面向綠色物流包裝的可生物降解薄膜研究現(xiàn)狀

袁文斌，黃山，楊義銀，張珊，李潔，楊莉

（1.陜西省煙草公司西安市公司，西安 710100；2.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

20 世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的顯著提高，物流包裝的種類(lèi)不斷豐富、形式推陳出新，迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)代。在包裝材料中，塑料薄膜因具有防潮抗氧化、靈活耐用和輕質(zhì)透明等優(yōu)勢(shì)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于食品、飲料、醫(yī)藥、日用百貨等眾多產(chǎn)品的生產(chǎn)線和物流包裝場(chǎng)景中。據(jù)中國(guó)塑料薄膜行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2020 年中國(guó)包裝塑料薄膜的產(chǎn)量約為1 070.3 萬(wàn)t，占塑料薄膜總產(chǎn)量的71.2%，較2019 年的1 061.6 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)了約0.82%。傳統(tǒng)物流包裝所使用的薄膜材料（如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等[3]）是不可降解的高分子材料，這類(lèi)薄膜在完成包裝使命后會(huì)被大量廢棄、焚燒或填埋，由此所導(dǎo)致的土壤板結(jié)、水質(zhì)惡化和空氣污染等環(huán)境問(wèn)題日益凸顯[4]。

2020 年，國(guó)家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部出臺(tái)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》和《關(guān)于扎實(shí)推進(jìn)塑料污染治理工作的通知》，從“禁限”“推廣”“規(guī)范”三方面著手，積極應(yīng)對(duì)塑料污染。其中，開(kāi)發(fā)綠色物流包裝材料被認(rèn)為是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的主要途徑[5]。近年來(lái)，植物纖維發(fā)泡制品、蜂窩紙板制品、輕量化玻璃和可生物降解薄膜等眾多綠色物流包裝材料不斷涌現(xiàn)。其中，以聚羥基脂肪酸酯（PHA）[6]、聚乳酸（PLA）[7-8]、聚己內(nèi)酯（PCL）[9]和淀粉基[10-11]為代表的可生物降解薄膜，以其優(yōu)良的使用性能和可被微生物降解的特點(diǎn)在物流包裝領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。與傳統(tǒng)包裝材料相比，可生物降解薄膜能在發(fā)揮包裝功能的同時(shí)，最大程度地解決了傳統(tǒng)薄膜回收困難、填埋后會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，因此可生物降解薄膜必將引領(lǐng)綠色物流包裝材料的發(fā)展潮流，為推進(jìn)綠色物流建設(shè)、筑牢物流高質(zhì)量發(fā)展奠定綠色根基。

基于此，文中從綠色物流包裝的內(nèi)涵和要求出發(fā)，綜述了可生物降解薄膜的概況，其降解性能的評(píng)價(jià)方法，以及在部分物流場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)可生物降解薄膜未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望，以期挖掘可生物降解薄膜作為新型綠色包裝材料的應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)綠色物流包裝材料的發(fā)展。

1 綠色物流包裝的內(nèi)涵和要求

綠色物流指在流通加工、裝卸、包裝、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)纫幌盗羞^(guò)程中抑制物流對(duì)環(huán)境造成危害（如包裝材料不可降解、運(yùn)輸過(guò)程中燃油消耗引起的大氣污染等）的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低碳排放、節(jié)能降耗、凈化環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)物流資源充分利用的一種物流活動(dòng)[12]。作為綠色物流的重要組成部分，綠色包裝指在滿足包裝功能要求的前提下，從包裝材料制造到使用直至廢棄的全生命周期中，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康無(wú)公害，并能重復(fù)使用再生、符合可持續(xù)發(fā)展的包裝[13]。將二者有效結(jié)合的綠色物流包裝指從環(huán)境保護(hù)的角度對(duì)包裝進(jìn)行改進(jìn)，融入可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)倫理學(xué)等多種理論，形成的一個(gè)與環(huán)境共生型的物流包裝系統(tǒng)。綠色物流包裝具備環(huán)保和可再生雙重功能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循包裝減量化（Reduce）、包裝重復(fù)使用（Reuse）、循環(huán)再生（Recycle）、回收利用（Recover）和包裝廢棄物可降解（Degradable）的“4R1D”原則[12-14]。同時(shí)，綠色物流包裝注重全局與長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，不僅需要滿足環(huán)境保護(hù)的需求，而且必須做到現(xiàn)代化、合理化和人性化等諸多方面的要求，以實(shí)現(xiàn)人類(lèi)長(zhǎng)期持續(xù)和諧發(fā)展，達(dá)到環(huán)境與物流包裝的共同發(fā)展，旨在以資源最優(yōu)配置理論和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最大化。

