2022年9月16日上午，IPIF2022国际包装创新大会第二日盛况空前，来自包装行业细分市场的专家与领袖就最新政策和热点话题展开探讨，碰撞多元思维，洞察包装可持续发展趋势。在全体大会C上，来自华南理工大学的博士生导师王小慧女士带来了“全球(消费后)塑料包装可持续发展浅析”的主题分享。

演讲嘉宾

王小慧

华南理工大学

博士生导师

演讲梗概

王小慧女士是华南理工大学的教授、博士生导师，同时也是制浆造纸工程国家重点实验室副主任。在IPIF2022国际包装创新大会上，王小慧女士分享了关于可持续的研究工作和思考。

王小慧女士的分享包括：

• 生物质材料与生物塑料

• 生物质基绿色包装材料

• 纤维素膜的绿色生产

• 生物质基防水防油助剂

生物质材料与生物塑料

如今人们都在讨论如何进行塑料替代，不少人非常关注生物塑料，但除此之外，还有一个用天然材料代替塑料的新选择 —— 生物质。广泛地来说，生物质是所有的动物、植物、微生物自身及其产生的废弃物。而目前我们研究和应用的相对集中在狭义范围内，也就是农作物，包括秸秆的废弃物、木材的废弃物以及工业加工的废弃物和海洋所产生的废弃物。这些资源如果按照收入端来计算，全球会产生5,000亿吨，每年产生超过1,000亿吨。

我国农作物的废弃物资源很丰富，仅秸秆每年就可以产生10亿吨以上，林业和农业加工的废弃物可以产生5.6亿吨，绝大多数都没有被很好地利用，而是被丢弃或焚烧，产生环境污染。如果能把这些废弃资源加以利用，生产替代塑料的材料，不仅可以给塑料替代找到解决方案，同时也解决了环境污染问题。这也是我国非常重视的领域，应该得到社会各界广泛关注。

今年5月，国家提出了生物经济战略，提出了4个主要的重点领域，其中1个领域就是生物质替代领域。如果我们能发展更多的生物质材料替代传统的化石资源，就可以有效减少碳排放，促进资源废弃物的循环利用。

生物质可以借助传统加工手段进行加工，例如造纸和塑料加工，减少材料和生产的成本。

生物质材料由来已久，而塑料才出现100多年。在塑料出现之前，包装材料都是生物质材料，只是性能、成本和价格不如塑料。因此，必须对生物质的性能进行提升，达到可以和塑料竞争的水平。

针对生物质材料和生物塑料，王小慧女士做了一个简单的对照。以最典型的生物塑料 —— 聚乳酸来对比，它也是以生物质资源作为原料，但如果想到聚乳酸，它的形态非常类似于现在的塑料，需要把它降解为单糖，经过发酵变成乳酸，然后再进行脱水，转化为丙交酯，再进行聚合，最后再对聚乳酸进行加工才能得到新的材料，链条非常长。

所以相对于传统的塑料而言，聚乳酸是比较贵的，而生物质材料，不需要对它进行降解，不需要打断分子链，而是在高分子水平直接通过改性和加工的方式把它变成包装材料，所以从原子经济性上来说，其相对生物塑料可能更高。

生物质基绿色包装材料

在生物质材料领域里，有化石基来源和生物基来源的材料，有可降解的也有不可降解的。生物基来源的材料也有不可降解的，如生物基聚乙烯、石化基；塑料也有可降解的，如PBAT，生物质材料则属于生物来源且可降解，其有非常多的降解方式，大部分情况下可在自然环境中自然腐烂。此外，可以进行工业堆肥，也可以进行家庭堆肥，降解后产生的还是碳氢氧，进入到物质的循环，不产生有害的物质，而且相对塑料来说回收更容易。

植物资源是非常丰富的生物质资源。天然的植物资源有三大成分，纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素占的多，但是木质素和半纤维素的比重也非常大。我们通常把它分离出来之后进行处理，比如纤维素就可以用来造纸，纸就是一种典型的生物质材料。也可以进行组分分离，有效的组分经过改性之后也可变成包装材料，但相对塑料来说，它的组合性、强度、耐穿刺性和韧性等性能还需提升。

现在已有一些木塑复合材料被应用，但这些材料中塑料和化学品的比例较高，很多企业宣传使用多少比例的新生物质原料，实际上这里面塑料的比例还是比较高的。如何发展新一代的生物质材料让它完全可降解，完全是生物来源，而且非常容易回收，是社会应该思考和努力的方向。

王小慧教授的研究团队关注的方面是生物质基绿色包装材料。团队从加工方法性能的提升、回收利用以及进一步的智能化方面开展研究，力图去发展全降解可回收、可加工、高性能的生物质材料。

IPIF 2022国际包装创新大会上，许多业内人士都提到了软包装塑料盒的回收。王教授认为，如果能够把软包装塑料盒全部替代为生物质基绿色包装新材料，是一个非常好的选择方向。

