在全球塑料產量持續(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。據統(tǒng)計，2023 年全球塑料產量約達 3.74 億噸。與此同時，全球塑料回收率仍然偏低，僅有 7% 的塑料實現有效回收。面對這一挑戰(zhàn)，來自葡萄牙科英布拉大學化學系、萊里亞理工學院等多家科研機構的研究團隊近日在《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合物，專門針對化妝品包裝應用設計。

創(chuàng)新材料體系的精密構建

該新型材料復合物采用了六組分體系設計，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，這一比例經過精心優(yōu)化以實現最佳性能平衡。

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產生，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、結晶度和玻璃轉化溫度均與聚丙烯和聚乙烯相當。X射線散射分析顯示，PHBV 在復合材料中保持了較高的結晶度，形成了穩(wěn)定的晶體結構。

PLA 作為最廣泛應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、熱學和力學性能。研究中使用的 PLA 呈無定形狀態(tài)，在復合材料中主要分散在 PHBV 的無定形區(qū)域內，這種結構有助于改善整體材料的加工性能和力學性能。

圖1. 所選復合材料配方中使用的生物材料化學結構。（a）聚乳酸（PLA）；（b）聚羥基丁酸戊酸酯（PHBV）；（c）N-乙?；瘹ぞ厶牵–S）；（d）乙酰檸檬酸三丁酯（ATBC）；（e）藻藍蛋白（Pgm）；（f）桉葉油素（所用植物油的代表分子）（EO）

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合不足，呈現兩相共存的結構特征。

圖2. 所選復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/藻藍蛋白（Pgm）/ATBC/植物精油（OE）試樣；（g）藻藍蛋白；（h）ATBC/植物油溶液；（i）殼聚糖；（j）PHBV/PLA/CS/藻藍蛋白（Pgm）/植物精油顆粒

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）結果顯示，ATBC 的加入使復合材料的玻璃轉化溫度降低至約 54°C（對比未添加時約 60–62°C），證實了其增塑效果。

植物精油的添加賦予材料天然香味，且降低水蒸氣滲透率。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。

藻藍蛋白作為天然藍色素，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，藻藍蛋白會出現一定程度的降解并導致顏色變化，但仍能維持可見的藍色外觀。

綜合性能表現優(yōu)異

機械性能測試顯示，不同配方的復合材料表現出差異化的性能特征。基礎的 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 及各種復合材料的初始降解溫度集中在 255-262°C 范圍內，為材料的熔融加工提供了足夠的安全邊際。

產業(yè)化前景與技術挑戰(zhàn)

全球化妝品包裝市場持續(xù)增長，預計到 2032 年將達到 510 億歐元。隨著消費者環(huán)保意識的不斷提升和監(jiān)管政策的日趨嚴格，生物基包裝材料的市場需求正在快速增長。據預測，全球生物塑料產量將從 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分領域都有廣泛應用。這種新開發(fā)的生物基復合材料在性能上與傳統(tǒng)材料相當，為行業(yè)提供了可行的替代方案。

然而，材料的產業(yè)化仍面臨一些技術挑戰(zhàn)。研究顯示，增塑劑 ATBC 在改善材料柔韌性的同時也會導致機械強度的下降，需要通過優(yōu)化配方比例或改進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域的重要突破，為化妝品行業(yè)向可持續(xù)發(fā)展轉型提供了切實可行的技術路徑。隨著工藝技術的不斷完善和成本的進一步優(yōu)化，這類全生物基材料有望在未來幾年內實現商業(yè)化應用，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。

參考文獻：
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：榮格-《 國際個人護理品生產商情》

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