一种含有咖啡渣的可降解复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种含有咖啡渣的可降解复合材料及其制备方法 (Degradable composite material containing coffee grounds and preparation method thereof ) 是由 韩坤 韩子煊 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含有咖啡渣的可降解复合材料及其制备方法。本发明的技术方案是：包括咖啡渣、天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及凝固剂,制备时将原料混合均匀形成混合料,在将混合料通过机械模压或挤出成型或者手工成型制成需要的制品形状,最后将成型后的制品进行低温烘烤固化或者自然晾干固化即可。本方案无论是湿的咖啡渣还是干燥的咖啡渣都可以利用,制备方法简单快速,能够保留利用咖啡渣香味的同时,加工制作简单且节能环保,其制成的复合材料制品强度好且可以方便快捷的降解。(The invention discloses a degradable composite material containing coffee grounds and a preparation method thereof. The technical scheme of the invention is as follows: the coffee bean curd is prepared by uniformly mixing raw materials to form a mixture, preparing the mixture into a required product shape through mechanical die pressing, extrusion molding or manual molding, and finally baking and curing the molded product at a low temperature or naturally airing and curing the molded product. According to the scheme, both wet coffee grounds and dry coffee grounds can be utilized, the preparation method is simple and quick, the fragrance of the coffee grounds can be kept and utilized, the processing and the manufacturing are simple, energy is saved, the environment is protected, and the prepared composite material product is good in strength and can be degraded conveniently and quickly.)
技术领域
本发明涉及生物质废料再利用及可降解材料
技术领域
，特别涉及一种含有咖啡渣的可降解复合材料及其制备方法。背景技术
咖啡是世界三大饮料之一，但无论是在生产速溶咖啡过程中所排出的咖啡渣还是在咖啡店里产生的咖啡渣，其后续处理都是一个难题。干咖啡渣占咖啡豆的重量超过60%，据公开资料显示，仅仅星巴克一家公司，每天都会产生的咖啡渣就达到200吨以上。随着中国喝咖啡人数的增加，以及更多咖啡店的普及，随之而来的咖啡渣的量也大幅度增加。目前，绝大部分的咖啡渣都当作垃圾被废弃掉，废弃不仅会造成资源浪费，还对环境造成一定程度的污染。
在如何处理和有效再利用咖啡渣这一课题上，目前已经有几种方案，比如：
