全降解餐具工藝分析與設備研發

劉瑞洋，黃宇杰，劉鵬佳，張朧月，李新凱

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

1 引言

隨著外賣快餐行業的高速發展，一次性餐具帶來的危害日益加深。據統計成年人每年通過食物攝入39000～52000個粒子的微塑料，若再考慮呼吸道吸入，則暴露量可高達74000～121000個粒子，嚴重危害了人體健康。2021年，對全國51個區域開展了海洋垃圾監測，海面漂浮垃圾平均個數為4602個/km2，其中塑料類垃圾占92.9%，海灘垃圾平均個數為154816個/km2，其中塑料類垃圾占75.9%，海底垃圾平均個數為4770個/km2，其中塑料類垃圾占83.3%，嚴重危害了生態平衡。據2021年數據，全國甘蔗產量11855.25萬t，廣西產區甘蔗產量達9065.03萬t，產出甘蔗渣2964.31萬t，造成大量空氣污染[1]。2021年中共中央、國務院印發《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》《“十四五”節能減排綜合工作方案》等文件，高度重視綠色理念的落實，本文結合廣西甘蔗特色產業，研制基于甘蔗渣為原料的可降解餐具，從國內現狀來看，發展此類綠色經濟是全面落實中國兩個百年奮斗目標的重要舉措。從國際現狀來看，此舉是解決全球氣候問題的必要措施之一，是建設美麗地球的歷史選擇。。

關于可降解餐具的研究，Warner Lambert公司研制出第一個生物可降解餐具，日本Ryohei Mori博士提出以樹木、廢棄木材和植物等天然材料為原材料做餐具[2, 3]。東北大學祝紅麗課題組成功實現以“甘蔗渣+竹纖維”為原料制備可降解餐具[4]。關于制造過程的研究，李軍等提出通過高溫高壓增強餐具物料間的黏連性、親和力和成膜性[5]。閆羽發明了一種可全降解一次性餐具及其制作方法[6]，在此基礎上，董學敏對餐具制造過程進行了防熱分解、顏色等方面的改進[7]。上述研究為本文提供了大量的經驗積累。

關于注塑機結構的研究，張謙以固體輸送模型為基礎，對注塑螺桿進行優化設計，證明此法比傳統的設計方法更優越。李長勇等建立螺桿展開模型、能量耗散模型，對模型進行分析，得出影響塑化能力的主要因素是螺桿的深度與螺紋升角，并根據優化后的參數設計出螺桿[8]。姚紹雯結合多種液壓操作模式，設計出自動控制的梯形圖，并在自動化控制模式下對工藝路線、工藝參數等進行分析，最終設計出全套的自動控制系統。用Gx-simulater軟件進行仿真測試，將其應用于生產實踐中，發現該系統操作簡便，能降低人工勞動強度，縮短注塑周期，實現了“機-電-液”的結合[9]。皮爾韋恩對鎖模力進行研究，方法是通過多次試模得到多組鎖模力和脹模數據，定義橫具脹模的閾值，通過判斷膨脹數值是否處于閾值內來對鎖模力的值進行調整，以確定最佳鎖模力設定值[10]。周文輝等將Zigbee無線傳感網絡技術應用于注塑機，研究出一個能實現遠程參數設置、產能管理等功能的控制系統，實現了注塑車間多臺注塑機的參數設置、運行調試和產量控制[11]。

本文利用學科交融的屬性，一方面從生物化學的角度創新性提出一種全新的餐具制造工藝，能有效的提高餐具的質量與環保性；另一方面從機械生產的角度采用電磁加熱，分離型螺桿等結構，有效提高生產效率。最后對整體方向的可行性與推廣性進行研究，意在從學科交融的角度解決痛點問題。

2 原材料配比研究

本文提出一種以甘蔗渣為主原料全降解餐具的生產工藝，首先是配比情況：甘蔗渣75%～90%；粗淀粉10%～25%；富鑭RCL3，碳酸鈉Na2CO3，安息香酸，聚乙稀醇(黏結劑)若干，其中氮磷鉀元素若干。水(上述各種物料混合后總量的)0.5～1.8倍。原料制作工藝如下:首先進行壓榨，將甘蔗進行壓榨，分別得到甘蔗渣和蔗糖液，通過除髓工藝對甘蔗渣進行除髓，之后將甘蔗渣濕法散堆，以增強甘蔗渣纖維韌性，對甘蔗渣與蒸煮液進行混合，進行蒸煮制備甘蔗渣漿料，最后通過攪拌清洗與壓力篩選，得到清潔且濃稠度適宜的甘蔗渣漿料，最后進行烘干處理。相較于傳統原料，上述基材具有以下特點：

