??????摘要
??????由于金屬化聚合物薄膜如PET或OPP在氧氣、水汽和香味的阻隔等性能方面得到了改善，正越來越多地被應用于鋁箔的替代品。因為成本、性能和生態方面的原因成為了推動金屬化薄膜替代鋁箔的理由。本文將考慮人們在用薄膜替代鋁箔的道路上所遇到的挑戰，機遇和缺陷。通過例子，我們將描繪它們進入該工業過程所碰到的挑戰。
??????一、前言
??????多年以來，鋁箔在世界范圍的阻隔包裝中占有30%的份額。這一份額證明：當任何金屬化薄膜能替代鋁箔的應用時，都將得到可觀的增長。
??????多年來，替代鋁箔最常見的方法是使聚合物薄膜達到鋁箔杰出的氧氣和阻隔性能，以努力直接替代鋁箔。考慮鋁箔所特有的性能，以及考慮指定應用的要求和歷史，顯而易見直接替代鋁箔這種方法僅能應用在某些例子中。目前已有許多金屬化聚合物薄膜能直接替代鋁箔的應用，雖然還需要考慮其他一系列的因素，如阻隔性、挺度、加工能力以及經濟性等。本文將重點介紹一些實用案例以及將來可能的機遇。
??????二、鋁箔的阻隔包裝世界
??????在2000年，鋁箔在包裝應用中的年消耗量約為153萬噸。這些鋁箔的大部分約80萬噸或53%用于裹包用的包裝。其中大部分是可以在廚房中看到標準的家用包裝材料。24萬噸或15%用于托盤式包裝，約4%或6.1萬噸用于其他用途。剩下的約28%或43萬噸用于阻隔包裝用途。此部分和2000年整個阻隔包裝材料用量相比，用量占市場32%的份額，全世界阻隔包裝材料的用量約為134萬噸（圖1）。最大的消耗在北美，阻隔包裝應用中所用的鋁箔占23%的份額，接下來歐洲占22%，日本占13%。其他42%的用量為世界其它地方。預測年增加率，北美和歐洲分別為2.8%和2.9%，而世界其它地方的年增加率約為3.9%。日本在阻隔包裝用途中鋁箔的用量在下降，這有一部分是環保法規的原因。
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??????全球43萬噸鋁箔用于柔性包裝，其中9.4萬噸（22%）用于干燥速煮食品包裝，6萬噸（15%）用于糖果糕點包裝。藥品用途需要6萬噸（14%），主要利用鋁箔的擠破特性。其他方面是調味品，2萬噸或5%的鋁箔用于柔性包裝，約3.4萬噸或8%用于奶制品包裝（圖2）。?
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??????看到這些數字，人們可以理解金屬化聚合物薄膜制造企業對獲得這些市場份額的愿望。例如干燥速溶食品和調味品用材料的鋁箔用量的總和，幾乎和全球金屬化聚合物薄膜在包裝用途上的用量相等。換句話說，如果有可能把這些用途完全換成用金屬化聚合物薄膜，所用的金屬化薄膜實際上將翻一番。這是非常有希望的遠景。
??????但是，可能獲得這些市場嗎？可能達到鋁箔那樣杰出的阻隔性能嗎？通過近距離觀察在各種包裝中對阻隔材料的具體要求，為什么采用鋁箔，人們實際上非常驚奇，阻隔并不是主要的障礙，有時甚至一點也不重要。
??????三、鋁箔的性能，為什么這么廣泛地用它？
??????當問到鋁箔為什么用于包裝用途時，最一致的回答是由于它杰出的阻隔性能。盡管這是鋁箔最大的特點之一，但并不是為什么它用于包裝的唯一理由。有許多緣由使得企業選擇鋁箔：最古老的阻隔材料：是用于柔性包裝的第一種高阻隔材料。
??????幾乎完美的氧氣和水汽阻隔性能：一般7μm厚的鋁箔對氧氣和水汽的阻隔性能要比任何真空鍍膜聚合物薄膜的阻隔性能好一至兩個數量級。
??????對光線的阻隔性能：零透光率，可以完美地屏蔽光線。
??????耐擠破性能：這是它用于藥品包裝的主要原因。
