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基于使用可降解膜的卷烟包装设备研制与应用

   2024-07-08 网易 188 0
核心提示:基于使用可降解膜的卷烟包装设备研制与应用

摘要:目前,烟草商业企业在物流环节的条烟包装材料主要使用PE热缩膜,此种包材降解周期长、环境污染严重。本文基于行业绿色发展要求,针对延安烟草现有PE包装设备,在充分考虑成本投入,并保留原有包装系统中的自动条烟叠烟机及输送设备的基础上,利用可降解膜不需要热收缩的特性,拆除PE膜热收缩电炉,研发设计一套能够使用可降解膜进行条烟包装的新型自动化节能包装设备,旨在通过可降解膜包装设备的运用,实现条烟绿色包装,推动烟草商业企业物流绿色的发展。

项目背景及意义

PE热缩膜是目前烟草商业企业在物流环节条烟包装主要采用的包装材料,全国商业烟草包装用PE膜一年消耗约2万吨,而这也是未来烟草物流包装中“限塑”甚至“禁塑”的主要对象。近年来,国家连续出台多个相关文件,如《关于进一步加强塑料污染治理的意见》[1]中就提出,到2025年底,全国范围邮政快递网点禁止使用不可降解的塑料包装袋、塑料胶带、一次性塑料编织袋等。

为贯彻落实国家“双碳”目标,中国烟草也积极做出响应。2021年9月,中烟商务物流有限责任公司在《“十四五”现代物流发展规划》[2]解读中关于强化绿色物流建设明确要求:(1)坚持包装箱循环利用工作。(2)推进商业企业减少塑料裹膜用量;明确绿色物流发展方向,强调要加快绿色物流发展,增强物流高质量发展的内生动力。由此可见,建设烟草行业绿色物流是当前以及未来的重要任务,也是烟草行业可持续发展进程中不可回避的选择。烟草商业物流体量大,具有人多、设备多、资源消耗量大等特点,本文选择从商业物流条烟包装环节入手,研究适用于可降解膜材料的包装设备,为烟草商业企业物流设备技改向绿色方向发展提供了选择,对于行业推动绿色物流发展具有长远的意义。

1.有效降低“白色污染”

当前在卷烟进行分拣后普遍使用塑料薄膜进行包装,虽然此种包装方式具有重量轻、承载力强、成本低等优点,但作为一种塑料制品,到零售户手中后一般会直接被废弃,从而对环境造成污染。例如,白色污染问题主要就是由不可降解的塑料包装随地遗弃引起的。而可降解膜具有降解周期短的优点,可有效降低对环境的污染。

2.有效减少能源消耗

烟草商业企业现用的PE热缩膜包装方式——条烟在打码、叠垛后,需要经过约145°高温收缩机对热缩膜进行拉伸以确保卷烟封装紧固。高温收缩机不仅有耗电量大、日常维修费用高、购置价值高等问题,而且存在高温烫伤隐患。可降解膜不具备高温收缩性能,仅需要利用包装设备将可降解膜以“十字交叉”的方式对卷烟进行包裹,并采用 “焊接”的方式将被包装物密封紧固,从而避免了使用高温收缩机带来高能耗的问题。

3.有效降低投资成本

可降解膜设备的研发,是在原有条烟分拣包装设备的基础上进行,与设备原有的叠烟机构、贴标机构对接使用,不需要重新改造。相较于用周转箱、弹性箱等包装方式,需要改造投资的设备少、费用低。而且可降解膜包装与PE热缩膜包装对于物流运送车辆的装载率几乎等同,不会增加物流运送费用的成本。

(1)有效保证“客我感知”不变

适用于可降解膜包装的设备投入使用后,与原使用PE热收缩膜相比较,作业流程未发生改变,与零售客户的配送签收方式未发生改变,因此零售客户不会因包装方式的改变而产生其他不便利的感受。

(2)能够及时应对“限塑令”

据不完全统计,目前已有二十多个省份密集发布了新版禁塑令。根据粗略估计,新华社曾指出,生物降解塑料将成为替代材料,预计至2025年,我国可降解塑料市场规模将达到358亿元[3]。在可降解膜塑料已有较为成熟市场的基础上,适用于可降解膜的包装设备具有安装调试周期短的特点,能够保证在限塑令即刻实行时,快速完成可降解膜包装设备的安装,确保生产经营任务不受影响。

现有PE膜包装设备研究分析

烟草商业企业物流一般按照城市管辖范围进行条烟的统一配送,该模式主要以物流中心为核心,搭建高效、即时的配送服务站点。当物流中心在收到零售户的订单后,按条分拣配货包装,并由配送人员配送货物到零售门店。现有PE膜包装设备主要采用传统的缠绕包装机技术,并利用PE膜可热收缩性强且具有较高柔韧性的特点,采用远红外线辐射直接加热PE热收缩膜,使得PE膜在热收缩后能够紧裹条烟,实现条烟包装的稳固,从而能够顺利完成配送。然而,这种包装方式不仅会产生“白色污染”物,在加热过程中也具有较高的能耗,不再适用于作为未来烟草包装行业的主要应用。

可降解膜包装设备技术研究

针对PE膜不环保、热收缩高能耗等问题,使用可降解包装材料替代传统的PE热收缩膜成为主流的解决方式之一。但目前无论是生物基PLA还是石油基PBAT为原料生产的薄膜可降解材料,都不具备热收缩性和静电吸附性,导致可降解塑料膜与传统的热收缩包装机或缠绕包装机都不具备兼容性。因此,本文以全生物降解塑料的材料特性为研究基础,并根据条烟配送包装的特性,借鉴“缠绕+热封”的包装方式,研发适用于可降解膜的自动化包装设备。主要从以下四个方面开展研究:

