王 濤 ，錢 靜 ，2，王天佑 ，粱怡良 ，張新昌 ，2，

（1.江南大學(xué)，江蘇無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實驗室，江蘇無錫 214122；3.泰樂包裝科技（無錫）有限公司，江蘇無錫 214122）

0 引言

目前，市場上常見的的外賣包裝材料有塑料、紙、鋁箔，多數(shù)外賣包裝的封合方式為盒-蓋扣合的結(jié)構(gòu)，且均為人工操作。傳統(tǒng)的以塑料為主的外賣餐盒造成的環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重。隨著國家限塑令的推行，減少或取代塑料外賣包裝已成必然趨勢。

1 市售外賣包裝及其包裝過程分析

1.1 市售外賣包裝及包裝過程

現(xiàn)有的外賣包裝多為扣蓋式塑料餐盒、扣蓋式紙盒或嵌入式紙盒，商家從餐盒生產(chǎn)廠家購入餐盒，放置于外賣生產(chǎn)廚房內(nèi)，裝入食品后，手工完成餐盒的封蓋。然而，從緊密堆碼的餐盒中手工取出單獨(dú)一個較為不易，在飯點(diǎn)時間通常需要多名人員進(jìn)行取盒和封蓋的動作，制約了生產(chǎn)效益。

1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品及工藝存在的問題

我國外賣包裝在形式上不斷地發(fā)展與突破，但一直以來的痛點(diǎn)仍然沒有被解決。首先，外賣包裝在規(guī)格、形狀方面未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，消費(fèi)者在使用過程中常會出現(xiàn)一單外賣有多種樣式的包裝，增加了包裝垃圾的處理難度；且不同規(guī)格的外賣包裝導(dǎo)致配送箱的空間利用率較低，增加了配送成本。其次，外賣包裝的研究重點(diǎn)一直在包裝材料上，對于包裝結(jié)構(gòu)密封性考慮較少。對于多油多湯類的菜品，如果在運(yùn)輸過程中發(fā)生顛簸側(cè)翻，易發(fā)生油、湯的撒漏。第三，外賣包裝一直存在著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空白的問題。由于菜品打包過程均在商家處完成，外賣包裝的材料由商家決定，一些商家在利益的驅(qū)動下會使用劣質(zhì)材料，為食品帶來一定的安全隱患。第四，外賣食品在廚房的裝盒和封裝過程均由手工完成，易造成食品污染并增加人工成本，制約生產(chǎn)效益。第五，傳統(tǒng)外賣包裝結(jié)構(gòu)一般不具備防竊啟和顯竊啟的功能，一定程度上影響消費(fèi)安全和消費(fèi)心理。

2 包裝盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

外賣食品種類較多，部分含油、湯，不宜擠壓，且多為熟食，本身溫度較高，另外多由電動自行車及單車配送，配送過程中顛簸較嚴(yán)重，易發(fā)生湯汁撒漏。因此，本文提出的外賣包裝設(shè)計要求包括：（1）安全衛(wèi)生，包裝材料在較高溫度下對人體無害；考慮出鍋時食品的溫度一般不高于150 ℃，所以包裝材料要在150 ℃下不產(chǎn)生有害物質(zhì)；（2）保護(hù)功能，配送車輛在經(jīng)過連續(xù)減速帶時，外賣餐盒無明顯形狀變化且無湯汁撒漏；（3）可堆碼，考慮到外賣配送箱的高度和餐盒高度，堆碼層數(shù)應(yīng)不少于7層；（4）使用環(huán)保材料，包裝廢棄物在自然環(huán)境下易降解；（5）結(jié)構(gòu)簡單，方便實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，綜合考量高峰期出餐速度和廚師裝盒速度，自動化外賣餐盒最大生產(chǎn)率應(yīng)不小于20個/min；（6）因為外賣食品的種類多樣，涉及中式、西式等多種食物，故需設(shè)計大、中、小3種容量的外賣餐盒，綜合考慮現(xiàn)有經(jīng)驗和調(diào)研數(shù)據(jù)，設(shè)置外賣餐盒的容量分別為1 200，700，400 mL。

2.2 包裝材料的確定

包裝材料選擇的原則是滿足科學(xué)性、可靠性、美觀性和經(jīng)濟(jì)性。目前外賣包裝的材料主要有塑料、紙、鋁箔等，表1對比了幾種包裝材料的性能。

表1 不同材料餐盒性能對比Tab.1 Performance comparison of different material lunch boxes

可以看出，塑料餐盒擁有低成本高質(zhì)量的特點(diǎn)，也因此成為市場的主流，但因為塑料難降解、燃燒會產(chǎn)生有害物質(zhì)，導(dǎo)致每年約200萬噸塑料外賣垃圾的處理十分困難［1］。鋁箔餐盒因為優(yōu)良的導(dǎo)熱性和阻隔性，廣泛用于燒烤、花甲等外賣，但鋁箔的挺度差、易變形、隔熱性欠佳，且在盛裝酸性食物時可能會生成有害物質(zhì)。紙質(zhì)餐盒具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、印刷展示性優(yōu)良、廢棄物易處理的特點(diǎn)，美團(tuán)和餓了么2大外賣平臺就曾在多地試點(diǎn)推行紙質(zhì)外賣餐盒。

