CN112300541A - 一种咖啡渣改性可生物降解复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法和应用，一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，其由下列原材料按比例混合而成，所述比例为重量比：聚乳酸5～30％、生物降解共聚酯20～70％、相容剂5～20％、增塑剂5～15％、增粘剂5～15％、纳米级咖啡渣10～50％。本发明采用纳米级的咖啡渣，同时配合聚乳酸、生物降解共聚酯、相容剂、增塑剂、增粘剂等的协同作用，对生物降解塑料进行改性及降低产品成本，以利于塑料产品在使用后的充分降解，同时使的咖啡渣再利用，降低产品成本。
Description
技术领域
本发明涉及可生物降解技术领域，特别是涉及了一种咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法和应用。
背景技术
目前的现实生活中塑料的应用已经无处不在，由于它难于降解对环境造成的危害已是有目共睹。随着公众环保意识的提高，开始使用降解塑料以保护人类生存环境。目前降解塑料聚乳酸(PLA)、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯 (PBAT)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)等已开始推广应用，但由于材料成本高在具体使用中还缺乏竞争力。
目前市场上主要有两类改性降解塑料既淀粉和碳酸钙改性。淀粉改性塑料与普通塑料相比，主要缺点是耐水性不好，湿强度差，遇水后力学性能大大降低。碳酸钙改性塑料与普通塑料相比透明度、亮度大大降低尤其不适合食品包装，用户很难接受。
可生物降解塑料所含技术含量高，因此所需的成本也高，目前市场上可生物降解塑料产品价格比普通塑料产品高一倍以上，有些完全降解的高2～8 倍。
聚乳酸降解塑料是一种生物降解塑料，生物降解效果较好，但在自然环境条件下，当缺少相应的微生物时实际上是不会轻易降解的，另外由于它的脆性及材料市场价格高急需改性及降低原材料价格。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法和应用。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种咖啡渣改性可生物降解复合材料及其制备方法和应用，采用了如下所述的技术方案：
一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，其由下列原材料按比例混合而成，所述比例为重量比：
聚乳酸5～30％
生物降解共聚酯20～70％
相容剂5～20％
增塑剂5～15％
增粘剂5～15％
纳米级咖啡渣10～50％。
一种咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)在研磨机中将咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣，得到纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、生物降解共聚酯、相容剂、增塑剂和增粘剂按上述的原材料比例称重一起加入到混合机中进行均匀混合得混合料；
(3)将混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在预设的挤出温度下将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
一种一次性餐具，所述一次性餐具是使用上述的咖啡渣改性可生物降解复合材料制成。
一种复合材料包装件，其是使用上述的咖啡渣改性可生物降解复合材料制成。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明采用纳米级的咖啡渣，同时配合生物降解共聚酯、相容剂、增塑剂、增粘剂和聚乳酸等的协同作用，对生物降解塑料进行改性及降低产品成本，以利于塑料产品在使用后的充分降解，同时使的咖啡渣再利用，降低产品成本。
降解塑料聚乳酸、共聚酯原料价格基本是普通塑料如PE等的两倍以上，咖啡渣改性后可降低成本30～50％，加工成品后由于加工性能更好，最终产品同等重量下数量比之普通塑料高30％，与传统塑料成品相比价格在一个档次上，竞争力大大提高；而现有淀粉改性的降解塑料存在吸水率过高(吸水率至少20％)造成其稳定性下降的问题，这些缺点恰恰是本发明咖啡渣改性的可生物降解复合材料没有的，而且本发明咖啡渣改性的可生物降解复合材料产品的亮度、拉伸性能也好过现有碳酸钙改性的降解塑料，非常适合食品包装材料、一次性食品餐具。
经过纳米级咖啡渣改性的可生物降解复合材料的降解性能更加优异。纳米级咖啡渣对聚乳酸和生物降解共聚物的降解具有促进作用，在自然环境的土埋降解测试中，降解30天时，相比未添加纳米级咖啡渣的降解体系，本发明复合材料的降级率提高了20.26～51.11倍之间，相比添加微米级咖啡渣的降解体系，本发明复合材料的降级率提高了1.97～4.97倍之间，这是在本申请试验过程中的一个意料之外的效果。本发明最大的优点是在自然条件下掩埋在农田里、花池里，掩埋土厚10cm约三个月即可完全分解，回归自然，回归方式简单，节省大量人力物力，绿色环保。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明提供一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，具体地，其由下列原材料按比例混合而成，所述比例为重量比：
聚乳酸5～30％
生物降解共聚酯20～70％
相容剂5～20％
增塑剂5～15％
