CN107964254B - 含茶粉的可降解复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含茶粉的可降解复合材料及其制备方法与应用。将茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂以重量比为4:1:1混合后，获得具有可塑性的茶黏土材料，将茶黏土材料脱水成型得到基于可降解复合材料的板材、型材或直接加工为产品，其中，淀粉改性胶黏剂的制备方法为：将植物淀粉与浓度为5％的醋酸溶液、甘油混合于水中，加热搅拌，至沸腾后，所得的半透明胶状物即为所述淀粉改性胶黏剂，其中，植物淀粉、醋酸溶液、甘油、水的加入比例关系为10g：5ml：3ml：60ml。本发明制备了可生物降解的胶黏剂，解决了其他胶黏剂存在的问题，制备出可生物降解、具有茶叶纤维吸附性、气味缓释性的符合工业生产标准的环保可持续生物基复合材料。

Description

含茶粉的可降解复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及含茶粉的可降解复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

可降解的复合生物基材料的制备方法在于将处理后的生物质原料与可降解胶黏剂混合，制得成型方式、机械强度达到工业生产标准的复合材料。

中国是世界产茶大国。2016年，中国茶园面积287万公顷、产量240多万吨，种植规模世界第一，消费量超过200万吨。这些数字还在随着时间增长。在不断增长的茶产业背后，却隐藏着巨大的资源浪费问题。据中华全国供销总社杭州茶叶研究院原院长称，中国的茶产业面临着两个问题。第一个问题是产业产能过剩：2015年，我国茶叶总产量约230万吨，其中约30万吨茶叶未被消费，产销之间出现明显的不平衡。第二个问题是功能浪费：当前我国茶叶只有30％左右的鲜叶被采摘利用，70％左右的鲜叶由于各种原因不被采摘。由以上数据估算，2016年，约600万吨的茶叶、茶渣或其副产物资源未被利用，是我国茶产业链中巨大的资源浪费，也严重影响了我国茶产业的经济效益。茶叶、其副产物及茶叶渣由于富含纤维素和半纤维素，已有材料研究者将其研发为茶纤维材料，用于纺织领域。但是，茶叶由于其吸附性和茶香味的特性，还可以被用在其他产品设计领域。

目前尚未有相关技术将茶渣原料转化为可以生物降解的工业生产的材料，其技术限制主要在于起到成型固化作用的胶黏剂的可降解性，以及胶黏剂对于茶原料的吸附性、气味缓释性的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种含茶粉的可降解复合材料及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含茶粉的可降解复合材料，包括茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂，所述茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂重量比为4:1:1。(即茶粉与木质素纤维的质量比为4:1，茶粉与木质素纤维的混合物与淀粉改性胶黏剂质量比为5:1)，该复合材料可生物降解，可塑性高，成型工艺简单，生产耗能低。

所述茶粉为茶末、茶梗、茶叶或茶渣干燥、灭菌后打碎研磨得到的粉末，优选的实施方式中选用茶产业中的废料，如茶末、茶梗、茶叶或茶渣等废弃材料，以实现附加价值。

具体而言，所述茶粉的来源可以为茶产业生产过程中未被采摘的鲜叶、未被销售的茶叶、茶饮料厂浸泡过后的茶渣、茶生产过程中的茶梗、茶末等可被利用的茶叶废料资源。

所述茶粉来源种类不限，可包含茶产业常见中的绿茶、红茶、青茶、白茶、黑茶、黄茶等。

所述茶粉粒径为0.05mm-0.2mm，优选为0.1mm。

所述淀粉改性胶黏剂为由植物淀粉、醋酸溶液及甘油在水中发生反应形成的生物高分子胶状物，该生物高分子可生物降解。

所述淀粉改性胶黏剂的制备方法为：将植物淀粉与浓度为5％的醋酸溶液、甘油(丙三醇)混合于水中，加热搅拌，至沸腾后，所得的半透明胶状物即为所述淀粉改性胶黏剂；

植物淀粉、醋酸溶液、甘油、水的加入比例关系为10g：5ml：3ml：60ml。

所述淀粉改性胶黏剂为天然植物高分子胶黏剂，可在3-4周内生物降解。

所述木质素纤维对于可降解复合材料的成型起到增强强度和减少脱水过程的裂痕的作用。同时所用木质素纤维具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不影响环境，对人体无害，起到增稠抗裂作用。

一种含茶粉的可降解复合材料的制备方法，将茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂以重量比为4:1:1混合后，获得具有可塑性的茶黏土材料，即可降解复合材料。该可降解复合材料可任意塑形。

