金屬包裝材料的性能特點與生態化設計

金屬材料是人類發現和使用最早的傳統材料之一，在我國和一些發展中國家，金屬材料至今仍然占據著材料工業的主導地位。金屬材料是四大包裝材料之一，其種類主要有鋼材、鋁材、成型材料是薄板和金屬箔。隨著現代金屬容器成型技術和金屬鍍層技術的發展，綠色金屬包裝材料的開發應用已經成為發展趨勢。

一、金屬包裝材料的性能特點及應用

金屬材料在包裝材料中雖然用量不大，但由于其有極優良的綜合性能，且資源豐富，所以金屬在包裝領域仍然保持著極強的生命力。特別是在復合包裝材料領域找到了用武之地，成為復合材料中主要的阻隔材料層，如以鋁箔為基材的復合材料和鍍金屬復合薄膜的成功應用就是很好的證明。總的來說，金屬包裝材料具有以下特點：

1、金屬材料延展性好，加工方便，容易成型，成型效果好。加工工藝成熟，能連續化、自動化生產等特點。如板材可以進行沖壓、軋制、拉伸、焊接制成形狀大小不同的包裝容器；箔材可與塑料、紙等進行復合；金屬鋁、金、銀、鉻、鈦等還可鍍在塑料膜和紙張上。

2、金屬材料具有優良的綜合防護性能和阻隔性能。金屬強度高，機械性能優良，對光、氣、水的阻隔性好，防潮性、保香性、耐熱性、耐寒性、耐油脂等性能大大超過了塑料、紙等其它類型的包裝材料，可長期有效地保護內裝物，適合包裝的多種要求。

3、金屬材料具有良好的裝潢性能。金屬材料表面光滑光亮，易于印刷，具有良好的裝潢性能，可以提高包裝物體的美感和檔次。另外，各種金屬箔和鍍金屬薄膜是非常理想的商標材料。

4、金屬材料易于回收和再生利用，且利于輕量化設計。金屬包裝材料來源豐富，易于在包裝上推廣輕量化設計，從而節省材料，提高效益。

5、金屬包裝材料雖然有以上特點，但也有不足之處。主要是化學穩定性差，耐蝕性不如塑料和玻璃，尤其是鋼制包裝材料容易腐蝕。因此，金屬包裝材料多需表面再覆蓋一層防腐蝕性物質，以防止來自外界和被包裝物的有害物質對商品的污染。

6、金屬包裝材料的應用。目前金屬包裝材料中的成型材料主要是薄板和鋁箔。前者屬剛性材料，如運輸包裝用鋼材、鍍錫薄鋼板、鍍鉻薄鋼板、鍍鋅薄鋼板，一般是直接制桶、制罐；后者為柔性材料，如鋁箔和鍍鋁薄膜等，一般采取真空蒸鍍的方法在其他材料上鍍上一層金屬膜，以提高包裝的阻隔防護功能。金屬包裝多用于運輸包裝的大容器、罐、桶、集裝箱，如工業產品包裝容器，食品中的半成品粉粒、乳制品、油脂類及化工原料中的液體及固體狀物質的包裝等；在銷售包裝中主要適用于食品、飲料、油劑和一些化妝品中噴霧劑的包裝，如飲料中的易拉罐、食品及日用品中的罐頭筒、鋁筒袋、金屬淺盤、金屬軟管、金屬封閉容器以及瓶蓋、襯袋材料等。

二、金屬包裝材料的環境性能評價

金屬包裝材料是一種優秀的可循環再生材料，其易于回收性和優秀的再生性使金屬成為一種環境負載低的綠色包裝材料。如金屬包裝的廢棄物可經翻修整理，回收復用，或經回收后回爐重熔鑄造，軋制成新的鋁材或鋼材。因此只要建立了有效的回收系統，其廢棄物是不會對環境造成污染的。而這些優勢源于金屬本身的幾點特殊性質。

1、金屬的可復用性。金屬具有較高的物理性能和穩定性，使用過程中損失小，包裝的防護性能幾乎不受影響，因此可多次回收，重復使用。

2、金屬的重熔性。金屬材料，上金屬原子構成，即使加熱、熔融、變形，金屬也成原子態，質量也不會改變，即廢金屬具有可重熔性。廢金屬的物理機械特性與金屬基本相同或相近，可以物理形態的變化，重現使用價值。從理論上說廢金屬可以無限次循環，這是其它資源不可比擬的。

3、金屬的可變性。金屬材料在實際應用中經過各種制造過程不僅是原形加工，而且還是提高金屬性能的加工。對循環再生性來說，各種加工可公成兩類：不損害循環再生性的加工過程，如熔融、凝固、熱處理；損害循環再生性的加工，如合金化、復合化等。

4、金屬的結合能。從氧化物、硫化的等礦石中分離提取后的金屬結合能低，即金屬再熔融能與金屬提取能比特別低，從這個意義上講，再次利用的金屬被稱為“載能資源”，同時這個特點無疑有利于回收再利用。

5、資源的綜合利用效益好。與其它再生資源相比，金屬再生資源的生成量大，對節省資源，減輕環境污染，降低建設資金投入，提高經濟效益都具有明顯的優勢。

因此，就金屬材料本身屬性來說，是一種具有永續再生性的高性能包裝材料，金屬包裝的使用對環境的負荷是相當低的。當前，由于鋁箔容易回收，用鋁箔和鍍鋁薄膜代替塑料和紙已經成為婁前阻隔性軟包裝（如食品包裝）的一個較好的發展方向。

