金屬包裝用覆薄鐵的開發及應用

文/曾科

覆膜鐵(Laminated Steel、Coated Steel)，即通過熔融法或粘合法，將彩印后的塑料薄膜復合在冷軋薄鋼板上的復合材料，以替代在鍍錫板(馬口鐵)、鍍鉻板、鍍鋅板、冷軋板上面用印鐵的方式印刷。覆膜鐵生產線的工藝流程改變了傳統的一張張、一套套色、一遍遍烘烤的印鐵工藝，而是將整卷板材經清洗后直接將多套色印刷好的薄膜直接熱壓或粘合在板材上，再按要求分別切即可，生產過程全部自動化控制，印刷和覆膜均可一次完成，實現了金屬包裝用板材覆膜鐵的工業化生產。

覆膜鐵由高分子樹脂膜和鐵板組成，應用的樹脂有:聚酯（PET）、聚丙烯（PP）等，PET/PP薄膜是通過美國FDA認證可與食品直接接觸的材料，具有價格低、透明性好、無毒無昧、阻隔性好等特性。PET/PP薄膜作為包裝材料在加工過程中無需添加任何增塑劑或添加劑，加工過程環保使得PET/PP非常適用于食品、飲料包裝材料。應用鐵板有:鍍錫板、鍍鉻板、素鐵板和鍍鋅板等。由于覆膜鐵兼具樹脂和鐵二種材料的特點，因此它有下列優點: 外觀光潔、潤滑、裝飾性好、手感好；耐磨性強、抗銹蝕；化學穩定性強、耐腐蝕、耐老化；表面毛細管作用低；成形性好、可深沖；對油漆的粘附作用低。

我國“十一五”規劃《綱要》中明確提出把建設節約型社會、發展循環經濟作為國家發展戰略。并于2008年8月29日人大頒布《中華人民共和國循環經濟盹促進法》。減量化、再利用和資源化，是今后行業、企業進步，推進產業升級的主要方向。2009年2月全日全國人大通過《中華人民共和國食品安全法》，2009年6月12日該法開始頒布實施。國家己經將食品安全放在保護民生的重要地位。在食品安全的整個環節中，食品、飲料的包裝是現代食品生產工業的最后一環，通過對食品、飲料包裝方式、包裝材料創新等方面的研發，可以有效地提高食品的安全，保障國民的飲食安全。因此，食品包裝安全己經成為保證食品安全不可分割的重要組成部分，通過對包裝方式、包裝材料的創新，進而提高食品安全是食品包裝行業在科技研發領域的重點任務之一。

覆膜鐵的生產無大量溶劑廢氣排出，干法成型的生產技術工藝，從而省略了涂裝烤干工藝，確立了環保的生產系統。此外，覆膜鐵通常使用無錫鋼板(帶)如鍍鉻鐵，與馬口鐵相比大量節約了錫資源的消耗，杜絕了錫這種不可再生資源的浪費。因此覆膜鐵項目對于食品飲料包裝工業來說，其實施的價值在于可以從根本上解決現有涂料鐵生產造成得大量廢氣廢水污染排放和稀缺錫資源消耗的問題，其節能、環保和安全的內在品質契合了“綠色包裝”的核心要素。

在金屬包裝產業中，食品、飲料包裝占了絕大部分市場，我們成功將覆膜鐵材料應用于兩片淺沖食品罐包裝以及食品罐底蓋，為覆膜鐵的廣泛應用、市場推廣提供了堅實的基礎。關于授權專利情況，在知識產權方面，截止2014年12月份，覆膜鐵開發及應用項目己有17項專利己授權，其中12項發明，4項實用新型，1項外觀設計；另有4項發明專利處于申請中以及1項發明專利己授權未領證。
覆膜鐵材料的開發的關鍵技術主要有以下四點：

一、高分子薄膜

覆膜鐵用的高分子薄膜有兩種選擇，聚酯（PET）或者聚丙烯（PP），這兩種聚合物都是結晶性聚合物，適度的結晶有助于材料阻隔性、耐蝕力的提高，但是結晶過高會導致薄膜的耐加工能力下降，因此，覆膜鐵制造以及應用過程中，薄膜結晶度的控制非常重要。而控制薄膜的結晶度，一方面可以從工藝入手，但更為重要的，是從改變高分子樹脂原料的本體性能入手。例如日本目前所采用的聚酯原料均經過了特殊的化學改性。

