废弃咖啡渣生物基天然橡胶复合材料的开发及其作为合成皮革可持续替代品的研究

《Resources, Environment and Sustainability》：Utilizing Spent Coffee Grounds as a Bio-Based Source for Natural Rubber: An Alternative to Synthetic Leather

本研究针对全球每年产生超600万吨废弃咖啡渣(SCG)造成的环境问题，开发了SCG作为生物添加剂与天然橡胶(NR)复合制备环保合成皮革的新方法。结果表明NR-SCG25复合材料具有各向同性力学性能(拉伸强度变异<5%)、2个月土壤生物降解特性及3.22 kgCO2eq/m2的低碳足迹，较牛皮革和PU皮革降低5.3倍和4.9倍，为可持续材料设计提供了创新方案。

　　

在全球咖啡消费量持续增长的背景下，每年超过600万吨的废弃咖啡渣(Spent Coffee Grounds, SCG)处理成为重大环境挑战。这些有机废弃物在填埋场通过厌氧分解产生大量甲烷(CH₄)，其温室效应可达二氧化碳(CO₂)的28-84倍。与此同时，传统皮革产业面临严峻的可持续发展问题：牛皮革生产伴随资源密集型畜牧业和涉及14道工序的鞣制过程，而聚氨酯(PU)和聚氯乙烯(PVC)合成皮革虽成本较低但依赖不可再生资源且难以生物降解。这种两难境地促使研究人员探索真正可持续的替代方案。

在此背景下，朱拉隆功大学技术管理与创新创业研究生院的Pinrat Pinweha、Pornsiri Toh-ae和Sirilux Poompradub团队在《Resources, Environment and Sustainability》发表创新研究，首次系统论证了利用SCG作为天然橡胶(Natural Rubber, NR)生物添加剂开发生物基合成皮革的可行性。这项研究不仅为废弃物资源化利用开辟了新途径，更为纺织时尚行业提供了兼具环境友好性和功能性的材料解决方案。

研究团队通过多学科交叉方法开展了系统性探索。关键技术方法包括：采用酸洗纤维(Acid-Detergent Fiber, ADF)法分析SCG的纤维素(22.72%)、半纤维素(21.54%)和木质素(11.77%)组成；使用双辊开炼机进行橡胶复合材料的制备，SCG添加量设0、15、25、50 phr(每百份橡胶中的份数)四个梯度；通过移动模具流变仪(MDR)分析硫化特性；利用万能试验机评估力学性能；采用土壤埋藏实验(ASTM G160)研究生物降解性；基于泰国温室气体管理组织(TGO)数据库进行碳足迹核算。

3.1. SCG表征分析

SCG的组分分析揭示了其作为生物填料的潜力。除主要结构性成分外，SCG中含有的类黑精(melanoidins)和焦糖化化合物提供了天然棕色色素，避免了合成染料的使用，符合绿色化学原则。

3.2. 复合材料形态学

随着SCG添加量增加，复合材料颜色逐渐加深，NR-SCG15和NR-SCG25在外观和触感上最接近牛皮革。扫描电镜(SEM)显示，SCG颗粒在NR基质中分散良好，但高添加量(50 phr)时出现明显团聚现象，表明存在最佳添加范围。

3.3. 硫化特性

SCG的加入提高了复合材料的最大扭矩(MH)和扭矩差(MH-ML)，表明交联密度增加。 scorch时间(T_s2)和最佳硫化时间(T_c90)变化不显著，证明SCG不影响硫化过程。

3.4. 力学性能

各向同性分析显示NR-SCG15和NR-SCG25在纵向和横向的拉伸强度变异分别仅为4.87%和3.60%，远低于牛皮革(39.45%)和PU皮革(93.02%)。这种均匀性使材料在裁剪时可任意取向，显著提高利用率和设计灵活性。Mooney-Rivlin模型分析表明，SCG增强了物理链缠结(C₂值增加)，但略微降低了化学交联密度(C₁值减少)。

3.5. 环境影响评估

生物降解实验表明，NR-SCG25在土壤埋藏2个月后拉伸强度下降84.72%，3个月后表面出现大量裂缝和孔隙，而纯NR变化微小。这种快速降解特性源于SCG中的纤维素成分促进微生物定殖。碳足迹评估显示NR-SCG25仅为3.22 kgCO₂eq/m²，较牛皮革(17.0 kgCO₂eq/m²)和PU皮革(15.8 kgCO₂eq/m²)显著降低。

该研究成功验证了SCG作为NR生物填料的双重价值：既改善了材料性能，又实现了废弃物增值利用。NR-SCG复合材料突破传统皮革的定向依赖性，结合快速生物降解特性和低碳足迹，为循环经济模式下的材料设计提供了新范式。未来研究需关注规模化生产可行性、长期耐久性优化以及水性处理技术开发，以推动这一创新材料从实验室走向产业化应用。