包装材料的发展及生态化研究

作者：三峡大学机械与材料学院 江涛 吴丽霞

欢迎访问e展厅 展厅 1 瓦楞纸箱/纸包装展厅 牛皮纸, 瓦楞纸箱, 美纹纸, 纸袋, 纸箱抗压试验机, ... 摘要：本文从生态保护和可持续发展的角度，论述了发展生态包装材料的重要性和必要性，综述了当今世界生态材料的研究状况，塑料生态包装，可食性包装，天然生物包装，纸包装，纳米塑料等，分析了今后包装材料的发展研究方向。 关键词：包装材料生态研究纳米塑料 一、包装材料的发展 包装材料的初级阶段，可以追溯到人类有记载的历史之前，那时的包装材料取之于自然。以后人造包装材料的产生，如纸、玻璃、金属等为包装提供了更好的原料，包装的品种逐渐多了起来，并被广为接受。 包装的真正兴起，是从上世纪50年代发明了人工合成材料——塑料开始。塑料具有质轻、耐用、阻隔性、易成型、形状多样、资源和能源消耗少等优点，大量地取代了天然资源加工的包装材料，促进了新包装机械的出现。可以说现代包装是随着塑料工业的发展而发展起来的。六十年代是我国塑料制品工业由热固性塑料制品向热塑性塑料制品的转折时期。到后来七十到八十年代发展起来的复合包装材料，如铝塑复合材料、纸塑复合材料、塑与塑复合材料等，可代替金属、玻璃、纸等包装材料，提高了包装的阻隔性、结构性、印刷性，使包装更方便、更安全。尤其是在近几年PET、BOPP、尼龙膜、镀铝膜的生产，有力地推动了塑料包装材料的发展。现在新技术的发展促进了各种新兴包装的出现。 包装材料逐渐在材料工业中占据了重要位置。据不完全统计，世界每年包装材料的销售额约为500亿美元，从业人员超过500万，占国民生产总值的1.5%～2.3%。 然而，包装使用寿命短、使用量大（如美国，每年产生的城市垃圾达1.5亿吨，其中1/3是包装废弃物。日本城市每年固体废弃物约为5000万吨，其中包装废弃物为2100万吨）并且难以集中，对城市环境和人体造成严重的危害。塑料薄膜因回收率低造成的白色污染、焚毁时放出破坏臭氧层的化学物质，对生态平衡的破坏等环境问题引起了社会的广泛关注。 生态包装发端于1987年联合国环境与发展委员会的“我们共同的未来”文件，它是指对生态环境和人体健康无害、能源循环和材料再生利用，可促进持续发展的包装。生态材料所追求的不仅仅是优异的使用性能，还要求材料的制造、使用、废弃直到再生的整个寿命周期中必须具备与生态环境的协调共存性以及舒适性。从上世纪90年代至今，生态化包装材料有了极大发展。 二、生态化包装的研究 1.塑料包装生态化 塑料包装具有很多优点，在包装材料中占有重要的位置。同时塑料在包装废弃物占有很大比例，约40%。其最大的缺点是不易降解，造成污染。目前科研人员对新型塑料包装的开发，主要是生物降解塑料和化学降解塑料。 （1）生物降解塑料 理想的生物解塑料是一种具有优良使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解的高分子材料。纸是生物降解材料，而通常用的合成塑料是非降解高分子材料。生物降解塑料就是兼有纸的可降解性和合成塑料的高性能化的新型高分子材料。生物降解的高分子（大分子）材料，其降解机理已经被证实：主要由细菌或其水解酶将高分子量的大分子分解成小分子量的碎片，然后进一步被细菌分解成二氧化碳和水等物质。可分为三类： 微生物产生的聚酯。属微生物发酵型大分子，它是利用微生物产生的酶将自然界中易于生物分解的聚酯类物解聚水解，再分解吸收合成高分子化合物，这些化合物含有微生物聚酯和微生物多糖等。