CN114752181A - 一种餐盘生产用咖啡渣配方及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种餐盘生产用咖啡渣配方，属于餐具材料技术领域，配方按照质量份计包括如下组分：木粉20‑26份、竹粉10‑12份、钛白粉1份、咖啡渣5‑8份、碳酸钙9‑10份、密胺树脂50‑60份、壳聚糖衍生物3‑4份；本发明还公开了咖啡渣的制备方法。本发明不仅能够实现废弃资源的再利用，而且能够通过植物纤维的大量使用，改善密胺树脂的可降解性能，提高环保效果，咖啡渣还能够使餐具具备特有的咖啡香味；此外，通过对植物纤维的有效处理，能够大幅改善植物纤维亲水、易吸水的性能，从而降低餐具材料的吸水性能，提高餐具的使用效果与使用时间；另外，通过复配自制的壳聚糖衍生物，能够赋予餐具良好的抑菌抗菌性能。

Description

一种餐盘生产用咖啡渣配方及其制备方法

技术领域

本发明属于餐具材料技术领域，具体地，涉及一种餐盘生产用咖啡渣配方及其制备方法。

背景技术

密胺，即密胺树脂，属于塑料中的热固性塑料，无毒无味，耐磕碰、耐腐蚀、耐高温、耐低温，有很强的耐用性。其越来越普遍的被家庭、酒店餐饮、儿童饮食业等所使用，具有应用的广泛性和方便实用性。但密胺其本身可降解性较差，其环保性受到制约，人们正在不断探索密胺与绿色原料制备出环保型密胺树脂材料，目前玉米(马铃薯、红薯等)淀粉、竹粉(竹纤维)等植物原料已在密胺树脂中得到应用，提升了密胺的环保性，但从另一个角度看，这也是对农作物、竹子等资源的一种变相占用。

咖啡渣绝大部分是当作废弃物丢弃，常用的处理方法就是填埋，是很大的资源浪费。如果大量堆积的咖啡渣不及时处理，会散发难闻的怪味，对人们生活和环境造成负担。咖啡渣是一种典型的生物基材料，如何将咖啡渣有效利用起来并产生高附加值是非常有意义的事情。

将咖啡渣作为餐具材料，虽然能够实现废物利用以及提升密胺树脂的可降解性能，但是其缺点在于：植物纤维(木粉、竹粉、咖啡渣)餐具耐水性较差，当其与水长期接触后，容易吸水；此外，植物纤维制成的餐具容易滋生细菌，影响用户的身体健康，因此，严重限制了咖啡渣等植物纤维在餐具行业的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种餐盘生产用咖啡渣配方及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种餐盘生产用咖啡渣配方，按照质量份计包括如下组分：木粉20-26份、竹粉10-12份、钛白粉1份、咖啡渣5-8份、碳酸钙9-10份、密胺树脂50-60份、壳聚糖衍生物3-4份。

进一步地，壳聚糖衍生物通过如下步骤制备：

S1、将N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸加入四口烧瓶中，再加入催化剂钛酸正丁酯，置于油浴中，在微量氮气鼓吹下进行酯化反应，将反应温度升至150℃，反应3h，酯化反应完全，获得吡啶衍生物；N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为1.0∶2.1-2.2，钛酸正丁酯与2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为0.1:100；

N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸发生酯化反应，将含氮分子链接枝于吡啶上，得到吡啶衍生物，反应方程式如下：

S2、将异丙醇和去离子水按比例混合后，再加入吡啶衍生物，于30℃恒温搅拌，逐滴加入环氧氯丙烷，滴加完毕后，升温到50℃反应10-12h，反应结束，在60℃下旋蒸，再用乙醚洗涤后，静置22-24h，转移至真空干燥箱干燥10-12h，获得季铵盐化合物；其中，异丙醇、去离子水、吡啶衍生物、环氧氯丙烷的用量比为120-130mL:60-70mL:18g:15-17g；