本產(chǎn)品的設(shè)計思路要求包裝盒盒體密封不撒漏，因此，需考慮熱封工藝對材料的要求。綜合對比不同的外賣包裝材料的性能及考慮熱封情況，選擇紙/PE復(fù)合材料。

2.3 餐盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

市面上多數(shù)的紙質(zhì)外賣包裝結(jié)構(gòu)展開如圖1所示，需要粘合的區(qū)域較多，且底部角隅處難以完全密閉，盛裝帶有湯汁的食物時易發(fā)生滲漏，影響外賣餐盒的美觀度和使用體驗。

圖1 市售常見紙質(zhì)外賣包裝結(jié)構(gòu)展開圖Fig.1 Expanded view of common paper takeaway packaging structure on the market

為增加外賣餐盒的密封性，設(shè)計一種新型的外賣包裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示。餐盒為一體成型式盤式結(jié)構(gòu)折疊紙盒，盒身和盒蓋由一張紙板組成。以盒底為基準(zhǔn)面，四周體板沿各折痕線旋轉(zhuǎn)80°折疊成如圖所示盒型。折疊成型后整體造型從端板方向看呈梯形，便于消費(fèi)者使用后的堆碼。底部采用平分角設(shè)計，最大限度地保證餐盒底部角隅處的密封性，防止湯汁的滲出，并為餐盒提供較好的支撐，方便消費(fèi)者的使用。為了更好的密封性和快速性，封口處采用熱封的方式，而盒身高于盒蓋的突出部分折疊后便于熱封機(jī)的工作。在線成型外賣餐盒的平面示意如圖3所示，其中實線部分為切割線，虛線部分為內(nèi)折線，點(diǎn)劃線部分為外折線。盒蓋上方設(shè)有撕裂線和紙質(zhì)拉環(huán)，便于用戶打開。陰影區(qū)域為盒蓋與盒身熱封封合的區(qū)域，可通過對應(yīng)形狀大小的熱封滾輪或熱封塊實現(xiàn)開口部分的熱封［2］。

圖2 新型外賣包裝三維設(shè)計圖Fig.2 Three-dimensional design drawing of a new type of takeaway packaging

圖3 新型外賣包裝展開圖Fig.3 Expanded view of the new type takeaway packaging

2.4 餐盒的尺寸設(shè)計

為實現(xiàn)快餐包裝的標(biāo)準(zhǔn)化，其規(guī)格容量應(yīng)滿足大部分菜品的包裝需求。根據(jù)選定的400 mL、700 mL和1 200 mL的外賣包裝盒，以700 mL中型外賣盒為例，簡單介紹外賣盒的尺寸及尺寸選擇依據(jù)。查閱目前市場上常見的快餐包裝尺寸，將盒底長度外尺寸AB0設(shè)置為152 mm，根據(jù)造型藝術(shù)中矩形的黃金分割率，使盒底寬度外尺寸AC0等于0.618倍的AB0長度，即約等于94 mm；考慮到餐盒的容量、人手持的舒適度、造型整體的美觀度以及盒子成型過程中的可操作空間，將側(cè)板邊長AA3設(shè)置為50 mm。

已知 AB0=152 mm，AC0=94 mm，AA3=50 mm，旋轉(zhuǎn)角為80°，因此餐盒的長、寬：

已知折疊紙盒計算公式中“U”型結(jié)構(gòu)的制造尺寸公式：

復(fù)“U”型結(jié)構(gòu)的制造尺寸公式：

“L”型結(jié)構(gòu)制造尺寸公式：

“S”Ⅱ型結(jié)構(gòu)制造尺寸公式：

式中，X0為折疊紙盒外尺寸；t為紙板計算厚度，此處取t=0.4 mm；n1為由外向內(nèi)的紙板層數(shù)；k為折疊紙盒內(nèi)尺寸修正系數(shù)。由于設(shè)計紙盒在成型時對環(huán)境以及工藝控制要求較高，尺寸精確度高，因此取折疊紙盒內(nèi)尺寸修正系數(shù)k=0［3］。

