第四章金屬、玻璃、陶瓷包裝材料及其包裝容器,第一節(jié)金屬包裝材料及容器,金屬包裝材料以金屬薄板或箔材為主要原料，經(jīng)加工制成各種形式的容器來包裝食品，其應(yīng)用有近200年的歷史，是現(xiàn)代食品包裝的四大包裝材料之一。,目前在各類包裝材料中，日本和歐洲各國金屬約占13.7，僅次于紙和塑料包裝，占第三位，而美國包裝消費金屬材料比塑料要多，約占第二位。我國的金屬材料包裝在1983年約30.85萬噸，占包裝材料的7.24，僅次于塑料包裝。,金屬包裝材料的優(yōu)良性能：高阻隔性能：可阻隔氣、汽、水、油、光等的透過，極好的保護功能。優(yōu)良的機械性能：良好的抗拉、抗壓、抗彎強度、韌性及硬度，適宜包裝的機械化、自動化操作、密封可靠。容器成型加工工藝性好良好的耐高低溫性、導(dǎo)熱性及耐熱沖擊性表面裝飾性好包裝廢棄物較易回收處理。,金屬包裝材料的缺點化學(xué)穩(wěn)定性差，不耐酸堿腐蝕，特別是用于高酸性食品的包裝，金屬離子容易析出而影響食品風(fēng)味。第二個缺點是價格較高。,金屬材料分類食品包裝常用的金屬材料按材質(zhì)主要分為兩類：一類為鋼基包裝材料，包括鍍錫薄鋼板（馬口鐵）、鍍鉻薄鋼板、涂料板、鍍鋅板、不銹鋼板等；另一類為鋁質(zhì)包裝材料，包括鋁合金薄板、鋁箔、鋁絲等。,一、鍍錫薄鋼板tinplate鍍錫薄鋼板是低碳薄鋼板表面鍍錫而成的產(chǎn)品，簡稱鍍錫板，俗稱馬口鐵板，大量用于制造包裝食品的各種容器。（一）鍍錫板的制造和結(jié)構(gòu)組成鍍錫板是將低碳鋼軋制成約2mm厚的鋼帶，然后經(jīng)酸洗、冷軋、電解清洗、退火、平整、剪邊加工，再經(jīng)清洗、電鍍、軟熔、鈍化處理、涂油后剪切成鍍錫板板材成品。鍍錫板結(jié)構(gòu)由5部分組成，見圖4-1，由內(nèi)到外依次為鋼基板、錫鐵合金層、錫層、氧化膜和油膜。鍍錫板各部分的厚度、成分和性能見表4-1。,（二）鍍錫板的主要性能指標1.鍍錫板的機械性能通常以調(diào)質(zhì)度作為指標來表示鍍錫板的綜合機械性能，包括強度、硬度、塑性、韌性等。鍍錫板調(diào)質(zhì)度是以其表面洛氏硬度值HR30T來表示，按HR30T值的大小分為幾個等級，分別以T50、T52符號表示。鍍錫板調(diào)質(zhì)度等級由低至高，其強度和硬度越高，而相應(yīng)韌性塑性越低。,洛氏硬度試驗是用標準型壓頭在先后兩次對被試材料表面施加試驗力（初試驗力F0與總試驗力F0+F1），在試驗力的作用下壓頭壓入試樣表面。在總試驗力保持一定時間后，卸除主試驗力F1，保留初試驗力F0的情況下測量壓入深度，以總試驗力下壓入深度與在初試驗力下的壓入深度之差（即所謂的殘余壓入深度）來表征硬度的高低，殘余壓入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。,2.鍍錫板的耐腐蝕性不同食品對鍍錫板包裝容器的耐腐蝕性有不同要求。鍍錫板的耐腐蝕性與構(gòu)成鍍錫板每一結(jié)構(gòu)層的耐腐蝕性都有關(guān)。鋼基板：鋼基板的耐腐蝕性能主要取決于鋼基板的成分、非金屬夾雜物的數(shù)量和表面狀態(tài)。