吡啶衍生物与环氧氯丙烷发生反应，形成季铵盐的同时，在季铵盐化合物的分子上引入若干个环氧基团，为后续反应提供反应位点，反应方程式如下：

S3、按比例称取处理后的壳聚糖、去离子水和异丙醇加入四口瓶中，于30℃恒温搅拌，将季铵盐化合物和氢氧化钠混合后作为添加物，将添加物均分成三次后依次加入四口烧瓶中，每间隔1h加入一次，全部加完后升高温度至85℃，持续反应48h，反应结束后，冷却至室温，调pH值至中性，用索氏提取器处理24h，最后置于恒温干燥箱烘干，得到壳聚糖衍生物；壳聚糖、去离子水、异丙醇、季铵盐化合物、氢氧化钠的用量比为3g:15mL:15mL:7-8g:30g；处理后的壳聚糖为经过酸降解法或者氧化降解法获得的低分子量壳聚糖；

季铵盐化合物上引入的环氧基与壳聚糖分子上的-OH、-NH₂等基团发生化学反应，使二者键合，形成壳聚糖衍生物；该壳聚糖衍生物中含有壳聚糖和季铵盐等多重有效抗菌抑菌活性成分，将其加入餐具材料中，能够有效提高餐具的抗菌性能，达到较好的防霉抑菌效果；

一种餐盘生产用咖啡渣的制备方法，包括如下步骤：

第一步、对咖啡渣和竹粉进行如下方式预处理：

将竹粉和咖啡渣粉碎，过0.25mm筛，在105℃的烘箱中烘干至恒重，得混合粉末，再将混合粉末与改性液一同加入至研磨筒中进行研磨，研磨温度80℃，研磨时间60-70min，将研磨混合物用乙醇水溶液反复洗涤后，真空干燥至恒重；

其中，改性液为乙酸酐和浓硫酸(质量分数98.3％)按照体积比100:1混合而成；混合粉末与改性液的用量比为10g：3-4mL；

咖啡渣和竹粉经过乙酸酐的机械化研磨改性后，纤维表面的-OH能够与乙酸酐发生酯化反应，在混合粉体上接枝烷基链，一方面，消耗了二者表面的亲水性基团，增强疏水性能，从而降低吸水性；另一方面，接枝烷基链，能够提高二者与聚合物基体的相容性，改善分散效果；

第二步、将木粉和壳聚糖衍生物一同置于异丙醇中，升温至80℃，搅拌反应12-14h，过滤，置于恒温干燥箱烘干；木粉和壳聚糖衍生物的混合物与异丙醇的用量比为10g：25-30mL；

第三步、在50-75℃条件下将第一步和第二步获得的物料、密胺树脂置于捏合机中捏合60-80min，然后置于100-120℃烘箱中烘干得捏合料，将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨10-20h，制得餐盘生产用咖啡渣。

将木粉与壳聚糖衍生物进行预先处理，能够使壳聚糖衍生物分子上未反应的环氧基团与木粉纤维上的-OH进行接枝反应，一方面，在木粉分子链上接枝壳聚糖衍生物，使木粉获得抗菌性能；另一方面，消耗掉亲水性-OH，接枝有机分子链，提高木粉的疏水性能，降低其作为餐具材料时的吸水性能，并且促进木粉在密胺树脂基体中的分散，提高材料的整体均匀性。

本发明的有益效果：

本发明采用大量的植物纤维(木粉、竹粉和咖啡渣)，以提高密胺树脂餐具的环保性能，并且为了改善植物纤维餐具的疏水性，本发明对咖啡渣和竹粉进行了预处理，咖啡渣和竹粉经过乙酸酐的机械化研磨改性后，纤维表面的-OH能够与乙酸酐发生酯化反应，在混合粉体上接枝烷基链，一方面，消耗了二者表面的亲水性基团，增强疏水性能，从而降低吸水性；另一方面，接枝烷基链，能够提高二者与聚合物基体的相容性，改善分散效果；此外，本发明为了改善餐具的抑菌性能，在材料配方中复配了壳聚糖衍生物，该壳聚糖衍生物中含有壳聚糖和季铵盐等多重有效抗菌抑菌活性成分，将其加入餐具材料中，能够有效提高餐具的抗菌性能，达到较好的防霉抑菌效果；再者，本发明的壳聚糖衍生物并非直接与配方中其余原料共混，而是通过先与木粉进行处理，此种方式，能够使壳聚糖衍生物分子上未反应的环氧基团与木粉纤维上的-OH进行接枝反应，一方面，在木粉分子链上接枝壳聚糖衍生物，使木粉获得抗菌性能；另一方面，消耗掉亲水性-OH，接枝有机分子链，提高木粉的疏水性能，降低其作为餐具材料时的吸水性能，并且促进木粉在密胺树脂基体中的分散，提高材料的整体均匀性。

