金属包装用覆薄铁的开发及应用

文/曾科

覆膜铁(Laminated Steel、Coated Steel)，即通过熔融法或粘合法，将彩印后的塑料薄膜复合在冷轧薄钢板上的复合材料，以替代在镀锡板(马口铁)、镀铬板、镀锌板、冷轧板上面用印铁的方式印刷。覆膜铁生产线的工艺流程改变了传统的一张张、一套套色、一遍遍烘烤的印铁工艺，而是将整卷板材经清洗后直接将多套色印刷好的薄膜直接热压或粘合在板材上，再按要求分别切即可，生产过程全部自动化控制，印刷和覆膜均可一次完成，实现了金属包装用板材覆膜铁的工业化生产。

覆膜铁由高分子树脂膜和铁板组成，应用的树脂有:聚酯（PET）、聚丙烯（PP）等，PET/PP薄膜是通过美国FDA认证可与食品直接接触的材料，具有价格低、透明性好、无毒无昧、阻隔性好等特性。PET/PP薄膜作为包装材料在加工过程中无需添加任何增塑剂或添加剂，加工过程环保使得PET/PP非常适用于食品、饮料包装材料。应用铁板有:镀锡板、镀铬板、素铁板和镀锌板等。由于覆膜铁兼具树脂和铁二种材料的特点，因此它有下列优点: 外观光洁、润滑、装饰性好、手感好；耐磨性强、抗锈蚀；化学稳定性强、耐腐蚀、耐老化；表面毛细管作用低；成形性好、可深冲；对油漆的粘附作用低。

我国“十一五”规划《纲要》中明确提出把建设节约型社会、发展循环经济作为国家发展战略。并于2008年8月29日人大颁布《中华人民共和国循环经济盹促进法》。减量化、再利用和资源化，是今后行业、企业进步，推进产业升级的主要方向。2009年2月全日全国人大通过《中华人民共和国食品安全法》，2009年6月12日该法开始颁布实施。国家己经将食品安全放在保护民生的重要地位。在食品安全的整个环节中，食品、饮料的包装是现代食品生产工业的最后一环，通过对食品、饮料包装方式、包装材料创新等方面的研发，可以有效地提高食品的安全，保障国民的饮食安全。因此，食品包装安全己经成为保证食品安全不可分割的重要组成部分，通过对包装方式、包装材料的创新，进而提高食品安全是食品包装行业在科技研发领域的重点任务之一。

覆膜铁的生产无大量溶剂废气排出，干法成型的生产技术工艺，从而省略了涂装烤干工艺，确立了环保的生产系统。此外，覆膜铁通常使用无锡钢板(带)如镀铬铁，与马口铁相比大量节约了锡资源的消耗，杜绝了锡这种不可再生资源的浪费。因此覆膜铁项目对于食品饮料包装工业来说，其实施的价值在于可以从根本上解决现有涂料铁生产造成得大量废气废水污染排放和稀缺锡资源消耗的问题，其节能、环保和安全的内在品质契合了“绿色包装”的核心要素。

在金属包装产业中，食品、饮料包装占了绝大部分市场，我们成功将覆膜铁材料应用于两片浅冲食品罐包装以及食品罐底盖，为覆膜铁的广泛应用、市场推广提供了坚实的基础。关于授权专利情况，在知识产权方面，截止2014年12月份，覆膜铁开发及应用项目己有17项专利己授权，其中12项发明，4项实用新型，1项外观设计；另有4项发明专利处于申请中以及1项发明专利己授权未领证。
覆膜铁材料的开发的关键技术主要有以下四点：

一、高分子薄膜

覆膜铁用的高分子薄膜有两种选择，聚酯（PET）或者聚丙烯（PP），这两种聚合物都是结晶性聚合物，适度的结晶有助于材料阻隔性、耐蚀力的提高，但是结晶过高会导致薄膜的耐加工能力下降，因此，覆膜铁制造以及应用过程中，薄膜结晶度的控制非常重要。而控制薄膜的结晶度，一方面可以从工艺入手，但更为重要的，是从改变高分子树脂原料的本体性能入手。例如日本目前所采用的聚酯原料均经过了特殊的化学改性。

