CN111825887A - 一种含咖啡渣的复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含咖啡渣的复合材料及其制备方法。本发明的技术方案是：一种含咖啡渣的复合材料，按质量百分比计算，包括10～85％的咖啡渣、10～90％的无机胶粘剂、1～40％的固化剂以及0～10％的天然高分子助剂，包括以下制备步骤：S1、按质量百分比将咖啡渣、无机胶粘剂、固化剂以及天然高分子助剂快速混合均匀；S2、将S1中的混合物通过机械压制成型或者手工整理加工成型；S3、将步骤S2中成型的材料自然晾干硬化。本发明提供的方案能够充分利用咖啡渣中的香味物质、加工制作简单且节能环保。

Description

一种含咖啡渣的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及可降解环保材料技术领域，特别涉及一种含咖啡渣的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。咖啡渣占咖啡干物质的重量高达三分之二，据公开资料显示，仅星巴克一家公司，每天都产生的咖啡渣就达200吨以上。咖啡渣的废弃不仅会造成资源浪费，还对环境造成污染。

在如何处理和有效再利用咖啡渣上，目前已经有几种方案，包括：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，同时利用了咖啡渣；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，经济效益不明显。3、将咖啡渣和高分子材料做成复合材料，这是目前咖啡渣应用中被研究的最多的一种。目前，已经有相关的产品，如可以将咖啡渣和聚丙烯(PP)等高分子材料复合改性，得到的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(PP)却非常难降解的(PP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，竹粉等，无论物理性能还是成本上都没有优势。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。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。而咖啡渣作为聚乳酸的填料，也未体现出比竹粉，木粉等同为生物可降解材料更有价值的特性。

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，还有两个重要因素行也导致了咖啡渣的应用非常局限：

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。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掉了，所以这种制品的咖啡香味极小，也几乎体现不出咖啡渣的独有特点。

第二：咖啡渣刚刚产生的时候，含有一半左右的水分，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100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，在作为天然生物填料时，咖啡渣的成本要远高于木粉和竹粉等这些低含水率、又可自然晾干的生物基材料。

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能够充分利用咖啡渣中的香味物质、加工制作简单且节能环保的含咖啡渣的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：一种含咖啡渣的复合材料，按质量百分比计算，包括10～85％的咖啡渣、10～90％的无机胶粘剂、1～40％的固化剂以及0～10％的天然高分子助剂。

优选的，按质量百分比计算，包括25～70％的咖啡渣、25～70％的无机胶粘剂、3～30％的固化剂以及0～5％的天然高分子助剂。

优选的，按质量百分比计算，包括35～60％的咖啡渣、35～60％的无机胶粘剂、5～20％的固化剂以及0～5％的天然高分子助剂。

优选的，所述无机胶粘剂为硅酸盐胶粘剂或者磷酸盐胶粘剂。

优选的，所述硅酸盐胶粘剂为硅酸钠、硅酸钾、钠水玻璃以及钾水玻璃中的一种或几种的组合。

优选的，所述磷酸盐胶粘剂为磷酸铝、磷酸一氢铝、磷酸二氢铝以及聚磷酸二氢铝中的一种或者几种的组合。

优选的，所述固化剂为聚合磷酸铝、磷酸硅、三聚磷酸硅、磷酸硅铝、焦磷酸铝以及多聚焦磷酸铝中的一种或几种的组合。

优选的，所述固化剂为金属粉体、金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属碳酸氢盐以及天然矿物粉体中的一种或几种的组合。

优选的，所述天然高分子助剂为植物淀粉、糯米粉、阿拉伯胶、田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶以及沙蒿籽胶中的一种或几种的组合。

一种含咖啡渣的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

S1、按质量百分比将咖啡渣、无机胶粘剂、固化剂以及天然高分子助剂快速混合均匀；

S2、将S1中的混合物通过机械压制成型或者手工加工整理成型；

S3、将步骤S2中成型的材料自然晾干硬化。

本发明相对于现有技术具有如下优点，能够高效且充分利用啡渣中的香味物质，以及更好利用咖啡渣中的纤维素。利用无机材料与咖啡渣及天然高分子助剂的复合，快速成型，无需加热烘烤。在制造过程中，咖啡渣或者混合物的凝固过程中都无需加热，咖啡渣中的香氛物质被最大程度的保留，咖啡香味得以持久释放。这些复合咖啡渣制品，在废弃时，既可以作为干垃圾焚烧掉，也可以放在土壤里，花盆里，马桶里，在被水浸泡后，短时间内就能崩解成咖啡渣和含有矿物质的细小沙粒，不会对环境造成任何污染，成品可完全降解，对环境友好，绿色环保。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。咖啡渣添加量高，干咖啡渣最多可以添加超过六成，使得咖啡渣的利用达到尽可能的最大化。取材广泛，成本低廉，多种无机材料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，高温成型固化或者超细的粉碎加工，使得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。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