??????易折疊特性：對于糖果糕點包裝用途特別好。
??????導電性：可以采用感應封口系統。
??????挺度：楊氏模量是PET或OPP的16~20倍。
??????耐熱性：在蒸汽滅菌時鋁不降質。
??????有時某些應用是簡單地“依賴”鋁箔，因為以前已經在這種個別的應用中采用。其他的用鋁箔則是綜合了它的優點。對于某些應用，這些優點純粹是感覺。通過克服這些市場的感覺，金屬化薄膜就有了替代鋁箔的機會。此外，鋁箔也有一些固有的缺點，使金屬化薄膜通過克服這些缺點而進入一些應用中：抗折痕：鋁箔在彎曲和折疊時容易破裂，留下大的針孔嚴重破壞了阻隔性能。
??????缺少透明性：盡管在一些應用中是優點，但是在另一方面是缺點，比如需要微弱的
??????透光率（<1%）時。
??????熱成形：鋁箔不能熱成形。
??????在薄的厚度時的尺寸穩定性：由于經濟要求采用更薄的鋁箔時，比較容易撕裂和產
??????生針孔。
??????再生性：一旦和聚合物薄膜復合，要完全再生使用復合物幾乎是不可能的。
??????經濟性：金屬化薄膜比鋁箔低10%甚至更多的價格，極具成本優勢。
??????四、哪些應用適合替代？
??????當考慮用薄膜替代鋁箔時，需要滿足三個主要要求：
??????功能：薄膜能提供所有所需的性能嗎？
??????經濟性：使用薄膜能節省成本嗎？
??????可行性：能否在同一臺設備上不做大的調整就可以運行薄膜？
??????如果在肯定地回答了這三個問題之后，還要考慮是否值得用薄膜替代鋁箔。因為對于每一件事，隱患可能存在于細節中，因而就像下面提出的問題一樣，要做一些仔細地考慮來做出正確的選擇。
??????（一）功能：薄膜能提供所有所需的性能嗎？
??????阻隔和阻隔持久性：引起注意的第一個功能是由鋁箔提供的阻隔性能，因而問題是薄膜能提供像鋁箔一樣的阻隔性能嗎？當薄膜結構受拉以后，阻隔性能還能像鋁箔那樣持久嗎？通過觀察用于鋁箔阻隔的一些應用，人們將發現對鋁箔的阻隔要求常常是夸大的。舉兩個例子：
??????（1）日常的食品如酸乳酪、軟酪等包裝在用PS或PP制成的單個或多個的托盤，再
??????用60—65μm厚的鋁箔制的蓋材蓋起來（圖3）。對于PP，氧氣透過率約為
??????0.15cm3/mdayatm，因而一個500μm厚的壁，氧氣透過率約為300cm3O2/m2dayatm。鋁箔蓋的透過率為零。但是，考慮到整個包裝僅有16%~20%由高阻隔材料覆蓋，鋁箔的高阻隔功能是值得商榷的。?
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??????（2）干燥速溶食品袋如速溶熱可可，采用紙/聚合物/鋁箔/聚合物結構為制袋材料。
??????只要袋不被觸摸，鋁箔有很好的阻隔性能。但是這種制袋材料很容易起皺，觸摸袋子會引起金屬層針孔或裂紋（圖4）。在這一點上，紙/聚合物/金屬化OPP/聚合物結構勝過鋁箔復合物結構，因為薄膜可以承受更大的拉力而不失去它的阻隔性能。通過味覺試驗還發現薄膜復合物具有鋁箔復合物類似的貨架壽命。問題的本質是對于制袋材料預期的阻隔要求太高，而較低的但更持久的阻隔性才是主要的。
??????光線的阻隔性能：大多數金屬化薄膜被金屬化至光學密度2.3~2.5的范圍。這意味著在可見光范圍的透光率被減小至約0.4%。而UV的滲透實際上被消除了。如果和紙復合，透光率進一步減小。對于幾乎所有的食品應用，這種阻擋光線的性能足夠了。僅對于某些特殊的技術應用，如未曝光的感光膠片包裝會要求由較厚規格的鋁箔提供絕對的光線阻隔。?
