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  首页-原辅材料-金属包装材料的性能特点与生态化设计 金属包装材料的性能特点与生态化设计 -中国钢桶包装网  

 
 

金属包装材料的性能特点与生态化设计

文/凤巢

金属材料 是人类发现和使用最早的传统材料之一,在我国和一些发展中国家,金属材料至今仍然占据着材料工业的主导地位。金属材料是四大包装材料之一,其种类主要有钢材、铝材、成型材料是薄板和金属箔。随着现代金属容器成型技术和金属镀层技术的发展,绿色金属包装材料的开发应用已经成为发展趋势。

 

一、金属包装材料的性能特点及应用

金属材料在包装材料中虽然用量不大,但由于其有极优良的综合性能,且资源丰富,所以金属在包装领域仍然保持着极强的生命力。特别是在复合包装材料领域找到了用武之地,成为复合材料中主要的阻隔材料层,如以铝箔为基材的复合材料和镀金属复合薄膜的成功应用就是很好的证明。总的来说,金属包装材料具有以下特点:

1、金属材料延展性好,加工方便,容易成型,成型效果好。加工工艺成熟,能连续化、自动化生产等特点。如板材可以进行冲压、轧制、拉伸、焊接制成形状大小不同的包装容器;箔材可与塑料、纸等进行复合;金属铝、金、银、铬、钛等还可镀在塑料膜和纸张上。

2、金属材料具有优良的综合防护性能和阻隔性能。金属强度高,机械性能优良,对光、气、水的阻隔性好,防潮性、保香性、耐热性、耐寒性、耐油脂等性能大大超过了塑料、纸等其它类型的包装材料,可长期有效地保护内装物,适合包装的多种要求。

3、金属材料具有良好的装潢性能。金属材料表面光滑光亮,易于印刷,具有良好的装潢性能,可以提高包装物体的美感和档次。另外,各种金属箔和镀金属薄膜是非常理想的商标材料。

4、金属材料易于回收和再生利用,且利于轻量化设计。金属包装材料来源丰富,易于在包装上推广轻量化设计,从而节省材料,提高效益。

5、金属包装材料虽然有以上特点,但也有不足之处。主要是化学稳定性差,耐蚀性不如塑料和玻璃,尤其是钢制包装材料容易腐蚀。因此,金属包装材料多需表面再覆盖一层防腐蚀性物质,以防止来自外界和被包装物的有害物质对商品的污染。

6、金属包装材料的应用。目前金属包装材料中的成型材料主要是薄板和铝箔。前者属刚性材料,如运输包装用钢材、镀锡薄钢板、镀铬薄钢板、镀锌薄钢板,一般是直接制桶、制罐;后者为柔性材料,如铝箔和镀铝薄膜等,一般采取真空蒸镀的方法在其他材料上镀上一层金属膜,以提高包装的阻隔防护功能。金属包装多用于运输包装的大容器、罐、桶、集装箱,如工业产品包装容器,食品中的半成品粉粒、乳制品、油脂类及化工原料中的液体及固体状物质的包装等;在销售包装中主要适用于食品、饮料、油剂和一些化妆品中喷雾剂的包装,如饮料中的易拉罐、食品及日用品中的罐头筒、铝筒袋、金属浅盘、金属软管、金属封闭容器以及瓶盖、衬袋材料等。

 

二、金属包装材料的环境性能评价

金属包装材料是一种优秀的可循环再生材料,其易于回收性和优秀的再生性使金属成为一种环境负载低的绿色包装材料。如金属包装的废弃物可经翻修整理,回收复用,或经回收后回炉重熔铸造,轧制成新的铝材或钢材。因此只要建立了有效的回收系统,其废弃物是不会对环境造成污染的。而这些优势源于金属本身的几点特殊性质。

1、金属的可复用性。金属具有较高的物理性能和稳定性,使用过程中损失小,包装的防护性能几乎不受影响,因此可多次回收,重复使用。

2、金属的重熔性。金属材料,上金属原子构成,即使加热、熔融、变形,金属也成原子态,质量也不会改变,即废金属具有可重熔性。废金属的物理机械特性与金属基本相同或相近,可以物理形态的变化,重现使用价值。从理论上说废金属可以无限次循环,这是其它资源不可比拟的。

3、金属的可变性。金属材料在实际应用中经过各种制造过程不仅是原形加工,而且还是提高金属性能的加工。对循环再生性来说,各种加工可公成两类:不损害循环再生性的加工过程,如熔融、凝固、热处理;损害循环再生性的加工,如合金化、复合化等。

4、金属的结合能。从氧化物、硫化的等矿石中分离提取后的金属结合能低,即金属再熔融能与金属提取能比特别低,从这个意义上讲,再次利用的金属被称为“载能资源”,同时这个特点无疑有利于回收再利用。

5、资源的综合利用效益好。与其它再生资源相比,金属再生资源的生成量大,对节省资源,减轻环境污染,降低建设资金投入,提高经济效益都具有明显的优势。

因此,就金属材料本身属性来说,是一种具有永续再生性的高性能包装材料,金属包装的使用对环境的负荷是相当低的。当前,由于铝箔容易回收,用铝箔和镀铝薄膜代替塑料和纸已经成为娄前阻隔性软包装(如食品包装)的一个较好的发展方向。

 

