包裝設計制造技術及標準應用大全

第三篇 包裝材料及容器

第六章　金屬包裝材料的性能

第三節　包裝用金屬材料

　　二、鍍錫薄鋼板

　　（三）鍍錫板的性能

　　1．機械性能

　　鍍錫板的機械性能是指鍍錫原板即鋼基板的機械性能。它主要由鋼基板的化學成分、軋制工藝和退火工藝來決定。

　　為滿足工藝性能和使用性能的要求，鍍錫板要有良好的綜合機械性能。早期在鍍錫板生產、使用行業中就采用調質度來描述鍍錫原板的綜合機械性能，這跟鋼的熱處理中淬火加高溫回火的“調質”完全是兩回事。根據多年實踐，發現表面洛氏硬度HR30試驗方法能為鍍錫板的綜合機械性能提供最有效的參考數據，于是逐步形成了用HR30T試驗值來表示調質度的類別。詳見表3－6－6。但是應該注意，用表面洛氏硬度值HR30T來表示鍍錫板的調質度是指基本相同的生產方法而得到的鍍錫板而言，在這樣的前提下，HR30T值才能有效地代表鍍錫板的綜合機械性能。生產方法不同，即使產品的HR30T值相同，但機械性能、成型性能也并不相同。如表3－6－6中箱式退火的T—5與連續退火的T—5—CA，兩者的HR30T值相同，但抗拉強度卻不相同。說明表面硬度值與調質度之間是有區別的。

表3－6－6　　一次冷軋鍍錫板調質度—覽表

生產方法	ISO國際標準		美國AISI標準		日本JIS標準		抗拉強度（kPa）	成形性能	用途特點
	類別	HR30T	類別	HR30T	類別	HR30T
箱式退火	T50	≤52	T1	≤52	T－1	49±3	330	軟，塑性很好，適于拉深或多次拉深深度大、形狀復雜之容器	較深的二片罐不變薄拉深罐罐身
	T52	52±4	T2	50～60	T－2	53±3	350	拉深性能中等，稍有剛性	蓋子、圓環、螺旋蓋一次拉深罐（如魚罐）
	-	-	-	-	T－2-1／2	55±3	-	一般用途	-
	T57	57＋4/－3	T3	54～60	T～3	57±3	370	一般用途，只能用于淺的拉深	三片罐罐身，罐頭底蓋，大直徑瓶蓋，王冠蓋
	T61	61±4	T4	58～64	T－4	61±3	415	一般用途，剛性稍高	剛性好的三片罐罐身、罐底、蓋、較大容器
	T65	65＋3/－4	T5	62～68	T—5	65±3	450	剛性高，能抗壓塌	剛性好的三片罐罐身、罐底蓋
	T70	70＋3/－4	T6	67～73	T—6	70±3	530	剛性很強	啤酒或充氣飲料罐罐底蓋
連續退火	CA61	61±4	T．4CA	58～64	T－4－CA	61±3	410	拉深性能中等，綜合性能好	瓶蓋、三片罐罐身和罐底、蓋
	CA65	65＋5/－4	T．5CA	62～68	T－5－CA	65±3	425	一般用途	三片罐罐身、罐底、蓋
	CA70	70＋3/－4	T．6CA	67～73	T－6－CA	70±3	530	剛性很高	啤酒或充氣飲料罐罐底、蓋

　　注：表中類別是指調質度類別。

　　在成型加工中還要考慮用鍍錫板制成的成品的形狀穩定性。因鍍錫板在經過了制罐或其它成型加工后，若卸除加工載荷，由于彈性回復作用，其形狀和有載荷時不完全相同，因此在確定成型加工條件時要預先考慮回彈問題，如生產對成品形狀的精確度要求嚴格的容器，要預先測定鍍錫板的回彈性能，再采用連續退火鍍錫板，用回彈比較小的成型方法。