纤维素膜的绿色生产

纤维素是一个最典型的生物质原料，其除了造纸之外还可以做成膜和纤维材料。不过纤维素不能够进行热加工，一般是通过溶剂加工，其溶剂体系有衍生化和非衍生化的，现在已经工业和商业化的是粘胶体系，也就是做衣服、做玻璃纸的体系和莱赛尔纤维的体系，还有一些新的体系。这两个体系都有缺点，正在逐渐被淘汰，有的是适用范围非常窄，对原料的要求非常高。而新的体系是绿色体系，以离子液体为代表。

离子液体的溶解能力非常强，由美国科学家发明。2020年，国内企业山东中科恒联投产了第一条基于离子液体的纤维素膜生产线，这是一个非常值得关注的突破。相对于传统溶剂，离子液体的制备成本还是比较高，回收成本也比较高。而且，因为它对水和湿度非常敏感，回收和利用仍有比较大的技术门槛和挑战。

团队经过了很多的研发，做了非常大量的分子设计，现在开发出了一系列新的离子液体型的新型溶剂，它可以一步合成不须提纯，成本极低、耐水性很好，回收和使用的时候不用再担心里面的水分的残留。利用这种新溶剂，我们可以保护天然高分子原来的分子结构和它的性能，会在加工时避免发生很大程度的降解。

另外，我们可以对生物质原料进行全组合的溶解和加工，比如说秸秆粉碎之后，可以直接把它溶解变成溶液，然后流延制膜，干燥之后收卷就可以形成软包装膜。也可以把里面的有效组分分离开来，比如说单独对纤维素进行溶解，然后加工制膜，团队制作的小样的膜，和传统粘胶法制备的玻璃纸是一样的，性能还有所提升，因为分子量更高。相对于传统的加工体系，工艺大大缩短，而且整个过程非常绿色，没有任何有害物质的排放，所有溶剂都可以回收。

基于这种技术，90%以上的生物质组成可以转换成再生的材料，保留了天然的木质素和半纤维素的成分。

相对于单纯的纤维素膜，它的耐受性和机械强度更高，在人工的再造木材体系之后，对它的结构和分布进行了重组。这里有个数据，其强度可以达120兆帕，比很多塑料的强度更高。我们也可以对工业加工的废弃物进行溶解和制膜，比如糖醛和低聚木糖生产的废弃物，木糖渣和糖醛渣，对它进行溶解，生产出一系列的膜也是非常好的材料。

再生之后，我们不仅可以制成膜，溶解之后还可以利用水做塑化剂，用水对它进行重新加工，叫做水塑成型，可以加工成不同的形态，比如说做成管、容器或者是其他形态，它的强度也是比较好的。

第二个方面就是团队在生物质塑料方面所做的一些探索，如果对这个领域有所了解就会知道生物质原料是一个非常复杂的物质。首先它是有非常多层级的结构，从纳米到宏观尺度，是很复杂的结构。另外它的组分很多，而且组分之间有非常复杂的分子间和分子内的相互作用，有更大分子间隔和分子间作用力，而且它的成分结晶度很高，不能溶解于溶剂，而且不具备熔融温度，不能熔融加工，因此难度是很大的，所以它形成材料的柔韧性、阻水性和强度都比较差。

那么如何来实现生物质大分子的热加工，用塑料加工的设备来对生物原料进行加工呢？王小慧教授提出了如下策略：破坏它原有的氢键作用网络，转变它的晶体结构，而赋予它本来刚性的链段更高的自由运动能力。总的路径是对生物质原料进行轻微的改性，引入动态结合的界面，通过动态共价键的结合，改变原来的高结晶度，从而降低它本身的氢键作用力，赋予它更多可拆解的、重新形成的动态键的作用，从而赋予它更好地热加工能力。

经过这些改造之后，它的性质完全改变。首先它出现了玻璃转化温度，可以进行热加工，原本的生物质是没有的，它的应力松弛性能和塑料类似。另外它的热稳定性比塑料要好很多，热降解温度在350度以上，有时400度也可以进行热加工，热膨胀系数非常的低，非常的稳定。

使用塑料加工的设备对改造过的生物质粉末进行了加工成型，可以形成类似于塑料的物质。它不同于原来的塑料，因此团队给它命名为生物质塑料。它的性能是完全可控的，拉伸强度在30-40兆帕，断裂伸长率在30%左右，可以通过很多条件对它进行调节，断裂伸长率最高可以做到100%以上。

这种生物质材料有非常优异的阻水性、阻隔性，和塑料差不多，因为它形成了非常致密的物理结构，把它浸泡在水里和各种各样的有机溶剂里都没有吸收，可能放几个月也不会吸收。另外它有一些其他的特性，比如说透明度高，可以自修复，可以再加工，也就是磨成粉末然后再加工，而且它表面的疏水性接触角在90度以上，比较耐水，同时可以适应多种降解方式。首先它可以埋在自然界的土壤里面，很容易降解，和纸的降解速度差不多，另外它也可以用化学方式进行降解，把原料进行回收再利用。