三、金属包装材料的生态设计

然而,金属包装从生命周期全过程,即采矿、冶炼、轧制钢(铝)板到制作包装、使用、废弃的整个过程来看,对资源及能源的消耗均很大,对环境尤其是大气会造成污染。因此,必须大力推行清洁生产,改进落后的生产工艺,推行科学的生产管理,使金属材料生产对人体及环境的伤害及污染减至最小。

金属包装生态化设计是在设计阶段就从包装材料的环境协调性和降低环境负载出发,对材料资源(资源容量)、材料成分、工艺、结构和性能、循环使用、生态平衡(环境容量)等诸环节综合考虑,使材料的生产有利于降低环境负载,有利于废弃物循环再生,不仅后期处理难度小,而且效益高。当前的金属 包装材料生态设计的方向是追求功能性、安全性、经济性和低环境负载性。金属包装材料节省资源、能源,降低环境负载最经济的途径是材料可循环再生性和包装轻量化。所以目前研究的重点是看循环金属成分和组织设计、包装专用化选材设计、包装容器轻量化和结构合理化设计以及生产清洁化设计等。

1、可循环再生金属成分和组织设计。金属万分的可循环再生设计的要求是不使用循环再生过程中难以除去的元素;尽可能不使用枯竭性元素;不使用有毒元素;不采用在循环再生过程难以分离的生产方法等。

金属材料为了满足高性能化,通过添加合金元素和控制结晶等微观组织来实现,但金属作用废弃后重熔回收,一般很难除去合金元素和杂质,也就降低了可循环再生性。循环再生设计目前采用的手段是金属高纯度化和合金添加易除去元素以及杂质无害化。金属材料可循环再生的理想状态是高纯度和“组成单一化”,但考虑到材料的实用性以及经济性,一般要求合金添加元素最少化,可循环再生基本合金体系要尽可能 与纯金属组成相近,合金添加易除去元素是要求添加的第二元素不妨碍再生的种类和容许量,第三元素要求添加最小量,并且要求所添加的元素不是枯竭性元素和有毒元素。“组成单一化”是指如果采用复合材料强韧化的方法加强材料性能,也应采用成分单一的复合材料,以使循环使用时工艺更简单,从而减轻在循环过程的环境负担。

金属材料可循环再生设计过程采用的手段除了合金成分设计外,还有控制金属组织、优化显微结构等方法。具体途径首先是采用可循环再生合金方法。它是通过控制金属组织复相化,即通过控制压延、热处理和两相析出热处理等技术得到平衡两种性能的软质相和硬 质相复合组织,成为金属由于不加入妨碍再生的元素,电炉重熔就可以,不用返回到熔炉循环再生。除金属相变强化外,结晶微细化强化、加工强化等都是保障材料性能、使材料可以循环再生的重要手段。

2、金属包装专用化选材设计。包装专用化选材设计主要使针对包装用钢铁材料的。由于在国内使用的马口铁大多没有用途的区分,因而制造钢桶等容器时经常出现质量不稳定的问题,金属包装产品的质量问题、废次品问题在很大程度上都与标有关。目前欧洲已经研制开发出包装专用马口铁并投入市场,使应用范围更加明确和专一,针对性强,大大促进了金属包装质量的稳定和金属材料在整个社会用途中的合理配置。

欧美等发达国家不仅开发专用马口铁,而且对钢桶包装原材料钢板也为企业量身定制,使材料厚度、含碳量、硬度、镀锌层厚度更加符合制桶、制罐工业的需要,材料性能可不需太高,适合包装制作即可,材料尺寸按需要裁定,边角废料几乎为零,从而使钢桶等金属包装的质量、成本均为最佳,也符合适度包装及包装减量化原则。

3、金属包装容器轻量化和结构合理化设计。这项设计的目的是要使金属包装材料的厚度符合绿色包装要求、去除包装冗余结构和使包装结构符合使用方便性和利于回收处理。有两种途径:一是材料薄型化。例如我国一直采用1.5mm~1.2mm厚的薄钢板制造200升钢桶,使钢桶可重复使用多次。但由于每次使用前都必须对旧桶翻新清洗和脱漆,因此排出了大量的有毒有害液体、气体、污染了环境。而国外一些发达国家率先采用0.8mm~1.0mm超薄型的钢板制造200升钢桶,使用后直接回收再生利用,不许再次使用,从而杜绝了环境污染,又有利于包装轻量化,降低了包装成本。二是改进及完善结构设计。例如闭口钢桶结构,在用户使用中普遍存在着残留物的问题,不仅造成内容物的很大浪费,而且这些残余物还可能对环境造成污染;留有残余物的钢桶对回收利用也将造成麻烦,如果翻新利用,则清洗钢桶会带来更多的污染。一些发达国家从环保出发对钢桶结构进行改进,研制了几种不留残余物结构,如沟槽引流结构、流线拱顶型不留残余物钢桶结构等。

4、金属包装材料清洁化生产设计。金属包装材料的清洁化生产就是尽量使金属材料的加工过程消耗较低的资源和能源,排放较少的三废,并且在废弃之后易于回收再生。金属材料的清洁化生产,尤其是工艺流程的重大革新对于降低材料生产的环境负荷有极其重要的意义。具体应包括生产工艺新技术的应用、生产过程的废弃物管理与三废的综合治理等,主要是要降低吨钢能耗比,降低钢铁比,保护环境和节省资源。

 

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