在全球塑料產(chǎn)量持續(xù)攀升的背景下，化妝品包裝行業(yè)正面臨前所未有的可持續(xù)發(fā)展壓力。據(jù)統(tǒng)計，2023 年全球塑料產(chǎn)量約達(dá) 3.74 億噸，其中歐洲產(chǎn)量為 5400 萬噸，而包裝應(yīng)用占總塑料產(chǎn)量的約 36%。與此同時，全球塑料回收率仍然偏低，僅有 7% 的塑料實現(xiàn)有效回收，美國 2022 年的塑料回收率更是僅為 5%，且呈現(xiàn)下降趨勢。

 

面對這一挑戰(zhàn)，來自葡萄牙科英布拉大學(xué)化學(xué)系、萊里亞理工學(xué)院等多家科研機構(gòu)的研究團隊近日在《Nature》旗下的《Scientific Reports》期刊發(fā)表研究成果，成功開發(fā)出一種全新的全生物基可生物降解材料復(fù)合物，專門針對化妝品包裝應(yīng)用設(shè)計。

 

 

 

創(chuàng)新材料體系的精密構(gòu)建

 

該新型材料復(fù)合物采用了六組分體系設(shè)計，以聚羥基丁酸戊酸酯（PHBV）和聚乳酸（PLA）為主體聚合物，配比為 70:30，這一比例經(jīng)過精心優(yōu)化以實現(xiàn)最佳性能平衡。

 

圖：所選復(fù)合材料配方中使用的生物材料化學(xué)結(jié)構(gòu)。（a）聚乳酸（PLA）；（b）聚羥基丁酸戊酸酯（PHBV）；（c）N-乙酰化殼聚糖（CS）；（d）乙酰檸檬酸三丁酯（ATBC）；（e）藻藍(lán)蛋白（Pgm）；（f）桉葉油素（所用植物油的代表分子）（EO）
 

PHBV 作為聚羥基烷酸酯（PHAs）家族的重要成員，由微生物利用不同碳源基質(zhì)產(chǎn)生，具有天然的疏水性和耐濕性。其楊氏模量為 3-6 GPa，拉伸強度為 22-34 MPa，熔點、結(jié)晶度和玻璃轉(zhuǎn)化溫度均與聚丙烯和聚乙烯相當(dāng)。X射線散射分析顯示，PHBV 在復(fù)合材料中保持了較高的結(jié)晶度，形成了穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。

 

圖：所選復(fù)合材料配方中使用的生物材料：（a）PLA 顆粒；（b）PLA 試樣；（c）PHBV 試樣；（d）PHBV/PLA 試樣；（e）PHBV/PLA/CS 試樣；（f）PHBV/PLA/CS/藻藍(lán)蛋白（Pgm）/ATBC/植物精油（OE）試樣；（g）藻藍(lán)蛋白；（h）ATBC/植物油溶液；（i）殼聚糖；（j）PHBV/PLA/CS/藻藍(lán)蛋白（Pgm）/植物精油顆粒

 

 

PLA 作為最廣泛應(yīng)用的生物基熱塑性聚酯之一，由天然資源制備而成，具有良好的光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。研究中使用的 PLA 呈無定形狀態(tài)，在復(fù)合材料中主要分散在 PHBV 的無定形區(qū)域內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)有助于改善整體材料的加工性能和力學(xué)性能。

 

殼聚糖作為地球上儲量第二豐富的天然聚合物，每年從各種來源提取數(shù)百萬噸。研究團隊將殼聚糖研磨至平均粒徑 0.71 ± 0.2 毫米，作為增強填料加入復(fù)合材料中。掃描電鏡分析顯示，殼聚糖纖維被引入到聚合物基體中，但仍可見孔洞和界面結(jié)合不足，呈現(xiàn)兩相共存的結(jié)構(gòu)特征。

圖：掃描電鏡（SEM）橫截面圖像：純 PLA（a）、純 PHBV（b）、PHBV/PLA 配方（c）、PHBV/PLA/CS 配方，可觀察到 CS 纖維的結(jié)合（紅圈）和 CS 被拉出的位置（矩形框）（d）以及 PHBV/PLA/CS/OE/Pgm/ATBC（e）
 

 

功能性添加劑的協(xié)同作用

 

乙酰檸檬酸三丁酯（ATBC）在配方中發(fā)揮關(guān)鍵的增塑作用，占總配方的 10%。ATBC 通過降低聚合物鏈間的分子間作用力，增加鏈段遷移率，從而改善材料的柔韌性和加工性能。差示掃描量熱分析（DSC）結(jié)果顯示，ATBC 的加入使復(fù)合材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度降低至約 54°C（對比未添加時約 60–62°C），證實了其增塑效果。

 

植物精油的添加不僅賦予材料天然香味，還能降低水蒸氣滲透率。研究采用的精油主要成分為單萜類化合物，如檸檬烯和桉葉油素。雖然精油含量僅占 1%，但其對材料的柔韌性和感官特性產(chǎn)生了積極影響。

 

藻藍(lán)蛋白作為天然藍(lán)色素，同樣以 1% 的比例加入配方中。這種來自螺旋藻的天然色素不僅提供了吸引人的藍(lán)色外觀，還驗證了天然色素在高溫加工過程中的穩(wěn)定性。在 205°C 的加工溫度下，藻藍(lán)蛋白會出現(xiàn)一定程度的降解并導(dǎo)致顏色變化，但仍能維持可見的藍(lán)色外觀。

 

 

綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異

 