本方案是为了高效且充分利用啡渣中的香味物质，以及更好利用咖啡渣中的纤维素。利用无机材料与咖啡渣及天然高分子助剂的复合，快速成型，无需加热烘烤。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细沙、碎石和麻刀，而无机胶粘剂则好比是水泥，因此得到的固化物强度好。更因为在制造过程中，咖啡渣或者混合物的凝固过程中都无需加热，咖啡渣中的香氛物质被最大程度的保留，咖啡香味得以持久释放。这些复合咖啡渣制品，在废弃时，既可以作为干垃圾焚烧掉，也可以放在土壤里，花盆里，马桶里，在被水浸泡后，短时间内就能崩解成咖啡渣和含有矿物质的细小沙粒，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。

具体的，一种含咖啡渣的复合材料，按质量百分比计算，包括10～85％的咖啡渣、10～90％的无机胶粘剂、1～40％的固化剂以及0～10％的天然高分子助剂。本方案中的咖啡渣可以是湿咖啡渣，也可以是干燥的咖啡渣，既可以是未经粉碎筛分的，也可以是经过粉碎筛分的。咖啡渣中的纤维素起到了骨架和支撑作用，无机胶粘剂起到粘连作用，固化剂起到硬化作用，天然高分子助的作用是增加成品的韧性和粘合强度。

优选的，按质量百分比计算，包括25～70％的咖啡渣、25～70％的无机胶粘剂、3～30％的固化剂以及0～5％的天然高分子助剂。

优选的，按质量百分比计算，包括35～60％的咖啡渣、35～60％的无机胶粘剂、5～20％的固化剂以及0～5％的天然高分子助剂。

优选的，所述无机胶粘剂为硅酸盐胶粘剂或者磷酸盐胶粘剂。

优选的，所述硅酸盐胶粘剂为硅酸钠、硅酸钾、钠水玻璃以及钾水玻璃中的一种或几种的组合。

优选的，所述磷酸盐胶粘剂为磷酸铝、磷酸一氢铝、磷酸二氢铝以及聚磷酸二氢铝中的一种或者几种的组合。

优选的，所述固化剂为聚合磷酸铝、磷酸硅、三聚磷酸硅、磷酸硅铝、焦磷酸铝以及多聚焦磷酸铝中的一种或几种的组合。

优选的，所述固化剂为金属粉体、金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属碳酸氢盐以及天然矿物粉体中的一种或几种的组合。对于磷酸盐体系，固化剂可以选择金属粉体，如铁粉，铝粉，锌粉等；或金属氧化物，如氧化镁，无定形二氧化硅，活性氧化铝，氧化钙，氧化锌，三氧化二铁，氧化亚铁，四氧化三铁，氧化铜等；或金属氢氧化物，如氢氧化镁，氢氧化钙，氢氧化铝，氢氧化铁，氢氧化锌，氢氧化铜等；或金属碳酸盐，如碳酸镁，碳酸锌，碳酸钙等；或金属碳酸氢盐，如碳酸氢钙，碳酸氢镁等；天然矿物粉体，如滑石粉，高岭土等等中的一种或几种的组合。

优选的，所述天然高分子助剂为植物淀粉、糯米粉、阿拉伯胶、田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶以及沙蒿籽胶中的一种或几种的组合。

一种含咖啡渣的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

S1、按质量百分比将咖啡渣、无机胶粘剂、固化剂以及天然高分子助剂快速混合均匀；

S2、将S1中的混合物通过机械压制成型或者手工加工整理成型；手工加工整理成型类似泥塑或者陶瓷加工过程。

S3、将步骤S2中成型的材料自然晾干硬化。

利用无机材料与咖啡渣及天然高分子助剂的复合，快速成型，无需加热烘烤。本发明可以把咖啡渣复合材料压制成多种形状，大小的物件，如烟灰缸，糖果盒，手机支架，卡通人物造像，防烫垫等等。也可以作为艺术创作的坯料，手工完成造型，创作成各种形态的艺术品。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。

