浅析可降解塑料包装材料

2018-03-29天津科技大学李菲江贵长陈明芬

上海包装 2018年4期

■ 文/天津科技大学李菲、江贵长、陈明芬

随着环境污染的日益严重，低碳、节能、环保已成为全球关注的焦点，因此，可降解塑料受到了越来越多的重视和推广。由于这种聚合物一方面能保持一般塑料的应用特性，另一方面又能快速降解，因此已成为包装行业研发的重点[1]。本文对可降解塑料的含义、原理及应用等多方面进行了描述，并在此基础上展望了该材料的发展前景，同时提出一些可行性的建议。

一、可降解塑料包装材料

可降解塑料和普通塑料的不同之处在于是否在制造过程中加入了淀粉、光敏剂之类的物质，由于可降解塑料加入了这些物质，就导致它的稳定性比普通塑料要差，更容易被自然环境所降解。对于大多数可降解塑料来说，在自然环境中暴露2～3个月就会发生明显的变化，材料本身就会出现变薄、失重、强度下降等现象，并且会逐渐的分解，生成对环境无害的物质。经研究表明，它能有效解决的 “白色污染”问题，符合绿色发展的观念，与此同时，它也为未来塑料行业的发展指明了方向[2]。

二、可降解塑料包装材料的分类

根据降解原理的不同，可降解塑料包装材料可以分为四种，它们分别是光降解塑料、生物降解塑料、光/生物双降解塑料、水降解塑料。

（一）光降解塑料

光降解塑料是在塑料中添加一定量的物质（如光增敏基团或光敏性物质）。在光照条件下，这些物质会在吸收紫外线后发生一系列光化学反应，进而使塑料大分子发生分解、断裂、老化。由于在降解的过程中容易受到环境的影响，所以在20世纪末以后，大部分国家减少了对这种不添加任何助剂的光降解塑料的应用[3]。

1.光降解塑料的原理

所谓光降解是指聚合物在吸收辐射能（紫外线）之后，电子跃迁至激发的状态，产生光化学反应，形成光降解的过程[4]。其具体反应过程是:聚合物通过光的物理吸收过程从而引起光的化学反应，促使氢原子逐渐从聚合物分子链上分离出来，从而形成自由基的过程，这就是光降解的原理。

2.光降解塑料的分类

光降解塑料的分类主要可以分为两大类，判断的依据是降解后有无新基团的形成。

第一类是共聚型光降解塑料，它主要是由烯烃、一氧化碳和烯酮类单体组成的共聚物。简单来说就是含有羰基结构的聚合物（如PE、PP、PVC等）与同类树脂共同混合[5]。

第二类是添加型光降解塑料，它是指把极少量的光敏剂加入到塑料加工的过程中，经过一系列反应，使其慢慢形成光降解塑料[6]。由于所加入的光敏剂本身就会携带一些发色基团，通过光引发和光化学的双重作用，这种发色基团便会产生自由基引发源，由此来加快降解的过程。和第一类塑料相比，这种方法不仅合成简单便捷，成本低廉，更为重要的则是工艺流程也和普通塑料相似。

3.光降解塑料的应用

出于环保因素考虑，大多数的塑料包装材料都是使用光降解塑料制成，尤其是一次性的食品包装袋、饮料瓶等。例如，在自然环境中，用Plasdgone等树脂制成的包装材料可用于光降解，降解后无污染物产生，较为环保[7]。

（二）生物降解塑料

生物降解塑料是指大分子物质被微生物（如细菌、霉菌、藻类等）分解成为低分子物质，从而生成水、二氧化碳或甲烷等的无污染的清洁材料。生物降解塑料所采用的原材料大多是一些多糖类和蛋白类物质。

1.生物降解塑料的原理

生物降解塑料的原理是高聚物被真菌、霉菌等微生物消化吸收的过程。其降解过程可以分为以下三个阶段，第一阶段是微生物黏附阶段，高分子材料表面会被微生物黏附，其黏附方式又会受到多方面影响[8]，最常见的就是高分子材料的表面张力、多孔、可侵占表面积等；第二阶段是酶作用阶段，微生物黏附于高分子表面后会分泌出相应的酶，然后这些酶通过一系列化学反应如水解、氧化等，将高分子分解为低分子碎片；第三阶段则是低分子碎片被微生物消化吸收的过程。

