低碳循環纖維模塑包裝產業的發展趨勢探討

李昊津 衛靈君 孫昊 張美珠 范呂慧 劉雨卉

摘要：纖維模塑制品具有綠色環保、緩沖性能優良、價格低廉等特性，近年我國已成為纖維模塑制品的主要生產國。目前在工業、食品、農用品包裝領域應用廣泛，且在未來將逐步替代部分塑料包裝和制品，擁有更大的市場份額。本文從纖維模塑制品的原料天然、創新工藝和低碳環保三個角度進行了分析探討，而且結合環境形勢提出了纖維模塑包裝通用標準化、高性能、高精度、高品質化和整體化的未來發展理念。

關鍵詞：纖維模塑包裝；低碳；發展趨勢

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著快遞和電商行業的興起，我國的包裝產業迎來了發展飛躍期，2020年我國的快遞量已超800億件，一年產生近1600萬噸的固體垃圾，相當于1.5億個成年人的體重，而其中紙類包裝的占比高達90%，大量的紙類包裝廢棄物亟待處理。2017年我國進口廢紙量為2572萬噸，并在不斷減少，2020年底我國已實現了廢紙的進口清零[1]。而我國的森林資源短時間內難以填補由此產生的千萬噸纖維原料缺口，國產紙類廢棄物的回收是目前纖維的主要來源。此外，隨著全球限塑政策的不斷落地，到2025年纖維模塑在塑料包裝市場中的滲透率有望達到30%，市場容量有望達到2388億元。因此，以紙類廢棄物為原料的纖維模塑產品再次成為了熱點議題。

纖維模塑制品原料主要來源于天然纖維，可降解、無污染、性能良好，廣泛應用于食品、農用品和工業包裝中，它既是“以紙代塑”的一種最佳選擇，又能夠實現紙類廢棄物回收循環再利用，促進被包裝產品的綠色出口貿易，是一種集經濟效益和環境效益于一體的綠色低碳包裝制品。

1 綠色環保的纖維模塑材料

纖維模塑是一種多孔介質材料，材料的整體骨架主要由纖維成分構成，其間比表面積巨大但體積微小、相互連通的空隙，充滿了氣體、水分等介質，從而具有緩沖防震、高強度等性能，其原料主要分為原漿和再生漿。

1.1 原漿

纖維模塑原漿的來源以木材、秸稈、甘蔗、竹子為主，草類、果渣、椰殼[2-4]和非植物纖維等占總漿料的15%左右[5]。秸稈、甘蔗、草類纖維等雖然強度不如木材類高，但也可滿足纖維模塑制品的基本需求，而且這些材料成長周期短、成本低廉且來源更加廣泛。但由于季節性和地域性的差異使這些材料屬性有時也差異較大，因此大規模使用尚有一定的局限性。非植物纖維作為纖維模塑產品的原漿，目前主要有無機填料、化學纖維、金屬纖維等，這些原料可多次循環使用且能保持良好性能。近年來筆者團隊也研發了一種生物質基非植物纖維類填料用于纖維模塑制漿，可大量替代植物纖維且性能更優。以非木質纖維為原料將減少對森林資源的砍伐，有利于自然碳匯，先進的非木材纖維制漿技術也將促使生產更加節能高效，減少碳排放量。

1.2 再生漿

再生漿的來源主要為回收廢紙、廢舊回收紙箱和紙制品加工邊角料等，其再次利用時植物纖維由于一次利用和再次碎漿都會帶來部分損傷，使強度有所下降。但再生漿為回收再利用材料，碎漿過程污染小、能耗少，而且是循環再利用原材料，因此該種漿料的制備過程碳排放量低，原料的來源不直接涉及自然碳匯的林木資源，是低碳環保的可再生材料。在2017-2022年全球的纖維模塑纖維原料需求中，二次回收纖維依舊是全球纖維模塑制品的主要原料，占比達85%[5]，且復合增長率的提高顯示了纖維模塑制品對紙質廢棄物的回收將不斷增長，廢棄資源的再利用率不斷提高，促進工業產業鏈條的低碳循環發展，推動構建綠色、低碳、循環發展要求下的可回收體系。

2 性能優越的代塑產品

隨著人們對塑料制品給人類動物健康和環境帶來危害的意識提升，尋找替代一次性塑料的包裝制品已成為社會共識。纖維模塑材料以其良好的經濟環保性、功能適用性在包裝領域有著較大的發展前景。近年來，關于纖維模塑制品性能的最新相關研究突破主要包括阻隔性能、表面性能和重型產品緩沖性能等，如采用全氟十四烷、十七氟三甲氧基乙氧基硅烷、無水乙醇配置的溶液浸泡或噴涂纖維模塑制品，可獲得接觸角達158°的超疏水制品，解決了部分電子產品的高防水要求；以普通淀粉為黏度調節劑，將兩性淀粉與PAM混合配置出的表面施膠劑可明顯改善制品的掉屑掉粉量，促進其在高端產品包裝中的應用[8]；開發設計新型分體式吸濾成型模具實現脫模斜度較小或無脫模斜度的纖維模塑制品的成型[9]；采用雙面吸附成型工藝的立體中空蜂格結構，可大大提高承壓能力和抗彎性能，承載2000kg以上的重型產品[10]。