增粘剂5～15％
纳米级咖啡渣10～50％。
该咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)在研磨机中将咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣，得到纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、生物降解共聚酯、相容剂、增塑剂和增粘剂按上述的原材料比例称重一起加入到混合机中进行均匀混合得混合料；
(3)将混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在预设的挤出温度下将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
聚乳酸(PLA)是一种天然可生物降解塑料，目前已实现了工业化生产。聚乳酸具有优异的光学能和很高的模量，但其断裂伸长率、撕裂强度及断裂强度都较低。为了克服这些缺点常与其它聚合物共挤达到改性目地。
咖啡渣是咖啡废料，是天然有机物质，其成分为碳、纤维素等，在自然条件下转化为有机肥料，其来源广泛。所述在研磨机中将咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣的步骤之前，所述制备方法还包括以下步骤：将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣进行烘干，获得所述咖啡渣。上述的烘干是指将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣在烘干机中进行脱水，去潮，干燥。
作为本发明提供的所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料的一种改进，所述生物降解共聚酯为聚丁二酸丁二醇酯PBS、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物)PBAT或聚(丁二酸丁二醇酯-对己二酸丁二醇酯共聚物)PBSA中的一种或几种的混合物。所述生物降解共聚酯与聚乳酸共混以改善聚乳酸的脆性。
作为本发明提供的所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料的一种改进，所述相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、低聚环氧类扩链剂、乙醇胺和钛酸四丁酯中的一种或一种以上的混合物。所述相容剂加入改善了混合物料的相容性，利于混炼加工。
作为本发明提供的所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料的一种改进，所述增塑剂为环氧大豆油、白油、甘油、聚乙二醇、柠檬酸、邻苯二甲酸二甲酯、乙酰化柠檬酸三乙酯(ATBC)中的一种或一种以上的混合物。
作为本发明提供的所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料的一种改进，所述增粘剂为马来酸酐(MAH)，其在混炼过程中有增粘作用。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。
实施例1
一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，具体地，其由下列原材料按上述重量百分比的比例称重然后混合而成，所述比例为重量比：聚乳酸5％、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物)70％、甲基丙烯酸缩水甘油酯 5％、乙酰基柠檬酸三正丁酯5％、马来酸酐5％、纳米级咖啡渣10％。
该咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣在烘干机中进行脱水，去潮，干燥；在研磨机中将烘干后的咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物)、甲基丙烯酸缩水甘油酯、乙酰基柠檬酸三正丁酯、马来酸酐按上述重量百分比的比例称重然后一起加入到高速混合机中进行均匀混合制得混合料；
(3)将上述混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在一定的挤出温度下(170-220℃)将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
具体应用时，该咖啡渣改性可生物降解复合材料按不同用途经吹膜再加工，制成各种一次性餐具(如吸管)或包装材料(如食品保鲜袋)。
实施例2
一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，具体地，其由下列原材料按上述重量百分比的比例称重然后混合而成，所述比例为重量比：聚乳酸12％、聚丁二酸丁二醇酯20％、乙醇胺8％、环氧大豆油5％、马来酸酐5％、纳米级咖啡渣50％。
该咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣在烘干机中进行脱水，去潮，干燥；在研磨机中将烘干后的咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、乙醇胺、环氧大豆油、马来酸酐按上述重量百分比的比例称重然后一起加入到高速混合机中进行均匀混合得混合料；
(3)将上述混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在一定的挤出温度下(170-220℃)将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
