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紙漿模塑創(chuàng)新技術(shù)與發(fā)展趨勢展望

2021-05-29 10:34:09

 

編者按

2020年1月，我國新版“限塑令”出臺，紙質(zhì)包裝憑借諸多優(yōu)點(diǎn)成為了替代塑料的最佳選擇，造紙行業(yè)將成為減塑、代塑行動的重要參與者。中國造紙雜志社旗下《造紙信息》制作了“減塑代塑”系列專題，邀請到大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院包裝工程系主任黃俊彥教授，分享紙漿模塑的環(huán)保特點(diǎn)和創(chuàng)新空間，并對未來紙漿模塑創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

 

作者  黃俊彥  邢浩

 

 

黃俊彥

 

大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院包裝工程系主任，教授。主要從事商品防護(hù)包裝技術(shù)、生態(tài)化包裝材料等領(lǐng)域的研究。

 

 

紙漿模塑這一環(huán)保型的產(chǎn)品在我國規(guī)模化生產(chǎn)已有30 多年的歷史。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的健康快速發(fā)展，紙漿模塑行業(yè)也發(fā)生了日新月異的變化，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平不斷提高。從早期的干壓生產(chǎn)工藝為主發(fā)展為干壓、濕壓工藝并舉發(fā)展，更加環(huán)保節(jié)能的直壓工藝技術(shù)已成為紙漿模塑技術(shù)研發(fā)的新方向。生產(chǎn)設(shè)備從簡單的單機(jī)單工位和雙工位生產(chǎn)，發(fā)展為連續(xù)化、自動化的濕壓工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紙漿模塑制品，更有無人化、智能化生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來。紙漿模塑產(chǎn)品的應(yīng)用范圍也從要求不高的農(nóng)副產(chǎn)品托盤、食品藥品包裝、工業(yè)制品內(nèi)包裝，發(fā)展到高精儀器儀表、電子產(chǎn)品的防護(hù)包裝和高精一次性餐具等。紙漿模塑相關(guān)的研究工作重心也從如何降低生產(chǎn)成本和拓展產(chǎn)品應(yīng)用范圍，轉(zhuǎn)變到更深層次的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、助劑研發(fā)、紙漿模塑制品的物理、化學(xué)性能測量以及高精紙模產(chǎn)品的加工工藝設(shè)計等。
2020 年1 月，國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》，其中主要目標(biāo)是到2020 年底，率先在部分地區(qū)和領(lǐng)域禁限生產(chǎn)、銷售和使用部分塑料制品，到2022 年，一次性塑料制品消費(fèi)量明顯減少，其替代產(chǎn)品得到推廣使用，到2025年，代塑產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用水平進(jìn)一步提升，塑料產(chǎn)生的污染得到有效控制。在廣泛實(shí)施禁塑限塑的新形勢下，紙漿模塑制品由于其優(yōu)異的環(huán)保和可降解性能，將成為“限塑令”后的主要替代品，可以預(yù)測，在今后幾年內(nèi)，紙漿模塑行業(yè)將迎來快速發(fā)展的大好時期。
1 紙漿模塑的環(huán)保特點(diǎn)和創(chuàng)新
1.1 紙漿模塑的環(huán)保特點(diǎn)
（1）紙漿模塑制品原料來源廣泛，主要原料大多采用草本植物纖維，如蘆葦、麥草、稻草、蔗渣、竹子等。目前國內(nèi)以蘆葦、蔗渣、竹子、麥草等草類纖維為主導(dǎo)原料的制漿廠都有自己的治污系統(tǒng)，在原料上紙模制品完全走出了一條“集中制漿，分散生產(chǎn)”的道路模式，不僅自身沒有環(huán)境污染問題，并且還能獲得較為可靠的原料保證。而采用廢紙原料的紙漿模塑制品生產(chǎn)企業(yè)一般不存在制漿產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。
