可降解塑料在包装领域的应用与展望

杨杰 王克俭

（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心）

1. 可降解材料种类和特性

根据塑料被分解的方式和原理，可降解塑料包装材料可分为：生物降解塑料、光降解塑料、光-生物降解塑料和其他方式降解塑料。

1.1 生物可降解包装用塑料

生物降解塑料又分为玉米或马铃薯为主等淀粉改性或填充聚乙烯、聚丙烯等常用普通用料的破坏性生物降解塑料，和以淀粉、纤维素等天然高分子材料经生物发酵后具有完全降解性能的完全塑料[1]。生物降解主要依靠自然界中细菌真菌等微生物的分解作用，把可降解塑料在短时间内分解为不污染环境的甲烷、二氧化碳和水等，可以参与碳氮循环和促进生物新陈代谢。

在二十世纪九十年代，可降解塑料在国内外得到了迅速发展，渐渐地应用于各类包装。如，日本NBC 公司生产的以玉米为主的淀粉和以脂肪族聚酯为树脂原料制造出来的可降解塑料袋，在加了熟石灰后被分解为氯化钙和水，无污染又防臭，如图1。生物可降解塑料很早就被应用到了麦当劳等餐厅作为食物的包装，方便又无毒。当然，不仅用来包装食品，生物可降解塑料甚至被做成了一些药物的胶囊等用来包装颗粒药物。

图1 淀粉生物可降解塑料袋

1.2 光降解包装用塑料

光降解包装用塑料主要是在太阳光或紫外线照射下，相应的塑料包装产品被自动分解。塑料在吸收紫外线后键能减小，结构不稳定，导致高分子长链断裂形成各种小分子，小分子化学键继续被破坏为更小的分子，在空气中彻底氧化分解。光解塑料可分为共聚型和添加型两类。共聚型是由各类烯烃等聚合而成，在光照条件下结构不稳定而断裂分解。添加型是在原材料中添加对二甲苯等增加光敏感性的助剂，在一定紫外线强度下被彻底分解。

上世纪七十年代，国外就对光降解塑料进行了大量开发研究，现在光降解包装用塑料在国内外应用广泛，在许多室内餐厅、商场和存储室等大量采用，包装过各种食品。在废弃时不需要填埋和焚烧，在阳光或紫外线下就能分解，不会破坏土壤和污染环境，符合绿色、可持续发展道路。

1.3 光-生降解包装用塑料

在太阳光或紫外线强度不足时，光降解塑料不能被快速完全的降解，微生物量少时生物降解塑料不能被很好的降解。出于社会的需要，融合上述两种工艺性能的复合材料的光-生物降解塑料诞生了。这种塑料解决了紫外线强度不足问题，也解决了生物降解塑料生产制备工艺复杂的困难。塑料中添加了两种诱发剂，大大增加了分解效率。通过调整两种诱发剂的数量比例可得到不同分解程度和性能的光-生物可降解塑料，在诱导期内材料的力学性能可达到百分之八十以上，在一定时间后，其力学性能迅速降低，在氧化剂和细菌真菌等微生物共同作用下快速且准时被彻底分解。能够定时分解包装塑料材料也是光-生物降解包装用塑料的一大特点与优势。

光-生物降解塑料早在上世纪就已经被开发利用，相比于前两种包装用塑料更受人们青睐，通过试验发现可降解塑料被分解为小分子物质，最终再被分解为水和二氧化碳，在地上几乎不留痕迹[2]。国内外也都在投入大量资金更进一步研发，相信在不久的将来会应用更为广泛，性能更加先进突出，还会批量生产各种包装用塑料。

1.4 其他降解包装用塑料

除了上述三种可降解塑料包装用材料的降解方式外，还有一些其他降解材料，只是在包装领域还用得较少，比如水降解和各种降解树脂基结合等应用。

图2 医疗塑料废弃物

塑料在医疗方面可谓是用处甚多，之前的用后直接丢弃造成了很大的白色污染和资源浪费，如图2。可降解塑料的使用减缓了这方面的问题，如用于医药卫生用具的手套等，由于这种塑料本身具有亲水性，用后通过水就能降解掉[3]，便于销毁和消毒处理。再加上对垃圾进行了分类丢弃，完成医疗塑料器械的回收利用，大大节约了资源，如图3。而这种降解方式的塑料一定会越来越多的应用到包装领域，甚至也融合到光-生物降解中再多一种性能，更加增强了降解效果。

