基于循環經濟下增加回收啤酒瓶原型復用率工藝的研究

曾忠斌，郭宏星，李麗莎，楊京亭，王亞男

基于循環經濟下增加回收啤酒瓶原型復用率工藝的研究

曾忠斌1,2，郭宏星3，李麗莎1,2，楊京亭4，王亞男1

（1.甘肅省產品質量監督檢驗研究院，蘭州 730000；2.國家包裝產品質量檢驗檢測中心（蘭州），蘭州 730000；3.青島啤酒武威責任有限公司，甘肅 武威 733000； 4.北京華宇達玻璃技術應用研究院，北京 100000）

穩定啤酒企業使用的可回收玻璃啤酒瓶的物理力學性能，增加瓶體表面美觀及光滑度，減少重復使用過程中爆瓶的概率，保障消費安全。通過模擬消費周轉環節，在回收舊啤酒瓶清洗后到灌裝前磨損最嚴重的灌裝線上，加裝研發的設備，將一種安全的氧化OPE蠟乳液均勻涂覆在瓶體表面，并重復灌裝—周轉—清洗—灌裝整個循環過程，采集試驗數據。通過采集各循環輪次中試驗組和對照組的測試數據分析可知，經過工藝改進后的試驗組，每輪次都直觀可見瓶體表面明亮如新瓶，其物理力學性能各項檢測指標明顯優于對照組的，試驗組的重復使用次數比對照組的增加了2.5倍以上。該工藝可以有效降低回收舊啤酒瓶的表面摩擦因數，改善清洗后瓶體表面的滯澀現象，減少接觸磨損對瓶體產生的傷害，延緩力學性能的衰減速度，達到循環經濟提倡的增加同目的重復使用的頻次，減少新瓶的使用量和成本。同時為修訂后的新GB 4544—2020《啤酒瓶》中增加的可回收舊瓶指標要求提供穩定質量的工藝支持。

循環經濟；可回收啤酒瓶；同目的使用；防磨損；原型復用；低碳經濟；綠色包裝

在我國極力倡導循環型經濟的大環境下，玻璃包裝制品憑借著密封性好、耐高溫、易消毒、可回收等物理特性，且能保持其內容物最原始味道，以及具有惰性的化學性能等優勢，被譽為可以100%回收利用且不會影響質量和純度的良性、綠色、環境友好型包裝材料[1-2]。作為世界上最大的啤酒生產和消費國，我國食品接觸用玻璃包裝容器（瓶罐）產品中，啤酒瓶占據著70%以上的份額，約占啤酒包裝成本的30%[3]。2020年下半年以來，玻璃價格最高漲幅超過110%[4]，對終端企業造成很大的壓力。成本的控制是企業提高經濟效益的根本策略，而降低生產物料的損消耗是企業全方位成本控制最有效、最直接的方式，最終結果是給企業帶來可觀的經濟收益。英國一項針對碳酸飲料包裝的研究顯示，如果重復使用玻璃瓶一次，減排效益就能達到40%；重復使用8次以上，減排貢獻可達65%[5]。

玻璃瓶罐是為數不多可以完全實現同目的多次重復利用的產品。在失去使用功能后回收可完全作為原始材料再次利用，能降低制造成本及節約自然資源，對保護環境帶來積極的影響[6]。每增加一次同目的使用頻次，可以降低可觀的成本支出，給企業帶來巨大利潤空間。歷年來玻璃啤酒瓶使用量有增無減，對資源的消耗和環境的保護造成極大的壓力，如果玻璃瓶僅作為一次性使用，由于其質量和生產過程的高耗能，無法與其他材料在環境影響指數上媲美，若增加其重復使用率，則是很好的選擇。以巴西的軟飲為例的研究表明，玻璃瓶重復使用率達到40次會比其他包裝的環境效益更好[7]。對各啤酒企業而言，增加啤酒瓶的重復使用率是循環經濟再利用的深度體現，是為節能降耗，減少碳排放所進行的最有價值的技術革新[8]。