为降低制造微生物聚酯的成本，正在开展利用植物合成生物降解塑料的研究。美国、日本先后利用基因工程技术，使一些植物在其枝叶上直接生长出可降解的聚酯，如美国密执安州立大学的研究组将生物合成的微生物聚酯体系的遗传基因导入植物中，已成功地研制出可合成的聚酯。 来自植物的天然高分子（淀粉、纤维素等）。国内外开展这种淀粉合成生物降解塑料的研究非常热。美国的瓦那﹒兰巴特制药公司通过操作植物的遗传基因，部分控制淀粉大分子链的支化度，从而制造出以廉价的淀粉为原料的生物降解塑料。该公司一直在推进药用淀粉胶囊的应用研究并取得了成功。在此基础上他们还用淀粉和生物降解高分子的混合物开发出了热塑性生物降解塑料，并以“NOVON”为品牌进行了商品化。 化学合成高分子。利用化学合成的生物降解塑料，如聚己内酯（PCL），1975年以来就开始被使用了，只是使用得很有限，据说埋入土壤12个月后可降解95%。PCL和淀粉共混料、PCL和PHBV共混料、PCL和尼龙6共混料都研制出来了，以蛋白质、脲和多糖为基础的其他生物降解的聚酯也制造出来了，属于生物降解塑料。 （2）化学降解塑料 水溶性塑料包装薄膜作为一种新颖的绿色包装材料，在欧美、日本等国被广泛用于各种产品的包装，例如农药、化肥、颜料、染料、清洁剂、水处理剂、矿物添加剂、洗涤剂、混凝土添加剂、摄影用化学试剂及园艺护理的化学试剂等。它的主要特点是：降解彻底，降解的最终产物是CO2和H2O，可彻底解决包装废弃物的处理问题；使用安全方便，避免使用者直接接触被包装物，可用于对人体有害物品的包装；力学性能好，且可热封，热封强度较高；具有防伪功能，延长优质产品的寿命周期。 水溶性包装薄膜的主要原料是低醇解度的聚乙烯醇，利用聚乙烯醇成膜性、水溶性及降解性，添加各种助剂，如表面活性剂、增塑剂、防粘剂等。就降解机理而言，聚乙烯醇具有水和生物两种降解特性，首先溶于水形成胶液渗入土壤中，增加土壤的团粘化、透气性和保水性，特别适合于沙土改造。在土壤中的PVA可被土壤中分离的细菌——甲单细胞（Pseudomonas）的菌株分解。至少两种细菌组成的共生体系可降解聚乙烯醇：一种菌是聚乙烯醇的活性菌，另一种是产生PVA活性菌所需物质的菌。仲醇的氧化反应酶催化聚乙烯醇，然后水解酶切断被氧化的PVA主链，进一步降解，最终可降解为CO2和H2O。 水溶性薄膜有较好的包装特性及环保特性，因此已受到发达国家广泛重视，有非常好的应用前景。例如日本、美国、法国等已大批量生产销售此类产品，像美国的W．T．P公司和C．C．I．P公司，法国的GREENSOL公司以及日本的合成化学公司等，其用户也是一些著名的大公司，例如Bayet（拜耳）、Henkel（汉高）、Shell（壳牌）、Agr．Eva（艾格福）等大公司都已开始使用水溶性薄膜包装其产品。国内株洲工学院与广东肇庆方兴包装材料公司在中国包装总公司科技部的支持下，联合研制开发了水溶性薄膜及生产设备已通过省部级鉴定，目前已投入生产，其产品正在走向市场。 其它生态塑料包装的研究 a.开发轻量、薄膜型，优质塑料。为减少塑料包装废弃物总量，各国积极推行薄膜化，提高其质量。日本研制出超韧超薄性PET薄膜，其厚度为0.5微米，用于精密电子元件的包装。芬兰开发出一种OPA/PE复合薄膜，厚度减少了1/3，而其他性能不受影响。 b.开发可回收重复使用塑料。塑料包装材料如果能够重复使用，可以大大降低原材料的消耗以及对环境的污染。