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(jì)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(jìn)行了概述，其顯著的優(yōu)勢(shì)契合和滿足了21世紀(jì)包裝發(fā)展的趨勢(shì)和要求，必將引領(lǐng)金屬食品飲料包裝行業(yè)的一場(chǎng)“綠色革命”。

覆膜鐵自20世紀(jì)90年代問(wèn)世以來(lái)，一直備受關(guān)注，被譽(yù)為金屬包裝領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新，其產(chǎn)品制造技術(shù)和應(yīng)用開(kāi)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(duì)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(dòng)態(tài)一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

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(guò)熔融法，在一定溫度范圍內(nèi)，按一定配比將特殊、專(zhuān)用的聚酯薄膜（可彩?。┠雺涸诶滠埍′摪澹ㄥ冨a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(jìn)行綜述，以期國(guó)內(nèi)包裝同行對(duì)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(dú)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(chǎng)規(guī)模的大幅度增長(zhǎng)，鍍錫板的用量也相應(yīng)增大，市場(chǎng)一度出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，導(dǎo)致鍍錫板價(jià)格的持續(xù)上漲。與此同時(shí)，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(duì)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(shì)，且具有較好的表面附著力，但鍍鉻層的硬、脆問(wèn)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(dú)特結(jié)構(gòu)正好彌補(bǔ)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(duì)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。

表1 鍍鉻板構(gòu)成和性能

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(guò)程同時(shí)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(qiáng)度性能更好的產(chǎn)品。在覆膜鐵的使用過(guò)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(shí)也能提高覆膜的黏附性能：所以鉻鍍層的含量相當(dāng)重要。表2 為國(guó)外主要相關(guān)廠商生產(chǎn)的TFS 的鉻鍍層量。

表2 國(guó)外各廠商生產(chǎn)TFS的鍍層度（mg/m2）

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(lèi)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(duì)鍍鉻基板和內(nèi)容物的良好阻遏，同時(shí)，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(shí)，在食品高溫蒸煮殺菌過(guò)程中不變色和脫落，以保持高的濕潤(rùn)密閉性。在制罐成型過(guò)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(duì)于覆膜鐵的研制來(lái)說(shuō)，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(duì)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

從顏色來(lái)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(lái)看，目前覆膜用薄膜大致可分為3類(lèi)：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(lái)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(jī)械力學(xué)強(qiáng)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(gè)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(duì)于耐腐蝕性能不作明確要求；外層應(yīng)具有良好的機(jī)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(lái)看，與基板接觸層為膜的高溫熔融無(wú)取向?qū)?，隨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(qiáng)。覆膜鐵的外層為結(jié)晶取向?qū)?，其厚度除受熱貼合溫度影響外，還與后續(xù)覆膜鐵應(yīng)用的熱處理工藝和加工過(guò)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(jī)理，至今多數(shù)學(xué)者仍認(rèn)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(diǎn)，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(rèn)為，鍍鉻板鉻水合氧化物層的增厚，一方面會(huì)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(shí)會(huì)進(jìn)不去表面很深的谷底而留下空隙，當(dāng)水分、塵土聚集于凹陷的谷底時(shí)，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(duì)覆膜鐵黏附性能的影響。在覆膜鐵罐張拉成型的過(guò)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(guān)。表面粗糙度通常采用參數(shù)粗糙度Ra和PPI值來(lái)進(jìn)行表征，表4列舉了國(guó)際上主要廠家生產(chǎn)的鍍鉻鐵產(chǎn)品粗糙度值范圍。

表4 各國(guó)外廠家表面狀態(tài)分類(lèi)

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(wú)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(jī)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(jiàn)圖5）對(duì)覆膜鐵的生產(chǎn)組成要素和關(guān)鍵部位進(jìn)行介紹。由圖5可看出，覆膜鐵的生產(chǎn)線主要由鍍鉻鐵開(kāi)卷部分、焊接及鐵表觀質(zhì)量檢測(cè)、基板加熱、覆膜單元、冷卻單元、產(chǎn)品檢測(cè)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。