咖啡殘?jiān)牧系脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用

毛文濤，張琛茹，王佳洋，陳婉婷，陳嘉林*

（1．杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，杭州 310018；2.浙江理工大學(xué)，杭州 310018）

近年來，中國的咖啡消費(fèi)不斷增長，由此帶來的咖啡殘?jiān)幚韷毫σ仓鸩郊哟骩1]。目前，大部分相關(guān)企業(yè)仍將咖啡殘?jiān)暈閺U棄物，采取焚燒、填埋、堆肥等處理方式導(dǎo)致大量二氧化碳的釋放。黨的二十大報(bào)告中明確提出，要推進(jìn)美麗中國建設(shè)，堅(jiān)持山水林田湖草沙一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理，統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、污染治理、生態(tài)保護(hù)、應(yīng)對氣候變化，協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長，推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約、綠色低碳發(fā)展。

加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型。推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綠色化、低碳化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。加快推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)等調(diào)整優(yōu)化。實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略，推進(jìn)各類資源節(jié)約集約利用，加快構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系。完善支持綠色發(fā)展的財(cái)稅、金融、投資、價(jià)格政策和標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)，健全資源環(huán)境要素市場化配置體系，加快節(jié)能降碳先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，倡導(dǎo)綠色消費(fèi)，推動(dòng)形成綠色低碳的生產(chǎn)方式和生活方式。

目前，我國在對咖啡殘?jiān)卫梅矫娴难芯科鸩捷^晚，研究方向較少，理論知識也不完善。因此，對廢棄咖啡殘?jiān)M(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)廢棄物的可持續(xù)發(fā)展，無疑能夠?yàn)槲磥砩鐣?huì)朝著綠色發(fā)展的方向發(fā)展提供一個(gè)切實(shí)可行的方向。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

咖啡殘?jiān)且环N具有獨(dú)特多孔結(jié)構(gòu)和特性的材料，其組成成分包括油脂、多糖、蛋白質(zhì)等有益成分。可通過熱裂解和化學(xué)轉(zhuǎn)化為生物燃料、生物聚合物、生物吸附劑、抗氧化劑和生物復(fù)合材料等高價(jià)值產(chǎn)品[2]。

相比于國內(nèi)，國外在材料與設(shè)計(jì)的結(jié)合方面已經(jīng)取得了較為成熟的進(jìn)展，其研究時(shí)間更早、范圍更廣、深入程度更高。據(jù)美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，咖啡不僅可以作為下午茶的選擇，還可以轉(zhuǎn)化為生物燃料，用于驅(qū)動(dòng)汽車[3]。目前，國內(nèi)外對于咖啡殘?jiān)睦弥饕? 種策略。一種是無須分離的利用模式，另一種策略是提取咖啡渣中的有效成分，通過轉(zhuǎn)化過程獲得高附加值的單一產(chǎn)品[4-6]。

在國內(nèi)，一些企業(yè)利用咖啡殘?jiān)a(chǎn)多種產(chǎn)品，如星巴克公司在中國門店推出的含有萃取后咖啡粉的可生物降解吸管“渣渣管”，還有咖啡碳纖維、咖啡紗、咖啡地毯和咖啡鞋墊等簡單產(chǎn)品。這些研究成果成功解決了咖啡殘?jiān)Y源的綠色循環(huán)利用問題，并成功地實(shí)現(xiàn)了對一次性塑料制品白色污染的解決。

2 研究試驗(yàn)思路

2.1 理論基礎(chǔ)

江湘蕓等[7]歸納出材料在設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用，并提出每一種新材料、新工藝的出現(xiàn)都會(huì)為設(shè)計(jì)實(shí)施的可行性創(chuàng)造條件，并對設(shè)計(jì)提出更高的要求，給設(shè)計(jì)帶來新的飛躍，出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)風(fēng)格，產(chǎn)生新的功能、新的結(jié)構(gòu)、新的形態(tài)。而新的設(shè)計(jì)構(gòu)思也要求有相應(yīng)的材料及工藝來實(shí)現(xiàn)，這就對材料及工藝提出了新的要求，促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展和工藝技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新。

尹建偉[8]也提出了材料設(shè)計(jì)研究的3 個(gè)視角，3 個(gè)視角有助于厘清材料設(shè)計(jì)研究的理論和方法，有助于從思維、材料及體驗(yàn)3 個(gè)層面構(gòu)筑材料的研究體系，為未來的材料設(shè)計(jì)研究提供可行的實(shí)踐和理論方向。

基于上述理念，通過創(chuàng)新工藝將咖啡殘?jiān)限D(zhuǎn)化為有價(jià)值的新材料，從新的視角出發(fā)，以設(shè)計(jì)的材料思維去探究新材料的特性，開展設(shè)計(jì)創(chuàng)新，給設(shè)計(jì)帶來新的飛躍。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）制備樣品。

2）測試試驗(yàn)。包括機(jī)械特性測試、力學(xué)特性測試、其他特性測試。

3）數(shù)據(jù)分析。記錄每個(gè)材料樣品在各項(xiàng)測試中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保準(zhǔn)確性和可比性。使用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較新材料與其他材料在機(jī)械特性、力學(xué)特性、其他特性上的差異性。

