以咖啡渣为生物基填料的生物塑料

咖啡渣不只是一种废料。经过榨油干燥之后，它可被用作填料和着色剂掺入塑料化合物中。它还能影响结晶行为和连续塑料加工。在注塑成型过程中，它可以在缩短冷却时间和周期时间的同时不对材料性能产生显著影响。

咖啡渣化合物可用于计算机配件生产，例如：鼠标外壳 © IfBB

生物塑料主要被用作传统塑料的可持续替代品。但是，其添加剂通常来自化石原料，与可持续性要求背道而驰。因此，人们对生物基添加剂进行了深入研究。其中一种可能是咖啡渣：它既可被用作生物塑料的填料，也可被用作生物塑料的着色剂。该材料在以下两个方面都满足可持续性要求：它既是生物基材料，又是废料，符合循环的概念。

德国汉诺威应用科学与艺术大学生物塑料和生物复合材料研究所（IfBB）针对如何将这种材料用作填料进行了研究。他们使用的生物聚合物是汉诺威应用科学与艺术大学生产的基于PLLA（聚-L-丙交酯）和 PDLA（聚-D-丙交酯）并以滑石粉为矿物填料的立体复合聚丙交酯（PLA；型号：IfBB-Blend HD130x）。这种材料已在办公设施上进行了应用并通过咖啡渣进行了后续改良。在PLLA中加入被用作成核剂的PDLA并将模具温度升高至100°C可在注塑成型过程中产生所谓的立体络合物（scPLA），它反过来又决定了材料的结晶行为并且对材料特性有利，尤其是热变形温度。

不同浓度的咖啡渣

为了分析咖啡渣带来的影响，首先以5-15wt.%的浓度添加这些咖啡渣。此外，他们还生产了一种含5wt.%咖啡渣和5wt.%滑石粉的化合物。这样做的目的是为了检查是否还需要将矿物填料用作成核剂。所用的咖啡渣（粒径：d50 = 362μm）购自德国科隆的abc – advanced biomass concepts GmbH公司。

咖啡渣化合物是在克劳斯玛菲挤出公司（KraussMaffei Extrusion GmbH）的ZE 34 Basic挤出机上生产的。生物聚合物基材在挤出机生产开始时被送入熔融区。咖啡渣（5.4wt.%水气）用侧向进料器计量。适配的螺杆配置能够实现温和的混合而不会损坏PLLA和残留材料。带有脱气区的特殊挤出机设置能够在过程中去除水分而无需预干燥。

表1 咖啡渣化合物的材料特性（注塑成型时的模具温度为100 °C）（来源：IfBB）

来自克劳斯玛菲的注塑机KM 50–180 AX被用于生产多功能试样（型号1A），模具温度为100°C。为了防止材料因水解而降解，他们在加工前对颗粒进行了干燥（水分含量<500ppm）。为了生产出最佳填充的部件，温控区、保压压力以及注射时间和注射压力都经过特别调整。加工完成之后，材料的机械性能、热性能和流变性能都根据相关标准进行了测定。咖啡渣化合物可用于生产餐饮用品、计算机配件和办公设施等，IfBB用它们制成的两种产品——开瓶器和鼠标外壳（标题图）证明了这一点。

咖啡渣和滑石粉组合用于缩短周期时间

咖啡渣化合物的挤出没有任何工艺问题，产量为50kg/h。在注塑成型的情况下，随着咖啡渣含量（5-15wt.%）的增加，周期时间最多增加28秒（表1）。为了避免因形状稳定性差而导致喷嘴留下印记，冷却时间必须延长。矿物填料的添加会对化合物的结晶能力产生积极的影响。与参考数值相比，周期时间还可再减少9秒。

图1 随着咖啡渣比例的增加，结晶峰变宽并且向更低的温度移动（来源：IfBB；图：© Hanser）

随着咖啡渣含量的增加，拉伸强度、拉伸弹性模量和冲击强度都会降低。与添加天然纤维和木粉一样，拉伸强度和冲击强度都会随着投加量的增加而降低。与参考数值（scPLA + 10wt. %滑石粉）相比，咖啡渣在填料含量为15wt. %时没有增强效果。因此，随投加量变化的机械性能没有产生显著变化。所有材料的耐热性都在100 °C以上。

与添加了5wt. %咖啡渣的化合物相比，在咖啡渣化合物中添加滑石粉能够增加拉伸弹性模量。它使材料更硬，但不会更脆。滑石粉的添加不会对拉伸强度和冲击强度产生显著影响。

结晶行为变化

差热分析（DSC测试）被用于更精确地分析结晶行为，特别是注塑成型过程中因为一些化合物形状稳定性差而导致的脱模不足。DSC冷却曲线表明，随着咖啡渣比例的增加，结晶峰变宽并且向更低的温度移动（图1）。含10wt. %或15wt. %咖啡渣的样品结晶结束时，温度低于设定的模具温度100°C。这表明在注塑成型过程中结晶尚未完成。由于结晶峰以更高的冷却速率向更低的温度移动，因此出现了较长的周期时间。

表2 注塑成型部件在不同模具温度条件下具有不同的机械性能（来源：IfBB）

为了更精确地评估结晶行为，图像用热台显微镜在偏振光下拍摄。样品被加热至熔点（PLLA为175 °C；scPLA为245 °C）以上并以规定的方式（10K/min）冷却。冷却过程中晶体的开始和形成都通过显微镜记录并评估。

模具温度的优化

添加了咖啡渣和滑石粉（scPLA + 5wt. %滑石粉 + 5wt. %咖啡渣）的样品的结晶行为如图2所示。聚合物部分在245°C时完全熔化。粉红色区域显示了化合物的液态、无晶体状态。均匀分布的咖啡颗粒和滑石粉的发光结晶结构清晰可见。在冷却过程中，第一个晶体在在130°C时出现在样品的边缘区域。与注塑成型部件类似，小球晶随着温度的降低而形成，由外到内分布并出现在咖啡颗粒上。结晶在109-110°C时已经全部完成，温度比设定的模具温度高9°C。这个结果与从DSC冷却曲线获得的结果（图1）一致。滑石粉的加入使结晶温度（Tc）升高，最终导致咖啡渣化合物的成核和结晶期变短。

图2 由含5wt. %滑石粉和5wt. %咖啡渣的scPLA制成的样品的热台显微镜图像。样品在245°C时的熔化状态如左图所示。中间的图片显示了晶体在126°C时在样品的边缘区域形成。结晶在110°C时完成（右） © IfBB

根据这些结果，他们在90°C的较低模具温度下对含10wt. %和15wt. %咖啡渣的化合物再次进行了加工和分析。结果表明，通过调整模具温度，周期时间可以减少7-12%（表2）。由于模具温度更低，晶体形成增多，形状稳定性更好，因此能够更好地脱模。这一假设通过部件后续的DSC测量得到了证实。随着结晶度的增加，拉伸强度降低了约13%，拉伸弹性模量以及冲击强度降低了约3%。

结语

咖啡渣化合物的工业化加工可以在没有任何工艺问题的情况下实现。通过改变和调整周边设备还可以节省时间和成本。与添加天然纤维和木粉一样，添加咖啡渣会带来材料特性的改变。拉伸强度、冲击强度和流动性会随着咖啡渣含量的增加而降低。咖啡渣和矿物填料滑石粉的组合尤其有前景。通过缩短结晶时间还可以改善材料特性和加工参数。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Daniela Jahn，Stephen Kroll，Andrea Siebert-Raths

来源：荣格-《国际塑料商情》

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