生物質(zhì)基天然纖維包裝材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

黃品歌 張 艷孟 毅 葉 君李 強(qiáng) ,

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 湖北 武漢 430070

2.山東博匯紙業(yè)有限公司 技術(shù)部 山東 淄博 256405

3.華南理工大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 廣東 廣州 510641

4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430070

0 引言

近年來(lái)我國(guó)包裝行業(yè)發(fā)展較快，包裝行業(yè)傳統(tǒng)封裝用品材質(zhì)以塑料和紙質(zhì)為主[1]。以快遞包裝為例，紙箱類(lèi)快遞包裝約占44.03%（按件數(shù)記），塑料袋類(lèi)包裝約占33.50%，套袋紙箱約占9.47%。2019年包裝行業(yè)進(jìn)出口份額中，塑料包裝以225.86億美元的出口額位居第一，占出口總額64.49%；進(jìn)口額為125.48億美元，占進(jìn)口總額的89.38%[2]。為應(yīng)對(duì)塑料帶來(lái)的污染，自2007年以來(lái)我國(guó)陸續(xù)頒布了不同程度的限塑令，例如2020年1月19日，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)和生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》，簡(jiǎn)稱(chēng)新版“限塑令”。綠色可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)升級(jí)與產(chǎn)業(yè)革新的迫切需求。具有輕量化、可降解、可再生、可回收等特點(diǎn)的現(xiàn)代綠色包裝材料，將更好地引領(lǐng)未來(lái)包裝行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)有的生物包裝材料主要為生物質(zhì)基包裝材料，主要包括淀粉基生物包裝材料、纖維素基合成材料、蛋白質(zhì)膜材料、紙漿模塑包裝材料、甲殼素及殼聚糖基復(fù)合材料等[3]。相對(duì)于非生物質(zhì)基包裝材料，生物質(zhì)基包裝材料具有良好的生物可降解性[4-5]，能夠在自然界中依靠微生物分解；此外還具有原材料可再生、來(lái)源豐富、成本低廉、無(wú)污染等特點(diǎn)，可以大幅度減少對(duì)環(huán)境的污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在所有生物質(zhì)基包裝材料中，以天然纖維為基礎(chǔ)的包裝材料正日益成為主力軍。天然纖維通常包括竹纖維、麻纖維、木纖維等[6]。這些天然纖維常被用于復(fù)合材料的增強(qiáng)，比如麻纖維增強(qiáng)聚乳酸、竹纖維增強(qiáng)塑料等[7]。因此，以天然纖維為基礎(chǔ)的綠色復(fù)合包裝材料具有很大的發(fā)展?jié)摿8-9]。

1 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料替代品

1.1 麻纖維增強(qiáng)塑料

天然植物纖維主要分為木質(zhì)植物纖維和非木質(zhì)植物纖維。木質(zhì)植物纖維包括木、棉、竹等植物纖維，非木質(zhì)植物纖維以麻纖維為主[10]。綠色復(fù)合材料是以可降解塑料為基礎(chǔ)，使用天然纖維作增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。綠色復(fù)合材料不僅用于日常生活，在建筑、醫(yī)學(xué)、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[11]。

首先，苧麻纖維與聚乳酸（polylactic acid，PLA）復(fù)合，然后采用3D打印技術(shù)制備出生物質(zhì)復(fù)合材料[12]。這項(xiàng)研究采用原位浸漬3D打印工藝制備出了不同鋪層方式的樣件，利用準(zhǔn)靜態(tài)侵徹測(cè)試考察了鋪層方式、支撐跨距、增強(qiáng)材料等對(duì)材料性能的影響[8]。最終結(jié)果顯示，在樣件中加入連續(xù)苧麻纖維分別使單向和正交的強(qiáng)度提升了51.5%和52.9%。正交鋪層的復(fù)合材料樣件與單向鋪層相比，吸收的能量和最大侵徹力分別提升了24.9%和13.1%。打印樣件的侵徹力和能量吸收能力，隨著跨距比的降低而顯著增加，跨距比為10時(shí)的正交鋪層復(fù)合材料與跨距比為5時(shí)相比，強(qiáng)度提升了202.4%。最后通過(guò)樣件的多尺度失效特征分析及侵徹機(jī)理研究，揭示了3D打印生物質(zhì)復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)與侵徹性能的關(guān)系，正交鋪層復(fù)合材料具有更好的侵徹性能。

