随着国家“限塑令”的升级，可降解材料已逐渐走进了大众市场。但市场上的可降解塑料良莠不齐，部分可降解塑料袋“伪”环保。此外，受技术水平等限制，当前可降解塑料袋生产成本较高，价格上缺乏竞争力。在此背景下，生物质基全降解包装材料的开发尤其重要，目前投入应用的主要有淀粉基全降解材料、植物纤维模塑成形（制浆模塑）及发泡材料和纳米纤维素基功能及包装材料。
可降解包装材料的政策导向与市场需求
1.当前存在问题
据统计，2019年全球包装市场规模达到了9000亿美元，其中塑料包装占比最大（大于37%）。由于塑料被大量用于一次性包装制品的生产，目前全世界塑料废物年产生量约为3亿吨，且这个趋势在不断加快。但塑料包装的回收利用率很低（9%以下），大量的塑料废物进入土壤和海洋，最终形成白色污染。在我国，近年来物流和快递业高速发展，2019年我国快递业每年消耗的纸类废弃物超过900万吨、塑料废弃物约180万吨，并呈快速增长趋势。按目前的增长趋势，到2025年，我国的电子商务和物流行业所产生的快递包装垃圾将翻两番，达4127万吨。
对此，国家和地方也出台了一系列强制措施，2020年1月19日，国家发改委、生态环境部出台《进一步加强塑料污染治理的意见》，综合考虑各地区、各领域实际情况下，分时间、地域、步骤有序推进限制或禁止部分塑料制品的生产、销售和使用。2020年8月，市场监管总局等八部门联合印发了《关于加强快递绿色包装标准化工作的指导意见》，明确要求应系统考虑快递包装全生命周期对资源环境造成的影响，推进快递包装源头治理；要紧扣快递包装治理“绿色化、减量化、可循环”的要求，加速推进可降解、高性能快递包装材料的自主研发进程；同时制定相关技术标准，以标准助力快递包装“绿色革命”。
目前来看，虽然可降解塑料袋被推广使用，但也是杯水车薪，无法从根本上解决问题。而且市场上的可降解塑料良莠不齐，部分可降解塑料袋属于“伪”环保，由聚乙烯添加碳酸钙填料或部分可将降解淀粉等制成，其分解后留下的塑料粉尘颗粒进入环境并不环保。此外，目前可降解塑料袋由于受到技术水平的限制，生产成本较高，价格上缺乏竞争力。即便目前可以推广可降解塑料袋，但公众对可降解塑料的认识有限，难以将可降解塑料袋和普通塑料袋分开投放，仍是无济于事。困局之下，我们将何去何从？
2.生物降解材料
在这种情况下，全生物降解材料开始走进大众视野。生物降解材料是指在适当条件和可表明期限（一般3~6个月）的自然环境条件下，能够被微生物（如细菌、真菌和藻类等）完全分解成二氧化碳和水，不留任何残留物，不会造成土壤污染。且这种材料不依赖石油为原材料，其原料来源于植物纤维、植物淀粉、PLA、PBAT、PBS，以及食品级助剂，从生物质中提炼，安全、健康、且环境友好。目前将生物降解材料分为两类，第一类：既是生物基，又生物可降解，如淀粉、植物纤维、PLA、PHA等；第二类：属于石油基（或CO2基）但可以完全生物降解，如PBAT、PBS、PCL、PPCP等。而目前情况下，能够实现工业化生产的生物降解材料有淀粉或植物纤维基生物降解材料、聚乳酸PLA/PBAT/PBS/PCL共混的改性生物降解材料两大类。此外，纸制包装废弃物容易处理，是环境友好型材质。在消费过程中，纸制包装易于腐化，如纸质餐具只要数月就可为环境消纳。
3.市场前景
目前市场上，无论是快递物流，还是日常生活，塑料及其一次性制品，都拥有着巨大的使用量，这同样也说明作为塑料替代品的生物降解材料市场极其广泛。目前，全球生物塑料总产量超过200万吨，其中生物基全降解材料占比超过40%。欧洲生物降解塑料协会数据显示，生物降解垃圾袋、购物袋市场需求高速增长，年产值达120亿元。在我国，快递物流、食品餐饮等方面对可降解塑料的需求巨大。此外，一次性生物降解医疗用品也有着极大的市场，例如一次性牙医垫、手术垫、手术帽、医疗垃圾袋、医药包装托等，均可采用生物降解材料进行替代。
因前期禁塑令推广受限，我国目前可降解塑料市场渗透率较低。新的禁塑令发布后，预计仅外卖、快递、农膜三个领域未来可降解塑料需求即可达到154.53万吨，对应的市场金额为270亿元。此外，生物降解垃圾袋、购物袋市场需求很大，年产值可达120亿元；生物基全降解充气袋产品需求增长很快，市场需求总值将达373亿元；生物基降解餐盒市场需求量巨大，年需求约有1000亿元的市场规模。
