王剛（山東金麥材料科技股份有限公司，山東煙臺，264670）

摘要：本文系統綜述了生物質基可降解阻隔包裝材料的研究現狀與發展方向，分析了包括聚乳酸基、淀粉基、纖維素基及紙基等材料體系的優勢及面臨的關鍵挑戰（如阻隔性能和機械強度不足、成本高等）；深入探討了用于提升材料阻隔性能的改性技術的優缺點及適用性，如共混改性（如淀粉/聚乳酸）、納米復合增強（利用“迷宮效應”）、本體疏水改性（化學修飾）和涂布改性（如紙基材料的多功能涂層）等；展望了開發高相容性生物質基阻隔劑、優化結構、改善納米分散等技術的發展前景，旨在為生物質基可降解阻隔包裝材料的科技創新與產業升級提供參考。

關鍵詞：生物質基材料；可降解；阻隔性能；紙基材料

  隨著全球經濟的快速發展和人口規模的持續增長，塑料制品已成為現代社會不可或缺的基礎材料。然而，傳統石油基塑料的不可降解性導致了嚴重的環境危機，每年會有約800萬t塑料垃圾進入海洋［1］，其中微塑料已滲透至極地冰川和人體血液，對生態系統和人類健康構成直接威脅［2］。在此背景下，生物質基可降解包裝材料作為一種兼顧功能性、環保性和可持續性的新型材料，成為全球學術界和產業界的研究熱點［3］。

  生物質基可降解包裝材料［4-8］是以天然生物質資源（如淀粉、纖維素［9］、木質素［10］、甲殼素等）或生物基單體（如乳酸、丁二酸）為原料，通過化學合成或生物發酵工藝制備的高分子材料。與傳統石油基塑料相比，生物質基可降解包裝材料的核心優勢體現在以下3方面。①“碳中和”技術路徑：生物質基可降解包裝材料的原料，其碳源來自植物光合作用固定的CO2，降解后會重新釋放CO2，形成閉合碳循環，顯著降低全生命周期碳排放量。②環境友好性：在特定溫、濕度或微生物條件下，生物質基可降解包裝材料可通過水解、酶解等過程，完全降解為H2O、CO2和碳基化合物，避免微塑料殘留。③資源可持續性：生物質基可降解包裝材料的原料可取自農業廢棄物（如秸稈、甘蔗渣）或非糧作物，以減少對化石能源和糧食作物的依賴。目前，常見生物質基可降解包裝材料包括聚乳酸（PLA）基［11］、淀粉基［12-13］、纖維素基［14-15］及紙基［16-18］等體系，已初步應用于食品包裝、快遞袋、農用地膜等領域。然而，生物質基可降解包裝材料的大規模推廣仍面臨成本、性能與降解條件等方面的多重制約。

  本文通過系統梳理國內外生物質基可降解包裝材料，包括PLA基、淀粉基、纖維素基及紙基等材料體系的研究進展，分析其技術瓶頸與產業化挑戰，并展望未來發展方向，以期為我國綠色包裝材料的科技創新與產業升級提供理論參考。

1.生物質基可降解阻隔包裝材料研究現狀

1.1 PLA基包裝材料

  PLA由乳酸單體通過酯鍵連接聚合形成，通常是利用常見農作物如玉米、木薯、甘蔗中富含的淀粉糖化發酵制取［19］，具有可生物降解、可回收和可堆肥等特點。PLA的獨特化學結構不僅可以促進其生物降解，還使其自身具有高透明度、良好機械強度和較低熔點等優異的理化性能，以及與醋酸纖維素（CA）相似的疏水特性。然而，已有研究表明，PLA膜材料的阻隔性能較差，氧氣透過量為480cm3/(m2·24h·0.1MPa)，水蒸氣透過量為130g/(m2·24h)，均達不到高阻隔的要求［11］，影響了其進一步發展。目前，PLA膜材料的改性技術方向主要是通過與其他聚合物共混，或利用納米復合技術和多功能填料加填技術，提升其柔韌性和阻隔性能。改性后的PLA膜材料在綠色包裝、柔性電子設備、生物相容性設備和醫療植入物等領域的應用中占據重要地位。