(1)主原料甘蔗渣主要成分是纖維素和半纖維素。纖維素是由許多葡萄糖以β-1，4苷鍵縮合而成的高分子化合物。分子間彼此以氫鍵相連，盡管氫鍵的鍵能比一般的化學鍵能小得多，但因氫鍵的數目多，故相當牢固；而聚合度相對較小的半纖維素，其化學性質與前者相類似，但更容易被分解利用。綜上所述，甘蔗渣作為纖維原料具有很大的優越性[12,13]。

(2)淀粉：保質期長，柔韌度大。本配比中選擇的粗淀粉為土豆粉，其支鏈淀粉的分子量更大，能產生柔韌的膜；支鏈部分的大分子量及磷酸基團的取代作用，使得馬鈴薯淀粉糊很少出現凝膠或退化現象，有效延長了物質保質期，同時可保證材料的色澤和形狀不發生改變。同時，淀粉是由配糖基團構成的多糖，它們是一種均聚糖，均可降解且無害[14]，達到了可全降解的要求。

(3)安息香酸：作為羧酸化合物，有抑制真菌、細菌、微生物生長的作用；與其他防腐劑結合使用，可達到協同防腐的作用[15]。安息香酸進入人體后，與甘氨酸結合成為尿酸，或與葡萄醛酸結合成葡萄糖苷酸，并全部可通過尿液排出體外，不在體內蓄積。故在正常用量范圍內，對人體無毒害作用。

(4)聚乙烯醇：聚乙烯醇作為一種水溶性的多羥基高分子聚合物，化為溶液后，本身就是膠水。其生產具有物耗低，能耗低污染小的特點，是一種環保型產品。聚乙烯醇的水溶液對含有纖維素的材料的黏著力較強，具有安全無毒的優點。同時，聚乙烯醇可以提高產品的平滑性、耐摩擦性，耐油性和耐化學藥品性等。

經測試該配比下的餐具平均降解時間為68 d，相較于市面常用的聚乙烯餐具，降解效能提升1.25～1.5倍，如圖1所示。

圖1 降解效率對比

3 機械設計研究

一次性餐具注塑成型機是一種可以將甘蔗渣、秸稈等植物纖維回收利用并成型為環保餐具的成型機器，主要應用于可降解材料成型領域。完成餐具成型的流程注塑機應具備破碎、攪拌、制漿和注射成型等功能。產品總體設計主要分為3個功能部分：上架具有攪拌功能的攪拌裝置，下架具有制漿功能的傳送裝置和具有成型功能的注射成型裝置。3個裝置協同完成整個的全降解餐具的生產過程，如圖2所示。

圖2 餐具注射成型機

3.1 電磁加熱系統

加熱器安裝在螺桿外部的筒體。其電磁加熱系統，作用是：對通過料斗下來的混合物料加熱，使其迅速成為塑膠流體。

在電磁加熱方面早有一些研究成果，如:易麗瓊等通過對注塑機的電磁加熱研究，得出電磁加熱的節能率超過28%的結論。夏杰等通過研究電磁感應加熱注塑機，將電磁感應加熱技術應用于料筒加熱，在滿足料筒加熱的相關需求下，證明了該技術具有環保節能等優點,為改進注塑機的加熱系統提供了可能和方向。

常規的注塑機加熱裝置大多采用的是電阻絲式加熱，其存在一些不足：加熱效率低、工作環境溫度高、使用壽命短，需經常維護、產品的良品率低等。注塑生產中現有的較為先進加熱設備主要有：①納米節能環：原理是隔溫保熱，減少熱能的損耗，主要特點就是節能效率高； ②普通紅外加熱圈：通過紅外熱輻射的方式加熱，節能效果好，其缺陷在于紅外燈管的使用壽命短，且維修成本較高[16]。