生物质基全降解包装材料的开发与应用
生物降解材料包括天然可生物降解材料（纤维素、淀粉、甲壳素、海藻酸盐等）和合成可降解材料。合成可降解材料又分为生物基合成可降解材料和石油基合成可降解材料。在生物基合成可降解材料中，脂肪族聚酯是目前应用最广泛的聚合物材料，包括PLA、PHA等。
1.淀粉基全降解材料及其在包装中的应用
淀粉是地球上产量仅次于纤维素的天然高分子，来源丰富、可再生、价格低廉，通过改性塑化可用于生产淀粉基塑料。单一淀粉成分的薄膜存在质脆、力学性能差、易吸水等问题，使纯淀粉膜的应用范围窄，应用价值不高。针对淀粉基材料存在的缺陷，可从淀粉的微观结构、加工过程中的相变及淀粉改性等理论出发进行改善。大多数天然淀粉呈现半结晶结构，由有序的结晶区和无须的无定形区构成，结晶度约20%~45%。由于淀粉的微观结构十分复杂，其相变过程比传统塑料复杂得多，包括溶胀、糊化、熔化、重结晶和分解等，其中糊化是淀粉转化为热塑性塑料的基础。
将淀粉进行改性处理改善其热塑成膜性能，或者将淀粉与其他成膜材料、增强剂材料共混制备生物降解塑料，包括将淀粉和合成高分子聚合物（如聚乙烯醇、PLA等）、天然高分子聚合物（如植物纤维、细菌纤维素、壳聚糖等）、其他添加材料（如粘土、石墨烯、滑石粉等）以及增塑剂共混复合，获得淀粉基复合降解塑料，这些塑料均能实现完全生物降解。从这些技术出发，目前已开发成功多款产品，包括淀粉基紫外屏蔽包装膜、淀粉基胶囊壳包装膜和淀粉基食品内包装膜等。
2.植物纤维模塑成形（制浆模塑）及发泡材料
纸浆模塑制品是采用植物纤维浆（木、竹、苇、蔗、草浆等）或废弃纸品再生浆作基料，通过专业的工艺和助剂，在定型和专用成型模上真空吸附成型的一类立体纸浆产品。
以植物纤维为原料，在模塑机上由特殊的模具塑造出一定形状的纸制品。纸浆模塑具有来源丰富、可回收再用、容易降解、缓冲防震性能好、易于成型等优势，可根据需求调整工艺，生产出结构紧密、尺寸精准、表面平整、外观美观的包装制品。纸浆模塑的成型过程为：天然纤维→碎料打浆→浆内施胶→立体成型→干燥整形→成品。
纸浆模塑制品可广泛适用在食品包装、电子产品、电器、工艺品玩具、五金和工业周转等领域，例如作为工业产品包装的缓冲材料、托盘类制品（如禽蛋缓冲包装托盘、香锅类缓冲包装托盘、新鲜食品包装托盘），还有农用纸浆模塑制品、特种纸浆模塑制品、一次性快餐具、一次性医用产品等。
此外，植物纤维也可制作发泡材料，其制作过程与纸浆模塑原理类似。其原料均以植物纤维为主，区别在于发泡的目的在于使得纤维成网状结构，获得更大的缓冲能力，通常有一步成型和两步成型工艺。以两步法为例：将植物纤维粉碎，并与淀粉、聚乙烯醇等助剂按比例均匀混合，注入到螺旋挤压机中；在挤压过程中，混合物料体系在水分子蒸发压力下发泡；再以形成的颗粒型发泡纸浆作原料倒入到专用的模具中进行模压成型，并根据需要制作成相应形状的包装制品。
3.纳米纤维素基功能及包装材料
纳米纤维素是指至少有一维空间尺寸为纳米尺度的纤维素材料，一般从木材、非木材、海洋生物等富含纤维素的材料中提取得到，来源广泛、储量丰富。根据制备方法及其外观形态，通常将纳米纤维素分为纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤丝（CNF），还有一种通过微生物发酵制备的多孔网络状纳米纤维素，称为细菌纳米纤维素（BNC）。纳米纤维素因可再生性、强度高、比表面积大、热膨胀系数低、生物可降解和优良的力学性能被广泛研究和适用到各个领域。
（1）纳米纤维素材料在光电领域的运用
在柔性导电材料方面，纳米纤维素可以与导电高分子材料、导电碳材料、金属材料等进行复合，制备柔性导电材料。纳米纤维素具有高力学强度、易于加工成型等特点，可以弥补普通导电高分子材料机械性能差的缺陷。纳米纤维素具有的高分散特点，可以减少导电碳材料和纳米金属材料易于团聚导致的电导率和强度较低的问题。根据上述技术已开发了多款产品，包括透明导电弹性体、可降解的高透明导电纳米纸、按需制备的电致发光器件和纳米纸基+有机导电材料等。
