咖啡渣在高分子复合材料中的应用研究综述*

罗鑫杰，王宝玲，李雪梅，张鸿飞，陶 娆，李 俊，朱博闻，陈人杰

(昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214)

引言

咖啡渣是咖啡冲泡过程产生的废物，质量约占咖啡产量的2/3[1]。随着全球咖啡消费量持续增加，待处理的咖啡渣也越来越多。目前，咖啡渣最主要的处理方法是填埋和焚烧，虽然方法较为简单，但是会导致严重的环境污染和生态问题[2]。首先，咖啡渣中含有酚类、咖啡因和单宁等有机物，如果直接大量填埋在土壤中，不仅会阻碍其它植物种子发芽，并对某些微生物产生毒性；而且还会随着雨水渗入地下，造成地下水源污染[3]。其次，咖啡渣中的大量含氮化合物，如蛋白质、咖啡因、木质素等，在焚烧过程中会产生大量氮氧化物，将对植物的生长和发育产生负面影响。此外，氮氧化物是酸雨的重要成分之一，会对土壤和水体造成酸化[4]。

近年来，如何绿色处理、资源化利用咖啡渣越来越得到关注。咖啡渣内含有大量的纤维素，半纤维素，木质素，脂质和蛋白质等，可以直接用作动物饲料、植物肥料、生物燃料等[5]。同时咖啡渣是一种刚性、可降解、多孔颗粒[6]，可以作为一种功能填料用于高分子复合材料中，强化高分子基体的力学性能，降低成本。通过论文检索，统计发现以咖啡渣复合材料为主题的论文发表数量由2011～2015年的70篇，快速上升至2021～2023年的557篇，由此可见，越来越多的科研工作者开始关注咖啡渣在复合材料中应用。

根据文献报道，咖啡渣可与聚乳酸、高密度聚乙烯、聚丙烯和环氧树脂4种高分子材料复合，复合时咖啡渣的处理方式有直接添加、脱脂处理、碱洗(漂白)、以及疏水改性(如图1所示)。本文按不同的高分子基材，综述了咖啡渣在高分子材料领域的最新研究进展，旨在为相关研究者提供有益的参考和启示。

图1 咖啡渣在高分子复合材料中的应用

1 咖啡渣与高分子材料的复合应用

1.1 聚乳酸(PLA)

PLA是以乳酸为主要原料聚合反应得到的一种生物可降解材料，被广泛应用于食品包装、3D打印等领域[7]。将咖啡渣引入PLA中，能够改善其力学性能，并加速生物降解过程。余旺旺在PLA中加入3%的咖啡渣，材料的弯曲强度和拉伸强度分别从 81.86 MPa 和 49.99 MP 提升至 109.07 MPa 和 51.28 MPa[8]。Wu等将40%咖啡渣与PLA复合，在土壤中放置60天后，含有咖啡渣的材料质量损失提高了60%[9]。Silva等也发现含有15%咖啡渣的PLA复合材料，在土壤中掩埋120天后，悬臂梁冲击强度仅剩下约 0.74 J/m，相较纯PLA下降了45%[10]。

除了直接添加外，对咖啡渣进行脱脂、碱洗(漂白)、疏水改性后再添加，可提升咖啡渣与PLA的相容性，以及材料的各项力学性能。Chang等在PLA中加入了20%的脱脂咖啡渣，其抗冲击强度达到 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%的弯曲模量[12]。孙圣鸿等发现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复合材料32.2%的拉伸强度，达到 71 MPa[13]。

1.2 高密度聚乙烯(HDPE)

HDPE具有优异的电绝缘性、较好的耐磨性、耐化学性和较高的刚性等特点，广泛应用于包装、建筑、电气工程等领域[14]。咖啡渣可以作为天然的补强剂，改善其力学性能。

Mendes等发现加入10%的咖啡渣可以把HDPE的弹性模量和弯曲模量分别从 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，复合材料的杨氏模量提升至 332 MPa，增加了56.60%[16]。Tan等通过碱洗提高了咖啡渣表面的粗糙度，增加了表面羟基和其他活性官能团的密度，与HDPE基体相互作用并形成机械互锁[17]。同时，在HDPE中添加了10%碱洗咖啡渣后，拉伸强度提高至 17 MPa。

