李卓宙，王夢晗，王晨，黃瑞星，王浩陽，李萌，張新昌

（江南大學(xué)機械工程學(xué)院，無錫 214122）

輕質(zhì)環(huán)保生物質(zhì)材料擠出加工生產(chǎn)線的研究

李卓宙，王夢晗，王晨，黃瑞星，王浩陽，李萌，張新昌

（江南大學(xué)機械工程學(xué)院，無錫 214122）

近年來，環(huán)保、無污染、可再生利用的生物質(zhì)包裝材料研究已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一。傳統(tǒng)的以綠色環(huán)保的廢紙纖維等原料制備環(huán)保生物質(zhì)包裝材料的方法，多是間歇式熱壓成型工藝，其效率較低、不適于機械化大規(guī)模生產(chǎn)。本文在作者單位已有研究基礎(chǔ)上，提出了以廢紙、淀粉生物質(zhì)材料、丙三醇等為原料，基于連續(xù)擠出式加工工藝的環(huán)保生物質(zhì)包裝材料加工生產(chǎn)線配置方案，并設(shè)定生產(chǎn)線生產(chǎn)效率為20m3/h，針對其中物料攪拌、供送、擠出加工三個關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)分析與參數(shù)設(shè)計。本文的研究對進一步開發(fā)新型生物質(zhì)包裝材料、提高生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)成本具有一定理論和應(yīng)用價值。

生物質(zhì)材料；連續(xù)生產(chǎn)；結(jié)構(gòu)分析；參數(shù)設(shè)計

1 前言

近年來，大量包裝廢棄物帶來的資源浪費和環(huán)境污染已越來越引起人們的重視，國內(nèi)外包裝行業(yè)也越來越關(guān)注提高環(huán)境指標，提倡使用新型的節(jié)能、可降解包裝材料。生物質(zhì)材料以其價格低廉、無毒無害、密度小、加工能耗少、比強度和比模量高以及生態(tài)環(huán)境相容性好等優(yōu)點，成為了近年來包裝材料領(lǐng)域的主要研究對象之一。

國內(nèi)對生物質(zhì)包裝材料生產(chǎn)技術(shù)的研究和開發(fā)經(jīng)歷了一個漸進的過程。傳統(tǒng)上，人們多以熱壓成型法加工托盤、生物質(zhì)片材等。彭慧麗等人[1]首次提出了生物質(zhì)材料的擠出法加工工藝，并且對擠出過程中生物質(zhì)纖維物料加工流變性能，以及不同配方廢紙纖維與淀粉之間的混合均勻性進行了研究，探討了淀粉種類、淀粉含量和增塑劑配比等對物料體系加工性能的影響。王禮銀等人[2]從原材料配方和樣品制備工藝等方面對生物質(zhì)包裝材料進行深入研究，首次進行了可連續(xù)生產(chǎn)的生物質(zhì)包裝材料配方與工藝研究，以綠色環(huán)保的廢紙纖維、淀粉生物質(zhì)材料、丙三醇、聚乙烯醇為原料[3]，研究了可連續(xù)生產(chǎn)的生物質(zhì)包裝材料擠出式加工工藝，并提出一種基于擠出工藝的生物質(zhì)材料配方及其制備方法。

本項目以王禮銀等人的配方方案，結(jié)合擠出工藝原理和原材料特性，進一步研究特定生物質(zhì)纖維碎料及其混合物料的微宏觀物性[6]，分析輕質(zhì)生物質(zhì)材料制品擠出加工的工藝過程，提出了基于已有配方和工藝參數(shù)的擠出加工生產(chǎn)線配置方案，并針對其中物料攪拌與供送、擠出加工、成型模具三個關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)設(shè)計，為進一步推廣和應(yīng)用新型生物質(zhì)包裝材料奠定一定基礎(chǔ)。

2 輕型生物質(zhì)材料擠出加工工藝概述

2.1 原材料

王禮銀等人開發(fā)的新型可連續(xù)生產(chǎn)的輕質(zhì)生物質(zhì)包裝材料的配方，主要原材料共有四種：

（1）廢舊瓦楞紙板；

（2）馬鈴薯淀粉；

（3）丙三醇C3H8O3；

（4）聚乙烯醇。

2.2 擠出工藝過程與主要參數(shù)

