CN112961479A - 咖啡味可完全生物降解植物基材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种咖啡味可完全生物降解植物基材料及其制备方法与应用，属于高分子改性技术领域。该材料按质量百分比包括如下组分：聚乳酸40‑90％；增韧树脂：3‑30％；咖啡渣：1‑50％；其余为助剂；所述咖啡味可完全生物降解植物基材料经拉伸流变塑化挤出设备挤出造粒或成型得到。该材料可应用于食品接触类材料如一次性餐饮材料，食品包装材料等，降低环保压力和提高咖啡渣的应用层面。该材料具有制备工艺简单、反应过程可控可调。

Description

咖啡味可完全生物降解植物基材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明公开了一种咖啡味可完全生物降解植物基材料及其制备方法与应用，该材料可用于食品接触类材料，属于高分子改性技术领域。

背景技术

咖啡是最受欢迎的饮品之一，也是国际贸易交易极大的商品之一。咖啡渣是从咖啡豆中提取咖啡后剩余的副产物，其重量约占咖啡干豆的2/3。咖啡渣中含有较丰富的油脂、糖类和蛋白质，纤维素，酸(氨基酸，绿原酸，其他脂肪酸)等,其中咖啡油含量为14％左右,咖啡油中含有4种主要脂肪酸,占脂肪酸总量的95.25％,分别为亚油酸34.79％、油酸9.85％、棕榈酸42.12％、硬脂酸8.49％。咖啡渣具有浓郁的咖啡香味，其中的挥发性脂肪是咖啡香气主要来源，它会散发出约四十种芳香物质。而且其染色性极强。目前咖啡渣的应用方向有：动物功能性饲料，菌类等培养基，吸附性活性炭，咖啡油的提取，燃料等。

咖啡渣具有下特点：

①含水率高；

②酸度值高；

③有机物负载大；

目前食品接触类材料主要有聚丙烯，聚苯乙烯，聚乙烯等，然而其暴露在自然环境中不能得到有效的降解，造成白色污染，给环保带来一定的压力，目前生物基可降解塑料有聚乳酸(PLA),聚丁二酸丁二醇酯(PBS)，己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)等，其降解过程分为三个阶段，1.微生物(细菌，真菌等)黏附在塑料表面；2.分泌生物酶等催化酯水解反应，高分子链断裂成低分子链片段；3.生物吸收，最终转化为二氧化碳和水。

因此为有效利用咖啡渣，提高其应用范围以及应用深度以及减少白色垃圾，减轻环保压力，开发可降解的含咖啡渣的食品接触材料如一次性餐饮品用具，包装膜等极为需要。

发明内容

聚乳酸等材料本身不易结晶，材料韧性差。而且咖啡渣本身酸度值高，容易造成聚乳酸等材料酯基的逆反应，在加工和使用中引起高分子链的断裂。特别是在高填充条件下，咖啡渣难以与树脂基体有良好的相容性以及分散性，这些会极大影响材料成型加工以及材料性能。本发明的目的是通过拉伸流变技术将咖啡渣应用于食品接触类材料，开发出可完全生物降解的复合材料，该材料满足中国食品接触材料法规，熔体强度可调，韧性好，可以应用于一次性饮品餐具(吸管，刀叉勺等)等，食品包装袋等。

本发明通过以下技术方案实现：

一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，按质量百分比包括如下组分：

聚乳酸：40-90％

增韧树脂：3-30％

咖啡渣：1-50％

其余为助剂；

上述组分的质量百分比之和为100％；

所述咖啡味可完全生物降解植物基材料经拉伸流变塑化挤出设备挤出造粒或成型得到。

优选的，所述拉伸流变塑化挤出设备螺距P为16～60mm，偏心量e为1.5～3mm，平直段数量为3～6，最大螺距与最小螺距压缩比1.5～4。

其中，所述助剂包括挤出造粒所需的常规助剂，例如成核剂、分散剂、增塑剂和抗氧剂中的至少一种。

其中，所述成核剂包括滑石粉、蒙脱土和二氧化硅中的至少一种，优选含量为0.5-5％；成核剂有利于晶体的细化，改善表观质量，降低内应力，改善翘曲等。

所述分散剂包括N,N'-亚乙基双硬脂酰胺和N,N-亚乙基油酰胺中的至少一种，优选含量为0.1-5％；分散剂有利于咖啡渣以及成核剂的分散，保证色泽均一，性能稳定。

所述增塑剂包括乙酰柠檬酸三丁酯和环氧大豆油中的至少一种，优选含量为0.1-5％；其用于降低分子间作用力，增加咖啡渣的填充量以及材料的加工性。

所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1010、1，1，3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷、3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酸异辛酯、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与硫代二丙酸二月桂酯中的至少一种，优选含量为0.1-1％；抗氧剂可减少材料加工以及使用过程中的氧化降解，增加一定的耐候性。

