王刚（山东金麦材料科技股份有限公司，山东烟台，264670）

摘要：本文系统综述了生物质基可降解阻隔包装材料的研究现状与发展方向，分析了包括聚乳酸基、淀粉基、纤维素基及纸基等材料体系的优势及面临的关键挑战（如阻隔性能和机械强度不足、成本高等）；深入探讨了用于提升材料阻隔性能的改性技术的优缺点及适用性，如共混改性（如淀粉/聚乳酸）、纳米复合增强（利用“迷宫效应”）、本体疏水改性（化学修饰）和涂布改性（如纸基材料的多功能涂层）等；展望了开发高相容性生物质基阻隔剂、优化结构、改善纳米分散等技术的发展前景，旨在为生物质基可降解阻隔包装材料的科技创新与产业升级提供参考。

关键词：生物质基材料；可降解；阻隔性能；纸基材料

  随着全球经济的快速发展和人口规模的持续增长，塑料制品已成为现代社会不可或缺的基础材料。然而，传统石油基塑料的不可降解性导致了严重的环境危机，每年会有约800万t塑料垃圾进入海洋［1］，其中微塑料已渗透至极地冰川和人体血液，对生态系统和人类健康构成直接威胁［2］。在此背景下，生物质基可降解包装材料作为一种兼顾功能性、环保性和可持续性的新型材料，成为全球学术界和产业界的研究热点［3］。

  生物质基可降解包装材料［4-8］是以天然生物质资源（如淀粉、纤维素［9］、木质素［10］、甲壳素等）或生物基单体（如乳酸、丁二酸）为原料，通过化学合成或生物发酵工艺制备的高分子材料。与传统石油基塑料相比，生物质基可降解包装材料的核心优势体现在以下3方面。①“碳中和”技术路径：生物质基可降解包装材料的原料，其碳源来自植物光合作用固定的CO2，降解后会重新释放CO2，形成闭合碳循环，显著降低全生命周期碳排放量。②环境友好性：在特定温、湿度或微生物条件下，生物质基可降解包装材料可通过水解、酶解等过程，完全降解为H2O、CO2和碳基化合物，避免微塑料残留。③资源可持续性：生物质基可降解包装材料的原料可取自农业废弃物（如秸秆、甘蔗渣）或非粮作物，以减少对化石能源和粮食作物的依赖。目前，常见生物质基可降解包装材料包括聚乳酸（PLA）基［11］、淀粉基［12-13］、纤维素基［14-15］及纸基［16-18］等体系，已初步应用于食品包装、快递袋、农用地膜等领域。然而，生物质基可降解包装材料的大规模推广仍面临成本、性能与降解条件等方面的多重制约。

  本文通过系统梳理国内外生物质基可降解包装材料，包括PLA基、淀粉基、纤维素基及纸基等材料体系的研究进展，分析其技术瓶颈与产业化挑战，并展望未来发展方向，以期为我国绿色包装材料的科技创新与产业升级提供理论参考。

1.生物质基可降解阻隔包装材料研究现状

1.1 PLA基包装材料

  PLA由乳酸单体通过酯键连接聚合形成，通常是利用常见农作物如玉米、木薯、甘蔗中富含的淀粉糖化发酵制取［19］，具有可生物降解、可回收和可堆肥等特点。PLA的独特化学结构不仅可以促进其生物降解，还使其自身具有高透明度、良好机械强度和较低熔点等优异的理化性能，以及与醋酸纤维素（CA）相似的疏水特性。然而，已有研究表明，PLA膜材料的阻隔性能较差，氧气透过量为480cm3/(m2·24h·0.1MPa)，水蒸气透过量为130g/(m2·24h)，均达不到高阻隔的要求［11］，影响了其进一步发展。目前，PLA膜材料的改性技术方向主要是通过与其他聚合物共混，或利用纳米复合技术和多功能填料加填技术，提升其柔韧性和阻隔性能。改性后的PLA膜材料在绿色包装、柔性电子设备、生物相容性设备和医疗植入物等领域的应用中占据重要地位。

