生物基包裝材料應用現(xiàn)狀

■ 文/匯源印刷包裝科技（天津）股份有限公司 陳 飛

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人們對資源的消耗越來越大，同時包裝廢棄物帶來的環(huán)境污染問題也日益顯著，因此，開發(fā)新的綠色環(huán)保包裝材料成為研究的重點。傳統(tǒng)的石油基復合材料，因其不可再生和不可降解性，給自然環(huán)境帶來了難以修復的危害。并且，面對目前不可再生的化石資源日益緊缺的壓力，以及石油基復合材料在回收處置方面的困難，將更加清潔環(huán)保的材料應用于包裝行業(yè)受到人們的廣泛關(guān)注[1]。

與石油基材料相比，生物基材料來源于自然，取材廣泛，生產(chǎn)加工過程中綠色無污染，且使用過后可完全降解，回歸自然環(huán)境中進入生態(tài)循環(huán)，不會對自然環(huán)境產(chǎn)生危害。同時，生物基材料有其優(yōu)良的物理化學性能，可以用于食品藥品的包裝，也可與其他材料復合經(jīng)發(fā)泡處理作為緩沖包裝材料等?；谝陨媳尘?，生物基包裝材料成為現(xiàn)在研究的熱點。

1 生物基包裝材料

生物基包裝材料來源豐富，主要以淀粉、蛋白、生物單體等一些可再生的資源為基礎(chǔ)進行制備，制備過程中無污染物的產(chǎn)生，可以減少CO2的排放，有效防止溫室效應的進一步擴大。同時，整個材料的生命周期在使用完成后可以自然分解，不會對自然環(huán)境產(chǎn)生危害，可以減少白色污染的現(xiàn)象，對環(huán)境保護起到有利的作用。

天然的生物基材料從來源上可分為以下幾類：從自然資源中直接提取的，包括蛋白質(zhì)（如玉米蛋白、麩質(zhì)、乳清蛋白、大豆蛋白和酪蛋白酸鹽）和多糖（如纖維素、淀粉和殼聚糖）等；將可再生資源的單體通過化學法制備合成的，包括聚乳酸（PLA）、乙烯—乙烯醇（EVOH）、聚乙烯醇（PVA）和聚己內(nèi)酯（PCL）；從轉(zhuǎn)基因微生物體中獲得的聚合物，通過生物發(fā)酵技術(shù)合成生物基材料，如細菌纖維素或多羥基鋁酸酯（PHA）等[2]。

1.1 淀粉基材料

1.1.1 材料特性

淀粉是高分子碳水化合物，由直鏈淀粉和支鏈淀粉混合而成，主要來源于植物果實或塊莖部等儲存能量的部分，價格低廉，來源豐富并且可降解性，被開發(fā)用于制備淀粉基生物可降解薄膜等包裝材料。淀粉基材料被稱為可替代石油基材料，緩解資源短缺問題及環(huán)境污染問題最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现弧?/p>

淀粉基包裝材料根據(jù)可降解程度大致可分為兩類：一類是部分可降解的填充型淀粉基材料，主要是將淀粉與合成的不可降解高分子進行共混，如PP、PE、PS等石油基復合材料制成混合材料；另一類是可完全降解的淀粉基材料，除去完全由淀粉材料組成的全淀粉基材料（即熱塑性淀粉材料）以外，其淀粉內(nèi)部的氫鍵結(jié)構(gòu)受到增塑劑或其他小分子結(jié)構(gòu)的破壞，使得分子排布處于無序的狀態(tài)，同時玻璃化溫度降低，得到性能良好的材料。此外，還可與天然高分子材料（如纖維素、木質(zhì)素、葡聚糖、幾丁質(zhì)等）進行共混，或與合成的可降解高分子材料，如PLA、PCL、聚乙烯醇（PVA）、聚3-羥基丁酸酯（PHB）、3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯共聚物（PHBV）、 PBS等進行共混，制成可自然分解的淀粉基材料[3]。

