可降解塑料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

楊杰 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心）

1. 可降解材料種類和特性

根據(jù)塑料被分解的方式和原理，可降解塑料包裝材料可分為：生物降解塑料、光降解塑料、光-生物降解塑料和其他方式降解塑料。

1.1 生物可降解包裝用塑料

生物降解塑料又分為玉米或馬鈴薯為主等淀粉改性或填充聚乙烯、聚丙烯等常用普通用料的破壞性生物降解塑料，和以淀粉、纖維素等天然高分子材料經(jīng)生物發(fā)酵后具有完全降解性能的完全塑料[1]。生物降解主要依靠自然界中細(xì)菌真菌等微生物的分解作用，把可降解塑料在短時(shí)間內(nèi)分解為不污染環(huán)境的甲烷、二氧化碳和水等，可以參與碳氮循環(huán)和促進(jìn)生物新陳代謝。

在二十世紀(jì)九十年代，可降解塑料在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展，漸漸地應(yīng)用于各類包裝。如，日本NBC 公司生產(chǎn)的以玉米為主的淀粉和以脂肪族聚酯為樹脂原料制造出來的可降解塑料袋，在加了熟石灰后被分解為氯化鈣和水，無污染又防臭，如圖1。生物可降解塑料很早就被應(yīng)用到了麥當(dāng)勞等餐廳作為食物的包裝，方便又無毒。當(dāng)然，不僅用來包裝食品，生物可降解塑料甚至被做成了一些藥物的膠囊等用來包裝顆粒藥物。

圖1 淀粉生物可降解塑料袋

1.2 光降解包裝用塑料

光降解包裝用塑料主要是在太陽光或紫外線照射下，相應(yīng)的塑料包裝產(chǎn)品被自動分解。塑料在吸收紫外線后鍵能減小，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高分子長鏈斷裂形成各種小分子，小分子化學(xué)鍵繼續(xù)被破壞為更小的分子，在空氣中徹底氧化分解。光解塑料可分為共聚型和添加型兩類。共聚型是由各類烯烴等聚合而成，在光照條件下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而斷裂分解。添加型是在原材料中添加對二甲苯等增加光敏感性的助劑，在一定紫外線強(qiáng)度下被徹底分解。

上世紀(jì)七十年代，國外就對光降解塑料進(jìn)行了大量開發(fā)研究，現(xiàn)在光降解包裝用塑料在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，在許多室內(nèi)餐廳、商場和存儲室等大量采用，包裝過各種食品。在廢棄時(shí)不需要填埋和焚燒，在陽光或紫外線下就能分解，不會破壞土壤和污染環(huán)境，符合綠色、可持續(xù)發(fā)展道路。

1.3 光-生降解包裝用塑料

在太陽光或紫外線強(qiáng)度不足時(shí)，光降解塑料不能被快速完全的降解，微生物量少時(shí)生物降解塑料不能被很好的降解。出于社會的需要，融合上述兩種工藝性能的復(fù)合材料的光-生物降解塑料誕生了。這種塑料解決了紫外線強(qiáng)度不足問題，也解決了生物降解塑料生產(chǎn)制備工藝復(fù)雜的困難。塑料中添加了兩種誘發(fā)劑，大大增加了分解效率。通過調(diào)整兩種誘發(fā)劑的數(shù)量比例可得到不同分解程度和性能的光-生物可降解塑料，在誘導(dǎo)期內(nèi)材料的力學(xué)性能可達(dá)到百分之八十以上，在一定時(shí)間后，其力學(xué)性能迅速降低，在氧化劑和細(xì)菌真菌等微生物共同作用下快速且準(zhǔn)時(shí)被徹底分解。能夠定時(shí)分解包裝塑料材料也是光-生物降解包裝用塑料的一大特點(diǎn)與優(yōu)勢。

光-生物降解塑料早在上世紀(jì)就已經(jīng)被開發(fā)利用，相比于前兩種包裝用塑料更受人們青睞，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可降解塑料被分解為小分子物質(zhì)，最終再被分解為水和二氧化碳，在地上幾乎不留痕跡[2]。國內(nèi)外也都在投入大量資金更進(jìn)一步研發(fā)，相信在不久的將來會應(yīng)用更為廣泛，性能更加先進(jìn)突出，還會批量生產(chǎn)各種包裝用塑料。

