生物基包装材料应用现状

■ 文/汇源印刷包装科技（天津）股份有限公司 陈 飞

0 引 言

随着现代社会的高速发展，人们对资源的消耗越来越大，同时包装废弃物带来的环境污染问题也日益显著，因此，开发新的绿色环保包装材料成为研究的重点。传统的石油基复合材料，因其不可再生和不可降解性，给自然环境带来了难以修复的危害。并且，面对目前不可再生的化石资源日益紧缺的压力，以及石油基复合材料在回收处置方面的困难，将更加清洁环保的材料应用于包装行业受到人们的广泛关注[1]。

与石油基材料相比，生物基材料来源于自然，取材广泛，生产加工过程中绿色无污染，且使用过后可完全降解，回归自然环境中进入生态循环，不会对自然环境产生危害。同时，生物基材料有其优良的物理化学性能，可以用于食品药品的包装，也可与其他材料复合经发泡处理作为缓冲包装材料等。基于以上背景，生物基包装材料成为现在研究的热点。

1 生物基包装材料

生物基包装材料来源丰富，主要以淀粉、蛋白、生物单体等一些可再生的资源为基础进行制备，制备过程中无污染物的产生，可以减少CO2的排放，有效防止温室效应的进一步扩大。同时，整个材料的生命周期在使用完成后可以自然分解，不会对自然环境产生危害，可以减少白色污染的现象，对环境保护起到有利的作用。

天然的生物基材料从来源上可分为以下几类：从自然资源中直接提取的，包括蛋白质（如玉米蛋白、麸质、乳清蛋白、大豆蛋白和酪蛋白酸盐）和多糖（如纤维素、淀粉和壳聚糖）等；将可再生资源的单体通过化学法制备合成的，包括聚乳酸（PLA）、乙烯—乙烯醇（EVOH）、聚乙烯醇（PVA）和聚己内酯（PCL）；从转基因微生物体中获得的聚合物，通过生物发酵技术合成生物基材料，如细菌纤维素或多羟基铝酸酯（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，由直链淀粉和支链淀粉混合而成，主要来源于植物果实或块茎部等储存能量的部分，价格低廉，来源丰富并且可降解性，被开发用于制备淀粉基生物可降解薄膜等包装材料。淀粉基材料被称为可替代石油基材料，缓解资源短缺问题及环境污染问题最具发展潜力的材料之一。

淀粉基包装材料根据可降解程度大致可分为两类：一类是部分可降解的填充型淀粉基材料，主要是将淀粉与合成的不可降解高分子进行共混，如PP、PE、PS等石油基复合材料制成混合材料；另一类是可完全降解的淀粉基材料，除去完全由淀粉材料组成的全淀粉基材料（即热塑性淀粉材料）以外，其淀粉内部的氢键结构受到增塑剂或其他小分子结构的破坏，使得分子排布处于无序的状态，同时玻璃化温度降低，得到性能良好的材料。此外，还可与天然高分子材料（如纤维素、木质素、葡聚糖、几丁质等）进行共混，或与合成的可降解高分子材料，如PLA、PCL、聚乙烯醇（PVA）、聚3-羟基丁酸酯（PHB）、3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物（PHBV）、 PBS等进行共混，制成可自然分解的淀粉基材料[3]。

1.1.2 缓冲/机械性能

淀粉基可降解包装材料无色无味，具有良好的物理性能，如：良好的柔韧性、高机械强度、抗冲击强度、良好的耐高低温性能好、同时耐水耐油不易发生变形，淀粉基材料用作食品包装上安全无毒，有一定的气体阻隔性，且可塑性强，具有自然降解性等优良性能，被人们所广泛使用[4]。

目前，淀粉基材料最大的问题是耐湿性差。为提高淀粉材料的力学性能，增加其耐湿性，可以对淀粉材料进行改性处理，如将淀粉与其他天然聚合物交联结合，通过添加脂类物质以增加淀粉的抗水性能，对淀粉发泡材料进行蒸汽爆破改性处理，以改善材料的亲水性能[5]。

淀粉基材料在缓冲包装领域应用最多的是淀粉发泡材料，用作缓冲材料时，对淀粉基材料的耐水性能和机械性能无特殊要求。无论是全淀粉材料还是淀粉复合材料或填充型淀粉材料，都可以用于制备缓冲发泡材料。有研究表明，全淀粉型缓冲材料比EPS材料缓冲机械性能更强，具有更高的空隙率，且吸水率强，可完全溶解于水中。Cinelli等[6-7]将聚乙烯醇（PVA）加入到淀粉中进行共混，得到的淀粉基发泡材料具有良好的缓冲特性，且降解性能大大增强，该材料可用于工业化挤出加工生产，可提高工艺效率。Canjya等[8-9]发现将聚乳酸（PLA）与淀粉基材料进行复合，随着PLA含量的增加会加速淀粉基发泡材料的降解速率。

1.2 PLA材料

1.2.1 材料特性

聚乳酸简称PLA，其来源主要从小麦等谷物产品中提取出淀粉，在催化酶的作用下发酵成乳酸，再由乳酸聚合生成树脂类产物，经过一定的加工成型技术制成聚乳酸制品。经过使用后的聚乳酸产品，废弃后经过堆肥过程，被生物分解为水和CO2产物，而经过光合作用又可重新被谷物所吸收利用，从而完成从生产制备到自然分解再被吸收利用的一个生态循环的全过程[10]。