  Côcco等［20］使用PLA和羧甲基纤维素珠（carboxy_methylcellulosebead，CMCB）制备了基于PLA/CMCB膜的活性包装，以延长蔬果的保质期。结果表明，PLA/CMCB膜表现出优异的储水吸收功能和传输水蒸气能力，加强了活性包装的水分控制。这种机制有效地降低了包装内的温度，保持了包装内的水分，减缓了水果的呼吸作用，并最终延迟蔬果成熟，在跃变型水果应用领域极具优势。

  部分学者提出与具有阻隔性能的生物基聚合物混合来提高PLA膜材料阻隔性能的方案。Huo等［21］将氮唑烷酮（2-氧杂唑烷酮）改性的含木质素纳米纤维素（LCNF）与PLA膜共混，制得PLA/LCNF复合膜，并将PLA/LCNF复合体系作为涂料用于改善纸张阻隔性能。结果表明，LCNF在PLA膜中展现出优异的分散稳定性和良好的界面相容性，PLA/LCNF复合膜的拉伸强度较PLA膜提高了31.60%（图1(a)）。当PLA/LCNF复合体系作为纸张涂料时，涂布纸的水接触角显著大于原纸，表现出优异的疏水性和耐水稳定性（在水中的溶胀软化程度）；同时，与原纸相比，涂布纸的抗张指数提高了24.5%，撕裂指数提高了9.2%，耐折度和耐破指数均有提高（图1(c)），水蒸气和氧气的阻隔率分别提高了96.8%和98.7%（图1(d)）。

  部分学者采用挤出或涂布工艺，改变PLA材料的物理结构和结晶度，以赋予其高阻隔性能。Souza等［19］利用多层共挤出技术，成功制备了具有16、32和64层交替结构的PLA膜/泡沫材料。结果表明，退火处理显著提高了PLA膜/泡沫材料的结晶度和氧气阻隔性能，最佳工艺条件为温度120℃、退火时间30min。在此条件下，PLA膜/泡沫体积比1:1的32层样品，其结晶度可从约2%（未处理样品）提升至约35%，氧气透过率（OTR）大幅降低至约1.0cm3/(m2·d)，阻隔性能比未处理样品提升了约35倍。这是因为材料结晶度的增加，使得气体渗透依赖的无定形区比例减小，且扩散路径的曲折度增加，因而氧气阻隔性能提升。

  通过共混增韧、纳米增强、阻隔优化等改性技术，PLA膜材料已经突破了阻隔性能差、柔韧性不足、成本高的瓶颈，在包装、农业、医疗等领域实现了规模化应用，商业化进程不断加速，但需进一步平衡性能与成本。在保证可降解性的基础上，PLA有望成为塑料产业绿色转型的核心材料。

1.2 淀粉基包装材料

  淀粉是由葡萄糖单元通过糖苷键连接形成的天然多糖，其分子链富含羟基，具有良好的成膜性、可降解性和强亲水性。前期研究表明，淀粉膜材料具有环保性、生物相容性与安全性高且原料成本低的优势，但其抗拉强度仅1.95~2.93MPa，断裂伸长率<10%，阻隔性能与耐水性能差，其水蒸气透过率（WVP）高达0.56~0.75g·mm/(m2·h·kPa)［22］，对油脂和氧气的阻隔性能也较弱。目前，研究人员主要通过化学改性、物理共混与复合、纳米增强等技术，提高淀粉膜的阻隔性能与力学性能。

  Yao等［23］以2种改良木薯（Yavo和TMS）淀粉为基材，添加不同比例（0%、7%、15%、30%）的微晶纤维素（MCC）制备可食用膜，并考察了其物理性能，结果如表1所示。结果表明，2种木薯淀粉与MCC复合后，均表现出良好的成膜潜力，且膜颜色偏黄。MCC显著提高了淀粉膜的抗拉强度、杨氏模量和不透明度，同时降低了含水量、溶解度、断裂伸长率与WVP，使其更适用于食品包装领域。Godoy等［24］以鳄梨籽淀粉（ASS）为原料，通过化学改性引入叔丁基乙酰乙酸酯（t-BAA），制备了改性淀粉（m-St），并将其嵌入PLA基质中，从而开发了一种环保、防紫外线和高阻隔性能的PLA/改性淀粉生物复合材料PLA/m-St，用于活性食品包装材料。结果表明，当改性淀粉与PLA以质量比1:6复合且添加量为20%时，制得PLA/m-St的断裂伸长率从纯PLA的3.35%显著提升至27.80%，提升了约730%；紫外线B波段阻隔率从16.21%提高至83.86%；同时WVP和氧气透过率分别从61.9g/(m2·d)和1331cm3/(m2·d)降低至28g/(m2·d)和32.9cm3/(m2·d)，分别降低了97.5%和54.8%，阻隔性能大幅提升。

