综述：农业废弃物可持续3D打印食品包装：材料、性能与应用的综述

这篇综述系统探讨了将农业废弃物转化为3D打印食品包装材料的创新技术，重点分析了生物聚合物（如PLA）与天然填料（如稻壳、甘蔗渣）的复合应用。文章阐述了熔融沉积成型（FDM）等3D打印技术的优化参数（温度、压力、打印速度），并强调了此类材料在减少碳足迹（68%温室气体减排）和促进循环经济中的潜力，同时指出其面临的湿度敏感性、机械强度不足等挑战。

　　

农业废弃物可持续3D打印食品包装：材料、性能与应用的综述

摘要

将农业废弃物转化为3D打印食品包装材料，是近年来融合增材制造与废弃物升级回收技术的突破性研究方向。通过将稻壳、甘蔗渣等富含纤维素、木质素的废弃物加工成生物聚合物基复合材料，可替代传统石油基塑料，实现包装材料的可持续化。研究表明，聚乳酸（PLA）与10%荞麦壳（BH）复合后结晶度提升，而甘蔗渣复合材料在500 mm/min打印速度下展现出最佳层间结合效果。此类材料在工业堆肥条件下90-180天即可降解，较传统塑料减少68%温室气体排放。

潜在农业工业废弃物

农业废弃物如芒果皮提取物可增强明胶薄膜的抗氧化性（提升拉伸强度35%），马铃薯皮纳米纤维素则能显著改善聚乙烯醇薄膜的抗菌性。稻壳因其高硅含量（15-20%）成为增强PLA的理想填料，而可可豆壳（CBS）与聚丙烯复合后热稳定性提高，收缩率降低50%。表1对比了不同废弃物的复合材料性能：例如稻壳/锯末生物苯并恶嗪的拉伸强度达7.5 MPa，而玉米芯半纤维素3D打印材料的机械性能仍逊于传统挤出工艺。

3D打印食品包装材料

熔融沉积成型（FDM）是主流技术，其通过计算机辅助设计（CAD）将材料逐层堆积。关键突破包括：

• 稻壳+瓜尔胶（GG）：1% GG使非打印材料转化为可打印浆料，成功制备食品包装盒
• 香蕉皮/甘蔗渣（1:1）：在400 mm/min打印速度下实现0.330 g/min稳定挤出
• PLA/荞麦壳：10% BH填充使结晶温度提升至215°C，但过量填充会导致脆性增加

值得注意的是，美国Mission Viejo公司已开发出可自搅拌的生物降解杯，将饮料成分封装于杯壁，展示了产品与包装一体化的创新方向。

3D打印方法

不同技术各具特点：

• 光固化（VPP）：使用低粘度（20-40 cP）光敏树脂，但材料易脆且含潜在毒性
• 粉末床熔融（PBF）：选择性激光烧结（SLS）可处理金属/聚合物粉末，零件密度高但成本昂贵
• 材料挤出：FDM技术成本低，但PLA/农业填料复合材料易出现各向异性（层间强度降低15-20%）

表3显示，甘蔗渣在3.2 bar压力、240 rpm电机转速下打印效果最佳，而可可壳/聚丙烯需250°C喷嘴温度以避免翘曲。

操作参数影响

温度：PLA在>200°C时降解，而稻壳填料会加速热分解（TGA证实失重峰前移20°C）。
压力：3.2 bar压力使甘蔗渣复合材料孔隙率降低40%，但过高压力会导致PLA分子链断裂。
打印速度：香蕉皮复合材料在600 mm/min时出现欠挤出，降至400 mm/min后拉伸强度提升18%。
冷却速率：慢冷使PLA/木纤维复合材料结晶度提高30%，但透明度下降50%。

商业应用与挑战

目前商业化案例包括：

• PLA/稻壳：用于FDM线材，包装盒抗压强度达11.04 MPa
• 大豆基花盆：含7.5%大豆水解物，支持植物生长且180天完全降解
  主要挑战在于：

1. 湿度敏感性（甘蔗渣在>50% RH下吸水率>0.07 g/g）
2. 热稳定性差（木质素在190°C开始分解）
3. 监管障碍（需符合FDA 21 CFR 177.1520食品接触材料标准）

未来展望

前沿方向包括：

• 纳米纤维素增强：通过表面交联改善疏水性（接触角提升至110°）
• 智能包装：集成pH敏感染料监测食品新鲜度
• 政策推动：欧盟EC 1935/2004法规要求材料迁移量<10 mg/dm²

该技术有望将30-40%的农业废弃物转化为高值包装材料，推动实现联合国SDG 12可持续消费目标。