針對以上的問題，我們對覆膜鐵專用薄膜的配方進行了全新的設計，通過新配方的設計和薄膜層結構的調整，成功的解決了以上存在的多種缺陷。詳細技術方案如下:

1、間酸改性聚酯樹脂

普通的BOPET薄膜結晶速率較快，不利于覆膜、印刷以及成品的殺菌等后續工藝的實現，且薄膜熔點很高（255℃左右），使薄膜熔融需要很高的熱量，耗能厲害。針對該情況，我們專用聚酯薄膜的樹脂切片是在聚合過程中引入了間苯二甲酸，得到間酸改性聚酯樹脂。間苯二甲酸的引入可降低聚酯材料的熔點，提高聚酯材料與金屬基板的粘結性。薄膜在生產過程中，貼合層采用單純的改性樹脂或采用普通切片與改性樹脂共混的方式，保證薄膜與金屬基板的貼合性與耐蒸煮性。

2、高阻隔性共擠薄膜

覆膜鐵制成食品罐或蓋，井罐裝阻隔要求高(例如高酸、高鹽的內容物)或者滅菌條件苛刻的食品時（例如八寶通常的滅菌條件為127℃蒸煮30min），覆膜鐵表面的常規PET膜的阻隔性通常滿足不了罐裝要求，食品罐在滅菌或者長時間貨架存放時，可能會出現薄膜耐食品腐蝕不好的情況造成罐內破膜，引起生銹變質。針對該情況，我們通過改進配方及膜層結構設計，發明出一種高阻隔性共擠薄膜，共擠膜的外層為阻隔層與食品接觸，該層結構具有比PET更高的熔點、剛性及阻隔性，確保了覆膜鐵表面的硬度及高阻隔性；共擠膜的內層仍為常規PET或間酸改性的PET，保證了與金屬板熱貼合時在一個較低的溫度下進行，同時保證了與金屬板的較高粘附性。

3、低表面能薄膜

當覆膜鐵制罐并罐裝午餐肉或番茄醬等食品時，因食品與罐壁的高粘附性，消費者通常難以直接將食物傾倒出罐，為提高消費體驗，我們設計了低表面能薄膜，結構為面層為普通聚酯樹脂+硅酮母粒，里層為間酸改性聚酯樹脂+普通聚酯樹脂+添加劑。

4、改性PP材料

對于聚丙烯（PP），由于其本身是一種非極性材料，與金屬基板(極性表面)的附著力差，因此，必須對PP材料進行特殊的化學改性，以提高薄膜與金屬基板的附著牢度。

二、金屬基板

鋼鐵是一個傳統而相對成熟的產業，其各方面的性能研究和開發相對較為充分，我們從滿足食品罐的加工成型性能及其對覆膜工藝性能影響兩個維度對金屬基板開展了研究，研究結果主要有以下幾點:

1、顯微組織

表征鍍鉻板的顯微組織指標主要為晶粒度和夾雜物，其直接影響基板的n值。研究結果表明晶粒度應控制在晶粒度約9～12級，即晶粒尺寸為8～15um。

2、機械性能

調質度是評價鍍鉻板材料強度最基本的特性值。用于淺沖DRD罐用的鍍鉻板主要采用DR材，其調質度通常為DR8～DR9.5之間，以DR8居多。而SR材的調質度以T3～T5為主。其中調質度的高低主要跟所生產的覆膜鐵罐的徑高比有關，徑高比值越小，其調質度越低。而用于底蓋及淺沖DRD罐覆膜鍍鉻板的延伸率一般在2%～5%之間。用于深沖罐的鍍鉻板延伸率一般大于20%。塑性應變比r值、Δr值：研究證實，r值高低取決于薄板的織構，｛111｝織構愈強，｛100｝織構愈弱，則r值愈高。板材具有｛111｝織構時成形過程中抗厚度減薄能力強，所以沖壓性能好。改善Δr值的主要手段是通過優化控制成分、熱軋溫度、冷軋變形量、退火溫度和速度等關鍵工藝參數來達到，使Δr絕對值趨于0.1時的凸耳效應最少。