具体应用时，该咖啡渣改性可生物降解复合材料按不同用途经吹膜再加工，制成各种一次性餐具(如吸管)或包装材料(如食品保鲜袋)。
实施例3
一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，具体地，其由下列原材料按上述重量百分比的比例称重然后混合而成，所述比例为重量比：聚乳酸8％、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物)12％、聚(丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物)12％、甲基丙烯酸缩水甘油酯20％、乙酰化柠檬酸三乙酯(乙酰基柠檬酸三正丁酯)15％、马来酸酐8％、纳米级咖啡渣25％。
该咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣在烘干机中进行脱水，去潮，干燥；在研磨机中将烘干后的咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯)、聚(丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯)、甲基丙烯酸缩水甘油酯、马来酸酐、乙酰基柠檬酸三正丁酯按上述重量百分比的比例称重然后一起加入到高速混合机中进行均匀混合得混合料；
(3)将上述混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在一定的挤出温度下(170-220℃)将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
具体应用时，该咖啡渣改性可生物降解复合材料按不同用途经吹膜再加工，制成各种一次性餐具(如吸管)或包装材料(如食品保鲜袋)。
实施例4
一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，具体地，其由下列原材料按上述重量百分比的比例称重然后混合而成，所述比例为重量比：聚乳酸30％、聚 (己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯)20％、甲基丙烯酸缩水甘油酯12％、甘油10％、马来酸酐15％、纳米级咖啡渣13％。
该咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣在烘干机中进行脱水，去潮，干燥；在研磨机中将烘干后的咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物)、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甘油、马来酸酐按上述重量百分比的比例称重然后一起加入到高速混合机中进行均匀混合得混合料；
(3)将上述混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在一定的挤出温度下(170-220℃)将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
具体应用时，该咖啡渣改性可生物降解复合材料按不同用途经吹膜再加工，制成各种一次性餐具(如吸管)或包装材料(如食品保鲜袋)。
对比例1
基于实施例1，与实施例1不同之处在于：咖啡渣为微米级细度的咖啡渣。
对比例2
基于实施例1，与实施例1不同之处在于：未添加咖啡渣，则聚乳酸的比例变为15％。
效果评价及性能检测
实验一：理化性能检测
将实施例1-4的咖啡渣改性可生物降解复合材料及对比例1-2的可生物降解材料分别放入注塑机制作成型，注塑机在160T、溶胶温度130-150℃、射速2-4s的工作条件下注塑成样条，进行性能检测。
表1理化性能检测结果
从实施例1～4同对比例1、2的性能测试结果可以看到，将纳米级咖啡渣加入到生物降解复合材料中对生物降解复合材料的力学性能影响较小，说明加入纳米级咖啡渣后的生物降解复合材料依然具有较好的力学性能。加入纳米级咖啡渣的生物降解复合材料吸水率相比纯的生物降解材料高，这可能是由于咖啡渣具有纤维素、碳等易吸水成分造成的，但本发明的生物降解复合材料的吸水率也控制在1％以内，相比现有淀粉改性的降解塑料存在吸水率过高(吸水率至少20％)造成其稳定性下降的问题，这些问题恰恰是本发明咖啡渣改性的可生物降解复合材料没有的。
再者，将本发明实施例1-4纳米级咖啡渣改性的可生物降解复合材料吹塑造出的薄膜产品如包装袋，产品具有光泽、亮度高的特性，解决了现有碳酸钙改性的降解塑料亮度低的问题；而将对比例1的生物降解复合材料吹塑造出的薄膜产品如包装袋，产品光泽性差、亮度低，且表面会有粉料析出；故本发明实施例1-4纳米级咖啡渣改性的可生物降解复合材料不仅光泽性好、亮度高，而且没有任何粉料析出，这说明纳米级咖啡渣跟生物降解塑料具有较好的融合性。
实验二：降解性能检测
将实施例1-4的咖啡渣改性可生物降解复合材料及对比例1-2的可生物降解材料吹膜再加工，制成包装袋然后进行降解性能测试。
本发明复合材料降解性能的评价采用土埋生物降解实验(本生物降解实验采用比较简单的室外土埋法，所用土壤为普通花池土壤，土埋深度10cm左右，降解实验开始后每隔10天加一定量的水，保持潮湿。第一批土埋30天后，取出试样，冲洗掉表面泥土并放于50℃烘箱中烘干24小时，然后计算失重率)，其实验结果如表2所示。
表2
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 | |
| 原始重g | 20.53 | 20.15 | 20.81 | 19.98 | 20.45 | 20.35 |
