综述：可生物降解塑料性能增强的研究进展

《Environmental Research》：Advances in Enhancing the Properties of Biodegradable Plastics

本综述系统梳理了通过填充、涂层、静电纺丝等技术提升可生物降解塑料（BPs）力学性能、水蒸气阻隔性和热稳定性的研究进展，分析了改性策略对材料生物降解性的影响，并探讨了其在食品包装、医药、农业等领域的可持续应用前景，为BPs的产业化发展提供了重要参考。

　　

可生物降解塑料性能增强的研究进展

Abstract

可生物降解塑料（BPs）作为传统合成塑料的有前景替代品已受到广泛关注。然而，其机械性能、水蒸气阻隔能力和热稳定性仍需进一步提升以满足市场需求。本综述总结了改善BPs性能的方法，包括填充、涂层和静电纺丝，并分析了这些方法如何影响其生物降解性。此外，讨论了BPs的应用，强调其发展既可持续又实用。

Introduction

合成塑料是通过烃类聚合合成的高分子量聚合物。传统类型如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）具有良好的机械强度、阻隔性能、可成型性和低成本，因此在日常生活中得到广泛应用并带来相当大的便利。然而，这些塑料的不可生物降解性引发了严重的环境问题，包括对海洋生物的威胁、焚烧有害污染物的排放以及微塑料的生物累积。塑料的大量消耗，加上废物管理不足，已造成显著的生态影响。通过回收、降解和开发可持续替代品来解决这些问题是一项紧迫的科学和社会挑战。

为了减少传统塑料的生产和消费，可生物降解塑料（BPs）被开发为有前景的替代品。BPs不仅满足实际需求，而且表现出良好的生物降解性。BPs被定义为可被天然微生物（包括细菌、真菌和藻类）降解的塑料，其生物降解过程涉及微生物定殖、理化变化，并最终矿化为CO₂、水和生物质。目前，有多种BPs可用，如聚乳酸（PLA）、淀粉基聚合物、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、纤维素衍生物和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。由于其替代传统塑料和减轻环境影响的潜力，BPs已成为当前研究和开发的主要焦点。

根据欧洲生物塑料公司的数据，2023年全球BPs产能为101.1万吨，预计到2029年将增长3.9倍。尽管增长前景乐观，但BPs的更广泛应用仍受到若干限制，特别是在机械强度、热稳定性和耐湿性方面。尽管对BPs进行了广泛研究，但仍缺乏对其整体性能提升策略的系统综述。

本文旨在通过回顾改善BPs性能的研究进展来填补这一空白。它系统总结了当前的增强方法，如填充、涂层和静电纺丝，并从原理和效果的角度分析了其优缺点。随着BPs在环境保护中的日益应用，制造过程中添加剂的选择已成为关键研究焦点。本综述还评估了这些增强策略对BPs生物降解性的影响。此外，讨论了在食品包装、医药和农业中的应用性能改进策略，从而为未来研究提供见解和指导。

Section snippets

Classification of common BPs

BPs包括可生物降解的化石基聚合物（如PBAT）和可生物降解的生物基聚合物（如PLA、PHA和淀粉）。2023年，生物基品种占总BP产量的50.07%。需要注意的是，“可生物降解”常被错误地等同于“可堆肥”，导致误解所有BPs在自然环境中都能快速降解。实际上，虽然一些BPs如PLA在工业堆肥条件下可降解，但在自然环境中降解缓慢。

Methods to improve BPs performance

作为传统塑料的可持续替代品，BPs具有良好的生物降解性，但常在机械强度、热稳定性、柔韧性和耐水性方面面临限制。为解决这些问题，已开发各种改性策略。引入功能性填料可通过优化配方和加工增强机械和热性能以及湿气阻隔性能。涂层技术改善表面特性，而静电纺丝可制备纳米纤维膜以增强阻隔性和机械性能。

Implications for the enhancement of BPs properties

BPs在食品包装、农用薄膜和医药应用等领域有广泛应用。它们不适用于需要保持不可降解性的产品，如水管和乐高玩具。虽然BPs在环境可持续性和生物降解性方面具有显著优势，但需考虑每个应用的具体要求以确定最合适的材料。

Future perspectives

BPs被认为是传统化石基塑料的有前景替代品。尽管在增强其性能方面取得了实质性进展，但仅性能改进不足以确保实际部署。从实验室研究成功过渡到商业应用需要系统评估更广泛的标准，包括可扩展性、成本效益和环境影响。生命周期评估（LCA）是一种成熟的方法，用于量化BPs从原材料提取到报废处理的全环境 impacts。

Discussion and Conclusion

成核剂、相容剂和增塑剂是增强BPs性能的三类基本添加剂。成核剂通过提供异质成核位点促进BPs结晶，从而改变结晶行为和晶体结构。这种结晶增强导致更高结晶度，提高了BPs的强度、刚度和韧性。然而，引入外来成核剂可能会影响生物降解性，因为增加的结晶度可能减缓微生物攻击。相容剂通过改善填料与聚合物基质之间的界面粘附来增强机械性能，但某些相容剂可能对生物降解产生负面影响。增塑剂通过降低玻璃化转变温度来提高柔韧性和加工性，但可能迁移到表面并影响生物降解速率。因此，添加剂的选择需平衡性能增强与生物降解性。

涂层技术，如多层涂层和生物基涂层，可显著改善BPs的水蒸气阻隔性和机械性能。然而，涂层可能改变表面特性，影响微生物附着和酶可及性，从而可能延缓生物降解。静电纺丝可制备具有高比表面积和可控孔隙率的纳米纤维膜，增强阻隔性能和机械强度，但纳米纤维结构可能影响降解动力学。

总之，虽然各种策略可有效增强BPs性能，但其对生物降解性的影响必须仔细评估。未来研究应侧重于开发既能提高性能又不损害生物降解性的创新方法，并考虑可扩展性、成本效益和环境影响，以推动BPs的实际应用。

CRediT authorship contribution statement

Can Su: 审阅编辑。Minghai Wang: 审阅编辑，概念化。Lihui Zhang: 审阅编辑，监督，资金获取。Jiahuan Ling: 审阅编辑。Yunhan Li: 原始起草，调查，概念化。Rui Chen: 审阅编辑，原始起草，可视化，调查，概念化。

Uncited reference

EuropeanBioplastics BIOPLASTICS MARKET.

Data availability

数据可根据要求提供。

Declaration of Competing Interest

作者声明无已知竞争性财务利益或个人关系可能影响报道工作。

Declaration of Competing Interest

?? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在竞争利益：Lihui Zhang报告获得国家自然科学基金资助。Lihui Zhang报告获得江苏合成生物学基础研究中心资助。报告关系包括：。有专利待批。如有其他作者，他们声明无已知竞争。

Acknowledgments

本工作得到国家自然科学基金（22408179）和江苏合成生物学基础研究中心（BK20233003）资助。