针对以上的问题，我们对覆膜铁专用薄膜的配方进行了全新的设计，通过新配方的设计和薄膜层结构的调整，成功的解决了以上存在的多种缺陷。详细技术方案如下:

1、间酸改性聚酯树脂

普通的BOPET薄膜结晶速率较快，不利于覆膜、印刷以及成品的杀菌等后续工艺的实现，且薄膜熔点很高（255℃左右），使薄膜熔融需要很高的热量，耗能厉害。针对该情况，我们专用聚酯薄膜的树脂切片是在聚合过程中引入了间苯二甲酸，得到间酸改性聚酯树脂。间苯二甲酸的引入可降低聚酯材料的熔点，提高聚酯材料与金属基板的粘结性。薄膜在生产过程中，贴合层采用单纯的改性树脂或采用普通切片与改性树脂共混的方式，保证薄膜与金属基板的贴合性与耐蒸煮性。

2、高阻隔性共挤薄膜

覆膜铁制成食品罐或盖，井罐装阻隔要求高(例如高酸、高盐的内容物)或者灭菌条件苛刻的食品时（例如八宝通常的灭菌条件为127℃蒸煮30min），覆膜铁表面的常规PET膜的阻隔性通常满足不了罐装要求，食品罐在灭菌或者长时间货架存放时，可能会出现薄膜耐食品腐蚀不好的情况造成罐内破膜，引起生锈变质。针对该情况，我们通过改进配方及膜层结构设计，发明出一种高阻隔性共挤薄膜，共挤膜的外层为阻隔层与食品接触，该层结构具有比PET更高的熔点、刚性及阻隔性，确保了覆膜铁表面的硬度及高阻隔性；共挤膜的内层仍为常规PET或间酸改性的PET，保证了与金属板热贴合时在一个较低的温度下进行，同时保证了与金属板的较高粘附性。

3、低表面能薄膜

当覆膜铁制罐并罐装午餐肉或番茄酱等食品时，因食品与罐壁的高粘附性，消费者通常难以直接将食物倾倒出罐，为提高消费体验，我们设计了低表面能薄膜，结构为面层为普通聚酯树脂+硅酮母粒，里层为间酸改性聚酯树脂+普通聚酯树脂+添加剂。

4、改性PP材料

对于聚丙烯（PP），由于其本身是一种非极性材料，与金属基板(极性表面)的附着力差，因此，必须对PP材料进行特殊的化学改性，以提高薄膜与金属基板的附着牢度。

二、金属基板

钢铁是一个传统而相对成熟的产业，其各方面的性能研究和开发相对较为充分，我们从满足食品罐的加工成型性能及其对覆膜工艺性能影响两个维度对金属基板开展了研究，研究结果主要有以下几点:

1、显微组织

表征镀铬板的显微组织指标主要为晶粒度和夹杂物，其直接影响基板的n值。研究结果表明晶粒度应控制在晶粒度约9～12级，即晶粒尺寸为8～15um。

2、机械性能

调质度是评价镀铬板材料强度最基本的特性值。用于浅冲DRD罐用的镀铬板主要采用DR材，其调质度通常为DR8～DR9.5之间，以DR8居多。而SR材的调质度以T3～T5为主。其中调质度的高低主要跟所生产的覆膜铁罐的径高比有关，径高比值越小，其调质度越低。而用于底盖及浅冲DRD罐覆膜镀铬板的延伸率一般在2%～5%之间。用于深冲罐的镀铬板延伸率一般大于20%。塑性应变比r值、Δr值：研究证实，r值高低取决于薄板的织构，｛111｝织构愈强，｛100｝织构愈弱，则r值愈高。板材具有｛111｝织构时成形过程中抗厚度减薄能力强，所以冲压性能好。改善Δr值的主要手段是通过优化控制成分、热轧温度、冷轧变形量、退火温度和速度等关键工艺参数来达到，使Δr绝对值趋于0.1时的凸耳效应最少。