  近年来，通过化学改性和共混技术，显著提升了淀粉基包装材料的阻隔性能和机械强度，使其兼具高疏水性、低氧气透过率及良好的可降解性。然而，淀粉基包装材料的发展仍面临挑战：①长期耐久性验证不足；②规模化生产存在工艺复杂性；③材料抗湿性和机械性能的平衡仍需优化，且成本竞争力较弱。未来需要开发绿色高效改性剂、多尺度复合增强技术，推动功能化与智能化，并通过工艺创新降低成本，加速其在食品、医药等高端包装领域的应用，助力实现塑料替代与可持续发展目标。

1.3 纤维素基包装材料

  从化学结构来看，纤维素分子是由脱水葡萄糖环单元连接而成的直链多糖，这种特殊的分子构型赋予了纤维素独特的理化特性。每个葡萄糖单元上含有3个自由羟基，这些羟基不仅形成了分子内和分子间的氢键网络，也为化学改性提供了活性位点，使得纤维素能够通过各种理化方法实现功能化。前期研究表明，用于包装的纤维素膜的WVP仅162~218g/(m2·24h)［11］，无法达到阻隔的目的，必须通过结构致密化或复合改性等手段来提高其阻隔性能。

  Wang等［25］在纤维素网络内部嵌入阴离子聚丙烯酰胺（APAM）作为“内宿主”，通过内部静电作用与外部涂布阳离子壳聚糖（CS）和花青素（Anth）复合物，制备了纤维素基智能标签材料。结果表明，该智能标签利用多重氢键和静电相互作用形成致密网络结构，在保证阻隔性能基础上显著提升机械性能，湿强度从原始纤维素的0.185MPa提高至12.795MPa（图2）。Wang［26］开发了一种珍珠层状结构的羧甲基纤维素双层膜，通过层间浇铸法将上层（壳聚糖/蒙脱土/茶多酚）的仿珍珠层与下层（羧甲基纤维素/海藻酸钠/纳米羟基磷灰石/茶多酚）的致密层结合，显著提升了膜的机械性能、紫外线阻挡率及抗氧化活性，同时降低了氧气渗透率（1.841×10-3g/(m2·s)）和水溶性（6.26%）。Li等［27］通过熔融分散法制备4种植物基生物蜡，结合颜料后涂布于纸板，形成生物蜡水性涂层，研究其作为纤维素基材料阻隔涂层的可行性。结果表明，生物蜡水性涂层的可折叠性得到显著改善，WVP和油脂阻隔性能与传统涂层相近，部分样品Cobb值降低至14g/m2（1800s）。

近年来，通过引入纳米纤维素、生物蜡、多层复合结构及化学改性的方法，纤维素基包装材料的机械强度、阻隔性和功能特性得到显著提升。然而，纳米材料易聚集导致纤维素基包装材料的性能波动，且纳米材料添加量较大时可能破坏其结构均一性；化学改性纤维素基包装材料的长期稳定性及可降解性尚未平衡；纤维素基包装材料的生产工艺复杂且成本较高，其规模化生产受限；此外，极端湿度或温度下，纤维素基包装材料的性能衰减仍需考察。因此，未来可以在优化多尺度结构设计、开发高效绿色改性技术、探索低成本生物基添加剂等方向，进行纤维素基包装材料的进一步研究。

图1不同LCNF含量的LCNF/PLA复合膜和涂布纸的理化性质[21]

表1木薯淀粉膜的含水量、溶解度、WVP、拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量[23]

