金属具有密闭性好、质地坚硬、弹性优、阻光阻气性好等特点，在包装领域一直占有重要地位。镀锡的马口铁作为包装业的主要金属原材，由于优良的性能，在食品饮料等领域应用广泛。由于锡是主要的战略资源，储量日益枯竭，价格贵且不断上涨，使得马口铁包装的食品饮料等价格相应地上涨。
为减少锡的使用，替代产品镀铬铁，受到广泛的关注。作为一种无锡钢板（Tin free steel，TFS），镀铬铁是在冷轧薄钢板表面电镀一层金属铬，厚度约为马口铁镀锡层的1%。因此，镀铬铁的生产成本低于马口铁。不过由于TFS产品两面都需涂上防护性涂膜才能使用，不仅印涂过程存在严重的污染，而且某些涂料影响人体健康。1989年，日本东洋钢板开发了以镀铬铁为基板的覆膜铁，避免了防护性涂料的使用，被誉为金属包装领域的革命性创新，现已在日本构建了完整的生产和应用产业体系。
按生产工艺的不同，覆膜铁可分为熔融覆膜铁和黏合覆膜铁。黏合覆膜铁使用黏合剂将塑料薄膜黏贴于钢板上，由于环境污染与产品性能的缺陷，已逐渐被熔融覆膜铁取代，目前所说的覆膜铁指熔融覆膜铁。熔融覆膜铁是在一定温度范围内，将特殊、专用的塑料薄膜部分熔融后直接黏贴于薄钢板上的复合材料，兼具塑料和金属板材双重特性。与传统印铁、制罐工艺需涂布烘干相比，覆膜铁制罐工艺更简单，在性能、环保和能源消耗等方面具备更多优势，是金属包装行业的重要革新。
一、覆膜铁的特点与应用
图表：覆膜铁中PET膜与TFS基板氢键结合示意图
图表来源：公开资料整理
由于TFS产品表面与有机膜以氢键的形式结合在一起，覆膜铁生产过程中不需要胶黏剂而直接热熔贴合，覆合的牢度极高，具有优越的耐冲击性能。而聚酯薄膜具有优良的机械性能，刚性、硬度及韧性高、耐摩擦、耐高温和低温、耐化学药品、耐油、气密性和保香性好等特点，是一种理想的阻透性材料。TFS产品表面热熔聚酯薄膜后使覆膜板相对于涂料铁来说，不仅过程无污染，本身也不含有害物质，化学稳定性好，抗硫性、耐蚀力和抗划伤性能优越。覆膜板外观光洁、表面爽滑，加工性能优良，耐深冲、耐磨，在加工中不易破损，是马口铁在包装行业的最佳替代品。
覆膜铁是一种兼有塑料薄膜和金属板材双重特性的金属材料，其阻隔腐蚀介质渗透的能力接近于“完全阻遏”，电化学阻抗远大于涂料铁。覆膜铁是金属罐生产的革命性进步，生产率、生产成本、清洁卫生、环境保护等各个方面都将前进一大步，尤其是在中高端的两片食品金属罐方面具有独特优势。随着绿色环保的要求越来越严格和资源日渐紧缺，可回收和循环再生的金属包装材料愈加为人们所青睐。
覆膜铁生产与加工过程由于不使用胶黏剂、溶剂，不含甲醛、也避免了双酚A的干扰，可广泛用于高中端食品罐、饮料、酒类包装等。仅就目前全球迅速扩张的两片罐（钢和铝）而言，目前，国内年消费量约为400 亿只左右。以每年10％的增长率来计算，5年后国内需求将达到640 亿只，而国内钢制两片罐产量约为20亿只左右，占有率仅为5％，产能不足和传统罐生产过程的能耗问题、易锈蚀、及其先天劣势（影响风味致使不能进入啤酒市场）限制了进一步发展。由此可以预见，绿色环保的覆膜铁产品的在国内两片罐食品市场的应用前景非常广阔。
二、高附着力的多功能覆膜