盒板編號如圖3所示，圖4為紙盒折疊成型簡圖，分別為LH截面與BH截面。

圖4 紙盒折疊成型簡圖Fig.4 Schematic diagram of carton folding forming

在LH截面上，盒板2為“U”型結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（3）可得：

盒板6為復(fù)“U”型結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（4）可得：

盒板1，3為“L”型結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（5）可得：

在BH截面上，盒板2為“U”型結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（3）可得：

盒板6為“S”Ⅱ型結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（6）可得：

盒板6的3邊熱封襟片均為“L”型結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（5）可得：

由上述計算可得出在線成型外賣餐盒結(jié)構(gòu)制造尺寸，如圖3所示。

3 成型設(shè)計

3.1 成型過程

盤式包裝盒的成型過程是由1頁紙板沿固定折線折疊而成，本文所選外賣餐盒以盒底為中心，盒體由相鄰兩體板（邊板和側(cè)板）分別以底板的交線為軸旋轉(zhuǎn)80°而成。包裝工藝過程：卷筒紙經(jīng)殺菌后由傳送裝置輸送至模切壓痕工位制作盒坯，在線折疊成型后利用熱封器進(jìn)行兩側(cè)邊封口；然后供送至充填工位，充填機(jī)構(gòu)將當(dāng)場制作好的食品充填進(jìn)紙盒中；最后利用推板將盒蓋蓋上，并與熱封機(jī)構(gòu)配合完成餐盒的熱密封，如圖5所示。

圖5 在線成型外賣餐盒成型工藝路線圖Fig.5 PFD of online forming takeaway meal box forming

3.2 新型外賣餐盒成型工藝方案設(shè)計

根據(jù)圖5所示工藝路線，進(jìn)行自動包裝成型機(jī)的總體布局，如圖6所示。整機(jī)的具體工作過程：紙張從卷筒中拉出，由導(dǎo)向輥輸送至殺菌倉內(nèi)進(jìn)行無菌處理，殺菌完成后經(jīng)張緊輥對紙張進(jìn)行張緊，保持紙張的平整，后由輸送輥輸送，經(jīng)過壓力對輥進(jìn)行限位壓平處理后，到達(dá)模壓裁切工位［4］，此時切斷裝置將長紙張切成片狀，由定位系統(tǒng)確定調(diào)整好紙張位置后，氣缸提供動力，將帶有輪廓型裁切刀和內(nèi)折壓痕線的壓痕刀的上模壓裁切板，與下壓痕板進(jìn)行壓合，完成盒坯的制作，裁切剩余的邊角料被清廢裝置收走［5］。接著，紙盒坯被傳送帶輸送至折疊成型工位，經(jīng)定位調(diào)整系統(tǒng)確定好位置后，方型壓板將盒坯壓緊在承載臺上，完成外賣餐盒盒身的熱封成型，之后由傳送帶將餐盒送至食品充填工位，熱封擋板下降擋住外賣餐盒的熱封區(qū)，避免充填食物時殘渣和油漬落在熱封區(qū)，影響后續(xù)熱封效果。廚師直接將外賣食物充填入外賣盒中，之后熱封擋板上升繼續(xù)由傳送帶將餐盒送至熱封工位，餐盒到達(dá)熱封工位時，吸板底部與盒蓋平齊，吸板上的吸孔將盒蓋以及熱封邊吸住，側(cè)板及端板上的熱封邊與盒蓋上的熱封邊疊合在吸板四周，吸板作為承壓板，4個方向的熱封板向吸板上的熱封邊進(jìn)行熱壓，至此整個餐盒的包裝完畢，輸出成品。

圖6 紙質(zhì)外賣餐盒自動包裝成型機(jī)總體布局Fig.6 The overall layout of the automatic packaging forming machine for paper takeaway lunch boxes

3.3 新型外賣包裝機(jī)適用場景

新型外賣包裝機(jī)適用于外賣量大、廚房有一定空余空間可以放置設(shè)備的外賣商家。另外，對于廚房中有多個廚師的情況，由于外賣食物充填的工位只有一個，必然會有廚師在充填食物時需要走動，影響生產(chǎn)效率，本設(shè)備也不適用。

4 性能測試與評價

針對已完成設(shè)計的新型外賣餐盒，需對其進(jìn)行動、靜態(tài)運(yùn)輸工況中的防護(hù)可行性進(jìn)行測試［6］。為了模擬實際過程中外賣餐盒在配送箱中堆碼情況，以及運(yùn)輸過程中的顛簸和外賣的意外跌落情況，對餐盒包裝結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行抗壓試驗和跌落試驗［7］。