三、金屬包裝材料的生態設計

然而，金屬包裝從生命周期全過程，即采礦、冶煉、軋制鋼（鋁）板到制作包裝、使用、廢棄的整個過程來看，對資源及能源的消耗均很大，對環境尤其是大氣會造成污染。因此，必須大力推行清潔生產，改進落后的生產工藝，推行科學的生產管理，使金屬材料生產對人體及環境的傷害及污染減至最小。

金屬包裝生態化設計是在設計階段就從包裝材料的環境協調性和降低環境負載出發，對材料資源（資源容量）、材料成分、工藝、結構和性能、循環使用、生態平衡（環境容量）等諸環節綜合考慮，使材料的生產有利于降低環境負載，有利于廢棄物循環再生，不僅后期處理難度小，而且效益高。當前的金屬 包裝材料生態設計的方向是追求功能性、安全性、經濟性和低環境負載性。金屬包裝材料節省資源、能源，降低環境負載最經濟的途徑是材料可循環再生性和包裝輕量化。所以目前研究的重點是看循環金屬成分和組織設計、包裝專用化選材設計、包裝容器輕量化和結構合理化設計以及生產清潔化設計等。

1、可循環再生金屬成分和組織設計。金屬萬分的可循環再生設計的要求是不使用循環再生過程中難以除去的元素；盡可能不使用枯竭性元素；不使用有毒元素；不采用在循環再生過程難以分離的生產方法等。

金屬材料為了滿足高性能化，通過添加合金元素和控制結晶等微觀組織來實現，但金屬作用廢棄后重熔回收，一般很難除去合金元素和雜質，也就降低了可循環再生性。循環再生設計目前采用的手段是金屬高純度化和合金添加易除去元素以及雜質無害化。金屬材料可循環再生的理想狀態是高純度和“組成單一化”，但考慮到材料的實用性以及經濟性，一般要求合金添加元素最少化，可循環再生基本合金體系要盡可能 與純金屬組成相近，合金添加易除去元素是要求添加的第二元素不妨礙再生的種類和容許量，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。“組成單一化”是指如果采用復合材料強韌化的方法加強材料性能，也應采用成分單一的復合材料，以使循環使用時工藝更簡單，從而減輕在循環過程的環境負擔。

金屬材料可循環再生設計過程采用的手段除了合金成分設計外，還有控制金屬組織、優化顯微結構等方法。具體途徑首先是采用可循環再生合金方法。它是通過控制金屬組織復相化，即通過控制壓延、熱處理和兩相析出熱處理等技術得到平衡兩種性能的軟質相和硬 質相復合組織，成為金屬由于不加入妨礙再生的元素，電爐重熔就可以，不用返回到熔爐循環再生。除金屬相變強化外，結晶微細化強化、加工強化等都是保障材料性能、使材料可以循環再生的重要手段。

2、金屬包裝專用化選材設計。包裝專用化選材設計主要使針對包裝用鋼鐵材料的。由于在國內使用的馬口鐵大多沒有用途的區分，因而制造鋼桶等容器時經常出現質量不穩定的問題，金屬包裝產品的質量問題、廢次品問題在很大程度上都與標有關。目前歐洲已經研制開發出包裝專用馬口鐵并投入市場，使應用范圍更加明確和專一，針對性強，大大促進了金屬包裝質量的穩定和金屬材料在整個社會用途中的合理配置。

歐美等發達國家不僅開發專用馬口鐵，而且對鋼桶包裝原材料鋼板也為企業量身定制，使材料厚度、含碳量、硬度、鍍鋅層厚度更加符合制桶、制罐工業的需要，材料性能可不需太高，適合包裝制作即可，材料尺寸按需要裁定，邊角廢料幾乎為零，從而使鋼桶等金屬包裝的質量、成本均為最佳，也符合適度包裝及包裝減量化原則。

3、金屬包裝容器輕量化和結構合理化設計。這項設計的目的是要使金屬包裝材料的厚度符合綠色包裝要求、去除包裝冗余結構和使包裝結構符合使用方便性和利于回收處理。有兩種途徑：一是材料薄型化。例如我國一直采用1.5mm~1.2mm厚的薄鋼板制造200升鋼桶,使鋼桶可重復使用多次。但由于每次使用前都必須對舊桶翻新清洗和脫漆，因此排出了大量的有毒有害液體、氣體、污染了環境。而國外一些發達國家率先采用0.8mm~1.0mm超薄型的鋼板制造200升鋼桶，使用后直接回收再生利用，不許再次使用，從而杜絕了環境污染，又有利于包裝輕量化，降低了包裝成本。二是改進及完善結構設計。例如閉口鋼桶結構，在用戶使用中普遍存在著殘留物的問題，不僅造成內容物的很大浪費，而且這些殘余物還可能對環境造成污染；留有殘余物的鋼桶對回收利用也將造成麻煩，如果翻新利用，則清洗鋼桶會帶來更多的污染。一些發達國家從環保出發對鋼桶結構進行改進，研制了幾種不留殘余物結構，如溝槽引流結構、流線拱頂型不留殘余物鋼桶結構等。

4、金屬包裝材料清潔化生產設計。金屬包裝材料的清潔化生產就是盡量使金屬材料的加工過程消耗較低的資源和能源，排放較少的三廢，并且在廢棄之后易于回收再生。金屬材料的清潔化生產，尤其是工藝流程的重大革新對于降低材料生產的環境負荷有極其重要的意義。具體應包括生產工藝新技術的應用、生產過程的廢棄物管理與三廢的綜合治理等，主要是要降低噸鋼能耗比，降低鋼鐵比，保護環境和節省資源。