一、包裝材料的發(fā)展
包裝材料的初級階段，可以追溯到人類有記載的歷史之前，那時的包裝材料取之于自然。以后人造包裝材料的產生，如紙、玻璃、金屬等為包裝提供了更好的原料，包裝的品種逐漸多了起來，并被廣為接受。
包裝的真正興起，是從上世紀50年代發(fā)明了人工合成材料——塑料開始。塑料具有質輕、耐用、阻隔性、易成型、形狀多樣、資源和能源消耗少等優(yōu)點，大量地取代了天然資源加工的包裝材料，促進了新包裝機械的出現(xiàn)�？梢哉f現(xiàn)代包裝是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。六十年代是我國塑料制品工業(yè)由熱固性塑料制品向熱塑性塑料制品的轉折時期。到后來七十到八十年代發(fā)展起來的復合包裝材料，如鋁塑復合材料、紙塑復合材料、塑與塑復合材料等，可代替金屬、玻璃、紙等包裝材料，提高了包裝的阻隔性、結構性、印刷性，使包裝更方便、更安全。尤其是在近幾年PET、BOPP、尼龍膜、鍍鋁膜的生產，有力地推動了塑料包裝材料的發(fā)展。現(xiàn)在新技術的發(fā)展促進了各種新興包裝的出現(xiàn)。
包裝材料逐漸在材料工業(yè)中占據了重要位置。據不完全統(tǒng)計，世界每年包裝材料的銷售額約為500億美元，從業(yè)人員超過500萬，占國民生產總值的1.5%～2.3%。
然而，包裝使用壽命短、使用量大（如美國，每年產生的城市垃圾達1.5億噸，其中1/3是包裝廢棄物。日本城市每年固體廢棄物約為5000萬噸，其中包裝廢棄物為2100萬噸）并且難以集中，對城市環(huán)境和人體造成嚴重的危害。塑料薄膜因回收率低造成的白色污染、焚毀時放出破壞臭氧層的化學物質，對生態(tài)平衡的破壞等環(huán)境問題引起了社會的廣泛關注。
生態(tài)包裝發(fā)端于1987年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展委員會的“我們共同的未來”文件，它是指對生態(tài)環(huán)境和人體健康無害、能源循環(huán)和材料再生利用，可促進持續(xù)發(fā)展的包裝。生態(tài)材料所追求的不僅僅是優(yōu)異的使用性能，還要求材料的制造、使用、廢棄直到再生的整個壽命周期中必須具備與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調共存性以及舒適性。從上世紀90年代至今，生態(tài)化包裝材料有了極大發(fā)展。
二、生態(tài)化包裝的研究
1.塑料包裝生態(tài)化
塑料包裝具有很多優(yōu)點，在包裝材料中占有重要的位置。同時塑料在包裝廢棄物占有很大比例，約40%。其最大的缺點是不易降解，造成污染。目前科研人員對新型塑料包裝的開發(fā)，主要是生物降解塑料和化學降解塑料。
（1）生物降解塑料 理想的生物解塑料是一種具有優(yōu)良使用性能、廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解的高分子材料。紙是生物降解材料，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紙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，其降解機理已經被證實：主要由細菌或其水解酶將高分子量的大分子分解成小分子量的碎片，然后進一步被細菌分解成二氧化碳和水等物質�？煞譃槿悾�
微生物產生的聚酯。屬微生物發(fā)酵型大分子，它是利用微生物產生的酶將自然界中易于生物分解的聚酯類物解聚水解，再分解吸收合成高分子化合物，這些化合物含有微生物聚酯和微生物多糖等。為降低制造微生物聚酯的成本，正在開展利用植物合成生物降解塑料的研究。美國、日本先后利用基因工程技術，使一些植物在其枝葉上直接生長出可降解的聚酯，如美國密執(zhí)安州立大學的研究組將生物合成的微生物聚酯體系的遺傳基因導入植物中，已成功地研制出可合成的聚酯。
來自植物的天然高分子（淀粉、纖維素等）。國內外開展這種淀粉合成生物降解塑料的研究非常熱。美國的瓦那﹒蘭巴特制藥公司通過操作植物的遺傳基因，部分控制淀粉大分子鏈的支化度，從而制造出以廉價的淀粉為原料的生物降解塑料。該公司一直在推進藥用淀粉膠囊的應用研究并取得了成功。在此基礎上他們還用淀粉和生物降解高分子的混合物開發(fā)出了熱塑性生物降解塑料，并以“NOVON”為品牌進行了商品化。
化學合成高分子。利用化學合成的生物降解塑料，如聚己內酯（PCL），1975年以來就開始被使用了，只是使用得很有限，據說埋入土壤12個月后可降解95%。PCL和淀粉共混料、PCL和PHBV共混料、PCL和尼龍6共混料都研制出來了，以蛋白質、脲和多糖為基礎的其他生物降解的聚酯也制造出來了，屬于生物降解塑料。
（2）化學降解塑料 水溶性塑料包裝薄膜作為一種新穎的綠色包裝材料，在歐美、日本等國被廣泛用于各種產品的包裝，例如農藥、化肥、顏料、染料、清潔劑、水處理劑、礦物添加劑、洗滌劑、混凝土添加劑、攝影用化學試劑及園藝護理的化學試劑等。它的主要特點是：降解徹底，降解的最終產物是CO2和H2O，可徹底解決包裝廢棄物的處理問題；使用安全方便，避免使用者直接接觸被包裝物，可用于對人體有害物品的包裝；力學性能好，且可熱封，熱封強度較高；具有防偽功能，延長優(yōu)質產品的壽命周期。
水溶性包裝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，添加各種助劑，如表面活性劑、增塑劑、防粘劑等。就降解機理而言，聚乙烯醇具有水和生物兩種降解特性，首先溶于水形成膠液滲入土壤中，增加土壤的團粘化、透氣性和保水性，特別適合于沙土改造。在土壤中的PVA可被土壤中分離的細菌——甲單細胞（Pseudomonas）的菌株分解。至少兩種細菌組成的共生體系可降解聚乙烯醇：一種菌是聚乙烯醇的活性菌，另一種是產生PVA活性菌所需物質的菌。仲醇的氧化反應酶催化聚乙烯醇，然后水解酶切斷被氧化的PVA主鏈，進一步降解，最終可降解為CO2和H2O。
水溶性薄膜有較好的包裝特性及環(huán)保特性，因此已受到發(fā)達國家廣泛重視，有非常好的應用前景。例如日本、美國、法國等已大批量生產銷售此類產品，像美國的W．T．P公司和C．C．I．P公司，法國的GREENSOL公司以及日本的合成化學公司等，其用戶也是一些著名的大公司，例如Bayet（拜耳）、Henkel（漢高）、Shell（殼牌）、Agr．Eva（艾格福）等大公司都已開始使用水溶性薄膜包裝其產品。國內株洲工學院與廣東肇慶方興包裝材料公司在中國包裝總公司科技部的支持下，聯(lián)合研制開發(fā)了水溶性薄膜及生產設備已通過省部級鑒定，目前已投入生產，其產品正在走向市場。
其它生態(tài)塑料包裝的研究
a.開發(fā)輕量、薄膜型，優(yōu)質塑料。為減少塑料包裝廢棄物總量，各國積極推行薄膜化，提高其質量。日本研制出超韌超薄性PET薄膜，其厚度為0.5微米，用于精密電子元件的包裝。芬蘭開發(fā)出一種OPA/PE復合薄膜，厚度減少了1/3，而其他性能不受影響。