（2）紙漿模塑制品生產(chǎn)工藝技術(shù)簡練，生產(chǎn)過程中基本無污染源出現(xiàn)，符合環(huán)保生產(chǎn)要求。另外紙漿模塑生產(chǎn)各工序中除自控系統(tǒng)管理對操作人員素質(zhì)要求較高外，其余均為熟練技術(shù)崗位，經(jīng)過短期培訓(xùn)便能掌握操作技能，再加上紙漿模塑生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化程度很高，十分有利于項目推廣和應(yīng)用。
（3）紙漿模塑制品應(yīng)用領(lǐng)域廣，市場容量大，可挖掘的潛力很豐富，其制品能廣泛用于電器包裝、種植育苗、醫(yī)用器皿、餐飲用具和易碎品襯墊等領(lǐng)域，一條兼容性的紙漿模塑生產(chǎn)線只要在模具上加以改進(jìn)和更換就能生產(chǎn)出各種不同用途的產(chǎn)品，其多元化的功能和可循環(huán)再利用的特點(diǎn)令其他同類產(chǎn)品望塵莫及。作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，我國紙漿模塑制品大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用的前景非?？春?，發(fā)展前途廣闊。
（4）目前世界各國正面臨著環(huán)境污染帶來的諸多問題，其中各種塑料制品廢棄物處理問題突出。紙漿模塑制品可回收利用的特點(diǎn)能調(diào)動相當(dāng)一部分人的回收積極性，使環(huán)保環(huán)衛(wèi)等部門的工作壓力大大緩解，同時它具有的經(jīng)濟(jì)效益也必然會發(fā)揮積極作用。紙漿模塑制品大量進(jìn)入人們生活領(lǐng)域后，必定會受到社會的廣泛接納和人們的普遍歡迎。
（5）紙漿模塑餐具是紙漿模塑制品中一個重要的分支產(chǎn)品，它容易回收，能再生利用，可自行降解，源于自然又歸于自然，是典型的無污染可降解綠色環(huán)保產(chǎn)品，十分符合當(dāng)今時代的要求和市場的需求。
1.2 紙漿模塑的創(chuàng)新空間
紙漿模塑在我國是一個正在蓬勃發(fā)展的行業(yè)，它涉及機(jī)械設(shè)備、模具設(shè)計與制造、制品設(shè)計與制造、紙漿原料選用與處理、功能性助劑的選用與添加、印刷油墨與印刷方式、紙漿模塑緩沖包裝制品、紙漿模塑餐具與食品藥品包裝制品、精品工業(yè)包裝制品等多個領(lǐng)域與行業(yè)，其應(yīng)用范圍也涉及餐具、蛋托果托、食品藥品包裝、電器襯墊、農(nóng)用器具、醫(yī)用器具、軍品包裝、兒童玩具、器具道具、工藝品、人體模特、家具、紙模（機(jī)械）零部件等多個領(lǐng)域。因此，紙漿模塑在每個行業(yè)領(lǐng)域都有著無限的創(chuàng)新和發(fā)展空間。近年來，我國紙漿模塑行業(yè)已從多方面進(jìn)行了紙漿模塑創(chuàng)新技術(shù)的研究與開發(fā)，取得了可喜的成果，在紙漿模塑生產(chǎn)智能設(shè)備設(shè)計與制造、精品工業(yè)包裝制品的設(shè)計與制造、模具設(shè)計與研發(fā)等方面已經(jīng)成為全球紙漿模塑行業(yè)的領(lǐng)軍集團(tuán)。
2 紙漿模塑創(chuàng)新技術(shù)的研究現(xiàn)狀
2.1 采用雙吸法成型和二次吸濾成型工藝制作有特殊要求的紙漿模塑制品
傳統(tǒng)的紙漿模塑成型一般采用單吸成型方法，它在制作一些有特殊要求的紙漿模塑制品時顯得力不從心，采用上下雙吸成型方法可制作出緩沖性能更好、承載能力更大的紙漿模塑制品，例如采用雙吸法成型可制作重型承載紙漿模塑托盤，綜合承載能力可達(dá)到3 t。雙層紙漿模塑制品的生產(chǎn)采用二次吸濾成型工藝，先向成型模具中注入一定量的面層漿料，進(jìn)行第一次真空吸濾成型；當(dāng)面層紙漿已經(jīng)基本成型后，再繼續(xù)注入一定量的底層漿料，并進(jìn)行第二次真空吸濾成型，從而制成雙層紙漿模塑制品濕坯，再進(jìn)行干燥和熱壓整型。
2.2 利用稻麥草發(fā)泡技術(shù)制作紙漿模塑制品
我國大片區(qū)域的稻麥草資源豐富，也可作為紙漿模塑的原料，根據(jù)紙漿模塑產(chǎn)品使用場景的需要，將稻麥草發(fā)泡技術(shù)與紙漿模塑生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，可以制作出結(jié)構(gòu)疏松的紙漿模塑制品，可用于加熱榻榻米、水稻育秧板和草坪育苗移植板材等材料。

