咖啡渣在高分子復合材料中的應用研究綜述*

羅鑫杰，王寶玲，李雪梅，張鴻飛，陶 嬈，李 俊，朱博聞，陳人杰

(昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214)

引言

咖啡渣是咖啡沖泡過程產生的廢物，質量約占咖啡產量的2/3[1]。隨著全球咖啡消費量持續增加，待處理的咖啡渣也越來越多。目前，咖啡渣最主要的處理方法是填埋和焚燒，雖然方法較為簡單，但是會導致嚴重的環境污染和生態問題[2]。首先，咖啡渣中含有酚類、咖啡因和單寧等有機物，如果直接大量填埋在土壤中，不僅會阻礙其它植物種子發芽，并對某些微生物產生毒性；而且還會隨著雨水滲入地下，造成地下水源污染[3]。其次，咖啡渣中的大量含氮化合物，如蛋白質、咖啡因、木質素等，在焚燒過程中會產生大量氮氧化物，將對植物的生長和發育產生負面影響。此外，氮氧化物是酸雨的重要成分之一，會對土壤和水體造成酸化[4]。

近年來，如何綠色處理、資源化利用咖啡渣越來越得到關注?？Х仍鼉群写罅康睦w維素，半纖維素，木質素，脂質和蛋白質等，可以直接用作動物飼料、植物肥料、生物燃料等[5]。同時咖啡渣是一種剛性、可降解、多孔顆粒[6]，可以作為一種功能填料用于高分子復合材料中，強化高分子基體的力學性能，降低成本。通過論文檢索，統計發現以咖啡渣復合材料為主題的論文發表數量由2011～2015年的70篇，快速上升至2021～2023年的557篇，由此可見，越來越多的科研工作者開始關注咖啡渣在復合材料中應用。

根據文獻報道，咖啡渣可與聚乳酸、高密度聚乙烯、聚丙烯和環氧樹脂4種高分子材料復合，復合時咖啡渣的處理方式有直接添加、脫脂處理、堿洗(漂白)、以及疏水改性(如圖1所示)。本文按不同的高分子基材，綜述了咖啡渣在高分子材料領域的最新研究進展，旨在為相關研究者提供有益的參考和啟示。

圖1 咖啡渣在高分子復合材料中的應用

1 咖啡渣與高分子材料的復合應用

1.1 聚乳酸(PLA)

PLA是以乳酸為主要原料聚合反應得到的一種生物可降解材料，被廣泛應用于食品包裝、3D打印等領域[7]。將咖啡渣引入PLA中，能夠改善其力學性能，并加速生物降解過程。余旺旺在PLA中加入3%的咖啡渣，材料的彎曲強度和拉伸強度分別從 81.86 MPa 和 49.99 MP 提升至 109.07 MPa 和 51.28 MPa[8]。Wu等將40%咖啡渣與PLA復合，在土壤中放置60天后，含有咖啡渣的材料質量損失提高了60%[9]。Silva等也發現含有15%咖啡渣的PLA復合材料，在土壤中掩埋120天后，懸臂梁沖擊強度僅剩下約 0.74 J/m，相較純PLA下降了45%[10]。

除了直接添加外，對咖啡渣進行脫脂、堿洗(漂白)、疏水改性后再添加，可提升咖啡渣與PLA的相容性，以及材料的各項力學性能。Chang等在PLA中加入了20%的脫脂咖啡渣，其抗沖擊強度達到 25.24 MJ/m3，提高了418.7%[11]。Li等使用20%漂白咖啡渣，提升了材料42%的彎曲模量[12]。孫圣鴻等發現3-氨丙基三乙氧基硅烷可以改善咖啡渣在PLA中的相容性，10%的硅烷改性咖啡渣可以提升復合材料32.2%的拉伸強度，達到 71 MPa[13]。

1.2 高密度聚乙烯(HDPE)

HDPE具有優異的電絕緣性、較好的耐磨性、耐化學性和較高的剛性等特點，廣泛應用于包裝、建筑、電氣工程等領域[14]?？Х仍梢宰鳛樘烊坏难a強劑，改善其力學性能。

Mendes等發現加入10%的咖啡渣可以把HDPE的彈性模量和彎曲模量分別從 453 MPa 和 0.25 GPa 提升至 675 MPa 和 0.52 GPa[15]。Kruszelnicka等在HDPE中加入40%的咖啡渣，復合材料的楊氏模量提升至 332 MPa，增加了56.60%[16]。Tan等通過堿洗提高了咖啡渣表面的粗糙度，增加了表面羥基和其他活性官能團的密度，與HDPE基體相互作用并形成機械互鎖[17]。同時，在HDPE中添加了10%堿洗咖啡渣后，拉伸強度提高至 17 MPa。