综上，本发明不仅能够实现废弃资源的再利用(咖啡渣的回收利用)，而且能够通过植物纤维的大量使用(木粉、竹粉和咖啡渣)，改善密胺树脂的可降解性能，提高环保效果；此外，通过对纤维纤维的有效处理，能够大幅改善植物纤维亲水、易吸水的性能，从而降低餐具材料的吸水性能，提高餐具的使用效果与使用时间；另外，通过复配自制的壳聚糖衍生物，能够赋予餐具材料良好的抑菌抗菌性能，满足对餐具的健康性要求。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制备壳聚糖衍生物：

S1、将N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸加入四口烧瓶中，再加入催化剂钛酸正丁酯，置于油浴中，在微量氮气鼓吹下进行酯化反应，将反应温度升至150℃，反应3h，酯化反应完全，获得吡啶衍生物；N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为1.0∶2.1，钛酸正丁酯与2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为0.1:100；

S2、将异丙醇和去离子水按比例混合后，再加入吡啶衍生物，于30℃恒温搅拌，逐滴加入环氧氯丙烷，滴加完毕后，升温到50℃反应10h，反应结束，在60℃下旋蒸，再用乙醚洗涤后，静置22h，转移至真空干燥箱干燥10h，获得季铵盐化合物；其中，异丙醇、去离子水、吡啶衍生物、环氧氯丙烷的用量比为120mL:60mL:18g:15g；

S3、按比例称取处理后的壳聚糖、去离子水和异丙醇加入四口瓶中，于30℃恒温搅拌，将季铵盐化合物和氢氧化钠混合后作为添加物，将添加物均分成三次后依次加入四口烧瓶中，每间隔1h加入一次，全部加完后升高温度至85℃，持续反应48h，反应结束后，冷却至室温，调pH值至中性，用索氏提取器处理24h，最后置于恒温干燥箱烘干，得到壳聚糖衍生物；壳聚糖、去离子水、异丙醇、季铵盐化合物、氢氧化钠的用量比为3g:15mL:15mL:7g:30g。

实施例2

制备壳聚糖衍生物：

S1、将N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸加入四口烧瓶中，再加入催化剂钛酸正丁酯，置于油浴中，在微量氮气鼓吹下进行酯化反应，将反应温度升至150℃，反应3h，酯化反应完全，获得吡啶衍生物；N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为1.0∶2.2，钛酸正丁酯与2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为0.1:100；

S2、将异丙醇和去离子水按比例混合后，再加入吡啶衍生物，于30℃恒温搅拌，逐滴加入环氧氯丙烷，滴加完毕后，升温到50℃反应12h，反应结束，在60℃下旋蒸，再用乙醚洗涤后，静置24h，转移至真空干燥箱干燥12h，获得季铵盐化合物；其中，异丙醇、去离子水、吡啶衍生物、环氧氯丙烷的用量比为130mL:70mL:18g:17g；

S3、按比例称取处理后的壳聚糖、去离子水和异丙醇加入四口瓶中，于30℃恒温搅拌，将季铵盐化合物和氢氧化钠混合后作为添加物，将添加物均分成三次后依次加入四口烧瓶中，每间隔1h加入一次，全部加完后升高温度至85℃，持续反应48h，反应结束后，冷却至室温，调pH值至中性，用索氏提取器处理24h，最后置于恒温干燥箱烘干，得到壳聚糖衍生物；壳聚糖、去离子水、异丙醇、季铵盐化合物、氢氧化钠的用量比为3g:15mL:15mL:8g:30g。

实施例3

制备餐盘生产用咖啡渣：

按照重量份准备好如下原料：木粉20份、竹粉10份、钛白粉1份、咖啡渣5份、碳酸钙9份、密胺树脂50份、实施例1制得的壳聚糖衍生物3份；

第一步、对咖啡渣和竹粉进行如下方式预处理：

将竹粉和咖啡渣粉碎，过0.25mm筛，在105℃的烘箱中烘干至恒重，得混合粉末，再将混合粉末与改性液一同加入至研磨筒中进行研磨，研磨温度80℃，研磨时间60min，将研磨混合物用乙醇水溶液反复洗涤后，真空干燥至恒重；改性液为乙酸酐和浓硫酸(质量分数98.3％)按照体积比100:1混合而成；混合粉末与改性液的用量比为10g：3mL；