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??????耐擠破特性：這大多數是來自于藥品市場的要求，它實際上是利用薄鋁箔的低抗撕裂性的弱點。除非能找到提供類似的低抗撕裂的薄膜，鋁箔在這種應用中將保持它的地位。所需的阻隔性可用標準的金屬化薄膜滿足，因為典型的泡罩包裝不是高阻隔材料。
??????導電性：此特點是包裝封口用感應式封口時所需要的。施加一個高頻電磁場，在鋁箔上產生一個感應電流而加熱鋁箔。由于鋁箔的耐熱性，此溫度可以高至使復合物中的密封層起作用。電流感應封口設備不可能對金屬化薄膜產生類似的效應，但研發工作正在進行。
??????耐熱性：有些包裝應用需要在灌充和封口前，或者在熱灌充時對包裝進行蒸汽滅菌。
??????金屬化薄膜將不能經受此過程中的熱量和蒸汽而迅速老化。然而，氧化物透明阻隔薄膜可以經受此過程，如果不要求光線阻隔，它們可以是這些應用的替代品。
??????折疊性：典型的薄膜不具有鋁箔所具有的類似的折疊特性，當折疊是一個主要要求的應用中，如巧克力包裝或糖果糕點包裝中薄膜是很難替代鋁箔的（圖5）。?
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??????（二）經濟性：薄膜提供成本節省嗎？
??????表1列出了一些金屬化PET和OPP對鋁箔的成本對比。從表中可見，金屬化薄膜呈現成本及利用率的優勢達30%以上，取決于替代的鋁箔和所用的替代薄膜的類型。但是，此表不包括由于采用薄膜可以得到的其他的成本節省。一個例子是鋁箔在復合前需要先底涂以獲得所需的粘附能力。某些金屬化薄膜不需要底涂，因此這不僅減少了一個工藝步驟，而且減少了所有消耗涂料的成本。另一個節省成本的概念不是很明朗，但在歐洲地區起作用。在那里“綠色觀念”常對包裝材料根據它的重量加收稅收。大多數目前所用的薄膜由于利用率的優點，這種稅是較低的。?
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?????? 其中：Thick為厚度，Yield為產量，Price為價格，MSI為每平方米價格，savings為節省
??????（三）可能性：在同一臺設備上不做較大的修改可能運行薄膜嗎？
??????一個說服包裝生產商用薄膜替代鋁箔的顧慮是薄膜將怎樣在現有設備上運行。應該排除需要較大的投資修改現有的設備或者購買新設備，薄膜方能體現成本節省。在鋁箔和薄膜之間的一個較大的差別是挺度的差別，它可能需要改變整條加工線的張力設定。包裝的剛性較低還可能會對灌充時提出一些要求，為此要在這方面重新調整或修改。紙膜復合物比紙鋁復合物更容易卷曲，因此紙箔復合物會容易出現問題。
??????在許多情況，這些問題由于設備制造廠家的先期介入而被克服。利用他們的經驗，可以避免在現有設備上薄膜的運行性能中長期的問題或早期的失望。由于和鋁箔相比大多數薄膜具有較高的抗撕裂性能，還可以減少在加工線上由于撕裂所致的故障率。然而采用感應封口或折疊的應用還面臨較大的困難。除非感應封口機的制造廠家能提出方法，以有限的費用修改他們的設備使之適合金屬化薄膜工作，薄膜生產廠家和鍍膜廠家提供所需功能的薄膜，否則在這些方面將不可能替代鋁箔。目前，對于折疊應用也是如此。
??????對上述薄膜和鋁箔對比情況的三個爭論點需要很好地分析。但是對于薄膜能夠提供的優點如較高的阻隔持久性（即便如果單張的阻隔較低），較好的經濟性，以及在現有設備上使用薄膜，這些優點表示金屬化薄膜還是有許多機會的。
??????五、案例研究：可可速溶粉袋?