将茶黏土材料脱水成型得到基于可降解复合材料的板材、型材或直接加工为产品。

所述脱水成型的方法包括脱水干燥成型、离心密实脱水成型或高温压塑成型。

所述的脱水干燥成型的一种优选实施方式是将脱水前的茶黏土材料经过模具塑形后放入60-70℃(优选为65℃)的干燥恒温箱中恒温放置直到干燥成型。

所述的离心密实脱水成型的一种优选实施方式是将混合物放入模具中，将模具放入离心脱水机中，经过离心脱水形成紧实干燥的固体。

所述的高温压塑成型的一种优选实施方式是将混合物制成粘土状，在100摄氏度高温下模压成一定的形状，通常为5mm以下的薄片型，再通过烘干的过程使其完全脱水成型。

所述淀粉改性胶黏剂的制备方法为：将植物淀粉与浓度为5％的醋酸溶液、甘油(丙三醇)混合于水中，加热搅拌，至沸腾后，所得的半透明胶状物即为所述淀粉改性胶黏剂，其中，植物淀粉、醋酸溶液、甘油、水的加入比例关系为10g：5ml：3ml：60ml。

含茶粉的可降解复合材料可以用作香薰炉或茶具等使用，作为香薰炉使用时用于吸收精油，并缓释出精油的气味。

本发明选用茶粉的原因主要由以下两个原因：

首先，茶叶本身是一种具有网状结构、多孔、表面积很大的吸附剂。其浸泡过后产生的茶渣也具有吸附性，具有很强的吸附能力，茶渣同样具有较强的吸附能力，茶渣吸附水溶液中的亚甲基蓝(methylene blue)吸附力达到85.16mg/g。

其次，茶叶具有独特的茶香味，茶叶中发现并鉴定的香气成分约300种，有醇，醛，酮，酸，酯，内酯，酚及其衍生物，杂环类，杂氧化合物，硫化合物，含氧化合物共十余大类。在目前的茶叶品种中，乌龙茶含有香气物质最多，最高可达到500多种。

基于茶渣原料的吸附性和气味的缓释性，本发明将其制备为能够成型为不同产品的复合材料，在不同的产品中发挥其吸附性、气味缓释性和装饰性的作用。

本发明对比的可生物降解胶黏剂包含：PLA类可生物降解树脂、骨胶类动物胶黏剂以及干酪素。上述可生物降解的胶黏剂中：PLA类可生物降解树脂强度高，但其在180摄氏度左右熔融时流动性差，与茶渣粉末混合度低，且成型后的混合物质无法体现茶原料本身的吸附性等优点；骨胶类动物胶黏剂成型容易，流动性好，但形成的复合材料强度低、极易溶于水，且散发出臭味，不适宜工业生产；使用干酪素作胶黏剂形成的复合材料硬度低、脆，稳定性差，遇水发泡，不适宜做产品材料。因此，本发明制备的可生物降解的胶黏剂，解决了其他胶黏剂存在的问题，制备出可生物降解、具有茶叶纤维吸附性、气味缓释性的符合工业生产标准的环保可持续生物基复合材料。

本发明解决了我国目前茶行业浪费大、废料多的问题，并且创新地结合了茶叶渣与植物淀粉改性胶黏剂，使得所得的复合材料具备可降解、吸附性、缓释性、强度高、低成本的优点。

使用本发明中的淀粉改性胶黏剂与茶渣粉末混合成型，复合材料能够生物降解，且拥有稳定性、机械强度、吸附性等优异的性能。在脱水前，该复合材料具有极强的可塑性，在工业生产中可利用多种成型方式成型；脱水成型后，改复合材料的板材具有木材、竹材等天然纤维材料的雕刻、切割、铣、车加工性能。除了加工特性以外，脱水成型后的复合材料还具有茶叶纤维本身的吸附性和对气味的缓释性：不仅能够在自然条件下散发出茶香味，还能够吸收精油并缓释出精油的气味，10滴精油在室温下释放时间超过168小时。该材料由茶渣粉末和淀粉改性的胶黏剂混合而成，在塑形后脱水干燥后成型，成型后强度约为22kg/cm²，成型后能用CNC进行切割、铣、车等二次加工。

与实验过的其他胶黏剂相比，本发明用植物淀粉制备的可生物降解胶黏剂混合茶粉制得可生物降解的复合材料，可获得如下效应：

(1)植物淀粉胶黏剂环保、无毒、耗能低。制备所用的原料为淀粉、醋酸和甘油，制得的胶黏剂为完全可生物降解的植物高分子物质，可在3-4周内自然降解，制备中所需最高温度为100摄氏度，生产能耗低；