4）結(jié)果與討論。對比分析——比較新材料與其他材料在機(jī)械特性、力學(xué)特性、其他特性上的差異，探討其原因和影響因素。討論解釋——解釋新材料相對于RC-007 皮革和棉麻混紡胚布在特定特性上的優(yōu)勢或劣勢，提出可能的改進(jìn)方向和應(yīng)用前景。

5）結(jié)論。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和討論，得出材料特性比較的結(jié)論，并指出未來研究的方向和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 材料樣品的制備

制備所需材料：食品添加劑明膠（GB 6783—2013《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑明膠》）、德新康醫(yī)用甘油（甘油含量95%~100%）、咖啡殘?jiān)⑺图兠薏剂稀?/p>

制備所需設(shè)備：DL-1500W 可調(diào)式封閉電爐、304不銹鋼鍋（GB 9864—2011《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼制品》）、BY-7002 玻璃燒杯、硅膠鍋鏟和刮刀和i2000電子秤。

咖啡殘?jiān)牧系暮铣煞椒ㄊ菍⒖Х葰堅(jiān)⑹秤妹髂z、甘油和水在一定比例下（2∶2∶2∶3）進(jìn)行混合加熱，冷卻成型。

具體合成方法：首先，將鍋預(yù)熱，然后將水和甘油倒入鍋中。待溫度升高后，逐漸將明膠注入鍋中，并持續(xù)用鍋鏟攪拌混合，直至明膠完全溶解且無明顯顆粒存在。接著逐步加入咖啡殘?jiān)缅佺P均勻攪拌混合，確保材料充分融合。當(dāng)混合物達(dá)到一定的黏稠度，將其倒出平鋪在光潔的板子上和試驗(yàn)準(zhǔn)備的材料上（純棉布料），靜置約1 h 待其冷卻，方可得到咖啡殘?jiān)牧虾涂Х葰堅(jiān)c純棉布料的混合材料（圖1）。

圖1 攪拌混合（作者自攝）

4 材料的對比試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)材料：RC-007 皮革、C/Ra 棉麻混紡胚布、咖啡殘?jiān)牧希约翱Х葰堅(jiān)c純棉布料的混合材料。

試驗(yàn)設(shè)備：美工刀、剪刀、尺子和點(diǎn)火器。

4.1 機(jī)械特性測試

切割性是指材料在切割或裁剪過程中的性能表現(xiàn)，在材料選擇和加工過程中，切割性能是重要的考慮因素之一。其描述了材料在受到外部力量作用下，相對容易被切斷、分離或改變形狀的能力。

試驗(yàn)方法：①使用美工刀輕輕地沿著準(zhǔn)備好的樣品材料的邊緣或中心線進(jìn)行切割。注意保持刀片鋒利且與材料垂直。重復(fù)步驟記錄切割的難易程度，是否需要多次切割以達(dá)到理想效果（圖2）。②使用剪刀對樣品進(jìn)行裁剪。

圖2 切割試驗(yàn)（作者自攝）

試驗(yàn)結(jié)論：①對比RC-007 皮革、棉麻混紡胚布、咖啡殘?jiān)牧系那懈钚阅埽琑C-007 皮革的切割性能較差，需要施加更大的力量，需要進(jìn)行多次切割，但切割邊緣較為整潔；棉麻混紡胚布的切割性能中等，切割相對容易無須多次切割，且切割邊緣整齊度較高；咖啡殘?jiān)牧系那懈钚阅茏詈茫懈钚枰┘痈俚牧α浚瑹o須多次切割，切割邊緣相對整齊。對比咖啡殘?jiān)牧稀⒖Х葰堅(jiān)c純棉布料的混合材料的切割性能，純棉布料的混合材料表現(xiàn)更佳，切割相對更容易且切割邊緣整齊度更高（表1、圖3）。②這幾種材料都具有良好的可裁剪性，可以通過使用剪刀進(jìn)行精確的裁剪。在進(jìn)行裁剪時(shí)，根據(jù)需要將這些材料剪成各種尺寸和形狀，以滿足不同的設(shè)計(jì)或使用要求。因此，這些材料的良好可裁剪性為試驗(yàn)提供了廣泛的創(chuàng)造和制作空間（圖4）。

表1 切割性測試數(shù)據(jù)

圖3 切割試驗(yàn)的對比（作者自攝）

圖4 裁剪成圓形（作者自攝）

4.2 力學(xué)特性測試

材料的韌性指其在受到外部力作用下能夠經(jīng)歷形變而不發(fā)生斷裂的特性。該特性在工程材料中常常被定義為材料的斷裂延展性，即在拉伸或扭轉(zhuǎn)等加載情況下，材料能夠延展多大的程度，具有高韌性的材料的實(shí)際應(yīng)用往往更加廣泛。

