概述: 本文針對一次性容器的材料進行低導熱性(thermal conductivity)和低熱逸散(thermal effusivity)分析，並講述如何影響成品的熱性能與後續衍生的生態環境問題。
由於免洗杯所用材料的不可回收性且再利用性低，加上其廣泛的全球需求，導致它成為了環境污染的主要來源之一，無論是垃圾掩埋場、海洋、自然生態或動物棲息地。全世界平均每年生產5兆個免洗杯，而其中大多數免洗杯含有超過5%的聚氨酯塑料，而這種塑料與其他材料（如聚苯乙烯發泡材）結合後，便會成為需要消耗大量能源且對環境有害的材料，且幾乎不可能回收再利用。然而，儘管免洗杯的破壞性影響眾所周知，但市場上仍在廣泛地使用中，人們對它有著極高度的依賴性。
那麼，是什麼原因讓這個“完美的免洗杯”無法被取代呢？
圖一：被丟棄的一次性紙杯(免洗杯)
一切源於免洗杯的材料熱性能。
紙、塑料、聚苯乙烯發泡材都有著獨特的絕緣性能，都是具有低散熱性和低導熱性的材料，即便裝滿滾燙液體時仍然不會燙手，故也成為了目前製造免洗杯最常用的三種材料。僅僅美國每年就生產超過 1200 億個紙、塑料和發泡材的免洗杯，約佔全球總量的 1/5。在這1200億個免洗杯中，高達99.75%最終被丟棄在垃圾桶中，而這些廢棄物可能需要20年以上的時間才能開始分解。
熱逸散率指的是材料抵抗熱傳遞的能力，或也可說是材料吸收熱量的速率。熱逸散率結合了熱容（材料的散熱能力）與熱擴散率（材料的散熱速度）兩個概念，且更好的描述熱逸散可以通過數學的乘積平方根計算出材料的熱導率與其體積比熱容。以此，可了解到若要阻止熱向周圍環境散失熱量，就需要具有足夠低導熱率和低熱逸散率的材料。
每種材料都具有獨特的化學和物理特性，決定了其隔熱保溫能力，而塑料、紙和聚苯乙烯泡沫塑料的低熱輻射率決定了這些材料在製造商和整個餐飲業中不可替代的決定性特徵。比如餐飲業的巨頭，麥當勞、星巴克等，都會用各種不同的杯子供應咖啡，而這些杯子都是由這些隔熱材料的組合而成。
免洗杯的演變史
免洗杯是一項相對現代的發明，大約在100年前才出現在市場上，目的是為了限制公共飲用杯的使用。雖然這在現今看來有點不可思議，但在當時公共飲用杯的應用非常普遍，通常是在飲水機附近放置錫杯或玻璃杯，供口渴的行人使用。
Lawrence Luellen為一種杯內襯打了蠟的免洗杯申請專利，他聲稱這是改善公眾衛生的有效途徑，盡可能地預防肺炎或肺結核等接觸性疾病。 Luellen的免洗杯早在“外帶咖啡”文化出現以前就存在，它促成了這項發想”提供外帶飲品的最佳方式是，將飲品裝在不需額外清潔即可輕鬆處理與使用的容器中。”
1970年代，麥當勞才開始提供早餐、十年後星巴克開設了第 50 家門店，這些歷史代表性事件代表著免洗杯的生產與使用激增，他們為如今數百萬美元的製造業奠定了基礎。
發泡材質之免洗杯(Foam Based, 如保麗龍等)
快進到 21 世紀，我們現在大量使用的免洗杯，大部分是由發泡塑料、紙或塑料製成的。外帶咖啡行業的三大巨頭麥當勞、星巴克和Dunkin Donuts，每年僅咖啡就可賺進近200億美元的營收，基本可以判定這些公司未來仍然會需要大量的咖啡杯來滿足這巨大的需求。雖然紙與聚苯乙烯發泡塑料 (EPS) 兩種材料的熱性能和測量值幾乎相同，但由於聚苯乙烯發泡塑料充滿微小的孔隙且相對較厚，可以提供更好的隔熱效果，所以多年來也被眾多公司取用。
聚苯乙烯和聚碳酸酯都是硬質塑料，比紙質的免洗杯具有更高的隔熱性能也更安全，可以保護消費者不受容器內滾燙的熱飲或其容易溢出導致燙傷，且這些材料製成的塑料杯也具有較高的熔點，所以不太可能將有害化學物質溶解出來。
圖二：發泡材質之免洗杯(保麗龍)
苯乙烯(Styrene)與健康問題
雖然苯乙烯的熔點很高，但它是聚苯乙烯發泡材免洗杯的化學組成成分之一，涉及到健康問題。苯乙烯非常容易從杯子的內層中溶至熱飲或食物中。研究表明，特定類型的食物會加速這種溶解過程，比如含有酒精或脂肪含量高的食物。若以每天4次飲用飲料並連續3年，則將攝入大約整整一個塑料杯含量的苯乙烯。雖然這是一個極端的情況，但它確實描述了這種有毒物質的累積速度。