生物質(zhì)包裝材料擠出工藝包括材料初步處理、基材（廢舊瓦楞紙板）與助劑材料在常溫攪拌下混合、水浴加熱、擠出成型、制品后期處理等步驟。見圖1。

根據(jù)實驗研究，確定主要工藝參數(shù)為：

首先，將廢棄瓦楞紙板經(jīng)反復(fù)沖洗后浸泡至少24h，然后放入水力碎漿機中進行碎漿處理。

圖1 生物質(zhì)材料的擠出生產(chǎn)工藝

經(jīng)過碎漿處理后的廢紙纖維需置于過濾網(wǎng)內(nèi)進行過濾，至含水率為80%～85%；

原材料配比為11%淀粉、11%丙三醇與78%廢紙纖維；

原材料的水浴加熱，需保持85℃溫度加熱30min；

螺桿擠出設(shè)備的工藝參數(shù)：擠出機機頭的3段加熱溫度為65℃、65℃和80℃，螺桿轉(zhuǎn)速為45r/min。

擠出制品的后期干燥溫度為50℃，干燥時間為8h，至成品含水率在10%以下。

3 輕質(zhì)生物質(zhì)材料擠出加工生產(chǎn)線研究

本文將依據(jù)上述工藝參數(shù)進行擠出加工生產(chǎn)線的配置及主要參數(shù)分析。對如圖1所示的擠出加工工藝進行分析，可知其整個工藝過程可分為物料攪拌、供送和擠出加工三個部分。

3.1 生產(chǎn)效率確定

經(jīng)過調(diào)研，本生產(chǎn)線采用單機配置形式，即，按生產(chǎn)工藝流程，每一個工序配置一臺設(shè)備；生產(chǎn)效率由單機生產(chǎn)效率確定?？紤]到單條螺桿擠出機的實際生產(chǎn)能力，取每小時產(chǎn)量20m3。

實驗室測量得生物質(zhì)材料樣本的密度ρ=1.408t/ m3，體積V=20m3，

質(zhì)量M=ρ×V=1.408×20=28.16t。

表1 原材料需求量表

3.2 生產(chǎn)線配置方案

根據(jù)實驗分析，可將圖1所示的生物質(zhì)材料擠出生產(chǎn)工藝流程分為四個部分：廢舊瓦楞紙板的預(yù)處理與輸送；淀粉的預(yù)處理與輸送；丙三醇的預(yù)處理與輸送，原材料的攪拌與輸送。結(jié)合實驗室加工試樣的工藝過程，確定如圖2所示的自動化生產(chǎn)線配置方案。

其中，生產(chǎn)線中各設(shè)備的作用分別為：

（1）儲料槽——儲存運輸來的廢舊瓦楞紙板；

（2）刮板輸送機——運輸被回收的瓦楞紙板，將其運輸至高濃水力碎漿機中；

（3）高濃水力碎漿機——對廢舊瓦楞紙板進行浸泡，碎漿，濾水處理；

（4）振動篩式給料器——定量運輸?shù)矸郏?/p>

（5）雙閥門輸送泵——定量運輸甘油；

隨著社會基礎(chǔ)建設(shè)的完善和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們認識到“空間資源”也是限制城市平穩(wěn)發(fā)展的主要因素之一。在城市建設(shè)初期，由于建設(shè)技術(shù)以及認識的不足，僅重視地上空間資源的利用率，而忽視了地下空間資源和空中資源的綜合利用，并在建設(shè)過程中存在重視建設(shè)、忽視后期維護的現(xiàn)象，導(dǎo)致早期城市建設(shè)過程中地下管線的鋪設(shè)不合理，造成了后期探測及整改的難度。為了彌補這一缺陷，應(yīng)該加強城市地下管線科學(xué)規(guī)劃并制定出科學(xué)的整改舉措，加強后期維護整改的防范意識。

