从热性能角度，探讨人们对一次性杯子高度依赖的原因

众所周知，由于一次性杯子所用材料的不可回收性，导致它成为了环境污染的主要来源。

一次性杯子无法回收或再利用的特点，加上其广泛的全球需求，导致全球垃圾填埋场、海洋和自然野生动物栖息地的一次性杯子污染过多。全世界每年生产5万亿个一次性杯子，其中大多数杯子中含有超过5%的聚氨酯塑料，而这种塑料与一次性咖啡杯中的其他材料（如聚苯乙烯泡沫塑料）结合在一起，是一种需要大量能源且对环境有害的生产材料，这就是为什么一次性杯子几乎不可能回收利用的原因。然而，尽管一次性杯子的这些破坏性影响众所周知，但大型快餐公司仍在继续使用它们为顾客提供咖啡。

那么，是什么原因让这个“完美的一次性杯子”配方如此不可替代呢？大多数咖啡服务行业对这些材料的咖啡杯高度依赖，源于咖啡杯材料的热性能。

图一：一次性咖啡杯

一次性杯子的热性能

纸、聚苯乙烯泡沫塑料和塑料由于其独特的绝缘性能，成为了目前制造一次性咖啡杯最常用的三种材料。仅美国每年就生产超过 1200 亿个纸、塑料和泡沫制品的咖啡杯，约占全球总量的 1/5。在这1200亿个一次性咖啡杯中，高达99.75%的一次性咖啡杯最终被丢弃在垃圾桶中，而这些杯子可能需要20年以上的时间才能开始分解。

塑料、纸和泡沫都是具有低散热性和低导热性的材料，这使它们成为盛放热饮的理想材料，因为即使在装满滚烫的液体时，用这些材料制成的杯子仍然摸起来不会烫手。

热辐射率描述了材料抵抗热传递的能力，可以测量为该材料吸收热量的速率，它将热容（材料的散热能力）与热扩散率（材料的散热速度）两个概念。通过求出材料热导率与其体积热容乘积的平方根，可以从数学上确定更好描述热溢出。所以，要阻止热传递或阻止热咖啡向周围环境散失热量，您需要一种具有较低导热率和低热渗出率的材料。

每种材料都具有独特的化学和物理特性，决定了其隔热保温能力，而塑料、纸和聚苯乙烯泡沫塑料的低热辐射率决定了这些材料在咖啡杯制造商和整个快餐业中不可替代的决定性特征。快餐业的巨头，如麦当劳、邓肯甜甜圈和星巴克，都会用各种不同的杯子供应咖啡，而这些杯子都是由这些隔热材料的特定组合而成。

一次性杯子的演变史

一次性杯子是一项相对现代的发明，大约在100年前才出现在市场上，目的是为了限制公共饮用杯的使用。虽然这听起来有点不可思议，但在当时公共饮用杯的应用非常普遍。当时的公共饮用杯是放在饮水机附近，用的锡杯或玻璃杯，供口渴的行人使用。

Lawrence Luellen为一种打蜡衬里的一次性杯子申请了专利，他声称这是改善公众卫生的有效途径，可尽力预防接触性肺炎或肺结核等疾病。Luellen的杯子早在“外带咖啡”文化出现之前就出现了，它引发了这样一种思路，即提供外带饮品的最佳方式是，将饮品放在无需额外清洁即可轻松使用和处理的容器中。

20世纪70年代麦当劳才开始提供早餐、十年后星巴克开设了第 50 家门店，这些历史代表性事件，标志着一次性咖啡杯的生产和使用激增的开始，他们为如今数百万美元的制造业奠定了基础。

泡沫纸杯

快进到 21 世纪，我们现在大量使用的一次性咖啡杯，大部分是由泡沫塑料、纸或塑料制成的。外带咖啡行业的三大巨头麦当劳、星巴克和邓肯甜甜圈，每年仅咖啡就可提供近200亿美元的创收。鉴于一杯咖啡的平均价格约为2美元，我们可以有把握地判定，这些公司会通过大量的咖啡杯来满足这一巨大的消费需求。虽然纸与聚苯乙烯泡沫塑料两种材料的热性能和测量值几乎相同，但由于聚苯乙烯泡沫塑料杯子相对较厚，可以提供更好的隔热效果，所以多年来那些公司都会使用聚苯乙烯泡沫塑料杯为客户提供饮料。

大多数基于泡沫的饮料容器都是由发泡聚苯乙烯 (EPS) 制成的，一种里面充满了微小的气泡的聚苯乙烯塑料，可增强杯子的隔热性。聚苯乙烯和聚碳酸酯都是硬质塑料，比纸杯具有更高的隔热性能，可以保护消费者免受容器内滚烫的热饮泄漏和溢出方面的烫伤，会更安全。由这些材料制成的塑料内衬的杯子也具有较高的熔点，并且不太可能将有害化学物质浸出到热饮中。

图二：一次性泡沫杯盒

苯乙烯与健康问题

虽然苯乙烯的熔点很高，但它是聚苯乙烯泡沫塑料咖啡杯的化学组成成分之一，涉及到健康问题。

苯乙烯很容易从咖啡杯的内衬中渗出，并融入于盛储的热饮或食物中。研究表明，这种浸出过程在特定类型的食物中会加速，如含有酒精或脂肪含量高的食物。连续三年每天四次从聚苯乙烯杯中饮用饮料的消费者，将摄入大约一个泡沫杯含量的苯乙烯。虽然这是一个极端的情况，但它生动地描绘了这种有毒物质的生物积累速度。