課題項目是在響應循環經濟，倡導增加過程中產品的同目的再利用率這一理念下，專門針對啤酒生產企業大量使用中的回收啤酒瓶研發的技術改造工藝。在滿足新GB 4544—2020《啤酒瓶》質量要求的基礎上，增加其以初始狀態同目的多次使用頻次，解決因環保不達標、改造成本高、產能下降等因素所帶來季節性缺貨的困擾，為啤酒企業緩解供需矛盾，解決燃眉之急；同時增加產品包裝附加值，減少一次性輕量瓶、新啤酒瓶的使用量，以及減少因制造所消耗的自然資源和碳排放。

1 理論依據

摩擦力分為靜摩擦、滾動摩擦、滑動摩擦等3種。摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度和壓力大小有關。假如2種固體材料之間相互施加的壓力非常大，那么固體摩擦就會造成表面的磨損。若2個運動面之間有一層潤滑油，那么2個運動面不直接接觸，運動面與潤滑油的分子之間的液體摩擦僅會產生極小的磨損[9]。

通過對啤酒瓶破裂原因的分析可知，啤酒瓶在重復使用中，摩擦、碰撞的表面磨損對瓶體造成的微裂紋是影響其質量穩定和使用壽命的主要因素。微裂紋的產生一般有以下誘因導致：明顯的玻璃裂紋、外界鑲嵌物（夾雜）、玻璃與其他物體接觸痕（接觸損傷、摩擦損傷、撞擊損傷），以及玻璃制造過程中自身產生的結石和氣泡。從破裂的部位可分為玻璃瓶的內表面、玻璃瓶的外表面[10]。滑動接觸時產生的擦傷應力如圖1所示。擦傷是回收舊瓶在重復循環使用周期中，最容易受到的機械損傷，而產生微裂紋的誘因是接觸損傷、摩擦損傷、撞擊損傷。

圖1 擦傷應力

1）接觸損傷如圖2所示。一種情況是由鈍的、不尖銳鋒利的硬物在垂直作用力下直接被擠壓進玻璃里造成的，其特征是玻璃表面呈錐狀沖擊，形成循環狀裂紋。當接觸范圍減小時，應力水平和潛在損傷可能性增加。接觸損傷的另一種情況是尖銳的硬物被擠壓入玻璃里，其特征是玻璃表面呈鋸齒狀。

圖2 接觸損傷圖片（放大50倍）

2）當有鈍的、堅硬物體在玻璃表面滑動，與玻璃表面產生摩擦，就會形成摩擦損傷，見圖3。其特征是連續的月牙狀的裂紋沿著公共軸線排列，月牙的方向指著摩擦物體滑動的方向。但是如果玻璃表面有良好的表面保護處理，可以消除或降低這類的損傷。溫度較高的或干凈的玻璃表面較易產生這類的損傷。

3）撞擊損傷也叫劈裂損傷如圖4a所示，就是有尖銳的硬物在玻璃表面進行滑動，尖銳的硬物與玻璃表面摩擦產生損傷。其特征是玻璃表面直接裂開一個口子，玻璃表面有尖銳裂縫如圖4b所示。這種情況的損傷造成的裂紋對玻璃的完整性的破壞是比較嚴重的，大多已不能再次承受較大外力負荷的沖擊，很容易破裂。

2 原因分析

接觸損傷和摩擦損傷是市面上啤酒瓶磨損常見的問題，肉眼可見最直觀的是“表面磨損”現象，因磨損次數、強度、時間等不同，輕微的損傷不易看到，個別瓶磨損十分嚴重，表面呈現劃痕、擦痕、磨痕等，使得瓶體外觀失去玻璃應有的光澤、通透、明亮效果。造成這種現象的原因主要有：啤酒瓶在回收環節中人工的粗暴裝卸、在洗瓶機內翻滾磨損[11]、在灌裝線上摩擦碰撞、產品運輸半徑過長、消費者使用方式不當等。

圖3 摩擦損傷圖片（放大50倍）

圖4 撞擊損傷圖片（放大50倍）

通過對整個循環流通環節的診斷，瓶子外表接觸互碰、互磨最多的情況發生在回收物流和啤酒廠灌裝線上這2個環節。出現擦傷、磨損的部位大多集中在瓶體周長最大處，如：瓶跟或瓶肩，一般視瓶形而異。長時間多次和連續的磨損，會在易接觸的部位形成一圈磨砂狀擦傷痕跡，而這種磨痕的寬窄和連續性基本反映出啤酒瓶的損傷程度。隨著周轉循環次數的增加，瓶子接觸部位的磨砂狀痕跡也隨著變寬、連續、變深而形成環狀。如圖5所示，瓶身上的環狀磨痕不但影響著瓶子的質量，也嚴重影響了成品啤酒的外在感觀。