它还可以和其它材料进行复合，比如说跟木粉进行复合，做成类似于木塑复合材料这样的板材并进行热压，它所形成的强度和传统的木塑复合材料相比具有明显优势。它形成了很均匀的相，而且这个相的刚性更强，它的自适应性和耐溶剂性更优越。

我们还可以将它与纸进行复合，变成类似于纸塑复合材料，但是这不是塑料，而是生物基原料。这个过程完全可以融合到现在的工艺里面，包括最后一步干燥热压前的浸渍，然后可以进行收卷。其所形成的复合材料，与相同厚度的塑料膜进行对照的情况下，它在强度、模量等各个方面都优于聚乙烯、聚丙烯、PVC和PU这样的传统塑料膜。而且特别值得突出的是这种复合材料的阻隔性非常好，阻水性和阻氧性远远地优于现在的PLA、PET、PE等塑料材料。

它也可以进行各种各样的加工，因为它非常耐溶剂，它的湿强度也很突出，而且它的原料可以回收再利用，可以把它做成多层的结构，进一步来增强它的性能。以上是团队所开发的各种各样不同比例的生物质塑料，也取得了一系列的发明专利。

生物质基防水防油助剂

最后是团队研发的生物质基助剂，也就是以生物质大分子为原料开发的助剂，所使用的原料包括多糖类、蛋白类、纳米纤维素、天然树脂类的。这种助剂非常重要，如果想用纸包装来替代塑料进行一次性包装的话，必须赋予纸包装防水防油性能，传统的组合性的办法都有各种各样的缺点。如果想要发展真正可回收，完全可以再造浆、可降解，丢弃之后没有任何环境影响，而且无毒无害，可食品接触安全的涂层材料，生物质材料是答案。

什么才是比较理想的防水防油材料？材料需要具有比较低的表面能。目前表面能最低的材料还是氟碳化合物，但是氟碳化合物在很多场合是不能用的，其具有生物毒性，会危害人体健康，所以需要选用天然的低表面能物质来制备防水防油材料。另外还要构建多尺度的粗糙结构，类似于荷叶效应的纳米级结构，并对这个材料进行表面处理，让它具有低的孔隙率，阻止毛细管效应的吸收，团队通过这一路径形成了生物质基防水防油材料。

团队首先发展了多糖类的全生物质基助剂，其是由未经化学改性的天然生物质基原料组成的水性乳液，将其喷涂在纸上，接触角可以大于150度，达到超疏水的效果。它的水气透过率也比较低，而且可以适用于各种的基底，在三个月之内团队自己测试发现在自然土壤中完全可以生物降解。现在这个产品已经在广州荧创科技有限公司生产和销售。

上图的防油助剂同样完全由蛋白类全生物质原料组成，未经过化学改性。助剂可以防止120度的热油的渗透，涂布量在6克每平方米以下，而且适用于各种各样的纸基底，完全可降解、绿色无害。所用的原料全都是食品级原料。此外，团队一直致力于纳米纤维素材料的研发，也开发了一些纳米纤维素类的防水涂料，大概涂布量在2克每平方米，可以达到超疏水的效果，而且涂层非常耐摩擦。

此外，团队还开发了天然树脂类，也是未经化学改性的全生物基的防油防水助剂，可以同时达到防水和防油的效果，它可以防热水和热油，水汽透过率也很低，可以达到100以下。

目前荧创科技公司正在生产和销售研究生物质基防水防油涂料产品，非常感谢美团青山计划的支持，团队在2021届环保创新示范项目里面排名第一。

团队也进行了一些功能性包装材料的探索，比如电子产品的包装需要具有防静电、耐湿、离子不敏感和电磁屏蔽等特性。团队研发了一个全溶液加工，最后浸渍涂布加工的工艺，只用短短几分钟就可以把非常导电的金属纳米涂层附着在纸上，涂层非常牢固，且具有非常高的导电性，它的导电性只比金属少了一个数量级。另外还可通过湿法抄纸的工艺，开发各种各样的碳纸和石墨烯纸，用于防静电和电磁屏蔽的包装，这项技术同样适用于可电磁屏蔽的纸浆模塑产品，可以有效地屏蔽电磁信号。

除此之外，团队也开发了可触摸传感的智能包装膜，在纳米纤维素透明薄膜上面通过喷墨打印的方式，能获得可触摸传感的打印电路。传感器的成本非常低，在土壤里面完全降解，而且有较好的导电性。团队也通过结构色的调控，利用纳米纤维素材料，通过调控它的晶体结构的排列，产生自然的颜色用于标签和包装的智能识别以及信息的加密。

总    结

团队开发了全生物质基的防油防水的助剂，以及在纸基包装材料里面的应用，非常期待与业界同仁进行进一步的合作和推进。另外我们也自主研发了低成本、绿色环保的生物质溶剂体系，有效地解决了溶解特性和使用成本的问题，可以对生物质原来进行全组分的溶解和加工，生产完全由生物质材料所组成的柔性的包装膜材料。另外团队也突破性地开展了生物质塑料的制备，这个塑料是完全不同于传统塑料和生物塑料的，有非常大的应用潜力。非常期待能够与企业合作，进一步把创新技术推向产业化应用。

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