全降解餐具工艺分析与设备研发

刘瑞洋，黄宇杰，刘鹏佳，张胧月，李新凯

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

1 引言

随着外卖快餐行业的高速发展，一次性餐具带来的危害日益加深。据统计成年人每年通过食物摄入39000～52000个粒子的微塑料，若再考虑呼吸道吸入，则暴露量可高达74000～121000个粒子，严重危害了人体健康。2021年，对全国51个区域开展了海洋垃圾监测，海面漂浮垃圾平均个数为4602个/km2，其中塑料类垃圾占92.9%，海滩垃圾平均个数为154816个/km2，其中塑料类垃圾占75.9%，海底垃圾平均个数为4770个/km2，其中塑料类垃圾占83.3%，严重危害了生态平衡。据2021年数据，全国甘蔗产量11855.25万t，广西产区甘蔗产量达9065.03万t，产出甘蔗渣2964.31万t，造成大量空气污染[1]。2021年中共中央、国务院印发《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》《“十四五”节能减排综合工作方案》等文件，高度重视绿色理念的落实，本文结合广西甘蔗特色产业，研制基于甘蔗渣为原料的可降解餐具，从国内现状来看，发展此类绿色经济是全面落实中国两个百年奋斗目标的重要举措。从国际现状来看，此举是解决全球气候问题的必要措施之一，是建设美丽地球的历史选择。。

关于可降解餐具的研究，Warner Lambert公司研制出第一个生物可降解餐具，日本Ryohei Mori博士提出以树木、废弃木材和植物等天然材料为原材料做餐具[2, 3]。东北大学祝红丽课题组成功实现以“甘蔗渣+竹纤维”为原料制备可降解餐具[4]。关于制造过程的研究，李军等提出通过高温高压增强餐具物料间的黏连性、亲和力和成膜性[5]。闫羽发明了一种可全降解一次性餐具及其制作方法[6]，在此基础上，董学敏对餐具制造过程进行了防热分解、颜色等方面的改进[7]。上述研究为本文提供了大量的经验积累。

关于注塑机结构的研究，张谦以固体输送模型为基础，对注塑螺杆进行优化设计，证明此法比传统的设计方法更优越。李长勇等建立螺杆展开模型、能量耗散模型，对模型进行分析，得出影响塑化能力的主要因素是螺杆的深度与螺纹升角，并根据优化后的参数设计出螺杆[8]。姚绍雯结合多种液压操作模式，设计出自动控制的梯形图，并在自动化控制模式下对工艺路线、工艺参数等进行分析，最终设计出全套的自动控制系统。用Gx-simulater软件进行仿真测试，将其应用于生产实践中，发现该系统操作简便，能降低人工劳动强度，缩短注塑周期，实现了“机-电-液”的结合[9]。皮尔韦恩对锁模力进行研究，方法是通过多次试模得到多组锁模力和胀模数据，定义横具胀模的阈值，通过判断膨胀数值是否处于阈值内来对锁模力的值进行调整，以确定最佳锁模力设定值[10]。周文辉等将Zigbee无线传感网络技术应用于注塑机，研究出一个能实现远程参数设置、产能管理等功能的控制系统，实现了注塑车间多台注塑机的参数设置、运行调试和产量控制[11]。

本文利用学科交融的属性，一方面从生物化学的角度创新性提出一种全新的餐具制造工艺，能有效的提高餐具的质量与环保性；另一方面从机械生产的角度采用电磁加热，分离型螺杆等结构，有效提高生产效率。最后对整体方向的可行性与推广性进行研究，意在从学科交融的角度解决痛点问题。

2 原材料配比研究

本文提出一种以甘蔗渣为主原料全降解餐具的生产工艺，首先是配比情况：甘蔗渣75%～90%；粗淀粉10%～25%；富镧RCL3，碳酸钠Na2CO3，安息香酸，聚乙稀醇(黏结剂)若干，其中氮磷钾元素若干。水(上述各种物料混合后总量的)0.5～1.8倍。原料制作工艺如下:首先进行压榨，将甘蔗进行压榨，分别得到甘蔗渣和蔗糖液，通过除髓工艺对甘蔗渣进行除髓，之后将甘蔗渣湿法散堆，以增强甘蔗渣纤维韧性，对甘蔗渣与蒸煮液进行混合，进行蒸煮制备甘蔗渣浆料，最后通过搅拌清洗与压力筛选，得到清洁且浓稠度适宜的甘蔗渣浆料，最后进行烘干处理。相较于传统原料，上述基材具有以下特点：