  Côcco等［20］使用PLA和羧甲基纖維素珠（carboxy_methylcellulosebead，CMCB）制備了基于PLA/CMCB膜的活性包裝，以延長蔬果的保質期。結果表明，PLA/CMCB膜表現出優異的儲水吸收功能和傳輸水蒸氣能力，加強了活性包裝的水分控制。這種機制有效地降低了包裝內的溫度，保持了包裝內的水分，減緩了水果的呼吸作用，并最終延遲蔬果成熟，在躍變型水果應用領域極具優勢。

  部分學者提出與具有阻隔性能的生物基聚合物混合來提高PLA膜材料阻隔性能的方案。Huo等［21］將氮唑烷酮（2-氧雜唑烷酮）改性的含木質素納米纖維素（LCNF）與PLA膜共混，制得PLA/LCNF復合膜，并將PLA/LCNF復合體系作為涂料用于改善紙張阻隔性能。結果表明，LCNF在PLA膜中展現出優異的分散穩定性和良好的界面相容性，PLA/LCNF復合膜的拉伸強度較PLA膜提高了31.60%（圖1(a)）。當PLA/LCNF復合體系作為紙張涂料時，涂布紙的水接觸角顯著大于原紙，表現出優異的疏水性和耐水穩定性（在水中的溶脹軟化程度）；同時，與原紙相比，涂布紙的抗張指數提高了24.5%，撕裂指數提高了9.2%，耐折度和耐破指數均有提高（圖1(c)），水蒸氣和氧氣的阻隔率分別提高了96.8%和98.7%（圖1(d)）。

  部分學者采用擠出或涂布工藝，改變PLA材料的物理結構和結晶度，以賦予其高阻隔性能。Souza等［19］利用多層共擠出技術，成功制備了具有16、32和64層交替結構的PLA膜/泡沫材料。結果表明，退火處理顯著提高了PLA膜/泡沫材料的結晶度和氧氣阻隔性能，最佳工藝條件為溫度120℃、退火時間30min。在此條件下，PLA膜/泡沫體積比1:1的32層樣品，其結晶度可從約2%（未處理樣品）提升至約35%，氧氣透過率（OTR）大幅降低至約1.0cm3/(m2·d)，阻隔性能比未處理樣品提升了約35倍。這是因為材料結晶度的增加，使得氣體滲透依賴的無定形區比例減小，且擴散路徑的曲折度增加，因而氧氣阻隔性能提升。

  通過共混增韌、納米增強、阻隔優化等改性技術，PLA膜材料已經突破了阻隔性能差、柔韌性不足、成本高的瓶頸，在包裝、農業、醫療等領域實現了規模化應用，商業化進程不斷加速，但需進一步平衡性能與成本。在保證可降解性的基礎上，PLA有望成為塑料產業綠色轉型的核心材料。

1.2 淀粉基包裝材料

  淀粉是由葡萄糖單元通過糖苷鍵連接形成的天然多糖，其分子鏈富含羥基，具有良好的成膜性、可降解性和強親水性。前期研究表明，淀粉膜材料具有環保性、生物相容性與安全性高且原料成本低的優勢，但其抗拉強度僅1.95~2.93MPa，斷裂伸長率<10%，阻隔性能與耐水性能差，其水蒸氣透過率（WVP）高達0.56~0.75g·mm/(m2·h·kPa)［22］，對油脂和氧氣的阻隔性能也較弱。目前，研究人員主要通過化學改性、物理共混與復合、納米增強等技術，提高淀粉膜的阻隔性能與力學性能。

  Yao等［23］以2種改良木薯（Yavo和TMS）淀粉為基材，添加不同比例（0%、7%、15%、30%）的微晶纖維素（MCC）制備可食用膜，并考察了其物理性能，結果如表1所示。結果表明，2種木薯淀粉與MCC復合后，均表現出良好的成膜潛力，且膜顏色偏黃。MCC顯著提高了淀粉膜的抗拉強度、楊氏模量和不透明度，同時降低了含水量、溶解度、斷裂伸長率與WVP，使其更適用于食品包裝領域。Godoy等［24］以鱷梨籽淀粉（ASS）為原料，通過化學改性引入叔丁基乙酰乙酸酯（t-BAA），制備了改性淀粉（m-St），并將其嵌入PLA基質中，從而開發了一種環保、防紫外線和高阻隔性能的PLA/改性淀粉生物復合材料PLA/m-St，用于活性食品包裝材料。結果表明，當改性淀粉與PLA以質量比1:6復合且添加量為20%時，制得PLA/m-St的斷裂伸長率從純PLA的3.35%顯著提升至27.80%，提升了約730%；紫外線B波段阻隔率從16.21%提高至83.86%；同時WVP和氧氣透過率分別從61.9g/(m2·d)和1331cm3/(m2·d)降低至28g/(m2·d)和32.9cm3/(m2·d)，分別降低了97.5%和54.8%，阻隔性能大幅提升。