1.3 聚丙烯(PP)

PP是一种由丙烯单体聚合而成的轻质、坚固且耐化学腐蚀的热塑性聚合物，广泛应用于包装，汽车工业等领域[18]。在PP中加入刚性咖啡渣颗粒，可以改善其力学性能，比如拉伸、弯曲和抗冲击等。

Essabir等在PP中加入20%咖啡渣，材料的杨氏模量提升44%，达到 1490 MPa。进一步对咖啡渣进行漂白处理，在PP中加入15%的漂白咖啡渣，复合材料的杨氏模量可以提高至 1549 MPa[19]。Wu等对咖啡渣进行脱脂处理，40%脱脂咖啡渣可以使得PP的弯曲模量和拉伸模量分别提升至 1384 MPa 和 529 MPa[20]。宋文敏等发现疏水改性的咖啡渣能够显著增强与PP基体的界面结合能力，复合材料的拉伸强度提高至 86 MPa[21]。García-García等采用棕榈酰氯对咖啡渣进行疏水改性，提升咖啡渣颗粒在PP中的分散性和相容性。当改性咖啡渣负载质量分数为20%时，复合材料获得的悬臂梁冲击强度最大值为 1.7 J/m2，提高了54%[22]。

1.4 环氧树脂(EP)

EP是一种热固性树脂，由环氧基团与硬化剂反应形成三维网络结构而成[23]。它具有出色的力学性能，耐热性，绝缘性能和耐化学腐蚀性，在航空航天，汽车工业等领域应用广泛。刚性的咖啡渣颗粒可以与EP之间产生界面相互作用，来改善其脆性，低断裂韧性和低拉伸强度等缺点。

Muniappan等发现在EP中均匀分布的咖啡渣，有助于增强界面相互作用，提高了树脂的断裂韧性[24]。在添加量为25%，复合材料的断裂韧性提高至 6.52 MPa/mm2。Tellers等采用脱脂咖啡渣，强化了EP与咖啡渣颗粒之间的界面作用[25]。当添加量为35%时，复合材料的拉伸强度达到 7 MPa，增加了16%。Leow等也采用破碎处理的脱脂咖啡渣，增加其在EP中分散性[26]。加入35%脱脂咖啡渣后，复合材料的拉伸模量和弯曲模量从 2.79 GPa 和 2.48 GPa 分别提升至 2.94 GPa 和 3.02 GPa。Nguyen等采用30%碱洗咖啡渣与EP复合时，由于其出色的润湿能力，两者之间形成强烈的表面附着力，提升了相容性[27]。样品的抗拉强度、抗弯强度和抗压强度提高至 44.81 MPa、80.07 MPa 和 112.56 MPa。

2 总结与展望

探讨了咖啡渣在高分子复合材料领域的国内外研究进展，主要梳理了咖啡渣对PLA、PP、HDPE和EP四类高分子基体的改性情况。研究结果表明，与咖啡渣复合后，4类高分子材料的拉伸强度、弯曲强度和抗冲击强度均有不同程度的提升，同时，咖啡渣还可改善EP的脆性和低断裂韧性，加速PLA的生物降解过程等。对咖啡渣进行脱脂、碱洗(漂白)或疏水改性处理后，可改善咖啡渣与高分子材料之间的相容性，并在一定程度上提高材料的力学性能。

咖啡渣所具有的刚性、多孔和生物可降解等特性，决定了其在高分子复合材料改性中起到重要作用。同时，由于咖啡渣组成成分丰富，可提取木质素、半纤维素和纤维素等特定成分，这些成分也可用于制备复合材料；咖啡渣具有较高的碳含量，适合碳化成多孔碳和碳点与其他功能材料复合可用于吸附、 催化和医学成像等领域；最后，鉴于咖啡渣的可持续来源和丰富的储备，将其用于可持续能源、 再生资源和环境友好材料的研究也是一个值得深入探讨的方向。