可生物降解PBAT材料在蔬果類阻隔性包裝中的應用探析

PBAT的研究和開發現狀

當前，對于PBAT材料的制備國內已經擁有較成熟的技術，并已經可實行規模性的生產。為了追求更低成本的生產與制備，對PBAT性能的進一步增強，對于PBAT膜的研究仍然在繼續。國內的相關PBAT產能也在進一步加劇。

當前國內常用制備PBAT膜的方法一共有兩種：其一為直接酯化法（Direct Esterification Process）是由酸和醇直接反應生成酯的方法，將高純度對苯二甲酸與乙二踔按摩爾比1∶1.3～1.8配制成流動性的淤漿，在催化劑及一定溫度壓力下酯化。直接酯化反應釋放的低分子物是水，不是甲醇，易于分離。這種方法制備PBAT膜的優點是工藝流程短、能將材料有效地利用，節省了原材料發生反應的時間，生產效率較高；缺點是反應體系物質較復雜，反應物的相對分子質量不同且較難控制，反應條件要求高，反應介質酸性較強，反應生成的其他物質對產品有影響。

第二種是酯交換法（Trans-esterfication Reaction）是酯與醇、酸或其他酯等作用而生成新酯的反應或方法，是可逆反應。該反應在常壓、180℃～200℃下進行，以醋酸鹽的鈦、鈣、錳、鋅等金屬為催化劑；對苯二甲酸二甲酯與乙二醇的配比為1∶2.0～2.5，為了加快反應速率，縮短反應時間，提高原料利用率可以加入過量乙二醇，并需不斷將反應生成的甲醇分離并冷凝回收；反應可在反應釜或泡單中連續進行。操作方法分為兩種，分別是間歇法和連續法。兩種生產方法應用在不同規模、不同品種的生產制備上。在相同的反應溫度條件下， 不同合成方式所得的PBAT共聚物特性黏度不同。隨著反應時間的增加， 產物的相對分子質量都逐漸增大，相同的反應條件下，得到產物的相對分子質量和產物顏色也不同。通過比較產物相對分子質量的大小和產物的色澤能夠比較出合成方式是否適合生產PBAT。PBAT存在兩個玻璃化轉變溫度，溫度升高會使PBAT變得容易松弛，分子鏈的運動速率加快導致體積增大。這樣分子鏈的運動空間就會變大，導致分子鏈與分子鏈之間的相互摩擦幾率減小，摩擦力會相對減小。

當前對PBAT膜阻隔性的改進情況

聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）通過其生物降解性，極好的延展性，優異的加工性能和良好的最終性能而引起了極大的興趣，但阻隔性不足限制了其特別是在包裝領域應用。通過與其他聚合物共混改性可以獲得擁有良好阻隔性的材料應用在包裝領域中。

聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）在包裝材料中主要是與其他的共聚物薄膜進行共混改性。改性通常分為兩個方向：一個方向是利用PBAT的透氣性好的特點制成自發式氣調薄膜包裝并且廣泛應用在果蔬等需要呼吸作用的食品中。這種改性通常是降低了薄膜對于氧氣的透過率，提高二氧化碳的透過率，從而達到抑制果蔬等新鮮產品的呼吸作用達到維持新鮮度，延長保質期的作用。另一個方向是利用PBAT的較好的延展性和耐沖擊性能與阻隔性能較好的共聚物薄膜進行共混形成新的韌性好，阻隔性好的薄膜。這種薄膜用來包裝要求密封性能好，能夠阻止氧氣、水蒸氣等氣體和水等進入包裝以用來保護內裝物免受腐敗。高阻隔性薄膜大多應用在液體飲料等產品中。優點是其韌性好、耐沖擊性能好，且比玻璃等成本相對較低。目前與PBAT膜共混的聚酯薄膜與PBAT膜有一個共性就是可生物降解性。這樣制得的共混薄膜也具有可生物降解的特性，在符合包裝的性能要求的同時也符合當下對于環境保護的要求，避免無法回收的塑料薄膜污染環境，這種復合薄膜的使用值得大力推廣。PBAT膜與聚丙基碳酸酯（PPC）共混，PPC也具有可生物降解的特性，且無毒對人的身體無害。PPC膜具有很好的阻隔性，透氣性低。復合后的薄膜具有很好的阻隔性，透氧氣率低可以作為要求密封的食品包裝材料。PBAT膜與聚羥基丁酸戊酯膜（PHBV）共混得到的共混薄膜同樣具有可生物降解的特性。PHBV的阻隔性較強但是其熱穩定性較差，而PBAT的熱穩定性好，所以將兩種薄膜共混形成的新產品既保持著原有的可生物降解的特性，同時具有高阻隔性和熱穩定性的優點。將PBAT膜與其他可生物降解材料的薄膜共混是改善PBAT膜的主要方式，在包裝領域主要也是以這種方式來應用的。