　　另外，鍍錫原板經冷軋可使晶粒沿軋制方向伸長，出現纖維組織，其機械性能在軋制方向和垂直方向有較大差別。如進行深沖加工成型時，翻邊部位的變形能力與軋制方向所成角度不同而異，因此成型后容器側壁的高度不同，產生所謂制耳現象。這使生產中需要增加一道切除耳邊的工序，而且浪費了原料。為防止這種現象產生，主要得從鍍錫板生產中熱軋和冷軋條件及退火工藝等綜合考慮。

　　2．耐蝕性

　　耐腐蝕性是鍍錫板最重要的性能。鍍錫板大量用于制作食品罐頭容器，如水果罐、乳粉罐、午餐肉罐或麥乳精罐等，由于盛裝的食品種類繁多，其腐蝕也有不同特點，因此要求鍍錫板具有適應于內裝物特點的耐蝕性。鍍錫板由五層構成，每一層質量對鍍錫板的耐蝕性都起著重要作用。

　　（1）鍍錫原板。決定鍍錫板耐蝕性最重要的因素是鍍錫層及其表面處理條件。但鍍錫原板所具有的性能也很重要。主要是原板的化學成分和原板表面純凈程度影響鍍錫原板耐蝕性。原板化學成分影響視用途而異，一般要求硫、磷、銅含量越少越好，但也有特殊情況，如對可口可樂類含CO2的飲料，硫含量高些反而對原板的耐蝕性有好處；對桔子之類含檸檬酸的食品，銅含量多些對耐蝕性也有利。

　　鍍錫原板表面在退火時，保護性氣體中的水分、氧氣等使原板表面氧化，在晶界上存在非金屬夾雜氧化物，這種非金屬夾雜如在鍍錫層的孔隙處暴露，其周圍的錫腐蝕速度就比孔隙處露鐵的情況快得多。隨著錫層腐蝕，在夾雜物周圍的鋼叢腐蝕速度也增快，所以要求鍍錫原板的表面非常純凈。評價鍍錫原板耐腐蝕的方法是測定其酸浸時滯值（Picklelag）。所謂酸浸時滯值是指將鍍錫原板浸入鹽酸中進行酸洗，從浸入溶液之時起到酸洗速度達到恒定不變時所需的滯后時間。表面完全純凈的原板浸于鹽酸中，就會和酸起反應置換出氫氣，氫氣析出的速度自始至終都是一樣。如果原板表面有雜質，開始氫的析出速度小，繼之逐漸增大，最后達到一固定位，所含雜質越多，達到這一固定值的時間越長，這種時間上的滯后現象稱酸浸時滯現象，達到這一固定值所需的時間稱酸浸時滯值。該值越小，鍍錫原板的耐蝕性越好，罐頭保藏期也長。酸浸時滯值大的鍍錫板裝酸性食品易產生氫脹罐。高耐蝕性鍍錫板的酸浸時滯值要求≤10s。

　　（2）錫層。鍍錫板要求鍍錫層必須完全覆蓋鋼基的表面，但實際上鍍錫層存在著許多孔隙，在孔隙處的鋼基暴露出來稱露鐵點。一般用每平方分米上孔隙數或孔隙面積來表示孔隙度。在一般情況下，鍍錫層厚時孔隙度小，反之，則孔隙度大。但孔隙度對鍍錫板耐蝕性的影響又有多大呢？若將有孔隙的鍍錫板放入酸性水果罐頭之類的腐蝕性溶液中，孔隙處露出的鐵與周圍的錫形成局部電池，由于存在電位差，產生腐蝕電流。按金屬的標準電極電位，錫比鐵電位正。但在酸性水果罐頭之類溶液中錫的電位發生逆轉，錫電位比鐵更負成陽極而溶解。由于溶液保護鋼基，所以孔隙度對鍍錫板耐蝕性影響不很明顯。測定孔隙度主要是用來觀察錫層的連續性，以了解制罐時錫層損傷情況，以便及時改進模具光潔度和改進操作。

