含有 植物纤维的 复合塑料 ， 其制备方法及其用途 技术领域 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 总所周知 ， 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， 许多研宄人员尝试研宄 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 。 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 。 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。 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- 15 wt. %（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%。 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。 发明内容 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。 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： a. 提供含有植物纤维 的第一原料 和含有塑料 的第二原 料； b. 对第一原料进行预处 理， 所述预处理包括 ： bl. 用水洗涤所述 第一原料 以去除污染 物以及水 溶性化合物 ， b2. 将洗涤后的第 一原料干 燥， 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 b4. 将所述溶剂从 萃取后 的第一原料 中除去。 c. 将经过预处理的第一 原料加热进 行碳化处理 ， 以及 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 。 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。 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 20 wt.%， 优选为不大于 10 wt.%; 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 己焼 。 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 。 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°C 至 110°C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 3 wt.%。 将咖啡 渣中的萃取 溶剂去除 后， 以 5-10°C/min， 优选为 5°C/min， 的 升温速 率直接从 90°C至 110°C加热至 200°C至 320°C， 优选为在 240°C 至 300°C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。 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。 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 。 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。 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 ： 5-50 wt.% 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 5-50 wt.%， 优选为 20-40 wt.%含有咖啡渣的原料， 以及 50-95 wt.%， 优选为 60-80 wt.%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 2-10 wt.%， 所述含有咖啡渣的原料占约 5-40 wt.%， 以及所述 塑料 占约 50-93%。 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。 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 10 wt.%, 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 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 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。 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 。 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。 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°C至 110°C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 。 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（CH ₃ （CH ₂ ） ₄ CH ₃ ）。 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。 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 。 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°C 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°C/min 的升温速率将咖啡渣的温度从 90°C至 110°C升 高至 240°C至 300°C， 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 。 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 ％ ， 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°C 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。 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。 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 20-40 wt.%，聚丙烯占 50-78%，以及粘结剂占 2-10 wt.%。 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。 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。 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：

- 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；

- 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。 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。 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。