1，用于植物栽培土壤或者食用菌类的培养基，以增加土壤或者培养基的生物营养效果。但此方法对于咖啡渣的价值体现非常有限，而且在成本，获取方便性上不如传统木屑，边角料木粉等材料。
2，将咖啡渣中的脂肪类物质萃取出来，做成生物柴油。但咖啡渣中的脂肪含量并不高，从已经报道的资料来看，只有一家英国公司开展此项业务。从公开的收益情况判断，经济效益也不明显，远低于餐厨废弃油脂的收益情况。也有将咖啡渣中的香味物质萃取出来，做成咖啡精油。以上两个方案中，还是有咖啡渣被残留下来，仍然需要进一步处理。
3，将咖啡渣和高分子材料做成复合材料，这也是目前咖啡渣应用中被研究的最多的一种。从报道来看，已经有相关的产品，如可以将咖啡渣和聚丙烯、密胺等高分子材料进行复合改性，得到的复合材料可以用于桌椅的制造，汽车板材的制造，餐具的制造等。如有报道称，星巴克和福特汽车合作，在美国推出了一定量的福特汽车，其前保险杠所用的就是复合了咖啡渣的聚丙烯材质。这种应用虽然拓展了咖啡渣的回收价值，但也仍然存在诸多问题：咖啡渣是可以降解的，但是聚丙烯、密胺等高分子材料却非常难降解（聚丙烯也是白色污染的主要几种高分子，自然条件下很难降解）。这些复合材料在被废弃后还是只能通过高温焚烧分解来达到无害化，咖啡渣的生物可降解特性几乎没有体现。另外，这些咖啡渣相比传统填料如滑石粉，甚至木粉，竹粉，稻壳粉等，无论物理性能还是成本上也都没有优势。所以上述的星巴克和福特的合作，只是做了很少量几台展示汽车而已。除了聚丙烯等石油基高分子以外，还有一些可降解的高分子材料被用来与咖啡渣复合，如已经有公开资料显示，用咖啡渣和聚乳酸共混，制成的复合材料，可以用于日常生活多个领域，特别是一次性刀叉勺、杯子、薄膜、办公用品、园艺用品等。这样获得的成品既对咖啡渣实现了再利用，也可全降解。但由于聚乳酸的成本相比普通石油基塑料要昂贵很多，造成其大范围的推广受到极大限制。而且，聚乳酸是否可以完全被降解也还有争议（聚乳酸的膜相对来说可降解快些，但做成块材，板材，降解就非常慢了）。而咖啡渣作为可降解高分子聚乳酸等的填料，也未体现出比竹粉，木粉，稻壳粉等其他生物质填料更有价值的特性。
以上的种种应用中，要么因为成本因素，要么因为性能因素，造成咖啡渣的应用始终处于非常小众的范围。另外，还有三个重要因素也导致了咖啡渣的应用受到限制：
第一：目前几乎所有的应用中，都几乎没有利用到咖啡渣中的香味物质。咖啡豆在被榨取后，仍有大量香味物质存留在于咖啡渣中。据专业文献报道，咖啡渣中仍然残留有超过200种香氛物质，这些香味物质也是咖啡渣最为有价值的部分之一。但在已知的目前的应用中，咖啡渣的香味反倒被忽略了，甚至是完全被丢弃了。这样就大大降低了咖啡渣的再利用价值。有报道显示咖啡渣与聚丙烯或聚乳酸等高分子做成复合材料有咖啡香味，但因为咖啡渣在高温烘干除水、粉碎机粉碎以及与聚丙烯或聚乳酸高温下混合及成型（聚丙烯的注塑成型温度一般为200~310℃；挤出成型温度一般为180~300℃。聚乳酸的加工温度相对较低，但也需要160℃以上。），都导致了咖啡渣中的香味物质大部分都挥发或者分解掉了，所以这种制品的咖啡香味极小，体现不出咖啡渣的独有特点。
第二：咖啡渣刚被生产出来的时候是湿的，含有大约一半左右的水分。在以上描述的应用中，都要把咖啡渣烘干到非常低的含水量。研究显示，湿咖啡渣常温下48小时内不处理，就会发酵，发霉腐败，以至于彻底变成垃圾。有些应用还需要咖啡渣在干燥后再粉碎成更细小的粉末，比如加入到高分子材料中做成复合材料为了更光滑的外观，至少要把干咖啡渣粉碎到200目以下。而无论烘干湿咖啡渣，去除其中一半的水分，还是粉碎，过筛分级，又需要伴随大量的能耗。因此，在作为天然生物质填料时，咖啡渣的成本要远高于木粉、竹粉和稻壳粉等这些低含水率、可自然晾干的生物基材料。