試驗(yàn)方法：雙手與樣品貼合，緩慢而均勻地將試驗(yàn)樣品用雙手進(jìn)行拉扯，直到發(fā)生斷裂。根據(jù)實(shí)際感受和比較，對每種樣品材料的韌性進(jìn)行評估和排名。

試驗(yàn)結(jié)論：咖啡殘?jiān)牧显诶煸囼?yàn)中展示出良好的韌性，呈現(xiàn)出適度的斷裂強(qiáng)度和伸長率。這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用咖啡殘?jiān)牧咸峁┝擞辛Φ闹С郑ū?、圖5）。

表2 韌性測試數(shù)據(jù)

圖5 韌性拉伸試驗(yàn)（作者自攝）

4.3 其他特性測試

燃燒性能是指物質(zhì)在受到外部熱源作用下，發(fā)生燃燒并釋放能量的能力和特性。其是評估材料在火災(zāi)等熱源作用下的行為和表現(xiàn)的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)方法：將一個(gè)材料樣本放置在一個(gè)不易燃燒的表面上，如金屬板。使用點(diǎn)火器點(diǎn)燃材料樣本的一端。觀察材料的燃燒情況，包括燃燒速度、火焰大小及產(chǎn)生的煙霧和氣味。記錄每個(gè)材料的燃燒時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)論：RC-007 皮革的燃燒速度緩慢，火焰較小，產(chǎn)生較少的煙霧。整個(gè)燃燒過程相對穩(wěn)定，燃燒時(shí)間較短。棉麻混紡胚布點(diǎn)燃后燃燒速度較快，火焰相對較大。會(huì)迅速燃燒并產(chǎn)生較多的煙霧，燃燒時(shí)間較長。與RC-007 皮革和棉麻混紡胚布相比，咖啡殘?jiān)牧系娜紵阅芨茫粫?huì)燃燒，只會(huì)融化變軟，表現(xiàn)出其具有較好的阻燃性能（表3、圖6）。

表3 燃燒測試數(shù)據(jù)

圖6 燃燒試驗(yàn)（作者自攝）

4.4 試驗(yàn)總結(jié)

綜合考慮切割性、韌性、燃燒性能等方面的結(jié)果，咖啡殘?jiān)牧险宫F(xiàn)出一定的優(yōu)勢，具備在產(chǎn)品制作中發(fā)揮重要作用的潛力。盡管其韌性和強(qiáng)度不及RC-007 皮革，但咖啡殘?jiān)牧系囊准庸ば院土己玫娜紵阅苁蛊湓谝恍┨囟☉?yīng)用領(lǐng)域具備廣闊的前景。在實(shí)際應(yīng)用之前，還需要進(jìn)一步探究咖啡殘?jiān)牧系钠渌匦裕源_保其可靠性和可行性。

5 咖啡殘?jiān)牧系膽?yīng)用與展望

根據(jù)埃爾文·卡拉納教授的觀點(diǎn)[9]，咖啡渣保留了咖啡的香味。材料應(yīng)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用咖啡的香味打造與用戶緊密聯(lián)系的產(chǎn)品，通過融合嗅覺感官和其他感官，使其以更綜合和豐富的方式感知事物，并形成獨(dú)特的定位。

本研究致力于追求通過綠色、簡單的工藝，將新材料轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)資源再利用和減少環(huán)境負(fù)擔(dān)的目標(biāo)。該新材料具備保持氣味和柔韌度高、易于裁割的特點(diǎn)，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流程，適用于折疊和縫制。此外，其出色的機(jī)械加工性能使其制造過程簡便。在進(jìn)行簡單的材料測試后，將其應(yīng)用于包包制作，并進(jìn)行試驗(yàn)和制作的相關(guān)探索。制作成品如圖7—9 所示。

圖7 產(chǎn)品實(shí)物展示（作者自攝）

圖8 折疊包展開圖（作者自攝）

圖9 產(chǎn)品實(shí)物展示（作者自攝）

基于綠色低碳理念的產(chǎn)品，咖啡渣可降解包能帶來不少的環(huán)境效益：減少塑料污染、節(jié)約資源、改善降解性能、增加生物相容性和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展等。通過降低塑料需求和利用廢棄咖啡渣資源，可以減少塑料垃圾產(chǎn)生，節(jié)約能源和環(huán)境成本。其出色的降解性能使其在使用后更容易分解為環(huán)境中的天然物質(zhì)，有助于減少土壤和水體污染。生物體相容性良好，這意味著使用這種包裝材料不會(huì)對人體健康造成危害，確保消費(fèi)者的安全。

6 結(jié)束語

對咖啡殘?jiān)牧稀C-007 皮革、C/Ra 棉麻混紡胚布的材料性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)，從中可以看出，3 種材料在不同特性方面各有不同的特點(diǎn)。咖啡殘?jiān)牧献鳛樾虏牧希啾扔趥鹘y(tǒng)的材料用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作，既有優(yōu)勢也有劣勢。在實(shí)際應(yīng)用之中，材料的本身還需要更好的優(yōu)化，也需要對咖啡殘?jiān)牧系钠渌阅苓M(jìn)行進(jìn)一步考察。