基于循环经济下增加回收啤酒瓶原型复用率工艺的研究

曾忠斌，郭宏星，李丽莎，杨京亭，王亚男

基于循环经济下增加回收啤酒瓶原型复用率工艺的研究

曾忠斌1,2，郭宏星3，李丽莎1,2，杨京亭4，王亚男1

（1.甘肃省产品质量监督检验研究院，兰州 730000；2.国家包装产品质量检验检测中心（兰州），兰州 730000；3.青岛啤酒武威责任有限公司，甘肃 武威 733000； 4.北京华宇达玻璃技术应用研究院，北京 100000）

稳定啤酒企业使用的可回收玻璃啤酒瓶的物理力学性能，增加瓶体表面美观及光滑度，减少重复使用过程中爆瓶的概率，保障消费安全。通过模拟消费周转环节，在回收旧啤酒瓶清洗后到灌装前磨损最严重的灌装线上，加装研发的设备，将一种安全的氧化OPE蜡乳液均匀涂覆在瓶体表面，并重复灌装—周转—清洗—灌装整个循环过程，采集试验数据。通过采集各循环轮次中试验组和对照组的测试数据分析可知，经过工艺改进后的试验组，每轮次都直观可见瓶体表面明亮如新瓶，其物理力学性能各项检测指标明显优于对照组的，试验组的重复使用次数比对照组的增加了2.5倍以上。该工艺可以有效降低回收旧啤酒瓶的表面摩擦因数，改善清洗后瓶体表面的滞涩现象，减少接触磨损对瓶体产生的伤害，延缓力学性能的衰减速度，达到循环经济提倡的增加同目的重复使用的频次，减少新瓶的使用量和成本。同时为修订后的新GB 4544—2020《啤酒瓶》中增加的可回收旧瓶指标要求提供稳定质量的工艺支持。

循环经济；可回收啤酒瓶；同目的使用；防磨损；原型复用；低碳经济；绿色包装

在我国极力倡导循环型经济的大环境下，玻璃包装制品凭借着密封性好、耐高温、易消毒、可回收等物理特性，且能保持其内容物最原始味道，以及具有惰性的化学性能等优势，被誉为可以100%回收利用且不会影响质量和纯度的良性、绿色、环境友好型包装材料[1-2]。作为世界上最大的啤酒生产和消费国，我国食品接触用玻璃包装容器（瓶罐）产品中，啤酒瓶占据着70%以上的份额，约占啤酒包装成本的30%[3]。2020年下半年以来，玻璃价格最高涨幅超过110%[4]，对终端企业造成很大的压力。成本的控制是企业提高经济效益的根本策略，而降低生产物料的损消耗是企业全方位成本控制最有效、最直接的方式，最终结果是给企业带来可观的经济收益。英国一项针对碳酸饮料包装的研究显示，如果重复使用玻璃瓶一次，减排效益就能达到40%；重复使用8次以上，减排贡献可达65%[5]。

玻璃瓶罐是为数不多可以完全实现同目的多次重复利用的产品。在失去使用功能后回收可完全作为原始材料再次利用，能降低制造成本及节约自然资源，对保护环境带来积极的影响[6]。每增加一次同目的使用频次，可以降低可观的成本支出，给企业带来巨大利润空间。历年来玻璃啤酒瓶使用量有增无减，对资源的消耗和环境的保护造成极大的压力，如果玻璃瓶仅作为一次性使用，由于其质量和生产过程的高耗能，无法与其他材料在环境影响指数上媲美，若增加其重复使用率，则是很好的选择。以巴西的软饮为例的研究表明，玻璃瓶重复使用率达到40次会比其他包装的环境效益更好[7]。对各啤酒企业而言，增加啤酒瓶的重复使用率是循环经济再利用的深度体现，是为节能降耗，减少碳排放所进行的最有价值的技术革新[8]。

课题项目是在响应循环经济，倡导增加过程中产品的同目的再利用率这一理念下，专门针对啤酒生产企业大量使用中的回收啤酒瓶研发的技术改造工艺。在满足新GB 4544—2020《啤酒瓶》质量要求的基础上，增加其以初始状态同目的多次使用频次，解决因环保不达标、改造成本高、产能下降等因素所带来季节性缺货的困扰，为啤酒企业缓解供需矛盾，解决燃眉之急；同时增加产品包装附加值，减少一次性轻量瓶、新啤酒瓶的使用量，以及减少因制造所消耗的自然资源和碳排放。