　　在生產實踐中發現酸浸時滯值和鍍錫最相同的鍍錫板，其耐蝕性不一樣，這說明除酸浸時滯值外，鋼基表面還有其它特性對耐蝕性產生影響。由于鍍錫板上存在孔隙，錫層對鋼基提供的化學保護并不完善，鋼基表面仍然存在著某種局部電池的作用，可以用鋼基腐蝕量反映鋼基的表面性質，于是采用一種檢驗鍍錫原板表面和鍍錫層的耐蝕性的鐵溶出試驗（lronsolutiontest），這是測定錫抑制鋼基表面局部電池有效程度的一種快速方法。在測定孔隙度的基礎上，模擬酸性水果罐頭內部反應條件下，使錫對鋼基略呈陽極時測定。把一定面積的鍍錫板在酸液中保持一定溫度和時間溶出鐵的數量稱鐵溶出值。該值越小，表示鍍錫板耐蝕性越好，一般要求鐵溶出值≤20μg／20cm2。

　　錫的純度對鍍錫板的耐蝕性有影響，一般要求錫的純度為99．80％以上。錫小如混進其它金屬性的元素，當電極電位與錫不同時將促進錫的腐蝕。

　　生產實踐中發現錫層晶粒度小的鍍錫板，罐裝某些酸性水果時而發生大量提前報廢現象，影響錫層晶粒度最大原因是軟熔工藝，調整軟熔工藝條件可得到不同晶粒度的鍍錫板。一般晶粒度大，鍍錫板耐蝕性好。錫層品粒度是評定鍍錫板耐蝕性的指標之一。錫層在氯化鐵和硫化鈉混合液中浸5—15s，晶粒很快顯示出來。錫層晶粒度按有色金屬晶粒度等級評定，晶粒度越大，實際晶粒越小。一般要求＜9級。

　　（3）錫鐵合金層。在鍍錫板的錫層和鋼基板分界面上有一層錫鐵合金層（FeSn2），是鍍錫板在軟熔操作時形成的。在錫層不連續部分暴露出來的不一定是鋼基表面，而大多數情況下是這種錫鐵合金層。只有錫層孔隙正好和合金層不連續部分相重合時才露鐵。合金層在酸性水果罐頭等介質中電位比鐵正，當孔隙處暴露是合金層時，錫和合金層偶合，錫陽極很容易極化，錫以同其間流過的電流相對應的腐蝕速度而溶解；如孔隙處合金層不連續，鋼基體暴露較多，與錫陽極偶合的那個電極極化程度減小，錫溶解速度加快。在酸性水果罐頭貯存過程中，罐內壁孔隙處，存在著Sn－FeSn2和Sn－Fe腐蝕電池。這種電池越多，腐蝕電流越大，腐蝕速度越快。采用浸在果汁中的純錫（陽極）和脫錫到露出合金層的鍍錫板試樣（陰極）連接成電偶，測其間流過的電流值稱ATC（alloy－tincouple）值。此值能判斷鍍錫板合金層的連續性和經合金層孔隙外露鋼基表面的性質。大量試驗看出，ATC值越低，鍍錫板對酸性食品的耐蝕性越好，罐頭保存期長。可見合金層的質量對鍍錫板的耐蝕性起重要作用。對鍍錫原板研究得知，其表面上雜質如氧化物等的含量對生成連續性好的合金層影響很大，欲得合金層連續性好致密度高的鍍錫板，須加強鍍錫前的清洗和調整軟熔處理工藝。近年來生產工藝的不斷改進，導致了高耐蝕性K型鍍錫板的發展，其ATC值要求不大于0．05μg／cm2。