（6）軸式螺旋攪拌機——達到攪拌、運輸以及加熱的目的；

（7）螺旋擠出機——擠出加工生物質(zhì)材料的設(shè)備，本文不做討論；

（8）電動機——臥式攪拌機的動力驅(qū)動裝置；

（9）鍋爐——給高濃水力碎漿機供給熱水和向軸式螺旋攪拌機供給蒸汽；

（10）熱交換管道——用來保持混合物料的溫度。

3.3 設(shè)備主要參數(shù)的確定

3.3.1 混合物料溫度及保持時間

原方案進行的是水浴加熱：需保持85℃溫度加熱30min。

混合物料溫度計算：

使紙漿的紙纖維與水分開計算，均為100℃，另兩者常溫25℃。混合前各物料溫度與比熱容見表2。

表2 原料溫度與比熱容

為便于計算，設(shè)水力碎漿機排出的紙漿為100g，混合后整體物料溫度為X。

即可得到如下方程式：

解得：x ≈ 364K，

即100℃的紙漿與相應(yīng)比例的常溫甘油和淀粉混合后整體溫度為91℃。

為了縮短原有的水浴時間，可提高混合物的反應(yīng)溫度。經(jīng)對照實驗得出，混合物在95℃左右保持5min可替代30min的85℃水浴加熱?；旌衔餃囟扔蓴嚢铏C上方的蒸汽熱量交換管道來保持，蒸汽由鍋爐提供。

3.3.2 螺旋輸送機參數(shù)計算

選用工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的一般螺旋輸送機[4]。

已知：小時生產(chǎn)量20m3，密度1.408t/m3。

計算得平均輸送量Q=28.16t/h。

通過相關(guān)資料的查取，取物料綜合系數(shù)k=0.0710，物料綜合特性系數(shù)A=20，傾角系數(shù)C=1.0，填充系數(shù)Ψ=4.0。

驅(qū)動功率的計算：

3.3.3 水力碎漿機及其工藝參數(shù)確定

水力碎漿機主要用于廢紙脫墨和纖維碎解流程。通過水力碎漿機，在高濃度和水溫60-90℃的條件下迅速碎解廢紙，同時通過化學(xué)藥品的作用，使油墨粒子和纖維分離，油墨粒子和雜質(zhì)盡量保持原有尺寸大小，從而使后面的油墨脫除、篩選、凈化等工序能順利進行，利用廢紙制出高白度的漿料，并節(jié)約蒸汽、藥品和動力消耗。槽體內(nèi)底部有三塊折流板，以促使?jié){料回流形成循環(huán)，并設(shè)有孔板在高濃碎解時作為稀釋水通道使用。

考慮高濃水力碎漿機的工作性能，需要在定下每日工作時間后選擇對應(yīng)的型號。

高濃水力碎漿機處理濃度為12%-18%，間歇操作。控制水力碎漿機的工作，使其出漿濃度為18%，工作間歇為一小時工作一次，通過在水力碎漿機與刮板運輸機之間設(shè)置儲料器來實現(xiàn)間歇給料。

瓦楞紙板消耗質(zhì)量為5.57t/h。

生產(chǎn)量為5.57×78.8%÷18%=24.38t/h，

生產(chǎn)體積為24.38÷1.017=23.98m3/h，

高濃水力碎漿機產(chǎn)出含水率為82%的混水瓦楞紙板，并通過后續(xù)的機械發(fā)熱使混水瓦楞紙漿的含水率接近80%。

3.3.4 電磁振動給料器參數(shù)計算

本項目選用電磁振動給料機進行淀粉輸送。電磁振動給料機激振器電磁線圈的電流是經(jīng)過單相半波整流的，當線圈接通后在正半周內(nèi)有電流通過，銜鐵與鐵芯之間便產(chǎn)生了一脈沖電磁力互相吸引，這時槽體向后運動，激振器的主彈簧發(fā)生變形儲存了一定的勢能，在負半周線圈中無電流通過，電磁力消失，主彈簧釋放能量，使銜鐵和鐵芯朝反方向離槽體向前運動，于是電磁振動給料機以交流電源的頻率作3000次/ min的往復(fù)振動，由于槽體的底平面與激振力作用線有一定的夾角，因此槽體中的物料沿拋物線的軌跡連續(xù)不斷地向前運動。調(diào)節(jié)整流電壓的高低，即可控制電磁振動給料機的送料量。給料機采用可控硅整流供電。改變可控硅的導(dǎo)通角，即可控制輸出電壓的高低。根據(jù)使用條件，可取不同信號來控制可控硅導(dǎo)通角的大小以達到自動定量送料的目的。