| 最终重量g | 16.58 | 10.37 | 14.24 | 15.50 | 18.45 | 20.16 |
| 失重率％ | 19.25 | 48.56 | 31.57 | 22.44 | 9.78 | 0.95 |
注：对比例1制作出的包装袋，表面不光滑，有粉料析出，无法使用。
从实施例1～4同对比例1、2的降解测试结果可以看到，在自然环境的土埋降解测试中，降解30天时，相比未添加纳米级咖啡渣的降解体系，本发明复合材料的降级率提高了20.26～51.11倍之间，相比添加微米级咖啡渣的降解体系，本发明复合材料的降级率提高了1.97～4.97倍之间，这是在本申请试验过程中的一个意料之外的效果，说明本发明纳米咖啡渣改性可生物降解材料的生物降解效果是显著的。
第二批土埋90天后，查看降解情况，实施例1、4的土埋区域还有部分的残留包装袋，失重率分别为88.26％和90.32％，实施例3的土埋区域仅剩少量的包装袋，失重率为95.75％，实施例4的土埋区域已经找不到包装袋了，完全降解了；而对比例1的土埋区域还有约一半的包装袋，失重率为46.82％；对比例2的土埋区域还有大量的包装袋，经测失重率为7.94％，主要是未添加咖啡渣的复合材料实际上降解过程还是较长的，而且降解条件中对湿度、温度、微生物的要求较高。
本发明的有益效果本发明采用纳米级的咖啡渣，同时配合生物降解共聚酯、相容剂、增塑剂、增粘剂和聚乳酸等的协同作用，对生物降解塑料进行改性及降低产品成本，以利于塑料产品在使用后的充分降解，同时使的咖啡渣再利用，降低产品成本。
降解塑料聚乳酸、共聚酯原料价格基本是普通塑料如PE等的两倍以上，咖啡渣改性后可降低成本30～50％，加工成品后由于加工性能更好，最终产品同等重量下数量比之普通塑料高30％，与传统塑料成品相比价格在一个档次上，竞争力大大提高；而现有淀粉改性的降解塑料存在吸水率过高(吸水率至少20％)造成其稳定性下降的问题，这些缺点恰恰是本发明咖啡渣改性的可生物降解复合材料没有的，而且本发明咖啡渣改性的可生物降解复合材料产品的亮度、拉伸性能也好过现有碳酸钙改性的降解塑料，非常适合食品包装材料、一次性食品餐具。
经过纳米级咖啡渣改性的可生物降解复合材料的降解性能更加优异。纳米级咖啡渣对聚乳酸和生物降解共聚物的降解具有促进作用，在自然环境的土埋降解测试中，降解30天时，相比未添加纳米级咖啡渣的降解体系，本发明复合材料的降级率提高了20.26～51.11倍之间，相比添加微米级咖啡渣的降解体系，本发明复合材料的降级率提高了1.97～4.97倍之间，这是在本申请试验过程中的一个意料之外的效果。本发明最大的优点是在自然条件下掩埋在农田里、花池里，掩埋土厚10cm约三个月即可完全分解，回归自然，回归方式简单，节省大量人力物力，绿色环保。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种咖啡渣改性可生物降解复合材料，其特征在于，由下列原材料按比例混合而成，所述比例为重量比：
聚乳酸 5～30％
生物降解共聚酯 20～70％
相容剂 5～20％
增塑剂 5～15％
增粘剂 5～15％
纳米级咖啡渣 10～50％。
2.根据权利要求1所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料，其特征在于，所述生物降解共聚酯为聚丁二酸丁二醇酯、聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物)或聚(丁二酸丁二醇酯-对己二酸丁二醇酯共聚物)中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料，其特征在于，所述相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯、低聚环氧类扩链剂、乙醇胺和钛酸四丁酯中的一种或一种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料，其特征在于，所述的增塑剂为环氧大豆油、白油、甘油、聚乙二醇、柠檬酸、邻苯二甲酸二甲酯、乙酰化柠檬酸三乙酯中的一种或一种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料，其特征在于，所述增粘剂为马来酸酐。
6.一种咖啡渣改性可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)在研磨机中将咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣，得到纳米级咖啡渣；
(2)将纳米级咖啡渣、聚乳酸、生物降解共聚酯、相容剂、增塑剂和增粘剂按权利要求1所述的原材料比例称重一起加入到混合机中进行均匀混合得混合料；
(3)将混合均匀的混合料加入到双螺杆挤出机中，在预设的挤出温度下将所述混合料挤出，即获得咖啡渣改性可生物降解复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在研磨机中将咖啡渣研磨为纳米级细度的纳米级咖啡渣的步骤之前，所述制备方法还包括以下步骤：
将咖啡豆研磨蒸煮之后产生的废渣进行烘干，获得所述咖啡渣。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的预设的挤出温度为170-220℃。
9.一种一次性餐具，其特征在于，所述一次性餐具使用权利要求1至5任意一项所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料制成。
10.一种复合材料包装件，其特征在于，所述复合材料包装件使用权利要求1至5任意一项所述的咖啡渣改性可生物降解复合材料压制而成。
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