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淺談覆膜鐵的來世今生與未來

2017-06-23 09:48:23 來源:上海聯淨

說起覆膜鐵,金屬包裝行業內的人都清楚,那是一種性能非常好的金屬包裝材料。日本早在二十多年前就發明了覆膜鐵,到現在其市場上絕大多數金屬罐都是覆膜罐了。可是,可是,現在覆膜鐵在中國還十分不普及。這究竟是為什麼?本文將以淺顯的語言說明一下覆膜鐵的發展曆史以及它的技術到底是怎麼回事。

一、覆膜鐵的來曆

說起覆膜鐵,少不了要先提到馬口鐵。

早在十九世紀初,馬口鐵就開始應用於食品包裝行業。在經曆了200年的發展之後,這個行業已經非常成熟。所謂馬口鐵,就是在表面電鍍一層金屬錫的冷軋薄鋼板。根據用途的不同,鍍錫的厚度大約在0.5~2μm。全世界每年產錫量約25萬噸,其中1/3用於馬口鐵表面電鍍。錫是一種稀有的戰略資源,為了減少錫的使用,人們一方面不斷將錫的鍍層減薄,另一方面也在積極尋找替代產品。鍍鉻鐵就是其中的一種。說到鉻,有人就害怕了,認為鉻是很有害的物質。其實,這種認識是不全面的。有害的鉻是六價鉻,以離子形式表現為Cr2O72-,而電鍍在冷軋薄板上的是金屬鉻,化學價態為0,這是完全安全的。

鍍鉻鐵是一種無錫鋼板(Tin free steel,簡稱TFS),是在冷軋薄鋼板表面電鍍一層金屬鉻。不同的是,鉻的鍍層厚度大約只有馬口鐵表面錫鍍層的1%。因此,鍍鉻鐵的生產成本低於馬口鐵(以0.2mm厚度的鍍鉻鐵為例,每噸售價比相同規格馬口鐵低數百元)。相比而言,鍍鉻鐵的曆史比馬口鐵要短很多。

1953年,美國伯利恒鋼廠建成第一條鍍鉻鐵生產線。

1961年,日本東洋鋼板公司建立了日本第一條鍍鉻鐵生產線。

1989年,日本東洋鋼板成功在鍍鉻鐵兩面各覆上一層聚酯薄膜,可用於生產食品、飲料罐,這種材料就是覆膜鐵。目前,日本在覆膜鐵生產技術方面處於全球領先水平,除東洋鋼板之外,新日鐵和JFE公司都有各自的覆膜鐵生產線。現在,日本覆膜鐵的實際產量達到了近百萬噸,日本食品、飲料罐中絕大多數都是覆膜罐了。

1991年,歐洲覆膜鐵投產,但到目前為止,歐洲的覆膜鐵還主要是用於化工罐、氣霧罐等,很少用於食品、飲料。

本世紀初,江蘇一家公司用粘合法在低溫下將塑料薄膜貼到鍍鉻鐵上,其產品也稱之為“覆膜鐵”,但性能與國外覆膜鐵相距甚遠,只能用於茶葉罐、月餅盒等雜罐,不能用做食品罐、飲料罐。

因此,本文所說的“覆膜鐵”專指用於食品、飲料的覆膜鐵。按照日本的說法,覆膜鐵是通過熔融法將塑料薄膜複合在冷軋薄鋼板上的複合材料,是一種鋼鐵深加工產品。通過在冷軋薄鋼板或鍍鉻鐵正反兩面覆蓋多層聚脂複合薄膜,覆膜鐵可以兼具塑料薄膜和金屬板材的雙重特性。和傳統的金屬包裝材料馬口鐵相比,覆膜鐵不但原材料本身不含有害物質,其後續生產過程也很環保,且生產成本比馬口鐵要低,因此,覆膜鐵已經被廣泛認為是馬口鐵在包裝行業的最佳替代產品。

二、原材料及結構

接下來要說些技術問題了。覆膜鐵,絕不是簡單地胡亂找張膜往鋼板上一貼就叫覆膜鐵了。“覆膜鐵”叁個字各代表了一項核心技術。

覆,就是覆合裝備、工藝;

膜,指可以與TFS良好結合的專用改性薄膜;

鐵,最好是表面鍍鉻的冷軋薄板,含碳量應該是盡可能低些的好。

這一節就來說說覆膜鐵的結構及原材料。

1、 覆膜鐵結構

用於制罐的覆膜鐵其結構有內壁和外壁之分,內外壁覆膜均有兩層。內壁外層起到阻遏作用,內壁內層起到與鍍鉻鐵黏合及防腐蝕的作用;外壁外層起到防劃傷以及便於印刷等作用,外壁內層起到與鍍鉻鐵黏合的作用。