1.1.2 緩沖/機械性能

淀粉基可降解包裝材料無色無味，具有良好的物理性能，如：良好的柔韌性、高機械強度、抗沖擊強度、良好的耐高低溫性能好、同時耐水耐油不易發(fā)生變形，淀粉基材料用作食品包裝上安全無毒，有一定的氣體阻隔性，且可塑性強，具有自然降解性等優(yōu)良性能，被人們所廣泛使用[4]。

目前，淀粉基材料最大的問題是耐濕性差。為提高淀粉材料的力學性能，增加其耐濕性，可以對淀粉材料進行改性處理，如將淀粉與其他天然聚合物交聯(lián)結(jié)合，通過添加脂類物質(zhì)以增加淀粉的抗水性能，對淀粉發(fā)泡材料進行蒸汽爆破改性處理，以改善材料的親水性能[5]。

淀粉基材料在緩沖包裝領(lǐng)域應用最多的是淀粉發(fā)泡材料，用作緩沖材料時，對淀粉基材料的耐水性能和機械性能無特殊要求。無論是全淀粉材料還是淀粉復合材料或填充型淀粉材料，都可以用于制備緩沖發(fā)泡材料。有研究表明，全淀粉型緩沖材料比EPS材料緩沖機械性能更強，具有更高的空隙率，且吸水率強，可完全溶解于水中。Cinelli等[6-7]將聚乙烯醇（PVA）加入到淀粉中進行共混，得到的淀粉基發(fā)泡材料具有良好的緩沖特性，且降解性能大大增強，該材料可用于工業(yè)化擠出加工生產(chǎn)，可提高工藝效率。Canjya等[8-9]發(fā)現(xiàn)將聚乳酸（PLA）與淀粉基材料進行復合，隨著PLA含量的增加會加速淀粉基發(fā)泡材料的降解速率。

1.2 PLA材料

1.2.1 材料特性

聚乳酸簡稱PLA，其來源主要從小麥等谷物產(chǎn)品中提取出淀粉，在催化酶的作用下發(fā)酵成乳酸，再由乳酸聚合生成樹脂類產(chǎn)物，經(jīng)過一定的加工成型技術(shù)制成聚乳酸制品。經(jīng)過使用后的聚乳酸產(chǎn)品，廢棄后經(jīng)過堆肥過程，被生物分解為水和CO2產(chǎn)物，而經(jīng)過光合作用又可重新被谷物所吸收利用，從而完成從生產(chǎn)制備到自然分解再被吸收利用的一個生態(tài)循環(huán)的全過程[10]。

聚乳酸（PLA）材料質(zhì)地柔軟，易加工成型，有較好的透明度和光澤性，同時有低溫熱封性和易開性在包裝領(lǐng)域應用較廣，較其他石油基類材料，如PS、PP、丙烯腈(ABS)等有更顯著的優(yōu)勢。PLA機械加工性能好，可通過熔融擠出、吹塑、注塑、真空成型、發(fā)泡等加工方式，制成薄膜、包裝袋、瓶、罐、托盤等容器，主要應用在食品包裝領(lǐng)域[11]。

1.2.2 緩沖/機械性能

聚乳酸材料的緩沖性能主要體現(xiàn)在兩個方面。一是將其與其他材料進行復合，制成具有緩沖多孔形狀的材料，使其具備緩沖性能用于包裝產(chǎn)品的保護中。陳云靜等[12]將SiO2以納米尺寸的單體或團聚體形式均勻分散在PLA中，隨著SiO2含量的增加復合材料的孔隙率上升，制備得到的聚乳酸微孔材料具有良好的阻隔和耐熱性能，且力學強度也由于其他未成孔的材料。二是對其進行復合改性，或加入其他物質(zhì)，改變其結(jié)構(gòu)制成新型聚乳酸材料。安潔潔等[13]，對使用超臨界CO2綠色發(fā)泡技術(shù)制備聚乳酸發(fā)泡材料的方法和性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)植物纖維素的加入可以使PLA發(fā)泡材料的孔隙結(jié)構(gòu)更加均勻致密，極大地提高了聚乳酸發(fā)泡材料的力學性能。此外，在聚乳酸材料中加入穩(wěn)定劑、增塑劑等物質(zhì)，經(jīng)傳統(tǒng)加工成型后可制成泡罩包裝片材，適用于藥用食品類的包裝，該方法生產(chǎn)的片劑包材，實現(xiàn)了低溫泡罩加工工藝，可達到環(huán)保效果[14]。