3、鍍鉻板表面狀態

鍍鉻板表面狀態是影響覆膜效果和覆膜鐵4性能最重要的性能指標。一般主要表征參量包裝表層鍍鉻總量及表面粗糙度兩個指標。鍍鉻板鍍鉻層主要由金屬鉻層和鉻水合氧化物層組成。其中鉻水氧化層的鍍量增加時，表面凸凹會有變化，實驗結果表明水合氧化鉻量在5～20mg/m2顯示良好的潤濕密封性，20mg/m2以上的樣品潤濕密封性變差，其原因不是水合氧化鉻過厚的原因，而是表面形貌發生了變化，表面呈現出不規則的凸凹。由于覆膜鐵后續罐體加工成型過程中會有深沖拉拔等過程，根據不同功能罐子所采用的工藝不同，對金屬鉻層的要求不同。研究結果表明，金屬鉻層的鍍量在80mg/m2以上將有利于確保良好的覆膜效果。

三、覆膜鐵應用工藝

覆膜的工藝會很大程度的影響覆膜鐵最終的性能，比如抗腐蝕、耐加工能力等等。因此，針對不同的產品，可能會采取不同的覆膜工藝，需要精確調整覆膜的溫度、速度、壓力以及三者之間的互相配合。在覆膜鐵應用中，關鍵技術有如下三點:

1、覆膜鐵平板預變形印刷技術

材料的各向異性導致在拉深過程中變形不均勻，彩印后變形圖案與設計圖案差異。基板經過軋制后產生形變織構，材料在不同方向的力學性能產生差異。平板在拉深過程中，各方向變形程度不一致，容易產生凸耳。DRD罐越靠近修邊部位，變形量越大，差異越明顯。因此需要在圖案變形設計時就考慮成型后的變形不均勻問題，或者采用低制耳率材料，減少材料變形不均勻對產品外觀的影響。

2、彩印覆膜鐵食品罐制罐工藝

由于印鐵過程中，高分子薄膜材料的二次結晶，在沖壓成型過程中，內外模具會在覆膜上產生白色壓痕，如何消除白痕，制造出客戶滿意的產品，需要對制罐工藝進進評估、優化。

四、覆膜設備

為了滿足覆膜鐵前期試驗需求，我們設計并搭建了一條覆膜鐵試驗機組，試驗機組鋼帶運行速度為60m/min，板帶寬度550mm，兼具試驗和小規模生產的功能，生產出覆膜鐵樣品8噸，并通過各項檢測，現己成功制備出覆膜鐵罐及蓋的樣品。

覆膜鐵試驗機組不能滿足大規模的生產需求，存在壓力可調不可控，溫度浮動較大等弊端。但是前期進行材料開發與客戶樣品試制的覆膜鐵材料全部為試驗線制備，能滿足材料開發和客戶試樣的要求，試驗線的成功引進為覆膜鐵項目的順利進行提供了有效的保障，做出了不可磨滅的貢獻。考慮到公司產能的擴大，覆膜鐵試驗機組不能滿足高速生產的需求，故展開覆膜鐵中試機組項目，設計并成功搭建一條覆膜基板最大幅寬為1050m，速度為100m/min，產能約5萬噸/年的覆膜鐵生產線。

結論：

覆膜鐵開發的順利完成突破多年來國外技術封鎖，并全面提高資源利用效率，實現金屬包裝行業的可持續發展，同時為中國金屬包裝行業未來的產品差異化和邁向國際市場創造了更優越的條件和有效的材料保障。

覆膜鐵淺沖食品罐的成功將促進內容物食品安全的前提下實現國內金屬包裝行業向“資源節約、環境友好”方向發展，全面提升國內金屬包裝產業水平，填補了國內覆膜鐵產品的空白。覆膜鐵是繼馬口鐵的廣泛應用之后，更加環保和安全的一種新型金屬包提材料。同時，我國金屬包裝行業的迅猛發展，傳統金屬包裝材料——馬口鐵的用量以每年10萬噸的速度高速遞增，但由于覆膜鐵相比傳統涂料鐵在成本、性能、節能、環保、食品安全上的巨大優勢，因此應用覆膜鐵替代馬口鐵成為今后國內金屬包裝的主要材料，是國內金屬包裝行業的發展趨勢。