1.4 其他降解包裝用塑料

除了上述三種可降解塑料包裝用材料的降解方式外，還有一些其他降解材料，只是在包裝領(lǐng)域還用得較少，比如水降解和各種降解樹脂基結(jié)合等應(yīng)用。

圖2 醫(yī)療塑料廢棄物

塑料在醫(yī)療方面可謂是用處甚多，之前的用后直接丟棄造成了很大的白色污染和資源浪費(fèi)，如圖2?？山到馑芰系氖褂脺p緩了這方面的問題，如用于醫(yī)藥衛(wèi)生用具的手套等，由于這種塑料本身具有親水性，用后通過水就能降解掉[3]，便于銷毀和消毒處理。再加上對垃圾進(jìn)行了分類丟棄，完成醫(yī)療塑料器械的回收利用，大大節(jié)約了資源，如圖3。而這種降解方式的塑料一定會越來越多的應(yīng)用到包裝領(lǐng)域，甚至也融合到光-生物降解中再多一種性能，更加增強(qiáng)了降解效果。

圖3 醫(yī)療分類垃圾桶

2. 可降解塑料在包裝領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

2.1 綠色環(huán)保污染小

中國是包裝制造大國，塑料包裝在整個(gè)包裝產(chǎn)業(yè)總值中占百分之三十，還逐年遞增。然而，傳統(tǒng)的普通塑料袋廢棄后采用填埋處理對土地有極大的危害，會改變土地的酸堿度，嚴(yán)重污染土壤，影響農(nóng)作物吸收養(yǎng)分和水分，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，影響土地的可持續(xù)利用；而焚燒所產(chǎn)生的有害煙塵和有毒氣體，同樣也會造成對大氣環(huán)境造成污染.現(xiàn)階段，可降解塑料在食品、日用品和快遞等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。在包裝材料生產(chǎn)過程中很大程度上實(shí)現(xiàn)了輕量化、資源化和循環(huán)利用的要求，也符合國家提倡的“綠色”文明發(fā)展理念。雖然可降解塑料包裝材料還不能完全的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通塑料，但是很多類型的可降解塑料得到了取得了很大的進(jìn)展，如聚乳酸（PLA）的不斷深入研究后，被稱為21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的新型包裝材料，在快遞包裝中起著十分重要的作用。隨著可持續(xù)發(fā)展理念深入人心，甚至用可降解塑料發(fā)明了共享快遞盒，大大減緩了過渡包裝和包裝污染等問題，促進(jìn)了物流行業(yè)的發(fā)展。

2.2 可包裝的產(chǎn)品多

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，很多行業(yè)都風(fēng)生水起，同時(shí)也直接或間接的帶動了包裝行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)外許多可降解塑料生產(chǎn)公司都在積極努力致力于包裝材料領(lǐng)域的開拓，如天然淀粉與增塑劑以一定比例混合后共同擠出使淀粉分子結(jié)構(gòu)無序化，生產(chǎn)出具有熱塑性的淀粉，增強(qiáng)了其可加工的機(jī)械性能，這樣熱塑性淀粉就可在各種塑料機(jī)械中被機(jī)械加工。所以，可降解包裝用塑料可隨被包裝產(chǎn)品的特點(diǎn)被制成各種各樣用于的包裝制品，如應(yīng)用于容器高級洗發(fā)香波包裝容器、食品包裝、快遞包裝、藥品包裝和飲料瓶等等，如圖4。我們可以根據(jù)被包裝產(chǎn)品的特點(diǎn)從而設(shè)計(jì)出所需不同厚度、寬度、顏色和材質(zhì)的可降解包裝用塑料品。隨著我們對可降解塑料生產(chǎn)工藝的不斷完善，其各方面性能也將會不斷增強(qiáng)，可將解塑料就會用來包裝越來越多領(lǐng)域的產(chǎn)品，這也是未來包裝用塑料的好前景。

