸附、浸渍、扩散、渗透、通过的能力。通常，被阻隔物包括气体，如水蒸气、氧气、挥发性有机气体，如香气；液体，如水、有机溶剂等。生活用纸、卫生用品包装的阻隔要求，主要是一定程度上阻隔水蒸气和液体。

纸基包装材料作为最具代表性的可持续天然绿色材料，广泛应用于各个领域，在日常生活和生产中发挥着重要作用。但与塑料包装基材相比，纸基包装材料富含亲水的羟基、结构为多孔的三维网络结构，这使得纸基材对水、油类和气体的阻隔性能明显差于塑料基材，需要从多方面对纸包装基材的阻隔性能进行改善，其中一个较为普遍的方式就是纸基包装材料表面进行特殊处理，形成复合材料。

纸基复合包装材料是指以包装纸或纸板为基材，通过一定的加工工艺（如浸渍、涂布、铸涂、镀膜、层压复合等）将其他材料与纸基材料复合形成多功能性复合包装材料，如图1所示。纸基复合包装材料是结合各种材料性能，取长补短，充分利用如金属材料、聚合物材料等基材优异的阻隔、保温、抗菌等性能和天然植物纤维的生态环保性能的产物，一般包括纸基层（起支撑和承印作用）、功能层（起阻隔、保温、抗菌等作用）和热封层。

图1 纸基复合包装材料的分类

纸基复合包装材料中应用比较成熟的包括纸、塑、铝复合包装，例如牛奶的包装，这类包装阻隔性能非常好，但难于回收和降解；另一类是纸塑复合，如较为常见的淋膜纸（纸与PE膜复合），也存在回收困难，塑料成分不可降解的问题。目前，比较热门的研究是纸基与乳液或溶液类聚合物材料，通过表面涂布方式生产的纸基阻隔包装材料。其中一些聚合物类材料能够实现生物降解，制成纸基包装材料，可以实现90%以上的生物降解率，明显降低了对环境的污染。

2.1 阻水性能

纸基材料从阻水机理上来说，可以分为两种，一种是通过疏水基团与纤维上的羟基反应，形成低表面能的纤维表面，降低水的润湿性和渗透性。如图2所示，防水剂和纤维的活性羟基反应产生疏水基团，这些疏水基团向外排列降低材料表面能。另一种是通过涂布或在纤维表面涂覆聚合物，形成致密的膜，降低水的透过率，从而达到良好的阻隔效果，如图3所示。通常，评价纸基材料阻水性能包括接触角的测试（GB/T 30693-2014塑料薄膜与水接触角的测量）、Cobb吸水性的测试（GB/T 1540-2002纸和纸板吸水性的测定）等方法。

图2 疏水基团阻水机理

图3 致密膜阻水机理

常见的阻隔材料包括阻隔膜材料、水性阻隔材料和疏水聚合物。其中，较为传统的阻隔膜采用聚丙烯、聚乙烯等在纸张表面淋膜，形成纸塑复合材料，起到优良的阻隔效果。然而，传统纸塑复合包装材料的废弃物难以回收处理，塑料部分不能降解等问题，正在被一些可降解的材料所替代。水性阻隔材料主要包括乳液聚合物类和生物质聚合物类，主要通过涂布的方式在纸表面形成阻隔涂层。疏水聚合物包括长链烷烃类、不饱和内酯类，主要是通过降低纸面的表面能，使表面疏水，达到阻隔目的。在应用中也会与成膜性材料复合应用，例如，PVA与AKD复合应用可以获得良好的阻隔水和水蒸气性能。达到综合的阻隔效果。

2.2 阻油性能

研究表明，油脂分子本身不能溶解或润胀纸基纤维，因而不能像水分子一样可以借助纤维本体发生扩散，但由于构成纸基材料的纤维间存在大量孔缝结构，油脂分子可以借助毛细管作用通过纸基纤维三维网络中的孔缝结构发生扩散。纸基材料阻油的机理主要包括：降低纸张表面能或提高纸张表面的封闭程度实现阻油目的。

