劉瑞洋，黃宇杰，劉鵬佳，張朧月，李新凱

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

1 引言

隨著外賣快餐行業(yè)的高速發(fā)展，一次性餐具帶來的危害日益加深。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dá)74000～121000個粒子，嚴(yán)重危害了人體健康。2021年，對全國51個區(qū)域開展了海洋垃圾監(jiān)測，海面漂浮垃圾平均個數(shù)為4602個/km2，其中塑料類垃圾占92.9%，海灘垃圾平均個數(shù)為154816個/km2，其中塑料類垃圾占75.9%，海底垃圾平均個數(shù)為4770個/km2，其中塑料類垃圾占83.3%，嚴(yán)重危害了生態(tài)平衡。據(jù)2021年數(shù)據(jù)，全國甘蔗產(chǎn)量11855.25萬t，廣西產(chǎn)區(qū)甘蔗產(chǎn)量達(dá)9065.03萬t，產(chǎn)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(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》等文件，高度重視綠色理念的落實(shí)，本文結(jié)合廣西甘蔗特色產(chǎn)業(yè)，研制基于甘蔗渣為原料的可降解餐具，從國內(nèi)現(xiàn)狀來看，發(fā)展此類綠色經(jīng)濟(jì)是全面落實(shí)中國兩個百年奮斗目標(biāo)的重要舉措。從國際現(xiàn)狀來看，此舉是解決全球氣候問題的必要措施之一，是建設(shè)美麗地球的歷史選擇。。

關(guān)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(xué)祝紅麗課題組成功實(shí)現(xiàn)以“甘蔗渣+竹纖維”為原料制備可降解餐具[4]。關(guān)于制造過程的研究，李軍等提出通過高溫高壓增強(qiáng)餐具物料間的黏連性、親和力和成膜性[5]。閆羽發(fā)明了一種可全降解一次性餐具及其制作方法[6]，在此基礎(chǔ)上，董學(xué)敏對餐具制造過程進(jìn)行了防熱分解、顏色等方面的改進(jìn)[7]。上述研究為本文提供了大量的經(jīng)驗(yàn)積累。

關(guān)于注塑機(jī)結(jié)構(gòu)的研究，張謙以固體輸送模型為基礎(chǔ)，對注塑螺桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，證明此法比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更優(yōu)越。李長勇等建立螺桿展開模型、能量耗散模型，對模型進(jìn)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(jù)優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)計(jì)出螺桿[8]。姚紹雯結(jié)合多種液壓操作模式，設(shè)計(jì)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(shù)等進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)出全套的自動控制系統(tǒng)。用Gx-simulater軟件進(jìn)行仿真測試，將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)操作簡便，能降低人工勞動強(qiáng)度，縮短注塑周期，實(shí)現(xiàn)了“機(jī)-電-液”的結(jié)合[9]。皮爾韋恩對鎖模力進(jìn)行研究，方法是通過多次試模得到多組鎖模力和脹模數(shù)據(jù)，定義橫具脹模的閾值，通過判斷膨脹數(shù)值是否處于閾值內(nèi)來對鎖模力的值進(jìn)行調(diào)整，以確定最佳鎖模力設(shè)定值[10]。周文輝等將Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)，研究出一個能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)能管理等功能的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了注塑車間多臺注塑機(jī)的參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行調(diào)試和產(chǎn)量控制[11]。

本文利用學(xué)科交融的屬性，一方面從生物化學(xué)的角度創(chuàng)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(zhì)量與環(huán)保性；另一方面從機(jī)械生產(chǎn)的角度采用電磁加熱，分離型螺桿等結(jié)構(gòu)，有效提高生產(chǎn)效率。最后對整體方向的可行性與推廣性進(jìn)行研究，意在從學(xué)科交融的角度解決痛點(diǎn)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(chǎn)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(jié)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(jìn)行壓榨，將甘蔗進(jìn)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(jìn)行除髓，之后將甘蔗渣濕法散堆，以增強(qiáng)甘蔗渣纖維韌性，對甘蔗渣與蒸煮液進(jìn)行混合，進(jìn)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(jìn)行烘干處理。相較于傳統(tǒng)原料，上述基材具有以下特點(diǎn)：

(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(xué)鍵能小得多，但因氫鍵的數(shù)目多，故相當(dāng)牢固；而聚合度相對較小的半纖維素，其化學(xué)性質(zhì)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(yōu)越性[12,13]。