第三：干燥的咖啡渣中，除了纤维素以外，还有相当比例的糖，蛋白质，油脂。当作为填料使用，咖啡渣中的这些物质实际上是非常不利于复合材料性能的。有报道显示，当干燥的咖啡渣在聚丙烯或者聚乳酸种填料量超过40%的时候，制成的复合材料制品表面就会有油状物析出。所以在很多情况下，为了达到更高的填充量、更好力学性能和外观，咖啡渣在与聚丙烯等高分材料复合前，还要经过多道程序，除去其中的糖分，蛋白质和油脂。显然这样的再利用既不环保，也没有任何经济效益（与咖啡渣相比，木粉、竹粉和稻壳粉中，除了纤维素，木质素，其他组分的含量非常低，除了干燥粉碎，无需其他处理的必要）。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种含有咖啡渣的可降解复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种含有咖啡渣的可降解复合材料，按质量百分比计算，包括10~95%的咖啡渣、5~80%的天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及0~15%的凝固剂。
优选的，按质量百分比计算，包括25~90%的咖啡渣、7.5~70%的天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及0~10%的凝固剂。
优选的，按质量百分比计算，包括55~85%的咖啡渣、10~50%的天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及0~5%的凝固剂。
优选的，所述天然粘合剂材料为植物胶、动物胶以及植物淀粉中的一种或几种的组合。
优选的，所述植物胶为阿拉伯胶、大豆胶、瓜尔豆胶、田菁胶、胡麻胶、香豆胶以及沙蒿胶中的一种或几种的组合，所述动物胶为明胶、骨胶、虫胶以及酪蛋白胶中的一种或几种的组合，所述植物淀粉为糯米胶、淀粉以及谷物粉中的一种或几种的组合。
优选的，所述天然粘合剂材料为虫胶、酪蛋白胶或大豆胶时需要使用凝固剂，所述凝固剂为为氢氧化钙或氢氧化钠或硅酸钠或硅酸钾以上几种的组合。
优选的，所述水溶性可降解高分子材料为聚乙烯醇。
一种含有咖啡渣的可降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将咖啡渣、天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及凝固剂混合均匀形成混合料；
S2、将混合料通过机械模压成型或挤出成型或者手工成型制成需要的制品形状；
S3、将成型后的制品进行低温烘烤固化或者自然晾干固化。
本发明相对于现有技术具有如下优点，无论是湿的咖啡渣还是干燥的咖啡渣都可以利用，尤其是湿咖啡渣的利用，大大节约了因烘干、粉碎、筛分造成的能耗，简化了工艺流程；加工工艺简单，无论模压成型，挤出成型或者手工成型都可以。成型后可以低温烘烤固化或者自然晾干硬化都可以。更为有价值的是，加工过程甚至可以在咖啡店里完成，即，咖啡豆被研磨，做出一杯咖啡，湿咖啡渣就立即可以通过上述过程，在几分钟内成型。待客户喝完一杯咖啡的时间，刚刚做好成型的咖啡渣复合物成型品，就可以给顾客了。理想情况下，甚至可以做到咖啡店里不会产生咖啡渣垃圾。咖啡渣添加量高，按照咖啡渣干物质量计算（扣除其中一半左右的水分），最多可以添加超过八成，使得咖啡渣的利用达到最大化。取材广泛，成本低廉，很多天然粘合剂材料或人工合成的可降解水性高分子材料都可以被选择用来与咖啡渣成型。最大程度的保留了咖啡渣内的香味物质，因为没有经过高温烘干（低温烘烤或者自然晾干），高温成型固化或者超细的粉碎加工，咖啡渣内的香味物质被最大程度保留并在硬化过后持续缓慢释放。不使用不可降解的高分子材料，成品可以被燃烧掉，或者进到湿润的土壤里，水体里，都会重新分解成咖啡渣和可降解的物质。实现了可完全降解，对环境友好，绿色环保。加工后的成品可制成多种形状、大小的物件，如压制或者挤出成块状，条状，甚至是更为具体的形态，如烟灰缸，糖果盒，卡通人物造像，防烫垫等等。也可以作为艺术创作的坯料，手工完成成型，创作成各种形态的艺术品。成品可放置于汽车，衣橱，冰箱，卫生间，客厅，办公室，教室，酒店等多个场景并持续释放咖啡香味气氛。成品也可以作为壁炉的燃料，燃烧释放的热量高，而且有咖啡香味随着燃烧释放出来。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