由以上可以看出纖維模塑各項性能日趨完善，且以其可回收、可降解等特性將會是EPS等塑料制品的“環保替代品”，在綠色營銷和出口創匯上有更多的優勢[11]。然而，纖維模塑制品在包裝應用上也面臨著模具結構適應性不夠強、原料不同引起性能不足等問題，但是通過不斷地探索和創新，纖維模塑終將逐步取代塑料在包裝行業的地位，成為未來綠色包裝的主要材料之一。

3 低碳創新的纖維模塑制品

纖維模塑制品的生產是一項立體造紙技術，該過程包括原料分選、制漿配漿、成型、定型、干燥等多個工藝步驟，如圖1所示。從制漿過程到成型過程，污染物幾乎可做到零排放，而且纖維模塑成型后的白水可循環復用，符合低碳循環的清潔生產要求。

3.1 低碳節能高效的干燥技術

纖維模塑制品在初步形成模坯時的含水率在50%-60%，而最終含水量應在4%-8%（紙張在存儲或使用時的平衡含水量）[12]，干燥過程需要的能耗占據總能耗的近三分之一。目前，纖維模塑的干燥工藝方法包括低能耗低效的自然風干和高能耗高效的熱壓干燥、熱風對流干燥、真空干燥、遠紅外線輻射干燥等。國內纖維模塑廠主要為干法成型，即采用自然晾曬、熱風對流烘干等能耗較小、成本低的干燥方法，輔以熱壓整形等技術手段；對于一些高品質精美產品主要為濕法成型——采用熱壓工藝直接干燥成型，其能耗將遠高于干法成型。

我國的碳中和、碳達峰目標明確指出，“十四五”期間應節能提高能效、優化能源結構、嚴格控制高耗能項目新增產能，形成綠色產業、綠色發展體系。為了實現這一目標，纖維模塑行業應繼續探索新型高效節能的干燥方式，或通過改善相關工藝參數、元件來節約能耗和確保精密制品成型的穩定，如Mattia等[13]研究了熱壓過程中的各參數對于工藝脫水效率、制品精度等的影響，江仲文等[14]提出了使用熱超導元件提高傳熱效率、減少模具在傳熱過程中的熱量損失，Lefeuvre，S.[15]提出將微波射頻技術應用于多孔結構材料的干燥中，Didone等[16-17]首先提出了將脈沖干燥技術應用于纖維模塑的生產中，不僅能節約時間、減少能耗，而且能提高制品的強度和成型脫水效率。

3.2 尾水回用零排放

近年來隨著生態文明高質量建設的要求，我國也推行了很多資源循環利用方向的政策要求。在2021年《關于推進污水資源化利用的指導意見》中提出，我國要積極推動工業廢水資源化利用、循環利用，提高重復利用率，嚴控新水取用量，實現串聯用水、一水多用和分級回用。纖維模塑工藝是一種符合大的政策環境要求的綠色工藝。纖維模塑多數采用漿板紙和再生漿，碎漿過程污染低，成型產生的白水經過氣浮、混凝、膜分離等簡單物化處理后即可循環使用，生產過程中尾水排放幾乎為零，可以節約用水50%左右，節約能耗60%-70%，符合上述政策中低新水用量、循環利用和零排放的要求。

3.3 創新干法模壓纖維生產工藝

干法模壓纖維技術正在不斷進步，PulPac制造了一條干法模壓成型纖維標準化生產線——PulPac 300噸生產單元（PU300），可用于生產餐具、纖維模塑瓶等產品。干式工藝生產速率是傳統纖維成型的十倍，周期時間與塑料制造相當，其優點在于用水極少，無需廢水處理且幾乎沒有污水排放隱患，比傳統的纖維成型工藝更節能、干燥成本更低，在線回收使材料效率高達99%，與塑料相比可將二氧化碳排放量降低90%[18]。但這種干法模塑產品的加工受到材料成型的制約，對于有深度和復雜形狀的產品加工尚有難度。

低碳材料應從原料、工藝、機械、循環利用、可降解等方面綜合考慮，纖維模塑使用了廢紙、農業剩余物等可循環再生原料，減少了對森林的砍伐和對自然生態系統的破壞。生產工藝中廢水、廢氣可達零排放，通過工藝的不斷創新實現了能耗的大幅降低，碳排放量不斷縮減。在未來，這些節省的二氧化碳排放可以在碳匯市場尋求交易。