2.3 采用濕法擠壓復(fù)合法制作雙層雙色紙漿模塑制品
雙層雙色紙漿模塑制品可以采用內(nèi)外層二次成型干燥后再復(fù)合的結(jié)構(gòu)，而采用分別成型再擠壓復(fù)合法制作雙層雙色紙模制品工藝，則大大簡化了生產(chǎn)工藝過程，制品內(nèi)外層牢牢地結(jié)合成為一體，提高了雙層雙色紙漿模塑制品的強(qiáng)度和耐用性。
2.4 管狀紙漿模塑制品開發(fā)與應(yīng)用
采用一種創(chuàng)新的紙漿模塑生產(chǎn)工藝可以制造在鑄造作業(yè)中使用的紙質(zhì)澆道管，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陶瓷澆道管。紙質(zhì)澆道管具有特殊的耐高溫、抗壓等性能，原料采用不需脫墨的廢紙，加入一定量的無機(jī)黏結(jié)劑、有機(jī)黏結(jié)劑、增強(qiáng)劑等助劑，通過特制的模具成型，再經(jīng)過干燥、整形等工序制成紙質(zhì)澆道管。紙質(zhì)澆道管的模塑生產(chǎn)不僅實(shí)現(xiàn)了廢紙資源再利用，而且在使用過程中其對生產(chǎn)的鑄件無影響，是典型的環(huán)保可再利用產(chǎn)品，使用后的廢棄物能自然降解。

 

也有連續(xù)生產(chǎn)的紙漿模塑制管機(jī)，可利用特定模具生產(chǎn)連續(xù)狀的紙漿模塑管狀制品，在紙漿模塑管狀制品成型脫水的同時進(jìn)行轉(zhuǎn)移，濕紙管坯在移動的同時利用專用的烘干設(shè)備進(jìn)行烘干，然后按要求規(guī)格進(jìn)行切斷和捆包，形成紙漿模塑管狀制品，產(chǎn)品在食品、工業(yè)產(chǎn)品、農(nóng)用器具等方面用途廣泛。
2.5 內(nèi)部緩沖和紙盒襟片結(jié)構(gòu)一體化紙模設(shè)計
傳統(tǒng)紙漿模塑工業(yè)包裝制品一般是用來作為緩沖襯墊材料使用的，某些新款的紙漿模塑制品將內(nèi)部緩沖襯墊和紙盒襟片結(jié)構(gòu)設(shè)計成一體，在某些應(yīng)用場合可以代替折疊紙盒紙箱，這種設(shè)計將內(nèi)部緩沖襯墊和外部包裝盒設(shè)計成一體，減少了外包紙箱紙盒的使用，可大幅降低包裝成本。
2.6 紙漿模塑制品精美印刷技術(shù)逐步應(yīng)用
通常的紙漿模塑制品表面比較粗糙，難于獲得較好的印刷效果，在表面印刷過程中，其印刷適性與通常的平面紙質(zhì)承印材料有明顯的不同，而且紙漿模塑制品結(jié)構(gòu)繁雜，凸凹不平，印刷幅面較小，采用傳統(tǒng)的印刷工藝往往難以滿足要求。因此，常采用比較靈活的印刷方式，如移印、絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷、凸版膠印、UV 打印等方式，能夠?qū)垵{模塑制品的凹凸表面進(jìn)行多色精美印刷。