(1)主原料甘蔗渣主要成分是纤维素和半纤维素。纤维素是由许多葡萄糖以β-1，4苷键缩合而成的高分子化合物。分子间彼此以氢键相连，尽管氢键的键能比一般的化学键能小得多，但因氢键的数目多，故相当牢固；而聚合度相对较小的半纤维素，其化学性质与前者相类似，但更容易被分解利用。综上所述，甘蔗渣作为纤维原料具有很大的优越性[12,13]。

(2)淀粉：保质期长，柔韧度大。本配比中选择的粗淀粉为土豆粉，其支链淀粉的分子量更大，能产生柔韧的膜；支链部分的大分子量及磷酸基团的取代作用，使得马铃薯淀粉糊很少出现凝胶或退化现象，有效延长了物质保质期，同时可保证材料的色泽和形状不发生改变。同时，淀粉是由配糖基团构成的多糖，它们是一种均聚糖，均可降解且无害[14]，达到了可全降解的要求。

(3)安息香酸：作为羧酸化合物，有抑制真菌、细菌、微生物生长的作用；与其他防腐剂结合使用，可达到协同防腐的作用[15]。安息香酸进入人体后，与甘氨酸结合成为尿酸，或与葡萄醛酸结合成葡萄糖苷酸，并全部可通过尿液排出体外，不在体内蓄积。故在正常用量范围内，对人体无毒害作用。

(4)聚乙烯醇：聚乙烯醇作为一种水溶性的多羟基高分子聚合物，化为溶液后，本身就是胶水。其生产具有物耗低，能耗低污染小的特点，是一种环保型产品。聚乙烯醇的水溶液对含有纤维素的材料的黏着力较强，具有安全无毒的优点。同时，聚乙烯醇可以提高产品的平滑性、耐摩擦性，耐油性和耐化学药品性等。

经测试该配比下的餐具平均降解时间为68 d，相较于市面常用的聚乙烯餐具，降解效能提升1.25～1.5倍，如图1所示。

图1 降解效率对比

3 机械设计研究

一次性餐具注塑成型机是一种可以将甘蔗渣、秸秆等植物纤维回收利用并成型为环保餐具的成型机器，主要应用于可降解材料成型领域。完成餐具成型的流程注塑机应具备破碎、搅拌、制浆和注射成型等功能。产品总体设计主要分为3个功能部分：上架具有搅拌功能的搅拌装置，下架具有制浆功能的传送装置和具有成型功能的注射成型装置。3个装置协同完成整个的全降解餐具的生产过程，如图2所示。

图2 餐具注射成型机

3.1 电磁加热系统

加热器安装在螺杆外部的筒体。其电磁加热系统，作用是：对通过料斗下来的混合物料加热，使其迅速成为塑胶流体。

在电磁加热方面早有一些研究成果，如:易丽琼等通过对注塑机的电磁加热研究，得出电磁加热的节能率超过28%的结论。夏杰等通过研究电磁感应加热注塑机，将电磁感应加热技术应用于料筒加热，在满足料筒加热的相关需求下，证明了该技术具有环保节能等优点,为改进注塑机的加热系统提供了可能和方向。

常规的注塑机加热装置大多采用的是电阻丝式加热，其存在一些不足：加热效率低、工作环境温度高、使用寿命短，需经常维护、产品的良品率低等。注塑生产中现有的较为先进加热设备主要有：①纳米节能环：原理是隔温保热，减少热能的损耗，主要特点就是节能效率高； ②普通红外加热圈：通过红外热辐射的方式加热，节能效果好，其缺陷在于红外灯管的使用寿命短，且维修成本较高[16]。