其次，漢麻水刺非織造布與聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene adipate terephthalate，PBAT）微孔膜進(jìn)行結(jié)合，制備出了具有防水、可降解等優(yōu)點(diǎn)的綠色環(huán)保可降解醫(yī)用防護(hù)材料[13]。該研究首先采用水刺工藝將漢麻、棉纖維混合制備非織造布；然后利用非溶劑致相分離法，在漢麻/棉水刺非織造材料上制備PBAT微孔膜，并且從鑄膜液濃度、膜厚度、微孔膜/水刺非織造布復(fù)合膜的平均孔徑、預(yù)蒸發(fā)時(shí)間4個(gè)方面，分別進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，確定了復(fù)合膜的最佳制備工藝。該研究制備了PBAT微孔膜/漢麻水刺非織造布復(fù)合膜，探索了復(fù)合膜的最優(yōu)制備工藝，探究了復(fù)合膜的防水性，為未來(lái)醫(yī)用防護(hù)服提供了新的材料，同時(shí)為漢麻的高值化利用提供了新的研究方法。

1.2 竹纖維增強(qiáng)塑料

竹纖維是一種天然纖維材料，竹纖維以其強(qiáng)度大、硬度高、細(xì)胞壁厚而著稱(chēng)，竹纖維表層微纖的取向角很小，幾乎與纖維軸平行，被認(rèn)為是大自然的玻璃纖維[14-16]。竹纖維織物經(jīng)特定加工后具有很高的綠色環(huán)保性、良好的透氣性、獨(dú)特的回彈性、瞬間吸水性及較強(qiáng)的縱向和橫向強(qiáng)度等，目前已經(jīng)有竹纖維抗菌口罩、襪子、床上用品等產(chǎn)品[17]。Entegrion公司將竹纖維和玻璃纖維復(fù)合，率先制成了抑菌透氣、吸濕性良好的醫(yī)用繃帶，用于止血以及其他醫(yī)療用途[18]。竹纖維受到越來(lái)越多行業(yè)的重視與利用，廣泛用于紡織、建筑等行業(yè)。

天然纖維增強(qiáng)塑料在汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，德國(guó)BASF公司將黃麻、亞麻等天然纖維用作增強(qiáng)材料，與熱塑性材料聚丙烯制作出麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料[11]。這種材料具有質(zhì)量輕、環(huán)境友好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能突出。日本三菱公司用竹纖維和聚氨酯樹(shù)脂為基材，研制出了一種復(fù)合材料以替代目前使用的材料，降低材料的生產(chǎn)成本和二氧化碳的排放[19]。國(guó)內(nèi)許多科研單位也進(jìn)行了相關(guān)研究，采用無(wú)紡布工藝和熱壓工藝制備了汽車(chē)用竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，并對(duì)竹纖維含量、制作結(jié)構(gòu)和改性處理對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、吸濕性能的影響進(jìn)行了研究[11]。目前，用竹纖維作增強(qiáng)材料，以熱塑性樹(shù)脂如聚丙烯為基體，采用無(wú)紡布技術(shù)和熱壓工藝制備的汽車(chē)零部件和汽車(chē)內(nèi)飾等，已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)并成熟應(yīng)用[19-20]。