評價鋼基板的耐腐蝕性指標用酸浸時滯值表示：即鋼基板浸入鹽酸之時起至溶解反應(yīng)速度恒定時所需要的時間（s）。酸浸時滯值越小，表示鋼基板的耐腐蝕性越好。,錫層：要求鍍錫完全覆蓋鋼基板表面，但實際鍍錫層存在許多針孔，其中暴露出鋼基板的孔隙稱露鐵點。鍍錫板上露鐵點的多少用孔隙度表示，即每平方分米上孔隙數(shù)或孔隙面積。錫層連續(xù)性對耐腐蝕性的影響用鐵溶出值表示。鐵溶出值是指將一定面積的鍍錫板在模擬酸性液中保持一定溫度和時間后，測出鐵的溶出量。鐵溶出值越小表示錫層連續(xù)性好，鍍錫板的耐腐蝕性好。,錫鐵合金層：錫鐵合金層的主要成分是錫鐵金屬化合物FeSn2，錫層不連續(xù)的孔隙暴露出的并不都是鋼基表面，更多的是錫鐵合金層。錫鐵合金層的質(zhì)量對鍍錫板耐腐蝕性的影響可用合金-錫電偶值A(chǔ)TC來表示：以FeSn2合金為陰極，錫為陽極放置在排氣的葡萄柚汁中，在20條件下反應(yīng)2h后，測量其電流的強度值。ATC值越小，表示FeSn2合金層連續(xù)性好，鍍鋅板耐酸性食品的腐蝕好。,氧化膜：鍍錫板表面的氧化膜有兩種，一種是錫層本身氧化形成的SnO2和SnO，另一種是鍍錫板鈍化處理后形成的含鉻化合物鈍化膜。SnO2是個穩(wěn)定的氧化物，而SnO是不穩(wěn)定的化合物，所以二者數(shù)量的多少將影響鍍錫板的耐腐蝕性。SnO2在100以下溫度范圍內(nèi)形成且隨溫度升高數(shù)量增多；SnO在100以上溫度范圍形成且隨溫度升高數(shù)量增多。所以合理控制鍍錫板加工的溫度，以獲得SnO2層可提高鍍錫板的耐腐蝕性。,含鉻鈍化膜使鍍錫板的耐腐蝕性大大提高，且鈍化膜的含鉻量越多，耐腐蝕性越好，它可有效抑制錫氧化變黃、硫化變黑。油膜：鍍錫板表面的油膜將板與腐蝕性環(huán)境隔開，防止錫層被氧化發(fā)黃，防止水汽使鍍錫板生銹。此外，油膜在鍍錫板使用和制罐中起潤滑劑作用，可有效地防止加工、運輸過程中的錫層擦傷破損。,（三）鍍錫板的主要技術(shù)規(guī)格1.鍍錫板的尺寸和厚度規(guī)格為方便生產(chǎn)和使用，鍍錫板長、寬尺寸已規(guī)范，板寬系列為775、800、850、875、900、950、1000、1025、1050mm，鍍錫板厚度及厚度偏差對制罐加工和質(zhì)量以及容器的使用性能有重要影響，如板厚偏差大，制罐困難，卷邊、接縫質(zhì)量不易保證等。我國規(guī)定板厚系列為0.2、0.23、0.25、0.28mm4種，且板厚偏差不超過0.015mm。國際上鍍錫板厚度采用質(zhì)量/基準箱法表示，即規(guī)定112張20英寸14英寸或56張20英寸28英寸的鍍錫板為一基準箱，根據(jù)一基準箱鍍錫板的質(zhì)量大小表示板厚。,2.鍍錫板的鍍錫量鍍錫量的大小表示鍍錫層的厚度，是選用鍍錫板的重要參數(shù)。鍍錫量以單位面積上所鍍錫的質(zhì)量表示（g/m2）。另一種表示法是以一基準箱鍍錫板上的鍍錫總量乘100后所得的數(shù)字為鍍錫量的標號。,（四）鍍錫板的分類及代號鍍錫板種類很多，主要按鍍錫量、調(diào)質(zhì)度、表面狀況、鈍化方法、涂油量、表面質(zhì)量等不同分類。