b.開發(fā)可回收重復使用塑料。塑料包裝材料如果能夠重復使用，可以大大降低原材料的消耗以及對環(huán)境的污染。例如PET瓶的使用，PET瓶經粉碎后重新吹制成新瓶，在物理、化學、綜合機械性能上幾乎沒有什么變化。聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）比PET的耐熱性更好，可以承受低酸性食品要求的消毒條件，阻氣性和防紫外線更好，可以代替玻璃瓶，可以重復使用，有很廣的應用。
c.研制新型泡沫塑料。由于泡沫塑料飯盒及緩沖包裝材料用料少，用量巨大，人們研究新型泡沫塑料。現(xiàn)在較為理想的有二氯甲烷發(fā)泡PS、PP、PET，用于食品和電子產品的包裝。美國開發(fā)的高效無氟INSTAPACK聚氨酯發(fā)泡劑可以用很少的材料發(fā)泡，可以重復成型使用，容易處理。目前發(fā)展的高熔體強度聚丙烯（HMSPP），與聚丙烯均聚物可生產出發(fā)泡聚丙烯，可以比同性能的聚丙烯片材節(jié)省20%的原料，環(huán)境負載也降低了。
2.天然生物包裝材料
利用天然生物資源開發(fā)包裝材料具有環(huán)境負載低、資源豐富等特點。充分利用竹、木屑、麻類、棉織物、柳條、蘆葦、農作物秸稈、稻草和麥秸甲殼素等原料，擴大包裝品種，提高技術含量已成為包裝生態(tài)化方向之一。
例如，用稻草加工成稻草板，具有節(jié)能、保溫、隔熱、隔音等功能，透氣性好，沖擊強度高，且防水和抗震性明顯高于傳統(tǒng)材料制品；另外，稻草板用作包裝材料，其單位質量是同體積紙板材料的1/10，具有明顯的優(yōu)勢；國內開發(fā)了以稻草為原料的聚苯乙烯泡末餐盒代替品；蒲葉經過熱定性、漂白、殺菌可以制造一次性包裝，受到國外進口商重視。
除了稻草外，國內還利用其它草漿為主要原料，開發(fā)出一次性餐具專用紙板。它采用提高草漿質量的化學助劑優(yōu)化應用技術，保證草漿接近制造餐具紙板所需要的木漿的各項物理性能，表面又進行了適合于食品包裝的加工處理，使成品具有抗熱水、不滲漏、不分層、抗油及熱封等功能。而且可以回收利用，生產書寫紙。
天然甲殼素也是一種非常好的原料。每年全球生物合成的甲殼素高達數(shù)百億噸，產量僅次于天然纖維素，是地球上第二大生物高分子資源。用甲殼素加工制備的包裝材料，有良好的透氣性能，吸水保濕性也好。由于原料來自天然，無毒、無味、耐熱，能夠滿足食品、衛(wèi)生、醫(yī)藥等行業(yè)對包裝材料的衛(wèi)生要求。該材料還具有較好的化學穩(wěn)定性、耐光性、耐藥品性、耐油脂性、耐有機溶液性、耐寒性等，其穩(wěn)定性優(yōu)于紙張。
3.可食性包裝材料
該包裝對人體無害，可食用并具有一定強度，主要用于食品和藥品包裝，采用淀粉、蛋白質、植物纖維、甲殼素和其他天然物質為原料。
玉米蛋白質包裝膜：可以在自然條件下很容易地分解成有機物，適用于油脂較重，浸透性強的高含油脂食品包裝以及快餐業(yè)、油炸薯類食品、月餅生產等食品企業(yè)。玉米蛋白質包裝膜主要用于快餐盒和其他帶油食品的包裝內層。該膜是紙與玉米蛋白質合成的包裝材料，不會被油脂滲透。該包裝材料前景廣闊。不少大公司都看好這種新的環(huán)保材料�？煽诳蓸饭驹邴}湖城冬奧會上用了50萬只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成的。這種杯子只需40天就在露天環(huán)境下消失得無影無蹤。著名的日本電器制造商索尼公司兩年來一直用玉米做成的塑料紙包裝MD盤。新包裝與過去的包裝一樣美觀，卻不會產生“經久耐用”的不良效果�；ぎa品生產巨頭杜邦公司也加入到開發(fā)玉米塑料的隊伍中來，該公司的研究還獲得了美國能源部1900萬美元的財政支持。
