彻底取代纸包装PFAS涂层，科学家找到更安全的替代材料！

科技 2024-09-02 09:01 中国台湾

20世纪50年代，全氟和多氟烷基物质（PFAS）首次被用于包装行业。汉堡包装纸、披萨盒、咖啡杯等一次性食品容器，都曾因其防油防水的特性广泛采用PFAS材料。然而，进入21世纪，越来越多的证据表明，这些化学物质与多种健康问题密切相关，包括癌症、生殖和发育异常、免疫力低下等。基于这些发现，美国食品和药物管理局率先叫停了食品包装中长链PFAS的使用。

近年来，美国多个州也纷纷采取行动，禁止或限制食品包装中PFAS的使用。从华盛顿州到北卡罗来纳州，已有约20个州加入了这一行列。与此同时，来自健康和环保领域的呼吁也促使餐饮连锁店、杂货店和包装公司积极寻求替代方案。

目前，PFAS的替代品主要分为三类：原纸、化学替代品和纸替代品。

原纸替代品： 如Nordic Paper的天然防油纸，这种纸张没有涂层，完全依靠天然纤维的特性实现防油。

化学替代品： Solenis公司的TopScreen就是一个典型的例子。它采用替代化学品，在纸张表面形成双层或单层薄膜，达到防油防水的效果。J&J Green Paper的Janus涂层也是一种化学替代品。

纸替代品： Ahlstrom的蔬菜羊皮纸是纸替代品的一种。

J&J Green Paper的涂层开发历程，生动地展现了寻找PFAS替代品的挑战性。最近，该公司与Mc Papers Argentina达成合作，将为拉丁美洲的快餐业提供更安全的包装解决方案。

经过四年的潜心研究，Janus涂层的创始人斯科特·西格尔终于研发出了一种既能防潮、安全又可持续的新型材料。这种材料以水稻为主，辅以甘蔗和硬脂酸钙。

西格尔回忆道：“我用各种实验配方涂在纸上，直到有一天，水滴在纸面上竟然凝结成珠。随后，我不断调整配方，最终研发出了一种能够牢固附着在纸上，同时又具有出色防水性能的涂层。”如今，这种可生物降解、不含塑料的涂层已经成功应用于价值20亿美元的订单中，产能也在不断扩大。

对于披萨盒等食品包装来说，无涂层纸是最佳选择。报告显示，蜡涂层包装纸和粘土涂层盘子等替代品表现优异。在对10种替代化学品进行评估后，研究人员发现其中6种比PFAS的危害更小，1种危害较小，而剩余3种由于数据不足无法得出明确结论。

然而，替代品也面临着一些挑战。例如，生产防油纸需要经过额外的精炼工艺，这会导致生产速度降低30%左右（根据经合组织2020年的分析）。此外，替代化学品的成本可能比PFAS高出11%。

值得注意的是，伊利诺伊州的一家初创公司Chang Robotics本月推出了一种名为GOEco的氧化石墨烯材料。这种材料有望成为纸质包装更安全、更环保的阻隔层，取代传统的PFAS。

Chang Robotics的首席科学家提摩太·魏表示，氧化石墨烯是一种碳基材料，具有出色的兼容性，可以与多种纤维包装材料结合使用，而且不会影响包装的回收和堆肥性能。“这无疑是一个重要的优势。”魏博士对GOEco的前景充满信心，“它简直太神奇了！”

目前，Chang Robotics正在与多家包装公司合作，计划于明年第一季度开始GOEco的生产试验。同时，公司也在积极推动GOEco获得美国食品药品监督管理局（FDA）的认证。

魏博士指出，近年来，人们对“永久化学品”PFAS的危害认识不断加深，但一直缺乏安全有效的替代品。“PFAS之所以被广泛应用，是因为它能有效阻隔液体、油脂和气体。但现在，我们找到了一个更好的选择。”

除了替代PFAS，GOEco还能取代传统的复合包装材料，如外层为纸，内层为塑料或铝箔的软包装。这些复合包装不仅难以回收，而且最终往往被填埋。

魏博士在内布拉斯加大学领导食品保鲜研究项目期间，与西北大学的孙平阮教授合作，共同探索氧化石墨烯在食品包装领域的应用，尤其是将其应用于纤维基材。如今，魏博士也任职于芝加哥地区的西北大学。

Chang Robotics公司成立于2017年，专注于开发新型的食品包装材料。该公司自主研发的氧化石墨烯材料GOEco，被设计为一种高效的包装阻隔层。这种材料具有广泛的适用性，可以用于纸箱、柔性包装袋、一次性餐具等各种纤维包装。

为了展示GOEco的优异性能，Chang Robotics进行了一项对比实验：将白菜叶分别用涂有GOEco的纸张和传统的柔性塑料包裹，然后观察12天内的降解情况。实验结果显示，用GOEco包裹的白菜叶降解明显较少，这充分证明了GOEco出色的阻隔性能。

除了防潮性能，GOEco在防油性能方面也表现出色。研究人员对涂有GOEco的纸盘进行了吸水和吸油测试，结果表明涂层能够有效阻隔液体渗透。

早期的研究主要集中在将氧化石墨烯作为涂层应用于纸张表面。但最近，Chang Robotics取得了新的突破，成功将氧化石墨烯与纸浆混合，使其成为纸张的一部分。魏博士解释说，氧化石墨烯与纸张中的纤维素纤维具有很强的结合力，能够牢固地融入纸张结构中。这种结合方式不仅增强了阻隔性能，而且确保了阻隔层不会与食物接触，

Chang Robotics公司的工程师们相信，将材料与纸浆混合不仅能增强纤维基质的强度，还能减少纸浆的使用量。魏博士表示，减少材料的使用不仅有利于环境可持续发展，还能控制生产成本。“我们希望确保这种新材料既环保又经济。目前，市场上还没有一种既能提供与塑料和PFAS同等性能，又能兼顾成本和安全的阻隔材料。”

Chang Robotics认为，将GOEco技术授权给纸张和包装生产商是推广这项技术最快速有效的方式。“我们希望为社会做出贡献。”公司正在积极寻求合作，以期将这项技术广泛应用，解决当前严峻的环境问题。

除了GOEco项目，Chang Robotics还在制造业、政府技术和医疗保健等领域开展了多项工程和机器人创新工作。

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