(2)植物淀粉胶黏剂和茶粉混合成型后，能够表现茶粉的气味、质感等等，与其他生物降解树脂如PLA等等相比，能够最大地展现茶叶植物本身的性质和优点。

(3)茶黏土材料在未脱水成型前不仅仅具有陶土的可塑性，又能够像木材一样任意切割、雕刻；同时在重量、成型性、加工性能方面又优于陶土和木材。相同体积下，它的重量约为陶土的二分之一；陶土成型的时候需要上千度的高温连续烧制，而本发明的茶黏土能够在自然条件下风干，在65摄氏度时能够更快脱水成型。本发明还发现，所得复合材料具有非常清新的茶香味、优异的吸附性和气味缓释性。它除了像木头一样纯天然，可降解，茶黏土本身清新的茶香味，融入在其坚硬的表面中，缓慢地散发出清香，能够为室内空气带来一丝清新。

(4)茶黏土材料生产成本低，所使用的原料茶粉来自于茶产业的资源浪费，所使用的淀粉可来自于农业中过剩的植物资源，醋酸和甘油的制备成本也很低，生产过程能耗低，环保且可持续。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

考察不同甘油添加量时，所得复合材料紧密效果

取5组10g淀粉分散于60ml水中，每组中加入5ml浓度为5％的醋酸溶液，分别加入5ml、4ml、3ml、2ml和1ml甘油。将5组混合物分别加热搅拌至半透明胶状，分别加入50g茶粉(茶渣、茶叶颗粒)，混合均匀后倒入模具中压紧。将模具放入65摄氏度恒温烘箱中干燥2小时，将半干燥状态的混合物从模具中取出，继续放入烘箱中干燥。分别观测5组所得复合材料的性质。

结果表明，所得复合材料硬度随着甘油的量减小而增大，干燥程度随着甘油的量减小而增加，同时考虑复合材料的紧密程度，以甘油为3ml时的第三组所得复合材料性能最好。

实施例2

考察茶粉与胶粘剂复配比例对于复合材料机械强度的影响

将300g茶叶或茶渣打磨成粉，均分为每组100g的三组。分别取15g、20g、50g淀粉制备成三种胶黏剂。

第一种胶粘剂的制备过程为：将15g的植物淀粉与7.5ml浓度为5％的醋酸溶液、4.5ml甘油(丙三醇)混合于90ml水中，加热搅拌5min，至沸腾。所得的半透明胶状物质为生物高分子胶黏剂。

第二种胶粘剂的制备过程为：将20g的植物淀粉与10ml浓度为5％的醋酸溶液、6ml甘油(丙三醇)混合于120ml水中，加热搅拌5min，至沸腾。所得的半透明胶状物质为生物高分子胶黏剂。

第三种胶粘剂的制备过程为：将50g的植物淀粉与25ml浓度为5％的醋酸溶液、15ml甘油(丙三醇)混合于300ml水中，加热搅拌5min，至沸腾。所得的半透明胶状物质为生物高分子胶黏剂。

分别将三种胶黏剂与每一组的100g茶粉混合，搅拌均匀，倒入模具中压紧。将模具放入65摄氏度恒温烘箱中干燥2小时，将半干燥状态的混合物从模具中取出，继续放入烘箱中干燥。48小时后取出，分别测量3组所得复合材料的性质。

参照国家标准GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行复合材料的性能测试，

所得材料中，100g茶粉与20g淀粉所得胶黏剂的混合物具有最高的机械强度。由此得出茶粉与胶黏剂中淀粉的配比为5:1时最优。

实施例3

茶粉颗粒大小对于复合材料表面裂痕、机械强度的影响

将茶叶茶渣颗粒打碎，筛选出直径分别为2mm、1mm、0.5mm、0.1mm的颗粒或粉末。上述颗粒或粉末各取25g，与用5g淀粉制备的胶黏剂混合搅拌均匀，倒入尺寸约为5mm*5mm*2.5mm的方块形模具中压紧。经过65摄氏度恒温干燥处理后取出。所得材料中，颗粒大小为0.1mm的材料表面裂痕最少，机械强度最高，表面质感最好。由此得出最佳的茶粉颗粒直径为0.1mm。

实施例4

考察木质素纤维的影响

将茶叶茶渣材料打粉成为直径约0.1mm的颗粒，取80g该颗粒，加入20g木质素纤维混合均匀。取20g淀粉制备胶黏剂，与上述混合物混合搅拌均匀，倒入5mm*5mm*2.5mm的方块形模具中压紧。经过65摄氏度恒温干燥处理后取出，所得材料裂缝较未加入木质素纤维时少，表面质感更加均匀。由此可见，加入木质素纤维增加了材料的稠性和强度。