电磁加热是一种新型高频加热技术，优势有：①节能环保，升温快。系统采用非接触式的加热，通过磁场传递能量和磁场所产生的涡流效应对原料筒加热，减少接触损耗，相比普通的加热装置其加热效率高达85%以上，提高了能源的利用率; ②使用寿命长。加热装置材料用性能优秀的半导体材料和特制线圈制成; ③工作环境优良。减少因能量的损耗而散出的热量，保证了工作环境的舒适[17]。

电磁加热系统主要完成加热和降温功能，具体如下： ①加热：当系统所采集料筒内的的温度低于预设温度值时，系统就会通过料筒内的实际温度对料筒进行加热处理。 ②降温：当料筒内温度比预定值高，系统会自动引入冷却水，加速料筒内的降温，以提高系统的控制精度。

料筒电磁感应加热系统机构如图3所示。

图3 料筒电磁感应加热系统机构

其工作过程：采用三线制全螺纹式安装型铂电阻温度传感器，分别采集料筒的原料输送、压缩、熔融段的温度，输入至温度采集块中。然后对温度数据进行处理，输出控制信号，驱动电磁加热驱动器，以调节电磁加热线圈C1～C3的加热功率对料筒加热；当温度值高于料筒内预设值时，伺服电动阀MV1会自动调节冷却水的流量进行降温[18]。

3.2 注射螺杆

注射螺杆是注塑机的核心部件，对制品的塑化质量有重大影响，如图2(c)。

目前普遍采用的是普通型螺杆，但存在着一些问题如：塑化不良或者物料局部过热及因转速提高带来的压力、温度、粘度、产量的波动，难以满足特殊的工艺要求。最近几十年来，螺杆的更新换代越来越快，一些的常见的新型螺杆有分离型螺杆、混炼环螺杆和双波螺杆。

对于新型螺杆的研究早有一些成果：Buerkle等通过对混合螺杆、通用型螺杆、屏障型螺杆以及多螺纹螺杆的比较,得出构型较好的螺杆能提高产量且熔融效果较好，同时也适用于加工较多种类的树脂。薛佳子等用塑化系统软件MP分别模拟了屏障型螺杆、通用型螺杆、分离型螺杆的轴向与径向温度分布通过对比证明，分离型螺杆和屏障型螺杆的温度均匀性较好，适用于精度要求较高的注塑成型[19]。

分离型螺杆的结构特点：在原三段式螺杆的基础上增加了一个螺棱高度较低而螺距不同的螺纹，将原螺槽分为两部分，在熔融过程中实现塑料的固、液相分离的一种特殊螺杆。优点:①增大了熔融速率和提高熔料的均化程度；②增加了槽深，熔胶能力得到提高；③在附加螺纹的作用下，塑化和注射阶段的压力流和漏流降低，螺杆的输送和注射效率及熔融时的排气效果提高[20]。

混炼环螺杆主要起混合、均化的作用。结构分为销钉型和屏障型。销钉型比较适用于对温度控制要求较高，加工中要求升温小的原料，如：HPVC、PET透明材料等。屏障型混炼元件操作时应先将一定的固相料加入混炼段后加入物料，以发挥这种元件的最大效率。其总体的混色和塑化效果较好，但对于一些透明度高的制品或者热稳定性差的原料，要注意混炼元件的参数选择。

双波螺杆的结构特点：在单波螺杆的螺槽中再附加一条平行副螺棱，且螺距相等，副螺棱低于主螺棱，一条螺槽的波峰对应另一条螺槽的波谷。相对于其他螺杆，其塑化能力较高，混炼效果较好。但此类螺杆加工精度较高，生产困难，普及率不是很高。

综上，相对与其他螺杆来说，注塑机采用分离型螺杆较为合理，其生产的成本相对较低，可提高熔融速率及螺杆的输送和注射效率，进而提高生产效率，增加良品率[21]。

3.3 成型装置

在高速高压的注塑过程中，常规的注塑机所暴露出的问题就越突出：能耗高、工作效率低、成本较高。采用新型的斜楔装置，结构简化，减少了移动油缸消耗功率[22]，如图2(d)。