图3 医疗分类垃圾桶

2. 可降解塑料在包装领域应用优点

2.1 绿色环保污染小

中国是包装制造大国，塑料包装在整个包装产业总值中占百分之三十，还逐年递增。然而，传统的普通塑料袋废弃后采用填埋处理对土地有极大的危害，会改变土地的酸碱度，严重污染土壤，影响农作物吸收养分和水分，导致农业减产，影响土地的可持续利用；而焚烧所产生的有害烟尘和有毒气体，同样也会造成对大气环境造成污染.现阶段，可降解塑料在食品、日用品和快递等各个领域发挥着重大作用。在包装材料生产过程中很大程度上实现了轻量化、资源化和循环利用的要求，也符合国家提倡的“绿色”文明发展理念。虽然可降解塑料包装材料还不能完全的代替传统的普通塑料，但是很多类型的可降解塑料得到了取得了很大的进展，如聚乳酸（PLA）的不断深入研究后，被称为21 世纪最有发展前途的新型包装材料，在快递包装中起着十分重要的作用。随着可持续发展理念深入人心，甚至用可降解塑料发明了共享快递盒，大大减缓了过渡包装和包装污染等问题，促进了物流行业的发展。

2.2 可包装的产品多

随着科学技术的进步，很多行业都风生水起，同时也直接或间接的带动了包装行业的发展。国内外许多可降解塑料生产公司都在积极努力致力于包装材料领域的开拓，如天然淀粉与增塑剂以一定比例混合后共同挤出使淀粉分子结构无序化，生产出具有热塑性的淀粉，增强了其可加工的机械性能，这样热塑性淀粉就可在各种塑料机械中被机械加工。所以，可降解包装用塑料可随被包装产品的特点被制成各种各样用于的包装制品，如应用于容器高级洗发香波包装容器、食品包装、快递包装、药品包装和饮料瓶等等，如图4。我们可以根据被包装产品的特点从而设计出所需不同厚度、宽度、颜色和材质的可降解包装用塑料品。随着我们对可降解塑料生产工艺的不断完善，其各方面性能也将会不断增强，可将解塑料就会用来包装越来越多领域的产品，这也是未来包装用塑料的好前景。

图4 解包装用塑料的回收

3. 可降解塑料在包装领域应用存在的问题

3.1 技术水平问题

近几十年来，我国各方面科学技术取得了巨大成就，可降解塑料制成的包装材料在经过几十年的努力已经发展到一定先进水平，在快递、食品和衣物等都利用了各种各样的包装，可以说早已投入民用市场使用。但由于某些技术方面还不够先进促使可降解塑料在包装领域的应用受限。比如，我们在生产某些包装产品时会使用一些加工设备，如双螺杆挤出反应机等，设备结构的设计很大程度上也决定了成品最终的性能，在设备内部如果存在很大的死角很有可能导致如树脂材料等在机器内长期停留被加热，以致于氧化分解变黄，大大降低了产品的性能质量；在整个可降解塑料生产制备过程中会投入不同比例的化学制剂，不同的比例或质量化学制剂会影响包装材料成品的最终质量。与此同时，国内外对产品相关性能的评价方法和标准也存在一些差异。总的来说，从降解材料制备、加工装备、加工工艺技术等方面都存在一些不足之处，需要对这些方面进行改进，而对这些方面的完善却是一个复杂繁琐且多变的过程，需要人们进行大量的科学实验和探索，创新出更加先进的可降解包装用塑料材料。

3.2 成本问题

与传统的普通塑料相比，可降解塑料包装材料的从设计到生产的很多步骤都需要添加一些化学助剂增强可降解塑料遇水或遇光等外界条件时能快速完全的被分解。而这些化学助剂不仅品种少而且成本相对较贵，许多产品生产规模小，再加上工艺本身的复杂性和产品通用性差促使可降解包装用塑料的成本大大提高[4]，比如现在简单一个可降解塑料包装袋比传统的塑料包装袋贵了好几毛。虽然现在各国对可降解塑料的回收利用技术进行了大量的探讨与实验，也得到了很多方面的研究成果，这对可降解塑料包装材料的成本有所降低，也大大的节约了资源，促进循环应用。但受环保意识的影响和人们现实生活条件，还很难普遍接受这高成本的的消费品。这对可降解塑料在包装领域的普遍应用是受阻碍的。