方案設(shè)計的淀粉需求量為3.10t/h。

3.3.5 甘油運輸泵參數(shù)設(shè)計

甘油輸送泵為一種結(jié)構(gòu)較為簡單的輸送泵，其原理為通過電動機的帶動，使加熱軟化的甘油[5]從中間的儲料罐中運輸?shù)絻蛇叺亩勘弥?，并于下一個工序中擠入螺旋攪拌機中。通過四個單向閥控制甘油的運輸方向。由于有兩個泵交替使用，甘油的運輸可以看成是一個源源不斷的過程，實現(xiàn)了甘油的連續(xù)運輸。

已知：甘油需求量為3.10t，運輸方式為連續(xù)輸送。

設(shè)計采用粘稠液體灌裝設(shè)備的部分結(jié)構(gòu)，為了保證連續(xù)輸送，設(shè)計了兩個相同的機構(gòu)，當一邊向上升時另一邊向下壓。閥門全采用單向閥。

結(jié)構(gòu)為圓柱體，取底面直徑D=16cm，高H=32.7cm。一個工序耗時20s。

驗算：

輸送速度=π/4×162×32.7×2÷20=658.34ml/s

甘油密度為1.308g/ml，每小時輸送甘油量為658.34×1.308×60×60÷106=3.10t，符合要求。

4 結(jié)語

根據(jù)以綠色環(huán)保的廢紙纖維、淀粉生物質(zhì)材料和丙三醇為原料的最佳生產(chǎn)配方，本文初步設(shè)計了一套輕質(zhì)生物質(zhì)材料擠出加工生產(chǎn)線。生產(chǎn)線配置設(shè)備及參數(shù)為：

高濃水力碎漿機，產(chǎn)物濃度18%，生產(chǎn)量24.38t/h，生產(chǎn)體積23.98m3/h。

電磁振動給料器，淀粉需求量3.10t/h。

甘油輸送泵，甘油需求量3.10t/h，底面直徑16cm，高度32.7cm，輸送速度658.34ml/s。

螺旋輸送機，螺旋直徑0.5m，螺旋軸轉(zhuǎn)速20r/ min，驅(qū)動功率3.19kw，電動機功率4.41kw，螺距0.4m。

本文的研究對生物質(zhì)包裝材料的高效連續(xù)擠出式加工應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，對進一步開發(fā)新型生物質(zhì)包裝材料、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有一定理論和應(yīng)用價值。

[1] 彭慧麗，孫昊，張新昌. 基于擠出工藝的生物質(zhì)纖維物料加工流變性能[J]. 包裝工程，2014，35(11)：53-58.

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Study on Light-weight Biomass Material Extrusion Production Line

LI Zhuo-zhou, WANG Meng-han, WANG Chen, HUANG Rui-xing, WANG Hao-yang, LI Meng, ZHANG Xin-chang

In recent years, the environmental friendly, pollution-free and renewable bio-packaging materials have become one of hot issues of scholars in domestic and abroad. Traditional green packaging of biomass materials such as waste paper fibers, mostly by intermittent hot press molding process, which is inefficient and not suitable for mass production and mechanization. Based on existing researches, this article gives an overview of a production line configuration, which founded on the continuous extrusion process of environmentally friendly packaging materials with waste paper fibers, starch and glycerol as raw constituents. And a production line has been designed with the productive efficiency of 20m3/h, this thesis aims at structural analysis and parameter design of three essential parts——material agitation, feeding and extrusion of the three structural analysis and parameter design of the key parts. This study has a certain value of theory and application on the further development of packaging materials with new raw materials, improvement of productive efficiency and reducing costs with.

biomass materials; continuous production; structure analysis; parameter design

TB484

A

1400 (2017) 06-0041-05

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.06.001

項目資助：江南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目資助，項目編號2016361y

張新昌（1961.4-），江南大學(xué)教授，包裝材料與制品研究方向。