4.1 性能試驗

試樣被壓潰瞬間的最大壓力，被稱為該試樣的抗壓強(qiáng)度。由于餐盒包裝整體尺寸較小，常規(guī)壓力試驗機(jī)不易檢測，故改用萬能材料試驗機(jī)對餐盒進(jìn)行施壓，生成載荷-變形曲線，并記錄其峰值載荷。以美團(tuán)外賣配送箱為例，其外尺寸一般為500 mm×370 mm×370 mm［8］。本設(shè)計的餐盒包裝高度大約為55 mm，配送過程中餐盒堆碼層數(shù)最高7層。1份普通菜品的重量一般不超過0.5 kg，故要求能承受約35 N的抗壓載荷。按GB/T 4857.18《包裝 運(yùn)輸包裝件 編制性能試驗大綱的定量數(shù)據(jù)》的相關(guān)規(guī)定，采用公路運(yùn)輸方式且重量小于10 kg的包裝件，跌落高度選擇800 mm。

根據(jù)圖3繪制樣品模板圖，選用厚度為0.4 mm、定量為300 g/m2的白卡紙，使用紙箱紙盒電腦打樣機(jī)進(jìn)行外賣餐盒的打樣，在內(nèi)部裝入0.5 kg沙子并封口。按GB/T 4857.4—2008《包裝 運(yùn)輸包裝件基本試驗 第4部分：采用壓力試驗機(jī)進(jìn)行的抗壓和堆碼試驗方法》，采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，上壓板以12 mm/min的速度勻速下行對樣品施壓，記錄樣品在試驗過程中的狀態(tài)變化，直至樣品被擊潰。共試驗3次，樣品的載荷-變形曲線如圖7所示。

圖7 新型外賣餐盒的靜態(tài)抗壓試驗載荷-變形曲線圖Fig.7 The static compression test load-deformation curve of the new type of takeaway meal box

試驗結(jié)果表明，在35 N載荷的強(qiáng)度下，新型外賣餐盒外觀基本無變形，且平均最大抗壓載荷為208.4 N，遠(yuǎn)高于試驗要求的35 N。

按照GB/T 4857.5—92《包裝 運(yùn)輸包裝件 跌落試驗方法》，利用跌落試驗機(jī)（SY40-315型），按照一角三棱六面的順序?qū)悠愤M(jìn)行跌落試驗［9］，試驗結(jié)果如表 2 所示。

表2 各工位跌落測試結(jié)果Tab.2 Drop test results of each station

跌落試驗結(jié)果表明，樣品在跌落過程中表現(xiàn)一般，熱封邊易出現(xiàn)破損，需改善熱封工藝，加強(qiáng)熱封強(qiáng)度。但相較于傳統(tǒng)外賣餐盒，在配送過程就會撒漏，新型外賣餐盒已有明細(xì)改善。

4.2 與傳統(tǒng)餐盒的對比

新型外賣餐盒采用一紙成型的帶撕裂口的搖蓋式盤式折疊紙盒結(jié)構(gòu)和自動化成型加工工藝，紙質(zhì)的包裝材料相對于塑料材料更加環(huán)保，使用熱封的封口方式，在提高生產(chǎn)效率的同時使外賣產(chǎn)品不易撒漏。此外，相較于傳統(tǒng)餐盒在配送過程中依靠外賣配送員的道德水準(zhǔn)來保持外賣產(chǎn)品的干凈衛(wèi)生，熱封的封口方式可以從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)外賣產(chǎn)品配送過程的安全性。自動化在線加工的生產(chǎn)方式可以通過加工模具的標(biāo)準(zhǔn)化來實現(xiàn)外賣包裝的標(biāo)準(zhǔn)化。綜上所述，新型外賣餐盒在多種性能上優(yōu)于傳統(tǒng)餐盒，具有廣闊的應(yīng)用前景。新型外賣餐盒及其工藝與傳統(tǒng)餐盒的對比見表3。

表3 新型外賣餐盒及其工藝與傳統(tǒng)餐盒的對比Tab.3 Comparison of new type takeaway lunch boxes and their craftsmanship with traditional lunch boxes

5 結(jié)語

針對普通外賣盒易撒漏、衛(wèi)生性差、不環(huán)保的缺點(diǎn)，提出一種廚房在線成型的紙質(zhì)外賣餐盒，采用一紙成型的帶撕裂口的搖蓋式盤式折疊紙盒結(jié)構(gòu)，并使用熱封口形成全封閉結(jié)構(gòu)，保證外賣餐盒在生產(chǎn)過程中的衛(wèi)生性和配送過程中的密封性；并據(jù)此，提出一種可行的工藝路線，為進(jìn)一步實現(xiàn)該外賣餐盒的在線成型及開發(fā)相關(guān)設(shè)備提供理論依據(jù)。外賣設(shè)備對于商家廚房的面積有一定需求，還存在局限性，需進(jìn)一步深入探討。