紙基阻隔包裝的發展及其在衛品包裝中的應用

王比松 杜艷芬 劉金剛 李洪才 夏菲

1 前言

日常生活中，商品的包裝已經無處不在。作為包裝業四大材料之一的塑料，其用量穩居第二位，緊隨紙和紙板包裝材料，占25%。根據全球綜合數據資料庫Statista統計，2019年，全球合成樹脂總產量達到3.68億t，消費量估計在2.55億t左右。我國塑料消費量已經占全球比例的15%，僅塑料包裝行業的產值就達到了4,297億元，其用量已經達到千萬噸水平。這其中，食品用塑料包裝在我國塑料包裝總量中占到了25%左右。

然而，塑料的回收利用率不高，最終還是需要采用焚燒或填埋來處理，對環境產生了嚴重且長期的污染。據統計，全球每年有800多萬t塑料垃圾進入海洋，塑料垃圾不僅危害海洋生物，也可能會威脅人類健康。難降解的塑料垃圾已成為世界公認的治理難題，世界各國紛紛頒布禁、限塑令。在我國，2020年國家發展改革委、生態環境部發布了《關于進一步加強塑料污染治理的意見》，其中一項是禁止、限制使用不可降解塑料包裝材料。

紙基包裝材料由于來源廣泛、可再生、可回收利用、廢棄物可生物降解等特點，用量也在不斷增加。近年來，作為綠色環保包裝材料，“以紙代塑”的呼聲不絕于耳。

2 紙基阻隔包裝材料

作為包裝材料，不同的商品，對阻隔的要求也有差異，阻隔性能是指被阻隔物質在材料主體結構中吸附、浸漬、擴散、滲透、通過的能力。通常，被阻隔物包括氣體，如水蒸氣、氧氣、揮發性有機氣體，如香氣；液體，如水、有機溶劑等。生活用紙、衛生用品包裝的阻隔要求，主要是一定程度上阻隔水蒸氣和液體。

紙基包裝材料作為最具代表性的可持續天然綠色材料，廣泛應用于各個領域，在日常生活和生產中發揮著重要作用。但與塑料包裝基材相比，紙基包裝材料富含親水的羥基、結構為多孔的三維網絡結構，這使得紙基材對水、油類和氣體的阻隔性能明顯差于塑料基材，需要從多方面對紙包裝基材的阻隔性能進行改善，其中一個較為普遍的方式就是紙基包裝材料表面進行特殊處理，形成復合材料。

紙基復合包裝材料是指以包裝紙或紙板為基材，通過一定的加工工藝（如浸漬、涂布、鑄涂、鍍膜、層壓復合等）將其他材料與紙基材料復合形成多功能性復合包裝材料，如圖1所示。紙基復合包裝材料是結合各種材料性能，取長補短，充分利用如金屬材料、聚合物材料等基材優異的阻隔、保溫、抗菌等性能和天然植物纖維的生態環保性能的產物，一般包括紙基層（起支撐和承印作用）、功能層（起阻隔、保溫、抗菌等作用）和熱封層。

圖1 紙基復合包裝材料的分類

紙基復合包裝材料中應用比較成熟的包括紙、塑、鋁復合包裝，例如牛奶的包裝，這類包裝阻隔性能非常好，但難于回收和降解；另一類是紙塑復合，如較為常見的淋膜紙（紙與PE膜復合），也存在回收困難，塑料成分不可降解的問題。目前，比較熱門的研究是紙基與乳液或溶液類聚合物材料，通過表面涂布方式生產的紙基阻隔包裝材料。其中一些聚合物類材料能夠實現生物降解，制成紙基包裝材料，可以實現90%以上的生物降解率，明顯降低了對環境的污染。

2.1 阻水性能

紙基材料從阻水機理上來說，可以分為兩種，一種是通過疏水基團與纖維上的羥基反應，形成低表面能的纖維表面，降低水的潤濕性和滲透性。如圖2所示，防水劑和纖維的活性羥基反應產生疏水基團，這些疏水基團向外排列降低材料表面能。另一種是通過涂布或在纖維表面涂覆聚合物，形成致密的膜，降低水的透過率，從而達到良好的阻隔效果，如圖3所示。通常，評價紙基材料阻水性能包括接觸角的測試（GB/T 30693-2014塑料薄膜與水接觸角的測量）、Cobb吸水性的測試（GB/T 1540-2002紙和紙板吸水性的測定）等方法。