1.3 聚酯類材料

聚酯類生物基材料中應用于包裝領(lǐng)域的有兩類非常有名：一類是在許多微生物體內(nèi)合成的一類生物聚酯顆?！哿u基脂肪酸酯類（PHA）；另一類是聚丁二酸丁二醇酯類（PBS）。

1.3.1 聚羥基脂肪酸酯類（PHA）

目前，人們所研究最多的是聚羥基脂肪酸酯類（PHA）的最大特點，即良好的生物相容性，但因其高昂的價格以及較差的力學性能，在材料及包裝領(lǐng)域的應用受到極大的限制。研究發(fā)現(xiàn)，通過對PHA材料進行生物合成或化學改性，生成的共聚產(chǎn)物可極大地節(jié)約生產(chǎn)成本，同時還能優(yōu)化其物理化學性能。目前，經(jīng)改性處理后的PHA共聚產(chǎn)物在醫(yī)藥、食品包裝領(lǐng)域應用較廣。

聚羥基戊酸酯（PHB）結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，是聚羥基脂肪酸酯類 (PHA)中應用最廣泛的一種。PHB具有較高的降解速率，只需要經(jīng)過12個月即可完全分解，并且分解產(chǎn)物是純凈水和CO2。同時，PHB增強了材料的強度和剛性，成為目前綠色包裝材料的最優(yōu)選擇之一，其在包裝領(lǐng)域廣泛應用于球具、食品、化妝品、衛(wèi)生用品等產(chǎn)品的包裝[15]。

1.3.2 聚丁二酸丁二醇酯類（PBS）

聚丁二酸丁二醇酯類（PBS）是一種高結(jié)晶度的聚酯，無毒無味，外觀一般為乳白色，具有較好的生物相容性和可降解性，可以經(jīng)自然降解為水和CO2。同時，PBS有良好的物理化學性能，可以同力學強度較好的PP、PE等材料相媲美。另外，其生產(chǎn)工藝簡單，可利用擠出、吹塑、層壓、注射成型等方法進行制備。

與上述聚乳酸（PLA）、聚羥基脂肪酸酯類（PHA）相比，PBS的耐熱性能遠遠優(yōu)于這兩材料。PBS的熱變形溫度接近100 ℃，經(jīng)復合改性后甚至超過100 ℃，可極大地滿足對耐熱性能要求較高的日用品包裝的需求。目前，PBS在包裝領(lǐng)域的應用非常廣泛，可用于生物藥品、快餐食品、農(nóng)業(yè)用品、化妝品等行業(yè)的一次性醫(yī)療或餐具，而食品包裝、農(nóng)用薄膜等形式的包裝材料則被人們所廣泛研究。

2 總 結(jié)

以上3類生物基包裝材料在食品、藥品等產(chǎn)品包裝方面發(fā)揮了重要的作用。其材料取材廣泛，且綠色環(huán)保、可生物降解性，這成為了人們研究的重點。表1列舉了這3類生物基包裝材料的主要應用途徑。

表1 目前生物基包裝材料主要應用范圍

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新型的生物基包裝材料展示出更多的功能和更大的應用前景。淀粉基材料性能優(yōu)良，價格實惠，但存在較強的吸水性能，需對其進行復合改性來改善性能，從而更好地應用于包裝行業(yè)。聚乳酸（PLA）作為一種新興的可降解生物基材料，展現(xiàn)了很好的應用前景，在未來包裝行業(yè)具有巨大的發(fā)展空間，能有效地緩解人們對化石資源依賴的問題，以及現(xiàn)目前較為嚴重的“白色污染”問題。同時，新型的聚酯類材料也如雨后春筍般涌現(xiàn)，并展現(xiàn)了更多的性能優(yōu)勢，其最具代表的PHA和PBS在科學研究方面取得了較大的突破進展，已被人們所廣泛使用。采用性能優(yōu)良的生物基包裝材料，取代目前緊缺且污染問題棘手的石油基復合材料，不僅是目前人們研究的熱點話題，更是今后材料研究領(lǐng)域的主要方向，是未來包裝行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。