閆雯等[21]提出以?xún)r(jià)格更低的無(wú)機(jī)隔熱顆粒代替部分竹纖維，制備得到竹纖維-隔熱顆粒復(fù)合芯材，以進(jìn)一步降低隔熱板的成本。在該研究中，以竹纖維作為芯材的支撐材料，用隔熱顆粒對(duì)纖維之間的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，豐富了芯材的三維結(jié)構(gòu)，提高了真空絕熱板（vacuum insulation panel，VIP）的保溫性能。與未添加隔熱顆粒的竹纖維芯材VIP相比，添加了隔熱顆粒的竹纖維芯材具有更好的穩(wěn)定性和耐候性，服役壽命也較長(zhǎng)。當(dāng)隔熱顆粒的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至30%時(shí)，竹纖維間形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中分布著較多的隔熱顆粒，能有效阻礙熱的傳遞。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至50%時(shí)，由于竹纖維間形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分布的隔熱顆粒越來(lái)越多，導(dǎo)致芯材內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，形成導(dǎo)熱通道，固體傳熱增大，VIP的導(dǎo)熱系數(shù)增大。因此隔熱顆粒的最優(yōu)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。硼系化合物、磷系化合物和氮系化合物組成的磷氮硼系阻燃劑常用于竹材阻燃。此外，納米二氧化硅、納米無(wú)水碳酸美也被證實(shí)可以提高竹材的阻燃性[22]。

2 紙漿模塑基塑料替代品

2.1 紙漿模塑基一次性餐具

紙漿模塑通常以紙漿、甘蔗渣漿、竹漿、木漿等天然植物纖維為原料，加入各種功能性添加劑，在紙漿成型機(jī)上塑造出不同形狀的紙制品。自2008年國(guó)家“限塑令”的頒布以來(lái)，紙漿模塑市場(chǎng)展示出了巨大的潛力[23]。紙漿模塑制品主要包括紙漿模塑餐具、紙漿模塑精品工業(yè)包裝和紙漿模塑基緩沖包裝。目前，大多數(shù)的模制紙漿是用二次纖維制成，然而二次纖維中殘留有大量油墨和化學(xué)物質(zhì)，從食品安全性來(lái)說(shuō)，并不適用于食品包裝。

為了開(kāi)發(fā)出可再生、可生物降解和安全的塑料食品容器替代品。Liu C.等[24]以糖業(yè)殘留的甘蔗蔗渣廢物作為可再生和食品安全的原料制備紙漿。長(zhǎng)竹纖維具有長(zhǎng)纖維、高機(jī)械強(qiáng)度、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可以替代價(jià)格較高的針葉木漿。向甘蔗蔗渣中添加長(zhǎng)竹纖維，短甘蔗蔗渣纖維可以與長(zhǎng)竹纖維物理交織在一起，形成緊密的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步增強(qiáng)最終產(chǎn)品的機(jī)械性能。為了提高模制紙漿產(chǎn)品的抗水性，向紙漿中添加烷基酮二聚體（alkyl ketone dimer，AKD）來(lái)改性纖維。食品級(jí)安全的AKD漿內(nèi)施膠紙漿纖維并采用精密的成型工藝，增加了纖維之間的疏水性和氫鍵。最后制造出來(lái)的模制紙漿餐具，具有食品容器所需的高抗拉強(qiáng)度、優(yōu)異的油穩(wěn)定性和低重金屬含量等卓越性能。這種模制紙漿餐具中的有毒物質(zhì)含量低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中鉛含量為0.3633 mg/kg，沒(méi)有檢測(cè)到砷。此外，該紙漿模塑餐具在自然條件下60 d內(nèi)即可大部分生物降解。重要的是，生產(chǎn)模制紙漿餐具的二氧化碳排放量低于常用的聚苯乙烯（polystyrene，PS）塑料產(chǎn)品和傳統(tǒng)造紙。因此，這種可擴(kuò)展的紙漿模塑餐具是傳統(tǒng)非生物降解塑料甚至是PLA產(chǎn)品的理想替代品。但目前出口至歐美的商品，主要是針葉/闊葉配漿產(chǎn)品。

