含有植物纤维的复合塑料，其制备方法及其用途与流程

1.本发明涉及由含有植物纤维的废弃物与塑料制成的复合塑料。更具体地，涉及由植物纤维废弃物制成的适于用在食品级器具的复合塑料以及其制备方法。


背景技术：

2.众所周知，塑料作为一种石化产品合成物，需要长达数百年才能降解成为对自然和生物链无害的物质。塑料垃圾难以回收和降解对环境的挑战日益增加。为了解决塑料污染问题，许多研究人员尝试研究利用植物纤维与塑料结合合成复合塑料的可能性，以减低塑料的使用量。
3.另一方面，大量的农业废弃物(例如果壳、甘蔗渣、玉米杆、木屑、咖啡壳等)和咖啡渣被丢弃，出于对环境的考虑，也需要寻找替代的处理方法。这类废弃物含有丰富的植物纤维，通过重新利用可以将它们开发成可持续材料。这样既能以更低的成本生产产品，又能充分利用废弃材料为环境做出贡献。
4.目前，以咖啡渣最为广泛被利用。咖啡作为最受欢迎的饮料之一，制备咖啡饮料伴随产生大量副产品，即废咖啡渣。现有技术中处理咖啡渣的方法包括焚烧或者作为固体废物直接送到垃圾填埋场堆填，但这些方法均不可取，对环境具有高度破坏性。因此有需要探索咖啡渣作为生物资源的潜在应用。其中一个应用是把咖啡渣与塑料结合，形成复合塑料。
5.咖啡渣由大量有机化合物组成，即纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质。咖啡渣还包含一定量的油脂(统称为咖啡油)，其主要由脂肪酸和咖啡因组成。取决于咖啡的种类，咖啡油约占咖啡渣的7-15wt.％(重量百分比)。由于咖啡渣含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等植物纤维，因此是一种理想的天然填充材料与聚合物复合形成绿色材料。然而，由于咖啡油的存在，导致咖啡渣颗粒的粘附和聚集，这会影响复合材料的分散性、机械性能、拉伸强度和弯曲强度。现有技术制备含有咖啡渣的复合塑料的难点之一是对咖啡渣的预处理，不但成本高，而且不容易除去咖啡油。因此目前制备复合塑料时所采用的咖啡渣的比例较低，添加到塑料的咖啡渣通常占复合塑料的重量比小于5％。
6.有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的局限性，提高复合塑料中咖啡渣的比例，而所形成的复合塑料具有提高的机械强度、拉伸强度和弯曲强度，藉此充分利用废弃咖啡渣，有助于实现可持续发展的目标。