第二步、将木粉和壳聚糖衍生物一同置于异丙醇中，升温至80℃，搅拌反应12h，过滤，置于恒温干燥箱烘干；木粉和壳聚糖衍生物的混合物与异丙醇的用量比为10g：25mL；

第三步、在50℃条件下将第一步和第二步获得的物料、密胺树脂置于捏合机中捏合60min，然后置于100℃烘箱中烘干得捏合料，将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨10h，制得餐盘生产用咖啡渣。

实施例4

制备餐盘生产用咖啡渣：

按照重量份准备好如下原料：木粉23份、竹粉11份、钛白粉1份、咖啡渣6.5份、碳酸钙9.5份、密胺树脂55份、实施例2制得的壳聚糖衍生物3.5份；

第一步、对咖啡渣和竹粉进行如下方式预处理：

将竹粉和咖啡渣粉碎，过0.25mm筛，在105℃的烘箱中烘干至恒重，得混合粉末，再将混合粉末与改性液一同加入至研磨筒中进行研磨，研磨温度80℃，研磨时间65min，将研磨混合物用乙醇水溶液反复洗涤后，真空干燥至恒重；改性液为乙酸酐和浓硫酸(质量分数98.3％)按照体积比100:1混合而成；混合粉末与改性液的用量比为10g：3.5mL；

第二步、将木粉和壳聚糖衍生物一同置于异丙醇中，升温至80℃，搅拌反应12-14h，过滤，置于恒温干燥箱烘干；木粉和壳聚糖衍生物的混合物与异丙醇的用量比为10g：28mL；

第三步、在65℃条件下将第一步和第二步获得的物料、密胺树脂置于捏合机中捏合70min，然后置于110℃烘箱中烘干得捏合料，将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨15h，制得餐盘生产用咖啡渣。

实施例5

制备餐盘生产用咖啡渣：

按照重量份准备好如下原料：木粉26份、竹粉12份、钛白粉1份、咖啡渣8份、碳酸钙10份、密胺树脂60份、实施例1制得的壳聚糖衍生物4份；

第一步、对咖啡渣和竹粉进行如下方式预处理：

将竹粉和咖啡渣粉碎，过0.25mm筛，在105℃的烘箱中烘干至恒重，得混合粉末，再将混合粉末与改性液一同加入至研磨筒中进行研磨，研磨温度80℃，研磨时间70min，将研磨混合物用乙醇水溶液反复洗涤后，真空干燥至恒重；改性液为乙酸酐和浓硫酸(质量分数98.3％)按照体积比100:1混合而成；混合粉末与改性液的用量比为10g：4mL；

第二步、将木粉和壳聚糖衍生物一同置于异丙醇中，升温至80℃，搅拌反应14h，过滤，置于恒温干燥箱烘干；木粉和壳聚糖衍生物的混合物与异丙醇的用量比为10g：30mL；

第三步、在75℃条件下将第一步和第二步获得的物料、密胺树脂置于捏合机中捏合80min，然后置于120℃烘箱中烘干得捏合料，将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨20h，制得餐盘生产用咖啡渣。

对比例1

将实施例3中的第一步操作去掉，不对竹粉和咖啡渣进行任何处理，其余原料及制备过程不变。

对比例2

将实施例3中的第二步操作去掉，不预先对木粉和壳聚糖衍生物进行处理，其余原料及制备步骤不变。

对比例3

将实施例3中的壳聚糖衍生物原料去掉，其余原料及制备过程不变。

将实施例3-5和对比例1-3的木粉配方分别放入双螺杆挤出机挤出，制成测试样条，对测试样条进行如下性能测试：根据GB/T3403.2-2013的标准测试冲击强度；按照ASTMG21对材料进行抗菌性能测试(黑霉菌和曲霉菌)；将测试样条在水中浸泡24h后，检测其吸水率；