3 工藝線路

摩擦力的大小與接觸面粗糙程度和接觸面的壓力有關。清洗后的啤酒瓶表面滯澀感明顯，這種狀態下的每次接觸都會對瓶體產生損傷，逐漸衰減瓶子的強度。在高速傳送灌裝線上的瓶子，因表面摩擦力大，經常會出現倒瓶、澀滯、擠爆現象。課題組需要選擇用適合的潤滑劑和涂覆方式來解決表面滯澀問題。

3.1 潤滑劑的選擇

用于表面潤滑的有機物種類很多。水性潤滑劑雖然成本低，但不易于在物體表面長時間留置。油性潤滑劑雖然潤滑效果優于水性潤滑劑，但其不易在物體表面固化，影響后續貼標效果。能夠滿足潤滑要求的材料考慮使用OPE蠟乳液作為噴涂劑。該噴涂劑具有黏度低，熱穩定性好，在常溫下的抗濕性能好，化學性能穩定，電性能優良，有著抗刮傷能力、耐摩擦性能，可降低表面張力及改善成品外觀，且符合食品安全性能。

3.2 涂覆方式

物體表面處理工藝有噴砂、拋丸、磨光、滾光、拋光、刷光、噴涂、刷漆、抹油。選用的涂覆方式能將噴涂劑留置在玻璃瓶表面，且必須滿足快速附著、快速干燥、分布均勻、用量經濟、不影響灌裝效率、改造成本低、可以長期使用等要求，因此課題組考慮噴涂方式。通過壓縮空氣將噴涂劑壓縮成霧狀噴出，由設置的噴頭均勻噴覆在網帶傳送穿過噴涂機的每一只玻璃瓶上，形成具有潤滑性的保護層，來達到預期效果。

3.3 應用條件

噴涂劑可以使用在干和濕的玻璃瓶體上，其操作溫度為10～50 ℃，用量取決于被噴涂的瓶子數量及尺寸。根據檢測結果數據及結合網帶的運行速度，電腦控制噴涂量，可用于已有涂層的新玻璃瓶以及使用多次回收的舊玻璃瓶。

3.4 工藝流程

啤酒的灌裝和流通2個環節中，流通消費環節的磨損是不可控的，只能靠消費者的安全防范意識輕拿、輕放來減少外力沖擊和損傷，該環節只能順其自然。課題組考慮從磨損最多的灌裝線環節入手，在清洗過后到灌裝前，網帶上理瓶機將清洗后的瓶子排列成單行輸送，在這段區間內進行工藝改造。如圖6所示，模擬清洗―消毒―檢測―灌裝―加蓋―殺菌―貼標―清空（人工）―周轉（人工）―清洗環節，在線重復上述操作并驗證效果。

圖5 磨損典型圖片

圖6 工藝流程

3.5 設備安裝

課題組在不影響灌裝網帶傳送速度、物料周轉，便于人員巡視操作等較寬敞位置，將研發的“回收瓶涂覆”[12]設備（圖7a），“騎跨”狀安裝于單只瓶子通過的傳輸通道網帶上。內置噴頭固定在涂覆設備內部，分別置于傳輸通道兩側。每個噴頭的噴液口均朝向傳輸通道，連接噴頭管子的另一端連接控制制備柜中的噴涂劑料桶，通過涂噴劑輸送裝置經噴液口將噴涂劑噴涂至通過傳輸通道網帶的瓶體外壁上。

在傳輸通道的兩側均設有傳感器，并與控制制備柜連接，傳感器用于感應各噴頭噴液口處是否有瓶體通過，以控制噴頭開關。當傳輸網帶運行時，噴涂柜上的傳感器感應到有瓶體通過時，位于噴涂柜內兩側的噴頭開始向通過該處的瓶體噴出OPE蠟噴涂劑；當傳感器感應不到瓶體時，各噴頭則關閉，不再噴出OPE蠟噴涂劑（圖7b）。