1 理论依据

摩擦力分为静摩擦、滚动摩擦、滑动摩擦等3种。摩擦力的大小与接触面的粗糙程度和压力大小有关。假如2种固体材料之间相互施加的压力非常大，那么固体摩擦就会造成表面的磨损。若2个运动面之间有一层润滑油，那么2个运动面不直接接触，运动面与润滑油的分子之间的液体摩擦仅会产生极小的磨损[9]。

通过对啤酒瓶破裂原因的分析可知，啤酒瓶在重复使用中，摩擦、碰撞的表面磨损对瓶体造成的微裂纹是影响其质量稳定和使用寿命的主要因素。微裂纹的产生一般有以下诱因导致：明显的玻璃裂纹、外界镶嵌物（夹杂）、玻璃与其他物体接触痕（接触损伤、摩擦损伤、撞击损伤），以及玻璃制造过程中自身产生的结石和气泡。从破裂的部位可分为玻璃瓶的内表面、玻璃瓶的外表面[10]。滑动接触时产生的擦伤应力如图1所示。擦伤是回收旧瓶在重复循环使用周期中，最容易受到的机械损伤，而产生微裂纹的诱因是接触损伤、摩擦损伤、撞击损伤。

图1 擦伤应力

1）接触损伤如图2所示。一种情况是由钝的、不尖锐锋利的硬物在垂直作用力下直接被挤压进玻璃里造成的，其特征是玻璃表面呈锥状冲击，形成循环状裂纹。当接触范围减小时，应力水平和潜在损伤可能性增加。接触损伤的另一种情况是尖锐的硬物被挤压入玻璃里，其特征是玻璃表面呈锯齿状。

图2 接触损伤图片（放大50倍）

2）当有钝的、坚硬物体在玻璃表面滑动，与玻璃表面产生摩擦，就会形成摩擦损伤，见图3。其特征是连续的月牙状的裂纹沿着公共轴线排列，月牙的方向指着摩擦物体滑动的方向。但是如果玻璃表面有良好的表面保护处理，可以消除或降低这类的损伤。温度较高的或干净的玻璃表面较易产生这类的损伤。

3）撞击损伤也叫劈裂损伤如图4a所示，就是有尖锐的硬物在玻璃表面进行滑动，尖锐的硬物与玻璃表面摩擦产生损伤。其特征是玻璃表面直接裂开一个口子，玻璃表面有尖锐裂缝如图4b所示。这种情况的损伤造成的裂纹对玻璃的完整性的破坏是比较严重的，大多已不能再次承受较大外力负荷的冲击，很容易破裂。

2 原因分析

接触损伤和摩擦损伤是市面上啤酒瓶磨损常见的问题，肉眼可见最直观的是“表面磨损”现象，因磨损次数、强度、时间等不同，轻微的损伤不易看到，个别瓶磨损十分严重，表面呈现划痕、擦痕、磨痕等，使得瓶体外观失去玻璃应有的光泽、通透、明亮效果。造成这种现象的原因主要有：啤酒瓶在回收环节中人工的粗暴装卸、在洗瓶机内翻滚磨损[11]、在灌装线上摩擦碰撞、产品运输半径过长、消费者使用方式不当等。

图3 摩擦损伤图片（放大50倍）

图4 撞击损伤图片（放大50倍）

通过对整个循环流通环节的诊断，瓶子外表接触互碰、互磨最多的情况发生在回收物流和啤酒厂灌装线上这2个环节。出现擦伤、磨损的部位大多集中在瓶体周长最大处，如：瓶跟或瓶肩，一般视瓶形而异。长时间多次和连续的磨损，会在易接触的部位形成一圈磨砂状擦伤痕迹，而这种磨痕的宽窄和连续性基本反映出啤酒瓶的损伤程度。随着周转循环次数的增加，瓶子接触部位的磨砂状痕迹也随着变宽、连续、变深而形成环状。如图5所示，瓶身上的环状磨痕不但影响着瓶子的质量，也严重影响了成品啤酒的外在感观。

3 工艺线路

摩擦力的大小与接触面粗糙程度和接触面的压力有关。清洗后的啤酒瓶表面滞涩感明显，这种状态下的每次接触都会对瓶体产生损伤，逐渐衰减瓶子的强度。在高速传送灌装线上的瓶子，因表面摩擦力大，经常会出现倒瓶、涩滞、挤爆现象。课题组需要选择用适合的润滑剂和涂覆方式来解决表面滞涩问题。