实施例5

本实施例提供一种含茶粉的可降解复合材料的制备方法，将茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂以重量比为4:1:1混合后，获得具有可塑性的茶黏土材料，即可降解复合材料，该可降解复合材料可任意塑形。

将茶黏土材料脱水成型得到基于可降解复合材料的板材、型材或直接加工为产品。脱水成型的方法包括脱水干燥成型、离心密实脱水成型或高温压塑成型。脱水干燥成型的一种优选实施方式是将脱水前的茶黏土材料经过模具塑形后放入60-70℃(优选为65℃)的干燥恒温箱中恒温放置直到干燥成型。

所述的离心密实脱水成型的一种优选实施方式是将混合物放入模具中，将模具放入离心脱水机中，经过离心脱水形成紧实干燥的固体。高温压塑成型的一种优选实施方式是将混合物制成粘土状，在100摄氏度高温下模压成一定的形状，通常为5mm以下的薄片型，再通过烘干的过程使其完全脱水成型。

其中，淀粉改性胶黏剂的制备方法为：将植物淀粉与浓度为5％的醋酸溶液、甘油(丙三醇)混合于水中，加热搅拌，至沸腾后，所得的半透明胶状物即为所述淀粉改性胶黏剂，其中，植物淀粉、醋酸溶液、甘油、水的加入比例关系为10g：5ml：3ml：60ml。

本实施例所得复合材料能够生物降解，且拥有稳定性、机械强度、吸附性等优异的性能。在脱水前，该复合材料具有极强的可塑性，在工业生产中可利用多种成型方式成型；脱水成型后，改复合材料的板材具有木材、竹材等天然纤维材料的雕刻、切割、铣、车加工性能。除了加工特性以外，脱水成型后的复合材料还具有茶叶纤维本身的吸附性和对气味的缓释性：不仅能够在自然条件下散发出茶香味，还能够吸收精油并缓释出精油的气味，10滴精油在室温下释放时间超过168小时。该材料由茶渣粉末和淀粉改性的胶黏剂混合而成，在塑形后脱水干燥后成型，成型后强度约为22kg/cm²，成型后能用CNC进行切割、铣、车等二次加工。

比较例1

干酪素作为胶黏剂时所得复合材料的性能

取250ml牛奶，加热至40摄氏度左右，加入一勺醋酸，搅拌均匀，得到白色絮状沉淀，此沉淀为干酪素，一种高分子有机物。将干酪素与0.1mm直径茶粉颗粒混合，经48小时风干，得到一种混合材料。该材料机械强度弱，硬度低、脆度大，经过24小时静置后浸出脂类物质，不适宜作为产品设计的材料。

比较例2

PLA作为胶黏剂时所得复合材料的性能

将5gPLA颗粒于200摄氏度熔融，与10g茶粉颗粒混合搅拌均匀，冷却后固定成型。该材料机械强度高，可塑性强，但其在180摄氏度左右熔融时流动性差，与茶渣粉末混合度低，且成型后的混合物质无法体现茶原料本身的气味、质感、吸附性等优点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含茶粉的可降解复合材料，其特征在于，包括茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂，所述茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂重量比为4:1:1；

所述茶粉为茶末、茶梗、茶叶或茶渣干燥、灭菌后打碎研磨得到的粉末；

所述淀粉改性胶黏剂为由植物淀粉、醋酸溶液及甘油在水中发生反应形成的生物高分子胶状物，该生物高分子可生物降解；所述淀粉改性胶黏剂的制备方法为：将植物淀粉与浓度为5％的醋酸溶液、甘油混合于水中，加热搅拌，至沸腾后，所得的半透明胶状物即为所述淀粉改性胶黏剂，其中，植物淀粉、醋酸溶液、甘油、水的加入比例关系为10g：5ml：3ml：60ml；

将茶粉、木质素纤维、淀粉改性胶黏剂混合后，获得具有可塑性的茶黏土材料，即可降解复合材料；将茶黏土材料脱水成型制备得到香薰炉，作为香薰炉使用时用于吸收精油，并缓释出精油的气味。

2.根据权利要求1所述的一种含茶粉的可降解复合材料，其特征在于，所述茶粉粒径为0.05mm-0.2mm。

3.根据权利要求2所述的一种含茶粉的可降解复合材料，其特征在于，所述茶粉粒径为0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种含茶粉的可降解复合材料，其特征在于，所述脱水成型的方法包括脱水干燥成型、离心密实脱水成型或高温压塑成型。