由上表数据可知，实施例3-5制得的餐具木粉配方，具备良好的力学性能，通过对植物纤维进行处理以及壳聚糖衍生物的加入，具有极低的吸水率以及较高的抗菌性能；通过对比例1的数据可知，咖啡渣和竹粉未经过预处理而直接掺入配方中，会影响疏水性能的改善，进而一定程度上降低吸水性能和抗菌性能；通过对比例2的数据可知，木粉和壳聚糖衍生物未经过预先处理，会影响餐具材料的吸水性能，进而影响抗菌效果；通过对比例3的数据可知，未加入壳聚糖衍生物，不仅会大幅度影响餐具材料的抗菌性能，也能一定程度上影响木粉的疏水改善。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种餐盘生产用咖啡渣配方，其特征在于，按照质量份计包括如下组分：木粉20-26份、竹粉10-12份、钛白粉1份、咖啡渣5-8份、碳酸钙9-10份、密胺树脂50-60份、壳聚糖衍生物3-4份。

2.根据权利要求1所述的一种餐盘生产用咖啡渣配方，其特征在于，所述壳聚糖衍生物通过如下步骤制备：

S1、将N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸加入四口烧瓶中，再加入催化剂钛酸正丁酯，置于油浴中，在微量氮气鼓吹下进行酯化反应，将反应温度升至150℃，反应3h，酯化反应完全，获得吡啶衍生物；

S2、将异丙醇和去离子水按比例混合后，再加入吡啶衍生物，于30℃恒温搅拌，逐滴加入环氧氯丙烷，滴加完毕后，升温到50℃反应10-12h，反应结束，在60℃下旋蒸，再用乙醚洗涤后，静置22-24h，转移至真空干燥箱干燥10-12h，获得季铵盐化合物；

S3、按比例称取处理后的壳聚糖、去离子水和异丙醇加入四口瓶中，于30℃恒温搅拌，将季铵盐化合物和氢氧化钠混合后作为添加物，将添加物均分成三次后依次加入四口烧瓶中，每间隔1h加入一次，全部加完后升高温度至85℃，持续反应48h，反应结束后，冷却至室温，调pH值至中性，用索氏提取器处理24h，最后置于恒温干燥箱烘干，得到壳聚糖衍生物。

3.根据权利要求2所述的一种餐盘生产用咖啡渣配方，其特征在于，步骤S1中N,N-二甲基乙醇胺和2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为1.0∶2.1-2.2，钛酸正丁酯与2,6-吡啶二羧酸的摩尔比为0.1:100。

4.根据权利要求2所述的一种餐盘生产用咖啡渣配方，其特征在于，步骤S2中异丙醇、去离子水、吡啶衍生物、环氧氯丙烷的用量比为120-130mL:60-70mL:18g:15-17g。

5.根据权利要求2所述的一种餐盘生产用咖啡渣配方，其特征在于，步骤S3中壳聚糖、去离子水、异丙醇、季铵盐化合物、氢氧化钠的用量比为3g:15mL:15mL:7-8g:30g。

6.根据权利要求1所述的一种餐盘生产用咖啡渣的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、对咖啡渣和竹粉进行如下方式预处理：

将竹粉和咖啡渣粉碎，过0.25mm筛，在105℃的烘箱中烘干至恒重，得混合粉末，再将混合粉末与改性液一同加入至研磨筒中进行研磨，研磨温度80℃，研磨时间60-70min，将研磨混合物用乙醇水溶液反复洗涤后，真空干燥至恒重；

第二步、将木粉和壳聚糖衍生物一同置于异丙醇中，升温至80℃，搅拌反应12-14h，过滤，置于恒温干燥箱烘干；

第三步、在50-75℃条件下将第一步和第二步获得的物料、密胺树脂置于捏合机中捏合60-80min，然后置于100-120℃烘箱中烘干得捏合料，将捏合料与钛白粉和碳酸钙混合后球磨10-20h，制得餐盘生产用咖啡渣。

7.根据权利要求6所述的一种餐盘生产用咖啡渣的制备方法，其特征在于，第一步中改性液为乙酸酐和浓硫酸按照体积比100:1混合而成；混合粉末与改性液的用量比为10g：3-4mL。

8.根据权利要求6所述的一种餐盘生产用咖啡渣的制备方法，其特征在于，第二步中木粉和壳聚糖衍生物的混合物与异丙醇的用量比为10g：25-30mL。