圖4 解包裝用塑料的回收

3. 可降解塑料在包裝領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題

3.1 技術(shù)水平問題

近幾十年來，我國各方面科學(xué)技術(shù)取得了巨大成就，可降解塑料制成的包裝材料在經(jīng)過幾十年的努力已經(jīng)發(fā)展到一定先進(jìn)水平，在快遞、食品和衣物等都利用了各種各樣的包裝，可以說早已投入民用市場使用。但由于某些技術(shù)方面還不夠先進(jìn)促使可降解塑料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用受限。比如，我們在生產(chǎn)某些包裝產(chǎn)品時(shí)會使用一些加工設(shè)備，如雙螺桿擠出反應(yīng)機(jī)等，設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很大程度上也決定了成品最終的性能，在設(shè)備內(nèi)部如果存在很大的死角很有可能導(dǎo)致如樹脂材料等在機(jī)器內(nèi)長期停留被加熱，以致于氧化分解變黃，大大降低了產(chǎn)品的性能質(zhì)量；在整個(gè)可降解塑料生產(chǎn)制備過程中會投入不同比例的化學(xué)制劑，不同的比例或質(zhì)量化學(xué)制劑會影響包裝材料成品的最終質(zhì)量。與此同時(shí)，國內(nèi)外對產(chǎn)品相關(guān)性能的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)也存在一些差異?？偟膩碚f，從降解材料制備、加工裝備、加工工藝技術(shù)等方面都存在一些不足之處，需要對這些方面進(jìn)行改進(jìn)，而對這些方面的完善卻是一個(gè)復(fù)雜繁瑣且多變的過程，需要人們進(jìn)行大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探索，創(chuàng)新出更加先進(jìn)的可降解包裝用塑料材料。

3.2 成本問題

與傳統(tǒng)的普通塑料相比，可降解塑料包裝材料的從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的很多步驟都需要添加一些化學(xué)助劑增強(qiáng)可降解塑料遇水或遇光等外界條件時(shí)能快速完全的被分解。而這些化學(xué)助劑不僅品種少而且成本相對較貴，許多產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模小，再加上工藝本身的復(fù)雜性和產(chǎn)品通用性差促使可降解包裝用塑料的成本大大提高[4]，比如現(xiàn)在簡單一個(gè)可降解塑料包裝袋比傳統(tǒng)的塑料包裝袋貴了好幾毛。雖然現(xiàn)在各國對可降解塑料的回收利用技術(shù)進(jìn)行了大量的探討與實(shí)驗(yàn)，也得到了很多方面的研究成果，這對可降解塑料包裝材料的成本有所降低，也大大的節(jié)約了資源，促進(jìn)循環(huán)應(yīng)用。但受環(huán)保意識的影響和人們現(xiàn)實(shí)生活條件，還很難普遍接受這高成本的的消費(fèi)品。這對可降解塑料在包裝領(lǐng)域的普遍應(yīng)用是受阻礙的。

3.3 性能問題

可降解包裝用塑料在添加了一些化學(xué)物質(zhì)后，一定條件下會發(fā)生降解促進(jìn)碳氮循環(huán)。但這一優(yōu)點(diǎn)也極大的影響了可降解塑料包裝的性能。比如，很多可降解塑料被加工成塑料包裝袋、快遞盒等，其抗拉性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的普通塑料，很容易在承裝東西較重或承裝物品太熱時(shí)更易變形，不能滿足消費(fèi)者的某些需求。如果可降解包裝用塑料是由淀粉和普通聚合物共混制成的，這只能實(shí)現(xiàn)不完全降解，廢棄包裝用塑料中PE、PVC 成分還只能殘留在土壤，時(shí)間長了會對土地資源造成破壞，所以在生物降解性能方面還有一些不足。

另一方面，可降解塑料包裝材料的透明性相比傳統(tǒng)塑料差很多，它的使用范圍與場所因此受到了很大限制。再加上成本高的問題，很多消費(fèi)者們往往關(guān)注的是實(shí)惠耐用。所以，這兩個(gè)方面的影響也是可降解塑料難以普遍被人們接受的重要原因?，F(xiàn)階段，各國已經(jīng)投入很多研究為改善這一問題，相信不久的將來會更進(jìn)一步取得優(yōu)異成果。