  近年來，通過化學改性和共混技術，顯著提升了淀粉基包裝材料的阻隔性能和機械強度，使其兼具高疏水性、低氧氣透過率及良好的可降解性。然而，淀粉基包裝材料的發展仍面臨挑戰：①長期耐久性驗證不足；②規模化生產存在工藝復雜性；③材料抗濕性和機械性能的平衡仍需優化，且成本競爭力較弱。未來需要開發綠色高效改性劑、多尺度復合增強技術，推動功能化與智能化，并通過工藝創新降低成本，加速其在食品、醫藥等高端包裝領域的應用，助力實現塑料替代與可持續發展目標。

1.3 纖維素基包裝材料

  從化學結構來看，纖維素分子是由脫水葡萄糖環單元連接而成的直鏈多糖，這種特殊的分子構型賦予了纖維素獨特的理化特性。每個葡萄糖單元上含有3個自由羥基，這些羥基不僅形成了分子內和分子間的氫鍵網絡，也為化學改性提供了活性位點，使得纖維素能夠通過各種理化方法實現功能化。前期研究表明，用于包裝的纖維素膜的WVP僅162~218g/(m2·24h)［11］，無法達到阻隔的目的，必須通過結構致密化或復合改性等手段來提高其阻隔性能。

  Wang等［25］在纖維素網絡內部嵌入陰離子聚丙烯酰胺（APAM）作為“內宿主”，通過內部靜電作用與外部涂布陽離子殼聚糖（CS）和花青素（Anth）復合物，制備了纖維素基智能標簽材料。結果表明，該智能標簽利用多重氫鍵和靜電相互作用形成致密網絡結構，在保證阻隔性能基礎上顯著提升機械性能，濕強度從原始纖維素的0.185MPa提高至12.795MPa（圖2）。Wang［26］開發了一種珍珠層狀結構的羧甲基纖維素雙層膜，通過層間澆鑄法將上層（殼聚糖/蒙脫土/茶多酚）的仿珍珠層與下層（羧甲基纖維素/海藻酸鈉/納米羥基磷灰石/茶多酚）的致密層結合，顯著提升了膜的機械性能、紫外線阻擋率及抗氧化活性，同時降低了氧氣滲透率（1.841×10-3g/(m2·s)）和水溶性（6.26%）。Li等［27］通過熔融分散法制備4種植物基生物蠟，結合顏料后涂布于紙板，形成生物蠟水性涂層，研究其作為纖維素基材料阻隔涂層的可行性。結果表明，生物蠟水性涂層的可折疊性得到顯著改善，WVP和油脂阻隔性能與傳統涂層相近，部分樣品Cobb值降低至14g/m2（1800s）。

近年來，通過引入納米纖維素、生物蠟、多層復合結構及化學改性的方法，纖維素基包裝材料的機械強度、阻隔性和功能特性得到顯著提升。然而，納米材料易聚集導致纖維素基包裝材料的性能波動，且納米材料添加量較大時可能破壞其結構均一性；化學改性纖維素基包裝材料的長期穩定性及可降解性尚未平衡；纖維素基包裝材料的生產工藝復雜且成本較高，其規模化生產受限；此外，極端濕度或溫度下，纖維素基包裝材料的性能衰減仍需考察。因此，未來可以在優化多尺度結構設計、開發高效綠色改性技術、探索低成本生物基添加劑等方向，進行纖維素基包裝材料的進一步研究。

圖1不同LCNF含量的LCNF/PLA復合膜和涂布紙的理化性質[21]

表1木薯淀粉膜的含水量、溶解度、WVP、拉伸強度、斷裂伸長率和楊氏模量[23]