各類鍍錫板分類及其代號見表4-3。,（五）涂料鍍錫板鍍錫板具有的耐腐蝕性常不能滿足某些食品包裝的需要，如富含蛋白質(zhì)的魚、肉食品，在高溫加熱中蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生硫化氫對鍍錫罐壁產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，與露鐵點發(fā)生作用形成硫化鐵，對食品產(chǎn)生污染；高酸性食品對罐壁腐蝕產(chǎn)生氫脹和穿孔等。為此，采用在鍍錫板上涂覆涂料，將食品與鍍錫板隔離，減少它們之間的接觸反應(yīng)。,涂料是由有機高分子樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂）和溶劑（如環(huán)已酮、二甲苯等）及少量添加劑按一定的內(nèi)壁表面，再經(jīng)200以上的溫度烘烤。涂料的作用是隔離罐壁與內(nèi)容物，防蝕和阻溶出的重金屬離子鉛、鐵、鋅等對食品的污染。,1.涂料鍍錫板的制造及主要質(zhì)量要求涂料鍍錫板是由鍍錫板經(jīng)鈍化、表面凈化處理、噴涂料、烘烤固化而制成。涂料層的厚度用每平方米板上涂料用量克數(shù)表示（g/m2），涂料鍍錫板耐腐蝕性很重要的因素之一是涂層的連續(xù)性。,2.食品包裝對涂料的要求無味、無臭、無毒，不影響食品品質(zhì)和風(fēng)味。有良好的機械性能，涂料隨同鍍錫板進行成型加工時能承受沖壓、彎曲等作用，不破裂、脫落。有足夠的耐熱性，能承受制罐加工、罐裝食品熱殺菌加工等的高溫作用而不變色、不起泡、不剝離。施涂加工方便，涂層干燥迅速，與鍍錫板間有良好親潤性以保證涂層質(zhì)量。,3.常用涂料種類很多，按其制成的容器是否與食品接觸，分內(nèi)層涂料和外涂料，按涂料涂覆的順序不同分為底涂料和面涂料。用于容器接縫或涂層破損處施涂得為補涂料，適合制罐加工要求的一般涂料和沖拔罐涂料。根據(jù)食品特性及其包裝保護要求將所用的內(nèi)涂料分為抗酸涂料、抗硫涂料、抗酸抗硫兩用涂料、抗粘涂料、啤酒專用涂料、其他專用涂料等。,二、無錫薄鋼板（一）鍍鉻薄鋼板chromeplate1.鍍鉻板的結(jié)構(gòu)和制造鍍鉻板是由鋼基板、金屬鉻層、水合氧化鉻層和油膜構(gòu)成，各結(jié)構(gòu)層的厚度、成分及特性見表4-5。鍍鉻板的制造與鍍錫板基本相同，主要工序：鋼板軋制、電解清洗、退火、平整清洗、電鍍鉻、鈍化處理、清洗干燥、涂油、成片。,表4-5鍍鉻板各層厚度、成分及性能特點,2.鍍鉻板的性能和使用鍍鉻板的機械性能,鍍鉻板的耐腐蝕性鍍鉻板的鉻層和氧化鉻層對檸檬酸、乳酸、醋酸等弱酸、弱堿有很好的抗蝕作用，但不能抗強酸、強堿的腐蝕，所以鍍鉻板通常施加涂料后使用。鍍鉻板的加工性能因鍍鉻層韌性較差，所以沖拔、蓋封加工時表面鉻層易損傷破裂，不能適應(yīng)沖拔、減薄、多級拉伸加工。鍍鉻板不能錫焊，制罐時接縫需采用熔接或黏接。價格便宜鍍鉻板加涂料后具有的耐腐蝕性比鍍錫板高，價格比鍍錫板低10%左右。