(2)淀粉：保質(zhì)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(chǎn)生柔韌的膜；支鏈部分的大分子量及磷酸基團(tuán)的取代作用，使得馬鈴薯淀粉糊很少出現(xiàn)凝膠或退化現(xiàn)象，有效延長了物質(zhì)保質(zhì)期，同時可保證材料的色澤和形狀不發(fā)生改變。同時，淀粉是由配糖基團(tuán)構(gòu)成的多糖，它們是一種均聚糖，均可降解且無害[14]，達(dá)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(xì)菌、微生物生長的作用；與其他防腐劑結(jié)合使用，可達(dá)到協(xié)同防腐的作用[15]。安息香酸進(jìn)入人體后，與甘氨酸結(jié)合成為尿酸，或與葡萄醛酸結(jié)合成葡萄糖苷酸，并全部可通過尿液排出體外，不在體內(nèi)蓄積。故在正常用量范圍內(nèi)，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(chǎn)具有物耗低，能耗低污染小的特點(diǎn)，是一種環(huán)保型產(chǎn)品。聚乙烯醇的水溶液對含有纖維素的材料的黏著力較強(qiáng)，具有安全無毒的優(yōu)點(diǎn)。同時，聚乙烯醇可以提高產(chǎn)品的平滑性、耐摩擦性，耐油性和耐化學(xué)藥品性等。

經(jīng)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(jī)械設(shè)計(jì)研究

一次性餐具注塑成型機(jī)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(huán)保餐具的成型機(jī)器，主要應(yīng)用于可降解材料成型領(lǐng)域。完成餐具成型的流程注塑機(jī)應(yīng)具備破碎、攪拌、制漿和注射成型等功能。產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)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(xié)同完成整個的全降解餐具的生產(chǎn)過程，如圖2所示。

圖2 餐具注射成型機(jī)

3.1 電磁加熱系統(tǒng)

加熱器安裝在螺桿外部的筒體。其電磁加熱系統(tǒng)，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(jī)的電磁加熱研究，得出電磁加熱的節(jié)能率超過28%的結(jié)論。夏杰等通過研究電磁感應(yīng)加熱注塑機(jī)，將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于料筒加熱，在滿足料筒加熱的相關(guān)需求下，證明了該技術(shù)具有環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),為改進(jìn)注塑機(jī)的加熱系統(tǒng)提供了可能和方向。

常規(guī)的注塑機(jī)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(huán)境溫度高、使用壽命短，需經(jīng)常維護(hù)、產(chǎn)品的良品率低等。注塑生產(chǎn)中現(xiàn)有的較為先進(jìn)加熱設(shè)備主要有：①納米節(jié)能環(huán)：原理是隔溫保熱，減少熱能的損耗，主要特點(diǎn)就是節(jié)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(jié)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(shù)，優(yōu)勢有：①節(jié)能環(huán)保，升溫快。系統(tǒng)采用非接觸式的加熱，通過磁場傳遞能量和磁場所產(chǎn)生的渦流效應(yīng)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(dá)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(yōu)秀的半導(dǎo)體材料和特制線圈制成; ③工作環(huán)境優(yōu)良。減少因能量的損耗而散出的熱量，保證了工作環(huán)境的舒適[17]。

電磁加熱系統(tǒng)主要完成加熱和降溫功能，具體如下： ①加熱：當(dāng)系統(tǒng)所采集料筒內(nèi)的的溫度低于預(yù)設(shè)溫度值時，系統(tǒng)就會通過料筒內(nèi)的實(shí)際溫度對料筒進(jìn)行加熱處理。 ②降溫：當(dāng)料筒內(nèi)溫度比預(yù)定值高，系統(tǒng)會自動引入冷卻水，加速料筒內(nèi)的降溫，以提高系統(tǒng)的控制精度。

料筒電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 料筒電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出控制信號，驅(qū)動電磁加熱驅(qū)動器，以調(diào)節(jié)電磁加熱線圈C1～C3的加熱功率對料筒加熱；當(dāng)溫度值高于料筒內(nèi)預(yù)設(shè)值時，伺服電動閥MV1會自動調(diào)節(jié)冷卻水的流量進(jìn)行降溫[18]。

3.2 注射螺桿

注射螺桿是注塑機(jī)的核心部件，對制品的塑化質(zhì)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(zhuǎn)速提高帶來的壓力、溫度、粘度、產(chǎn)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?lián)Q代越來越快，一些的常見的新型螺桿有分離型螺桿、混煉環(huán)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(gòu)型較好的螺桿能提高產(chǎn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在原三段式螺桿的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)塑料的固、液相分離的一種特殊螺桿。優(yōu)點(diǎn):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(huán)螺桿主要起混合、均化的作用。結(jié)構(gòu)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(yīng)先將一定的固相料加入混煉段后加入物料，以發(fā)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(wěn)定性差的原料，要注意混煉元件的參數(shù)選擇。