為了積極響應(yīng)國(guó)家的綠色發(fā)展理念，我國(guó)一些大型物流企業(yè)已采取了行動(dòng)，例如京東物流的“青流計(jì)劃”、菜鳥(niǎo)的“綠色物流2020 計(jì)劃”、蘇寧物流的“青城計(jì)劃”等[15]。這些綠色物流計(jì)劃的實(shí)施均秉承“減量化”“無(wú)害化”“資源化”的開(kāi)發(fā)原則，踐行綠色物流包裝的相關(guān)要求，加快了物流包裝綠色轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。在目前大量使用的綠色包裝材料中，可生物降解薄膜在滿足產(chǎn)品包裝需求的同時(shí)，在廢棄后還能夠被微生物降解，而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[16]，是面向綠色物流包裝的重要選擇，對(duì)可生物降解薄膜的深度開(kāi)發(fā)及應(yīng)用是物流包裝綠色轉(zhuǎn)型中的重要研究方向。

2 可生物降解薄膜

可生物降解薄膜是一類(lèi)具有優(yōu)良的使用性能、廢棄后能被環(huán)境中微生物分泌的酶降解、最終被無(wú)機(jī)化而成為自然界碳素循環(huán)組成部分的高分子材料[1]?？缮锝到獗∧さ纳锝到膺^(guò)程較復(fù)雜，通常包含3 個(gè)階段：微生物黏附、生物破碎、微生物同化及礦化等[17]，如圖1所示。在第1 階段，可生物降解高聚物材料一方面被微生物黏附或酶降解引發(fā)的生物侵蝕，另一方面受到機(jī)械降解、光降解和化學(xué)氧化等非生物手段的攻擊而破損，2 種方式的共同作用使其失去了物理和結(jié)構(gòu)特性，出現(xiàn)如開(kāi)裂、孔洞、變色等現(xiàn)象。在第2 階段，隨著生物降解過(guò)程的發(fā)生，微生物會(huì)釋放出酶（通常有脂肪酶、角質(zhì)酶或蛋白酶），直接水解聚合物，并進(jìn)一步分解為低分子量組分或游離單體，使其進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)一步被生物降解。在第3 階段，將同化的單體作為碳源和能源，從而轉(zhuǎn)化為細(xì)胞生物量、CO2、CH4和H2O 等。據(jù)報(bào)道，可生物降解薄膜大致有10 余種[18]，根據(jù)薄膜的降解機(jī)理和程度，將可生物降解薄膜分為生物破壞性降解薄膜和完全生物降解薄膜。

圖1 可生物降解薄膜的生物降解過(guò)程[17]Fig.1 Biodegradation process of biodegradable films[17]

2.1 可生物降解薄膜的種類(lèi)

2.1.1 生物破壞性降解薄膜

生物破壞性降解薄膜也稱(chēng)不完全生物降解薄膜。這種薄膜是在傳統(tǒng)薄膜（如聚乙烯、聚丙烯等）中加入一些具有生物降解特質(zhì)的物質(zhì)（如淀粉、蛋白質(zhì)和纖維素等）后，通過(guò)共混或共聚等方法所得，其降解主要依靠添加的具有生物降解特質(zhì)的物質(zhì)，而傳統(tǒng)的石油基薄膜由于碳-碳σ 鍵的存在[19]，仍然會(huì)殘留，從而造成污染，因此并沒(méi)有從根本上解決塑料的“白色污染”問(wèn)題。