除了上述提到的紙漿模塑制品外，Wang H.Q.等[25]用HNO3和H2O2來(lái)處理含有木質(zhì)素的紙漿，然后經(jīng)模壓制成了紙漿午餐盒。該紙漿午餐盒具有43 MPa的高機(jī)械強(qiáng)度和30 d以上的濕穩(wěn)定性，是塑料午餐盒的理想替代品。S.F.Curling等[26]探索了生產(chǎn)圓托盤(pán)時(shí)用廢谷物秸稈替代紙纖維的可能性，結(jié)果顯示，含秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的托盤(pán)材料與聚苯乙烯相比具有更好的拉伸性能。雖然其彎曲模量較低，但可以通過(guò)增強(qiáng)托盤(pán)厚度來(lái)改善彎曲強(qiáng)度的缺陷。重要的是用秸稈纖維制作的紙托盤(pán)被廢棄后，4周內(nèi)便可被生物降解 20%。Wang H.T.等[27]為了完善紙漿模塑制品緩沖性能的評(píng)估方法，提出了等效面積理論，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析獲得了紙漿模塑托盤(pán)的緩沖系數(shù)和最大應(yīng)力曲線(xiàn)，建立了紙漿模塑的設(shè)計(jì)模型。

2.2 紙漿模塑基精品包裝

近年來(lái)，隨著紙漿模塑的進(jìn)一步研發(fā)和優(yōu)化，紙漿模塑包裝材料逐漸應(yīng)用到更多新興領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品包裝、化妝品包裝、精密儀器包裝、食品包裝和五金包裝等。上述這些包裝統(tǒng)稱(chēng)為紙漿模塑精品包裝。與一般的紙漿模塑工業(yè)包裝制品相比，紙漿模塑精品包裝制品的技術(shù)含量更高。目前我國(guó)紙漿模塑行業(yè)已經(jīng)形成規(guī)模，涉及機(jī)械、電子、造紙等多個(gè)領(lǐng)域[28]。王章蘋(píng)等[29-30]采用組合包裝的方法，用紙漿模塑與A型瓦楞紙板設(shè)計(jì)出了紅酒包裝和瓷碟緩沖包裝。所設(shè)計(jì)的紅酒包裝具有質(zhì)量輕、緩沖性能好、耗材少的優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足紅酒包裝的保護(hù)和美觀功能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后瓷碟緩沖包裝能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)瓷碟的保護(hù)。何艷萍[31]設(shè)計(jì)了用作筆記本電腦包裝的兩頭折疊式襯墊，并對(duì)襯墊進(jìn)行性能測(cè)試，分析跌落性能曲線(xiàn)，論證了紙塑結(jié)構(gòu)取代泡沫作緩沖襯墊的可靠性。

2.3 紙漿模塑基緩沖包裝

紙漿模塑材料除被用于制造餐具以外，更廣泛地用作緩沖包裝材料。紙漿模塑在生產(chǎn)之初由于制品粗糙、厚度大等特點(diǎn)，被主要用作緩沖包裝類(lèi)產(chǎn)品[32]。紙漿模塑的緩沖作用主要是依靠結(jié)構(gòu)單元及其組合的不同幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)單元主要有4種類(lèi)型：肋狀、塔狀、座狀和椅狀[33]。紙漿模塑主要是通過(guò)自身變形、延長(zhǎng)激勵(lì)時(shí)間來(lái)吸收能量起到緩沖的作用[34]。我國(guó)在20世紀(jì)末引進(jìn)了第一套紙漿模塑生產(chǎn)線(xiàn)，該生產(chǎn)線(xiàn)以生產(chǎn)雞蛋托為主，最終紙漿模塑蛋托在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了紙漿模塑應(yīng)用的先例[35]。D.G.Eagleton 等[36]構(gòu)建了紙漿模塑材料的緩沖曲線(xiàn)，并與膨脹聚苯乙烯（expanded polystyrene，EPS）泡沫的緩沖曲線(xiàn)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在低靜載荷、低高度、單次沖擊情形下，紙漿模塑制品表現(xiàn)出優(yōu)秀的緩沖性。當(dāng)靜載荷超過(guò)5 kPa、從高處跌落、受多次沖擊時(shí)，紙漿模塑制品的緩沖特性不如EPS。W.Somchai等[37]對(duì)芒果運(yùn)輸?shù)木彌_包裝進(jìn)行了研究，比較了紙漿模塑包裝和泡沫網(wǎng)包裝的性能。經(jīng)過(guò)24 d的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示紙漿包裝的防振性能與泡沫網(wǎng)沒(méi)有明顯差別，但紙漿包裝在防止芒果質(zhì)量減輕和變色方面有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，紙漿包裝在水果運(yùn)輸方面有巨大潛力。

