環(huán)保型紙吸管工藝要素的優(yōu)化設(shè)計研究

丁海琴，穆娟，蘇丹丹(無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214206)

1 產(chǎn)品現(xiàn)狀分析

一次性塑料吸管在全球的市場使用量非常龐大，據(jù)統(tǒng)計，2019 年美國一次性塑料吸管使用量達(dá)1000億根[1]，英國使用量達(dá)85億根，而中國塑料吸管累計產(chǎn)量近3萬噸，約合460億根。一次性塑料吸管中所含有的有毒物質(zhì)，正在一點一滴地危害人們的身體健康，而且由于一次性塑料吸管有穩(wěn)定不易降解的特性，其降解所需要花費的時間可能長達(dá)幾十年或者上百年[2]。

近些年來，隨著人們環(huán)保意識的提高和世界各國對環(huán)境保護(hù)的重視，餐飲行業(yè)開始嘗試使用可降解吸管，英國和愛爾蘭地區(qū)的所有麥當(dāng)勞餐廳從2019年9月份開始，全面停止使用塑料吸管，替換為紙吸管；中國國家發(fā)改委和生態(tài)環(huán)境部于2020年1月聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強塑料污染治理的意見》規(guī)定，從2020年1 月1日起，全國餐飲行業(yè)禁止使用不可降解一次性塑料吸管[3]。

國內(nèi)外一直在研發(fā)一次性塑料吸管的替代品，如中國的樓仲平帶領(lǐng)“雙童”公司研發(fā)聚乳酸(PLA)可降解吸管。PLA 可降解塑料吸管和傳統(tǒng)的一次性塑料吸管使用感相似，能在奶茶等飲品的最佳飲用時間內(nèi)保持一定硬度，不影響吸入體驗，可降解塑料吸管的可取之處還在于，其主要材料聚乳酸可降解、可循環(huán)，原料來自從玉米、馬鈴薯等生物質(zhì)中提取的淀粉，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)后生成聚乳酸材質(zhì)，廢棄后能在堆肥狀態(tài)下完全降解為水和二氧化碳，但因造價偏高導(dǎo)致其市場占有率并不理想。即便在飲品消費旺季，普通塑料吸管的原材料聚丙烯最高也不過8 000多元一噸，而環(huán)保材料聚乳酸將近4 萬元一噸，價格相差4到5倍。張長偉發(fā)明了一種可自然降解的飲料吸管［4］，它是在紙質(zhì)基層的內(nèi)壁和外壁分別包覆一層PE膜而制成，PE膜透濕性小的特點使吸管具有抗水性，但PE膜對環(huán)境非常敏感，耐熱老化性差，且制備工藝和回收工藝復(fù)雜，不支持市場使用。

在非塑料吸管的研發(fā)進(jìn)程中，也曾出現(xiàn)過玻璃吸管、不銹鋼吸管和硅膠吸管，但這些吸管因使用效果或成本等問題均未成功取代塑料吸管。相比上述吸管，紙吸管不僅成本較低，而且具有一定的強度和抗水性能，是當(dāng)前市場上一次性塑料吸管的最佳替代品[5]。目前國內(nèi)外已有部分生產(chǎn)企業(yè)的紙吸管生產(chǎn)達(dá)到一定的規(guī)模，并在市場上推廣使用。但在紙吸管使用過程中，消費者普遍提出紙吸管的體驗感劣于一次性塑料吸管，如一杯奶茶喝10 分鐘，還沒等喝完，吸管浸濕后明顯軟化散開，這是因為紙吸管存在強度低、易軟化、不耐熱等問題。

目前關(guān)于紙吸管強度及耐熱性的改進(jìn)報道比較有限。徐永建等人以漂白硫酸鹽針葉木漿和闊葉木漿為原料[6]，制備出了紙吸管原紙．研究了漿料配比、濕強劑以及施膠劑用量等因素對原紙常規(guī)性能指標(biāo)的影響，確定了原紙的最佳制備工藝；并通過測定溫水抽出物含量，衡量了紙吸管原紙的使用安全性。徐永建等人進(jìn)一步以漂白硫酸鹽針葉木漿和闊葉木漿為原料[7]，通過濕法成形、表面施膠及涂布耐熱膠黏劑制備耐熱型紙吸管紙，并采用挺度、環(huán)壓強度、濕抗張強度及接觸角等指標(biāo)評價紙吸管紙性能；對比探究了耐熱膠黏劑與普通膠黏劑對紙吸管性能及使用安全性的影響。