4 纖維模塑包裝產業發展趨勢與前景分析

4.1 基于5R1D原則下的低碳循環發展

隨著環保意識漸漸深入人心，時代賦予環保的定義也愈發豐富，綠色包裝的發展始終都應遵循5R+1D原則，即減量化（reduce）、可回收（return）、可復用（reuse）、循環利用（recycle）、拒絕非環保包裝（refuse）、可降解（degradable）[19]。在未來，纖維模塑制品將回收越來越多的二次再生纖維或農用殘余物進行制漿，實現材料最大限度的循環利用。當材料壽命在多次循環利用后，其材料屬性終結時可直接在大自然中降解，從而減少由焚燒產生的能源消耗、有害物質排放和碳排放，助力碳達峰。纖維模塑的生產過程也將會向清潔化生產和處理方向發展，可通過采用物化生化等技術實現水的循環利用，最終達到水源的低輸入和“零排放”，同時采用脈沖技術、微波射頻技術等新的干燥技術節約能耗，實現生產過程的高效節能[6]。因此，纖維模塑產品將會是低碳循環發展下一種完美符合5R1D原則的綠色環保包裝方案。

4.2 包裝標準化、通用化

包裝是一類追求個性化差異的產品，其內裝產品不一而同，造成了包裝的尺寸、結構形狀各異，從而在“量體裁衣”的產品設計過程中增加了包裝成本，延長了設計和生產周期。而纖維模塑包裝的標準化和通用化將在設計、生產、倉儲等方面提升產品優越性，推動行業的綠色低碳循環發展。纖維模塑包裝件的標準化、通用化可以統一提高包裝質量，避免不良包裝或過度包裝，降低模具加工、技術研發、倉儲成本，提高原材料資源有效利用率，便于包裝制品的回收再利用。從生產的角度出發，纖維模塑包裝的標準化可實現生產的機械化、自動化、連續化和批量化，能夠大規模地提高產品的生產效率和品質精度，縮短生產周期，減少生產成本。從物流倉儲運輸的角度出發，纖維模塑包裝的標準化能提高運輸過程中的空間利用率，提高運輸效率、節約運輸成本、優化運輸體系。從企業的市場開發角度上，從上游到下游企業供應鏈的無縫銜接，儲存、運輸、裝卸搬運、配送等環節的協調配合，可實現整個生產—運輸過程的有序化和便捷化，而且高效擴大市場占有率。

4.3 高精度化、高品質化、高性能化

上世紀80-90年代，纖維模塑工業才正式進入中國，過去傳統的纖維模塑制品表面粗糙、易掉屑、機械強度低和印刷性差，不能滿足完全替代塑料產品的要求。若要應用于精密電子產品的工業包裝，則需要采用漿內助劑、表面涂覆、對纖維原料改性等方法改善其表面性能[20]，例如迪樂公司生產的高光滑度、低拔模斜度的高精度化纖維模塑制品，這不僅增加了與產品的貼合，而且提高了包裝的承壓能力、減少包裝耗材；為了適應食品包裝的高品質化需求，纖維模塑應減少或避免添加劑的使用，保證食品的安全性。今年騰訊發行的中秋月餅禮盒就采用了食品級環保甘蔗渣纖維模塑包裝，甘蔗渣來自于糖廠榨糖后的剩余物，純天然無污染，不含塑料、油墨，衛生環保，可與食物直接接觸。此外，纖維模塑也在向高性能化發展，如高阻隔材料、保鮮材料、高強度材料等，Footprint團隊制作了杯蓋和杯身均為植物纖維的原型杯CoolTouch，內里為不含有機溶劑、對環境無害的水基涂層，能夠保證水分不滲漏[21]。

4.4 包裝整體化

纖維模塑制品的另一大趨勢為包裝整體化，即由純包裝襯墊發展為內中外包裝均為纖維模塑材料，這不僅便于在纖維模塑工廠進行機械化生產、一體成型、無需其他材料或產品的運輸，而且能夠使材料統一、易于回收、開啟簡便，節約外包裝箱成本。明基（BenQ）為其投影儀推出的全新纖維模塑包裝，其特點在于其緩沖襯墊和外包裝都只采用了纖維模塑一種材料，形狀規則易于堆碼、便于回收，消費者在開啟時也只需簡易的拆裝就能夠取出產品。