3 纖維素基塑料替代品

3.1 纖維素基農(nóng)業(yè)地膜

地膜覆蓋技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。地膜覆蓋可保持土壤的溫度和濕度，改善土壤的微生物活動(dòng)，防止雜草生長(zhǎng)，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用地膜覆蓋技術(shù)，可使谷物和經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量分別提高20%～35%和20%～60%[38]。自2016年以來(lái)，全球農(nóng)業(yè)覆蓋物市場(chǎng)每年持續(xù)增長(zhǎng)5.6%，預(yù)計(jì)這一增長(zhǎng)將持續(xù)到2030年[39]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)覆蓋物大多由聚乙烯（polyethylene，PE）制成，PE是一種石油衍生的不可再生和不可生物降解的合成聚合物，如今農(nóng)業(yè)實(shí)踐中大量使用PE膜已經(jīng)造成了嚴(yán)重的塑料污染。

2021 年，Xu Y.M.等[40]以木質(zhì)纖維素（竹子）衍生物（carboxymethyl cellulose，CMC）為主要原料，通過(guò)戊二醇交聯(lián)聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）制成了竹纖維素基液體農(nóng)業(yè)地膜。竹纖維素基農(nóng)業(yè)地膜是一種可再生、可生物降解的農(nóng)業(yè)地膜，可以作為傳統(tǒng)塑料農(nóng)業(yè)地膜替代品。CMC是一種水溶性聚合物，具有很強(qiáng)的可加工性。與其他木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（如木材、能源作物和農(nóng)業(yè)廢棄物）相比，竹子雖然具有長(zhǎng)纖維素纖維，但其利用率仍然較低。因此，將竹子制成農(nóng)業(yè)地膜可使這種未充分利用的木質(zhì)纖維素高值化，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的途徑，同時(shí)可推動(dòng)生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在上述研究中，竹子的竹青（外層）、竹肉（中間層）和竹黃（內(nèi)層）3個(gè)部分被分離并分別制成地膜。不同部分具有不同的細(xì)胞密度、組成和結(jié)晶度，將竹青、竹肉和竹黃進(jìn)行去木質(zhì)素和醚化之后制成CMC，其中竹肉制成的CMC的取代度最高。首先將CMC與PVA混合，再用戊二醛作為交聯(lián)劑添加到混合物中，反應(yīng)后產(chǎn)生的交聯(lián)混合物為CMC-PVA交聯(lián)混合物。只需要將CMC-PVA交聯(lián)混合物噴灑在土壤上，就可以迅速形成一層薄膜覆蓋在土壤表面。竹肉基地膜具有良好的力學(xué)性能、透射度、吸濕性以及出色的土壤保濕性，且該地膜在使用60 d內(nèi)約有64%被生物降解，無(wú)需后續(xù)處理。因此，竹肉基地膜可以作為當(dāng)前塑料地膜的替代品。

此外，黃麻基地膜也得到了開(kāi)發(fā)。徐潔等[41]以麻纖維和CMC為原材料，采用流延成膜法制成了可降解、無(wú)污染的環(huán)保地膜。在CMC與黃麻質(zhì)量比為58 : 42，136 ℃下烘焙 49 min 的最優(yōu)條件下，制備了CMC/黃麻地膜，其透氣量56.16 mm/s，透濕量110.129 g/(m2·h)，干、濕抗張指數(shù)分別為 15.115 (N·m)/g和 3.095 (N·m)/g。此類(lèi) CMC/黃麻地膜經(jīng)過(guò)了防水處理，更能適應(yīng)農(nóng)作物生長(zhǎng)，是塑料農(nóng)業(yè)地膜的理想替代品。