1.4 纸基包装材料

  作为特殊的纤维素基包装材料，纸基包装材料因其高可降解性（自然降解率达97%）的特点成为环保包装的重要选择，但其多孔性网络结构和无定形区游离羟基的存在，导致纸基包装材料的阻隔性能不足，尤其是对水蒸气的阻隔。水蒸气通过孔隙气相扩散和纤维表面液态吸附-扩散的双重路径，渗透至纸基包装材料的内部，制约了其在潮湿环境中的应用。

  部分学者针对纸基包装材料本体进行改性，从纤维素源头增强疏水性以提升其阻隔性能。Wu等［28］通过紫外光固化聚氟树脂原位改性多孔纤维素纸，赋予其超疏水性能，以提升由其制备的食品包装材料的阻隔性能。结果表明，随着聚氟树脂含量的增加，纤维素纸的表面接触角从70°（疏水）提升至135°（超疏水），同时保持了50%以上的透光率和较高的热稳定性（分解温度约330℃)。该工艺绿色简便，兼具环境友好性与多功能性，且未显著破坏纤维素原有特性；但聚氟树脂含量过高会导致纤维素纸的热稳定性下降，透光率降低，且氟化物的潜在环境影响需进一步评估。

  图2基于“内外协同作用”策略的智能标签设计理念及应用场景[25]

  相比于纸基包装材料的本体疏水改性，涂布和浸渍改性的研究更广泛。Kirubanandan［29］通过喷涂技术快速制备了自支撑纳米纤维素涂料，并用于纸基材料的涂布改性，旨在提升纸基材料的机械强度与阻隔性能。结果表明，喷涂工艺可在1min内形成均匀的纳米纤维素涂层，其环保可降解，可通过填充表面孔隙形成致密屏障，显著降低纸基材料的空气透过率。Du等［30］通过复合纤维素纳米晶体（CNC）和硅烷改性再生纤维素，制备了用于提升纤维素基包装材料的阻隔性能和机械性能的涂料。结果表明，涂布后纤维素基包装材料的疏水性能显著增强，WVP降低81%，氧气透过率减少数十倍，同时干、湿拉伸强度、耐破指数和内部结合强度分别提升74.4%、17.8倍、32.5%和94.3%。Liu等［31］开发了一种基于CS、乙基纤维素（EC）及青胡桃壳生物精炼产物（GWHE和CNC）的双层涂布纸基材料，其阻隔性能与功能性能均得到改善，适用于食品包装。结果表明，通过底层CS/CNC防油涂料涂布和顶层EC/GWHE防水涂料涂布，纸基材料机械强度、阻隔性能均得到显著提升（图3），同时具备抗氧化和抗菌能力，并保持良好的可生物降解性。Zhang等［32］开发了一种基于聚乙烯醇（PVA）与膨润土（BT）配位相互作用的新型纤维素纸基包装材料，该方法通过浸渍和热处理在甘蔗纸上形成“砖-砂浆”结构，显著提升了纸基材料的机械强度、防水性和阻隔性能。

图3不同纸张样品的理化性质[31]

  近年来，纸基包装材料的研究取得显著进展，研究人员在保证纸基包装材料兼具抗菌/抗氧化功能、保持可降解性的同时，主要通过本体疏水改性、生物质基涂料涂布等手段提升其阻隔性能。然而，生物质基涂料的制备工艺复杂，导致成本高、规模化生产困难，且生物质基材料的湿敏性和热稳定性不足等问题依然存在，这些因素制约了纸基包装材料的发展。

  相关企业在纸基包装材料的产业化生产上做出了许多努力。黄立朋等［33］开发了一种具有多层结构的高阻隔纸基材料包装袋，其从内到外依次为热封层、原纸层、底涂层、蒸镀层和面涂层（图4）。通过涂布与蒸镀技术，显著提升了材料的阻隔性能，用其替代传统纸铝塑复合材料，在实现水蒸气与氧气高阻隔性的同时，做到了可回收及可降解。

1—热封层；2—原纸层；3—底涂层；4—蒸镀层；5—面涂层

图4包装袋袋体的材料结构示意图[33]