1.4 紙基包裝材料

  作為特殊的纖維素基包裝材料，紙基包裝材料因其高可降解性（自然降解率達97%）的特點成為環保包裝的重要選擇，但其多孔性網絡結構和無定形區游離羥基的存在，導致紙基包裝材料的阻隔性能不足，尤其是對水蒸氣的阻隔。水蒸氣通過孔隙氣相擴散和纖維表面液態吸附-擴散的雙重路徑，滲透至紙基包裝材料的內部，制約了其在潮濕環境中的應用。

  部分學者針對紙基包裝材料本體進行改性，從纖維素源頭增強疏水性以提升其阻隔性能。Wu等［28］通過紫外光固化聚氟樹脂原位改性多孔纖維素紙，賦予其超疏水性能，以提升由其制備的食品包裝材料的阻隔性能。結果表明，隨著聚氟樹脂含量的增加，纖維素紙的表面接觸角從70°（疏水）提升至135°（超疏水），同時保持了50%以上的透光率和較高的熱穩定性（分解溫度約330℃)。該工藝綠色簡便，兼具環境友好性與多功能性，且未顯著破壞纖維素原有特性；但聚氟樹脂含量過高會導致纖維素紙的熱穩定性下降，透光率降低，且氟化物的潛在環境影響需進一步評估。

  圖2基于“內外協同作用”策略的智能標簽設計理念及應用場景[25]

  相比于紙基包裝材料的本體疏水改性，涂布和浸漬改性的研究更廣泛。Kirubanandan［29］通過噴涂技術快速制備了自支撐納米纖維素涂料，并用于紙基材料的涂布改性，旨在提升紙基材料的機械強度與阻隔性能。結果表明，噴涂工藝可在1min內形成均勻的納米纖維素涂層，其環保可降解，可通過填充表面孔隙形成致密屏障，顯著降低紙基材料的空氣透過率。Du等［30］通過復合纖維素納米晶體（CNC）和硅烷改性再生纖維素，制備了用于提升纖維素基包裝材料的阻隔性能和機械性能的涂料。結果表明，涂布后纖維素基包裝材料的疏水性能顯著增強，WVP降低81%，氧氣透過率減少數十倍，同時干、濕拉伸強度、耐破指數和內部結合強度分別提升74.4%、17.8倍、32.5%和94.3%。Liu等［31］開發了一種基于CS、乙基纖維素（EC）及青胡桃殼生物精煉產物（GWHE和CNC）的雙層涂布紙基材料，其阻隔性能與功能性能均得到改善，適用于食品包裝。結果表明，通過底層CS/CNC防油涂料涂布和頂層EC/GWHE防水涂料涂布，紙基材料機械強度、阻隔性能均得到顯著提升（圖3），同時具備抗氧化和抗菌能力，并保持良好的可生物降解性。Zhang等［32］開發了一種基于聚乙烯醇（PVA）與膨潤土（BT）配位相互作用的新型纖維素紙基包裝材料，該方法通過浸漬和熱處理在甘蔗紙上形成“磚-砂漿”結構，顯著提升了紙基材料的機械強度、防水性和阻隔性能。

圖3不同紙張樣品的理化性質[31]

  近年來，紙基包裝材料的研究取得顯著進展，研究人員在保證紙基包裝材料兼具抗菌/抗氧化功能、保持可降解性的同時，主要通過本體疏水改性、生物質基涂料涂布等手段提升其阻隔性能。然而，生物質基涂料的制備工藝復雜，導致成本高、規模化生產困難，且生物質基材料的濕敏性和熱穩定性不足等問題依然存在，這些因素制約了紙基包裝材料的發展。

  相關企業在紙基包裝材料的產業化生產上做出了許多努力。黃立朋等［33］開發了一種具有多層結構的高阻隔紙基材料包裝袋，其從內到外依次為熱封層、原紙層、底涂層、蒸鍍層和面涂層（圖4）。通過涂布與蒸鍍技術，顯著提升了材料的阻隔性能，用其替代傳統紙鋁塑復合材料，在實現水蒸氣與氧氣高阻隔性的同時，做到了可回收及可降解。

1—熱封層；2—原紙層；3—底涂層；4—蒸鍍層；5—面涂層

圖4包裝袋袋體的材料結構示意圖[33]