電磁加熱是一種新型高頻加熱技術，優勢有：①節能環保，升溫快。系統采用非接觸式的加熱，通過磁場傳遞能量和磁場所產生的渦流效應對原料筒加熱，減少接觸損耗，相比普通的加熱裝置其加熱效率高達85%以上，提高了能源的利用率; ②使用壽命長。加熱裝置材料用性能優秀的半導體材料和特制線圈制成; ③工作環境優良。減少因能量的損耗而散出的熱量，保證了工作環境的舒適[17]。

電磁加熱系統主要完成加熱和降溫功能，具體如下： ①加熱：當系統所采集料筒內的的溫度低于預設溫度值時，系統就會通過料筒內的實際溫度對料筒進行加熱處理。 ②降溫：當料筒內溫度比預定值高，系統會自動引入冷卻水，加速料筒內的降溫，以提高系統的控制精度。

料筒電磁感應加熱系統機構如圖3所示。

圖3 料筒電磁感應加熱系統機構

其工作過程：采用三線制全螺紋式安裝型鉑電阻溫度傳感器，分別采集料筒的原料輸送、壓縮、熔融段的溫度，輸入至溫度采集塊中。然后對溫度數據進行處理，輸出控制信號，驅動電磁加熱驅動器，以調節電磁加熱線圈C1～C3的加熱功率對料筒加熱；當溫度值高于料筒內預設值時，伺服電動閥MV1會自動調節冷卻水的流量進行降溫[18]。

3.2 注射螺桿

注射螺桿是注塑機的核心部件，對制品的塑化質量有重大影響，如圖2(c)。

目前普遍采用的是普通型螺桿，但存在著一些問題如：塑化不良或者物料局部過熱及因轉速提高帶來的壓力、溫度、粘度、產量的波動，難以滿足特殊的工藝要求。最近幾十年來，螺桿的更新換代越來越快，一些的常見的新型螺桿有分離型螺桿、混煉環螺桿和雙波螺桿。

對于新型螺桿的研究早有一些成果：Buerkle等通過對混合螺桿、通用型螺桿、屏障型螺桿以及多螺紋螺桿的比較,得出構型較好的螺桿能提高產量且熔融效果較好，同時也適用于加工較多種類的樹脂。薛佳子等用塑化系統軟件MP分別模擬了屏障型螺桿、通用型螺桿、分離型螺桿的軸向與徑向溫度分布通過對比證明，分離型螺桿和屏障型螺桿的溫度均勻性較好，適用于精度要求較高的注塑成型[19]。

分離型螺桿的結構特點：在原三段式螺桿的基礎上增加了一個螺棱高度較低而螺距不同的螺紋，將原螺槽分為兩部分，在熔融過程中實現塑料的固、液相分離的一種特殊螺桿。優點:①增大了熔融速率和提高熔料的均化程度；②增加了槽深，熔膠能力得到提高；③在附加螺紋的作用下，塑化和注射階段的壓力流和漏流降低，螺桿的輸送和注射效率及熔融時的排氣效果提高[20]。

混煉環螺桿主要起混合、均化的作用。結構分為銷釘型和屏障型。銷釘型比較適用于對溫度控制要求較高，加工中要求升溫小的原料，如：HPVC、PET透明材料等。屏障型混煉元件操作時應先將一定的固相料加入混煉段后加入物料，以發揮這種元件的最大效率。其總體的混色和塑化效果較好，但對于一些透明度高的制品或者熱穩定性差的原料，要注意混煉元件的參數選擇。

雙波螺桿的結構特點：在單波螺桿的螺槽中再附加一條平行副螺棱，且螺距相等，副螺棱低于主螺棱，一條螺槽的波峰對應另一條螺槽的波谷。相對于其他螺桿，其塑化能力較高，混煉效果較好。但此類螺桿加工精度較高，生產困難，普及率不是很高。

綜上，相對與其他螺桿來說，注塑機采用分離型螺桿較為合理，其生產的成本相對較低，可提高熔融速率及螺桿的輸送和注射效率，進而提高生產效率，增加良品率[21]。

3.3 成型裝置

在高速高壓的注塑過程中，常規的注塑機所暴露出的問題就越突出：能耗高、工作效率低、成本較高。采用新型的斜楔裝置，結構簡化，減少了移動油缸消耗功率[22]，如圖2(d)。