2.生物质基可降解阻隔包装材料改性方法

2.1 共混改性

  共混改性可通过物理混合将2种或多种聚合物/添加剂在熔融或溶液状态下均匀分散，形成具有特定微观结构的多相体系，从而综合各组分的优势性能，实现生物质基可降解阻隔包装材料的性能提升。共混工艺简单成熟、成本较低、适合规模化生产，通过添加高阻隔聚合物或天然阻隔剂（如淀粉/MCC物理共混），可显著提升生物质基可降解阻隔包装材料对水蒸气、氧气的阻隔性能。此外，共混改性可灵活设计配方（如PLA/淀粉共混添加疏水剂），同步改善生物质基可降解阻隔包装材料的力学强度与可降解性。然而，部分生物质基材料存在相容性差的问题，如疏水性PLA与亲水性淀粉/纤维极性差异大，易导致界面缺陷，需额外添加增容剂，导致成本上涨与工艺复杂度提升。

2.2 纳米复合增强改性

  纳米复合增强改性的原理是将纳米填料（如蒙脱土、石墨烯、纳米纤维素）均匀分散于生物质基材（PLA、淀粉基等）中（图5），利用其高比表面积与片层结构形成“迷宫效应”，迫使气体/水蒸气分子绕行曲折路径；同时，纳米片层与聚合物链的强界面作用可限制链段运动，降低渗透系数［21］。纳米填料可以高效阻隔，通常添加量1%~5%即可显著降低氧气/水蒸气透过率（最高达90%），并提升生物质基可降解阻隔包装材料的力学性能、耐湿性能和使用寿命。但是，纳米填料易团聚，需对其开展表面改性或增加高剪切工艺预处理，这将增加成本与难度。

2.3本体疏水改性

  疏水改性是通过对生物质基材料（如淀粉、纤维素）的分子结构进行化学修饰，引入疏水基团，降低材料表面能及亲水性基团密度，从而减少水分子吸附与扩散的方法。疏水改性法可从分子层面降低材料亲水性，直接削弱水蒸气的渗透驱动力，而改性后的生物质基材料保持着单一相态，避免了共混法带来的界面缺陷问题，且性能不易受湿热环境影响，在保留可生物降解性的同时，提升力学强度。然而，疏水改性也存在弊端：①工艺复杂，涉及溶剂使用及后处理，成本高且难以连续化生产；②过度修饰可能抑制材料的可生物降解性，或导致材料脆化；③部分试剂具有毒性，残留化学物质可能会限制其在食品包装领域的应用，且废水处理负担重。

2.4 涂布改性

  涂布改性工艺（图6）具有简单、高效精准的特点，其不仅可以增加材料的耐水性、耐油性，还具备抗菌、抗氧化等附加功能，且不影响基材本体性能（力学和降解性能）。

  然而，当涂层与基材间的结合力弱时，易发生剥离现象，需进行表面预处理，这将增加制备成本。

  涂层机械磨损或溶胀后，阻隔性能衰减，长期使用稳定性不足，且部分污染性高的涂料不易处理，这些因素制约了其发展。

图5LCNF/PLA膜的制备示意图和SEM图[21]

图6纤维素-CNC-HDTMS（MTMS）间形成的氢键示意图及CNC增强/硅烷改性再生纤维素涂布复合材料的制备流程[30]

3.结语

  近年来，全球生物质基可降解材料的研究呈现爆发式增长，其中聚乳酸（PLA）基、淀粉基、纤维素基及纸基材料，是阻隔包装材料未来发展的主要方向。本文系统梳理了生物质基可降解材料的研发进展，揭示了其在碳循环闭合、全生命周期低碳排放和可降解性方面的核心优势。当前研究已实现了部分技术突破，如PLA的纳米复合增强、淀粉基材料的疏水功能化、纤维素基的多尺度结构优化，以及纸基涂层技术的创新，但生物质基可降解阻隔包装材料的性能与高端包装需求间仍存在鸿沟，尤其是阻隔性能、机械强度和成本竞争力不足等问题，制约了产业化进程。目前，友好的环境支持、消费者的喜爱和政府政策维护带来的机遇，标志着包装行业正进入了一个变革时代，尤其是纸基材料，其作为环境友好的可降解材料，将在包装行业更具市场竞争力。

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