當(dāng)前在紙模行業(yè)推廣的UV 打印是一種高科技免制版的全彩色數(shù)碼印刷技術(shù)，它可以在各種材質(zhì)表面進(jìn)行彩色照片級印刷。無需印前制版，一次完成多色印刷，色彩靚麗，印墨耐磨損，防紫外線，操作簡單，方便小批量印刷，印刷速度快，印品完全符合工業(yè)印刷標(biāo)準(zhǔn)。目前已有廠家開發(fā)出適合紙漿模塑制品快速印刷的高速UV 彩印機(jī)，應(yīng)用于各種紙漿模塑制品的表面印刷。
3 紙漿模塑創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展趨勢展望
3.1 智能化無人化生產(chǎn)線逐步開發(fā)和應(yīng)用
瑞典PalPac 公司視頻資料顯示，采用先進(jìn)的直壓工藝，利用卷筒紙或漿板作原料，經(jīng)過分散纖維和纖維成型、紙幅預(yù)壓、噴淋及復(fù)合紙幅、成品擠壓和定型等過程，基本實(shí)現(xiàn)智能化無人化操作。
隨著智能化、無人化在包裝制品生產(chǎn)過程中的逐步應(yīng)用，如在紙箱行業(yè)、包裝印刷行業(yè)的應(yīng)用，國產(chǎn)智能化、無人化紙漿模塑生產(chǎn)線也在逐步開發(fā)和應(yīng)用。
3.2 高精紙漿模塑制品逐步推廣應(yīng)用
隨著紙漿模塑包裝在高端電子產(chǎn)品、禮品、奢侈品等領(lǐng)域的應(yīng)用，對產(chǎn)品外觀和尺寸的要求也在朝著高精方向發(fā)展，即高端紙漿模塑制品，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為如下五點(diǎn)。
（1）表面光潔度顯著提高，接近或達(dá)到注塑產(chǎn)品的表觀水平。
（2）通過在供漿環(huán)節(jié)安裝電腦自動調(diào)漿系統(tǒng)，增加多道除雜器降低漿料雜質(zhì)等方式，減少產(chǎn)品臟污點(diǎn)。增加分光光譜儀動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品色差，可以將色差控制在ΔE ≤ 1 以內(nèi)。
（3）傳統(tǒng)紙漿模塑的拔模角度為3° ～ 5°， 高端紙漿模塑的拔模角度現(xiàn)在可達(dá)到2° 以下，技術(shù)上可以達(dá)到0°。在工藝上多采用多次模壓工藝，一些廠家開發(fā)出相應(yīng)的模具，可采用一次模壓成型工藝，大大減少了成本，提高了效益。
（4）高端紙漿模塑制品的直線度公差可以達(dá)到≤ 0.5 mm，表面粗糙度≤ 3 μm，邊緣R 角極端可以達(dá)到R0.2。
（5）盒型紙模產(chǎn)品厚度由0.7 mm ～ 0.8 mm 增加至1.5 mm 以上，其強(qiáng)度可以與工業(yè)紙板相媲美，極大的擴(kuò)大了盒型紙漿模塑產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，能夠部分代替紙盒包裝化妝品、禮品等中小型紙盒。
3.3 功能性紙漿模塑制品的研究
（1）具有保鮮功能的紙漿模塑制品，在漿料中添加抑菌、殺菌劑，可以延長內(nèi)包裝果蔬的保鮮期，可以使柑橘保鮮3 個月，荔枝保鮮30 天。
（2）可食用的紙漿模塑制品是利用果蔬為基材，添加適當(dāng)?shù)脑鏊軇⒃龀韯?、抗水劑等，保留果蔬原有天然色澤制成漿料，利用紙漿模塑生產(chǎn)工藝制成內(nèi)包裝制品，這種包裝制品，既保證包裝功能，又可以食用，減少污染，一舉多得。
（3）高精紙漿模塑制品的生產(chǎn)技術(shù)也為進(jìn)一步研發(fā)紙漿模塑制成的機(jī)械產(chǎn)品配件提供了可能，如利用紙漿模塑可以制作機(jī)械行業(yè)的離合器和制動用的摩擦片、潤滑油過濾器、緩沖配件等。
（4）利用高精紙漿模塑制品的生產(chǎn)技術(shù)還可以制作房屋裝飾材料，工藝品、文創(chuàng)產(chǎn)品等。
3.4 紙漿模塑復(fù)合材料的研究
紙漿模塑復(fù)合材料的研發(fā)也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的熱點(diǎn)，隨著紙漿模塑制品市場對產(chǎn)品功能和質(zhì)量的要求不斷復(fù)雜化，單純通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和添加助劑的方法已經(jīng)不足以滿足市場需求。而通過添加其他材料來改變紙模產(chǎn)品的原料配方和產(chǎn)品性能，例如將納米材料或高強(qiáng)度的纖維材料添加到原料當(dāng)中，從而生產(chǎn)出具有特殊性能的紙漿模塑包裝材料，也是未來紙漿模塑的一個重要研究方向。
3.5 利用計算機(jī)技術(shù)測試分析產(chǎn)品的性能和參數(shù)
