葡萄牙团队开发全生物基可降解材料，瞄准化妆品包装应用

在全球塑料产量持续攀升的背景下，化妆品包装行业正面临前所未有的可持续发展压力。据统计，2023 年全球塑料产量约达 3.74 亿吨，其中欧洲产量为 5400 万吨，而包装应用占总塑料产量的约 36%。与此同时，全球塑料回收率仍然偏低，仅有 7% 的塑料实现有效回收，美国 2022 年的塑料回收率更是仅为 5%，且呈现下降趋势。

 

面对这一挑战，来自葡萄牙科英布拉大学化学系、莱里亚理工学院等多家科研机构的研究团队近日在《Nature》旗下的《Scientific Reports》期刊发表研究成果，成功开发出一种全新的全生物基可生物降解材料复合物，专门针对化妆品包装应用设计。

 

 

 

创新材料体系的精密构建

 

该新型材料复合物采用了六组分体系设计，以聚羟基丁酸戊酸酯（PHBV）和聚乳酸（PLA）为主体聚合物，配比为 70:30，这一比例经过精心优化以实现最佳性能平衡。

 

图：所选复合材料配方中使用的生物材料化学结构。（a）聚乳酸（PLA）；（b）聚羟基丁酸戊酸酯（PHBV）；（c）N-乙酰化壳聚糖（CS）；（d）乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）；（e）藻蓝蛋白（Pgm）；（f）桉叶油素（所用植物油的代表分子）（EO）
 

PHBV 作为聚羟基烷酸酯（PHAs）家族的重要成员，由微生物利用不同碳源基质产生，具有天然的疏水性和耐湿性。其杨氏模量为 3-6 GPa，拉伸强度为 22-34 MPa，熔点、结晶度和玻璃转化温度均与聚丙烯和聚乙烯相当。X射线散射分析显示，PHBV 在复合材料中保持了较高的结晶度，形成了稳定的晶体结构。

 

图：所选复合材料配方中使用的生物材料：（a）PLA 颗粒；（b）PLA 试样；（c）PHBV 试样；（d）PHBV/PLA 试样；（e）PHBV/PLA/CS 试样；（f）PHBV/PLA/CS/藻蓝蛋白（Pgm）/ATBC/植物精油（OE）试样；（g）藻蓝蛋白；（h）ATBC/植物油溶液；（i）壳聚糖；（j）PHBV/PLA/CS/藻蓝蛋白（Pgm）/植物精油颗粒

 

 

PLA 作为最广泛应用的生物基热塑性聚酯之一，由天然资源制备而成，具有良好的光学、热学和力学性能。研究中使用的 PLA 呈无定形状态，在复合材料中主要分散在 PHBV 的无定形区域内，这种结构有助于改善整体材料的加工性能和力学性能。

 

壳聚糖作为地球上储量第二丰富的天然聚合物，每年从各种来源提取数百万吨。研究团队将壳聚糖研磨至平均粒径 0.71 ± 0.2 毫米，作为增强填料加入复合材料中。扫描电镜分析显示，壳聚糖纤维被引入到聚合物基体中，但仍可见孔洞和界面结合不足，呈现两相共存的结构特征。

图：扫描电镜（SEM）横截面图像：纯 PLA（a）、纯 PHBV（b）、PHBV/PLA 配方（c）、PHBV/PLA/CS 配方，可观察到 CS 纤维的结合（红圈）和 CS 被拉出的位置（矩形框）（d）以及 PHBV/PLA/CS/OE/Pgm/ATBC（e）
 

 

功能性添加剂的协同作用

 

乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）在配方中发挥关键的增塑作用，占总配方的 10%。ATBC 通过降低聚合物链间的分子间作用力，增加链段迁移率，从而改善材料的柔韧性和加工性能。差示扫描量热分析（DSC）结果显示，ATBC 的加入使复合材料的玻璃转化温度降低至约 54°C（对比未添加时约 60–62°C），证实了其增塑效果。

 

植物精油的添加不仅赋予材料天然香味，还能降低水蒸气渗透率。研究采用的精油主要成分为单萜类化合物，如柠檬烯和桉叶油素。虽然精油含量仅占 1%，但其对材料的柔韧性和感官特性产生了积极影响。

 

藻蓝蛋白作为天然蓝色素，同样以 1% 的比例加入配方中。这种来自螺旋藻的天然色素不仅提供了吸引人的蓝色外观，还验证了天然色素在高温加工过程中的稳定性。在 205°C 的加工温度下，藻蓝蛋白会出现一定程度的降解并导致颜色变化，但仍能维持可见的蓝色外观。