在储能及电池材料方面，CNF具有高长径比和纤维网络缠绕结构，容易形成气凝胶，为离子纤维扩散提供高效路径，并为静电吸附提供大量的活性位点。CNF经过碳化后具有高导电性、高比表面积和低密度的特点，有利于开发用于柔性和高强度储能装置的电极材料。纳米纤维素具有较好的热稳定性，初始分解温度可达270℃；同时纳米纤维素具有较好的亲水性，可以很好浸入到电解液中，而保留较高的孔隙率。因此，将纳米纤维素与其他材料进行复合制备锂电池隔膜具有广阔的应用前景。
在结构色方面，CNC具有纺锤状纳米材料的独特性质，例如高强度、高比表面积，以及优良的热稳定性、光透过性、生物降解性、生物相容性和自组装能力。通过叠层的方式改变薄膜厚度进而调节体系颜色，可应用在图案化CNCs复合膜，节能显示屏。
（２）纳米纤维素材料在生物医学领域的运用
在抗菌材料方面，纳米尺寸的纤维素由于具有较大的比表面积，更易吸附到细菌表面从而大幅增加其抗菌性能。纳米纤维素表面含有丰富的羟基，分子间存在大量的氢键，使其可以形成较为稳定的空间网络结构。受纳米尺寸效应的影响，纳米纤维素可以很容易地吸附纳米尺寸的金或银等抗菌材料而不使其团聚，有效地增加抗菌面积。其表面带有负电荷和稳定的网状结构具有缓释作用，从而起到长期抗菌的作用。
在药物缓释方面，通过改性纳米纤维素可以制备得到具有水润胀性、pH响应性、温度响应性、酸碱响应性等环境响应性的载体。该载体包覆着药物进入人体后，受到人体内环境的影响，例如被水润胀、不同的pH或者在特定温度等条件会被逐渐降解，使药物可以慢慢释放出来，从而起到药物的靶向定向和缓释作用。
在创伤修复方面，细菌纤维素包覆的伤口更容易愈合。而且细菌纤维素可以吸附大量水分，能够明显减弱病人伤口的疼痛感。市场上已有如XCell、Bioprocess、Biofill等使用细菌纤维素制备的专用于包覆伤口的医用材料。
在组织工程支架方面，基于细菌纤维素良好的生物相容性，人体组织工程支架课可以基于细菌纤维素与其他材料复合得到多孔性的材料来制备。
（３）纳米纤维素材料在包装领域的运用
脂肪族聚酯是目前应用最广泛的生物降解聚合物材料，包括PLA、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等。与传统石油基聚合物相比，可生物降解聚合物在机械性能、阻隔性能或热稳定性能等方面有待进步改善，这也成为阻碍其应用的最大挑战之一。引入结构优异、理化性能良好的天然填料，是改善生物降解聚合物性能并保持其可生物降解性的一种有效途径。纳米纤维素被认为是最具吸引力和发展前景的增强材料。纳米纤维素具有高比表面积、高反应活性、高强度、低密度、可生物降解和可再生等特点，在增强聚合物性能尤其是包装材料性能方面具有很大的应用潜力。
纳米纤维素主要通过形成氢键、逾渗网络、链缠结，以及促进结晶等方式来增强复合材料的相关性能。纳米纤维素的形态、长径比、与基体的黏附力、结晶度等，以及纳米纤维素在基体中的分散性和相容性，对复合材料的增强效果有重要影响。也可以对纳米纤维素进行表面修饰或改性来改善其在基体中的分散性和相容性从而达到更好的增强效果。
以纳米纤维素/PLA复合材料为例，PLA具有良好的抗张强度、弹性模量和透明度，但存在较脆、热稳定性差、气体阻隔性能不高，在室温下易老化等问题。纳米纤维素表面存在大量的羟基基团，易发生团聚，且与PLA的界面相容性差，在PLA基体中较难分散均匀。对纳米纤维素表面羟基进行化学修饰或改性，可以在不改变其结构的前提下引入各种功能性基团或聚合物链，改善其分散性和相容性。纳米纤维素的表面改性主要有表面吸附、化学改性和接枝共聚等三种方法。
可降解环保包装材料的产业化产品介绍
目前，以华工丽艳（广东）新材料科技有限公司为代表的企业，致力于环保可降解包装材料和制品的产品开发与应用，目前有水性和UV-LED环保油墨产品、生物基降解包装材料及制品、纳米纤维素复合功能材料（导电、抗菌）三类主要产品。目前生物降解材料产品主要应用三类原材料，即纳米纤维素/PLA、植物纤维/淀粉，棕榈短纤维。产品类型偏向于应用注塑或吹塑成型工艺生产的一次性产品，如餐盒、餐具等。
认证标准方面，对于生物降解材料，要通过生物降解、生物分解、植物生长、化学安全测试四步测试，目前普遍承认的证书有欧盟EN13432证书、美国BPI、FDA检测报告和SGS等，后续还将不断完善。
本文得到潮州市科技计划项目（2020ZX14）资助。