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覆膜鐵:金屬食品包裝的“綠色革命”

2017-06-15 13:43:54 來源:聯淨劉志浩

摘要:資源節約、綠色環保與食品安全正日益成為世界包裝發展的主流元素,為順應這一潮流,傳統金屬包裝行業於20世紀90年代推出了一款新型包裝材料——覆膜鐵。從覆膜鐵的原材料構成、結構特征、生產工藝、食品罐用生產加工工藝及其應用前景等方面進行了概述,其顯著的優勢契合和滿足了21世紀包裝發展的趨勢和要求,必將引領金屬食品飲料包裝行業的一場“綠色革命”。

覆膜鐵自20世紀90年代問世以來,一直備受關注,被譽為金屬包裝領域的一項革命性創新,其產品制造技術和應用開發在曆經20餘年的持續發展後,在日本已構建了一套相對完整的生產和應用產業體系,其技術發展和產品應用的動態一直是業界關注的焦點。

按生產工藝的不同,覆膜鐵可分為熔融覆膜鐵和黏合覆膜鐵。黏合覆膜鐵需要使用黏合劑,在環境友好及成型工藝上的不足與包裝的發展存在偏差,正逐漸被熔融覆膜鐵取代。覆膜鐵及其應用領域非常廣泛,本文僅介紹金屬食品罐、飲料罐用的熔融覆膜鐵。所謂熔融覆膜鐵,就是通過熔融法,在一定溫度范圍內,按一定配比將特殊、專用的聚酯薄膜(可彩印)碾壓在冷軋薄鋼板(鍍錫板TP或鍍鉻板TFS)上的一種新型複合材料。本文將從金屬包裝食品、飲料罐用覆膜鐵的原材料構成、結構特征、生產工藝、制罐工藝及其應用前景等方面進行綜述,以期國內包裝同行對其有更多的了解。

1 覆膜鐵原材料及其結構

1.1 覆膜鐵的原材料

1.1.1 鍍鉻板

眾所周知,鍍錫板以其優異耐蝕性能和獨特外觀,成為金屬食品罐和飲料罐用材料的首選。隨著飲料市場規模的大幅度增長,鍍錫板的用量也相應增大,市場一度出現供不應求的局面,導致鍍錫板價格的持續上漲。與此同時,也加速了稀缺昂貴資源錫的消耗,為了降低成本和節約有限的錫資源,科研工作者們加大了對鍍鉻板的研發和應用。鍍鉻板在成本方面較鍍錫板有明顯優勢,且具有較好的表面附著力,但鍍鉻層的硬、脆問題一直制約著鍍鉻板在深沖飲料罐領域中的應用。而覆膜鐵材料的獨特結構正好彌補了其先天缺陷,可被應用於各種金屬罐領域。鍍鉻板材料一般由鋼基板層、金屬鉻層、水合氧化鉻層和油膜層組成,如圖1所示。

鍍鉻鋼板結構示意圖-聯淨覆膜鐵

圖1 鍍鉻鋼板結構示意圖


作為罐用覆膜鐵鍍鉻板,其表面塗油量、鍍鉻總量和水合氧化鉻的表層形貌對覆膜鐵的表面附著力有重要影響。表1為鍍鉻板各層的規格和性能。

表1 鍍鉻板構成和性能

名稱厚度成分性能
油膜22mg/m2      癸二酸二辛酯(DOS)防鏽和潤滑,防止運輸中擦傷表面
水合氧化鉻層5-35mg/m2(鉻量)水合氧化鉻保護金屬鉻層,便於塗料和印鐵,並防止產生孔眼
金屬鉻層50-150mg/m2金屬鉻有一定耐蝕性,但比純錫差
鋼基板0.1-0.3mm低碳鋼加工性能良好,制罐後具有必要的強度