下面以几个实施例来对本发明做更进一步的说明。

实施例一

将1公斤新鲜湿咖啡渣(测试含水率为47.5％)投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料磷酸铝粉末75克，完全混合均匀后，加入450克粉末状硅酸钾，继续搅拌3分钟直至呈现均一状态。然后将料取出，在模具上模压成型。在室温下干燥8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，抗压强度为11Mpa，参考GB T5072-2008耐火材料常温耐压强度试验方法标准，下同。

实施例二

将1公斤干燥咖啡渣(测试含水率为小于2％)投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料2公斤磷酸二氢铝溶液(含量40％到45％)，自来水50克，完全混合均匀后，加入500目铁粉360克，铝粉50克，以及玉米淀粉20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。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51％。成品放置在汽车里3个月，仍有很怡人咖啡香味。经测试，抗压强度为10Mpa。将成品破碎成块状，浸泡在水中，50分钟，块状物崩解成咖啡渣和细小的沙粒状物质。

实施例三

将15公斤干燥咖啡渣(测试含水率为小于2％)投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料25公斤钠水玻璃(模数2.8，含量40％)，完全混合均匀后，加入聚合磷酸铝粉末和无定形二氧化硅粉末共2公斤，以及阿拉伯胶300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。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51％。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，抗压强度为16Mpa。将成品破碎成块状，浸泡在水中，4小时后，块状物崩解成咖啡渣和细小的沙粒状物质。

实施例四

将150克新鲜湿咖啡渣(测试含水率为小于49％)投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投入磷酸一氢铝粉末和磷酸二氢铝粉末共60克，完全混合均匀后，加入活性铝粉末3克，氢氧化锌3克，继续搅拌几分钟直至呈现均一状态。然后将料取出，在模具上模压成型。在室温下干燥12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％。经测试，抗压强度为14Mpa。成品放置3个月，仍有咖啡香味。将成品破碎成块状，浸泡在水中，1小时后，块状物崩解成咖啡渣和细小的沙粒状物质。

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，然后加入少量氢氧化镁粉末和氢氧化钙粉末及150克水，搅拌均匀后，再投入5公斤磷酸二氢铝溶液(含量40％到45％)，完全混合均匀后，，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。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61％。经测试，抗压强度为20Mpa。成品放置3个月后，仍有咖啡香味不断释放。

实施例六

将1公斤干燥咖啡渣(测试含水率为小于2％)投料到搅拌机中，开动搅拌，然后投料0.55公斤钠水玻璃(模数2.5，含量40％)，和0.45公斤钾水玻璃(模数2.8，含量40％)完全混合均匀后，加入聚合磷酸铝粉末20克和磷酸铝粉末20克，以及糯米粉和淀粉共20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。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48％。经测试，抗压强度为10Mpa成品放置在房间内3个月，仍能闻得到咖啡香味。

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。

Claims (10)

1.一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：按质量百分比计算，包括10～85％的咖啡渣、10～90％的无机胶粘剂、1～40％的固化剂以及0～10％的天然高分子助剂。

2.根据权利要求1所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：按质量百分比计算，包括25～70％的咖啡渣、25～70％的无机胶粘剂、3～30％的固化剂以及0～5％的天然高分子助剂。

3.根据权利要求2所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：按质量百分比计算，包括35～60％的咖啡渣、35～60％的无机胶粘剂、5～20％的固化剂以及0～5％的天然高分子助剂。

4.根据权利要求1所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：所述无机胶粘剂为硅酸盐胶粘剂或者磷酸盐胶粘剂。

5.根据权利要求4所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：所述硅酸盐胶粘剂为硅酸钠、硅酸钾、钠水玻璃以及钾水玻璃中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求4所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：所述磷酸盐胶粘剂为磷酸铝、磷酸一氢铝、磷酸二氢铝以及聚磷酸二氢铝中的一种或者几种的组合。

7.根据权利要求5所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：所述固化剂为聚合磷酸铝、磷酸硅、三聚磷酸硅、磷酸硅铝、焦磷酸铝以及多聚焦磷酸铝中的一种或几种的组合。

8.根据权利要求6所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：所述固化剂为金属粉体、金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属碳酸氢盐以及天然矿物粉体中的一种或几种的组合。

9.根据权利要求1所述的一种含咖啡渣的复合材料，其特征在于：所述天然高分子助剂为植物淀粉、糯米粉、阿拉伯胶、田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶以及沙蒿籽胶中的一种或几种的组合。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的一种含咖啡渣的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

S1、按质量百分比将咖啡渣、无机胶粘剂、固化剂以及天然高分子助剂快速混合均匀；

S2、将S1中的混合物通过机械压制成型或者手工加工整理成型；

S3、将步骤S2中成型的材料自然晾干硬化。