,（二）鍍鋅薄鋼板zinkedsheet鍍鋅薄鋼板是在低碳鋼基板表面鍍上一層厚0.02mm以上的鋅構(gòu)成的金屬板材，其制造過程：低碳鋼板、軋制、清洗、退火處理、熱浸鍍鋅、冷卻、沖洗、拉伸矯直。（三）低碳薄鋼板lowcarbonsheet低碳薄鋼板是指含碳量99.0%的純鋁，按鋁的純度不同分為L1-L6、L51幾種，其含雜質(zhì)依次增高。包裝用鋁合金主要為鋁中添加少量錳、鎂的合金（稱防銹鋁），使用較多的是防銹鋁LF2（鋁鎂合金）和LF21（鋁錳合金）。,1.鋁薄板將工業(yè)純鋁或防銹鋁合金制成厚度為0.2mm以上的板材稱鋁薄板。鋁薄板的機械性能和耐腐性能與其成分有關(guān)。純鋁強度低，塑性高，加入少量鎂、錳后強度增大，塑性較高，耐腐蝕性能較好。鋁薄板用調(diào)質(zhì)度來表示其綜合機械性能，其調(diào)質(zhì)度按AA標記法分為O和H型兩類。O型調(diào)質(zhì)度的鋁薄板是強度低、塑性很好的極軟鋁材，主要用于制箔。H型調(diào)質(zhì)度的鋁薄板按調(diào)質(zhì)度不同分為H1X、H2X、H3X，其中X=1-9，X數(shù)字越大的板材強度越高。H型調(diào)質(zhì)度鋁薄板中調(diào)質(zhì)度較低的用來制軟管，調(diào)質(zhì)度較高的用作罐蓋、易拉蓋。,2.鋁箔Alfoil鋁箔是一種用工業(yè)純鋁薄板經(jīng)過冷軋、退火加工制成的金屬箔材，食品包裝用鋁箔厚度一般為0.05-0.07mm，與其他材料復(fù)合時所用鋁箔厚度為0.03-0.05mm。鋁箔復(fù)合膜材料的組成及用途見表4-9。,四、金屬包裝容器（一）金屬罐的分類、結(jié)構(gòu)和規(guī)格1.金屬罐的分類metalcans食品包裝用金屬罐按所用材料、罐的結(jié)構(gòu)和外形及制罐工藝不同進行分類，見表4-10。,表4-10金屬罐的分類,2.金屬罐的結(jié)構(gòu)罐按結(jié)構(gòu)分為三片罐和二片罐，金屬三片罐時由罐身、罐底和罐蓋3部分組成，罐身有接縫，罐身與罐蓋、罐底卷封。大型罐的罐身有凹凸加強壓圈，起增強罐身強度和剛性作用。,3.罐型與規(guī)格金屬罐按外形不同分為8類：圓罐、沖底圓罐、方罐、沖底方罐、橢圓罐、沖底橢圓罐、梯形罐和馬蹄形罐。金屬罐規(guī)格的國際通用標準是用罐內(nèi)徑、外高表示其系列規(guī)格。內(nèi)徑規(guī)格為罐號開頭1-2位分別用5（52mm）、6（65mm）、7（73mm）、8（83mm）、9（97mm）、10（105mm）、15（153mm）表示。,（二）金屬罐的制造1.三片罐的制造主要包括罐身制造、罐蓋制造、罐身與罐底蓋卷封及空罐質(zhì)量檢驗4個部分。罐身縱縫加工用高頻電阻熔焊法、壓接法和黏接法。2.二片罐的制造二片罐的罐身與罐底為一體，沒有罐身縱縫和罐底卷邊。二片罐生產(chǎn)周期短、工藝簡單、密封性好，廣泛應(yīng)用于啤酒及含氣飲料的包裝。,電阻焊接罐身,（三）金屬罐的質(zhì)量檢查1.空罐的一般性檢測主要有空罐尺寸、罐內(nèi)壁涂料層、罐身接縫等2.二重卷邊封口質(zhì)量檢查主要有卷邊的厚度、寬度，卷邊的外觀和卷邊的密封性。3.