綜上所述，紙吸管作為目前市場上應(yīng)用最多的一類可降解吸管，由于存在強度低、耐熱性差的缺陷，給消費者帶來不良的體驗感。而現(xiàn)有的研究主要是探索如何通過改進(jìn)紙吸管用原紙的性能從而提高其強度和耐熱性。事實上，紙吸管的強度和耐熱性不僅與原紙相關(guān)，與生產(chǎn)工藝也息息相關(guān)。因此，有必要研究如何優(yōu)化紙吸管的生產(chǎn)工藝中各方面要素，從而提高其強度及耐熱性。

2 紙吸管工藝要素的優(yōu)化設(shè)計

紙吸管的工藝流程基本由紙吸管用原紙的制備—涂蠟—成型—烘干—包裝組成。該流程中紙吸管用原紙的質(zhì)量、涂蠟用量、烘干溫度和濕度均影響紙吸管的強度和耐熱性。因此研究一是優(yōu)化這三要素，最終在工廠推廣應(yīng)用，從而提高紙吸管的強度和耐熱性，改善消費者的使用體驗感；二是建立比較完整的紙吸管強度和耐熱性能與經(jīng)濟成本之間的理論體系，指導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)紙吸管的不同使用途徑，選擇最經(jīng)濟的工藝流程。技術(shù)路線實施如圖1所示。報道的問題，探索改善紙吸管生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的三要素：紙吸管用原紙的選擇，涂蠟量的控制、烘干溫度和濕度的選擇，從而達(dá)到生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，解決目前紙吸管生產(chǎn)企業(yè)遇到的困境。

針對紙吸管的強度和耐熱性能沒有合適的國家標(biāo)準(zhǔn)，存在監(jiān)管漏洞的問題，模擬測試紙吸管在實際使用環(huán)境下的強度和耐熱性，可為今后紙吸管國家標(biāo)準(zhǔn)修訂提供依據(jù)，也為中國紙吸管的市場監(jiān)管提供可靠的參考。

紙吸管用原紙的質(zhì)量、涂蠟用量、烘干溫度和濕度這三因素均對紙吸管的強度和耐熱性有一定影響，如何系統(tǒng)地模擬這

2.1 紙吸管用原紙對強度和耐熱性的影響

目前市場上紙吸管用原紙主要有食用級牛皮紙、純木漿紙、可降解紙，分別選擇這三類原紙，采取同樣的工藝，通過比較成型品的強度和耐熱性，評價三種原紙的適用性。

2.2 涂蠟量對紙吸管強度和耐熱性的影響

根據(jù)控制變量法，通過調(diào)控設(shè)備的噴蠟速度，從而設(shè)計不同的涂蠟量，比較涂蠟量對紙吸管強度和耐熱性的影響，獲得涂蠟量對紙吸管強度和耐熱性的影響規(guī)律。

2.3 烘干溫度和濕度對紙吸管強度和耐熱性的影響

前期研究發(fā)現(xiàn)，烘干工藝對紙吸管最終的強度和耐熱性影響很大，根據(jù)控制變量法，設(shè)計不同的烘干條件，比較烘干溫度和濕度對紙吸管強度和耐熱性的影響，獲得烘干工藝對紙吸管強度和耐熱性的影響規(guī)律。

2.4 建立紙吸管強度和耐熱性能與經(jīng)濟成本之間的理論體系

不同用途的紙吸管對強度和耐熱性要求不同，根據(jù)上述研究得出的吸管用原紙的質(zhì)量、涂蠟用量、烘干溫度和濕度對紙吸管強度和耐熱性的影響規(guī)律，再結(jié)合不同工藝的價格因素，最終形成比較完整的紙吸管強度和耐熱性能與經(jīng)濟成本之間的理論體系，指導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)紙吸管的不同使用途徑，選擇較經(jīng)濟的工藝流程。

3 結(jié)語

目前市場上紙吸管的需求日益增長，但其強度和耐熱性卻被消費者普遍吐槽，本項目針對市場上紙吸管工藝改進(jìn)的研究鮮有些因素對上述性能的影響是一項繁瑣的工作。如何在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)定合適的涂蠟用量變化幅度和烘干溫度、濕度的改變值是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。