纳米材料改性生物可降解包装的研究进展

赵迪 黄晋博 陈亦萱 李佳伟 王茜茜 陈志周

摘要：随着近年来环境破坏问题频发，促使人们加强了对环保意识的重视。这是因为人们意识到必须走健康生态的发展道路，才能够实现可持续的发展。近些年来，包装材料的使用量不断提升，给人们赖以生存的环境带来了巨大压力。为了能够减缓包装材料给环境造成的破坏，且改善传统包装材料性能上的不足，经研究学者们多年研究，在众多改性方法中，纳米复合已得到了广泛的推广和应用。本文对生物可降解材料进行了概述，且对纳米复合可降解包装材料的研究进展进行综述。

关键词：纳米材料；生物可降解；改性；包装

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 12-0017-04

Research Progress of Biodegradable Packaging Modified by Nano Materials

ZHAO Di1， HUANG Jin-bo1， CHEN Yi-xuan2， LI Jia-wei1， WANG Qian-qian1， CHEN Zhi-zhou1*

（1.College of food science and technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， China；

2.School of economics and management， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， China）

Abstract： With the frequent occurrence of environmental damage in recent years， people have strengthened their attention to environmental protection awareness. This is because people realize that only by taking a healthy and ecological development path can sustainable development be realized. In recent years， the increasing use of packaging materials has brought tremendous pressure to the environment on which people live. In order to slow down the environmental damage caused by packaging materials and improve the performance deficiencies of traditional packaging materials， with years of research by researchers， nano-composite has been widely promoted and applied among many modification methods. In this paper， the biodegradable materials are summarized， and the research progress of nano-composite biodegradable packaging materials is summarized.

Key words： nano materials； biodegradable； modification； package

随着我国科学技术的快速发展，各行各業在时代改革的过程中需要不断革新产业技术来适应市场的发展，同时还要保障人们与生存环境能够实现生态可持续的发展，特别是近些年来，包装材料的应用越来越广泛，原有的常规包装材料已经难以满足市场的实际应用需求。随着近些年来生物可降解材料的改性，在实际应用过程中不断降低了成本，提高了包装材料的性能，进一步推动了生物可降解包装材料的实际应用。目前，广大研究学者已经意识到，有效的生物可降解材料的改性方式将能够创造更大的经济效益，因此，生物可降解材料的改性也成为当前研究的热点话题。

纳米技术的出现是21世纪以来最为尖端的技术革新之一，该技术在功能性、可塑性和力学性能等方面具有明显优势，通过改性能够将分散相尺寸≤1000nm的颗粒与其他包装材料形成一种全新的纳米结构。例如陈志周等（2019）以复合薄膜断裂伸长率、抗张强度、透光率和吸水率为评判标准，探究纳米SiO2改性木薯淀粉/PVA/壳聚糖薄膜的制备工艺①。将纳米技术对包装材料改性，形成的纳米复合材料较普通包装材料具有优越的功能特性，有助于促进包装行业健康可持续发展。

1 可生物降解材料及其概况

1.1 可生物降解材料的定义

美国是最早进行生物可降解材料研究的国家，根据美国材料与试验协会分析认为，理想的生物可降解材料具有优越的性能，能够在自然界微生物的作用下完全分解，形成对自然和人体无害的无机化组成部分，最终将可生物降解材料定义为在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物的作用下，能够发生物理或生化反应而降解或分解的材料。

1.2 可生物降解材料的特点

可生物降解材料具有以下几个特点：第一，可生物降解材料可应用于多个领域。第二，具有储存、运输方便等特点，只需要在保持干燥的环境中储存即可。第三，不会对生态环境或动植物造成危害。第四，不需要焚烧，可以抑制有害气体的排放。第五，降解后体积减少，能够有效延长填埋场的使用寿命。第六，同垃圾进行一起处理的过程中能够转化成肥料且回归自然。

1.3 可生物降解材料的分类

由于生物降解材料的性能因素影响，因此目前的材料可以分为两种降解类型，一种是不能够完全降解的材料，另一种是可以完全降解的材料。不完全降解的材料主要是指天然高分子或矿物质以及石油基等混合而成的材料，而完全生物降解材料是依据生产工艺的不同，将其分为以下三种类型。

1.3.1 微生物生产型

例如，真养产碱杆菌可以生产羟基丁酸酯（HB）和（R）-3-羟基戊酸酯（3HV）共聚物，HB和4-羟基丁酸酯（4HB）共聚物，HB和3-羟基壬酸酯（3HP）。世界各国都在广泛研究微生物热塑性塑料。例如，英国ICI开发的3-羟基丁酸和3-羟基戊酸酯共聚物（PHBV）及其衍生物，日本东京工业大学开发的聚羟基丁酸酯（PHB）。尽管这些产品具备良好的可生物降解性，但价格十分昂贵。

1.3.2 合成高分子材料型

通过化学合成一种具备可生物降解官能团，类似于天然高分子结构的材料，其分子结构大部分是具有可被微生物分解的含酯结构的脂肪族聚酯，如聚乳酸（PLA）、聚e-己内醋（PCL）等。聚乳酸的熔点为175℃，因其优良的生物相容性而广泛应用于医药。聚e-己内醋热塑性塑料的熔点为63℃。它具有良好的形状，易于成型，其生物降解性随着分子量的增加而降低，因此可用作医疗器械和包装材料。