聚乳酸（PLA）材料质地柔软，易加工成型，有较好的透明度和光泽性，同时有低温热封性和易开性在包装领域应用较广，较其他石油基类材料，如PS、PP、丙烯腈(ABS)等有更显著的优势。PLA机械加工性能好，可通过熔融挤出、吹塑、注塑、真空成型、发泡等加工方式，制成薄膜、包装袋、瓶、罐、托盘等容器，主要应用在食品包装领域[11]。

1.2.2 缓冲/机械性能

聚乳酸材料的缓冲性能主要体现在两个方面。一是将其与其他材料进行复合，制成具有缓冲多孔形状的材料，使其具备缓冲性能用于包装产品的保护中。陈云静等[12]将SiO2以纳米尺寸的单体或团聚体形式均匀分散在PLA中，随着SiO2含量的增加复合材料的孔隙率上升，制备得到的聚乳酸微孔材料具有良好的阻隔和耐热性能，且力学强度也由于其他未成孔的材料。二是对其进行复合改性，或加入其他物质，改变其结构制成新型聚乳酸材料。安洁洁等[13]，对使用超临界CO2绿色发泡技术制备聚乳酸发泡材料的方法和性能进行了研究，发现植物纤维素的加入可以使PLA发泡材料的孔隙结构更加均匀致密，极大地提高了聚乳酸发泡材料的力学性能。此外，在聚乳酸材料中加入稳定剂、增塑剂等物质，经传统加工成型后可制成泡罩包装片材，适用于药用食品类的包装，该方法生产的片剂包材，实现了低温泡罩加工工艺，可达到环保效果[14]。

1.3 聚酯类材料

聚酯类生物基材料中应用于包装领域的有两类非常有名：一类是在许多微生物体内合成的一类生物聚酯颗粒——聚羟基脂肪酸酯类（PHA）；另一类是聚丁二酸丁二醇酯类（PBS）。

1.3.1 聚羟基脂肪酸酯类（PHA）

目前，人们所研究最多的是聚羟基脂肪酸酯类（PHA）的最大特点，即良好的生物相容性，但因其高昂的价格以及较差的力学性能，在材料及包装领域的应用受到极大的限制。研究发现，通过对PHA材料进行生物合成或化学改性，生成的共聚产物可极大地节约生产成本，同时还能优化其物理化学性能。目前，经改性处理后的PHA共聚产物在医药、食品包装领域应用较广。

聚羟基戊酸酯（PHB）结构简单，性能优良，是聚羟基脂肪酸酯类 (PHA)中应用最广泛的一种。PHB具有较高的降解速率，只需要经过12个月即可完全分解，并且分解产物是纯净水和CO2。同时，PHB增强了材料的强度和刚性，成为目前绿色包装材料的最优选择之一，其在包装领域广泛应用于球具、食品、化妆品、卫生用品等产品的包装[15]。

1.3.2 聚丁二酸丁二醇酯类（PBS）

聚丁二酸丁二醇酯类（PBS）是一种高结晶度的聚酯，无毒无味，外观一般为乳白色，具有较好的生物相容性和可降解性，可以经自然降解为水和CO2。同时，PBS有良好的物理化学性能，可以同力学强度较好的PP、PE等材料相媲美。另外，其生产工艺简单，可利用挤出、吹塑、层压、注射成型等方法进行制备。

与上述聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯类（PHA）相比，PBS的耐热性能远远优于这两材料。PBS的热变形温度接近100 ℃，经复合改性后甚至超过100 ℃，可极大地满足对耐热性能要求较高的日用品包装的需求。目前，PBS在包装领域的应用非常广泛，可用于生物药品、快餐食品、农业用品、化妆品等行业的一次性医疗或餐具，而食品包装、农用薄膜等形式的包装材料则被人们所广泛研究。

2 总 结

以上3类生物基包装材料在食品、药品等产品包装方面发挥了重要的作用。其材料取材广泛，且绿色环保、可生物降解性，这成为了人们研究的重点。表1列举了这3类生物基包装材料的主要应用途径。

表1 目前生物基包装材料主要应用范围

随着科学技术的发展，新型的生物基包装材料展示出更多的功能和更大的应用前景。淀粉基材料性能优良，价格实惠，但存在较强的吸水性能，需对其进行复合改性来改善性能，从而更好地应用于包装行业。聚乳酸（PLA）作为一种新兴的可降解生物基材料，展现了很好的应用前景，在未来包装行业具有巨大的发展空间，能有效地缓解人们对化石资源依赖的问题，以及现目前较为严重的“白色污染”问题。同时，新型的聚酯类材料也如雨后春笋般涌现，并展现了更多的性能优势，其最具代表的PHA和PBS在科学研究方面取得了较大的突破进展，已被人们所广泛使用。采用性能优良的生物基包装材料，取代目前紧缺且污染问题棘手的石油基复合材料，不仅是目前人们研究的热点话题，更是今后材料研究领域的主要方向，是未来包装行业发展的必然趋势。