注:各廠家選用油脂不同,有些TFS塗有硬脂酸丁酯油。

鍍鉻薄鋼板生產工藝分為一液法與二液法:一液法即電鍍過程同時鍍金屬鉻與鉻水合氧化物;二液法為第一步采用高濃度鉻酸電解鍍金屬鉻層,第二步采用低濃度鉻酸處理鍍鉻水合氧化物層。不管采用哪種方法,其電解液中都需添加硫酸或氟化物。研究表明,生成水合氧化鉻的電解處理液中,添加劑使用氟化物比硫酸能獲得覆膜貼合強度性能更好的產品。在覆膜鐵的使用過程中,金屬鉻鍍層的主要作用是提高其耐腐蝕性能;鉻水合氧化物鍍層不僅能提高其耐蝕性,同時也能提高覆膜的黏附性能:所以鉻鍍層的含量相當重要。表2 為國外主要相關廠商生產的TFS 的鉻鍍層量。

表2 國外各廠商生產TFS的鍍層度(mg/m2)

廠商金屬鉻層鉻水合氧化物鍍層
CORUS50-1407-35
ArcelorMittal50-1407-35
Rasselstein50-1407-35
JFE50-1505-35

表2中的廠家均生產覆膜鐵,因此可作為覆膜鐵所用TFS的參考。但研究表明其適應於覆膜鐵TFS鍍鉻量要求范圍更窄,如日本鋼鐵工程控股公司JFE用於DRD(Draw-Redraw)食品罐的覆膜鐵Universal Brite Type F 水合氧金屬鉻120mg/m2,鉻化物15mg/m2。Toyo Kohan覆膜鐵所選擇的TFS基板,金屬鉻100-120mg/m2,鉻水合氧化物11-13mg/m2,也有少數金屬鉻為100-150mg/m2,鉻水合氧化物10-15mg/m2。

1.1.2覆膜用薄膜

覆膜鐵生產所需的另一類重要材料為高分子薄膜,其性能既需要具有熱塑性貼合能力,又要與不同罐裝內容物的理化性能兼容,以確保其對鍍鉻基板和內容物的良好阻遏,同時,在罐裝各種內容物的貨架期內須保持所包裝食品的風味。同時,在食品高溫蒸煮殺菌過程中不變色和脫落,以保持高的濕潤密閉性。在制罐成型過程中,能經受高溫、高摩擦力和彎曲等複合力的作用,具有較好的附著力。因此,對於覆膜鐵的研制來說,膜的研制是其核心技術,覆膜鐵常用的薄膜大多為PP(polypropylene,聚丙烯)和PET(polyethylene terephthalate,聚對苯二甲酸乙二醇酯),其膜的特性如表3 所示。

表3 聚合薄膜的特性

薄膜特性
PP成型性、可殺菌性、質軟可卷封、進特殊處理可印刷
PET成型性、可殺菌性、硬度高、耐磨、經特殊處理可印刷

從顏色來看,所覆薄膜多為透明膜和白膜,也有用於特殊包裝用金色膜和鐳射膜。罐內壁常為透明膜,罐外壁為便於印刷多為白膜,其中透明膜的厚度一般為12-40μm,白膜為13-38μm。從應用和加工成型來看,目前覆膜用薄膜大致可分為3類:用於深沖的膜(共聚PET-HOMOPET+IPA)、用於一般化工罐的膜(外層為HOMO PP/內層為改性PP+改性PE)、用於食品罐的膜(外層為改性PET/內層為新型HOMO PET)。一般的膜應使罐外層易於熱帖,降低HOMO PET的結晶性能,並保證其後的加工性能;罐內層應保證較低的表面自由能,以減少和內容物的黏附性。從日本現在的覆膜罐制造技術來看,所選用的熱貼薄膜為特殊配方雙向拉伸聚酯薄膜。