为了高效地，充分地体现咖啡渣中的香味物质，以及更好利用咖啡渣中的纤维素。利用天然粘合剂材料或人工合成的水溶性可降解高分子材料与咖啡渣的复合，快速成型，通过加热烘烤或者自然晾干成型。制成的成品中，咖啡渣中的纤维素起到了骨架和支撑作用，好比是钢筋混凝土中的碎石和麻刀，而天然粘合剂材料或人工合成的可降解水性高分子材料则好比是水泥，因此得到的成型复合材料具有很高的强度。更因为在制造过程中，咖啡渣与天然粘合剂材料或人工合成的可降解水性高分子材料的混合物的凝固过程中无需更多处理，咖啡渣中的香味物质被最大程度的保留，咖啡香味得以持久释放，也节省了能耗。该复合材料的成型方法可以是模压成型，挤出成型及手工成型等多个方案。在被水浸泡后，短时间内就能崩解成其组成的咖啡渣和天然粘合剂或者人工合成的水溶性可降解高分子材料，不会对环境造成任何污染。是一种既能做到充分利用，而又对环境友好的咖啡渣再利用方案。
一种含有咖啡渣的可降解复合材料，按质量百分比计算，包括10~95%的咖啡渣、5~80%的天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及0~15%的凝固剂。
优选的，按质量百分比计算，包括25~90%的咖啡渣、7.5~70%的天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及0~10%的凝固剂。
优选的，按质量百分比计算，包括55~85%的咖啡渣、10~50%的天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及0~5%的凝固剂。
优选的，所述天然粘合剂材料为植物胶、动物胶以及植物淀粉中的一种或几种的组合。
优选的，所述植物胶为阿拉伯胶、大豆胶、瓜尔豆胶、田菁胶、胡麻胶、香豆胶以及沙蒿胶中的一种或几种的组合，所述动物胶为明胶、骨胶、虫胶以及酪蛋白胶中的一种或几种的组合，所述植物淀粉为糯米胶、淀粉以及谷物粉中的一种或几种的组合。
优选的，所述天然粘合剂材料为虫胶、酪蛋白胶或大豆胶时需要使用凝固剂，所述凝固剂为为氢氧化钙或氢氧化钠或硅酸钠或硅酸钾以上几种的组合。
优选的，所述水溶性可降解高分子材料为聚乙烯醇。
一种含有咖啡渣的可降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将咖啡渣、天然粘合剂材料或者人工合成的水溶性可降解高分子材料以及凝固剂混合均匀形成混合料；
S2、将混合料通过机械模压成型或挤出成型或者手工成型制成需要的制品形状；
S3、将成型后的制品进行低温烘烤固化或者自然晾干固化。
实施例一
将1公斤新鲜湿咖啡渣（来自星巴克，测试含水率为48.5%）投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料食品级阿拉伯胶粉末550克（100目），完全混合均匀后将料取出，在模具上模压成型为3厘米直径，1厘米厚度的饼状。在室温下干燥24小时，即可完全硬化成型。硬化前后称重，计算出完全硬化后成品中干咖啡渣含量为46%。成品室温下放置6个月，仍有很浓的咖啡香味。经测试，将样块投入到常温的清水中，40分钟后，即完全解离。
实施例二
将500克干燥咖啡渣（来自星巴克的湿咖啡渣，烘干后使用，测试含水率为小于2%）投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料300克瓜儿豆胶粉末及糊状糯米胶500克（市售），完全混合均匀后，将料取出，在模具上模压成型2厘米*2厘米*2厘米厚度的块状。在50度烘箱中加热干燥5小时，即可完全硬化成型。硬化后称重，计算成品中干咖啡渣含量为60%。成品放置在汽车里3个月，仍有很怡人咖啡香味。经测试，将成品浸泡在水中，2小时后，块状物崩解。
实施例三