2.1.2 完全生物降解薄膜

完全生物降解薄膜是由天然高分子（如淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)）或農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)微生物發(fā)酵或合成的具有完全生物降解性能的薄膜[20]。例如PHA 基、淀粉基、PLA 基、PCL 基、明膠基等常見(jiàn)的完全生物降解薄膜，其原料來(lái)源廣泛且安全無(wú)毒，通常以共混的手段添加淀粉、聚乙烯醇（PVA）等具有生物相容性的物質(zhì)，并通過(guò)改性提升其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。如Mangaraj 等[21]采用玉米淀粉對(duì)PLA進(jìn)行了共混改性，實(shí)現(xiàn)了玉米淀粉/PLA 可生物降解復(fù)合膜力學(xué)性能的提升，可與傳統(tǒng)的石油基薄膜相媲美。此外，完全生物降解薄膜所含的極性高分子材料易與酶分子黏附，有助于在自然環(huán)境下（如特定微生物、溫度和濕度）膜材的快速降解，且降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)害[22]。由此可見(jiàn)，完全生物降解薄膜是綠色物流包裝的首選材料。

2.2 常見(jiàn)的完全生物降解薄膜

2.2.1 PHA 基完全生物降解薄膜

聚羥基脂肪酸酯（PHA）是一類(lèi)通過(guò)微生物儲(chǔ)存碳源和合成能量的線性聚酯[23]，其結(jié)構(gòu)通式見(jiàn)圖2。組成PHA 的單體組分和比例差異賦予了材料物理和化學(xué)性能的多樣化，尤其體現(xiàn)在通式中R 基的差異，R 基可為單個(gè)原子、飽和長(zhǎng)鏈烷烴或功能性官能團(tuán)（如碳-碳雙鍵、苯環(huán)、疊氮、環(huán)氧乙烷等）。根據(jù)構(gòu)成PHA 單體的碳原子數(shù)，將PHA 大體分為2 種：?jiǎn)误w由3～5 個(gè)碳原子組成的短鏈PHA，常見(jiàn)的有聚羥基丁酸酯（PHB）、聚羥基戊酸酯（PHV）等；單體由6～14個(gè)碳原子組成的中長(zhǎng)鏈 PHA，包括聚羥基己酸酯（PHHx）、聚羥基辛酸酯（PHO）等。其中，PHB 和PHV 是PHA 家族中研究和應(yīng)用較廣泛的2 種多聚體。

圖2 PHA 的結(jié)構(gòu)通式Fig.2 General molecular formula of PHA

PHA 作為一種具有光學(xué)活性的聚酯，不僅具有高分子化合物的基本特征，還具有生物可降解性和生物相容性[24]。然而，PHA 具有結(jié)晶速度較慢、晶體尺寸較大、晶核密度較低等特點(diǎn)，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度較低、脆性較大。此外，PHA 還存在生產(chǎn)成本高和產(chǎn)能低等問(wèn)題，這都在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。為了拓寬PHA 的應(yīng)用，研究者主要從2 個(gè)方面入手：一方面利用基因工程手段改造生產(chǎn)菌種，利用極端條件發(fā)酵，以及利用低品種原料進(jìn)行混菌發(fā)酵等[25]手段，盡量降低PHA 的成本；另一方面，通過(guò)物理共混和借助化學(xué)共聚生成嵌段聚合物或接枝聚合物等方式對(duì)其進(jìn)行改性，例如與聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）、淀粉等高分子材料的共混，可在改善 PHA 的脆性和柔韌性等力學(xué)性能的同時(shí)降低其成本。Duangphet 等[26]將PBAT 與PHBV 共混，研究表明，PBAT 的摻入對(duì)PHBV 的晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生影響，但PHBV 晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中的核密度會(huì)降低，導(dǎo)致復(fù)合體系的晶體生長(zhǎng)速率延遲。Don 等[27]的研究表明，將聚醋酸乙烯酯（PVAC）-改性淀粉與 PHB 共混，得到的新共混材料的斷裂伸長(zhǎng)率由1.1%提高至21.3%，拉伸強(qiáng)度提高了50%以上，且熱穩(wěn)定性也得到明顯提升。