　　（4）氧化膜。鍍錫板表面上的氧化膜打兩種。一種是錫層本身氧化生成的氧化膜（SnO2和SnO）；另一種鍍錫板生產過程中表面處理生成的鈍化膜。錫氧化生成的SnO2很穩定，它的存在對耐蝕性不利，所以氧化膜對耐蝕性的影響決定于SnO2和SnO的性質和數量。最有代表性的是經鉻酸鹽處理生成的鈍化膜，由試驗結果看出其中鉻含量越高，耐蝕性越好。但這種鈍化膜當pH在5以下的酸性水果罐頭介質中易脫落，如再進行陰極處理，能使易脫落的鈍化膜牢固附著在鍍錫板上。

　　（5）油層。油層本身很薄，但它使鍍錫板表面和腐蝕環境直接隔絕，可防止錫層被空氣氧化變黃，也可防止空氣小水分使鍍錫板生銹。油層厚些對防蝕有利，但損害涂料的涂飾性及其它表面性能，故要綜合考慮。一般采用棉籽油或癸二酸二酯。

　　3．表面性能

　　由鍍錫板表面狀態所決定的性能有涂飾性、涂膜附著性、錫焊性等。

　　為了防止鍍錫板的外表面發生腐蝕、生銹或變色，同時從節約錫和裝飾目的考慮可用各種涂料對鍍錫板進行涂飾和印刷。在用涂料涂飾時，鍍錫板表面對涂料的排斥現象稱“反潤濕”，這種反潤濕缺陷面積很小時，稱為孔眼。影響涂飾性的因素有涂料的附著性、涂飾條件及鍍錫板的表面狀態。僅鍍錫板方面對涂飾影響的因素是其表面涂油的數量、所涂油的種類及鈍化處理方法。

　　鍍錫板同涂油之間的粘合性稱鍍錫板的涂膜附著性。為獲得良好的附著性，涂膜本身的凝集力也必須很高，而此涂料的選擇，鍍錫板表面的光潔度，錫氧化膜的狀態和數量都是影響因素。

　　鍍錫板被大量用于制造罐頭容器，就是利用它有容易進行錫焊的特性。制造三片錫焊罐時，焊料必須良好地滲透到罐身接縫部分或要焊的部分，而且必須有牢固的接合力，即錫焊強度。

　　（四）涂料鍍錫板

　　涂料鍍錫板又稱涂料鐵。在罐頭生產中如用電鍍錫板罐，有時會遇到各種問題，如含硫蛋白質食品象肉類、水產等，在熱力殺菌過程中，蛋白質分解產生硫化氫，使罐壁生成硫化斑或硫化氫與罐壁機械傷處露鐵生成硫化鐵脫落污染食品；高酸性食品裝罐后容易出現氫脹和穿孔現象；有色水果因罐內壁溶出的二價錫離子作用下產生褪色現象；有的食品還會出現金屬味，因此要在罐內壁涂上一層涂料，使內裝食品和鍍錫板隔開，以減少它們之間的反應，從而保證食品質量和延長罐頭的保存期。由于罐內壁涂料直接和食品接觸，因此要求涂料無毒、無臭、無味、不影響食品的風味和色澤，涂膜致密，基本上無孔隙，具有良好的抗腐蝕性能；涂膜附著性能好，并在制罐過程中能經受沖擊、折疊、彎曲等加工而不損壞，不脫落；涂膜經受殺菌和焊錫高溫而不致燙焦變色或脫落，并無有害物質溶出。此外，還要求涂料使用方便，涂布均勻，迅速干燥，并具有一定色澤，制罐時易區別正反面。