3.1 润滑剂的选择

用于表面润滑的有机物种类很多。水性润滑剂虽然成本低，但不易于在物体表面长时间留置。油性润滑剂虽然润滑效果优于水性润滑剂，但其不易在物体表面固化，影响后续贴标效果。能够满足润滑要求的材料考虑使用OPE蜡乳液作为喷涂剂。该喷涂剂具有黏度低，热稳定性好，在常温下的抗湿性能好，化学性能稳定，电性能优良，有着抗刮伤能力、耐摩擦性能，可降低表面张力及改善成品外观，且符合食品安全性能。

3.2 涂覆方式

物体表面处理工艺有喷砂、抛丸、磨光、滚光、抛光、刷光、喷涂、刷漆、抹油。选用的涂覆方式能将喷涂剂留置在玻璃瓶表面，且必须满足快速附着、快速干燥、分布均匀、用量经济、不影响灌装效率、改造成本低、可以长期使用等要求，因此课题组考虑喷涂方式。通过压缩空气将喷涂剂压缩成雾状喷出，由设置的喷头均匀喷覆在网带传送穿过喷涂机的每一只玻璃瓶上，形成具有润滑性的保护层，来达到预期效果。

3.3 应用条件

喷涂剂可以使用在干和湿的玻璃瓶体上，其操作温度为10～50 ℃，用量取决于被喷涂的瓶子数量及尺寸。根据检测结果数据及结合网带的运行速度，电脑控制喷涂量，可用于已有涂层的新玻璃瓶以及使用多次回收的旧玻璃瓶。

3.4 工艺流程

啤酒的灌装和流通2个环节中，流通消费环节的磨损是不可控的，只能靠消费者的安全防范意识轻拿、轻放来减少外力冲击和损伤，该环节只能顺其自然。课题组考虑从磨损最多的灌装线环节入手，在清洗过后到灌装前，网带上理瓶机将清洗后的瓶子排列成单行输送，在这段区间内进行工艺改造。如图6所示，模拟清洗―消毒―检测―灌装―加盖―杀菌―贴标―清空（人工）―周转（人工）―清洗环节，在线重复上述操作并验证效果。

图5 磨损典型图片

图6 工艺流程

3.5 设备安装

课题组在不影响灌装网带传送速度、物料周转，便于人员巡视操作等较宽敞位置，将研发的“回收瓶涂覆”[12]设备（图7a），“骑跨”状安装于单只瓶子通过的传输通道网带上。内置喷头固定在涂覆设备内部，分别置于传输通道两侧。每个喷头的喷液口均朝向传输通道，连接喷头管子的另一端连接控制制备柜中的喷涂剂料桶，通过涂喷剂输送装置经喷液口将喷涂剂喷涂至通过传输通道网带的瓶体外壁上。

在传输通道的两侧均设有传感器，并与控制制备柜连接，传感器用于感应各喷头喷液口处是否有瓶体通过，以控制喷头开关。当传输网带运行时，喷涂柜上的传感器感应到有瓶体通过时，位于喷涂柜内两侧的喷头开始向通过该处的瓶体喷出OPE蜡喷涂剂；当传感器感应不到瓶体时，各喷头则关闭，不再喷出OPE蜡喷涂剂（图7b）。

图7 工艺设备安装示意图

4 测试方案

根据既定目标，课题组设计了一套试验方案：将试验分为2组，一组为试验组（有涂覆工艺），一组为对照组（无涂覆工艺），按循环轮次对样品进行外观、表面光滑度、抗冲击、耐内压力等4个项目的检测，分别统计2组检测数据。在各项物理性能指标均满足标准要求的前提下，可以重复使用的轮次，以研判该工艺对可回收旧啤酒瓶在重复循环使用中的效果。由于啤酒瓶在流通环节磨损的不确定性，回收后洗瓶线上的摩擦及所用清洗剂对瓶体的去污、渍等清洁作用，可磨耗掉部分涂覆的材料，且在实际灌装线上新、旧瓶同时使用，为验证该工艺的持续效果，课题组对每轮次的试验组都进行该工艺处理。

4.1 测试目的

GB 4544—2020中对啤酒瓶的物理力学性能有着全方位的质量控制指标要求。从瓶子在不同的情形，不同的受力方面，不同环境条件下，对瓶子进行了具体的指标控制，并用相应的检测方法来验证其是否满足各种不同的使用情形。从外部碰撞的“抗冲击”，带有正压灌装冲击的“耐内压”；在灌装时，压盖、运输过程中打包码垛垂直受力的“垂直负荷强度”；在灌装高温杀菌和低温冷藏使用环境下，因温度波造成的温差的“抗热震性能”。这4项物理机械指标基本涵盖了啤酒瓶在整个使用环节中所应承受和遇到的各种外力因素。