4.5 應用多元化

隨著干法、濕法纖維模塑等技術的不斷成熟，纖維模塑將應用于更多領域，如餐盒餐具（勺子、攪拌棒）、全紙模杯瓶、工業包裝、農用品包裝、醫用器具、文具產品（筆殼）、家具用品、汽車內部緩沖構件、日用品部件（衣架、化妝瓶）等。其中，紙模瓶的發展是最被看好的，最新研究顯示，2021年包裝紙瓶銷量預計增長5.4%至2430萬瓶，而未來10年將以超過6%的復合年增長率擴大，2031年紙瓶市場的價值將增加1.8倍。Pulpex以環保可持續的紙漿作為原料，開發了一種易回收、不含PET、食品級阻隔的纖維模塑瓶。雖然綠色可降解的纖維模塑瓶發展前景可期，但是目前其成本、壽命和耐用性都不及塑料瓶，這也將是未來纖維模塑行業發展需要克服的重大難題。

5 結語

“綠色發展是生態文明建設的必然要求，代表了當今科技和產業變革方向，是最有前途的發展領域。”綠色發展是未來三十年最具社會價值和意義的賽道，是未來最重要和最明確的趨勢，完全契合我國的方針。近年來，國內每年紙漿和木材都有大量的缺口，需要進口，這兩年紙漿價格也是一路猛漲。纖維模塑的發展將廢紙等廢棄物變廢為寶創造了全新的可再生資源、節約紙漿消耗、保護森林等植被資源，同時也減少了由制漿帶來高污染、高能耗，替代了高污染的塑料制品的部分市場。碳達峰、碳中和目標是我國的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體，是一場廣泛而深刻的經濟社會系統變革，未來每個人、每個系統、每個組織都將涉及其中，綠色低碳的纖維模塑企業將會面臨更大的發展機遇。

參考文獻：

[1] 進口固廢四年累計減少1億噸[J].綠色包裝，2021（02）：17.

[2] Jeetah P， Jaffur N. Coconut Husk， a Lignocellulosic Biomass， as a Promising Engineering Material for Non-wood Paper Production[J]. Journal of Natural Fibers， 2021：1-15.

[3] Jeetah P， Golaup N， Buddynauth K. Production of cardboard from waste rice husk[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering， 2015， 3（1）.

[4] Rattanawongkun P， Kerddonfag N， Tawichai N， et al. Improving agricultural waste pulps via self-blending concept with potential use in moulded pulp packaging[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering， 2020， 8（5）：104320.

[5] 2018 Global Molded Pulp Market Outlook IMFA –Annual Conference： Sheraton San Diego Hotel & Marina[R]. MarketResearch.com/Freedonia.2018-4-20.

[8] 黃俊彥.紙漿模塑生產實用技術（第二版）[M].印刷工業出版社， 2021.

[9] 邊兵兵，李偉平，沈新，et al. 纖維模塑包裝制品分體式吸濾成形模具設計[J].包裝工程， 2015， 036（013）：86-89，100.

[10] 冒銀彧.重載紙漿模塑制品的結構？性能及其工藝研究[D].江南大學， 2011.

[11] 湯衛林.綠色包裝與纖維模塑[J].今日科技， 1999（5）： 2-3.

[12] GAVAZZO G B， Lanouette R， Valade J L. Study of the important variables of a pulp molding process[J]. ATIP. Association Technique de LIndustrie Papetiere， 2003， 57（4）：47-52，54.

[13] DIDONE M， Tosello G. Moulded pulp products manufacturing with thermoforming[J]. Packaging Technology and science， 2018（6）：89-93.

[14] 江仲文，吳其葉.纖維模塑制品成型技術的新進展[J].輕工機械， 1997， 000（003）：3.

[15] LEFEUVRE， S. Microwave drying of porous materials[J]. Physics in Technology， 1981， 12（4）：155-161.

[16] DIDONE M， Tosello G. Potential of impulse drying technology for molded pulp products manufacture[J]. In Progress in Paper Physics Seminar 2016， 2016； 9-15.

[17] DIDONE M， Saxena P， Brilhuis-Meijer E， et al. Moulded Pulp Manufacturing： Overview and Prospects for the Process Technology[J]. Packaging Technology & Science， 2017； 16-17.

[18] 瑞典公司PulPac推出全球首條干法模塑纖維技術中試生產線，以取代一次性塑料[J].中華紙業， 2020， 41（18）：79-80.

[19] 任佳琳.綠色環保理念在現代包裝中的應用[J].美術教育研究， 2015， 000（006）：82-82.

[20] 張雪，張紅杰，程蕓， et al. 紙基包裝材料的研究進展，應用現狀及展望[J].中國造紙， 2020， v.39； No.341（11）：57-73.

[21] “NextGen Cup”挑戰賽：12種創新方案解決紙杯廢棄問題[DB/OL]. https：//www.sohu.com/a/375618156_ 100014722， 2020-02-25.