摘要：資源節(jié)約、綠色環(huán)保與食品安全正日益成為世界包裝發(fā)展的主流元素，為順應(yīng)這一潮流，傳統(tǒng)金屬包裝行業(yè)于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(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征、生產(chǎn)工藝、食品罐用生產(chǎn)加工工藝及其應(yīng)用前景等方面進行了概述，其顯著的優(yōu)勢契合和滿足了21世紀包裝發(fā)展的趨勢和要求，必將引領(lǐng)金屬食品飲料包裝行業(yè)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(guān)注，被譽為金屬包裝領(lǐng)域的一項革命性創(chuàng)新，其產(chǎn)品制造技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)在歷經(jīng)20余年的持續(xù)發(fā)展后，在日本已構(gòu)建了一套相對完整的生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)體系，其技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用的動態(tài)一直是業(yè)界關(guān)注的焦點。

按生產(chǎn)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(huán)境友好及成型工藝上的不足與包裝的發(fā)展存在偏差，正逐漸被熔融覆膜鐵取代。覆膜鐵及其應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)，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）上的一種新型復(fù)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(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征、生產(chǎn)工藝、制罐工藝及其應(yīng)用前景等方面進行綜述，以期國內(nèi)包裝同行對其有更多的了解。

1 覆膜鐵原材料及其結(jié)構(gòu)

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(yōu)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(guī)模的大幅度增長，鍍錫板的用量也相應(yīng)增大，市場一度出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，導(dǎo)致鍍錫板價格的持續(xù)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(jié)約有限的錫資源，科研工作者們加大了對鍍鉻板的研發(fā)和應(yīng)用。鍍鉻板在成本方面較鍍錫板有明顯優(yōu)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(lǐng)域中的應(yīng)用。而覆膜鐵材料的獨特結(jié)構(gòu)正好彌補了其先天缺陷，可被應(yīng)用于各種金屬罐領(lǐng)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。

圖1 鍍鉻鋼板結(jié)構(gòu)示意圖

作為罐用覆膜鐵鍍鉻板，其表面涂油量、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(guī)格和性能。

注：各廠家選用油脂不同，有些TFS涂有硬脂酸丁酯油。

鍍鉻薄鋼板生產(chǎn)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(chǎn)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(guān)廠商生產(chǎn)的TFS 的鉻鍍層量。

表2中的廠家均生產(chǎn)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(yīng)于覆膜鐵TFS鍍鉻量要求范圍更窄，如日本鋼鐵工程控股公司JFE用于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(shù)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(chǎn)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(nèi)容物的理化性能兼容，以確保其對鍍鉻基板和內(nèi)容物的良好阻遏，同時，在罐裝各種內(nèi)容物的貨架期內(nèi)須保持所包裝食品的風(fēng)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(jīng)受高溫、高摩擦力和彎曲等復(fù)合力的作用，具有較好的附著力。因此，對于覆膜鐵的研制來說，膜的研制是其核心技術(shù)，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。

從顏色來看，所覆薄膜多為透明膜和白膜，也有用于特殊包裝用金色膜和鐳射膜。罐內(nèi)壁常為透明膜，罐外壁為便于印刷多為白膜，其中透明膜的厚度一般為12-40μm，白膜為13-38μm。從應(yīng)用和加工成型來看，目前覆膜用薄膜大致可分為3類：用于深沖的膜（共聚PET-HOMOPET+IPA）、用于一般化工罐的膜（外層為HOMO PP/內(nèi)層為改性PP+改性PE）、用于食品罐的膜（外層為改性PET/內(nèi)層為新型HOMO PET）。一般的膜應(yīng)使罐外層易于熱帖，降低HOMO PET的結(jié)晶性能，并保證其后的加工性能；罐內(nèi)層應(yīng)保證較低的表面自由能，以減少和內(nèi)容物的黏附性。從日本現(xiàn)在的覆膜罐制造技術(shù)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(jié)構(gòu)

金屬飲料罐、食品罐用覆膜鐵的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，罐用覆膜鐵的結(jié)構(gòu)有罐內(nèi)壁和外壁之分，用于罐內(nèi)壁的覆膜包括雙層結(jié)構(gòu)，處于外層的薄膜一般需具有較好的機械力學(xué)強度，主要起到阻遏屏障作用；處于內(nèi)層的結(jié)構(gòu)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。用于罐外壁的膜同內(nèi)壁一樣可按功能分為外層和內(nèi)層，其內(nèi)層需具有良好的黏附性能，對于耐腐蝕性能不作明確要求；外層應(yīng)具有良好的機械性能以利于抗劃傷和耐沖擊及便于印刷等。從圖3所示覆膜鐵的橫截面微觀結(jié)構(gòu)來看，與基板接觸層為膜的高溫熔融無取向?qū)樱S著熱貼合溫度的升高，其厚度相應(yīng)增厚，膜與基板的附著力增強。覆膜鐵的外層為結(jié)晶取向?qū)樱浜穸瘸軣豳N合溫度影響外，還與后續(xù)覆膜鐵應(yīng)用的熱處理工藝和加工過程密切相關(guān)。

圖3 覆膜鐵橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

關(guān)于覆膜鐵膜與基板的附著力機理，至今多數(shù)學(xué)者仍認同Tanaka等提出的PET中C=O的O與TFS表面-OH的H結(jié)合成氫鍵的分子力觀點，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 TFS與PET的結(jié)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，其原因是由于高分子PET黏度較高，有時會進不去表面很深的谷底而留下空隙，當水分、塵土聚集于凹陷的谷底時，將劣化膜與鍍鉻鐵的表面黏結(jié)性能。所以應(yīng)綜合水合氧化鉻含量與表面微觀結(jié)構(gòu)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?？趫A角半徑等因素密切相關(guān)。表面粗糙度通常采用參數(shù)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(chǎn)的鍍鉻鐵產(chǎn)品粗糙度值范圍。

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后得到的有光表面；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后得到的有光表面；M表示表面無光澤。

2 覆膜鐵的生產(chǎn)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(lián)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(shù)人員，于1987年著手，歷經(jīng)5a研究而成。至目前為止，世界上覆膜鐵最成熟的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)仍在日本，本文以東洋鋼板的第2條覆膜鐵生產(chǎn)線（見圖5）對覆膜鐵的生產(chǎn)組成要素和關(guān)鍵部位進行介紹。由圖5可看出，覆膜鐵的生產(chǎn)線主要由鍍鉻鐵開卷部分、焊接及鐵表觀質(zhì)量檢測、基板加熱、覆膜單元、冷卻單元、產(chǎn)品檢測及涂油卷取等部分組成，其中最核心的部分為基板的加熱區(qū)域和覆膜單元。

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