生物降解并不是单一的降解过程，它还会包括一些比较复杂的生物物理降解法和生物化学降解法。其中，生物物理降解法是通过微生物侵蚀高聚物材料使其分裂成低聚物的碎片，发生这种现象的原因是细胞的增长迫使聚合物组分水解或电离，并且在这个过程中聚合物的分子结构是不会发生任何改变的。生物化学降解法则是指由于微生物或酶直接作用于材料表面，使聚合物分解或氧化降解成小分子，直至最终分解成为CO2和H2O的过程。

2.生物降解塑料的分类

生物降解塑料按照降解机理和破坏方式可分为完全和不完全生物降解型塑料。

完全生物降解型塑料的制备有两种途径，第一种是由天然高分子材料如淀粉、纤维素等的合成，另一种是由农副产品经过发酵制成。这类塑料又被人们称为“绿色塑料”，是因为其废弃物易被细菌、真菌等微生物分解成小分子物质，并最终分解成CO2和H2O等无机化合物[9]。但在目前的包装领域，通常采用淀粉以及纤维素作为复合包装材料的基材。

不完全生物降解塑料主要是通过共混的方法在常规塑料中加入一些具有生物降解特质的物质。这种降解过程也存在缺陷，那就是降解的不彻底，原因是降解后的塑料小分子会一直存在土壤中，不能被自然环境吸收，不会实现彻底的降解，所以就目前来看这种生物降解塑料基本已经被淘汰。

3.生物降解塑料的应用

目前主要应用于一次性用具，例如我们日常所用的一次性牙签、一次性的口罩；包装行业中的垃圾袋以及食品袋；农业生产中的地膜、农药；卫生用品中的婴儿的尿不湿、还有比较常见的妇女卫生用品等[10]。

（三）光/生物双降解塑料

双降解塑料兼具光降解和生物降解的双重性特点，并且克服了生物塑料加工步骤复杂、成本较高以及受光线的影响而导致降解难度系数大等缺陷。从近几年来看，有关光/生物双降解塑料薄膜的研究是非常广泛的，其制备过程主要包括光敏剂的研制以及生物降解专用料的一系列物理以及化学处理。

1.光/生物双降解塑料的原理

双降解塑料的原理主要是添加了两种引发剂，一种是生物降解剂淀粉，另一种是可控光降解的光敏剂、自动氧化剂等助解剂[11]，它们都能诱发光化学反应。其中光敏剂通常又会被称之为“定时器”，主要是由于它可以通过调整其间的浓度比，使塑料定时分解成小碎片的形式，之后在自动氧化剂和微生物联合作用下来分解该物质。

2.光/生物双降解塑料的分类

双降解塑料可分为两类：淀粉与非淀粉。目前来说比较常用的是以淀粉为原料的生物降解助剂。例如，我们日常广泛使用的发泡PS餐盒便是光/生物双降解塑料，这种降解餐盒被完全丢弃发生脆裂、破碎和碎化成粉的现象，分别是在10天后、20天后和50天后，它被野外环境完全消纳，则发生在60天后。由于降解物被完全消纳，所以在地面上没有丝毫的痕迹，但通过一系列检测我们可以发现这些塑料已经降解成了小分子物质，然后再被微生物利用，生成CO2和H2O[13]。

3.光/生物降解塑料应用

农用地膜、包装容器、花木移植材料、手术缝合材料及药物外壳等领域中都用到了光/生物降解塑料。其中前三项应用则需要完全降解塑料，后两项应用则要求降解的小分子化合物对人体无害，并且能为人体所吸收[14]。

（四）水降解塑料

利用化学合成方法在高分子结构中添加吸水性的物质。由于材料本身就含有亲水性成分，当材料使用后丢弃于水中即被溶解掉[15]。使用安全方便，有效消除了白色污染、保护生态环境以及符合绿色包装的时代发展理念。由于该材料的水溶性和生物降解性能都比较优异，所以它已经被广泛地应用于各个包装行业，例如食品包装、药品包装、洗涤包装等。