快递包装用生物可降解材质的分析介绍

刘芳卫 把宁 赵真真 张艳

（邮政科学研究规划院 北京市邮政智能装备工程技术研究中心）

随着快递业等新兴产业迅猛发展，快递包装物的使用量也成几何式的增长，2017年达到401亿件，连续5年居世界第一，全年产生的固态垃圾超过800万吨[1]。而数字显示，中国每年完成的快递件数还在以100亿件左右的速度增长。

伴随着快递业的高速发展，封套、包装箱、包装袋、胶带等快递封装用品的使用量同步增长，其所带来的资源消耗、环境压力等问题必须高度重视和有效应对。积极应用采用低污染、低消耗、低排放，高效能、高效率、高效益的绿色环保封装用品，已经成为推动快递业健康和可持续发展的必然要求。

近几年，随着社会经济发展，国民素质逐年提高，人民对于高品质生活的要求逐年提升，绿色、低碳、健康和环保逐步成为新的社会发展格调，“白色污染”等环境问题亟需得到改善。

为缓解“白色污染”的趋势，国家针对快递、外卖等塑料制品消耗严重的相关企业，鼓励其使用生物可降解、易重复使用、可再生、可循环、能源资源浪费小和环境污染少的塑料制品，通过添加淀粉等减少石油资源的消耗，同时减少碳排放量，保护环境。

塑料制品的发展趋势是生产并使用绿色、生物可降解、无毒无害的产品，目前市面上的塑料材质主要包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）等不可降解的高分子聚合物，生物可降解材质大都基于聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚羟基丁酸戊酸酯（PHBV）、聚羟基脂肪酸酯(PHA，polyhydroxyalkanoates)、聚碳酸亚丙酯（PPC）、聚对苯二甲酸己二酸丁二酯（PET）等，生物可降解塑料产品大都基于上述一种单一聚合或几种材质共混聚合而成。除此之外，还有部分牛皮纸、无纺布等生物可降解材质替代原始的塑料制品[2]。本文对于几种常见的生物可降解材质进行分析介绍，并对塑料产品的降解性能和未来应用的前景进一步分析。

一、聚乳酸（PLA）

聚乳酸，顾名思义，为乳酸的聚合物，其聚合结构式如下图所示。

图1 聚乳酸PLA的合成

乳酸单体含有一个羟基和一个羧基，聚合时形成热塑性聚合物。乳酸直接缩聚或环丙交酯二聚体开环聚合均可制备聚乳酸。该聚合物柔韧性好，可以任意弯曲；聚合物链键能相对较弱，极易发生生物降解。其生物降解特性可以用于制造塑料袋、胶带和小麦谷物等生物降解产品。

原则上，聚乳酸可以作为多种产品的原材料。聚乳酸的合成是通过可生物降解的乳酸单体单元通过脱水反应完成。由于直接缩聚路线是一种平衡反应，在聚合后期去除微量水比较困难，通常会限制了该方法的最终分子量。因此，为获得大分子量的聚合物，很多工作都是通过开环聚合来进行。

聚乳酸由可再生资源生产得到，是可生物降解的，循环最终可分解为土壤中的矿物质、H2O、CO2和腐殖质。有文章研究了聚乳酸在天然纤维增强复合材料体系中是否可以作为基体，初步结果表明，聚乳酸可以作为天然纤维复合材料的基体材料，并显示出良好的性能。经验证，聚乳酸是一种可行的能够替代石油化工塑料的产品。自然界的谷物像玉米和甜菜中均含有丰富的乳酸，由于原料乳酸来源极广、含量丰富，因此聚乳酸具有价值极高的商业应用前景[3]。

此外，聚乳酸还具有独特的物理性质，它具有良好的保皱和卷曲性能，优异的润滑性和耐油性，易于在低温下进行热密封，对于气味有良好的阻隔作用。PLA的物理性能可以与聚乙烯PE相媲美，虽然二者结构不尽相同，但这两种树脂确实具有相似的特性。标准级聚乳酸具有较高的模量和强度，这一点与聚苯乙烯一致，但是聚乳酸韧性较差，通过定向、共混和共聚合等方法可以显著提高聚乳酸的韧性。这些性能使其具有不同的应用价值，包括纸张涂层、纤维、薄膜和包装等[4]。