聯淨覆膜鐵 

2、覆膜鐵基材

覆膜鐵往往使用多層聚酯複合薄膜(厚度約為12-25μm),它阻隔腐蝕介質滲透的能力接近於“完全阻遏”,因此覆膜鐵基材理論上可直接使用冷軋薄鋼基板,但直接在冷軋板上覆膜粘合力不牢,因此實際使用上,各國都是用鍍鉻鐵作基材。由於TFS產品表面存在一層鉻的水合氧化物膜,可與有機膜以氫鍵的形式結合在一起,其有機膜覆合的牢度極高。

聯淨覆膜鐵 

TFS表面金屬鉻以及氧化鉻的含量也有明確的要求。一般來說,鉻的含量在50~150mg/㎡,而氧化鉻的含量大致在5~15mg/㎡。具體指標根據薄膜配方的不同也有所不同。鍍鉻後的表面粗糙度也是有要求的,通常在Ra 03~0.5μm之間,太高或者太低覆膜效果都不是最好。

 

3、 覆膜鐵專用高分子薄膜

對於覆膜鐵來說,膜的研制是其核心技術。日本公司對於薄膜的保密工作做得簡直是無比的嚴密,中國人只能全部靠自己的聰明才智了。

用於覆膜鐵制造的高分子薄膜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;此外,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,並在制罐成型過程中,能經受高溫、高摩擦力和彎曲等複合力的作用,有些還要印刷,需要耐受高溫烘烤,因此,薄膜必須具有良好的附著力。

理論上可用於與TFS複合的塑料薄膜有PP、PET、PC、PE等,其中PET膜最為常見,綜合性能最優。PET膜具有成型性、可殺菌性、硬度高、耐磨、經特殊處理可印刷等特性。

從顏色上覆膜鐵用PET聚酯薄膜可以分為白色膜、透明膜、金色膜和鐳射膜。從應用上可分為用於深沖的膜、一般化工罐膜和食品罐膜。從結構上來看,覆膜鐵用PET聚酯薄膜為多層結構(一般為2~3層),需采用多層共擠的方式生產。其中,與TFS貼合的一層為改性PET,其熔點低於普通PET,在達到其熔點後能夠與TFS迅速貼合。

日本也有采用鍍錫的馬口鐵作為基材進行加工的做法。由於錫的熔點低,因此必須使用熔點更低的改性聚酯薄膜。

 

叁、生產工藝

有了合格的原材料,如何加工好也十分關鍵。這就需要好的裝備以及合適的工藝。

覆膜鐵生產采用的是高溫、高壓、快速冷卻複合工藝。

看到“高溫”,很多人會想當然地認為so easy,不就是加個溫嘛?加熱方式多種多樣。但是,但是,一個最最重要的問題是,怎麼讓鋼板的溫度不但在橫向上均勻,而且在以100~200m/min的速度下,鋼板在複合的時候溫度都始終是均勻的。前幾年,國內公司在開發覆膜鐵生產線時,采用的加熱方式五花八門,有的用烘箱加熱,有的用煤氣加熱,有的用導熱油輥筒加熱,還有的用感應線圈直接加熱。這些,都無法滿足要求。實際上,日本公司都采用電磁感應加熱輥作為鋼板的加熱源。只有這種方式,才能確保鋼板的溫度始終穩定、均勻,從而保證產品的一致性良好。

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單元和覆膜單元。通過電磁感應加熱輥預熱部分加熱鋼帶至膜的熔點以上溫度,用對稱的兩個壓力膠輥的擠壓進行基板與膜的熱熔貼合。熱貼後的鋼帶通過冷卻裝置進行快速冷卻,以確保熔融後的高分子迅速重新結晶。

聯淨覆膜鐵

聯淨覆膜鐵

 

目前,全球主要覆膜鐵生產線都是使用電磁感應加熱輥對鋼板進行預熱。這種加熱輥不但能將TFS加熱到250℃以上的溫度,而且其溫度均勻性也非常好(能控制在±1℃以內)。但只有加熱輥的溫度具有高均勻性是遠遠不夠的,壓膜輥的溫度均勻性才是鋼板與薄膜貼合一致性的關鍵所在。包覆在壓膜輥表面的是硬質橡膠,在液壓缸的作用下能夠對鋼板和薄膜形成很高的壓力。為了保持膠輥表面的溫度不至於太高,往往都設計有冷卻輥對其進行冷卻。但同時,由於橡膠的導熱性極差,如果冷卻輥的溫度不夠均勻,長期積累下來,也會造成膠輥表面的溫度不均勻,從而影響到壓膜的一致性。

總而言之,鋼板與薄膜複合的關鍵在於以下幾點:

1. 能夠提供高溫(250℃以上)且均勻性良好的加熱源(±1℃以內)——現有成熟覆膜鐵生產線均采用電磁感應加熱輥,生產廠家主要有日本Tokuden和上海聯淨兩家公司。也有其他公司對外宣傳有電磁感應加熱輥,但要用到覆膜鐵生產線上,還是謹慎為好;

2. 膠輥的硬度及其一致性十分關鍵,這樣,其形變一致性才會良好,確保鋼板受力均勻。對於膠輥的具體包膠材質,以及硬度值,基本上屬於各家公司的保密范圍,新介入的公司還得花時間好好試驗;

3. 為確保在生產初期的廢品率盡可能降低,需要對膠輥均勻地加熱,讓膠輥表面一開始就達到生產所需的溫度(約100~140℃,這個參數也大都保密的,不同的廠家、不同的薄膜在不同的速度下都有所差異);

4. 溫度均勻性良好的冷卻輥,表面溫差小於±1℃,只有這樣才能保證膠輥表面的溫度均勻;

5. 潔淨的工作環境,確保鋼板與薄膜複合時不會夾帶灰塵等雜物,提高產品合格率。

四、應用前景及現狀

相比傳統印鐵工藝,覆膜鐵在性能、材料成本、生產成本、環保和能源消耗等方面具備更多優勢,其應用范圍十分廣泛:

1、 在食品金屬罐方面的應用:食品罐、飲料罐、四旋蓋、糖果罐、茶葉罐、易開蓋等。

2、 在化工罐方面的應用:化工罐、油漆罐、塗料罐、二片氣霧罐及各種頂底蓋等。特別是留空覆膜加工技術,可適用於各種叁片罐的制罐。

3、 在裝飾罐方面的應用:便攜煙灰盒、禮品盒、文具盒、首飾盒、煙盒、酒盒等等。

4、 其他行業的應用:建築板材、牆壁、吊頂、防盜門、地板、遮陽棚等等。

盡管理論上可用的地方很多,可事實上,覆膜鐵最大的優勢還是應用在食品、飲料罐,尤其是兩片罐上優勢更加明顯。日本也有很多覆膜鐵叁片罐,這主要是為了避開東洋制罐的TULC技術專利,不得已而為之。

目前,國內兩片罐(鋼和鋁)的年消費量約為300億只左右。以每年10%的增長率來計算,5年後國內兩片罐的需求將達到近500億只,淨增加200億只。而隨著綠色環保的要求越來越嚴格和資源日漸緊缺,可回收和循環再生的金屬包裝材料愈加為人們所青睞。因此可以預見,以綠色環保的覆膜鐵制作兩片罐的國內市場前景非常廣闊。

早在2000年前後,中國包裝聯合會金屬容器委員會就關注到日本覆膜鐵的發展,並希望引進日本這項技術。但日本在這方面封鎖嚴密,也無意向中國輸出。寶鋼曾經與日方進行了多年的談判,最終沒有結果,最後寶鋼決定自行開發,並於2016年7月正式對外宣布生產線建成投產。目前,其產品仍未見到在食品、飲料方面的應用。

金屬包裝界巨頭奧瑞金是國內在覆膜鐵項目上投入最大的公司,2014年即已建成年產能5萬噸的生產線。但由於關鍵裝備不完善,其產品主要用於化工罐,不敢在食品罐上大規模推廣。2016年,公司在覆膜鐵項目上做出重大調整,多位核心管理和技術人員離開。現在,其覆膜鐵項目在短時間內不會有大的突破。

上文提到的江蘇一家公司在生產出粘合法覆膜鐵後,也在嘗試高溫熔融法覆膜鐵生產線的開發。由於缺少本文第叁部分所提的多項關鍵技術,其高溫熔融法覆膜鐵生產線開發之路注定不會平坦。

另外,也有其他公司在嘗試覆膜鐵的開發,有的瞄准食品飲料罐,但尚有諸多問題沒有解決,有的則把方向對准了建築板材,與本文所述覆膜鐵迥異。

從市場來看,目前還只有上海聯淨一家推出了大量用於食品行業的產品,這主要得益於其自主開發了高質核心裝備,同時也在核心材料上取得了突破。現在,該公司的覆膜鐵罐已經大規模應用在水果罐頭、魚肉類罐頭、調味品、營養餐、茶葉、休閑食品等方面。據稱,采用該公司覆膜鐵生產的瓶罐也已經開發成功,2018年即可在飲料市場投放。

 

現在,國家也在積極制訂各項政策支持覆膜鐵產業的發展,有些已在前兩年陸續出台。2017年4月,國家標准委與中國包裝聯合會金屬容器委員會一起召集業內專家在烏鎮召開了專題會議,商議制訂覆膜鐵國家標准事宜。從這些現象來看,中國的覆膜鐵產業在經過了十多年的醞釀之後,必將很快迎來快速發展的春天。

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