利用計算機(jī)技術(shù)精確測定紙漿模塑產(chǎn)品的性能和參數(shù)以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)計的量化計算，是提高紙漿模塑產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力的關(guān)鍵，而計算機(jī)技術(shù)則是利用這些參數(shù)進(jìn)行具體的產(chǎn)品與工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。依據(jù)量化的參數(shù)并利用專業(yè)軟件建模，通過對紙漿模塑產(chǎn)品進(jìn)行模擬分析、計算產(chǎn)品工藝與使用性能和各項參數(shù)之間的關(guān)系，可以高效地完成紙漿模塑制品及其生產(chǎn)工藝的優(yōu)化設(shè)計。
3.6 直壓式生產(chǎn)工藝與設(shè)備的研發(fā)
傳統(tǒng)的紙漿模塑濕法成型工藝是把紙漿纖維分散到水中，再用成形網(wǎng)模過濾形成濕紙模坯；而直壓式生產(chǎn)工藝則是將原料漿板在開松機(jī)中進(jìn)行離解疏松，在輸送過程中噴涂乳膠樹脂，在成形網(wǎng)上形成疏松的纖維網(wǎng)后，再通過熱壓模切設(shè)備加工成紙模制品。直壓式生產(chǎn)工藝采用連續(xù)模壓成型的方式生產(chǎn)紙漿模塑制品，它是紙漿模塑生產(chǎn)方法的一個重大變革，紙漿模塑直壓式生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)濕法成型方法相比，大大減少了傳統(tǒng)工藝中紙漿板再濕和碎解、成型、干燥過程中的大量能源消耗。
紙漿模塑直壓式生產(chǎn)工藝高效、節(jié)能、環(huán)保，已受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，一些廠家已致力于研發(fā)紙漿模塑直壓式生產(chǎn)工藝與設(shè)備。
4 結(jié)語
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)健康快速發(fā)展，與世界各國的經(jīng)濟(jì)往來也日益頻繁和緊密，并且隨著“限塑令”的強(qiáng)力實(shí)施，紙漿模塑這一新興的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)必將顯示出強(qiáng)大的生命力和廣闊的市場前景，經(jīng)過業(yè)內(nèi)人士的不懈努力和不斷創(chuàng)新，紙漿模塑的新工藝、新設(shè)備和高精新產(chǎn)品也將不斷地開發(fā)和研制出來，未來幾年，我國紙漿模塑行業(yè)將迎來一個快速發(fā)展時期。
相關(guān)文獻(xiàn)鏈接
[1] 阮金剛. 紙漿模塑制品的研究趨勢與發(fā)展現(xiàn)狀展望[J]. 商訊, 2019（6）: 132
[2] 國家發(fā)展改革委. 生態(tài)環(huán)境部關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見. 發(fā)改環(huán)資〔2020〕80號
[3] 黃俊彥, 朱婷婷. 紙漿模塑生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 印刷工業(yè)出版社, 2008.
[4] 張賀傢, 王贊, 張新昌. 雙層紙漿模塑制品成型工藝影響因素的研究[J]. 包裝工程, 2015.36（1）: 80.
[5] 馬斌悍, 王利民, 邵亮峰, 等. 鑄造用紙質(zhì)澆道管整型模具設(shè)計研究[J]. 鑄造技術(shù), 2019（12）: 1312.
[6] 黃俊彥, 劉志忱. 紙模包裝制品表面裝潢設(shè)計方法與印刷方式[J].包裝世界, 2002（1）: 34.
[7] 中國印刷編輯部. uv打印工藝產(chǎn)品顯個性之風(fēng)[J]. 中國印刷, 2015（10）: 5.

 

2021上海國際植物纖維模塑產(chǎn)業(yè)展

包裝部落+美獅傳媒集團(tuán)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，傾力為行業(yè)發(fā)聲，開拓?zé)o限應(yīng)用商機(jī)，聯(lián)合創(chuàng)辦2021上海國際植物纖維模塑產(chǎn)業(yè)展（IPFM Shanghai 2021），將于2021年8月12日-14日，在上海新國際博覽中心盛大舉行。

 

IPFM Shanghai 2021致力于成為賦能植物纖維模塑全產(chǎn)業(yè)鏈的國際專業(yè)展會。在全球禁塑的大背景下，為植物纖維模塑行業(yè)構(gòu)建平臺，展示禁塑替代革新方案，彰顯無窮環(huán)保潛力。與此同時，IPFM Shanghai 2021為植物纖維模塑行業(yè)打造各行業(yè)應(yīng)用場景，開拓全域買家商機(jī)，涉及餐飲外賣、電子家電、日化美妝、奢侈品、生鮮果蔬、農(nóng)產(chǎn)品、工業(yè)品、醫(yī)療衛(wèi)生、電商快遞物流、建材家居、園藝寵物、文創(chuàng)玩具等。

 

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