圖7 工藝設備安裝示意圖

4 測試方案

根據既定目標，課題組設計了一套試驗方案：將試驗分為2組，一組為試驗組（有涂覆工藝），一組為對照組（無涂覆工藝），按循環輪次對樣品進行外觀、表面光滑度、抗沖擊、耐內壓力等4個項目的檢測，分別統計2組檢測數據。在各項物理性能指標均滿足標準要求的前提下，可以重復使用的輪次，以研判該工藝對可回收舊啤酒瓶在重復循環使用中的效果。由于啤酒瓶在流通環節磨損的不確定性，回收后洗瓶線上的摩擦及所用清洗劑對瓶體的去污、漬等清潔作用，可磨耗掉部分涂覆的材料，且在實際灌裝線上新、舊瓶同時使用，為驗證該工藝的持續效果，課題組對每輪次的試驗組都進行該工藝處理。

4.1 測試目的

GB 4544—2020中對啤酒瓶的物理力學性能有著全方位的質量控制指標要求。從瓶子在不同的情形，不同的受力方面，不同環境條件下，對瓶子進行了具體的指標控制，并用相應的檢測方法來驗證其是否滿足各種不同的使用情形。從外部碰撞的“抗沖擊”，帶有正壓灌裝沖擊的“耐內壓”；在灌裝時，壓蓋、運輸過程中打包碼垛垂直受力的“垂直負荷強度”；在灌裝高溫殺菌和低溫冷藏使用環境下，因溫度波造成的溫差的“抗熱震性能”。這4項物理機械指標基本涵蓋了啤酒瓶在整個使用環節中所應承受和遇到的各種外力因素。

4.2 樣品信息

試驗用樣品為符合GB 4544—2020《啤酒瓶》[13]要求中可回收啤酒瓶（B瓶）新瓶指標要求，試驗樣品數量：6 000只新瓶，3 000只為試驗組，3 000只為對照組，容量為525 mL。

4.3 檢測順序

考慮瓶體磨損的發生及發現是漫長而微乎其微的，拉開采樣檢測間隔以便觀察數據變化。全部瓶子完整通過一次工藝流程要求的工藝步驟為一個輪次的循環。每3個輪次后取出20只樣品作為本次循環的檢測樣品，其余瓶全部繼續進入下一個循環。分別從第0、3、6、9、12、15、18、21輪次取對照組和試驗組樣品。樣品分配：外觀（全檢1#—20#）→滑動角（1#—18#）→抗沖擊（1#—10#）→耐內壓力（11#—20#）。

5 結果與分析

5.1 外觀

所有抽取的樣品先做外觀檢查，剔除目測瓶體有損傷和明顯裂紋的樣品，不參與后續檢測項目，同時對試驗組和對照組的樣品進行外觀比對拍照。通過圖8可以直觀看出，采用涂覆工藝的試驗組，在經過15～18輪次灌裝后的外觀磨損情況，與未做涂覆工藝的對照組第6輪次灌裝后的磨損情況相似。說明該工藝有效地防止了啤酒瓶表面的磨損，起到了外觀美化增值的作用。

5.2 表面光滑度（滑動角）

玻璃容器表面摩擦力的大小決定著產品在使用、運輸、周轉等環節中瓶與瓶接觸時的損傷。通過該項目的檢測，可以驗證課題工藝對玻璃瓶體表面處理的效果，同時可根據測試結果調整噴涂液劑量的工藝參數，以達到噴涂液使用成本和噴涂效果的最優狀態。滑動角是行業內評估玻璃容器表面光滑度量值的一種常用指標。

圖8 外觀效果對比

課題組自定方法：取每組3只樣品，分6組測試，將瓶子軸向水平放置成“品”字形，避開模縫線、花紋、凹凸不平面；當上層瓶子滑動至設備觸發桿時讀取設備傾斜角度或系數示值。檢測設備為摩擦因數測試儀（美國Agr公司）。

通過表1中滑動角測試結果可以明顯看出，采用涂覆工藝技術處理后的試驗組，在各輪次的檢測值穩定在10°～15°；而對照組在經過3個輪次后，滑動角測試已經大于20°了。

