納米材料改性生物可降解包裝的研究進展

趙迪 黃晉博 陳亦萱 李佳偉 王茜茜 陳志周

摘要：隨著近年來環境破壞問題頻發，促使人們加強了對環保意識的重視。這是因為人們意識到必須走健康生態的發展道路，才能夠實現可持續的發展。近些年來，包裝材料的使用量不斷提升，給人們賴以生存的環境帶來了巨大壓力。為了能夠減緩包裝材料給環境造成的破壞，且改善傳統包裝材料性能上的不足，經研究學者們多年研究，在眾多改性方法中，納米復合已得到了廣泛的推廣和應用。本文對生物可降解材料進行了概述，且對納米復合可降解包裝材料的研究進展進行綜述。

關鍵詞：納米材料；生物可降解；改性；包裝

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 12-0017-04

Research Progress of Biodegradable Packaging Modified by Nano Materials

ZHAO Di1， HUANG Jin-bo1， CHEN Yi-xuan2， LI Jia-wei1， WANG Qian-qian1， CHEN Zhi-zhou1*

（1.College of food science and technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， China；

2.School of economics and management， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， China）

Abstract： With the frequent occurrence of environmental damage in recent years， people have strengthened their attention to environmental protection awareness. This is because people realize that only by taking a healthy and ecological development path can sustainable development be realized. In recent years， the increasing use of packaging materials has brought tremendous pressure to the environment on which people live. In order to slow down the environmental damage caused by packaging materials and improve the performance deficiencies of traditional packaging materials， with years of research by researchers， nano-composite has been widely promoted and applied among many modification methods. In this paper， the biodegradable materials are summarized， and the research progress of nano-composite biodegradable packaging materials is summarized.

Key words： nano materials； biodegradable； modification； package

隨著我國科學技術的快速發展，各行各業在時代改革的過程中需要不斷革新產業技術來適應市場的發展，同時還要保障人們與生存環境能夠實現生態可持續的發展，特別是近些年來，包裝材料的應用越來越廣泛，原有的常規包裝材料已經難以滿足市場的實際應用需求。隨著近些年來生物可降解材料的改性，在實際應用過程中不斷降低了成本，提高了包裝材料的性能，進一步推動了生物可降解包裝材料的實際應用。目前，廣大研究學者已經意識到，有效的生物可降解材料的改性方式將能夠創造更大的經濟效益，因此，生物可降解材料的改性也成為當前研究的熱點話題。

納米技術的出現是21世紀以來最為尖端的技術革新之一，該技術在功能性、可塑性和力學性能等方面具有明顯優勢，通過改性能夠將分散相尺寸≤1000nm的顆粒與其他包裝材料形成一種全新的納米結構。例如陳志周等（2019）以復合薄膜斷裂伸長率、抗張強度、透光率和吸水率為評判標準，探究納米SiO2改性木薯淀粉/PVA/殼聚糖薄膜的制備工藝①。將納米技術對包裝材料改性，形成的納米復合材料較普通包裝材料具有優越的功能特性，有助于促進包裝行業健康可持續發展。

1 可生物降解材料及其概況

1.1 可生物降解材料的定義

美國是最早進行生物可降解材料研究的國家，根據美國材料與試驗協會分析認為，理想的生物可降解材料具有優越的性能，能夠在自然界微生物的作用下完全分解，形成對自然和人體無害的無機化組成部分，最終將可生物降解材料定義為在細菌、真菌、藻類等自然界存在的微生物的作用下，能夠發生物理或生化反應而降解或分解的材料。

1.2 可生物降解材料的特點

可生物降解材料具有以下幾個特點：第一，可生物降解材料可應用于多個領域。第二，具有儲存、運輸方便等特點，只需要在保持干燥的環境中儲存即可。第三，不會對生態環境或動植物造成危害。第四，不需要焚燒，可以抑制有害氣體的排放。第五，降解后體積減少，能夠有效延長填埋場的使用壽命。第六，同垃圾進行一起處理的過程中能夠轉化成肥料且回歸自然。

1.3 可生物降解材料的分類

由于生物降解材料的性能因素影響，因此目前的材料可以分為兩種降解類型，一種是不能夠完全降解的材料，另一種是可以完全降解的材料。不完全降解的材料主要是指天然高分子或礦物質以及石油基等混合而成的材料，而完全生物降解材料是依據生產工藝的不同，將其分為以下三種類型。

1.3.1 微生物生產型

例如，真養產堿桿菌可以生產羥基丁酸酯（HB）和（R）-3-羥基戊酸酯（3HV）共聚物，HB和4-羥基丁酸酯（4HB）共聚物，HB和3-羥基壬酸酯（3HP）。世界各國都在廣泛研究微生物熱塑性塑料。例如，英國ICI開發的3-羥基丁酸和3-羥基戊酸酯共聚物（PHBV）及其衍生物，日本東京工業大學開發的聚羥基丁酸酯（PHB）。盡管這些產品具備良好的可生物降解性，但價格十分昂貴。

1.3.2 合成高分子材料型

通過化學合成一種具備可生物降解官能團，類似于天然高分子結構的材料，其分子結構大部分是具有可被微生物分解的含酯結構的脂肪族聚酯，如聚乳酸（PLA）、聚e-己內醋（PCL）等。聚乳酸的熔點為175℃，因其優良的生物相容性而廣泛應用于醫藥。聚e-己內醋熱塑性塑料的熔點為63℃。它具有良好的形狀，易于成型，其生物降解性隨著分子量的增加而降低，因此可用作醫療器械和包裝材料。

1.3.3 天然高分子材料型

這類可降解的材料一般包含如半纖維素、淀粉、木質素、多糖類氫化合物和明膠等可降解生物材料，這類材料在環境中具有快速的降解能力，而且具有良好的降解性和透氣性，是目前發達國家正在積極研究和開發的主要類型。