例如PET瓶的使用，PET瓶经粉碎后重新吹制成新瓶，在物理、化学、综合机械性能上几乎没有什么变化。聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）比PET的耐热性更好，可以承受低酸性食品要求的消毒条件，阻气性和防紫外线更好，可以代替玻璃瓶，可以重复使用，有很广的应用。 c.研制新型泡沫塑料。由于泡沫塑料饭盒及缓冲包装材料用料少，用量巨大，人们研究新型泡沫塑料。现在较为理想的有二氯甲烷发泡PS、PP、PET，用于食品和电子产品的包装。美国开发的高效无氟INSTAPACK聚氨酯发泡剂可以用很少的材料发泡，可以重复成型使用，容易处理。目前发展的高熔体强度聚丙烯（HMSPP），与聚丙烯均聚物可生产出发泡聚丙烯，可以比同性能的聚丙烯片材节省20%的原料，环境负载也降低了。 2.天然生物包装材料 利用天然生物资源开发包装材料具有环境负载低、资源丰富等特点。充分利用竹、木屑、麻类、棉织物、柳条、芦苇、农作物秸秆、稻草和麦秸甲壳素等原料，扩大包装品种，提高技术含量已成为包装生态化方向之一。 例如，用稻草加工成稻草板，具有节能、保温、隔热、隔音等功能，透气性好，冲击强度高，且防水和抗震性明显高于传统材料制品；另外，稻草板用作包装材料，其单位质量是同体积纸板材料的1/10，具有明显的优势；国内开发了以稻草为原料的聚苯乙烯泡末餐盒代替品；蒲叶经过热定性、漂白、杀菌可以制造一次性包装，受到国外进口商重视。 除了稻草外，国内还利用其它草浆为主要原料，开发出一次性餐具专用纸板。它采用提高草浆质量的化学助剂优化应用技术，保证草浆接近制造餐具纸板所需要的木浆的各项物理性能，表面又进行了适合于食品包装的加工处理，使成品具有抗热水、不渗漏、不分层、抗油及热封等功能。而且可以回收利用，生产书写纸。 天然甲壳素也是一种非常好的原料。每年全球生物合成的甲壳素高达数百亿吨，产量仅次于天然纤维素，是地球上第二大生物高分子资源。用甲壳素加工制备的包装材料，有良好的透气性能，吸水保湿性也好。由于原料来自天然，无毒、无味、耐热，能够满足食品、卫生、医药等行业对包装材料的卫生要求。该材料还具有较好的化学稳定性、耐光性、耐药品性、耐油脂性、耐有机溶液性、耐寒性等，其稳定性优于纸张。 3.可食性包装材料 该包装对人体无害，可食用并具有一定强度，主要用于食品和药品包装，采用淀粉、蛋白质、植物纤维、甲壳素和其他天然物质为原料。 玉米蛋白质包装膜：可以在自然条件下很容易地分解成有机物，适用于油脂较重，浸透性强的高含油脂食品包装以及快餐业、油炸薯类食品、月饼生产等食品企业。玉米蛋白质包装膜主要用于快餐盒和其他带油食品的包装内层。该膜是纸与玉米蛋白质合成的包装材料，不会被油脂渗透。该包装材料前景广阔。不少大公司都看好这种新的环保材料。可口可乐公司在盐湖城冬奥会上用了50万只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成的。这种杯子只需40天就在露天环境下消失得无影无踪。著名的日本电器制造商索尼公司两年来一直用玉米做成的塑料纸包装MD盘。新包装与过去的包装一样美观，却不会产生“经久耐用”的不良效果。化工产品生产巨头杜邦公司也加入到开发玉米塑料的队伍中来，该公司的研究还获得了美国能源部1900万美元的财政支持。 大豆蛋白质可食性包装膜：用途广泛，适用于各种即食性食品。