1.根据作业要求,确定适用于条烟包装的可降解膜

(1)按照满足配送交接的要求,确定可降解膜的厚度,确保可降解膜能够承受卷烟重量,且透明度达到要求,即在卷烟交接过程中不用拆包的前提下,送货员与零售客户能够迅速完成卷烟品规、数量、质量的现场确认;

(2)根据条烟的宽度、厚度以及包装层数的要求,确定可降解膜的宽度,确保可降解膜能够将条烟完全封闭包装,防止条烟在配送过程中漏包遗落;

(3)根据包装实际情况,调整可降解膜厚度及宽度,确保烟包在多次装卸及配送交接过程中不散包。

2.根据可降解膜特性,研发适用于可降解膜材料的包装设备

(1)对现有卷烟包装环节作业流程进行研究,在不改变叠烟机构、贴标机构的情况下,确定可降解膜包装设备的连接位置及整机设备尺寸,并完成控制系统的连接;

(2)针对可降解膜收缩性差的特点,研究烟包全封闭包装的方式,并解决各包装面之间的连接紧固问题;

(3)针对可降解膜在使用过程中需频繁更换的问题,确定整卷可降解膜上膜问题;

(4)按照方便维修的要求,设计设备的维修空间,同时在满足使用功能的前提下,逐步调整减小设备体积,优化设备现场布局。

3.根据设备实际使用,制定可降解膜包装设备操作规程

(1)制定设备使用操作规程,对操作人员开展操作培训,确保操作人员熟练掌握设备使用、耗材更换等操作;

(2)制定设备维修说明书,明确设备故障类型及处理方法。

4.根据可降解膜特性与实际应用,确定主要技术路线

(1)基于包装材料“可降解膜”不具备热收缩、但具有一定的拉伸回力的物理特性,设备技术路线采取针对包装材料所研发专用的拉伸装置和焊接技术,即水平拉伸装置、缠绕式拉伸装置以及在线焊接技术,并配备自动化控制技术,由此组装而成自动化新型可降解膜包装设备,技术研究路线见图1。


图1 技术研究路线

(2)采用烟包“纵横十字交叉”的方式,解决烟包全封闭包装的问题;

(3)研发可降解膜“焊接”技术,解决烟包紧固的问题。

设备研制成果

1.设备组成说明

设备主要由接垛输送机、纵封机构、横封机构、四边包角机构、出包输送机及电控系统组成,详见图2、图3所示。


图2 可降解膜包装设备示意图


图3 可降解膜包装设备实物

2.设备工作流程

可降解膜包装的接垛输送机接到原叠烟机叠好的烟垛后自动步进到烟垛整形机构,整形后的烟垛进入横封机构、纵封机构、四边包角机构等主要工位自动完成条烟烟垛的包装,包装好的烟包通过出包输送机输送到自动贴标机工位,完成贴标后由人工将烟包码放在托盘上,即完成条烟包装流程(见图4)。


图4可降解膜包装设备流程示意图

3.设备参数

(1)设备型号:DL/DC-J18BZ;

(2)包装规格:标准烟1条≤x≤25条;

(3)包装速度:约10包/min,可满足分拣线效率;

(4)堆码质量:条烟堆垛形状规则整齐;

(5)包装形式:降解膜横、纵两次封口;

(6)进烟水平高度:对接现场包装机;

(7)出烟水平高度:对接现场贴标机;

(8)工作气压:不低于0.6MPa;

(9)电源:50Hz/380V三相五线,最大功率≤10KW;

(10)耗气量:标 准 状 态 下 ≤0.9m3/min;

(11)包装材料:可降解膜,尺寸规格为宽290mm和550mm两种,厚度为0.05mm~0.06mm之间;

(12)噪音:距机台1m、距操作平台1.5m处,噪音≤75dB;

(13)设备尺寸:约长3000 mm、宽2854mm、高1700mm;

(14)设备选材:以优质碳素钢材料为主,部分采用不锈钢材料。

主要技术创新点

1.结合现有包装机的设备特点,充分考虑投入成本,利旧原有包装设备的核心机构——“自动叠烟机构”,研发便捷的新型可降解膜自动化包装设备。

2.利用可降解膜无热收缩性,但具有可拉伸回力的物理特性,拆除高耗能的PE膜热收缩机,结合枕式热缩包装机和水平式缠绕机这两种包装设备的原理,创新研制自动化机械机构给予拉伸可降解膜,实现对条烟自动化包装。

3.可降解膜不仅没有PE膜的可收缩性,也无粘性及静电吸附特性,为解决“纵横十字交叉”包装方式的2片膜非整体性问题,创新研制可降解膜在线“焊接”技术装置,将2片膜在线焊接成为一体,从而保证包装的紧固,十字膜在线焊接方式见图5。


图5 十字膜在线焊接示意图

结语

商业烟草在物流配送环节采用“PE膜”已有20多年的使用历程,传统的“PE膜热收缩包装机”在行业内早已规模化应用。为响应国家“双碳”目标,本文选择更加绿色环保的“全生物可降解膜”作为主要包装材料,在此基础上研发其适用的“可降解膜自动化包装设备”。

本文充分考虑“可降解膜”自身的物理特性,合理化地利用传统“PE膜热收缩包装机”的核心机构——“自动叠烟机构”,并拆除了高耗能的“PE膜热收缩炉”,以及结合枕式热缩包装机和水平式缠绕机这两种包装设备的原理,利用“焊接”技术,创新研制出能够充分保证包装稳固性的新型可降解膜包装设备,不仅从设备更新上实现降本增效,同时实现烟草配送包装绿色化——“可降解膜”包装材料的应用。本设备技术既适于在现有包装设备的基础上改造应用,也可在新建物流设备选型中推广应用。


(责任编辑:小编)
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