迄今为止，聚乳酸几乎没有大概率替代石油化工塑料，最初的用途仅限于生物医学领域的缝合等。1997年，嘉吉陶氏公司将两家大公司合并成立新的公司，集中于聚乳酸的生产和销售，目的是大幅度降低生产成本，使聚乳酸成为一种大容量塑料[3]。

二、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）

PBS作为生物可降解的环境友好的原材料，自上世纪90年代商业化，进而得到科研人员的关注，其具有良好的可加工性和优良的力学性能，可应用于食品包装、地膜覆盖等方面[5]。PBS和脂肪族的PBS聚酯具有良好的生物兼容性，可广泛用于药物释放、介入型医疗器件以及组织支架等方面[5]。

PBS的原材料丁二酸，又称琥珀酸，经常作用于C4系列化合物的合成。除了PBS之外，还有各种聚丁二酸聚酯等，这些合成聚合物广泛用于医药、食品、香料、农药、燃料及塑料行业。在生物基降解塑料领域，可以用于合成PBS、PBSA及聚对苯二甲酸-丁二酸丁二醇酯（PBST）等产品[6]。

三、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）

聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）是己二酸，丁二醇与对苯二甲酸丁二酯的共混物，是近几年新兴的全生物降解树脂。与PBS有相似的合成，PBS仅限于单一化合物的混合，PBAT是两种化合物的混合，兼具柔性的脂肪族己二酸丁二酯与刚性的芳香族对苯二甲酸丁二酯共聚[7]，通过共混，其生物降解性能和物理性能均有所提升。PBAT可用做生物可降解薄膜、一次性包装材料、泡沫塑料填充物和医用材料等[8]。

物理性能方面，PBAT自身熔体粘度较大，吹塑加工成型较为困难，通常采取与其他具有热塑性的生物可降解树脂进行共混。像PLA全生物降解树脂具有较高的弹性模量、刚性和热塑性,可与PBAT进行共混改性，改善吹塑加工问题[7]。

四、其他生物可降解材质

除了以上高分子生物可降解聚合物材料外，目前市面上还有牛皮纸胶带、淀粉基生物可降解材质以及部分生物可降解与不可降解材质的混合物，等等。

牛皮纸是一种呈黄褐色、淡褐色或奶油色的纸质品，其采用硫酸盐针叶木浆为原料，经打浆，由长网造纸机上抄造而成[9]。其抗撕裂强度、耐破度和动态强度很高，因多用作包装材料，其形状多为卷筒纸，也有平板纸。如水泥袋纸、信封纸、沥青纸、电缆防护纸、绝缘纸等。

淀粉基生物可降解材质是不可降解材质为原材料，在其基础上添加淀粉，减少石油资源的消耗，同时淀粉的加入有利于减少碳排放量，符合目前绿色产品评价中低碳排放的理念。

五、生物可降解材质的降解过程

一般说来，可生物降解材质是可以降解的，通过堆肥或者微生物降解处理，直接降解为腐殖质，成为有机肥料，这种降解直接反应出塑料制品自然条件下的降解能力。

部分生物可降解材质受原料自身性能和物理特性等的影响，存在着降解速率缓慢，不易降解等情况，可以通过改性原材料来达到快速降解的目的。像PLA，降解速率缓慢，一方面，可以添加亲水性化合物到PLA聚合物中，加速PLA的降解；另一方面，可以与其他物质共混，通过共混降低其结晶度，从而达到加速降解的目的。

图2 生物可降解材质的降解循环过程（以聚乳酸为例）

六、未来包装趋势

未来快递业的发展离不开包装材料的更新换代和包装技术的不断完善。随着科技发展，市面上将会涌现出更加新颖的包装材料。对于绿色、环保和生物可降解包装耗材的需求量将逐渐增加。虽然目前生物可降解材质紧缺，同时存在着成本较高、加工工艺待完善等问题，可能会限制其推广使用，但是未来随着科技发展，新颖或改性原材料的出现，将会极大地改善这一包装问题，繁荣包装市场。同时，生物可降解材料作为绿色、低碳和环保的新材料，将成为全球研发的热点，展现出巨大的市场潜力。