对于覆膜铁来说，膜指塑料薄膜，是核心技术之一。用于覆膜铁的薄膜既需确保对镀铬基板的热塑性贴合能力，又需对内容物的良好阻遏，保持罐装食品在货架期内的风味。此外，在食品高温蒸煮杀菌过程中不变色和脱落，保持高的湿润密闭性，并在制罐成型过程中，能经受高温、高摩擦力和弯曲伸缩等复合力的作用，具有较好的附着力。
理论上可用于与TFS复合的塑料薄膜有PP、PET、 PC以及PE等，其中PET膜最为常见，综合性能最优。
PET膜具有易成型性、可杀菌性、硬度高、耐磨、经特殊处理可印刷等特性。从颜色上覆膜铁用PET薄膜可以分为白色膜、透明膜金色膜和镭射膜。从结构上来看，覆膜铁用PET聚酯薄膜为多层结构（一般为2～3层），采用多层共挤的方式生产，其中与TFS的贴合层为改性 PET，熔点低于普通PET，在达到其熔点后能够迅速与TFS贴合。
目前，国内企业生产的薄膜，多用于三片罐、顶底盖、浅冲两片罐等产品，用于深冲两片罐的薄膜还有待改进。这些问题与薄膜的机械性能和表面性能有直接关系，一般情况下普通型聚酯薄膜都会发生这种现象。因此用于深冲的聚酯薄膜必须进行改性，在保持原有的机械强度和阻隔性能下应具有更好的粘结性和延展性，同时经后续加工后仍能保持相当的结晶度，提供良好的阻隔性能。
我们可以通过三种途径可进一步改进贴合层与TFS 板的附着力：1）引入不对称单体破坏PET分子原有的结构，降低分子链排列的规整性，降低结晶度，降低熔点；2）利用含有活性离子的第三单体共聚改性PET，在控制熔点的同时提高PET本身表面能；3）对贴合层表面进行物理处理如电晕处理提高表面能，如下图所示，通过电晕处理可产生活性基团（醛基、羧基、过氧基、酮基以及氨基等），与TFS表面产生更多的氢键，使粘结牢度进一步提高，增强薄膜与钢板的覆合作用。
图表：薄膜电晕化处理机制图
图表来源：公开资料整理
覆膜铁印染目前采用涂覆罐常用的UV油墨，其附着力较差，而且在UV油墨固化时瞬间高温可达到160℃，高温影响贴膜附着力与结构，从而影响加工与阻隔性能。因此，对于覆膜铁的多层膜，除了需增强贴合层与钢板的附着力外，开发出多功能的外层膜，赋予其良好的阻隔、印染等性能，对于其应用具有重要意义。
三、覆膜铁生产工艺过程
覆膜铁生产采用的是高温、高压、快速冷却复合工艺。生产线主要由镀铬铁开卷、焊接、基板加热、覆膜单元、冷却单元、产品检测及涂油卷取等组成。其中最核心的部分为基板的加热区域和覆膜单元，通过电磁感应加热辊预热等方式加热钢带至膜的熔点以上，再用两个对称的压力胶辊挤压进行基板与膜的热熔贴合，此过程如下图所示。
图表：覆膜工艺过程基板加热及覆膜过程示意图
图表来源：公开资料整理
在此过程中温度控制需要非常精确，加热辊能够提供高温（250℃以上）且均匀性良好的加热源（±1℃以内）；冷却辊的温度均匀性非常好，表面温差小于±1℃，保证压膜辊表面的温度均匀。
参考观研天下发布《2018-2023年中国覆膜板行业市场现状规模分析与发展商机分析研究报告》
其次，压膜辊的硬度及形变非常重要，其一是能稳定提供很高的压力，确保钢板与薄膜均匀复合；其二是形变一致性良好，确保钢板受力均匀。
薄膜的基本性质除主要取决于链结构外，其使用性能在很大程度上还取决于加工成型过程中形成的聚集态结构，如晶态、非晶态、取向态、液晶态等，其中结晶形态主要有球晶、单晶、伸直链晶片、纤维状晶、串晶、树枝晶等。薄膜的结晶度对其加工与阻隔性能存在重要的影响，结晶度太高，冲压过程易产生裂纹，加工性能变差，结晶度太低，阻隔性能降低。由此，得到具有合适结晶度的薄膜是覆膜过程的关键，也即生产加工与阻隔性能都好的覆膜铁产品。