其他項目檢查如空罐耐壓性試驗、空罐的檢漏、易開蓋質(zhì)量等。,（四）其他金屬容器1.金屬軟管主要由鋁材制成，金屬軟管可進行高溫殺菌、開啟方便、再封性好，可分批取用。軟管可高速成型、高速印刷、高速罐裝，適用于果醬、果凍、調(diào)味品、蛋糕糖霜等半流體黏稠食品的包裝。,2.金屬桶一般指容量較大的金屬容器，容積一般為30-200L，主要用于食品原料及中間產(chǎn)品的貯存、運輸包裝，具有密封性好、強度好、耐熱、耐壓、耐沖擊、可重復(fù)利用等優(yōu)點。,3.鋁箔容器指以鋁箔為主體材料制成的剛性、半剛性或軟性容器。具有質(zhì)輕美觀、阻隔、傳熱性好等包裝特性，既可高溫殺菌，又可低溫冷凍、冷藏，加工性能好，可制成各種形狀容器且易進行彩印。而且，鋁箔容器包裝開啟方便、用后易處理。目前廣泛用于焙烤類食品、餐后甜食、冷凍食品、方便食品、軍需食品、應(yīng)急食品及加熱后食用的盒裝食品、蒸煮袋裝食品、旅行食品等。,（五）金屬包裝制品的發(fā)展方向1.原材料的改進鍍錫薄鋼板生產(chǎn)從熱鍍錫發(fā)展到電鍍錫，從等厚鍍錫到差厚鍍錫，現(xiàn)在又開發(fā)了無錫鋼板，成本逐漸下降。2.制罐技術(shù)的進步從傳統(tǒng)的錫焊三片罐到電阻焊三片罐再到預(yù)印刷一次沖壓成型的二片罐，制罐工藝得到簡化，生產(chǎn)效率提高。3.新產(chǎn)品的開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)的飲料罐逐步出現(xiàn)。,第二節(jié)玻璃、陶瓷包裝材料及容器,玻璃是由石英石（SiO2）、純堿（碳酸鈉，助熔劑）、石灰石（碳酸鈣、穩(wěn)定劑）為主要原料，加入澄清劑、著色劑、脫色劑等，經(jīng)1400-1600高溫熔煉成黏稠玻璃液再經(jīng)冷凝而成的非晶體材料。玻璃具有系列獨特的優(yōu)點：高阻隔性、光亮透明、化學(xué)穩(wěn)定性好、易成形。缺點是質(zhì)量大且容易破碎。,一、玻璃的化學(xué)組成及包裝特性（一）瓶罐玻璃的化學(xué)組成用于食品包裝的玻璃是氧化物玻璃中的鈉-鈣-硅系玻璃，主要成分為SiO2（60%-75%）、Na2O（8%-45%）、CaO（7%-16%），此外含有少量的Al2O3（2%-8%）玻璃的內(nèi)部是由硅、氧離子按多面體結(jié)構(gòu)，并且按近程有序而遠程無序構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鈉、鈣離子分布在網(wǎng)絡(luò)斷裂處的間隙中。,（二）玻璃的包裝特性1.化學(xué)穩(wěn)定性玻璃內(nèi)部離子結(jié)合緊密，可抗氣體、水、酸、堿的侵蝕，不與被包裝得食品發(fā)生作用，具有良好的包裝安全性，最適宜嬰幼兒食品、藥品的包裝。但熔煉不好的玻璃制品可能發(fā)生來自原料的有毒物質(zhì)的溶出。,2.物理性能密度較大透光性好導(dǎo)熱性能差高阻隔性,3.機械性能強度高，抗壓強度較高，抗張強度低，脆性高，抗沖擊強度低。4.良好的成型加工工藝性5.