含氟类防油剂是利用防油剂中带正电荷的极化基团与纸基纤维上的负电荷通过静电作用结合，具有极低表面能的氟链（比所有类型的油脂分子的表面能都低）朝向外排列在纤维表面形成一层表面张力极低的疏油层，通过降低表面张力来实现阻油的目的，如图4（A）所示。但这类助剂中的一些物质如全氟辛酸、全氟辛烷磺酸及其盐类，不降解，严重危害环境和人体健康。目前这类助剂的应用已经在逐渐减少。

图4 纸基材料两种阻油的机理

非含氟类防油剂是通过在纸基材料表面形成一层致密层来达到阻止油脂分子渗透的目的，如图4（B）所示，应用比较多的是丙烯酸酯类的防油剂，另一种是生物质聚合物，如纳米纤维素，也有比较好的阻油性能，应用时需要配合其他助剂，如疏水剂等复合应用，以提高综合的阻隔性能。

2.3 阻气性能

对于一些需要阻气的商品包装来说，比较常见的，如阻隔水蒸气，可以防止被包装物变干；阻隔氧气，可以防止被包装食品变质；还有些需要阻隔挥发性的香气，起到保香的作用。阻气的原理主要包括多层结构复合阻隔、疏水化改性、物理共混等。有些被包装物往往需要阻隔两种以上的气体，通常会通过多层阻隔结构来实现。图5为阻气的机理。

图5 纸基材料阻气的机理

若降低气体在包装材料中的透过率，材料本身就必须具备较高的内聚能密度和较低的自由体积分数。水蒸气和氧气的渗透机理几乎相同，但由于二者的极性不同也会存在一些差异。天然纤维素基材料一般是三维网络结构，具有天然多孔性。有效的阻隔气体（O2、CO2、水蒸气）在纸基材料中扩散的方法是在纸基材料表面涂覆一层阻隔涂层。除了传统的树脂类阻隔材料，生物质阻隔材料也正在受到人们的关注，包括多糖类、脂类、蛋白质类等。多糖类研究，目前比较多的是纳米纤维素，通过改性之后的纳米纤维素可以明显改善水蒸气的阻隔效果；同时，通过有效去除纳米纤维素中的木素，形成的致密结晶区可有效阻隔氧气，见表1。纳米纤维素通过减小纤维网络空隙、形成致密表面、增加渗透路径（提高弯曲长度）。

表1 纳米纤维素的阻气效果

一些多糖类的聚合物复合应用，可增加非极性气体的阻隔效果，但对于极性气体，如水蒸气的阻隔效果不佳。对多糖类聚合物进行化学疏水改性，可有效改善水蒸气的阻隔性能。多糖类的阻隔材料，也可以通过多层的组合涂层，实现有效阻隔水蒸气和氧气的目的。脂类、蛋白类，通过与纳米级的片状颜料、疏水性材料共混也可以有效阻隔气体，这主要是长链聚合物与纳米材料形成的插层或剥离型复合结构，通过增加曲线路径实现了有效阻隔，如图6所示。

图6 长链聚合物与纳米材料形成的复合结构

3 生活用纸及卫生用品包装材料现状

在生活用纸及卫生用品的商品中，塑料包装应用也比较普遍。生活用纸委员会发布的数据显示，2022年，我国生活用纸消费总量是1,185万t，其中，面巾纸、手帕纸、餐巾纸、厨房纸巾、擦手纸合计消费量达到了570万t；卫生用品中女性卫生用品、婴儿纸尿裤/片、成人失禁用品等合计消费量超过了1,530亿片，这些品种中绝大多数都用到了塑料包装材料，如PP、PE、PET等合成塑料材质，其用量超过了20万t。