3、镀铬板表面状态

镀铬板表面状态是影响覆膜效果和覆膜铁4性能最重要的性能指标。一般主要表征参量包装表层镀铬总量及表面粗糙度两个指标。镀铬板镀铬层主要由金属铬层和铬水合氧化物层组成。其中铬水氧化层的镀量增加时，表面凸凹会有变化，实验结果表明水合氧化铬量在5～20mg/m2显示良好的润湿密封性，20mg/m2以上的样品润湿密封性变差，其原因不是水合氧化铬过厚的原因，而是表面形貌发生了变化，表面呈现出不规则的凸凹。由于覆膜铁后续罐体加工成型过程中会有深冲拉拔等过程，根据不同功能罐子所采用的工艺不同，对金属铬层的要求不同。研究结果表明，金属铬层的镀量在80mg/m2以上将有利于确保良好的覆膜效果。

三、覆膜铁应用工艺

覆膜的工艺会很大程度的影响覆膜铁最终的性能，比如抗腐蚀、耐加工能力等等。因此，针对不同的产品，可能会采取不同的覆膜工艺，需要精确调整覆膜的温度、速度、压力以及三者之间的互相配合。在覆膜铁应用中，关键技术有如下三点:

1、覆膜铁平板预变形印刷技术

材料的各向异性导致在拉深过程中变形不均匀，彩印后变形图案与设计图案差异。基板经过轧制后产生形变织构，材料在不同方向的力学性能产生差异。平板在拉深过程中，各方向变形程度不一致，容易产生凸耳。DRD罐越靠近修边部位，变形量越大，差异越明显。因此需要在图案变形设计时就考虑成型后的变形不均匀问题，或者采用低制耳率材料，减少材料变形不均匀对产品外观的影响。

2、彩印覆膜铁食品罐制罐工艺

由于印铁过程中，高分子薄膜材料的二次结晶，在冲压成型过程中，内外模具会在覆膜上产生白色压痕，如何消除白痕，制造出客户满意的产品，需要对制罐工艺进进评估、优化。

四、覆膜设备

为了满足覆膜铁前期试验需求，我们设计并搭建了一条覆膜铁试验机组，试验机组钢带运行速度为60m/min，板带宽度550mm，兼具试验和小规模生产的功能，生产出覆膜铁样品8吨，并通过各项检测，现己成功制备出覆膜铁罐及盖的样品。

覆膜铁试验机组不能满足大规模的生产需求，存在压力可调不可控，温度浮动较大等弊端。但是前期进行材料开发与客户样品试制的覆膜铁材料全部为试验线制备，能满足材料开发和客户试样的要求，试验线的成功引进为覆膜铁项目的顺利进行提供了有效的保障，做出了不可磨灭的贡献。考虑到公司产能的扩大，覆膜铁试验机组不能满足高速生产的需求，故展开覆膜铁中试机组项目，设计并成功搭建一条覆膜基板最大幅宽为1050m，速度为100m/min，产能约5万吨/年的覆膜铁生产线。

结论：

覆膜铁开发的顺利完成突破多年来国外技术封锁，并全面提高资源利用效率，实现金属包装行业的可持续发展，同时为中国金属包装行业未来的产品差异化和迈向国际市场创造了更优越的条件和有效的材料保障。

覆膜铁浅冲食品罐的成功将促进内容物食品安全的前提下实现国内金属包装行业向“资源节约、环境友好”方向发展，全面提升国内金属包装产业水平，填补了国内覆膜铁产品的空白。覆膜铁是继马口铁的广泛应用之后，更加环保和安全的一种新型金属包提材料。同时，我国金属包装行业的迅猛发展，传统金属包装材料——马口铁的用量以每年10万吨的速度高速递增，但由于覆膜铁相比传统涂料铁在成本、性能、节能、环保、食品安全上的巨大优势，因此应用覆膜铁替代马口铁成为今后国内金属包装的主要材料，是国内金属包装行业的发展趋势。