除上述提到的幾種纖維素基復(fù)合膜之外，淀粉也被用作與纖維素復(fù)合。例如用醋酸纖維素（cellulose acetate，CA）與熱塑性淀粉（thermoplastic starch，TPS）共混，用雙螺桿擠壓法將PCA/TPS共混物擠壓制成薄膜。CA是一種重要的纖維素酯類(lèi)衍生物，向CA里加入少量的增塑劑制作成熱塑性材料PCA（plasticized CA）。在共混膜中，PCA作為增強(qiáng)材料為膜提供了高機(jī)械強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性，而增塑劑本身將進(jìn)一步改進(jìn)膜的硬度、抗拉強(qiáng)度、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。這種PCA/TPS 在高溫下具有優(yōu)異的加工性能，有望在未來(lái)成為一種新型環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)塑料替代品[42]。

3.2 納米纖維素增強(qiáng)塑料替代品

納米纖維素是通過(guò)物理、化學(xué)或生物處理等方法，從纖維原料中分離出的至少有一維在納米尺寸范圍內(nèi)的纖維素材料。它不僅具有天然纖維素?zé)o毒、再生、可降解的性質(zhì)，還具有納米材料的典型特性，如密度低、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高等。納米纖維素根據(jù)其纖維素來(lái)源、加工條件、尺寸、功能和制備方法可分為3大類(lèi)：纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals，CNC）、纖維素納米纖絲（cellulose nanofilament，CNF）和細(xì)菌納米纖維素（bacterial cellulose，BC）[43]。

2021 年，Li Q.等[44]用 CNF、PVA 和聚環(huán)氧乙烷（polythylene oxide，PEO）通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制成了可自清潔、可生物降解和可重復(fù)使用的口罩，以替代傳統(tǒng)聚丙烯（polypropylene，PP）塑料制成的口罩。目前使用的口罩主要是N95口罩和外科口罩，口罩中有一層PP熔融吹制織物用于過(guò)濾顆粒和飛沫。在該研究中，PVA作為口罩的主要成分，PEO作為增塑劑提高可紡性，CNF用來(lái)增強(qiáng)力學(xué)性能。CNF本身的增強(qiáng)以及CNF和前體聚合物之間形成的豐富氫鍵，可以極大地改善口罩的機(jī)械性能，抵抗口罩使用時(shí)的外部物理?yè)p傷。短鏈PEO聚合物作為增塑劑，用來(lái)提高PVA和CNF混合物的可紡性，而CNF在PVA和PEO之間形成復(fù)雜的氫鍵，進(jìn)一步提高口罩的力學(xué)性能?？谡种圃熘惺褂玫撵o電紡絲技術(shù)可以生產(chǎn)直徑均勻、靜電吸引力強(qiáng)的納米纖維，使口罩具有卓越的病原體可過(guò)濾性和透氣性。此外，通過(guò)負(fù)載具有光催化功能的納米TiO2，使該口罩具有抗菌和光催化活性，因此口罩可以在太陽(yáng)光下照射10 min實(shí)現(xiàn)100%的殺菌。經(jīng)測(cè)試該口罩的耐磨性、長(zhǎng)期過(guò)濾效率和成本效益遠(yuǎn)超現(xiàn)在的商用口罩。這款自清潔、可生物降解的口罩，為可持續(xù)地制造和加工下一代可重復(fù)使用和可生物降解防疫口罩提供了另一種方式，在實(shí)際應(yīng)用中具有巨大潛力。

納米纖維素在其他包裝材料中有著廣泛的應(yīng)用。例如，宋月等[45]對(duì)微纖化纖維素（microfibrillated cellulose，MFC）復(fù)合環(huán)氧樹(shù)脂（epoxy resin，EP）水性涂料進(jìn)行了研究，以MFC和EP為原料通過(guò)共混法得到不同濃度的MFC/EP復(fù)合水性涂料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MFC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)MFC/EP復(fù)合水性涂料具有更好的力學(xué)性能。與現(xiàn)有涂料相比，該涂料具有更好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、硬度和柔韌性。A.P.Mathew 等[46]以微晶纖維素（microcrystalline cellulose，MCC）為增強(qiáng)劑，以PLA為基質(zhì)制備了可生物降解的復(fù)合材料，并探討了不同MCC含量對(duì)材料機(jī)械性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著MCC含量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度得到了改善，但抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)下降。日本的Ryohei M.博士與他的團(tuán)隊(duì)[47]一直致力于推廣納米纖維素復(fù)合材料和可降解塑料。他們用納米纖維素-聚乳酸制作成了各式各樣的餐具，并將其品牌命名為“Nano Sakura”。他們團(tuán)隊(duì)下一步將繼續(xù)研究塑料袋、食品盒等各種塑料制品及其塑料替代品。