2.2.2 淀粉基完全生物降解薄膜

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的一種多羥基的親水天然高分子碳水化合物，一般分為直鏈淀粉和支鏈淀粉[28]。其中，直鏈淀粉可以制成柔軟性好、強(qiáng)度高和透明度好的薄膜，它一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

與其他生物降解聚合物相比，淀粉具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、易生物降解等優(yōu)點(diǎn)，因而在生物可降解材料中具有重要的地位。由于天然淀粉沒(méi)有熱塑性，且含有大量的羥基，使其難以熔融加工，在與其他聚合物共混時(shí)的相容性較差[28-29]，因此學(xué)者們通過(guò)在淀粉中加入各種類(lèi)型的增塑劑（如甘油、尿素和山梨糖醇等）來(lái)改變淀粉分子內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并打亂其雙螺旋結(jié)構(gòu)[30]（見(jiàn)圖3），以降低淀粉的熔融溫度，進(jìn)而獲得有熱塑性的全淀粉薄膜（TPS）。Ivani? 等[31]利用甘油和尿素等2 種增塑劑與TPS 共混，結(jié)果表明，尿素和甘油的存在可以提高淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，賦予TPS 更高的拉伸強(qiáng)度。此外，針對(duì)改性的淀粉力學(xué)性能和耐水性能較差等問(wèn)題，研究人員將改性淀粉與其他生物可降解材料（如纖維素、聚己內(nèi)酯等）共混，在保證整體可降解性能的前提下提高了材料的各項(xiàng)性能，滿足了實(shí)際應(yīng)用要求。Dang 等[32]使用吹塑法制備了殼聚糖濃度不同的熱塑性淀粉/殼聚糖（TPS/CTS）薄膜，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的存在不僅改善了薄膜對(duì)水蒸氣和氧氣的阻隔性能，而且降低了膜表面的親水性。

圖3 淀粉塑化的原理[30]Fig.3 Schematic of starch plasticization[30]

2.2.3 PLA 基完全生物降解薄膜

聚乳酸（PLA）是以乳酸為原料聚合得到的聚合物，也稱(chēng)聚丙交酯。由于手性碳原子的存在，聚乳酸具有3 種立體構(gòu)型，分別是聚左旋乳酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA）和聚消旋乳酸（PDLLA）等，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中，PDLLA 不具有光學(xué)活性，是無(wú)定形聚合物；PLLA 和PDLA 具有旋光性，其機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)晶度較高，常被用于制造半結(jié)晶性的熱塑性聚合物材料。

圖4 PLA 的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of PLA

作為一種新型的生物降解材料，PLA 具有優(yōu)良的延展性、透氣性、熱塑性、生物降解性和生物相容性等，且其熱穩(wěn)定性好、易于加工，從而得到了廣泛關(guān)注[33]。然而，純PLA 的質(zhì)地較硬且脆，它具有典型的脆性斷裂特征[34]，并且其親水性較差，使其降解速率受限，這些不足大大限制了其在綠色物流包裝中的推廣應(yīng)用。針對(duì)這些不足，學(xué)者們主要通過(guò)共聚、共混和增塑等方法對(duì)PLA 進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)2種或多種物質(zhì)的性能互補(bǔ)。胡寬等[34]在PLA 中加入柔性生物聚酯聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和生物基彈性體氯醚橡膠（ECO），將其作為增韌改性劑，其共混物相微觀形貌（見(jiàn)圖5）顯示，添加ECO 能有效促進(jìn)PBS 和PLA 的界面相容性，使PLA/PBS/ECO三元共混體系的相分離程度下降，說(shuō)明共混是獲得高性能生物基材料的有效手段。Castillejos 等[35]采用開(kāi)環(huán)聚合的方法合成了 PLA 和聚丙二醇二縮水甘油醚（PPGDGE380）的共聚物，結(jié)果表明，通過(guò)控制二者的比例能得到從弱彈性體到熱塑性塑料。共聚物的親水性明顯優(yōu)于純PLA，有助于提高PLA基包裝材料廢棄后的降解速率。Li 等[36]圍繞聚乙二醇（PEG）和PLA 共混體系探討了PEG 含量和分子量對(duì) PLA 結(jié)晶行為和沖擊韌性的影響，結(jié)果表明，PEG 的加入不僅能提高PLA 的結(jié)晶度，而且增強(qiáng)了PLA 鏈段的自由體積和運(yùn)動(dòng)能力，加快了與PEG之間的分子相互作用，改善了PLA/PEG 共混物的結(jié)晶度和沖擊強(qiáng)度。