覆膜过程中加热温度与速率、冷却温度与速率等参数对膜的结晶结构有重要的影响，这些参数是覆膜工艺过程控制的重要依据。PP覆膜工艺过程中，100℃/s快速冷却与2℃/s慢速冷却相比较，膜的结晶度从60%减小到28%。结晶度的差别对覆膜铁的冲击性能有明显的影响，下图是不同冷却速率覆膜铁冲击后的SEM照片。2℃/ s慢速冷却所得高结晶度的膜，照片上有很多白点，这是由于冲击作用产生小裂纹所致，而100℃/s快速冷却所得低结晶度的膜则几乎无小白点，说明结晶度对加工性能影响很大。
图表：不同冷却速率条件下膜冲击后的SEM照片
图表来源：公开资料整理
加热速率同样也影响膜的结构，下图是170℃冷结晶后的PET，不同升温速率熔化吸热DSC图谱。升温速率较小时，出现两个明显分开的吸热峰，前面是结晶破坏，后面为熔化。随着升温速率增加，两个分开的峰逐渐合并为一个宽的吸热峰，结晶破坏与熔化合并于一起，说明升温速率对薄膜分子结构有影响。
图表：在170℃冷结晶后的PET在不同升温速率下熔化吸热过程DSC图谱
图表来源：公开资料整理
由此可知，在覆膜过程中，工艺参数的选择对覆膜铁的膜结构产生重要的影响，这是决定使用性能的重要因素。对于不同膜来说，确定覆膜过程中工艺参数对膜的结构及性能的影响，这是覆膜工艺的理论基础。
四、覆膜铁应用中存在问题
作为热贴合塑料薄膜的一种绿色环保新材料，覆膜铁应用尚存在以下问题。
1）机械加工性能，如耐冲击性、耐弯折、抗划伤等的确定。
2）预处理、印染等对覆膜铁性能的影响。覆膜铁在冲压过程中经常出现白痕，主要是由于表面膜中球晶组织在复杂应力作用下破裂，降低薄膜的透明度所致。预热处理或印染UV光固化烘烤工艺，会对表面膜的结晶结构产生影响，从而影响加工性能。
3）覆膜铁在高中端食品饮料包装罐上具有巨大的应用潜力，不过作为新材料，目前我国还没有其作为食品包装的安全标准。作为食品包装材料，其抗酸、抗盐、抗硫、耐蚀力、耐蒸煮等性能需要全面研究，为食品安全评价提供依据，建立对于包装内容物如酸、酒、油、碱、盐等安全适用性的评价体系。
五、结言
覆膜铁作为一种钢铁深加工的绿色新产品，性能优越、产品和覆膜工艺过程环保，属于朝阳产业，是未来的发展方向。2016年7月25日，宝钢股份的第一卷覆膜铁产品顺利下线，年产能4.5万吨，标志着我国自主研发的覆膜铁机组建成投产。上海思匠新材料科技股份公司、奥瑞金包装股份有限公司、杭州联净复合材料科技有限公司的覆膜铁生产线也已基本建成投产。在国家推行“供给侧”改革与环保上的大力整治，包装行业开发推行绿色环保覆膜铁新包装材料引领消费升级换代是恰逢其时。
虽然我国自主研发的覆膜铁生产线已经建成投产，但是迄今为止，覆膜铁在我国的应用仍然处于起步阶段，开发高附着力多功能膜、确定覆膜工艺参数对覆膜铁结构与性能的影响、建立其在食品包装中的安全评价体系，都还有很多的工作需要深入开展。随着覆膜铁技术的成熟，将来在金属包装行业内必定会逐步取代马口铁，发展潜力巨大。
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