虽然接触聚苯乙烯杯子和容器通常不会严重到引起急性症状，但是接触苯乙烯的一些短期症状可能包括皮肤、眼睛和上呼吸道的刺激，以及一些胃肠道疾病。

在聚苯乙烯工厂附近的居民中，学者们观察到了因接触该物质而产生更极端的副作用和更严重的接触病例，如这些人可能会出现一些标志性的头痛、疲劳、缺乏整体协调和无法清晰思考等急性症状。

一次性纸杯

随着聚苯乙烯污染的有害影响越来越为人们所认识，许多咖啡杯制造商正转向生产一次性纸杯。

这些杯子大多由纤维素纸制成，内衬PLA（源自可再生物质的生物塑料），这种材质的纸杯非常适合盛放不含冰的冷饮或热饮。PLA涂层在纸张周围提供保护屏障，可防止纸张过度饱和和下垂。同时，这种塑料涂层还起到胶水的作用，使杯子的接缝固定在一起。纸的导热系数也比塑料低得多，因此通过将纸层放在杯子的外侧，可以保护消费者的手免受热咖啡的热辐射影响。纸杯通常由单层纸或双层纸制成。单层纸咖啡杯在盛放非常烫的液体时表现极差，因为杯内外温差巨大，容易形成冷凝水。这种冷凝水会浸湿纸杯，使其失去硬度，导致整个杯子可能会软化塌陷。

图三：一次性纸杯

双层纸杯

防止纸杯失去硬度的一个解决方案是，用保温瓶的原理，在双层纸咖啡杯中加入额外的绝缘层，相当于在两层纸之间有一个气隙，而这种气隙可进一步降低了导热性，让咖啡更长时间保温，保护消费者被过热烫伤。

波纹纸杯

波纹纸杯是一次性咖啡杯行业的另一种热门选择。

与单层或双层纸杯相比，这种设计具有更低的热导率和热渗出率。波纹纸杯由三层纤维素纸和形成独特形状浮雕结构的顶层组成，这种浮雕结构允许杯壁之间存在空气空间，因此手仅与杯外侧突出的“波纹”接触。 这种设计有助于更有效地散热，这虽然消除了对咖啡杯套的需求，但也属于一种额外的资源浪费。

改善热性能

还有其他一些方法可以提高纸杯的隔热性能，比如最常用的方法之一是在纸杯外部添加一层塑料“包裹物”。这在许多餐饮行业中很受欢迎，因为它为企业提供了在塑封膜上宣传自己品牌的额外机会。虽然这种纸杯设计提高了纸杯的保温能力，但它也大大延长了分解时间，降低了纸杯的可回收性。

环保行动

因为越来越多人意识到，泡沫杯的有害物质会溢出到盛储物中，所以越来越多的餐厅在试图消除对泡沫杯的依赖，导致在过去十年中纸杯的需求每年增长超过 2.3%。比如麦当劳在2013年9月开始，用纸咖啡杯替代聚苯乙烯杯的使用。同时，麦当劳还设定了一个公司范围的目标，即到2020年底，所有基于初级纤维的包装将会用到来自回收和认证标识的来源。麦当劳还继续评估其包装制造业造成森林过度砍伐的毁林风险，并正在采取行动保护森林生态系统。麦当劳（Mcdonald’s）等众多公司正在推进或实施环保激励措施，如从可再生自然资源中采购、自带可重复使用的咖啡杯计划等，这些都是为了减少因广泛使用一次性咖啡杯而产生的不可回收的废物数量。许多消费者也逐渐开始使用可重复利用的杯子或者双层保温杯。其中，双层保温是由两层不锈钢内胆构造，并在两层内胆之间再利用中层抽空减少热传递和对流，这样的双层保温杯可以让咖啡在任何低温环境下，都能保温4-24小时，且其保温力超过了市面上其他任何类型的杯子。

图四：麦当劳的标准包装

结论

一次性咖啡杯的设计和生产侧重于利用某些材料的关键热性能，例如材料的低导热性和低热渗出性。纸、聚苯乙烯泡沫塑料和塑料都具有较低的热渗出率的特点，可防止热咖啡的热量散发到周围环境中。这些材料的低导热性保持杯子温暖触感的同时，不会导致手持者被过热烫伤。虽然这三种材料在保持咖啡热的作用方面非常有效，但它们确实对环境造成了许多负面影响，并可能对饮用咖啡的人造成健康损害。麦当劳（McDonald’s）和星巴克（Starbucks）等大量需求一次性咖啡杯的快餐业巨头正在不断实施新的环保计划，如为自带可重复使用咖啡杯的顾客提供饮料折扣。这些可重复使用的杯子通常比一次性杯子具有更好的绝缘能力，使热饮在更长时间内保温。其中一些餐厅正在专注于杯子的改进设计中，让材料以更可持续的方式获得，以及杯子更容易回收。作为消费者，我们也需要有责任、有意识地使用可重复使用的咖啡杯，或从使用可回收的咖啡杯餐厅中购买咖啡。消费者的这一努力有望从总体上消除对企业一次性杯子的使用需求，并让研究工作持续集中在增强可重复利用的杯子设计上。