3.4 注射油缸

主要是采用油缸驅動帶動螺桿運動至成型模具的定模底部，然后通過注射油缸產生的注射力，將通過高溫熔化后的塑膠液體注射入成型模具中。

3.5 鎖模部分

主要是要實現成型模具的上、下模運動，這里只有一個模運動，使得上下模按照模具內部的塑膠流體擠壓成型，并迅速冷卻后成為最終的塑膠形式的餐具件。鎖模機構采用的是油缸驅動曲肘連桿來實現，這樣可以更為有效的實現對動模部分的平穩運動。

3.6 驅動和控制

產品的驅動系統，都是采用全電動式動力系統，螺桿采用的是電機驅動齒輪傳動的機構，節能效果與傳統的液壓系統相比高達70%。其擁有獨特的優點:控制精度高、重復性好、節能環保、成型的周期短，具有完美的可重復和工藝穩定性，必然會成為行業發展的方向[23,24]。

PID控制技術:控制系統的關鍵與難點在于多段料筒溫度監控的精度和速度，它直接反映了注塑機控制系統的性能。誤差降低，觀測直觀作為注塑機系統的控制核心，本文研發的控制軟件，都具有功能豐富、操作簡單和控制精度高的特點[25]。其中專業型控制程序具有更直觀的觀測面板，并支持對控制參數的調整。

3.7 冷卻裝置

良好的冷卻可以提高產品的良品率，是注塑模設計的核心內容之一[26]。主要采用高效的油冷卻器，在短時間內對油液系統的冷卻，降低冷水機的功率或負載工作時間。采用改良液壓系統的管路，以減少循環過程阻力起到節能降耗的作用。

3.8 改善良品率

在注塑的生產過程中，常常由于模具的受力不均勻，夾緊力不足等問題，導致產品的良品率不高。采用云端的注塑機鎖模力檢測系統，實時檢測注塑機上格林柱上的鎖模力，分析格林柱的受力，以提高良品率[27]。采用應變電測法測量系統，通過無線鎖模力監測設備完成對格林柱鎖模力的監測，使用ZigBee完成檢測設備與無線網絡的連接，并通過NB-IoT完成數據上傳，實現數據的云端管理。

本設計采用可降解的材質，采用對其進行破碎、攪拌、制漿，然后利用注射成型技術將其制造成為各式各樣的餐具。本次的設計主要完成攪拌制漿、注射成型的主體結構。通過機械結構、機械原理，將攪拌、制漿、注射成型統一設計在整體的機器中，以此來提高其機構的利用率。

產品制作的過程：將粉碎好的綠色材料，加入到一個筒體內并摻加特定元素，主要是含有纖維的粉末添加劑，將其攪拌使其成為具有粘稠性的流體，這樣能增加產品的結構強度，在筒體完成攪拌、制漿[28]。這些粘稠性流體通過底部的管道流入料斗中，然后通過電磁加熱器加熱，將這個混合體加工成膠性的粘稠液，隨著螺桿的轉動擠壓至前端的噴嘴處，然后通過注射油缸的注射作用，將這些粘稠液通過噴嘴噴入到成型模具中，通過上模和下模的鎖模作用，迅速形成餐具的形狀，然后迅速冷卻成型，上模和下模脫開后，形成固化模具。

4 結論與展望

綠色發展是我國經濟轉型的重要方向，是提高人民幸福感，滿足人民群眾美好生活需要的重要經濟類型。為更好適應綠色經濟的發展，本文通過實驗設計了全降解配比工藝以及一次性餐具注射成型機，其是一種可以將甘蔗渣、秸稈等植物纖維回收利用并成型為環保餐具的成型機器，為綠色經濟的具體落實提供新的解決思路。本文提出的一次性餐具注射成型機主要由3個部分組成，分別是上架的攪拌裝置，下架的傳送裝置和注射成型裝置。3個裝置協同完成整個的全降解餐具的生產過程。

注塑機采用PLC控制器控制，且多連桿成型結構穩定，產品的控制精度較高，控制誤差為微米級。而本文獨創的對餐具用可降解原料配比的研制，實現了原料選取更加廣泛，且由于采用生物質作為原材料，產品具有全降解的特性，對環境的污染小，將原本破壞環境的廢料變廢為寶，既保護環境，又拓寬經濟增長新業態，促進綠色經濟的發展。生產出的一次性餐具因其全降解，也同時解決了一次性餐具社區治理問題，可持續性強，對我國所實施的碳中和戰略具有重要意義。