3.4 注射油缸

主要是采用油缸驱动带动螺杆运动至成型模具的定模底部，然后通过注射油缸产生的注射力，将通过高温熔化后的塑胶液体注射入成型模具中。

3.5 锁模部分

主要是要实现成型模具的上、下模运动，这里只有一个模运动，使得上下模按照模具内部的塑胶流体挤压成型，并迅速冷却后成为最终的塑胶形式的餐具件。锁模机构采用的是油缸驱动曲肘连杆来实现，这样可以更为有效的实现对动模部分的平稳运动。

3.6 驱动和控制

产品的驱动系统，都是采用全电动式动力系统，螺杆采用的是电机驱动齿轮传动的机构，节能效果与传统的液压系统相比高达70%。其拥有独特的优点:控制精度高、重复性好、节能环保、成型的周期短，具有完美的可重复和工艺稳定性，必然会成为行业发展的方向[23,24]。

PID控制技术:控制系统的关键与难点在于多段料筒温度监控的精度和速度，它直接反映了注塑机控制系统的性能。误差降低，观测直观作为注塑机系统的控制核心，本文研发的控制软件，都具有功能丰富、操作简单和控制精度高的特点[25]。其中专业型控制程序具有更直观的观测面板，并支持对控制参数的调整。

3.7 冷却装置

良好的冷却可以提高产品的良品率，是注塑模设计的核心内容之一[26]。主要采用高效的油冷却器，在短时间内对油液系统的冷却，降低冷水机的功率或负载工作时间。采用改良液压系统的管路，以减少循环过程阻力起到节能降耗的作用。

3.8 改善良品率

在注塑的生产过程中，常常由于模具的受力不均匀，夹紧力不足等问题，导致产品的良品率不高。采用云端的注塑机锁模力检测系统，实时检测注塑机上格林柱上的锁模力，分析格林柱的受力，以提高良品率[27]。采用应变电测法测量系统，通过无线锁模力监测设备完成对格林柱锁模力的监测，使用ZigBee完成检测设备与无线网络的连接，并通过NB-IoT完成数据上传，实现数据的云端管理。

本设计采用可降解的材质，采用对其进行破碎、搅拌、制浆，然后利用注射成型技术将其制造成为各式各样的餐具。本次的设计主要完成搅拌制浆、注射成型的主体结构。通过机械结构、机械原理，将搅拌、制浆、注射成型统一设计在整体的机器中，以此来提高其机构的利用率。

产品制作的过程：将粉碎好的绿色材料，加入到一个筒体内并掺加特定元素，主要是含有纤维的粉末添加剂，将其搅拌使其成为具有粘稠性的流体，这样能增加产品的结构强度，在筒体完成搅拌、制浆[28]。这些粘稠性流体通过底部的管道流入料斗中，然后通过电磁加热器加热，将这个混合体加工成胶性的粘稠液，随着螺杆的转动挤压至前端的喷嘴处，然后通过注射油缸的注射作用，将这些粘稠液通过喷嘴喷入到成型模具中，通过上模和下模的锁模作用，迅速形成餐具的形状，然后迅速冷却成型，上模和下模脱开后，形成固化模具。

4 结论与展望

绿色发展是我国经济转型的重要方向，是提高人民幸福感，满足人民群众美好生活需要的重要经济类型。为更好适应绿色经济的发展，本文通过实验设计了全降解配比工艺以及一次性餐具注射成型机，其是一种可以将甘蔗渣、秸秆等植物纤维回收利用并成型为环保餐具的成型机器，为绿色经济的具体落实提供新的解决思路。本文提出的一次性餐具注射成型机主要由3个部分组成，分别是上架的搅拌装置，下架的传送装置和注射成型装置。3个装置协同完成整个的全降解餐具的生产过程。

注塑机采用PLC控制器控制，且多连杆成型结构稳定，产品的控制精度较高，控制误差为微米级。而本文独创的对餐具用可降解原料配比的研制，实现了原料选取更加广泛，且由于采用生物质作为原材料，产品具有全降解的特性，对环境的污染小，将原本破坏环境的废料变废为宝，既保护环境，又拓宽经济增长新业态，促进绿色经济的发展。生产出的一次性餐具因其全降解，也同时解决了一次性餐具社区治理问题，可持续性强，对我国所实施的碳中和战略具有重要意义。