機械性能測試顯示，不同配方的復(fù)合材料表現(xiàn)出差異化的性能特征。基礎(chǔ)的 PHBV/PLA 混合物顯示出 32 MPa 的拉伸強度和 804 MPa 的楊氏模量。加入殼聚糖后，楊氏模量提升至 871 MPa，表明材料抗變形能力的增強，但拉伸強度略有下降至 25 MPa。

 

完整的六組分體系在 ATBC 的塑化作用下，拉伸強度與模量較前述兩種配方進(jìn)一步下降，斷裂伸長率明顯提升，整體拉伸行為與 PE 及部分 PP 的典型區(qū)間存在重合。

 

熱穩(wěn)定性分析揭示了材料的加工窗口。熱重分析（TGA）顯示，純 PLA 具有最高的熱穩(wěn)定性，2% 失重溫度為 308°C。而 PHBV 及各種復(fù)合材料的初始降解溫度集中在 255-262°C 范圍內(nèi)。這一溫度范圍為材料的熔融加工提供了足夠的安全邊際。
 

 

 

 

先進(jìn)加工技術(shù)的適應(yīng)性驗證

 

研究團隊通過多種加工技術(shù)驗證了材料的工業(yè)化應(yīng)用潛力。雙螺桿擠出實驗采用 Werner & Pfleiderer ZSK25 × 38D 共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機，螺桿直徑 25 毫米，加工溫度范圍 150-180°C。熔體流動速率（MFR）測試顯示，PHBV 的 MFR 值為 13.9 g/10 min，而 PLA 為 42.7 g/10 min。PHBV/PLA 混合物的 MFR 值介于兩者之間，表明混合后仍保持良好的流動性。

 

注射成型采用 BOY 22 A 注射成型機，制備符合 ISO 527-2:2012 標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴型試樣。各配方的注射參數(shù)在 175–190°C 區(qū)間進(jìn)行調(diào)整，模具溫度維持在 40–60°C。

 

3D 打印技術(shù)驗證展現(xiàn)了材料在個性化包裝制造方面的潛力。使用 Piocreat G5 FGF 熔融造粒制造技術(shù)，通過 1.8 毫米噴嘴在 205°C 下以 20 mm/s 的速度成功打印出化妝品包裝底座原型。這一溫度是通過從 185°C 開始逐步調(diào)試確定的最佳工藝參數(shù)。
表面特性與降解行為

 

接觸角測試揭示了材料的表面潤濕特性。所有開發(fā)的復(fù)合材料都表現(xiàn)出親水性行為，接觸角均小于 90°。純 PLA 的接觸角為 72.1°，PHBV 為 77.2°，完整配方測得接觸角高于前述兩種配方，仍低于 90°，呈親水特征，更易發(fā)生水解降解。

 

紅外光譜（FTIR）分析顯示，各組分之間沒有形成強化學(xué)相互作用，主要以物理共混形式存在。PLA 的特征峰包括 2900 cm?¹ 附近的 C-H 伸縮振動、1746 cm?¹ 的 C=O 伸縮振動。PHBV 的特征峰出現(xiàn)在 2968 和 2913 cm?¹（C-H 伸縮）以及 1720 cm?¹（C=O 伸縮）處。

 

圖：所開發(fā)配方的 FTIR 光譜：PLA、PHBV、PHBV/PLA、PHBV/PLA/CS 和 PHBV/PLA/CS/OE/Pgm/ATBC
 

 

 

產(chǎn)業(yè)化前景與技術(shù)挑戰(zhàn)

 

全球化妝品包裝市場持續(xù)增長，預(yù)計到 2032 年將達(dá)到 510 億歐元。隨著消費者環(huán)保意識的不斷提升和監(jiān)管政策的日趨嚴(yán)格，生物基包裝材料的市場需求正在快速增長。據(jù)預(yù)測，全球生物塑料產(chǎn)量將從 2023 年的 218 萬噸增長至 2028 年的約 743 萬噸。

 

化妝品和洗滌用品包裝主要使用聚乙烯和聚丙烯材料，在剛性和柔性包裝解決方案的各個細(xì)分領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。這種新開發(fā)的生物基復(fù)合材料在性能上與傳統(tǒng)材料相當(dāng)，為行業(yè)提供了可行的替代方案。

 

然而，材料的產(chǎn)業(yè)化仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。研究顯示，增塑劑 ATBC 在改善材料柔韌性的同時也會導(dǎo)致機械強度的下降，需要通過優(yōu)化配方比例或改進(jìn)加工工藝來平衡這一矛盾。此外，天然色素在高溫加工過程中的顏色穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步改善。

 

3D 打印工藝方面，材料在熔融造粒制造過程中需要精確控制溫度，過高的溫度會導(dǎo)致組分降解，過低則影響流動性。目前確定的 205°C 加工溫度為后續(xù)工藝優(yōu)化提供了重要參考。

 

這項研究成果代表了生物基包裝材料領(lǐng)域的重要突破，為化妝品行業(yè)向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型提供了切實可行的技術(shù)路徑。隨著工藝技術(shù)的不斷完善和成本的進(jìn)一步優(yōu)化，這類全生物基材料有望在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動整個包裝行業(yè)向更加環(huán)保和可持續(xù)的方向發(fā)展。

 

 

參考資料：

Santos, F., Rodrigues, P., Vargas, P., Massano, A., Oliveira, L. M., Batista, C., ... & Encarnação, T. (2025). A novel fully biobased material composite for cosmetic packaging applications. Scientific Reports, 15(1), 26882.

來源：

作者：John Xie