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浅谈覆膜铁的来世今生与未来(en)
Time:2017-06-23 9:48:23 Share:
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浅谈覆膜铁的来世今生与未来

说起覆膜铁,金属包装行业内的人都清楚,那是一种性能非常好的金属包装材料。日本早在二十多年前就发明了覆膜铁,到现在其市场上绝大多数金属罐都是覆膜罐了。可是,可是,现在覆膜铁在中国还十分不普及。这究竟是为什么?本文将以浅显的语言说明一下覆膜铁的发展历史以及它的技术到底是怎么回事。

一、覆膜铁的来历

说起覆膜铁,少不了要先提到马口铁。

早在十九世纪初,马口铁就开始应用于食品包装行业。在经历了200年的发展之后,这个行业已经非常成熟。所谓马口铁,就是在表面电镀一层金属锡的冷轧薄钢板。根据用途的不同,镀锡的厚度大约在0.5~2μm。全世界每年产锡量约25万吨,其中1/3用于马口铁表面电镀。锡是一种稀有的战略资源,为了减少锡的使用,人们一方面不断将锡的镀层减薄,另一方面也在积极寻找替代产品。镀铬铁就是其中的一种。说到铬,有人就害怕了,认为铬是很有害的物质。其实,这种认识是不全面的。有害的铬是六价铬,以离子形式表现为Cr2O72-,而电镀在冷轧薄板上的是金属铬,化学价态为0,这是完全安全的。

镀铬铁是一种无锡钢板(Tin free steel,简称TFS),是在冷轧薄钢板表面电镀一层金属铬。不同的是,铬的镀层厚度大约只有马口铁表面锡镀层的1%。因此,镀铬铁的生产成本低于马口铁(以0.2mm厚度的镀铬铁为例,每吨售价比相同规格马口铁低数百元)。相比而言,镀铬铁的历史比马口铁要短很多。

1953年,美国伯利恒钢厂建成第一条镀铬铁生产线。

1961年,日本东洋钢板公司建立了日本第一条镀铬铁生产线。

1989年,日本东洋钢板成功在镀铬铁两面各覆上一层聚酯薄膜,可用于生产食品、饮料罐,这种材料就是覆膜铁。目前,日本在覆膜铁生产技术方面处于全球领先水平,除东洋钢板之外,新日铁和JFE公司都有各自的覆膜铁生产线。现在,日本覆膜铁的实际产量达到了近百万吨,日本食品、饮料罐中绝大多数都是覆膜罐了。

1991年,欧洲覆膜铁投产,但到目前为止,欧洲的覆膜铁还主要是用于化工罐、气雾罐等,很少用于食品、饮料。

本世纪初,江苏一家公司用粘合法在低温下将塑料薄膜贴到镀铬铁上,其产品也称之为“覆膜铁”,但性能与国外覆膜铁相距甚远,只能用于茶叶罐、月饼盒等杂罐,不能用做食品罐、饮料罐。

因此,本文所说的“覆膜铁”专指用于食品、饮料的覆膜铁。按照日本的说法,覆膜铁是通过熔融法将塑料薄膜复合在冷轧薄钢板上的复合材料,是一种钢铁深加工产品。通过在冷轧薄钢板或镀铬铁正反两面覆盖多层聚脂复合薄膜,覆膜铁可以兼具塑料薄膜和金属板材的双重特性。和传统的金属包装材料马口铁相比,覆膜铁不但原材料本身不含有害物质,其后续生产过程也很环保,且生产成本比马口铁要低,因此,覆膜铁已经被广泛认为是马口铁在包装行业的最佳替代产品。

二、原材料及结构

接下来要说些技术问题了。覆膜铁,绝不是简单地胡乱找张膜往钢板上一贴就叫覆膜铁了。“覆膜铁”三个字各代表了一项核心技术。

覆,就是覆合装备、工艺;

膜,指可以与TFS良好结合的专用改性薄膜;

铁,最好是表面镀铬的冷轧薄板,含碳量应该是尽可能低些的好。

这一节就来说说覆膜铁的结构及原材料。

1、 覆膜铁结构

用于制罐的覆膜铁其结构有内壁和外壁之分,内外壁覆膜均有两层。内壁外层起到阻遏作用,内壁内层起到与镀铬铁黏合及防腐蚀的作用;外壁外层起到防划伤以及便于印刷等作用,外壁内层起到与镀铬铁黏合的作用。

 