2 納米復合改性

近些年來，納米材料的應用極為廣泛，這為改善高分子材料性能開辟了新的路徑，使高分子材料的應用領域變得更為寬廣。對此，學者張開通過對聚乳酸加入納米粒子，形成新的納米復合材料，其力學性、耐熱性和結晶速率得到明顯提升。通過實驗研究結果發現，隨著納米材料與聚乳酸復合，增加了聚乳酸一些特殊的功能，然而，值得注意的是，將納米粒子引入聚合物的基體中，在納米粒子之間力的相互作用下，納米復合物極易發生團聚現象，如果未能有效解決納米復合改性過程中的分散問題，將對聚合物本身的性能造成一定的不利影響。

3 納米復合可降解包裝材料研究進展

3.1 淀粉納米復合材料

淀粉來源廣泛，經濟實惠，而且具有較好的環境友好性優點，因此在包裝領域的應用較為廣泛。在進行生物材料降解的過程中，對淀粉應用等研究也變得更為廣泛，研究學者發現，加入納米材料或者合成聚合物，將能夠有效提升淀粉的耐水性。

在目前有關可降解生物材料的領域中，報道最為廣泛的要屬淀粉-黏土復合物加工制成的可降解納米復合材料，其作用主要是通過淀粉中加入MMT粘土，以提高楊氏模型和拉伸強度等機械性能，目的是為了能夠通過機械性能的變化來改善材料的阻隔特性。根據研究學者陳志周等（2020）研究了納米SiO2改性木薯淀粉/PVA/殼聚糖薄膜的性能影響，發現在超聲功率為240W，超聲溫度為50℃，超聲時間為40min時，納米SiO2分散能力最佳，能夠有效改善復合薄膜的力學性能以及耐水性②。

3.2 纖維素納米復合材料

相關研究結果表明，纖維素納米復合材料具有較好的可降解性，研究學者為了改善纖維素材料的拉伸強度和水汽透過性，將纖維素納米復合材料的納米纖維濃度從0提升到37%以上，由此反映出纖維素納米復合材料的拉伸強度也在不斷提升。產生這一結果的原因在于纖維素與納米材料所形成的纖維網絡，隨著納米纖維濃度提高，拉伸強度更強。總而言之，加入納米纖維，膜的水汽阻隔特性得到明顯改善，而當加入量大于10%時，能夠顯著降低水汽透過性。

3.3 聚乳酸納米復合材料

近些年來，聚乳酸納米復合材料的研究引起了人們的廣泛關注，這是由于聚乳酸具有良好的生物兼容性和可降解性，而且聚乳酸來源較廣，可以通過碳水化合物的發酵制得。相對于商業聚合物而言，聚乳酸在環境保護方面具有明顯優勢，然而在包裝領域，聚乳酸之所以未能得到大量使用，主要是因為其氣體阻隔性較差，且成本較高。為了進一步推動聚乳酸在包裝行業中的應用，需要通過有效的改性方式提升其性能。其中，納米復合材料技術是一種有效的方法，研究學者發現，黏土對聚乳酸的氣體阻隔性具有積極的作用，使用納米技術將化學修飾的黏土和非晶態的聚乳酸相互結合形成聚乳酸納米復合材料，其氣體阻隔性增加了40%。

3.4 蛋白質納米復合材料

蛋白膜與非離子化的多糖膜相比，由于其自由體積較低，而且具有特殊的非環狀結構，因此在水汽透過性和氧氣阻隔性等方面顯示出優越的性能。然而在包裝領域的應用過程中，蛋白質本身的吸水性和氣體滲透性較差，可以通過納米復合材料技術改性其材料性能，例如將納米黏土加入蛋白膜中，以提升材料的水汽透過性。

研究學者發現，大豆蛋白具備良好的熱塑性，這一先天優勢使其成為可生物降解材料的重要原料。但是，大豆蛋白本身剛性較強，且耐水性較差，至今在生物可降解材料中未得到普及應用。同淀粉類似，雖然可以通過添加增塑劑改善其脆性缺陷，但也降低了大豆蛋白的氣體阻隔性。大豆蛋白納米復合材料膜的出現能夠有效提升大豆蛋白性能，拉伸強度、水汽透過性明顯提高了23%和47%。

4 結束語

納米復合材料的在包裝領域的應用能夠起到很好的環境保護作用。隨著納米復合可降解包裝材料的研究不斷深入，促進了納米技術產業化的快速發展，但是目前我國納米復合材料技術的研發還處于初期階段，所以可生物降解材料領域的改性工藝還需要通過不斷研究加以提升和優化，才能夠推進可生物降解材料產業實現可持續健康發展。

參考文獻：

[1] 蘇小波.生物基可降解食品包裝材料關鍵技術研究[J].科技風，2021（19）：12-13.

[2] 吳憲玲，吳爽，周瑤.可生物降解食品包裝材料研究進展[J].農業科技與裝備，2021（03）：54-55.

[3] 徐玉瑩.生物可降解高分子材料在食品包裝中的應用研究[J].皮革制作與環保科技，2021，2（07）：145-146.

[4] 陳彤，江貴長，張德浩，趙憶鑫.可降解包裝材料現狀研究與展望[J].塑料工業，2020，48（01）：1-6.

[5] 蔣佳男，李海登，李喜宏，張子楹.納米TiO2可降解包裝材料對葡萄的保鮮效果研究[J].包裝工程，2019，40（21）：1-6.

[6] 彭娟，唐智光，李永紅，俸斌，陳智能，陳健.納米纖維素基可降解材料的研究進展[J].廣西糖業，2019（05）：32-37.