4.2 样品信息

试验用样品为符合GB 4544—2020《啤酒瓶》[13]要求中可回收啤酒瓶（B瓶）新瓶指标要求，试验样品数量：6 000只新瓶，3 000只为试验组，3 000只为对照组，容量为525 mL。

4.3 检测顺序

考虑瓶体磨损的发生及发现是漫长而微乎其微的，拉开采样检测间隔以便观察数据变化。全部瓶子完整通过一次工艺流程要求的工艺步骤为一个轮次的循环。每3个轮次后取出20只样品作为本次循环的检测样品，其余瓶全部继续进入下一个循环。分别从第0、3、6、9、12、15、18、21轮次取对照组和试验组样品。样品分配：外观（全检1#—20#）→滑动角（1#—18#）→抗冲击（1#—10#）→耐内压力（11#—20#）。

5 结果与分析

5.1 外观

所有抽取的样品先做外观检查，剔除目测瓶体有损伤和明显裂纹的样品，不参与后续检测项目，同时对试验组和对照组的样品进行外观比对拍照。通过图8可以直观看出，采用涂覆工艺的试验组，在经过15～18轮次灌装后的外观磨损情况，与未做涂覆工艺的对照组第6轮次灌装后的磨损情况相似。说明该工艺有效地防止了啤酒瓶表面的磨损，起到了外观美化增值的作用。

5.2 表面光滑度（滑动角）

玻璃容器表面摩擦力的大小决定着产品在使用、运输、周转等环节中瓶与瓶接触时的损伤。通过该项目的检测，可以验证课题工艺对玻璃瓶体表面处理的效果，同时可根据测试结果调整喷涂液剂量的工艺参数，以达到喷涂液使用成本和喷涂效果的最优状态。滑动角是行业内评估玻璃容器表面光滑度量值的一种常用指标。

图8 外观效果对比

课题组自定方法：取每组3只样品，分6组测试，将瓶子轴向水平放置成“品”字形，避开模缝线、花纹、凹凸不平面；当上层瓶子滑动至设备触发杆时读取设备倾斜角度或系数示值。检测设备为摩擦因数测试仪（美国Agr公司）。

通过表1中滑动角测试结果可以明显看出，采用涂覆工艺技术处理后的试验组，在各轮次的检测值稳定在10°～15°；而对照组在经过3个轮次后，滑动角测试已经大于20°了。

5.3 抗冲击

抗冲击性能体现了玻璃容器产品抵抗冲击负荷作用的能力，是玻璃容器使用安全性的特征性指标。该指标越高，表示玻璃容器在使用与运输过程中，抗外力击打性能越好，安全性越高。抗冲击值低的玻璃容器，在生产、运输和使用过程中容易因轻微碰撞而引起破裂。当盛装带压饮品时，如啤酒、汽水等，玻璃容器会在压力下引发瓶身爆裂，危及使用人的安全。依据GB/T 6552—2015《玻璃容器抗机械冲击试验方法标准》[14]要求，确定冲击部位为瓶身中部，冲击能量设定为0.6 J，冲击点避开合缝线，三下冲击未破裂为通过，破裂则为未通过。检测设备为冲击试验机（美国Agr公司）。

通过表1中抗冲击检测数据可知，采用涂覆工艺技术处理后的试验组在第12轮次后出现不符合标准要求（0.6 J）的破损；无涂覆处理的对照组在第6轮次时就已经出现了不符合标准要求（0.6 J）的破损。

5.4 耐内压力

耐内压力是玻璃容器类产品中重要的安全指标之一。由于玻璃容器内的饮料或啤酒中含有的二氧化碳气体，会从玻璃容器内部形成内压力。同时在使用过程中，由于受到冷热温差的影响，在玻璃容器内会产生压力波动，在灌装、运输、消费使用过程中发生爆瓶伤人事故。为了保证安全使用，必须要求玻璃容器能够耐受一定的内压力。依据GB/T 4546—2008《玻璃容器耐内压力试验方法》[15]方法B课题组取破损最大值记录。检测设备为玻璃容器内压力试验机（美国Agr公司）。

通过表1中耐内压检测数据结果可以看出，采用涂覆工艺处理后的瓶子在第15个轮次时耐内压破损平均值与无涂覆处理的对照组第9轮次的耐内压破损平均值接近；对照组在第6轮次时出现了低于标准要求的1.6 MPa的破损；试验组则在第15轮次时才出现低于标准1.6 MPa的破损。