其中，所述增韧树脂包括PBAT和PBS中的至少一种。

其中，所述聚乳酸在环境温度为190℃,负荷为2.16Kg时,熔融指数为3-40g/min。

所述咖啡味可完全生物降解植物基材料的制备方法，包括：

将咖啡渣烘干、研磨；

混合除咖啡渣的其它原料，然后再加入咖啡渣继续混合；

将混合后的物料通过拉伸流变塑化挤出设备挤出造粒或者成型。

该咖啡味可完全生物降解植物基材料在食品接触材料中的应用。

本发明通过拉伸流变塑化挤出的方式，将PLA，PBAT或PBS，咖啡渣，及其它助剂等按照一定的比例，通过双螺杆挤出或拉伸流变挤出加工后得到改性料或制品。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明扩展了咖啡渣的高阶应用，使得其能应用在食品接触类材料，如一次性饮品材料，食品包装材料，而且该材料能够自然降解。满足不同的加工要求，如挤出，注塑等。

本发明的主要优势如下：

1.满足中国法规中关于食品接触材料的相关规定。

2.利用共混增韧，在拉伸流变过程中采用扩链反应弥补了咖啡渣以及热加工对基体树脂的降解，增加了咖啡渣的相容性，提高了分子量，降低了分子规整度下降，结晶性能下降，韧性好，并且保证了熔体强度。提升了材料的综合性能；

3.在高填充量的情况下，增塑剂可增加熔体流动性,成核剂有助于晶体的细化，提高韧性，并增加咖啡渣的分散性，提升了咖啡渣的添加量，材料咖啡香味浓郁。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的作进一步说明，但本发明的内容不限于下述的实施例。以下各实施例中各助剂的成分相同，具体的，成核剂包括滑石粉、蒙脱土和二氧化硅中的至少一种，分散剂包括N,N'-亚乙基双硬脂酰胺和N,N-亚乙基油酰胺中的至少一种，增塑剂包括乙酰柠檬酸三丁酯和环氧大豆油中的至少一种，抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1010、1，1，3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷、3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酸异辛酯、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与硫代二丙酸二月桂酯中的至少一种。

实施例一

将聚乳酸树脂、增韧树脂、咖啡渣进行烘干处理，并将咖啡渣研磨至粒径为40目，随后按比例称取67.2％聚乳酸树脂、10％PBAT、20％咖啡渣、0.5％成核剂、2％增塑剂、0.3％抗氧剂，将聚乳酸树脂、PBAT、助剂加入到高速混料机混料1min之后，再加入咖啡渣后再进行混料5min，然后采用拉伸流变塑化挤出设备进行熔融挤出造粒，拉伸流变偏心转子结构设计为偏心量e为1.5mm，功能段的平直段数为4，最大螺距与最小螺距压缩比为2.0。

实施例二

将聚乳酸树脂、增韧树脂、咖啡渣进行烘干处理，并将咖啡渣研磨至粒径为60目，随后按比例称取67.2％聚乳酸树脂、10％PBS、20％咖啡渣、0.5％成核剂、2％增塑剂、0.3％抗氧剂，将聚乳酸树脂、PBS、助剂加入到高速混料机混料1min之后，再加入咖啡渣后再进行混料5min，然后采用拉伸流变塑化挤出设备进行熔融挤出造粒，拉伸流变偏心转子结构设计为偏心量e为1.5mm，功能段的平直段数为4，最大螺距与最小螺距压缩比为3.6。