技术实现要素：

7.为了实现上述的发明目的，本发明提出一种制备含有咖啡渣的复合塑料的方法，其中在混炼造粒步骤之前对所述咖啡渣进行充分的预处理，从而增加在塑料中咖啡渣的添加量，减少塑料的使用，实现降低塑料污染和减少弃置咖啡渣的有益效果。
8.根据本发明的一方面，提供了一种含有植物纤维的复合塑料的制备方法，所述方法包括：
9.a.提供含有植物纤维的第一原料和含有塑料的第二原料；
10.b.对第一原料进行预处理，所述预处理包括：
11.b1.用水洗涤所述第一原料以去除污染物以及水溶性化合物，
12.b2.将洗涤后的第一原料干燥，
13.b3.采用溶剂萃取法从干燥后的第一原料中萃取油性物质，获得萃取油性物质后的第一原料；以及
14.b4.将所述溶剂从萃取后的第一原料中除去。
15.c.将经过预处理的第一原料加热进行碳化处理，以及
16.d.将碳化处理后的第一原料与所述第二原料混合形成复合材料。
17.根据本发明，含有植物纤维的第一原料可选自咖啡渣或者咖啡壳、果壳、甘蔗渣、玉米杆、木屑等农业废弃物。
18.在一个具体实施例中，所述第一原料含有废弃咖啡渣，对所述第一原料预处理包括：在室温下用去离子水洗涤所述含有咖啡渣的第一原料以去除其所含有的污染物以及水溶性化合物；将洗涤后的第一原料干燥至其中咖啡渣的含水量不大于20wt.％，优选为不大于10wt.％；采用有机萃取溶剂从干燥后的咖啡渣中萃取咖啡油；以及去除咖啡渣中的萃取溶剂。所述萃取溶剂具有油脂萃取性能，受热后又可被去除。优选的萃取溶剂选自己烷、庚烷、四氢呋喃、丙酮、乙醚和无水乙醇，更优选为己烷，最优选为正己烷。
19.有利地，所述萃取咖啡油的步骤在回流温度下进行。在执行所述萃取步骤之前研磨所述干燥后的咖啡渣，使其粒径在微米数量级范围内，优选不大于250微米，更优选在100微米至150微米范围内。
20.所述去除咖啡渣中的萃取溶剂的步骤包括过滤分离固液相，然后在90℃至110℃下通过旋转蒸发或离心操作除去所述萃取溶剂以及所述咖啡渣中残留的水分，使得所述咖啡渣基本上不含有萃取溶剂且含水量不大于3wt.％。
21.将咖啡渣中的萃取溶剂去除后，以5-10℃/min，优选为5℃/min，的升温速率直接从90℃至110℃加热至200℃至320℃，优选为在240℃至300℃范围内。保持该温度2至4小时，对所述咖啡渣进行碳化处理。
22.在某些情况下，所述含有咖啡渣的第一原料可以全部由咖啡渣组成，或者可以由咖啡渣与其他植物纤维组成的混合物，所述其他植物纤维例如可以是咖啡壳或者其他果壳、木屑等木纤维。
23.根据本发明，咖啡渣和塑料的重量混合比例范围为1：2至1：20，优选为1：2至1：5，更优选为1：2.5至1：5。所述塑料选自以下组内：聚丙烯、abs塑料、尼龙以及其任意组合。
24.较佳地，在本发明方法的步骤d中加入添加剂，以改善所述复合材料的物理和/或化学性质。在一优选实施例中，所述添加剂是粘结剂，以在所述第一原料与第二原料混合过程中起增粘作用以及使所述复合材料保持所需的拉伸强度。
25.本发明的第二方面提供了一种根据本发明的制备方法制备的复合塑料，所述复合塑料可包含：5-50wt.％植物纤维和50-95％塑料，其中所述植物纤维的粒径在微米数量级范围内，优选不大于250微米，更优选在100微米至150微米范围内。在本发明的一个优选实施例中，所述复合塑料可包含5-50wt.％，优选为20-40wt.％含有咖啡渣的原料，以及50-95wt.％，优选为60-80wt.％塑料，其中所述咖啡渣的粒径在100微米至150微米范围内。在某些情况下，在所述复合塑料中添加粘结剂，其中，所述粘结剂占约2-10wt.％，所述含有咖
啡渣的原料占约5-40wt.％，以及所述塑料占约50-93％。
26.本发明的第三方面涉及本发明的含有植物纤维的复合塑料在制作食品级器具中的用途。所述食品级器具可包括餐具、吸管和食品容器等。
27.本发明的要点之一在于咖啡渣的预处理。具体地，首先把清洗后的咖啡渣干燥至含水量少于10wt.％，把咖啡渣研磨成粒径在100微米至150微米范围内；然后使用溶剂萃取法将咖啡渣中的咖啡油完全萃取出来，在油萃取之后，咖啡渣的表面形态更粗糙，提供更多的孔隙，这有利于咖啡渣作为填料更好地分散在作为基质的塑料中，而且增大了咖啡渣在复合塑料中的含量。通过粘结剂使咖啡渣与塑料均匀混合，在经过混炼造粒步骤后形成复合塑料。进一步地，通过常规的塑料加工成型技术，利用本发明含有咖啡渣的复合塑料可制成各种器具，包括餐具和吸管等。
附图说明
28.图1是根据本发明的一个优选实施例制备含有咖啡渣的复合塑料的方法的示意流程图。
具体实施方式
29.虽然本发明以优选实施例作说明和描述，但是本发明的复合塑料及其制备方法可以许多不同的构型、尺寸、和材料来制造。
30.为了方便描述，此处以咖啡渣作为废弃植物纤维的一个例子详细说明本发明的具体工艺过程。应当理解的是，任何其他类似的植物纤维也可应用本发明的方法制成相应的复合塑料。