2、 覆膜铁基材

覆膜铁往往使用多层聚酯复合薄膜(厚度约为12-25μm),它阻隔腐蚀介质渗透的能力接近于“完全阻遏”,因此覆膜铁基材理论上可直接使用冷轧薄钢基板,但直接在冷轧板上覆膜粘合力不牢,因此实际使用上,各国都是用镀铬铁作基材。由于TFS产品表面存在一层铬的水合氧化物膜,可与有机膜以氢键的形式结合在一起,其有机膜覆合的牢度极高。

 

TFS表面金属铬以及氧化铬的含量也有明确的要求。一般来说,铬的含量在50~150mg/㎡,而氧化铬的含量大致在5~15mg/㎡。具体指标根据薄膜配方的不同也有所不同。镀铬后的表面粗糙度也是有要求的,通常在Ra 03~0.5μm之间,太高或者太低覆膜效果都不是最好。

 

3、 覆膜铁专用高分子薄膜

对于覆膜铁来说,膜的研制是其核心技术。日本公司对于薄膜的保密工作做得简直是无比的严密,中国人只能全部靠自己的聪明才智了。

用于覆膜铁制造的高分子薄膜既需要具有热塑性贴合能力,又要与不同罐装内容物的理化性能兼容,以确保其对镀铬基板和内容物的良好阻遏;同时,在罐装各种内容物的货架期内须保持所包装食品的风味;此外,在食品高温蒸煮杀菌过程中不变色和脱落,以保持高的湿润密闭性,并在制罐成型过程中,能经受高温、高摩擦力和弯曲等复合力的作用,有些还要印刷,需要耐受高温烘烤,因此,薄膜必须具有良好的附着力。

理论上可用于与TFS复合的塑料薄膜有PPPETPCPE等,其中PET膜最为常见,综合性能最优。PET膜具有成型性、可杀菌性、硬度高、耐磨、经特殊处理可印刷等特性。

从颜色上覆膜铁用PET聚酯薄膜可以分为白色、透明膜、金色膜和镭射膜。从应用上可分为用于深冲的膜、一般化工罐膜和食品罐膜。从结构上来看,覆膜铁用PET聚酯薄膜为多层结构(一般为2~3层),需采用多层共挤的方式生产。其中,与TFS贴合的一层为改性PET,其熔点低于普通PET,在达到其熔点后能够与TFS迅速贴合。

日本也有采用镀锡的马口铁作为基材进行加工的做法。由于锡的熔点低,因此必须使用熔点更低的改性聚酯薄膜。

 

三、生产工艺

有了合格的原材料,如何加工好也十分关键。这就需要好的装备以及合适的工艺。

覆膜铁生产采用的是高温、高压、快速冷却复合工艺。

看到“高温”,很多人会想当然地认为so easy,不就是加个温嘛?加热方式多种多样。但是,但是,一个最最重要的问题是,怎么让钢板的温度不但在横向上均匀,而且在以100~200m/min的速度下,钢板在复合的时候温度都始终是均匀的。前几年,国内公司在开发覆膜铁生产线时,采用的加热方式五花八门,有的用烘箱加热,有的用煤气加热,有的用导热油辊筒加热,还有的用感应线圈直接加热。这些,都无法满足要求。实际上,日本公司都采用电磁感应加热辊作为钢板的加热源。只有这种方式,才能确保钢板的温度始终稳定、均匀,从而保证产品的一致性良好。

覆膜铁的生产线主要由镀铬铁开卷部分、焊接及铁表观质量检测、基板加热、覆膜单元、冷却单元、产品检测及涂油卷取等部分组成,其中最核心的部分为基板的加热单元和覆膜单元。通过电磁感应加热辊预热部分加热钢带至膜的熔点以上温度,用对称的两个压力胶辊的挤压进行基板与膜的热熔贴合。热贴后的钢带通过冷却装置进行快速冷却,以确保熔融后的高分子迅速重新结晶。

 

目前,全球主要覆膜铁生产线都是使用电磁感应加热辊对钢板进行预热。这种加热辊不但能TFS加热到250℃以上的温度,而且其温度均匀性也非常好(能控制在±1℃以内)。但只有加热辊的温度具有高均匀性是远远不够的,压膜辊的温度均匀性才是钢板与薄膜贴合一致性的关键所在。包覆在压膜辊表面的是硬质橡胶,在液压缸的作用下能够对钢板和薄膜形成很高的压力。为了保持胶辊表面的温度不至于太高,往往都设计有冷却辊对其进行冷却。但同时,由于橡胶的导热性极差,如果冷却辊的温度不够均匀,长期积累下来,也会造成胶辊表面的温度不均匀,从而影响到压膜的一致性。

总而言之,钢板与薄膜复合的关键在于以下几点:

1. 能够提供高温(250℃以上)且均匀性良好的加热源(±1℃以内)——现有成熟覆膜铁生产线均采用电磁感应加热辊生产厂家主要有日本Tokuden和上海联净两家公司。也有其他公司对外宣传有电磁感应加热辊,但要用到覆膜铁生产线上,还是谨慎为好

2. 胶辊的硬度及其一致性十分关键,这样,其形变一致性才会良好,确保钢板受力均匀。对于胶辊的具体包胶材质,以及硬度值,基本上属于各家公司的保密范围,新介入的公司还得花时间好好试验;

3. 为确保在生产初期的废品率尽可能降低,需要对胶辊均匀地加热,让胶辊表面一开始就达到生产所需的温度(约100~140,这个参数也大都保密的,不同的厂家、不同的薄膜在不同的速度下都有所差异);

4. 温度均匀性良好的冷却辊,表面温差小于±1℃,只有这样才能保证胶辊表面的温度均匀;

5. 洁净的工作环境,确保钢板与薄膜复合时不会夹带灰尘等杂物,提高产品合格率。

四、应用前景及现状

相比传统印铁工艺,覆膜铁在性能、材料成本、生产成本、环保和能源消耗等方面具备更多优势,其应用范围十分广泛:

1、 在食品金属罐方面的应用:食品罐、饮料罐、四旋盖、糖果罐、茶叶罐、易开盖等。

2、 在化工罐方面的应用:化工罐、油漆罐、涂料罐、二片气雾罐及各种顶底盖等。特别是留空覆膜加工技术,可适用于各种三片罐的制罐。

3、 在装饰罐方面的应用:便携烟灰盒、礼品盒、文具盒、首饰盒、烟盒、酒盒等等。

4、 其他行业的应用:建筑板材、墙壁、吊顶、防盗门、地板、遮阳棚等等。

尽管理论上可用的地方很多,可事实上,覆膜铁最大的优势还是应用在食品、饮料罐,尤其是两片罐上优势更加明显。日本也有很多覆膜铁三片罐,这主要是为了避开东洋制罐的TULC技术专利,不得已而为之。

目前,国内两片罐(钢和铝)的年消费量约为300亿只左右。以每年10%的增长率来计算,5年后国内两片罐的需求将达到500亿只,净增加200亿只。而随着绿色环保的要求越来越严格和资源日渐紧缺,可回收和循环再生的金属包装材料愈加为人们所青睐。因此可以预见,以绿色环保的覆膜铁制作两片罐的国内市场前景非常广阔。

早在2000年前后,中国包装联合会金属容器委员会就关注到日本覆膜铁的发展,并希望引进日本这项技术。但日本在这方面封锁严密,也无意向中国输出。宝钢曾经与日方进行了多年的谈判,最终没有结果,最后宝钢决定自行开发,并于20167月正式对外宣布生产线建成投产。目前,其产品仍未见到在食品、饮料方面的应用。

金属包装界巨头奥瑞金是国内在覆膜铁项目上投入最大的公司,2014年即已建成年产能5万吨的生产线。但由于关键装备不完善,其产品主要用于化工罐,不敢在食品罐上大规模推广。2016年,公司在覆膜铁项目上做出重大调整,多位核心管理和技术人员离开。现在,其覆膜铁项目在短时间内不会有大的突破。

上文提到的江苏一家公司在生产出粘合法覆膜铁后,也在尝试高温熔融法覆膜铁生产线的开发。由于缺少本文第三部分所提的多项关键技术,其高温熔融法覆膜铁生产线开发之路注定不会平坦。

另外,也有其他公司在尝试覆膜铁的开发,有的瞄准食品饮料罐,但尚有诸多问题没有解决,有的则把方向对准了建筑板材,与本文所述覆膜铁迥异。

从市场来看,目前还只有上海联净一家推出了大量用于食品行业的产品,这主要得益于其自主开发了高质核心装备,同时也在核心材料上取得了突破。现在,该公司的覆膜铁罐已经大规模应用在水果罐头、鱼肉类罐头、调味品、营养餐、茶叶、休闲食品等方面。据称,采用该公司覆膜铁生产的瓶罐也已经开发成功,2018年即可在饮料市场投放。

 

现在,国家也在积极制订各项政策支持覆膜铁产业的发展,有些已在前两年陆续出台。20174月,国家标准委与中国包装联合会金属容器委员会一起召集业内专家在乌镇召开了专题会议,商议制订覆膜铁国家标准事宜。从这些现象来看,中国的覆膜铁产业在经过了十多年的酝酿之后,必将很快迎来快速发展的春天。

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