主要采用大豆提取豆粕后的剩余物质进行生产，原料来源广阔。特别是北方盛产大豆的区域更是原材料丰富。由于是采用大豆制取豆粕后的剩余物，所以价格极其便宜。该包装膜既能阻氧气进入，又能保持水分，还能确保原味。这种可食性包装膜在食品生产工业里应用极广，绝大部分糖果、糕点均可采用，由于该包装具有保鲜功能，且原材料丰富，所以有极好的工业前景。 壳聚糖可食性包装膜：这种可食性包装，解决了食品包装废弃物与环保之间的矛盾，应用于糖果、果脯、保鲜蛋糕、月饼保鲜等方面。这种包装膜采用贝类提取物壳聚糖为主要原料，将壳聚糖与月桂酸结合在一起，生成均匀的可食薄膜，并且用该包装膜包装去皮的水果和水果片，也有很好的保鲜作用。这种包装材料所用的壳聚糖是贝类外壳经粉碎后的加工产品。由于来自天然，对环境无污染，食用后对人体有补充微量元素的功效，可谓是一种新型的环保食品包装。其不足之处是原料来源有限。 复合型可食包装膜：将不同配比的蛋白质、脂肪酸和淀粉合成在一起，生成不同物理性质的可食性薄膜。该产品可根据食品调整包装膜软、硬度，形成不同类型的内包装，在食品行业应具有巨大的市场。 4.新型纸包装 （1）纸包装薄膜研究。开发高性能纸包装薄膜来替代食品包装中常用的塑料薄膜非常有前景。比如经防潮处理的玻璃纸可以用于食品、化妆品的包装。德国弗朗霍凡尔应用聚合物研究所最近研制成功厚度仅几微米的高强度纸膜，具有抗撕裂、防潮、易于封口、可吹制成型、生物分解速度快等特点。 （2）蜂窝夹心纸板。是一种中间为自然蜂窝状纸芯，上下两侧由纸板粘合而成，具有轻、强、刚、稳四大优点，有非常好的缓冲性能和机械强度，适合包装贵重易损物品如玻璃仪器和精密仪器等。 三、生态包装开发的研究方向 生态包装材料不仅是对包装材料生产商在生产上的一场大革命，而且得到世界的广泛关注，所以生态包装的研究要从开发、设计、生产、使用、废弃等过程全程考虑。 纳米塑料具有优异的物理力学性能，高强度、耐热性、好的光泽和透明度、高阻隔性、优良的加工性能，属生态友好型材料，可以用于食品、各种化学原料、有毒物质的包装。 中国科学院化学研究所/分子科学中心工程塑料国家重点实验室成功研制了聚酰胺（PA6和PA66）、聚脂（PET和PBT）、聚乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂等一系列纳米塑料，并实现了部分纳米塑料的工业化生产。纳米复合材料在食品包装市场潜力巨大。如聚酰胺6纳米塑料（nc-PA6）制成的膜用切片，可以吹塑和挤出制备热缩肠衣膜、双向拉伸膜及复合膜，与普通PA6相比，具有更佳的阻隔性、力学性能和透明性。 一种利用纳米技术高效催化CO2合成的可降解塑料，已由中国科学研究院广州化学研究所研制成功。用CO2和环氧丙烷聚合而成的这种可降解塑料，可替代目前市场上广泛使用的快餐包装容器，既解决了CO2所导致的环境问题，又可避免塑料包装使用中产生的“白色污染”。 基因技术也是研究的方向之一，利用先进的基因人工定向设计拼接技术，可以让植物按照人们的设计要求长出各种形状、各种色彩的容器（甚至这些容器上还可按预先设计长出各种花纹和图案），比如各种奶、果汁、醋的外包装、各种一次性餐具的外包装可能就是从一种通过基因剪切再造玉米植株上直接长出来的，未来的药瓶可能是从一种通过基因改造技术创造的辣椒植株上直接采摘下来。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/2/2005)