将12公斤湿咖啡渣（来自全家便利店，测试含水率为52%）投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料5公斤大豆粉（100目），混合均一后，再分批加入熟石灰（氢氧化钙）1公斤，硅酸钠100克，继续搅拌5分钟直至呈现均一状态。然后将料取出，在模具上模压成型为10厘米直径，1厘米厚度的饼状。在室温下干燥24小时，即可完全硬化成型。硬化后称重，计算成品中干咖啡渣含量为55%。成品放置在汽车里3个月，仍有淡淡的咖啡香味不断释放。经测试，将成品破碎成小块状，浸泡在水中，8小时后，块状物被水溶胀并进一步崩解成咖啡渣和细小的沙粒状物质。
实施例四
将150克干燥咖啡渣（测试含水率为小于2%）投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投入骨胶粉末60克及聚乙烯醇（型号2488）粉末50，完全混合均匀后，150克水，继续搅拌几分钟直至呈现均一状态。然后将料取出，在挤条机上挤出成条形，规格为直径5毫米，长度1厘米。在烘箱中于50度烘烤1小时，即可完全硬化成型。硬化后称重，计算成品中干咖啡渣含量为57%。成品放置3个月，仍有咖啡香味。将成品浸泡在水中，1小时后，条状物崩解成咖啡渣和其他水溶性物质。
实施例五
将5公斤干燥并粉碎的咖啡渣（测试含水率为小于2%，50目）投料到搅拌机中，开动搅拌，然后加入2公斤玉米淀粉及1公斤糯米粉。搅拌均匀后，再投入适量水并继续搅拌，使得混合物呈现粘土状。然后将料取出，手工成型（类似泥塑或者面塑）。成型后在蒸笼中蒸分钟。取出自然晾干。即可完全硬化成型。硬化后称重，计算成品中干咖啡渣含量为63%。经测试，成品放置3个月后，仍有咖啡香味不断释放。
实施例六
将8公斤湿咖啡渣（来自瑞幸咖啡店，测试含水率为为52%）投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料1公斤聚乙烯醇粉末（型号1788，50目）完全混合均匀后，然后将料取出，挤条机上挤出成型。在室温下干燥20小时，即可完全硬化成型。硬化后称重，计算成品中干咖啡渣含量为80%。经测试，成品放置在房间内3个月，仍能闻得到咖啡香味。
本发明相对于现有技术具有如下优点，无论是湿的咖啡渣还是干燥的咖啡渣都可以利用，尤其是湿咖啡渣的利用，大大节约了因烘干、粉碎、筛分造成的能耗，简化了工艺流程；加工工艺简单，无论模压成型，挤出成型或者手工成型都可以。成型后可以低温烘烤固化或者自然晾干硬化都可以。更为有价值的是，加工过程甚至可以在咖啡店里完成，即，咖啡豆被研磨，做出一杯咖啡，湿咖啡渣就立即可以通过上述过程，在几分钟内成型。待客户喝完一杯咖啡的时间，刚刚做好成型的咖啡渣复合物成型品，就可以给顾客了。理想情况下，甚至可以做到咖啡店里不会产生咖啡渣垃圾。咖啡渣添加量高，按照咖啡渣干物质量计算（扣除其中一半左右的水分），最多可以添加超过八成，使得咖啡渣的利用达到最大化。取材广泛，成本低廉，很多天然粘合剂材料或人工合成的可降解水性高分子材料都可以被选择用来与咖啡渣成型。最大程度的保留了咖啡渣内的香味物质，因为没有经过高温烘干（低温烘烤或者自然晾干），高温成型固化或者超细的粉碎加工，咖啡渣内的香味物质被最大程度保留并在硬化过后持续缓慢释放。不使用不可降解的高分子材料，成品可以被燃烧掉，或者进到湿润的土壤里，水体里，都会重新分解成咖啡渣和可降解的物质。实现了可完全降解，对环境友好，绿色环保。加工后的成品可制成多种形状，大小的物件，如压制或者挤出成块状，条状，甚至是更为具体的形态，如烟灰缸，糖果盒，卡通人物造像，防烫垫等等。也可以作为艺术创作的坯料，手工完成成型，创作成各种形态的艺术品。成品可放置于汽车，衣橱，冰箱，卫生间，客厅，办公室，教室，酒店等多个场景并持续释放咖啡香味气氛。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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