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??????此案例展示了一個在鋁箔替代過程中人們面臨的典型工藝過程。替代目標的結構是紙/聚合物/鋁箔/聚合物復合物，它被折疊后在側面封口，灌充然后頂封口。此結構采用薄的規格的鋁箔。目標是用東麗（Toray）的一種PC產品替代。
??????經濟性：是有希望的。采用東麗的PC產品，預期成本優點約為28%，附加的節省是可能的，因為金屬化OPP在復合過程中無需底涂。
??????功能：通過制備有限數量的復合物并灌充裝袋進行貨架壽命試驗比較。一些原來結構的袋子由于額外的觸摸而出現皺折，并暴露在外。通過對無皺折樣品進行味覺和新鮮程度試驗對比沒有發現差別，表明替代結構的阻隔性能是足夠的。在起皺的樣品上，原來結構有高的缺陷率，替代結構則沒有，證明鋁箔在受力時有損壞。總之，試驗表明替代的金屬化OPP具備所需要的阻隔性能。
??????在可能性方面：顯然修改是需要的。改變加工系統上的張力是本項目早期做的工作。
??????鋁箔復合物的性能之一允許包裝袋打開放在傳送帶（類似于折疊特性）上，用薄膜復合物不能進行同樣的試驗。對灌充線修改并需要一個小的附加裝置以便在灌充前吹開袋口。薄膜復合物較高的抗撕裂性能也使得要打開袋口更加困難，所以一個開口裝置必須加至加工線和灌充線上。不管怎樣，這種修改還是有好處，因為發現袋口張開得更精確，很少溢出。最后，所有的修改沒有超出預期的費用，并由于增加的好處而被接受。
??????本質是在這種應用中所提議的結構已經替代鋁箔。袋子的整個外觀，盡管摸起來更薄，由于一點也不起皺因此更加吸引人。無論如何，此項目的整個研制時間接近2年，證明最終結果的成功確實不是容易得來的。
??????六、替代鋁箔的機遇
??????對使用金屬化薄膜的主要異議仍然是對指定用途所需的阻隔性能的理解。正如案例研究中所展示的，這種要求可能并不是像想的那樣嚴格，在某些情況，如果復合物受到某種形式的應力時，薄膜復合物初期較低的平張阻隔性能要勝過鋁箔。表2列出了在包裝結構中可以替代的其他潛在的候選應用。也指出了可以預料的一些障礙，作為前面的說明，有些障礙會是難以或不可能克服的。一些應用如咖啡包裝這些少數已經采用金屬化薄膜復合物的咖啡包裝除外，可能仍然要求鋁箔所能提供的極好的阻隔性能，沒有可比較的薄膜，要進入將是困難的。
??????有許多新的發展可以克服一些問題：
??????1、近來報道的金屬化薄膜，在聚合物薄膜上兼具阻隔涂布和金屬化，它們給予極有希望的阻隔性能。然而，尚需看到，它們在經濟方面是否有競爭力。
??????新型薄膜如聚乳酸薄膜（PLA）具有極好的折疊特性，并且是生物降解的。它們尚不能在經濟性方面競爭，但是一旦可用性增加，它們將在要求折疊的場合有取代鋁箔的機會。
??????在修改感應封口設備后采用特別的金屬化薄膜是有可能的。一旦可能后，市場如液體紙基包裝（亦即磚狀包裝）將會舍棄采用鋁箔。?
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??????結論
??????金屬化行業獲取在包裝結構中原來通常采用鋁箔的商務遠景是好的。薄膜技術的新發展有希望得到酷似鋁箔甚至更好的阻隔性能或附加性能，在這方面將有所幫助。然而，總的來說鋁箔具有最好的阻隔性能對于包裝應用是極端迷惑的，而在這里金屬化薄膜的經濟性加上它本身的性能，是在包裝材料中幫助替代鋁箔的主要理由。
??????金屬化薄膜最終能替代鋁箔嗎？回答是：已經做到了！