圖5 兩元共混和三元共混的SEM 照片SEM[34]Fig.5 SEM images of binary blend and ternary blend[34]

2.2.4 PCL 基完全生物降解薄膜

聚己內(nèi)酯（PCL）是通過(guò)ε-己內(nèi)酯單體在金屬陰離子絡(luò)合催化劑催化下開(kāi)環(huán)聚合而成的高分子有機(jī)聚合物[37]，又稱(chēng)聚 ε-己內(nèi)酯，其化學(xué)式為（C6H10O2）n。

聚己內(nèi)酯是一種半結(jié)晶型聚合物，其結(jié)構(gòu)重復(fù)單元上的非極性亞甲基和極性酯基，賦予了材料良好的柔韌性和加工性，具有形狀記憶性[9]、良好的生物相容性和良好的生物降解性等。由于聚己內(nèi)酯的熔點(diǎn)較低、阻隔性能較差、成本較高，因而在一定程度上限制了其應(yīng)用。為了推廣PCL，研究者對(duì)其開(kāi)展了共聚改性、填充改性和復(fù)合改性，在降低其成本的同時(shí)，提高了PCL 的屈服應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、熱性能和阻隔性能等。Gardella 等[38]將馬來(lái)酸酐接枝聚乳酸（PLA-g-MA）作為相容劑，對(duì)PLA/PCL 不相容的共混物進(jìn)行了改性，結(jié)果表明，通過(guò)共混反應(yīng)將一部分PCL 接枝到PLA-g-MA 主鏈上，使功能化PLA和剩余非接枝PCL 之間產(chǎn)生了更多的相互作用，有效改善了其兩相相容性，有助于提升共混物的斷裂伸長(zhǎng)率。董同力嘎等[39]利用茶多酚（TP）、殼聚糖（CS）、海藻糖和TiO2分別與PCL 熔融共混，研究證實(shí)，TP、CS 和海藻糖結(jié)構(gòu)上豐富的—OH 不利于非極性小分子的透過(guò)，可有效降低氧氣透過(guò)系數(shù)，并改善PCL的阻氧性能，而TiO2與PCL 共混則顯著提升了其彈性模量，增強(qiáng)了共混薄膜的剛性。

2.2.5 明膠基完全生物降解薄膜

明膠（Gelatin）是一種大分子的親水膠體，是動(dòng)物結(jié)締組織中的膠原部分水解而得到的某類(lèi)蛋白質(zhì)。雖然明膠具有與蛋白質(zhì)大分子類(lèi)似的特性，但明膠分子結(jié)構(gòu)的特殊性也在一定程度上賦予了其獨(dú)特的理化性質(zhì)。明膠大分子中的螺旋結(jié)構(gòu)不僅能提供其物理強(qiáng)度，并且主鏈上的羰基氧（C=O）和酰胺氫（—NH）會(huì)通過(guò)氫鍵與水形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在完全干燥后成為玻璃態(tài)的明膠膜[40]。無(wú)毒、凝膠性良好、相容性良好和生物降解性良好的明膠具有作為包裝材料的巨大潛力，但其存在力學(xué)性能和耐熱性較差等缺點(diǎn)[41]。目前，學(xué)者們主要將明膠與其他天然高分子材料（如殼聚糖、甲殼素、纖維素等）共混，或采用物理交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和酶促交聯(lián)等手段對(duì)其進(jìn)行改性。王海琪等[41]在利用氧化殼聚糖對(duì)明膠進(jìn)行復(fù)合改性的研究中發(fā)現(xiàn)，生物相容性良好、化學(xué)穩(wěn)定性高的氧化殼聚糖的加入能有效提高明膠復(fù)合膜的耐熱性和力學(xué)性能等。馬曉英等[42]選用四羥甲基氯化磷（THPC）作為交聯(lián)劑對(duì)明膠進(jìn)行了改性，研究表明，THPC 可在明膠分子鏈之間形成共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使交聯(lián)改性后明膠薄膜的斷裂應(yīng)力得到顯著提升，具有良好的透光率和生物降解性。