雙波螺桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(yīng)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(chǎn)困難，普及率不是很高。

綜上，相對與其他螺桿來說，注塑機(jī)采用分離型螺桿較為合理，其生產(chǎn)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(jìn)而提高生產(chǎn)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(guī)的注塑機(jī)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(jié)構(gòu)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(qū)動帶動螺桿運(yùn)動至成型模具的定模底部，然后通過注射油缸產(chǎn)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(shí)現(xiàn)成型模具的上、下模運(yùn)動，這里只有一個模運(yùn)動，使得上下模按照模具內(nèi)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(jī)構(gòu)采用的是油缸驅(qū)動曲肘連桿來實(shí)現(xiàn)，這樣可以更為有效的實(shí)現(xiàn)對動模部分的平穩(wěn)運(yùn)動。

3.6 驅(qū)動和控制

產(chǎn)品的驅(qū)動系統(tǒng)，都是采用全電動式動力系統(tǒng)，螺桿采用的是電機(jī)驅(qū)動齒輪傳動的機(jī)構(gòu)，節(jié)能效果與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)相比高達(dá)70%。其擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):控制精度高、重復(fù)性好、節(jié)能環(huán)保、成型的周期短，具有完美的可重復(fù)和工藝穩(wěn)定性，必然會成為行業(yè)發(fā)展的方向[23,24]。

PID控制技術(shù):控制系統(tǒng)的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于多段料筒溫度監(jiān)控的精度和速度，它直接反映了注塑機(jī)控制系統(tǒng)的性能。誤差降低，觀測直觀作為注塑機(jī)系統(tǒng)的控制核心，本文研發(fā)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(diǎn)[25]。其中專業(yè)型控制程序具有更直觀的觀測面板，并支持對控制參數(shù)的調(diào)整。

3.7 冷卻裝置

良好的冷卻可以提高產(chǎn)品的良品率，是注塑模設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一[26]。主要采用高效的油冷卻器，在短時間內(nèi)對油液系統(tǒng)的冷卻，降低冷水機(jī)的功率或負(fù)載工作時間。采用改良液壓系統(tǒng)的管路，以減少循環(huán)過程阻力起到節(jié)能降耗的作用。

3.8 改善良品率

在注塑的生產(chǎn)過程中，常常由于模具的受力不均勻，夾緊力不足等問題，導(dǎo)致產(chǎn)品的良品率不高。采用云端的注塑機(jī)鎖模力檢測系統(tǒng)，實(shí)時檢測注塑機(jī)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(yīng)變電測法測量系統(tǒng)，通過無線鎖模力監(jiān)測設(shè)備完成對格林柱鎖模力的監(jiān)測，使用ZigBee完成檢測設(shè)備與無線網(wǎng)絡(luò)的連接，并通過NB-IoT完成數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端管理。

本設(shè)計(jì)采用可降解的材質(zhì)，采用對其進(jìn)行破碎、攪拌、制漿，然后利用注射成型技術(shù)將其制造成為各式各樣的餐具。本次的設(shè)計(jì)主要完成攪拌制漿、注射成型的主體結(jié)構(gòu)。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械原理，將攪拌、制漿、注射成型統(tǒng)一設(shè)計(jì)在整體的機(jī)器中，以此來提高其機(jī)構(gòu)的利用率。

產(chǎn)品制作的過程：將粉碎好的綠色材料，加入到一個筒體內(nèi)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(zhuǎn)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(jié)論與展望

綠色發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)類型。為更好適應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，本文通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了全降解配比工藝以及一次性餐具注射成型機(jī)，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(huán)保餐具的成型機(jī)器，為綠色經(jīng)濟(jì)的具體落實(shí)提供新的解決思路。本文提出的一次性餐具注射成型機(jī)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(xié)同完成整個的全降解餐具的生產(chǎn)過程。

注塑機(jī)采用PLC控制器控制，且多連桿成型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)品的控制精度較高，控制誤差為微米級。而本文獨(dú)創(chuàng)的對餐具用可降解原料配比的研制，實(shí)現(xiàn)了原料選取更加廣泛，且由于采用生物質(zhì)作為原材料，產(chǎn)品具有全降解的特性，對環(huán)境的污染小，將原本破壞環(huán)境的廢料變廢為寶，既保護(hù)環(huán)境，又拓寬經(jīng)濟(jì)增長新業(yè)態(tài)，促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。生產(chǎn)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(qū)治理問題，可持續(xù)性強(qiáng)，對我國所實(shí)施的碳中和戰(zhàn)略具有重要意義。