摘要
      由于金属化聚合物薄膜如PET或OPP在氧气、水汽和香味的阻隔等性能方面得到了改善，正越来越多地被应用于铝箔的替代品。因为成本、性能和生态方面的原因成为了推动金属化薄膜替代铝箔的理由。本文将考虑人们在用薄膜替代铝箔的道路上所遇到的挑战，机遇和缺陷。通过例子，我们将描绘它们进入该工业过程所碰到的挑战。

      一、前言
      多年以来，铝箔在世界范围的阻隔包装中占有30%的份额。这一份额证明：当任何金属化薄膜能替代铝箔的应用时，都将得到可观的增长。
      多年来，替代铝箔最常见的方法是使聚合物薄膜达到铝箔杰出的氧气和阻隔性能，以努力直接替代铝箔。考虑铝箔所特有的性能，以及考虑指定应用的要求和历史，显而易见直接替代铝箔这种方法仅能应用在某些例子中。目前已有许多金属化聚合物薄膜能直接替代铝箔的应用，虽然还需要考虑其他一系列的因素，如阻隔性、挺度、加工能力以及经济性等。本文将重点介绍一些实用案例以及将来可能的机遇。
      二、铝箔的阻隔包装世界
      在2000年，铝箔在包装应用中的年消耗量约为153万吨。这些铝箔的大部分约80万吨或53%用于裹包用的包装。其中大部分是可以在厨房中看到标准的家用包装材料。24万吨或15%用于托盘式包装，约4%或6.1万吨用于其他用途。剩下的约28%或43万吨用于阻隔包装用途。此部分和2000年整个阻隔包装材料用量相比，用量占市场32%的份额，全世界阻隔包装材料的用量约为134万吨（图1）。最大的消耗在北美，阻隔包装应用中所用的铝箔占23%的份额，接下来欧洲占22%，日本占13%。其他42%的用量为世界其它地方。预测年增加率，北美和欧洲分别为2.8%和2.9%，而世界其它地方的年增加率约为3.9%。日本在阻隔包装用途中铝箔的用量在下降，这有一部分是环保法规的原因。

          
      全球43万吨铝箔用于柔性包装，其中9.4万吨（22%）用于干燥速煮食品包装，6万吨（15%）用于糖果糕点包装。药品用途需要6万吨（14%），主要利用铝箔的挤破特性。其他方面是调味品，2万吨或5%的铝箔用于柔性包装，约3.4万吨或8%用于奶制品包装（图2）。 
               
      看到这些数字，人们可以理解金属化聚合物薄膜制造企业对获得这些市场份额的愿望。例如干燥速溶食品和调味品用材料的铝箔用量的总和，几乎和全球金属化聚合物薄膜在包装用途上的用量相等。换句话说，如果有可能把这些用途完全换成用金属化聚合物薄膜，所用的金属化薄膜实际上将翻一番。这是非常有希望的远景。
      但是，可能获得这些市场吗？可能达到铝箔那样杰出的阻隔性能吗？通过近距离观察在各种包装中对阻隔材料的具体要求，为什么采用铝箔，人们实际上非常惊奇，阻隔并不是主要的障碍，有时甚至一点也不重要。
      三、铝箔的性能，为什么这么广泛地用它？
      当问到铝箔为什么用于包装用途时，最一致的回答是由于它杰出的阻隔性能。尽管这是铝箔最大的特点之一，但并不是为什么它用于包装的唯一理由。有许多缘由使得企业选择铝箔：最古老的阻隔材料：是用于柔性包装的第一种高阻隔材料。
      几乎完美的氧气和水汽阻隔性能：一般7μm厚的铝箔对氧气和水汽的阻隔性能要比任何真空镀膜聚合物薄膜的阻隔性能好一至两个数量级。
      对光线的阻隔性能：零透光率，可以完美地屏蔽光线。
      耐挤破性能：这是它用于药品包装的主要原因。
      易折叠特性：对于糖果糕点包装用途特别好。
      导电性：可以采用感应封口系统。
      挺度：杨氏模量是PET或OPP的16~20倍。
      耐热性：在蒸汽灭菌时铝不降质。
      有时某些应用是简单地“依赖”铝箔，因为以前已经在这种个别的应用中采用。其他的用铝箔则是综合了它的优点。对于某些应用，这些优点纯粹是感觉。通过克服这些市场的感觉，金属化薄膜就有了替代铝箔的机会。此外，铝箔也有一些固有的缺点，使金属化薄膜通过克服这些缺点而进入一些应用中：抗折痕：铝箔在弯曲和折叠时容易破裂，留下大的针孔严重破坏了阻隔性能。
      缺少透明性：尽管在一些应用中是优点，但是在另一方面是缺点，比如需要微弱的
      透光率（<1%）时。
      热成形：铝箔不能热成形。
      在薄的厚度时的尺寸稳定性：由于经济要求采用更薄的铝箔时，比较容易撕裂和产
      生针孔。
      再生性：一旦和聚合物薄膜复合，要完全再生使用复合物几乎是不可能的。
      经济性：金属化薄膜比铝箔低10%甚至更多的价格，极具成本优势。
      四、哪些应用适合替代？
      当考虑用薄膜替代铝箔时，需要满足三个主要要求：
      功能：薄膜能提供所有所需的性能吗？
      经济性：使用薄膜能节省成本吗？
      可行性：能否在同一台设备上不做大的调整就可以运行薄膜？
      如果在肯定地回答了这三个问题之后，还要考虑是否值得用薄膜替代铝箔。因为对于每一件事，隐患可能存在于细节中，因而就像下面提出的问题一样，要做一些仔细地考虑来做出正确的选择。
      （一）功能：薄膜能提供所有所需的性能吗？
      阻隔和阻隔持久性：引起注意的第一个功能是由铝箔提供的阻隔性能，因而问题是薄膜能提供像铝箔一样的阻隔性能吗？当薄膜结构受拉以后，阻隔性能还能像铝箔那样持久吗？通过观察用于铝箔阻隔的一些应用，人们将发现对铝箔的阻隔要求常常是夸大的。举两个例子：
      （1）日常的食品如酸乳酪、软酪等包装在用PS或PP制成的单个或多个的托盘，再
      用60—65μm厚的铝箔制的盖材盖起来（图3）。对于PP，氧气透过率约为
      0.15cm3/mdayatm，因而一个500μm厚的壁，氧气透过率约为300cm3O2/m2dayatm。铝箔盖的透过率为零。但是，考虑到整个包装仅有16%~20%由高阻隔材料覆盖，铝箔的高阻隔功能是值得商榷的。 
            
