無菌包用0.005 mm厚鋁箔的開發(fā)研究

卜祥啟，郝風(fēng)昌

(上海神火鋁箔有限公司，上海 201319)

無菌包是現(xiàn)代乳品和飲品采用的先進(jìn)而常用的包裝材料，它由鋁箔與紙、聚乙烯(polytene，PE)等多層材料復(fù)合制作而成[1]，其中鋁的占比為5%～6%。目前無菌包用鋁箔的厚度大多數(shù)為0.006 3 mm，有一部分為0.006 mm厚，少量0.007 mm～0.009 mm厚的鋁箔。無菌包不可重復(fù)使用，而且回收率也很低。國內(nèi)的回收系統(tǒng)還很不健全，因此一次使用后帶來資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，也增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)[2]。基于當(dāng)前節(jié)能減排的嚴(yán)格要求，以及ASI組織對鋁行業(yè)低碳的倡導(dǎo)，進(jìn)一步降低鋁箔的厚度，減少資源的消耗量是必然的發(fā)展趨勢。我公司為適應(yīng)市場的發(fā)展趨勢，利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)能力，展開對無菌包用0.005 mm厚鋁箔的試驗研發(fā)。

1 試驗設(shè)備、材料及其方法

1.1 設(shè)備

使用公司現(xiàn)有的SIEMENS VAI鋁箔軋機(jī)，其主要參數(shù)見表1；Kampf WT鋁箔分卷機(jī)；5 t試驗退火爐及20 t成品退火爐。鋁箔軋機(jī)的設(shè)計最小可軋厚度為2×0.005 5 mm，因此利用該設(shè)備軋制0.005 mm厚的鋁箔已超過了軋機(jī)的設(shè)計能力，有一些困難。

表1 鋁箔軋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main parameters of the rolling mills

1.2 箔軋坯料

目前市場上無菌包用鋁箔材質(zhì)主要是AA8×××系鋁合金。本試驗采用AA8079鋁合金坯料，其狀態(tài)為H14，是由鑄軋坯料冷軋至厚度0.24 mm～0.28 mm、寬度1 330 mm～1 920 mm。AA8079鋁合金化學(xué)成分見表2。

表2 AA8079鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Chemical compositions of AA8079 aluminum alloy(wt/%)

1.3 試驗方法及工藝設(shè)計

軋制工序：采用四個軋制道次，道次壓下量設(shè)定見表3。軋輥參數(shù)控制見表4。軋制油參數(shù)控制見表5。

表3 軋制道次加工率Table 3 Reductions of rolling passes

表4 工作輥參數(shù)控制Table 4 Parameter control of work rolls

表5 軋制油參數(shù)控制Table 5 Parameter control of rolling oil

鋁卷分切工序：本工序主要通過對膠輥凸度的控制、卷取張力和膠輥壓力的設(shè)定、工藝參數(shù)曲線的優(yōu)化，實現(xiàn)卷取質(zhì)量及卷層空隙率的有效控制。主要參數(shù)設(shè)定見表6。

表6 鋁卷分切工序參數(shù)設(shè)定Table 6 Parameter setting of Al coil slitting process

鋁卷退火工序：對于分切好的鋁卷，先在5 t試驗退火爐中進(jìn)行單卷退火試驗, 對整卷剖析檢驗, 根據(jù)檢驗結(jié)果調(diào)整和穩(wěn)定退火工藝參數(shù)。然后在20 t成品退火爐中進(jìn)行批量退火試驗, 再抽樣做剖析檢驗，確保退火效果的一致性和產(chǎn)品品質(zhì)均勻性。退火工藝采用分段保溫的控制方式，退火工藝過程示意圖如圖1。

圖1 退火工藝過程控制示意圖Fig.1 Annealing process controlling diagram

2 試驗過程關(guān)鍵因素控制

2.1 坯料的控制

鑄軋坯料的質(zhì)量是生產(chǎn)出合格厚度0.005 mm鋁箔的關(guān)鍵因素[3]，坯料中金屬間化合物、金屬與非金屬的夾雜物、氫含量、晶粒細(xì)化效果直接關(guān)系到后續(xù)軋制產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。隨著鋁箔軋制過程中厚度的減薄，鋁箔坯料中存在的內(nèi)在缺陷如夾渣、氣泡、第二相粒子等都將顯露出來。為保證軋制的順利進(jìn)行，必須對坯料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1)氫含量不大于0.12 mL/(100 g Al)[5]。

2)晶粒度I級，晶粒尺寸2 μm～4 μm。

3)性能要求：抗拉強(qiáng)度130 N/mm2～170 N/mm2，伸長率不小于2.0%。

4)板形要求：97%帶材的平直度λ≤15I，凸面率0.2%～0.8%，楔形率不大于0.5%。

5)表面及外觀質(zhì)量：帶材表面不允許有擦劃傷、松樹枝狀花紋、腐蝕、油斑；不允許有氣道、孔洞、起皮、夾渣、金屬與非金屬壓入等影響進(jìn)一步加工的缺陷。鋁卷端面應(yīng)卷緊、卷齊，不允許有燕窩、塌卷、劃傷、擦傷、碰傷、裂邊、毛刺等影響使用的缺陷。串層不大于2 mm，塔形不大于5 mm。