大豆蛋白質可食性包裝膜：用途廣泛，適用于各種即食性食品。主要采用大豆提取豆粕后的剩余物質進行生產，原料來源廣闊。特別是北方盛產大豆的區(qū)域更是原材料豐富。由于是采用大豆制取豆粕后的剩余物，所以價格極其便宜。該包裝膜既能阻氧氣進入，又能保持水分，還能確保原味。這種可食性包裝膜在食品生產工業(yè)里應用極廣，絕大部分糖果、糕點均可采用，由于該包裝具有保鮮功能，且原材料豐富，所以有極好的工業(yè)前景。
殼聚糖可食性包裝膜：這種可食性包裝，解決了食品包裝廢棄物與環(huán)保之間的矛盾，應用于糖果、果脯、保鮮蛋糕、月餅保鮮等方面。這種包裝膜采用貝類提取物殼聚糖為主要原料，將殼聚糖與月桂酸結合在一起，生成均勻的可食薄膜，并且用該包裝膜包裝去皮的水果和水果片，也有很好的保鮮作用。這種包裝材料所用的殼聚糖是貝類外殼經粉碎后的加工產品。由于來自天然，對環(huán)境無污染，食用后對人體有補充微量元素的功效，可謂是一種新型的環(huán)保食品包裝。其不足之處是原料來源有限。
復合型可食包裝膜：將不同配比的蛋白質、脂肪酸和淀粉合成在一起，生成不同物理性質的可食性薄膜。該產品可根據食品調整包裝膜軟、硬度，形成不同類型的內包裝，在食品行業(yè)應具有巨大的市場。
4.新型紙包裝
（1）紙包裝薄膜研究。開發(fā)高性能紙包裝薄膜來替代食品包裝中常用的塑料薄膜非常有前景。比如經防潮處理的玻璃紙可以用于食品、化妝品的包裝。德國弗朗霍凡爾應用聚合物研究所最近研制成功厚度僅幾微米的高強度紙膜，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點。
（2）蜂窩夾心紙板。是一種中間為自然蜂窩狀紙芯，上下兩側由紙板粘合而成，具有輕、強、剛、穩(wěn)四大優(yōu)點，有非常好的緩沖性能和機械強度，適合包裝貴重易損物品如玻璃儀器和精密儀器等。
三、生態(tài)包裝開發(fā)的研究方向
生態(tài)包裝材料不僅是對包裝材料生產商在生產上的一場大革命，而且得到世界的廣泛關注，所以生態(tài)包裝的研究要從開發(fā)、設計、生產、使用、廢棄等過程全程考慮。
納米塑料具有優(yōu)異的物理力學性能，高強度、耐熱性、好的光澤和透明度、高阻隔性、優(yōu)良的加工性能，屬生態(tài)友好型材料，可以用于食品、各種化學原料、有毒物質的包裝。
中國科學院化學研究所/分子科學中心工程塑料國家重點實驗室成功研制了聚酰胺（PA6和PA66）、聚脂（PET和PBT）、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂等一系列納米塑料，并實現(xiàn)了部分納米塑料的工業(yè)化生產。納米復合材料在食品包裝市場潛力巨大。如聚酰胺6納米塑料（nc-PA6）制成的膜用切片，可以吹塑和擠出制備熱縮腸衣膜、雙向拉伸膜及復合膜，與普通PA6相比，具有更佳的阻隔性、力學性能和透明性。
一種利用納米技術高效催化CO2合成的可降解塑料，已由中國科學研究院廣州化學研究所研制成功。用CO2和環(huán)氧丙烷聚合而成的這種可降解塑料，可替代目前市場上廣泛使用的快餐包裝容器，既解決了CO2所導致的環(huán)境問題，又可避免塑料包裝使用中產生的“白色污染”。
基因技術也是研究的方向之一，利用先進的基因人工定向設計拼接技術，可以讓植物按照人們的設計要求長出各種形狀、各種色彩的容器（甚至這些容器上還可按預先設計長出各種花紋和圖案），比如各種奶、果汁、醋的外包裝、各種一次性餐具的外包裝可能就是從一種通過基因剪切再造玉米植株上直接長出來的，未來的藥瓶可能是從一種通過基因改造技術創(chuàng)造的辣椒植株上直接采摘下來。