生活用纸及卫生用品应用的塑料包装难回收、难降解，容易形成“白色污染”。一些生产厂家采用减薄包装厚度的方式来减少塑料包装的总用量，从而减少包装对环境的污染。然而，塑料包装材料减薄也带来了一些如挺度降低、产品货架的展示性变差；材料容易拉伸，造成印刷难度增加等问题，不得不恢复原包装厚度。

4 纸基阻隔包装材料在卫品包装、生活用纸包装中的应用

在新的限塑政策引导下，绿色环保的功能性包装新材料孕育而生。比较典型的就是可降解塑料，作为软抽和卫品的独立小包装所用的包装材料，这类材质应用时还存在一些问题，如热封性能达不到要求、材质柔软，商品外形展示性不好、价格昂贵等问题，限制了该材料的应用，还需要进一步优化。常规纸基包装材料应用广泛，价格低廉，但存在不热封、阻水差等问题，因此需要对纸基包装材料进行加工处理，如浆内添加或是表面涂布等方式，使纸基包装材料既有热封性能又有一定阻隔性能，满足卫品包装和生活用纸包装生产过程中的要求。

中国制浆造纸研究院有限公司涂布技术研发中心研发团队，针对卫品中的女性卫生用品独立小包装和生活用纸中软抽面巾纸包装，开发了能够替代塑料的纸基包装材料。该研发团队根据卫品包装和软抽包装的不同应用工况和应用要求，如包装速度、热封性能、包装材料柔韧性、阻隔性能等，选择了表面涂布的方式，通过优化涂层和原纸性能，生产出了纸基包装材料，该纸基材料要既具有热封性能又具有阻隔性能。能够满足女性卫生用品包装和生活用纸中软抽面巾纸包装生产线的应用要求。

涂布生产线生产的两种纸基包装材料，分别在卫生巾包装线和软抽包装线上进行了应用试验。包装的产品如图7和图8所示。图7为应用纸基材料包装好的卫生巾独立小包，图8为应用纸基材料包装好的软抽面巾纸独立小包。经过应用评价，两种包装材料能够满足包装线的生产要求，热封性能和阻水性能均达到应用指标要求。

图7 卫生巾独立小包装

图8 软抽面巾纸独立小包装

表2为纸基包装材料的性能测试指标，其中1#样为软装包装纸基材料，2#～4#为女性卫生用品小包装纸基材料。对比样1#和2#分别为软装包装塑料基材和女性卫生用品小包装塑料基材。从表2中可以看出，两种纸基包装材料热封强度均好于塑料包装材料，并且具有比较好的阻水性能。

5 总结

一次性塑料包装材料对土壤环境、海洋环境产生了严重污染，已经被世界各国所关注，“限塑、禁塑”的法案也相继颁布出台。国内新的限塑令的发布，也加快了对一次性塑料制品减量、限量的步伐。我国出台的一系列政策，明确提出：“支持企业实施绿色战略、绿色标准、绿色管理和绿色生产，建立统一的绿色产品体系，开展绿色评价，引导绿色生产和绿色消费，实施节能标准化示范工程。”我国作为全球塑料消费大国，一次性包装的塑料制品消耗量巨大，这也给绿色环保包装材料的替代与应用留下潜在的空间。

2021年，中国造纸学会纸基绿色包装材料及制品专业委员会在京成立，相继制定了多项纸基绿色包装材料团体标准，其中有两项标准《匠心产品 生活用纸》、《匠心产品 卫生用品》对产品的包装材料进行了说明：“匠心产品之生活用纸产品包装、匠心产品之卫生用品及包装宜采用可降解材料，以降低产品废弃后对环境的负面影响”。

可替代塑料包装的环保型包装材料越来越受到人们的关注，国内一些企业也在积极寻找可替代的环保材料，以减少塑料包装的应用。相信不久的将来，我国生活用纸和卫生用品，有越来越多的产品，会应用到纸基包装材料，让我们一起推进绿色包装的应用，共同打造可回用、可降解的产品包装，从而实现可持续发展，共同保护我们的生态环境。