雖然含有聚苯乙烯的容器製品在短期內通常不會引起非常嚴重的不可逆傷害，但仍對皮膚、眼睛和上呼吸道有刺激性的影響，甚或是胃腸道疾病。學者們觀察到，在聚苯乙烯製造工廠附近的居民，有因接觸該物質而產生極端的副作用或更嚴重的接觸病例，標誌性的急性症狀有頭痛、疲勞、肢體不協調和無法清晰思考等等。
一次性紙杯(免洗紙杯)
隨著聚苯乙烯污染的有害影響越來越為人們所認識，許多咖啡杯製造商正轉向生產免洗紙杯。
這些杯子大多由纖維素紙製成，內層PLA（源自可再生物質的生物塑料），這種材質的紙杯非常適合盛放不含冰的冷飲或熱飲。 PLA塗層在紙張周圍提供保護屏障，同時將杯內的接縫固定住，以防止紙張快速吸收過多的水分和塌陷。紙的導熱係數也比塑膠低得多，市面上的紙杯分別以由單層紙或雙層紙製成，單層紙紙杯在盛放非常燙的液體時表現會較差，尤其當杯內外溫差很大而形成冷凝水時，紙杯便容易因水的存在而失去硬度，導致整體的塌陷。
圖三：雙層紙免洗杯
雙層紙質免洗杯
未防止紙杯失去硬度，其一解決方案使用保溫瓶的原理，在雙層紙杯中加入額外的絕緣層，在兩層紙之間留有一定寬度的間隙，間隙中空氣可進一步降低導熱性，讓保溫時間更長，亦能保護使用者被燙傷。
波紋紙杯
波紋紙杯是免洗杯行業的另一種熱門選擇。
與單層或雙層紙杯相比，這種設計具有更低的熱導率和熱逸散率。波紋紙杯由三層纖維素紙和形成獨特形狀浮雕結構的頂層組成，這種浮雕結構讓杯壁間存在空氣，因此手僅與杯外側突出的“波紋”接觸。這種設計有助於更有效地隔熱且消除對杯套的需求，但亦屬於一種額外的資源浪費。
改善熱性能
除紙杯型態的變化外，還有其他方法可以提高隔熱性能，比如最常見的方法之一是在紙杯外部添加一層“包裹物”，比如塑膠封膜。封膜為許多企業所青睞，除增加保溫能力外，更提供了品牌的宣傳機會。但也因此，大大延長了可被分解時間，且降低了紙杯的可回收性。
圖四：星巴克的印刷紙杯
環保行動
因越來越多人意識到，發泡材免洗杯的有害物質會溢出到飲品及食物中，所以越來越多的餐廳在試圖消除對它的依賴，導致在過去十年中免洗紙杯的需求量每年增長超過 2.3%。2013 年 9 月，麥當勞（Mcdonald’s）從使用聚苯乙烯杯轉向使用紙咖啡杯。他們還制定了一個全公司目標，即到 2020 年底，所有基於初級纖維的包裝都將來自可回收和經過認證的來源。麥當勞亦評估包裝製造業造成過度砍伐的毀林風險，並正在採取行動保護森林生態系統。除麥當勞外，眾多公司也在推進可再生自然資源採購或實施環保激勵措施（例如自帶環保杯計劃），這些都是為了減少因廣泛使用一次性咖啡杯而產生的不可回收的廢物數量。許多消費者也逐漸開始使用環保杯或者雙層保溫杯。其中，雙層保溫杯是由兩層不銹鋼構成，層與層之間進行真空處理，以減少熱傳遞和對流。如此在任何低溫環境下，都能保溫4~24小時，保溫力超過市面上任何類型的容器。
圖五：麥當勞的包裝材料
結論
免洗杯的設計和生產側重於利用某些材料的關鍵熱性能，例如材料的低導熱性和低熱逸散性。紙、聚苯乙烯發泡材和塑料都具有較低的熱逸散率的特點，可防止熱咖啡的熱量散發到周圍環境中。這些材料的低導熱性保持杯子溫暖觸感的同時，不會導致使用者被燙傷。雖然這三種材料在保持咖啡熱的作用方面非常有效，但它們確實對環境造成了許多負面影響，並可能對飲用咖啡的人造成健康損害。麥當勞（McDonald’s）和星巴克（Starbucks）等對免洗杯有大量需求的快餐業巨頭正在不斷實施新的環保計劃，如為自帶環保杯的顧客提供飲料折扣等。這些可重複使用的容器通常比一次性杯子的免洗容器具有更好的隔熱能力。另外，也有一些餐廳致力於杯子設計的改良，提升可回收性，並且以可重複利用、環保與易取得的自然資源製成。作為消費者，我們有責任且有意識地使用環保杯，或盡可能在使用可回收免洗杯的餐廳中消費，從總體上減少或消除企業/店家對一次性容器的使用需求。
參考文獻
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