《Sustainable Materials and Technologies》：3D printing to optimize the dry forming of thermomechanical pulp and chemi-thermomechanical pulp trays for food packaging
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本研究针对塑料污染问题，探索利用木质纤维（TMP/CTMP）通过干法成型技术制造一次性食品包装托盘。研究人员创新性地采用3D打印定制网格，以差异化引导纤维在托盘侧壁和底部的沉积，成功制备了深度达50 mm的复杂几何形状托盘。结果表明，TMP纤维因其更高的纤维破损率和原纤化程度，在热成型过程中能实现更致密的结构，从而获得优于CTMP的机械性能（强度1–10 MPa，模量400–1600 MPa）。该研究为开发高性能、可再生的塑料替代包装材料提供了一种高效、可定制的新策略。
塑料污染已成为全球性环境挑战，尤其是一次性塑料产品的大量使用和难以降解的特性，对陆地和海洋生态系统造成了严重破坏。寻找可替代塑料的环保材料迫在眉睫。木质纤维，作为一种可再生、可生物降解的资源，被视为极具潜力的替代者。在众多成型技术中，干法成型因其无需用水、能耗低、周期短而备受关注，但传统的干法成型在制造具有复杂几何形状（尤其是深度较大）的产品时面临挑战，制品的机械性能也往往不如湿法成型。那么，能否找到一种方法，既能利用干法成型的环保优势，又能制造出结构复杂且力学性能达标的产品呢？
一篇发表于《Sustainable Materials and Technologies》的研究论文给出了一种创新性的解决方案。该研究巧妙地结合了时下流行的3D打印技术与干法成型工艺，旨在优化利用热磨机械浆(TMP)和化学热磨机械浆(CTMP)来制造食品包装托盘。为了攻克深度成型和性能均一化的难题，研究人员没有采用传统的平板纤维毡直接压制成型的方法，而是设计并打印了一系列具有定制化结构的网格模具。这些网格的关键在于，其侧壁和底部的打印线间距可以独立设置（例如侧壁1.5-2.0 mm，底部1.0 mm），从而在气流成型阶段，就能差异化地引导木质纤维在托盘不同部位的沉积，预先形成一个与最终产品几何形状匹配的纤维预成型体。这种方法预期能改善纤维分布，从而获得克重和机械性能都更为理想的最终产品。
为了开展这项研究，研究人员运用了几个关键的技术方法。首先，他们利用Solidworks软件进行三维设计，并通过熔融沉积建模(FDM)技术的3D打印机，使用聚乳酸(PLA)线材制造出不同网格结构的预成型模具和后续的冷压模具。其次，研究采用了标准的干法成型装置，将经过锤磨机松散的TMP和CTMP纤维，在真空辅助下沉积到上述3D打印网格上，形成目标克重约为500 g/m2的预成型坯。接着，通过冷压（50 kN，1分钟）初步固形后，将坯料转移至200°C的金属模具中进行热压成型，压力在10-40 MPa之间变化，持续30秒。最后，对成型后的托盘试样进行了一系列表征，包括使用扫描电子显微镜(SEM)分析纤维和样品的微观形貌与结构，依据ISO标准测量其厚度、密度，并利用万能材料试验机测试其拉伸强度、模量和伸长率等机械性能。研究所用的TMP纤维来自挪威的Norske Skog Saugbrugs公司，CTMP为斯堪的纳维亚市场浆。
3.1. 纤维特性
研究人员首先对两种浆料纤维进行了详细的表征。化学分析显示，TMP和CTMP具有相似的碳水化合物和木质素组成。然而，在结构形态上二者存在显著差异。SEM图像和纤维分析仪数据表明，TMP纤维含有更高比例的破损纤维、分丝和表面纤丝（原纤化程度高），纤维壁也更薄；而CTMP纤维则更完整、粗大，表面更光滑。这些形态差异直接影响了下游的加工性能和制品性能。
3.2. 侧壁倾角30°托盘的成型与表征
本部分研究验证了3D打印网格差异化设计的有效性。通过使用侧壁线距不同（1.5, 1.8, 2.0 mm）而底部线距恒定（1.0 mm）的网格，研究人员成功制备了简单托盘。结果显示：
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随着侧壁网格线距增大，纤维在侧壁的沉积阻力减小，使得托盘底部与侧壁之间的克重和密度差异减小。
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TMP制成的托盘，其拉伸强度和模量在所有条件下均高于CTMP托盘。这归因于TMP纤维更高的原纤化程度和更多的细小组分，在热压过程中促进了纤维网络的致密化和纤维间的机械互锁。
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热压压力对性能有决定性影响。将压力从10 MPa提高到30 MPa，显著增加了托盘（尤其是侧壁）的密度，并大幅提升了其拉伸强度和模量，同时减少了托盘底部与侧壁之间的性能差异。SEM截面分析证实，更高压力导致了更致密的纤维结构和更小的孔隙直径。
3.3. 深度托盘（50 mm）和侧壁倾角65°的成型与表征
研究进一步挑战了更复杂的几何形状——深度达50 mm、侧壁倾角65°的托盘。初步尝试使用单一网格成型，发现底部和侧壁的克重与性能差异很大。为此，研究人员开发了分步成型策略：
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策略一：先用多孔网格短时成型，再用底部封闭的网格长时间巩固。此方法使TMP托盘获得了更均匀的纤维分布，但CTMP托盘因纤维蓬松度不同，分布仍不均匀。
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策略二：专门针对TMP纤维，采用两步法精确控制纤维沉积。第一步使用底部封闭、侧壁线距渐变的网格；第二步则屏蔽底部，仅让侧壁沉积纤维。此策略成功使托盘侧壁获得了比底部更高的克重（~637 vs ~454 g/m2），从而在热压后（40 MPa）使底部和侧壁达到了相近的密度和几乎一致的拉伸强度与模量（约4.2-4.3 MPa和~1100 MPa），实现了复杂几何形状托盘各部分机械性能的均一化控制。
4. 结论
本研究成功引入了一种结合3D打印定制网格的干法成型新方法，用于制造复杂几何形状的木质纤维食品包装托盘。研究表明，通过精心设计3D打印网格在底部和侧壁的不同孔隙结构，可以主动引导并控制纤维在预制体中的差异化分布，从而优化最终产品的克重、密度和机械性能。在所用的两种浆料中，TMP纤维因其独特的形态（更多破损纤维、纤丝和细料），在热压时能形成更致密的结构，从而始终表现出优于CTMP的机械性能。这项工作不仅证明了干法成型技术有能力突破深度限制，生产出结构复杂的制品，更重要的是，它提供了一种通过工艺和模具设计来精确调控产品局部性能的创新思路，为开发高性能、可持续的塑料替代包装材料开辟了新的途径。