      （2）干燥速溶食品袋如速溶热可可，采用纸/聚合物/铝箔/聚合物结构为制袋材料。
      只要袋不被触摸，铝箔有很好的阻隔性能。但是这种制袋材料很容易起皱，触摸袋子会引起金属层针孔或裂纹（图4）。在这一点上，纸/聚合物/金属化OPP/聚合物结构胜过铝箔复合物结构，因为薄膜可以承受更大的拉力而不失去它的阻隔性能。通过味觉试验还发现薄膜复合物具有铝箔复合物类似的货架寿命。问题的本质是对于制袋材料预期的阻隔要求太高，而较低的但更持久的阻隔性才是主要的。
      光线的阻隔性能：大多数金属化薄膜被金属化至光学密度2.3~2.5的范围。这意味着在可见光范围的透光率被减小至约0.4%。而UV的渗透实际上被消除了。如果和纸复合，透光率进一步减小。对于几乎所有的食品应用，这种阻挡光线的性能足够了。仅对于某些特殊的技术应用，如未曝光的感光胶片包装会要求由较厚规格的铝箔提供绝对的光线阻隔。 
             
      耐挤破特性：这大多数是来自于药品市场的要求，它实际上是利用薄铝箔的低抗撕裂性的弱点。除非能找到提供类似的低抗撕裂的薄膜，铝箔在这种应用中将保持它的地位。所需的阻隔性可用标准的金属化薄膜满足，因为典型的泡罩包装不是高阻隔材料。
      导电性：此特点是包装封口用感应式封口时所需要的。施加一个高频电磁场，在铝箔上产生一个感应电流而加热铝箔。由于铝箔的耐热性，此温度可以高至使复合物中的密封层起作用。电流感应封口设备不可能对金属化薄膜产生类似的效应，但研发工作正在进行。
      耐热性：有些包装应用需要在灌充和封口前，或者在热灌充时对包装进行蒸汽灭菌。
      金属化薄膜将不能经受此过程中的热量和蒸汽而迅速老化。然而，氧化物透明阻隔薄膜可以经受此过程，如果不要求光线阻隔，它们可以是这些应用的替代品。
      折叠性：典型的薄膜不具有铝箔所具有的类似的折叠特性，当折叠是一个主要要求的应用中，如巧克力包装或糖果糕点包装中薄膜是很难替代铝箔的（图5）。 
      

      （二）经济性：薄膜提供成本节省吗？
      表1列出了一些金属化PET和OPP对铝箔的成本对比。从表中可见，金属化薄膜呈现成本及利用率的优势达30%以上，取决于替代的铝箔和所用的替代薄膜的类型。但是，此表不包括由于采用薄膜可以得到的其他的成本节省。一个例子是铝箔在复合前需要先底涂以获得所需的粘附能力。某些金属化薄膜不需要底涂，因此这不仅减少了一个工艺步骤，而且减少了所有消耗涂料的成本。另一个节省成本的概念不是很明朗，但在欧洲地区起作用。在那里“绿色观念”常对包装材料根据它的重量加收税收。大多数目前所用的薄膜由于利用率的优点，这种税是较低的。 
             