　　目前沒有一種通用涂料能滿足各種內裝物特性的要求，各種涂料有其特性和適用性。國外涂料種類較多，可根據內裝物特性要求選擇。國內目前罐頭內壁涂料主要有＃214抗硫抗酸涂料、脫模涂料、耐深沖涂料、啤酒飲料專用涂料、＃2126補深涂料。罐頭外壁和周圍大氣中潮濕空氣接觸極易生銹。為防止銹蝕，在罐外涂印涂料稱之外印鐵涂料，可把商標印刷在罐頭外壁上，既可防銹又能美化和宣傳商品。鍍錫板制作三片罐時一般先涂印成涂料鐵后再制罐。如果罐內壁和外壁都要施涂涂料時，多數先涂內壁再涂外壁，因內壁涂料烘烤溫度高于外壁涂料的烘烤溫度。罐外壁彩色印刷要先涂上底漆，再用彩色油墨印刷，最后涂上罩光漆增加光彩。對罐外涂料和彩印油墨要求耐高溫，保證罐頭經高溫殺菌后仍保持色彩鮮艷；涂料和油墨的干燥性能良好；具有良好的附著力和印刷性能；價格便宜，并且穩定性好，耐藏。常用的幾種罐外彩印涂料有醇酸樹脂涂料、丙烯酸樹脂涂料、氨基樹脂涂料和環氧樹脂涂料等。

　　隨著低鍍錫板、無錫鋼板和黑鐵皮的使用，每年有大量的制罐用鋼板需要涂涂料，由于常用的有機涂料含有大量的溶劑（約70％），在涂料固化過程中大量有機溶劑蒸發污染環境，因此應采用水溶性涂料。當涂料采用加熱固化方法時（還有其它的固化方法），考慮節省能源，如何縮短固化時間仍是當前研究的重要內容。如紫外線干燥法，可在室溫下數秒鐘內干燥平板上的涂料和油墨；紅外線加熱法，可在20～30s內固化有機涂料；電感應固化法，可在379℃條件下5s鐘內固化涂料等。

　　（五）鍍錫板的發展方向

　　罐頭容器、18L罐和一般雜罐的原材料中，鍍錫板的消耗量最大，目前錫資源短缺，國際市場價格提高，為降低制罐成本和節約用錫，對罐頭食品容器所用的原材料作了許多研制工作。

　　在鍍錫工藝上采取的措施之一是以低鍍錫量代替高鍍錫量；如以電鍍錫代替熱鍍錫，采用差厚鍍錫板；研制低錫鐵。低錫鐵是指鍍錫量為45．4g基箱（1．1g／m2）以下的鍍錫板，簡稱1TS，70年代后期由澳大利亞鋼鐵公司和日本東洋鋼鐵公司研究成功，并有產品供應。生產設備仍用電鍍錫板設備，但鍍錫工藝條件不同，鍍出錫層晶粒非常細密，不經軟熔，以防出現露鐵點而增大鐵溶出值和影響涂印附著力。錫層雖薄但有一定耐蝕能力，其耐蝕能力在相同條件下略優于無錫鋼板。低錫鐵的采用給食品和飲料生產提供了廣泛的原料。近20年來除減少鍍錫量外還研制各種無錫鋼板，即采用其它鍍層如鍍鉻、鍍鎳或鍍銅的鋼板，其中最成功和使用量最多的是鍍鉻板。由于錫價格昂貴，近年來黑鐵皮即一次或二次冷軋鋼板，經施涂料后制罐，開始用于裝干貨，現已成功地用于食品和飲料的包裝。采用黑鐵皮節省了用錫，但在生產二片沖壓罐時，失去了錫在拉深時的潤滑作用，因此要加特殊涂層和潤滑的裝置，代價可能較高。有的權威人士認為黑鐵皮肯定無法完全令人滿意，如開發新的表面處理方法即對黑鐵皮進行鉻酸鹽／磷酸鹽表面處理，加上潤滑涂料工藝的改進，可能會得到較好的效果。這方面尚需進行大量的商業性試驗。

　　措施之二是提高鋼基板的強度，以降低鍍錫板的厚度。如采用二次冷軋鍍錫板，開始用于充氣的碳酸飲料罐和啤酒罐，近些年來已轉向用于食品罐。過去多數采用光亮精整的鍍錫板制造罐身，現已逐漸采用石面精整鍍錫板，今后石面精整的二次冷軋鍍錫板將普遍用于食品罐的生產。