表1 试验数据

Tab.1 Test data

注：试验3表示试验组第3轮，依次类推。

试验组中的抗冲击和耐内压指标的稳定性与瓶体表面摩擦因数的稳定性有着直接关系。可以看出表面光滑度稳定在滑动角度小于15°的范围内，抗冲击和耐内压2项指标可以持续稳定到第15～18轮次后才出现不符合标准判定的破损数；对照组则在第5～7轮次时就出现了不符合标准判定的破损数，在实际灌装线上对照组在第5个轮次时，需淘汰旧瓶补充新瓶用量。随着试验的继续进行，试验组这2项指标的衰减速度也明显缓于对照组的，循环使用频次达到了20轮次以上，是对照组的2.5倍。若采用新标准中对可回收旧瓶的指标要求：耐内压≥1.0 MPa，抗冲击≥0.3 J判定的话，则经工艺处理后的回收旧瓶实际使用频次还会相应增加。

6 结语

历时20余年修订的GB 4544—2020《啤酒瓶》的发布实施，统筹兼顾了安全生产和循环经济中的“再利用”原则，删除了啤酒瓶回收使用2年的期限，更注重对可回收旧瓶使用过程中的质量监控，弥补了检测指标的缺失。但该项指标在实际应用中的结果是否具有批量的代表性，质量水平是否能满足消费安全不得而知。通过该工艺的应用可使瓶体磨损造成的划痕明显减少，表面光滑度的增加可降低灌装线上挤爆瓶的概率。在稳定整体质量水平的前提下，延缓回收旧瓶承载外力性能的衰减速度，填补了有指标要求而无配套工艺保障的缺憾，消除了啤酒厂对使用回收旧瓶质量不稳定的顾虑，发挥了玻璃容器原型复用的优势，节约包装成本及制造资源、降低能耗、减少碳排放。

限于检测该工艺涂覆效果的方法，对调整工艺参数精度所需数据还不够精确。下一步探求可直接测量涂覆厚度的方法及检测设备，细化工艺参数，调试更经济的喷涂剂用量。在确保最优效果的前提下，降低使用该工艺所产生的成本。

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Increasing Prototype Reuse Rate of Recycled Beer Bottles under Recycling Economy

ZENG Zhong-bin1,2, GUO Hong-xing3, LI Li-sha1,2, YANG Jing-ting4, WANG Ya-nan1

(1. Gansu Research Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Lanzhou 730000, China; 2. National Packaging Product Quality Inspection and Testing Center (Lanzhou), Lanzhou 730000, China; 3. Tsingtao Beer Wuwei Co., Ltd., Gansu Wuwei 733000, China; 4. Beijing Huayuda Glass Technology Application Research Institute, Beijing 100000, China)

The work aims to stabilize the physical and mechanical properties of recyclable glass beer bottles used by beer enterprises, increase the beauty and smoothness of the bottle surface, reduce the probability of bottle bursting during reuse, and ensure consumption safety. By simulating the consumption turnover link, the researched and developed equipment was assembled onto the filling line with the most serious wear after recycling old beer bottles after cleaning and before filling. A layer of safe oxidized OPE wax emulsion was applied to the bottle surface. The entire cycle process of filling-turnover-cleaning-filling was repeated to collect test data. By collecting and analyzing the test data of the test group and the control group in each cycle, in the test group after the process improvement, the bottle surface was as bright as a new bottle in each round. Their physical and mechanical properties were significantly better than those of the test group. In the control group, the number of repeated use increased by more than 2.5 times compared with the control group. This process can effectively reduce the surface friction coefficient of recycled old beer bottles, improve the stagnation phenomenon on the bottle surface after cleaning, reduce the damage to bottles caused by contact wear, delay the decay speed of mechanical properties, and increase the same-purpose use frequency advocated for circular economy and reduce the use and cost of new bottles. At the same time, it provides stable quality process support for the index requirements of recyclable old bottles added in the revised new GB4544-2020 Beer Bottles.

circular economy; recyclable beer bottles; same-purpose use; anti-wear; prototype reuse; low-carbon economy; green packaging

TB484.5；TQ171.76；TS206.4

A

1001-3563(2023)13-0253-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.030

2022−11−17

国家市场监督管理总局科技计划项目（2019MK073）

曾忠斌（1970—）女，高级工程师，主要研究方向为食品接触用相关包装产品的检验研究与监督管理。

责任编辑：曾钰婵