31.图1示出了根据本发明的制备方法的一个优选实施例，用于制备含有咖啡渣的复合塑料。如图中所示，首先回收废弃的咖啡渣，咖啡渣材料可来自连锁咖啡店或其他任何来源。此处使用的原料全部由咖啡渣组成，也可以使用由咖啡渣与其他植物纤维混合而成的混合物。其他植物纤维例如可以是咖啡壳、木纤维。
32.首先，用室温去离子水洗涤咖啡渣以达到中性ph值并去除任何污染物以及水溶性化合物。然后将洗涤后的咖啡渣在90℃至110℃下干燥，直至含水量≤10％。将干燥后的咖啡渣经过粉碎研磨处理，得到粒径约在100至150微米的咖啡渣颗粒。粉碎研磨处理可采用本领域所知的现有技术，例如先用搅拌机进行机械研磨，再用气流研磨成所希望的粒径。
33.粉碎后的咖啡渣颗粒用萃取溶剂萃取咖啡油。咖啡油中主要含有脂肪酸，脂肪酸由于其长烃链是非极性化合物。因此，通常非极性溶剂在萃取咖啡油方面比极性溶剂更好。非极性溶剂带有低电荷或不带电荷，能够更好地渗透到咖啡渣的低极性基质中并萃取更多的脂肪酸。采用极性小的己烷是优选的。此外，己烷具有低沸点、对大部分的油脂具有高度溶解性、低毒性、无气味等特点，非常适合用作本发明的萃取溶剂。这是因为沸点低，使得后续的去除溶剂步骤简单方便，通过低温蒸发就能容易地去除己烷。己烷没有气味，不会影响到最终的复合材料。更有利的是，己烷可以自然地将油脂抽出，不会影响萃取出来的咖啡油的性质。因此，在本实施例中采用的萃取溶剂是己烷，优选使用的是正己烷(ch3(ch2)4ch3)。咖啡油含有潜在有用的化合物(如脂肪酸和咖啡因)，它们表现出抗氧化特性。萃取回收到的咖啡油适用于化妆品或食品行业。应当理解的是，可以使用其他有机溶剂作为本发明的
萃取溶剂，包括庚烷、四氢呋喃、丙酮、乙醚、无水乙醇或其任意组合。
34.萃取咖啡油的过程较佳地在回流温度下进行。将粉碎后的咖啡渣颗粒与足量的己烷(例如5-20ml己烷/g咖啡渣)混合，加入搅拌机中。将混和物加热到回流温度并搅拌，使咖啡渣与己烷充分混合，以允许己烷尽可能把咖啡渣中的所有油都萃取出来，获得咖啡油产品。萃取收集到的咖啡油可重新利用，例如应用在化妆品或食品行业中。
35.在咖啡油被萃取后，过滤分离固液相，将己烷与咖啡渣分离开来，然后通过离心处理蒸发去掉己烷。在本实施例中，使用离心蒸发器在约90℃下蒸发残留在咖啡渣浆中的己烷约2小时，基本上就可以把全部的残留己烷蒸发掉。这一步骤是重要的，不仅能去除萃取溶剂和进一步蒸发水分，而且能去除咖啡渣中可能产生气味以及随时间分解的有机物质。在己烷被完全去除后，马上以5-10℃/min的升温速率将咖啡渣的温度从90℃至110℃升高至240℃至300℃，保持该温度2至4小时，对所述咖啡渣进行高温碳化处理，将咖啡渣颗粒热解形成表面粗糙的多裂孔性结构体。
36.高温碳化步骤也是咖啡渣预处理的关键步骤，经过这一步骤，咖啡渣的水分被蒸发至其含水量≤3％，更重要的是，进一步将咖啡渣中的产生气味以及随时间分解的有机物质去除，以免影响最终复合材料的性质。此外，经过碳化处理，咖啡渣的机械性能、拉伸强度、弯曲强度和耐热性(能抗600℃或以上的温度)均得到了提高，因此能适用于要求高压高温处理的不同工艺，具有更广泛的应用。
37.在咖啡油被萃取之前，咖啡渣的表面形态相对光滑。已经发现，咖啡渣经过本发明的预处理后表面变得粗糙和多孔，这种表面形态的变化也表明原来存在于咖啡渣中的咖啡油被成功地萃取。在预处理过程中的搅拌使咖啡渣颗粒之间发生更多碰撞，这些碰撞可以细化颗粒尺寸，使咖啡渣更好地分散在塑料基质中。
38.将经过上述预处理的碳化咖啡渣、聚丙烯和粘结剂按一定的配比混合，搅拌。然后将混合物送入混炼机中混炼，再将混炼料挤压、造粒，得到复合塑料。根据本发明，碳化咖啡渣、聚丙烯和粘结剂料可以按如下比例混合：咖啡渣占20-40wt.％，聚丙烯占50-78％，以及粘结剂占2-10wt.％。粘结剂可以是有机粘结剂或诸如硅酸盐的无机粘结剂，只要能有助于把亲水性咖啡渣与疏水性塑料相结合即可。再者，添加粘结剂能维持较佳的机械拉伸强度。塑料可依据所需要的特定用途和目的而适当地选用，包括abs塑料、尼龙等。
39.在本发明的复合塑料中，咖啡渣的添加量明显提高，咖啡渣颗粒在聚丙烯基质中的分散更均匀，而且彼此之间有更好的界面相互作用，更好地抵抗弯曲载荷变形，因此产生更强的复合材料，其机械性能、拉伸性能和热稳定性均获得了改善。这些性能的提高是由于咖啡渣中的咖啡油被完全萃取所致。
40.本发明提供的含有咖啡渣的复合塑料及其制备方法，与现有技术相比具有以下优点：
[0041]-本发明能够增加复合塑料中的咖啡渣含量，提高咖啡渣的可利用性，解决了废弃咖啡渣回收的问题；
[0042]-按照本发明的方法制备的含有咖啡渣的复合塑料具有改善的机械性能、拉伸性能和热稳定性，获得了更广泛的应用。
[0043]
因此，本发明的另一方面涉及本发明的含有咖啡渣的复合塑料在模制餐具、吸管和食品容器中的用途。
[0044]
以上通过描述示例性实施例，详细说明了本发明的复合塑料及其制备方法。应当理解，本发明的范围不限于上述实施例，而是由随附的权利要求所限定。在不背离本发明的目标和精神的情况下，能够对实施例进行各种修改，但是其仍然属于本发明的范围之内。