PBAT改性薄膜在蔬果類阻隔性包裝中的應用

1.PBAT改性膜在新鮮果蔬包裝中的應用

新鮮果蔬營養豐富，是人們生活中必不可少的食物，過去，因為技術和交通的限制，人們往往只能就地選擇食用的果蔬，而現在這一切得到了改觀。為確保新鮮水果能長時間的貯藏，應選用具有透氣性或者具有氧氣透過率低、二氧化碳透過率高的薄膜。氧氣透過率低、二氧化碳透過率高可以有效地適應新鮮果蔬的呼吸。PBAT與PLLA共混可以增強薄膜二氧化碳的透過率，并且保持氧氣的透過率基本不變，這樣就可以達到保鮮果蔬的作用，有效地延長了果蔬貯存時間。PLLA與PBAT共混生產的薄膜的二氧化碳與氧氣的透過比與PBAT的含量有關，調節PBAT的含量可以使共混薄膜二氧化碳與氧氣的透過比達到最適宜新鮮蔬果保鮮貯藏的條件。

成熟的草莓口感甘甜、無核，吃起來方便，營養豐富，富含多種維生素，長期吃草莓對人的身體十分有益。隨著生活的改善，人們對于草莓這種含水量較高的水果的需求越來越大。但是由于草莓含水量大、皮薄且易于腐爛等缺點，導致草莓的運輸儲藏十分困難。目前草莓的售賣主要是在種植基地的短距離區域，長距離運輸草莓要求技術嚴格，要采用冷藏等技術對草莓進行保鮮。這就造成長距離運輸后的草莓價格昂貴，且有十分嚴重的腐爛浪費現象。研究出對草莓進行保鮮并能進行較長時間貯存的包裝就成為了首要任務。聚已內酯（PCL）與PBAT同樣為可生物降解塑料。利用PBAT延展性好和透氣性好等優點與PCL共混形成的薄膜同樣具有可生物降解的特性。PCL具有較高的透濕性與水蒸氣透過性，與PBAT共混制成的薄膜非常有助于新鮮果蔬的包裝，復合膜在擁有低氧氣透過率和高二氧化碳透過率的同時也具有高透氣性。PBAT/PCL共混薄膜通過擠出機擠出成型，經冷卻后再加熱進行單軸拉伸成型，成型后的薄膜制成自發氣調包裝。自發氣調包裝能夠自發調節袋內氧氣和二氧化碳的含量，延長草莓的保質期。PBAT/ PCL共混薄膜的二氧化碳和氧氣的選擇透過比適合于草莓的呼吸作用可以有效延長草莓的貯藏時間。

2.PBAT膜在食用菌包裝中的應用

雙孢菇呈白色，含水量高，味道鮮美并含有多種氨基酸。雙孢菇對貯存環境的要求比較苛刻，由于它的整體為白色若保存不當會使其變色影響售賣。雙孢菇的保存周期短，過長時間的貯藏會使雙孢菇出現開傘等現象。目前雙孢菇的主要貯藏方法有低溫冷庫貯藏、薄膜袋氣調貯藏、輻射貯藏、固體保鮮劑貯藏等方法。相比較而言，薄膜袋氣調貯藏價格低廉且貯藏時間適中，其他方法貯藏成本較高。薄膜袋氣調貯藏主要采用PBAT/PCL共混薄膜制成自發氣調包裝袋。將采摘后的雙孢菇放入自發式氣調包裝袋并封口，袋內的氣體會自發調節成低氧氣和一定二氧化碳濃度的環境。這種環境有助于雙孢菇的貯藏，可以相當長時間的延長雙孢菇的保質期。PBAT與PCL在以一定質量比混合時，能達到屈服強度最大并且二氧化碳與氧氣的透過比達到最適宜雙孢菇呼吸作用的目的，從而最大限度地延長保質期。

結束語

當前，對于微塑料的治理以及全球性的“禁塑”呼聲，對于包裝中應用的各類包裝材料而言，降解是當前核心的追求之一。PBAT膜作為可生物降解材料會在未來越來越廣泛的應用在包裝行業中，尤其是在保鮮蔬果和食用菌類等需要呼吸的產品中。PBAT膜可與多種共聚物薄膜復合，利用PBAT膜延展性好、熱穩定好、韌性好等優點可以改善其他共聚物薄膜的缺點。PBAT膜具有良好的氣體透過性，可以很好的維持新鮮果蔬等需要的呼吸作用，保證產品的保質期。然而，PBAT膜的合成和生產方式還需進一步的研究和探索，其阻隔性的改良與低成本的探究是當前研究的重點方向之一，相信在行業同仁的共同努力下，PBAT在行業里的應用將越來越廣泛。

作者單位：河南科技大學包裝工程系