此外，其他多糖類(lèi)生物高分子也在功能包裝材料中被廣泛應(yīng)用，例如MFC、羧甲基化微纖化纖維素（carboxymethylated microfibrillated cellulose，C-MFC）、殼聚糖、陽(yáng)離子淀粉、海藻酸鈉和聚乙烯醇被用來(lái)提高食品包裝的防油性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，殼聚糖與C-MFC層層自組涂布可以明顯提高防油紙的防油性能[48]。

3.3 木質(zhì)素-纖維素復(fù)合材料基塑料替代品

受天然植物細(xì)胞壁中木質(zhì)素、纖維素增強(qiáng)功能的啟發(fā)，木質(zhì)素-纖維素復(fù)合材料被用于制備可降解塑料替代品[49]。Bai F.T.等[50]開(kāi)發(fā)了一種堅(jiān)固且穩(wěn)定的木質(zhì)素-纖維素復(fù)合材料（lignin-cellulose composite，LCC）。將甘蔗渣用酶水解產(chǎn)生的納米纖維素雜交木質(zhì)素復(fù)合物（nano-cellulose hybrid lignin complex，CHLC）添加到從松樹(shù)中提取的漂白纖維漿中，制成了木質(zhì)素-纖維素膜。木質(zhì)素作為水穩(wěn)定的增強(qiáng)基質(zhì)，通過(guò)CHLC中的納米纖維素與纖維素的氫鍵有效地引入纖維和纖維網(wǎng)絡(luò)空隙，從而顯著提高了LCC的抗拉強(qiáng)度和水分穩(wěn)定性。LCC的抗拉強(qiáng)度（70 MPa）和熱穩(wěn)定性（＞350 ℃）明顯高于大多數(shù)石油基塑料。LCC的濕抗拉強(qiáng)度（28 MPa）是纖維素膜（1.2 MPa）的23倍多。這種新開(kāi)發(fā)的LCC可作為吸管等日常消費(fèi)品的基礎(chǔ)材料，或者取代不可生物降解的醫(yī)用包裝塑料，其應(yīng)用潛力巨大。

近年來(lái)一個(gè)重要發(fā)展是，Xia Q.Q.等[51]使用原位木質(zhì)素再生方法直接從木材粉末中合成了一種新的木質(zhì)纖維生物塑料，這種塑料具有機(jī)械強(qiáng)度高、可擴(kuò)展、可防水、可生物降解和可回收的優(yōu)點(diǎn)。在該研究中，可生物降解和可回收的低共熔溶劑（deep eutectic solvent，DES）被用來(lái)破壞纖維素之間的氫鍵以及分解木質(zhì)素，從而有效解構(gòu)木材。原位再生木質(zhì)素作為天然膠水，將纖維素微/納米纖維緊密包裹和連接在一起，形成均勻且高固體含量的漿液，在室溫下蒸發(fā)水分后，最終獲得了尺寸高達(dá)100 cm×15 cm×0.1 cm的木質(zhì)纖維素生物塑性薄膜。該生物塑料綠色、可回收。以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)穩(wěn)定、堅(jiān)固和可生物降解的生物塑料打開(kāi)了塑料生產(chǎn)的新思路。

4 結(jié)語(yǔ)

綠色包裝材料的廣泛應(yīng)用對(duì)解決我國(guó)包裝領(lǐng)域的白色污染問(wèn)題有著舉足輕重的影響。盡管現(xiàn)在綠色包裝材料還難以完全取代塑料，但纖維素基塑料替代品、紙漿模塑基塑料替代品等綠色包裝材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)得到了大力發(fā)展。未來(lái)可能需要進(jìn)一步結(jié)合納米技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)等使綠色包裝材料朝著輕量化、高阻隔性、可降解、智能化的方向發(fā)展，世界生物材料包裝工業(yè)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展。