1.3.3 天然高分子材料型

这类可降解的材料一般包含如半纤维素、淀粉、木质素、多糖类氢化合物和明胶等可降解生物材料，这类材料在环境中具有快速的降解能力，而且具有良好的降解性和透气性，是目前发达国家正在积极研究和开发的主要类型。

2 纳米复合改性

近些年来，纳米材料的应用极为广泛，这为改善高分子材料性能开辟了新的路径，使高分子材料的应用领域变得更为宽广。对此，学者张开通过对聚乳酸加入纳米粒子，形成新的纳米复合材料，其力学性、耐热性和结晶速率得到明显提升。通过实验研究结果发现，随着纳米材料与聚乳酸复合，增加了聚乳酸一些特殊的功能，然而，值得注意的是，将纳米粒子引入聚合物的基体中，在纳米粒子之间力的相互作用下，纳米复合物极易发生团聚现象，如果未能有效解决纳米复合改性过程中的分散问题，将对聚合物本身的性能造成一定的不利影响。

3 纳米复合可降解包装材料研究进展

3.1 淀粉纳米复合材料

淀粉来源广泛，经济实惠，而且具有较好的环境友好性优点，因此在包装领域的应用较为广泛。在进行生物材料降解的过程中，对淀粉应用等研究也变得更为广泛，研究学者发现，加入纳米材料或者合成聚合物，将能够有效提升淀粉的耐水性。

在目前有关可降解生物材料的领域中，报道最为广泛的要属淀粉-黏土复合物加工制成的可降解纳米复合材料，其作用主要是通过淀粉中加入MMT粘土，以提高杨氏模型和拉伸强度等机械性能，目的是为了能够通过机械性能的变化来改善材料的阻隔特性。根据研究学者陈志周等（2020）研究了纳米SiO2改性木薯淀粉/PVA/壳聚糖薄膜的性能影响，发现在超声功率为240W，超声温度为50℃，超声时间为40min时，纳米SiO2分散能力最佳，能够有效改善复合薄膜的力学性能以及耐水性②。

3.2 纤维素纳米复合材料

相关研究结果表明，纤维素纳米复合材料具有较好的可降解性，研究学者为了改善纤维素材料的拉伸强度和水汽透过性，将纤维素纳米复合材料的纳米纤维浓度从0提升到37%以上，由此反映出纤维素纳米复合材料的拉伸强度也在不断提升。产生这一结果的原因在于纤维素与纳米材料所形成的纤维网络，随着纳米纤维浓度提高，拉伸强度更强。总而言之，加入纳米纤维，膜的水汽阻隔特性得到明显改善，而当加入量大于10%时，能够显著降低水汽透过性。

3.3 聚乳酸纳米复合材料

近些年来，聚乳酸纳米复合材料的研究引起了人们的广泛关注，这是由于聚乳酸具有良好的生物兼容性和可降解性，而且聚乳酸来源较广，可以通过碳水化合物的发酵制得。相对于商业聚合物而言，聚乳酸在环境保护方面具有明显优势，然而在包装领域，聚乳酸之所以未能得到大量使用，主要是因为其气体阻隔性较差，且成本较高。为了进一步推动聚乳酸在包装行业中的应用，需要通过有效的改性方式提升其性能。其中，纳米复合材料技术是一种有效的方法，研究学者发现，黏土对聚乳酸的氣体阻隔性具有积极的作用，使用纳米技术将化学修饰的黏土和非晶态的聚乳酸相互结合形成聚乳酸纳米复合材料，其气体阻隔性增加了40%。

3.4 蛋白质纳米复合材料

蛋白膜与非离子化的多糖膜相比，由于其自由体积较低，而且具有特殊的非环状结构，因此在水汽透过性和氧气阻隔性等方面显示出优越的性能。然而在包装领域的应用过程中，蛋白质本身的吸水性和气体渗透性较差，可以通过纳米复合材料技术改性其材料性能，例如将纳米黏土加入蛋白膜中，以提升材料的水汽透过性。

研究学者发现，大豆蛋白具备良好的热塑性，这一先天优势使其成为可生物降解材料的重要原料。但是，大豆蛋白本身刚性较强，且耐水性较差，至今在生物可降解材料中未得到普及应用。同淀粉类似，虽然可以通过添加增塑剂改善其脆性缺陷，但也降低了大豆蛋白的气体阻隔性。大豆蛋白纳米复合材料膜的出现能够有效提升大豆蛋白性能，拉伸强度、水汽透过性明显提高了23%和47%。

4 结束语

纳米复合材料的在包装领域的应用能够起到很好的环境保护作用。随着纳米复合可降解包装材料的研究不断深入，促进了纳米技术产业化的快速发展，但是目前我国纳米复合材料技术的研发还处于初期阶段，所以可生物降解材料领域的改性工艺还需要通过不断研究加以提升和优化，才能够推进可生物降解材料产业实现可持续健康发展。

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