3.4 回收處理問題

當(dāng)今社會對各種資源的循環(huán)回收處理十分重視，消費(fèi)了大量的經(jīng)歷和資金進(jìn)行試驗(yàn)和探索，形成可以對各種可降解塑料包裝材料直接回收處理和添加一些化學(xué)物質(zhì)等再處理利用兩種方式，這兩種方式也應(yīng)用的比較多?，F(xiàn)在的由可降解塑料生產(chǎn)的各種包裝用塑料的成分多是由玉米為主的淀粉和各種樹脂材料，由于所用的樹脂材料不同，不同的樹脂材料進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)對溫度等因素需要不同的要求，以及對不同類型可降解包裝塑料有不同的降解方式，所以人們在回收處理時(shí)需要對廢棄物進(jìn)行分類。但由于人們對各種可降解塑料包裝產(chǎn)品的性能、種類等認(rèn)識較少，再加上本身的環(huán)保意識也不太足，各種塑料垃圾（特別是不可降解塑料和不完全降解塑料）隨意丟棄，積累成患，導(dǎo)致了在民用方面對廢棄物的分類困難。有些可降解包裝用塑料在回收后經(jīng)過一定的處理可加工成別的制品，如果不能正確的區(qū)分不同樹脂生產(chǎn)的可降解包裝用塑料，可能會生產(chǎn)出性能更低、質(zhì)量更差的產(chǎn)品，甚至加工不出來，造成了資源的浪費(fèi)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，到2023 年全球包裝市場每年將需要945 萬噸以上的可降解塑料用于生產(chǎn)，而且以年均百分之三十三的速度增長，包裝產(chǎn)業(yè)是一個(gè)消費(fèi)能源巨大的行業(yè)，所以對可降解包裝用塑料的回收利用十分重要。

4. 對未來可降解塑料包裝材料的展望

走綠色可持續(xù)發(fā)展的道路是國家提倡的重要理念，可降解塑料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用正好符合這一政策收到人們的大量關(guān)注和使用?？山到馑芰习b在保持原有的傳統(tǒng)普通塑料包裝基本性能基礎(chǔ)上加了一些化學(xué)添加劑，雖然目前還存在很多問題，但長遠(yuǎn)來看，隨著國內(nèi)外政策的號召一定會推動可降解塑料在包裝領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。根據(jù)國外有關(guān)報(bào)道，到2020 年生物可降解塑料在全球市場達(dá)100 多億美元，其中很大的比例用于包裝，這就很好的說明了這一點(diǎn)。

在未來的時(shí)間里我們還需要投入大量的時(shí)間和資金進(jìn)行科學(xué)研發(fā)，改善最終可降解塑料包裝品的各種性能，以便于大量投入民用市場。

我們可從幾個(gè)方面對包裝材料進(jìn)行改進(jìn)：

1）可以提高可降解塑料在回收利用后的降解效果，可以從添加的化學(xué)助劑的量和比例等入手增強(qiáng)各種降解方式的降解時(shí)間和速度的可控性；

2）研發(fā)新的樹脂基材料或改進(jìn)原來的聚丙烯等高聚物的性能，與各種化學(xué)添加劑更好的融合反應(yīng)，也盡可能的開發(fā)運(yùn)用天然高分子材料[5]；

3）結(jié)合現(xiàn)有的基因技術(shù)和手段，對微生物的分解機(jī)理進(jìn)行研究，培養(yǎng)更多種類與數(shù)量的塑料降解微生物，并不斷提高微生物的分解能力，促進(jìn)可降解塑料性能發(fā)展；

4）在政府的引導(dǎo)下，建立可降解塑料包裝的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)，對市場進(jìn)行宏觀指導(dǎo)，積極出臺政策扶持推進(jìn)可降解塑料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)加大宣傳力度，積極引導(dǎo)和鼓勵(lì)全國人民了解和使用可降解包裝用塑料；

5）通過不斷的創(chuàng)新與發(fā)展，降低從最初生產(chǎn)到最終產(chǎn)品成型的成本，更好的促進(jìn)可降解包裝用塑料行業(yè)的發(fā)展。

5. 結(jié)束語

可降解塑料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用是食品包裝工業(yè)發(fā)展的一大趨勢，也有利于我國生態(tài)文明建設(shè)，符合綠色發(fā)展理念，促進(jìn)包裝工業(yè)的快速發(fā)展。雖然可降解塑料在包裝領(lǐng)域應(yīng)用還存在很多缺陷，不能完全的取代傳統(tǒng)普通塑料所有的性能，但我們已經(jīng)取得了一定的研究成果，在很多方面已投入使用。

對未來的可降解包裝用塑料有美好的憧憬與向往，還會繼續(xù)進(jìn)行更深層次的科學(xué)研發(fā)，對可降解塑料整體系統(tǒng)改進(jìn)、完善生產(chǎn)工藝、創(chuàng)新生產(chǎn)設(shè)備和降低經(jīng)濟(jì)成本等以提高生產(chǎn)效率。我們深深地相信在不久的將來可降解塑料在包裝領(lǐng)域一定會取得更大的進(jìn)展，也會普遍被應(yīng)用，備受人們青睞。