1.2覆膜鐵的結構

金屬飲料罐、食品罐用覆膜鐵的結構如圖2所示。由圖2可知,罐用覆膜鐵的結構有罐內壁和外壁之分,用於罐內壁的覆膜包括雙層結構,處於外層的薄膜一般需具有較好的機械力學強度,主要起到阻遏屏障作用;處於內層的結構主要保證具有與鍍鉻板的良好黏附性能和抗腐蝕性能。整個膜層的厚度一般在15-20μm。用於罐外壁的膜同內壁一樣可按功能分為外層和內層,其內層需具有良好的黏附性能,對於耐腐蝕性能不作明確要求;外層應具有良好的機械性能以利於抗劃傷和耐沖擊及便於印刷等。從圖3所示覆膜鐵的橫截面微觀結構來看,與基板接觸層為膜的高溫熔融無取向層,隨著熱貼合溫度的升高,其厚度相應增厚,膜與基板的附著力增強。覆膜鐵的外層為結晶取向層,其厚度除受熱貼合溫度影響外,還與後續覆膜鐵應用的熱處理工藝和加工過程密切相關。



覆膜鐵橫截面結構示意圖-聯淨覆膜鐵

圖3 覆膜鐵橫截面結構示意圖


關於覆膜鐵膜與基板的附著力機理,至今多數學者仍認同Tanaka等提出的PET中C=O的O與TFS表面-OH的H結合成氫鍵的分子力觀點,其結構如圖4所示。

TFS與PET的結合模型-聯淨覆膜鐵

圖4 TFS與PET的結合模型

Masao Komai等認為,鍍鉻板鉻水合氧化物層的增厚,一方面會增大比表面積,提升與膜的附著性,鉻水氧化物層鍍量在5-20mg/m2顯示良好的密封性,20mg/m2以上的樣品密封性變差,其原因是由於高分子PET黏度較高,有時會進不去表面很深的穀底而留下空隙,當水分、塵土聚集於凹陷的穀底時,將劣化膜與鍍鉻鐵的表面黏結性能。所以應綜合水合氧化鉻含量與表面微觀結構對覆膜鐵黏附性能的影響。在覆膜鐵罐張拉成型的過程中,鍍鉻板表面的粗糙度與板厚、罐徑、模具的溫度及模口圓角半徑等因素密切相關。表面粗糙度通常采用參數粗糙度Ra和PPI值來進行表征,表4列舉了國際上主要廠家生產的鍍鉻鐵產品粗糙度值范圍。

表4 各國外廠家表面狀態分類

廠商代號R2/μm
ArcelorMittalSFine stone0.25-0.45
stone0.35-0.60
M0.80-1.20
B≤0.35
CorusSFine stone0.25-0.45
stone0.35-0.60
Heavy stone0.50-0.70
M0.80-2.50
B0.25
JFERstone0.40
Super stone0.60
M1.00
B≤0.35
RasselsteinRFine stone0.25-0.45
stone0.45-0.60
M≥0.90

注:B 表示光亮表面,在具有磨石花紋的光滑表面的原板上鍍鉻後得到的有光表面;R表示石紋表面,在具有一定方向的磨石花紋表面的原板上鍍鉻後得到的有光表面;M表示表面無光澤。

2 覆膜鐵的生產工藝

覆膜鐵最早由東洋制罐的以今津勝宏為首的研究小組成員,聯合東洋鋼板、東洋食品機械、新日鐵、日本鋼罐以及帝人等公司技術人員,於1987年著手,曆經5a研究而成。至目前為止,世界上覆膜鐵最成熟的生產和應用技術仍在日本,本文以東洋鋼板的第2條覆膜鐵生產線(見圖5)對覆膜鐵的生產組成要素和關鍵部位進行介紹。由圖5可看出,覆膜鐵的生產線主要由鍍鉻鐵開卷部分、焊接及鐵表觀質量檢測、基板加熱、覆膜單元、冷卻單元、產品檢測及塗油卷取等部分組成,其中最核心的部分為基板的加熱區域和覆膜單元。


聯淨覆膜鐵

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