5.3 抗沖擊

抗沖擊性能體現了玻璃容器產品抵抗沖擊負荷作用的能力，是玻璃容器使用安全性的特征性指標。該指標越高，表示玻璃容器在使用與運輸過程中，抗外力擊打性能越好，安全性越高。抗沖擊值低的玻璃容器，在生產、運輸和使用過程中容易因輕微碰撞而引起破裂。當盛裝帶壓飲品時，如啤酒、汽水等，玻璃容器會在壓力下引發瓶身爆裂，危及使用人的安全。依據GB/T 6552—2015《玻璃容器抗機械沖擊試驗方法標準》[14]要求，確定沖擊部位為瓶身中部，沖擊能量設定為0.6 J，沖擊點避開合縫線，三下沖擊未破裂為通過，破裂則為未通過。檢測設備為沖擊試驗機（美國Agr公司）。

通過表1中抗沖擊檢測數據可知，采用涂覆工藝技術處理后的試驗組在第12輪次后出現不符合標準要求（0.6 J）的破損；無涂覆處理的對照組在第6輪次時就已經出現了不符合標準要求（0.6 J）的破損。

5.4 耐內壓力

耐內壓力是玻璃容器類產品中重要的安全指標之一。由于玻璃容器內的飲料或啤酒中含有的二氧化碳氣體，會從玻璃容器內部形成內壓力。同時在使用過程中，由于受到冷熱溫差的影響，在玻璃容器內會產生壓力波動，在灌裝、運輸、消費使用過程中發生爆瓶傷人事故。為了保證安全使用，必須要求玻璃容器能夠耐受一定的內壓力。依據GB/T 4546—2008《玻璃容器耐內壓力試驗方法》[15]方法B課題組取破損最大值記錄。檢測設備為玻璃容器內壓力試驗機（美國Agr公司）。

通過表1中耐內壓檢測數據結果可以看出，采用涂覆工藝處理后的瓶子在第15個輪次時耐內壓破損平均值與無涂覆處理的對照組第9輪次的耐內壓破損平均值接近；對照組在第6輪次時出現了低于標準要求的1.6 MPa的破損；試驗組則在第15輪次時才出現低于標準1.6 MPa的破損。

表1 試驗數據

Tab.1 Test data

注：試驗3表示試驗組第3輪，依次類推。

試驗組中的抗沖擊和耐內壓指標的穩定性與瓶體表面摩擦因數的穩定性有著直接關系。可以看出表面光滑度穩定在滑動角度小于15°的范圍內，抗沖擊和耐內壓2項指標可以持續穩定到第15～18輪次后才出現不符合標準判定的破損數；對照組則在第5～7輪次時就出現了不符合標準判定的破損數，在實際灌裝線上對照組在第5個輪次時，需淘汰舊瓶補充新瓶用量。隨著試驗的繼續進行，試驗組這2項指標的衰減速度也明顯緩于對照組的，循環使用頻次達到了20輪次以上，是對照組的2.5倍。若采用新標準中對可回收舊瓶的指標要求：耐內壓≥1.0 MPa，抗沖擊≥0.3 J判定的話，則經工藝處理后的回收舊瓶實際使用頻次還會相應增加。

6 結語

歷時20余年修訂的GB 4544—2020《啤酒瓶》的發布實施，統籌兼顧了安全生產和循環經濟中的“再利用”原則，刪除了啤酒瓶回收使用2年的期限，更注重對可回收舊瓶使用過程中的質量監控，彌補了檢測指標的缺失。但該項指標在實際應用中的結果是否具有批量的代表性，質量水平是否能滿足消費安全不得而知。通過該工藝的應用可使瓶體磨損造成的劃痕明顯減少，表面光滑度的增加可降低灌裝線上擠爆瓶的概率。在穩定整體質量水平的前提下，延緩回收舊瓶承載外力性能的衰減速度，填補了有指標要求而無配套工藝保障的缺憾，消除了啤酒廠對使用回收舊瓶質量不穩定的顧慮，發揮了玻璃容器原型復用的優勢，節約包裝成本及制造資源、降低能耗、減少碳排放。

限于檢測該工藝涂覆效果的方法，對調整工藝參數精度所需數據還不夠精確。下一步探求可直接測量涂覆厚度的方法及檢測設備，細化工藝參數，調試更經濟的噴涂劑用量。在確保最優效果的前提下，降低使用該工藝所產生的成本。

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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

國家市場監督管理總局科技計劃項目（2019MK073）

曾忠斌（1970—）女，高級工程師，主要研究方向為食品接觸用相關包裝產品的檢驗研究與監督管理。

責任編輯：曾鈺嬋