3 物流包裝場(chǎng)景下可生物降解薄膜的性能與應(yīng)用

3.1 可生物降解薄膜的生物降解性能

依據(jù)綠色物流包裝的設(shè)計(jì)原則，在開(kāi)發(fā)和選擇面向綠色物流包裝的可生物降解薄膜時(shí)，應(yīng)綜合考慮薄膜的包裝適用性和環(huán)境友好性，重視包裝的減量化、可回收再利用和綠色無(wú)害化等，以期實(shí)現(xiàn)環(huán)境共生型物流包裝系統(tǒng)的構(gòu)建。針對(duì)可生物降解薄膜的降解性能評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系，國(guó)家相關(guān)部門(mén)頒布了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)文件。按照測(cè)試環(huán)境的不同，現(xiàn)在常用的降解性能評(píng)價(jià)方法有土埋法[43-46]、堆肥法[47-50]、特定酶降解法[51-54]和活性污泥法等[55-57]，這些方法的實(shí)驗(yàn)操作、特點(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)表1。

表1 常用生物降解性能評(píng)價(jià)方法概況Tab.1 Overview of common biodegradability evaluation methods

3.2 不同物流場(chǎng)景下可生物降解薄膜的應(yīng)用潛力

隨著全球環(huán)保意識(shí)的提升，“限塑、禁塑”號(hào)角的吹響，面向綠色物流包裝的可生物降解薄膜必將逐步替代石油基塑料包裝膜，并成為物流包裝材料領(lǐng)域的新寵。目前，以PLA、PHA、PBAT、PCL、PBS 等聚酯類(lèi)和淀粉基為主的可生物降解薄膜，也正在食品包裝、商超包裝、快遞包裝、卷煙分揀包裝等物流場(chǎng)景中顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

3.2.1 食品包裝

在食品包裝領(lǐng)域，包括PLA 基薄膜、PBAT 共混膜、淀粉基薄膜和PCL 薄膜等在內(nèi)的多種可生物降解薄膜可作為可食性涂膜、內(nèi)包裝膜和一次性外包裝膜，被廣泛用于肉類(lèi)、烘焙面包、果蔬生鮮和農(nóng)副產(chǎn)品等食品的包裝[58-59]。其中，PLA 基薄膜具有質(zhì)軟、透明度高等特點(diǎn)，在烘焙面包[8]、冷鮮肉[58]、鮮切蘋(píng)果[60]等食物的包裝方面得到了廣泛應(yīng)用。多項(xiàng)研究證實(shí)，PLA 薄膜不僅能有效抑制食品的呼吸作用，從而延長(zhǎng)其貨架期，而且還能被微生物降解，避免造成環(huán)境污染，是兼具包裝功能和環(huán)境友好性的優(yōu)良食品包裝材料。此外，Varghese 等[6]探究了PHBV/纖維復(fù)合薄膜對(duì)草莓的保鮮效果，發(fā)現(xiàn)該薄膜不僅能延長(zhǎng)草莓的保存時(shí)間，且其生物降解性也較好，適合作為延長(zhǎng)易腐水果貨架期的生態(tài)友好活性包裝膜。Bumbudsanpharoke 等[61]將PBAT/PBS 生物基共混膜用于面包包裝，證實(shí)該共混膜一方面能改善復(fù)合薄膜的形態(tài)和滲透性，另一方面還能抑制面包中真菌的生長(zhǎng)，有效延長(zhǎng)了面包的保存時(shí)間。成培芳等[59]分析了PCL 包裝薄膜對(duì)菠菜貯藏品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)PCL 薄膜能延緩菠菜采摘后質(zhì)量損失率的上升、丙二醛的積累，較好地維持了菠菜的感官品質(zhì)。由此可見(jiàn)，品類(lèi)繁多的可生物降解薄膜在食品包裝領(lǐng)域的推廣使用走在了綠色物流實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用的前列，有助于推進(jìn)和加快綠色低碳的物流包裝薄膜的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