2.生物質基可降解阻隔包裝材料改性方法

2.1 共混改性

  共混改性可通過物理混合將2種或多種聚合物/添加劑在熔融或溶液狀態下均勻分散，形成具有特定微觀結構的多相體系，從而綜合各組分的優勢性能，實現生物質基可降解阻隔包裝材料的性能提升。共混工藝簡單成熟、成本較低、適合規模化生產，通過添加高阻隔聚合物或天然阻隔劑（如淀粉/MCC物理共混），可顯著提升生物質基可降解阻隔包裝材料對水蒸氣、氧氣的阻隔性能。此外，共混改性可靈活設計配方（如PLA/淀粉共混添加疏水劑），同步改善生物質基可降解阻隔包裝材料的力學強度與可降解性。然而，部分生物質基材料存在相容性差的問題，如疏水性PLA與親水性淀粉/纖維極性差異大，易導致界面缺陷，需額外添加增容劑，導致成本上漲與工藝復雜度提升。

2.2 納米復合增強改性

  納米復合增強改性的原理是將納米填料（如蒙脫土、石墨烯、納米纖維素）均勻分散于生物質基材（PLA、淀粉基等）中（圖5），利用其高比表面積與片層結構形成“迷宮效應”，迫使氣體/水蒸氣分子繞行曲折路徑；同時，納米片層與聚合物鏈的強界面作用可限制鏈段運動，降低滲透系數［21］。納米填料可以高效阻隔，通常添加量1%~5%即可顯著降低氧氣/水蒸氣透過率（最高達90%），并提升生物質基可降解阻隔包裝材料的力學性能、耐濕性能和使用壽命。但是，納米填料易團聚，需對其開展表面改性或增加高剪切工藝預處理，這將增加成本與難度。

2.3本體疏水改性

  疏水改性是通過對生物質基材料（如淀粉、纖維素）的分子結構進行化學修飾，引入疏水基團，降低材料表面能及親水性基團密度，從而減少水分子吸附與擴散的方法。疏水改性法可從分子層面降低材料親水性，直接削弱水蒸氣的滲透驅動力，而改性后的生物質基材料保持著單一相態，避免了共混法帶來的界面缺陷問題，且性能不易受濕熱環境影響，在保留可生物降解性的同時，提升力學強度。然而，疏水改性也存在弊端：①工藝復雜，涉及溶劑使用及后處理，成本高且難以連續化生產；②過度修飾可能抑制材料的可生物降解性，或導致材料脆化；③部分試劑具有毒性，殘留化學物質可能會限制其在食品包裝領域的應用，且廢水處理負擔重。

2.4 涂布改性

  涂布改性工藝（圖6）具有簡單、高效精準的特點，其不僅可以增加材料的耐水性、耐油性，還具備抗菌、抗氧化等附加功能，且不影響基材本體性能（力學和降解性能）。

  然而，當涂層與基材間的結合力弱時，易發生剝離現象，需進行表面預處理，這將增加制備成本。

  涂層機械磨損或溶脹后，阻隔性能衰減，長期使用穩定性不足，且部分污染性高的涂料不易處理，這些因素制約了其發展。

圖5LCNF/PLA膜的制備示意圖和SEM圖[21]

圖6纖維素-CNC-HDTMS（MTMS）間形成的氫鍵示意圖及CNC增強/硅烷改性再生纖維素涂布復合材料的制備流程[30]

3.結語

  近年來，全球生物質基可降解材料的研究呈現爆發式增長，其中聚乳酸（PLA）基、淀粉基、纖維素基及紙基材料，是阻隔包裝材料未來發展的主要方向。本文系統梳理了生物質基可降解材料的研發進展，揭示了其在碳循環閉合、全生命周期低碳排放和可降解性方面的核心優勢。當前研究已實現了部分技術突破，如PLA的納米復合增強、淀粉基材料的疏水功能化、纖維素基的多尺度結構優化，以及紙基涂層技術的創新，但生物質基可降解阻隔包裝材料的性能與高端包裝需求間仍存在鴻溝，尤其是阻隔性能、機械強度和成本競爭力不足等問題，制約了產業化進程。目前，友好的環境支持、消費者的喜愛和政府政策維護帶來的機遇，標志著包裝行業正進入了一個變革時代，尤其是紙基材料，其作為環境友好的可降解材料，將在包裝行業更具市場競爭力。

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