 

 

综合性能表现优异

 

机械性能测试显示，不同配方的复合材料表现出差异化的性能特征。基础的 PHBV/PLA 混合物显示出 32 MPa 的拉伸强度和 804 MPa 的杨氏模量。加入壳聚糖后，杨氏模量提升至 871 MPa，表明材料抗变形能力的增强，但拉伸强度略有下降至 25 MPa。

 

完整的六组分体系在 ATBC 的塑化作用下，拉伸强度与模量较前述两种配方进一步下降，断裂伸长率明显提升，整体拉伸行为与 PE 及部分 PP 的典型区间存在重合。

 

热稳定性分析揭示了材料的加工窗口。热重分析（TGA）显示，纯 PLA 具有最高的热稳定性，2% 失重温度为 308°C。而 PHBV 及各种复合材料的初始降解温度集中在 255-262°C 范围内。这一温度范围为材料的熔融加工提供了足够的安全边际。
 

 

 

 

先进加工技术的适应性验证

 

研究团队通过多种加工技术验证了材料的工业化应用潜力。双螺杆挤出实验采用 Werner & Pfleiderer ZSK25 × 38D 共旋转双螺杆挤出机，螺杆直径 25 毫米，加工温度范围 150-180°C。熔体流动速率（MFR）测试显示，PHBV 的 MFR 值为 13.9 g/10 min，而 PLA 为 42.7 g/10 min。PHBV/PLA 混合物的 MFR 值介于两者之间，表明混合后仍保持良好的流动性。

 

注射成型采用 BOY 22 A 注射成型机，制备符合 ISO 527-2:2012 标准的哑铃型试样。各配方的注射参数在 175–190°C 区间进行调整，模具温度维持在 40–60°C。

 

3D 打印技术验证展现了材料在个性化包装制造方面的潜力。使用 Piocreat G5 FGF 熔融造粒制造技术，通过 1.8 毫米喷嘴在 205°C 下以 20 mm/s 的速度成功打印出化妆品包装底座原型。这一温度是通过从 185°C 开始逐步调试确定的最佳工艺参数。
表面特性与降解行为

 

接触角测试揭示了材料的表面润湿特性。所有开发的复合材料都表现出亲水性行为，接触角均小于 90°。纯 PLA 的接触角为 72.1°，PHBV 为 77.2°，完整配方测得接触角高于前述两种配方，仍低于 90°，呈亲水特征，更易发生水解降解。

 

红外光谱（FTIR）分析显示，各组分之间没有形成强化学相互作用，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 伸缩振动、1746 cm⁻¹ 的 C=O 伸缩振动。PHBV 的特征峰出现在 2968 和 2913 cm⁻¹（C-H 伸缩）以及 1720 cm⁻¹（C=O 伸缩）处。

 

图：所开发配方的 FTIR 光谱：PLA、PHBV、PHBV/PLA、PHBV/PLA/CS 和 PHBV/PLA/CS/OE/Pgm/ATBC
 

 

 

产业化前景与技术挑战

 

全球化妆品包装市场持续增长，预计到 2032 年将达到 510 亿欧元。随着消费者环保意识的不断提升和监管政策的日趋严格，生物基包装材料的市场需求正在快速增长。据预测，全球生物塑料产量将从 2023 年的 218 万吨增长至 2028 年的约 743 万吨。

 

化妆品和洗涤用品包装主要使用聚乙烯和聚丙烯材料，在刚性和柔性包装解决方案的各个细分领域都有广泛应用。这种新开发的生物基复合材料在性能上与传统材料相当，为行业提供了可行的替代方案。

 

然而，材料的产业化仍面临一些技术挑战。研究显示，增塑剂 ATBC 在改善材料柔韧性的同时也会导致机械强度的下降，需要通过优化配方比例或改进加工工艺来平衡这一矛盾。此外，天然色素在高温加工过程中的颜色稳定性仍需进一步改善。

 

3D 打印工艺方面，材料在熔融造粒制造过程中需要精确控制温度，过高的温度会导致组分降解，过低则影响流动性。目前确定的 205°C 加工温度为后续工艺优化提供了重要参考。

 

这项研究成果代表了生物基包装材料领域的重要突破，为化妆品行业向可持续发展转型提供了切实可行的技术路径。随着工艺技术的不断完善和成本的进一步优化，这类全生物基材料有望在未来几年内实现商业化应用，推动整个包装行业向更加环保和可持续的方向发展。

 

 

参考资料：

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.

来源：

作者：John Xie