3.2.2 商超包裝

由可生物降解薄膜加工而成的連卷袋、保鮮袋、購(gòu)物袋等主要用于全國(guó)大小型商超中的商品運(yùn)輸包裝。以西安市為例，2021 年1 月，三秦都市報(bào)相關(guān)記者經(jīng)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，位于碑林區(qū)李家村萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的沃爾瑪超市、蓮湖區(qū)西關(guān)購(gòu)物廣場(chǎng)的人人樂(lè)超市、雁塔南路的華潤(rùn)萬(wàn)家超市等均已完全推廣使用以PBAT為主要成分的可生物降解包裝袋。與傳統(tǒng)塑料袋相比，可生物降解的環(huán)保袋的質(zhì)感更軟、手感更舒適，能較好地發(fā)揮其包裝運(yùn)輸功能，但在盛裝較重、較尖銳的物品時(shí)，仍存在易變形、易被刺穿破損等不足，這在一定程度上影響了可生物降解袋的推廣應(yīng)用。目前，學(xué)者們正在嘗試通過(guò)不同方式開(kāi)展復(fù)合包裝薄膜的設(shè)計(jì)和制備，致力于可生物降解薄膜力學(xué)性能的進(jìn)一步提升。陳玉華等[62]利用纖維素納米晶體（CNC）和槐糖脂（SL）摻雜PLA，制備了PLA/SL/CNC 復(fù)合包裝膜，使改性復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度提高了93.8%，韌性增加了46%。Kim 等[63]對(duì)聚丁二酸丁二醇（PBS）開(kāi)展了改性研究，通過(guò)將碳酸二甲酯（DMC）、琥珀酸二甲酯（DMS）和1,4-丁二醇（BD）進(jìn)行共縮聚，再摻入檸檬酸作為交聯(lián)劑和剛性粒子CNC，大大提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和韌性。與一般的PBS 薄膜相比，這種新型復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂韌性均更強(qiáng)，且兼具高生物降解性和低生物毒性。

3.2.3 快遞包裝

當(dāng)前，快遞包裝領(lǐng)域的各大物流公司秉承“綠色化、減量化、可循環(huán)”的原則積極布局綠色包裝材料的推廣應(yīng)用。據(jù)了解，已有相關(guān)企業(yè)試點(diǎn)將包裝用的塑料薄膜、膠帶、氣囊等材料替換為以淀粉基、PLA、PBAT 為主的可降解材料[16]。例如，全國(guó)物流行業(yè)綠色行動(dòng)的標(biāo)桿——菜鳥(niǎo)物流，已積極推行全降解塑料袋，研制了生物質(zhì)綠色包裝，為了實(shí)現(xiàn)包裝減量化，2020 年就取得了為5.3 億個(gè)包裹“瘦身”的成果。另外，京東、蘇寧、郵政等也在加大對(duì)可降解、可循環(huán)等綠色包裝材料的布局和投入[64-65]。據(jù)了解，中國(guó)郵政在綠色包裝工程的持續(xù)推進(jìn)中，積極使用PLA/PBAT 基可生物降解膠帶，為加強(qiáng)塑料污染治理做出了表率。此外，國(guó)內(nèi)外的部分企業(yè)也一直致力于快遞物流包裝可生物降解薄膜的研制。與我國(guó)有著市場(chǎng)活動(dòng)10 多年穩(wěn)定增長(zhǎng)的德國(guó)巴斯夫公司，于2017 年用可生物降解的巴斯夫聚合物ecoflex?和PLA 制成了ecovio?可生物降解快遞袋[66]，這為我國(guó)快遞行業(yè)的物流包裝提供了一種優(yōu)質(zhì)的解決方案。我國(guó)武漢華麗生物股份有限公司和河南天仁生物材料研究所有限公司分別生產(chǎn)出了以植物淀粉/纖維素和PLA/PBAT 基為主要原料的可應(yīng)用于快遞包裝行業(yè)的可生物降解膜（袋）。由此可見(jiàn)，在快遞包裝場(chǎng)景下可生物降解薄膜的應(yīng)用是促進(jìn)快遞包裝綠色轉(zhuǎn)型的重要部分。