原料來源豐富,二、玻璃容器的結(jié)構(gòu)及制造（一）玻璃容器的結(jié)構(gòu)主要包括瓶口、瓶身、瓶底3部分。（二）玻璃容器的制造配料熔煉容器成型退火二次加工檢驗成品,三、玻璃容器的強度及其影響因素（一）玻璃容器的破裂方式1.內(nèi)壓破裂：指玻璃容器局部承受不了內(nèi)壓作用而發(fā)生的破裂，其破裂形態(tài)是以裂紋起點為中心，裂紋曲線向外呈放射狀延伸，裂紋線端部位分叉形。2.外部沖擊破裂：裂紋粗，破裂塊小。3.熱沖擊破裂：冷熱巨變產(chǎn)生的巨大熱效應(yīng)力作用，這種破裂多發(fā)生在瓶底部或瓶壁厚薄差異較大的地方，裂紋粗，量少。,（二）玻璃容器的包裝強度1.內(nèi)壓強度：指容器不破裂所能承受的最大內(nèi)部壓應(yīng)力，在一定程度上可體現(xiàn)玻璃容器的綜合強度，主要決定于玻璃的強度和容器的壁厚、直徑。還與容器的形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.機械沖擊強度：指玻璃容器承受外部沖擊不破碎的能力。與容器形狀密切相關(guān)。,3.垂直荷重強度：指玻璃容器承受垂直負荷的能力。與瓶形有關(guān)，尤其是瓶肩部的曲率。4.水錘強度：指玻璃容器底部承受短時內(nèi)部水沖擊的能力，也稱水沖擊強度。5.熱沖擊強度：指玻璃容器耐受冷熱溫度劇變不破碎的能力。取決于冷熱變化導(dǎo)致容器內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力的大小，熱應(yīng)力的大小又受溫差和容器壁厚的影響。,（三）影響玻璃容器包裝強度的因素玻璃容器包裝強度與容器形狀密切相關(guān)，尤其受強度較低的頸部與底部的形狀結(jié)構(gòu)影響較大。,四、玻璃容器的發(fā)展（一）輕量瓶在保持玻璃容器的容量和強度條件下，通過減薄其壁厚而減輕質(zhì)量制成的瓶稱為輕量瓶。其輕量化程度用重容比表示。玻璃容器的輕量化可降低運輸費用、減少食品加工殺菌時的能耗、提高生產(chǎn)效率、增加包裝品的美感。,（二）強化瓶和強化措施為提高玻璃容器的抗張強度和沖擊強度，采取一些強化措施使玻璃容器的強度得以明顯提高，強化處理后的玻璃瓶稱作強化瓶。若強化措施用于輕量瓶，則可獲得高強度輕量瓶。,1.物理強化玻璃容器的鋼化淬火處理將成型玻璃容器放入鋼化爐內(nèi)加熱到玻璃軟化溫度以下某溫度后，再在鋼化室內(nèi)用風(fēng)吹或在油浴中急速冷卻，使容器壁厚方向因冷卻速度不同而在表層產(chǎn)生一定的均勻壓應(yīng)力，當(dāng)容器承受外加拉應(yīng)力時，首先要抵消此壓應(yīng)力，從而提高了容器的實際承載能力。,2.化學(xué)強化化學(xué)鋼化處理將玻璃容器浸在熔融的鉀鹽中，或?qū)⑩淃}噴在玻璃容器表面，使半徑較大的鉀離子置換玻璃表層內(nèi)半徑較小的鈉離子，從而使玻璃表層形成壓應(yīng)力層，由此提高玻璃容器的抗張強度和沖擊強度。,3.表面涂層強化表面涂層可防止瓶罐表面的劃傷和增大表面的潤滑性，減少摩擦，提高強度。包括兩種涂層方法：熱端涂層和冷端涂層。,4.高分子樹脂表面強化靜電噴涂：將聚氨酯類樹脂