实施例三

将聚乳酸树脂、增韧树脂、咖啡渣进行烘干处理，并将咖啡渣研磨至粒径为150目，随后按比例称取70.2％聚乳酸树脂、10％PBAT、15％咖啡渣、0.5％成核剂、2％增塑剂、0.3％抗氧剂，将聚乳酸树脂、PBAT、助剂加入到高速混料机混料1min之后，再加入咖啡渣后再进行混料5min，然后采用拉伸流变塑化挤出设备进行熔融挤出造粒，拉伸流变偏心转子结构设计为偏心量e为3mm，功能段的平直段数为6，最大螺距与最小螺距压缩比为2.0。

实施例四

将聚乳酸树脂、增韧树脂、咖啡渣进行烘干处理，并将咖啡渣研磨至粒径为150目，随后按比例称取77.2％聚乳酸树脂、10％PBAT、10％咖啡渣、0.5％成核剂、2％增塑剂、0.3％抗氧剂，加入到高速混料机混料1min之后，加入咖啡渣后再进行混料5min，然后采用拉伸流变塑化挤出设备进行熔融挤出造粒，拉伸流变偏心转子偏心量e为3mm，功能段的平直段数为5，最大螺距与最小螺距压缩比为3.6。

对比例一

将聚乳酸树脂、增韧树脂、咖啡渣进行烘干处理，并将咖啡渣研磨至粒径为40目，随后按比例称取67.2％聚乳酸树脂、10％PBAT、20％咖啡渣、0.5％成核剂、2％增塑剂、0.3％抗氧剂，将聚乳酸树脂、PBAT、助剂加入到高速混料机混料1min之后，再加入咖啡渣后再进行混料5min，然后采用双螺杆挤出机进行熔融挤出造粒。

对比例二

将聚乳酸树脂、增韧树脂、咖啡渣进行烘干处理，并将咖啡渣研磨至粒径为150目，随后按比例称取77.2％聚乳酸树脂、10％PBAT、10％咖啡渣、0.5％成核剂、2％增塑剂、0.3％抗氧剂，加入到高速混料机混料1min之后，加入咖啡渣后再进行混料5min，然后采用双螺杆挤出机进行熔融挤出造粒。

实施例一至四及对比例一至二的性能如表一所示：

表1

由上表可见，实施例一相比对比例一具有更高的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量以及冲击性能，而实施例四相比对比例二具有更高的拉伸强度、断裂伸长率以及冲击性能，证明本发明采用拉伸流变塑化挤出所得材料相比常规的双螺杆熔融挤出至少在拉伸性能和冲击性能上均具有显著的提高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他发明方式，如简化，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，按质量百分比包括如下组分：

聚乳酸：40-90％

增韧树脂：3-30％

咖啡渣：1-50％

其余为助剂；

上述组分的质量百分比之和为100％；

所述咖啡味可完全生物降解植物基材料经拉伸流变塑化挤出设备挤出造粒或成型得到。

2.根据权利要求1所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述拉伸流变塑化挤出设备螺距P为16～60mm。

3.根据权利要求1所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述拉伸流变塑化挤出设备偏心量e为1.5～3mm。

4.根据权利要求1所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述拉伸流变塑化挤出设备中平直段数量为3～6，最大螺距与最小螺距压缩比1.5～4。

5.根据权利要求1所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述助剂为成核剂、分散剂、增塑剂和抗氧剂中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述成核剂包括滑石粉、蒙脱土和二氧化硅中的至少一种；所述分散剂包括N,N'-亚乙基双硬脂酰胺和N,N-亚乙基油酰胺中的至少一种；所述增塑剂包括乙酰柠檬酸三丁酯和环氧大豆油中的至少一种；所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1010、1，1，3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷、3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酸异辛酯、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与硫代二丙酸二月桂酯中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述增韧树脂包括PBAT和PBS中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种咖啡味可完全生物降解植物基材料，其特征在于，所述聚乳酸在环境温度为190℃,负荷为2.16Kg时,熔融指数为3-40g/min。

9.权利要求1-8任一项所述的咖啡味可完全生物降解植物基材料的制备方法，包括：

将咖啡渣烘干、研磨；

混合除咖啡渣的其它原料，然后再加入咖啡渣继续混合；

将混合后的物料通过拉伸流变塑化挤出设备挤出造粒或者成型。

10.根据权利要求9所述的咖啡味可完全生物降解植物基材料在食品接触材料中的应用。