圖2 疏水基團阻水機理

圖3 致密膜阻水機理

常見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，較為傳統的阻隔膜采用聚丙烯、聚乙烯等在紙張表面淋膜，形成紙塑復合材料，起到優良的阻隔效果。然而，傳統紙塑復合包裝材料的廢棄物難以回收處理，塑料部分不能降解等問題，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類和生物質聚合物類，主要通過涂布的方式在紙表面形成阻隔涂層。疏水聚合物包括長鏈烷烴類、不飽和內酯類，主要是通過降低紙面的表面能，使表面疏水，達到阻隔目的。在應用中也會與成膜性材料復合應用，例如，PVA與AKD復合應用可以獲得良好的阻隔水和水蒸氣性能。達到綜合的阻隔效果。

2.2 阻油性能

研究表明，油脂分子本身不能溶解或潤脹紙基纖維，因而不能像水分子一樣可以借助纖維本體發生擴散，但由于構成紙基材料的纖維間存在大量孔縫結構，油脂分子可以借助毛細管作用通過紙基纖維三維網絡中的孔縫結構發生擴散。紙基材料阻油的機理主要包括：降低紙張表面能或提高紙張表面的封閉程度實現阻油目的。

含氟類防油劑是利用防油劑中帶正電荷的極化基團與紙基纖維上的負電荷通過靜電作用結合，具有極低表面能的氟鏈（比所有類型的油脂分子的表面能都低）朝向外排列在纖維表面形成一層表面張力極低的疏油層，通過降低表面張力來實現阻油的目的，如圖4（A）所示。但這類助劑中的一些物質如全氟辛酸、全氟辛烷磺酸及其鹽類，不降解，嚴重危害環境和人體健康。目前這類助劑的應用已經在逐漸減少。

圖4 紙基材料兩種阻油的機理

非含氟類防油劑是通過在紙基材料表面形成一層致密層來達到阻止油脂分子滲透的目的，如圖4（B）所示，應用比較多的是丙烯酸酯類的防油劑，另一種是生物質聚合物，如納米纖維素，也有比較好的阻油性能，應用時需要配合其他助劑，如疏水劑等復合應用，以提高綜合的阻隔性能。

2.3 阻氣性能

對于一些需要阻氣的商品包裝來說，比較常見的，如阻隔水蒸氣，可以防止被包裝物變干；阻隔氧氣，可以防止被包裝食品變質；還有些需要阻隔揮發性的香氣，起到保香的作用。阻氣的原理主要包括多層結構復合阻隔、疏水化改性、物理共混等。有些被包裝物往往需要阻隔兩種以上的氣體，通常會通過多層阻隔結構來實現。圖5為阻氣的機理。

圖5 紙基材料阻氣的機理

若降低氣體在包裝材料中的透過率，材料本身就必須具備較高的內聚能密度和較低的自由體積分數。水蒸氣和氧氣的滲透機理幾乎相同，但由于二者的極性不同也會存在一些差異。天然纖維素基材料一般是三維網絡結構，具有天然多孔性。有效的阻隔氣體（O2、CO2、水蒸氣）在紙基材料中擴散的方法是在紙基材料表面涂覆一層阻隔涂層。除了傳統的樹脂類阻隔材料，生物質阻隔材料也正在受到人們的關注，包括多糖類、脂類、蛋白質類等。多糖類研究，目前比較多的是納米纖維素，通過改性之后的納米纖維素可以明顯改善水蒸氣的阻隔效果；同時，通過有效去除納米纖維素中的木素，形成的致密結晶區可有效阻隔氧氣，見表1。納米纖維素通過減小纖維網絡空隙、形成致密表面、增加滲透路徑（提高彎曲長度）。

表1 納米纖維素的阻氣效果

一些多糖類的聚合物復合應用，可增加非極性氣體的阻隔效果，但對于極性氣體，如水蒸氣的阻隔效果不佳。對多糖類聚合物進行化學疏水改性，可有效改善水蒸氣的阻隔性能。多糖類的阻隔材料，也可以通過多層的組合涂層，實現有效阻隔水蒸氣和氧氣的目的。脂類、蛋白類，通過與納米級的片狀顏料、疏水性材料共混也可以有效阻隔氣體，這主要是長鏈聚合物與納米材料形成的插層或剝離型復合結構，通過增加曲線路徑實現了有效阻隔，如圖6所示。

圖6 長鏈聚合物與納米材料形成的復合結構

3 生活用紙及衛生用品包裝材料現狀

在生活用紙及衛生用品的商品中，塑料包裝應用也比較普遍。生活用紙委員會發布的數據顯示，2022年，我國生活用紙消費總量是1,185萬t，其中，面巾紙、手帕紙、餐巾紙、廚房紙巾、擦手紙合計消費量達到了570萬t；衛生用品中女性衛生用品、嬰兒紙尿褲/片、成人失禁用品等合計消費量超過了1,530億片，這些品種中絕大多數都用到了塑料包裝材料，如PP、PE、PET等合成塑料材質，其用量超過了20萬t。