3.3 性能问题

可降解包装用塑料在添加了一些化学物质后，一定条件下会发生降解促进碳氮循环。但这一优点也极大的影响了可降解塑料包装的性能。比如，很多可降解塑料被加工成塑料包装袋、快递盒等，其抗拉性能远远低于传统的普通塑料，很容易在承装东西较重或承装物品太热时更易变形，不能满足消费者的某些需求。如果可降解包装用塑料是由淀粉和普通聚合物共混制成的，这只能实现不完全降解，废弃包装用塑料中PE、PVC 成分还只能残留在土壤，时间长了会对土地资源造成破坏，所以在生物降解性能方面还有一些不足。

另一方面，可降解塑料包装材料的透明性相比传统塑料差很多，它的使用范围与场所因此受到了很大限制。再加上成本高的问题，很多消费者们往往关注的是实惠耐用。所以，这两个方面的影响也是可降解塑料难以普遍被人们接受的重要原因。现阶段，各国已经投入很多研究为改善这一问题，相信不久的将来会更进一步取得优异成果。

3.4 回收处理问题

当今社会对各种资源的循环回收处理十分重视，消费了大量的经历和资金进行试验和探索，形成可以对各种可降解塑料包装材料直接回收处理和添加一些化学物质等再处理利用两种方式，这两种方式也应用的比较多。现在的由可降解塑料生产的各种包装用塑料的成分多是由玉米为主的淀粉和各种树脂材料，由于所用的树脂材料不同，不同的树脂材料进行加工生产时对温度等因素需要不同的要求，以及对不同类型可降解包装塑料有不同的降解方式，所以人们在回收处理时需要对废弃物进行分类。但由于人们对各种可降解塑料包装产品的性能、种类等认识较少，再加上本身的环保意识也不太足，各种塑料垃圾（特别是不可降解塑料和不完全降解塑料）随意丢弃，积累成患，导致了在民用方面对废弃物的分类困难。有些可降解包装用塑料在回收后经过一定的处理可加工成别的制品，如果不能正确的区分不同树脂生产的可降解包装用塑料，可能会生产出性能更低、质量更差的产品，甚至加工不出来，造成了资源的浪费。根据相关统计，到2023 年全球包装市场每年将需要945 万吨以上的可降解塑料用于生产，而且以年均百分之三十三的速度增长，包装产业是一个消费能源巨大的行业，所以对可降解包装用塑料的回收利用十分重要。

4. 对未来可降解塑料包装材料的展望

走绿色可持续发展的道路是国家提倡的重要理念，可降解塑料在包装领域的应用正好符合这一政策收到人们的大量关注和使用。可降解塑料包装在保持原有的传统普通塑料包装基本性能基础上加了一些化学添加剂，虽然目前还存在很多问题，但长远来看，随着国内外政策的号召一定会推动可降解塑料在包装领域的研发和应用。根据国外有关报道，到2020 年生物可降解塑料在全球市场达100 多亿美元，其中很大的比例用于包装，这就很好的说明了这一点。

在未来的时间里我们还需要投入大量的时间和资金进行科学研发，改善最终可降解塑料包装品的各种性能，以便于大量投入民用市场。

我们可从几个方面对包装材料进行改进：

1）可以提高可降解塑料在回收利用后的降解效果，可以从添加的化学助剂的量和比例等入手增强各种降解方式的降解时间和速度的可控性；

2）研发新的树脂基材料或改进原来的聚丙烯等高聚物的性能，与各种化学添加剂更好的融合反应，也尽可能的开发运用天然高分子材料[5]；

3）结合现有的基因技术和手段，对微生物的分解机理进行研究，培养更多种类与数量的塑料降解微生物，并不断提高微生物的分解能力，促进可降解塑料性能发展；

4）在政府的引导下，建立可降解塑料包装的统一标准和评价，对市场进行宏观指导，积极出台政策扶持推进可降解塑料在包装领域的应用。同时加大宣传力度，积极引导和鼓励全国人民了解和使用可降解包装用塑料；

5）通过不断的创新与发展，降低从最初生产到最终产品成型的成本，更好的促进可降解包装用塑料行业的发展。

5. 结束语

可降解塑料在包装领域的应用是食品包装工业发展的一大趋势，也有利于我国生态文明建设，符合绿色发展理念，促进包装工业的快速发展。虽然可降解塑料在包装领域应用还存在很多缺陷，不能完全的取代传统普通塑料所有的性能，但我们已经取得了一定的研究成果，在很多方面已投入使用。

对未来的可降解包装用塑料有美好的憧憬与向往，还会继续进行更深层次的科学研发，对可降解塑料整体系统改进、完善生产工艺、创新生产设备和降低经济成本等以提高生产效率。我们深深地相信在不久的将来可降解塑料在包装领域一定会取得更大的进展，也会普遍被应用，备受人们青睐。