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(huán)境破壞問題頻發(fā)，促使人們加強了對環(huán)保意識的重視。這是因為人們意識到必須走健康生態(tài)的發(fā)展道路，才能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)的發(fā)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(huán)境帶來了巨大壓力。為了能夠減緩包裝材料給環(huán)境造成的破壞，且改善傳統(tǒng)包裝材料性能上的不足，經(jīng)研究學(xué)者們多年研究，在眾多改性方法中，納米復(fù)合已得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。本文對生物可降解材料進行了概述，且對納米復(fù)合可降解包裝材料的研究進展進行綜述。

關(guān)鍵詞：納米材料；生物可降解；改性；包裝

中圖分類號：TB48 文獻標(biāo)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(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)在時代改革的過程中需要不斷革新產(chǎn)業(yè)技術(shù)來適應(yīng)市場的發(fā)展，同時還要保障人們與生存環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)可持續(xù)的發(fā)展，特別是近些年來，包裝材料的應(yīng)用越來越廣泛，原有的常規(guī)包裝材料已經(jīng)難以滿足市場的實際應(yīng)用需求。隨著近些年來生物可降解材料的改性，在實際應(yīng)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(yīng)用。目前，廣大研究學(xué)者已經(jīng)意識到，有效的生物可降解材料的改性方式將能夠創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，因此，生物可降解材料的改性也成為當(dāng)前研究的熱點話題。

納米技術(shù)的出現(xiàn)是21世紀(jì)以來最為尖端的技術(shù)革新之一，該技術(shù)在功能性、可塑性和力學(xué)性能等方面具有明顯優(yōu)勢，通過改性能夠?qū)⒎稚⑾喑叽纭?000nm的顆粒與其他包裝材料形成一種全新的納米結(jié)構(gòu)。例如陳志周等（2019）以復(fù)合薄膜斷裂伸長率、抗張強度、透光率和吸水率為評判標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)對包裝材料改性，形成的納米復(fù)合材料較普通包裝材料具有優(yōu)越的功能特性，有助于促進包裝行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)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(jù)美國材料與試驗協(xié)會分析認(rèn)為，理想的生物可降解材料具有優(yōu)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(xì)菌、真菌、藻類等自然界存在的微生物的作用下，能夠發(fā)生物理或生化反應(yīng)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(yīng)用于多個領(lǐng)域。第二，具有儲存、運輸方便等特點，只需要在保持干燥的環(huán)境中儲存即可。第三，不會對生態(tài)環(huán)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(zhuǎn)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(zhì)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(jù)生產(chǎn)工藝的不同，將其分為以下三種類型。

1.3.1 微生物生產(chǎn)型

例如，真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌可以生產(chǎn)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(fā)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(yè)大學(xué)開發(fā)的聚羥基丁酸酯（PHB）。盡管這些產(chǎn)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(xué)合成一種具備可生物降解官能團，類似于天然高分子結(jié)構(gòu)的材料，其分子結(jié)構(gòu)大部分是具有可被微生物分解的含酯結(jié)構(gòu)的脂肪族聚酯，如聚乳酸（PLA）、聚e-己內(nèi)醋（PCL）等。聚乳酸的熔點為175℃，因其優(yōu)良的生物相容性而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥。聚e-己內(nèi)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(yī)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(zhì)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(huán)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(fā)達國家正在積極研究和開發(fā)的主要類型。

2 納米復(fù)合改性

近些年來，納米材料的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域變得更為寬廣。對此，學(xué)者張開通過對聚乳酸加入納米粒子，形成新的納米復(fù)合材料，其力學(xué)性、耐熱性和結(jié)晶速率得到明顯提升。通過實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著納米材料與聚乳酸復(fù)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(fù)合物極易發(fā)生團聚現(xiàn)象，如果未能有效解決納米復(fù)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(fù)合可降解包裝材料研究進展

3.1 淀粉納米復(fù)合材料

淀粉來源廣泛，經(jīng)濟實惠，而且具有較好的環(huán)境友好性優(yōu)點，因此在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。在進行生物材料降解的過程中，對淀粉應(yīng)用等研究也變得更為廣泛，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，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(guān)可降解生物材料的領(lǐng)域中，報道最為廣泛的要屬淀粉-黏土復(fù)合物加工制成的可降解納米復(fù)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(jù)研究學(xué)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(fā)現(xiàn)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(fù)合薄膜的力學(xué)性能以及耐水性②。

3.2 纖維素納米復(fù)合材料

相關(guān)研究結(jié)果表明，纖維素納米復(fù)合材料具有較好的可降解性，研究學(xué)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(fù)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(fù)合材料的拉伸強度也在不斷提升。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因在于纖維素與納米材料所形成的纖維網(wǎng)絡(luò)，隨著納米纖維濃度提高，拉伸強度更強?？偠灾尤爰{米纖維，膜的水汽阻隔特性得到明顯改善，而當(dāng)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(fù)合材料

近些年來，聚乳酸納米復(fù)合材料的研究引起了人們的廣泛關(guān)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(fā)酵制得。相對于商業(yè)聚合物而言，聚乳酸在環(huán)境保護方面具有明顯優(yōu)勢，然而在包裝領(lǐng)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(yè)中的應(yīng)用，需要通過有效的改性方式提升其性能。其中，納米復(fù)合材料技術(shù)是一種有效的方法，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，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(shù)將化學(xué)修飾的黏土和非晶態(tài)的聚乳酸相互結(jié)合形成聚乳酸納米復(fù)合材料，其氣體阻隔性增加了40%。

3.4 蛋白質(zhì)納米復(fù)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(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此在水汽透過性和氧氣阻隔性等方面顯示出優(yōu)越的性能。然而在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，蛋白質(zhì)本身的吸水性和氣體滲透性較差，可以通過納米復(fù)合材料技術(shù)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(xué)者發(fā)現(xiàn)，大豆蛋白具備良好的熱塑性，這一先天優(yōu)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(yīng)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(fù)合材料膜的出現(xiàn)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(jié)束語

納米復(fù)合材料的在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用能夠起到很好的環(huán)境保護作用。隨著納米復(fù)合可降解包裝材料的研究不斷深入，促進了納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，但是目前我國納米復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā)還處于初期階段，所以可生物降解材料領(lǐng)域的改性工藝還需要通過不斷研究加以提升和優(yōu)化，才能夠推進可生物降解材料產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展。

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