1.3 聚丙烯(PP)

PP是一種由丙烯單體聚合而成的輕質、堅固且耐化學腐蝕的熱塑性聚合物，廣泛應用于包裝，汽車工業等領域[18]。在PP中加入剛性咖啡渣顆粒，可以改善其力學性能，比如拉伸、彎曲和抗沖擊等。

Essabir等在PP中加入20%咖啡渣，材料的楊氏模量提升44%，達到 1490 MPa。進一步對咖啡渣進行漂白處理，在PP中加入15%的漂白咖啡渣，復合材料的楊氏模量可以提高至 1549 MPa[19]。Wu等對咖啡渣進行脫脂處理，40%脫脂咖啡渣可以使得PP的彎曲模量和拉伸模量分別提升至 1384 MPa 和 529 MPa[20]。宋文敏等發現疏水改性的咖啡渣能夠顯著增強與PP基體的界面結合能力，復合材料的拉伸強度提高至 86 MPa[21]。García-García等采用棕櫚酰氯對咖啡渣進行疏水改性，提升咖啡渣顆粒在PP中的分散性和相容性。當改性咖啡渣負載質量分數為20%時，復合材料獲得的懸臂梁沖擊強度最大值為 1.7 J/m2，提高了54%[22]。

1.4 環氧樹脂(EP)

EP是一種熱固性樹脂，由環氧基團與硬化劑反應形成三維網絡結構而成[23]。它具有出色的力學性能，耐熱性，絕緣性能和耐化學腐蝕性，在航空航天，汽車工業等領域應用廣泛。剛性的咖啡渣顆粒可以與EP之間產生界面相互作用，來改善其脆性，低斷裂韌性和低拉伸強度等缺點。

Muniappan等發現在EP中均勻分布的咖啡渣，有助于增強界面相互作用，提高了樹脂的斷裂韌性[24]。在添加量為25%，復合材料的斷裂韌性提高至 6.52 MPa/mm2。Tellers等采用脫脂咖啡渣，強化了EP與咖啡渣顆粒之間的界面作用[25]。當添加量為35%時，復合材料的拉伸強度達到 7 MPa，增加了16%。Leow等也采用破碎處理的脫脂咖啡渣，增加其在EP中分散性[26]。加入35%脫脂咖啡渣后，復合材料的拉伸模量和彎曲模量從 2.79 GPa 和 2.48 GPa 分別提升至 2.94 GPa 和 3.02 GPa。Nguyen等采用30%堿洗咖啡渣與EP復合時，由于其出色的潤濕能力，兩者之間形成強烈的表面附著力，提升了相容性[27]。樣品的抗拉強度、抗彎強度和抗壓強度提高至 44.81 MPa、80.07 MPa 和 112.56 MPa。

2 總結與展望

探討了咖啡渣在高分子復合材料領域的國內外研究進展，主要梳理了咖啡渣對PLA、PP、HDPE和EP四類高分子基體的改性情況。研究結果表明，與咖啡渣復合后，4類高分子材料的拉伸強度、彎曲強度和抗沖擊強度均有不同程度的提升，同時，咖啡渣還可改善EP的脆性和低斷裂韌性，加速PLA的生物降解過程等。對咖啡渣進行脫脂、堿洗(漂白)或疏水改性處理后，可改善咖啡渣與高分子材料之間的相容性，并在一定程度上提高材料的力學性能。

咖啡渣所具有的剛性、多孔和生物可降解等特性，決定了其在高分子復合材料改性中起到重要作用。同時，由于咖啡渣組成成分豐富，可提取木質素、半纖維素和纖維素等特定成分，這些成分也可用于制備復合材料；咖啡渣具有較高的碳含量，適合碳化成多孔碳和碳點與其他功能材料復合可用于吸附、 催化和醫學成像等領域；最后，鑒于咖啡渣的可持續來源和豐富的儲備，將其用于可持續能源、 再生資源和環境友好材料的研究也是一個值得深入探討的方向。