生活用紙及衛生用品應用的塑料包裝難回收、難降解，容易形成“白色污染”。一些生產廠家采用減薄包裝厚度的方式來減少塑料包裝的總用量，從而減少包裝對環境的污染。然而，塑料包裝材料減薄也帶來了一些如挺度降低、產品貨架的展示性變差；材料容易拉伸，造成印刷難度增加等問題，不得不恢復原包裝厚度。

4 紙基阻隔包裝材料在衛品包裝、生活用紙包裝中的應用

在新的限塑政策引導下，綠色環保的功能性包裝新材料孕育而生。比較典型的就是可降解塑料，作為軟抽和衛品的獨立小包裝所用的包裝材料，這類材質應用時還存在一些問題，如熱封性能達不到要求、材質柔軟，商品外形展示性不好、價格昂貴等問題，限制了該材料的應用，還需要進一步優化。常規紙基包裝材料應用廣泛，價格低廉，但存在不熱封、阻水差等問題，因此需要對紙基包裝材料進行加工處理，如漿內添加或是表面涂布等方式，使紙基包裝材料既有熱封性能又有一定阻隔性能，滿足衛品包裝和生活用紙包裝生產過程中的要求。

中國制漿造紙研究院有限公司涂布技術研發中心研發團隊，針對衛品中的女性衛生用品獨立小包裝和生活用紙中軟抽面巾紙包裝，開發了能夠替代塑料的紙基包裝材料。該研發團隊根據衛品包裝和軟抽包裝的不同應用工況和應用要求，如包裝速度、熱封性能、包裝材料柔韌性、阻隔性能等，選擇了表面涂布的方式，通過優化涂層和原紙性能，生產出了紙基包裝材料，該紙基材料要既具有熱封性能又具有阻隔性能。能夠滿足女性衛生用品包裝和生活用紙中軟抽面巾紙包裝生產線的應用要求。

涂布生產線生產的兩種紙基包裝材料，分別在衛生巾包裝線和軟抽包裝線上進行了應用試驗。包裝的產品如圖7和圖8所示。圖7為應用紙基材料包裝好的衛生巾獨立小包，圖8為應用紙基材料包裝好的軟抽面巾紙獨立小包。經過應用評價，兩種包裝材料能夠滿足包裝線的生產要求，熱封性能和阻水性能均達到應用指標要求。

圖7 衛生巾獨立小包裝

圖8 軟抽面巾紙獨立小包裝

表2為紙基包裝材料的性能測試指標，其中1#樣為軟裝包裝紙基材料，2#～4#為女性衛生用品小包裝紙基材料。對比樣1#和2#分別為軟裝包裝塑料基材和女性衛生用品小包裝塑料基材。從表2中可以看出，兩種紙基包裝材料熱封強度均好于塑料包裝材料，并且具有比較好的阻水性能。

5 總結

一次性塑料包裝材料對土壤環境、海洋環境產生了嚴重污染，已經被世界各國所關注，“限塑、禁塑”的法案也相繼頒布出臺。國內新的限塑令的發布，也加快了對一次性塑料制品減量、限量的步伐。我國出臺的一系列政策，明確提出：“支持企業實施綠色戰略、綠色標準、綠色管理和綠色生產，建立統一的綠色產品體系，開展綠色評價，引導綠色生產和綠色消費，實施節能標準化示范工程?！蔽覈鳛槿蛩芰舷M大國，一次性包裝的塑料制品消耗量巨大，這也給綠色環保包裝材料的替代與應用留下潛在的空間。

2021年，中國造紙學會紙基綠色包裝材料及制品專業委員會在京成立，相繼制定了多項紙基綠色包裝材料團體標準，其中有兩項標準《匠心產品 生活用紙》、《匠心產品 衛生用品》對產品的包裝材料進行了說明：“匠心產品之生活用紙產品包裝、匠心產品之衛生用品及包裝宜采用可降解材料，以降低產品廢棄后對環境的負面影響”。

可替代塑料包裝的環保型包裝材料越來越受到人們的關注，國內一些企業也在積極尋找可替代的環保材料，以減少塑料包裝的應用。相信不久的將來，我國生活用紙和衛生用品，有越來越多的產品，會應用到紙基包裝材料，讓我們一起推進綠色包裝的應用，共同打造可回用、可降解的產品包裝，從而實現可持續發展，共同保護我們的生態環境。