2.2 箔軋過程控制

1)厚度。由于成品道次厚度要求為0.005 mm，成品軋制過程極易出現(xiàn)斷帶等問題，因此各軋制道次的厚度穩(wěn)定極為關(guān)鍵，特別是第3道次。在軋制過程中，前3道次采用張力控制模式，使軋制速度恒定，厚度波動控制在±2%以內(nèi)，合卷軋制過程上下兩張的厚度差控制在0.3 μm以內(nèi)；第4道次采用速度控制模式，采用較小的恒定后張力，確保鋁箔針孔在合理范圍內(nèi)。

2)板形。鋁箔的板形質(zhì)量對無菌包的復(fù)合制作過程影響很大，現(xiàn)代的無菌包復(fù)合制作過程，復(fù)合速度均在500 m/min左右，速度更高的可達(dá)到900 m/min，因此對鋁箔板形質(zhì)量要求很高。而本次研發(fā)的無菌包用鋁箔具有寬度大、厚度薄的特點，有極大的寬厚比，軋制后鋁箔極易出現(xiàn)板形缺陷[6]。因此軋制過程中除了通過AFC自動板形控制系統(tǒng)之外，專門增加了鋁箔邊部熱噴淋系統(tǒng)，解決了寬幅超薄鋁箔軋制過程中小邊緊的問題。

3)針孔。由于0.005 mm厚度鋁箔已接近軋制極限，軋制過程中針孔控制難度很大。本試驗中采用超過60%的超大加工率，使得軋制出口處的鋁箔溫度達(dá)到105 ℃～115 ℃，可以實現(xiàn)鋁箔自身回復(fù)退火[7]，對針孔控制效果明顯；軋制過程尤其在成品軋制道次，適當(dāng)增加軋制力、采用較小的后張力等控制手段，也有效地減少了針孔數(shù)量。

2.3 分切過程控制

1)制定合適的分切工藝，使0.005 mm厚鋁箔卷層間的空隙率得到有效控制。若空隙率太小，則容易出現(xiàn)退火起棱和起泡現(xiàn)象，且延長退火時間，增加退火難度，降低退火效率，同時鋁箔除油效果和展開性能也很難滿足；若孔隙率太大，則容易使得鋁卷偏心率超標(biāo)，退火后出現(xiàn)底部縫隙，產(chǎn)生氧化。

2)控制分切機(jī)的清潔衛(wèi)生，分切機(jī)的所有錐頭、導(dǎo)輥、液壓管道等必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清潔[1]，防止?jié)櫥退Φ戒X卷材表面，以免在無菌包復(fù)合制作過程出現(xiàn)點粘斷帶。

2.4 退火過程控制

退火過程直接決定鋁箔的力學(xué)性能、表面除油等級以及鋁卷的展開性能。鋁箔越薄，退火過程中越容易出現(xiàn)起棱、起泡和粘連現(xiàn)象。起棱、起泡會引起無菌包復(fù)合制作過程中出現(xiàn)皺紋，粘連則會引起無菌包復(fù)合制作過程中產(chǎn)生皺紋和斷帶現(xiàn)象，油脂揮發(fā)不完全會造成復(fù)合制作過程中出現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)度不合格。因此對鋁箔卷材必須選擇合適的退火溫度與保溫時間。本試驗采用圖1所示的分段式控制工藝，其中Ⅰ段主要用來控制和減少起棱和起泡，Ⅱ段主要是為了改善力學(xué)性能和軋制油的揮發(fā)，Ⅲ段主要是穩(wěn)定力學(xué)性能和邊部5 mm以內(nèi)的油脂改善。

3 試驗結(jié)果驗證

1)厚度。本試驗最終成品鋁箔的厚度均在0.004 97 mm～0.005 13 mm之間，厚度偏差在±3%以內(nèi)，符合無菌包用鋁箔的厚度要求及其公差要求。

2)針孔。本試驗最終成品鋁箔的針孔數(shù)為300個/m2～580個/m2之間，針孔直徑小于0.1 mm，滿足無菌包用鋁箔的針孔要求。

3)退火除油等級。對批量生產(chǎn)的鋁卷抽檢一卷進(jìn)行解剖檢測，從卷的最外層起每10 mm檢測一次，直到管芯底部，除油性能均達(dá)到A級，滴定法定量檢測5 μL水滴直徑為7 mm～10 mm，符合要求。

4)開卷性能。對于抽樣做解剖檢測的鋁卷，檢測除油等級的同時對鋁卷的展開開卷性能進(jìn)行檢測，開卷性能均小于0.3 m，符合要求。

5)力學(xué)性能。鋁箔抗拉強(qiáng)度為82 N/mm2，伸長率為2.3%，符合要求。

4 結(jié) 論

1)通過對箔軋過程關(guān)鍵因素的控制，成功軋制出0.005 mm厚的鋁箔，同時將針孔數(shù)控制在較合適的范圍內(nèi)。

2)通過對鋁卷分切過程關(guān)鍵因素的控制，將卷層間空隙率控制在10%～13%之間，并且整卷的空隙率均勻一致，保證了退火過程的穩(wěn)定性。

3)通過對鋁卷退火過程關(guān)鍵因素的控制，除油等級和開卷性能均可滿足無菌包復(fù)合制作工藝的要求。

4)經(jīng)測算，鋁箔厚度由常規(guī)的0.006 3 mm減薄到0.005 mm，相同重量的鋁箔，使用面積可增加26%；相同面積的無菌包產(chǎn)品，使用鋁箔的重量可節(jié)省約21%。