3.2.4 卷煙分揀包裝

在卷煙物流場(chǎng)景中，可生物降解薄膜主要用于替代卷煙分揀后分組包裝使用的PE 熱縮膜。據(jù)調(diào)查，卷煙行業(yè)在卷煙物流分揀包裝環(huán)節(jié)使用的PE 熱縮膜的用量較大。雖然傳統(tǒng)的PE 熱縮膜具有柔韌性強(qiáng)、抗撞擊性強(qiáng)、收縮率大等優(yōu)點(diǎn)，但其具有無(wú)法降解、在包裝時(shí)的熱縮過(guò)程耗能較大等缺點(diǎn)，使其無(wú)法滿足物流包裝材料綠色化轉(zhuǎn)型的低碳設(shè)計(jì)要求，不符合我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，陜西省煙草公司西安市公司卷煙物流配送中心正在探索將PBAT/PLA 復(fù)合的可生物降解薄膜引入卷煙商業(yè)配送環(huán)節(jié)的物流包裝場(chǎng)景實(shí)際應(yīng)用。初步研究證實(shí)，隨著包裝工藝的相應(yīng)改進(jìn)，將分揀后的物流包裝替換為可生物降解薄膜，不但能滿足卷煙分揀包裝的力學(xué)要求，而且能減少包裝物流工藝的能耗和環(huán)境污染。此外，相較于軟塑周轉(zhuǎn)箱、硬塑周轉(zhuǎn)箱、布袋包裝等綠色環(huán)保包裝材料，可生物降解薄膜能夠最大限度地利用卷煙商業(yè)配送環(huán)節(jié)的分揀包裝設(shè)備，降低對(duì)卷煙物流作業(yè)模式（如卷煙分揀包裝效率、送貨交接效率、車(chē)輛裝載率等）的影響，從而實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)PE 包裝到綠色薄膜包裝的低碳轉(zhuǎn)型，將可生物降解薄膜用于卷煙物流分揀包裝過(guò)程是推進(jìn)煙草行業(yè)綠色物流建設(shè)的重要探索。

3.2.5 其他

在當(dāng)今倡導(dǎo)綠色環(huán)保的時(shí)代主題下，對(duì)面向綠色物流包裝的可生物降解薄膜的需求量將逐步增大。除了上述幾方面的應(yīng)用外，未來(lái)可生物降解薄膜還可用于軍品[67]、體育器材[68]和建筑材料[69]等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)品的生產(chǎn)線和物流運(yùn)輸包裝。目前，我國(guó)可生物降解薄膜的研發(fā)工藝和生產(chǎn)技術(shù)水平尚不成熟，全面實(shí)現(xiàn)可生物降解薄膜在物流包裝中的推廣使用任重而道遠(yuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家對(duì)塑料污染治理力度的加大，以及“碳達(dá)峰、碳中和”政策的出臺(tái)，已為可生物降解薄膜在綠色物流包裝中的推廣應(yīng)用奠定了良好的政策基礎(chǔ)，締造了新的發(fā)展機(jī)遇?？缮锝到獗∧さ囊?guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用將為我國(guó)現(xiàn)代物流體系高質(zhì)量發(fā)展提供有力保障。目前，大量研究在通過(guò)共聚、共混、納米粒子填充等手段提升可生物降解復(fù)合薄膜（如PBAT/PLA、殼聚糖/淀粉、TiO2/PCL 等）的力學(xué)性能、熱性能、氣體阻隔性能和剛性等方面取得了一定的進(jìn)展。面向不同綠色物流場(chǎng)景的實(shí)際需求，運(yùn)用綠色低碳的理念實(shí)現(xiàn)兼具優(yōu)良力學(xué)性能和生物降解性的可生物降解薄膜的設(shè)計(jì)和制備，將是未來(lái)薄膜包裝材料研究的重要內(nèi)容。