       其中：Thick为厚度，Yield为产量，Price为价格，MSI为每平方米价格，savings为节省
      （三）可能性：在同一台设备上不做较大的修改可能运行薄膜吗？
      一个说服包装生产商用薄膜替代铝箔的顾虑是薄膜将怎样在现有设备上运行。应该排除需要较大的投资修改现有的设备或者购买新设备，薄膜方能体现成本节省。在铝箔和薄膜之间的一个较大的差别是挺度的差别，它可能需要改变整条加工线的张力设定。包装的刚性较低还可能会对灌充时提出一些要求，为此要在这方面重新调整或修改。纸膜复合物比纸铝复合物更容易卷曲，因此纸箔复合物会容易出现问题。
      在许多情况，这些问题由于设备制造厂家的先期介入而被克服。利用他们的经验，可以避免在现有设备上薄膜的运行性能中长期的问题或早期的失望。由于和铝箔相比大多数薄膜具有较高的抗撕裂性能，还可以减少在加工线上由于撕裂所致的故障率。然而采用感应封口或折叠的应用还面临较大的困难。除非感应封口机的制造厂家能提出方法，以有限的费用修改他们的设备使之适合金属化薄膜工作，薄膜生产厂家和镀膜厂家提供所需功能的薄膜，否则在这些方面将不可能替代铝箔。目前，对于折叠应用也是如此。
      对上述薄膜和铝箔对比情况的三个争论点需要很好地分析。但是对于薄膜能够提供的优点如较高的阻隔持久性（即便如果单张的阻隔较低），较好的经济性，以及在现有设备上使用薄膜，这些优点表示金属化薄膜还是有许多机会的。
      五、案例研究：可可速溶粉袋 
             
      此案例展示了一个在铝箔替代过程中人们面临的典型工艺过程。替代目标的结构是纸/聚合物/铝箔/聚合物复合物，它被折叠后在侧面封口，灌充然后顶封口。此结构采用薄的规格的铝箔。目标是用东丽（Toray）的一种PC产品替代。
      经济性：是有希望的。采用东丽的PC产品，预期成本优点约为28%，附加的节省是可能的，因为金属化OPP在复合过程中无需底涂。
      功能：通过制备有限数量的复合物并灌充装袋进行货架寿命试验比较。一些原来结构的袋子由于额外的触摸而出现皱折，并暴露在外。通过对无皱折样品进行味觉和新鲜程度试验对比没有发现差别，表明替代结构的阻隔性能是足够的。在起皱的样品上，原来结构有高的缺陷率，替代结构则没有，证明铝箔在受力时有损坏。总之，试验表明替代的金属化OPP具备所需要的阻隔性能。
      在可能性方面：显然修改是需要的。改变加工系统上的张力是本项目早期做的工作。
      铝箔复合物的性能之一允许包装袋打开放在传送带（类似于折叠特性）上，用薄膜复合物不能进行同样的试验。对灌充线修改并需要一个小的附加装置以便在灌充前吹开袋口。薄膜复合物较高的抗撕裂性能也使得要打开袋口更加困难，所以一个开口装置必须加至加工线和灌充线上。不管怎样，这种修改还是有好处，因为发现袋口张开得更精确，很少溢出。最后，所有的修改没有超出预期的费用，并由于增加的好处而被接受。
      本质是在这种应用中所提议的结构已经替代铝箔。袋子的整个外观，尽管摸起来更薄，由于一点也不起皱因此更加吸引人。无论如何，此项目的整个研制时间接近2年，证明最终结果的成功确实不是容易得来的。
      六、替代铝箔的机遇
      对使用金属化薄膜的主要异议仍然是对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，这种要求可能并不是像想的那样严格，在某些情况，如果复合物受到某种形式的应力时，薄膜复合物初期较低的平张阻隔性能要胜过铝箔。表2列出了在包装结构中可以替代的其他潜在的候选应用。也指出了可以预料的一些障碍，作为前面的说明，有些障碍会是难以或不可能克服的。一些应用如咖啡包装这些少数已经采用金属化薄膜复合物的咖啡包装除外，可能仍然要求铝箔所能提供的极好的阻隔性能，没有可比较的薄膜，要进入将是困难的。
      有许多新的发展可以克服一些问题：
      1、近来报道的金属化薄膜，在聚合物薄膜上兼具阻隔涂布和金属化，它们给予极有希望的阻隔性能。然而，尚需看到，它们在经济方面是否有竞争力。
      新型薄膜如聚乳酸薄膜（PLA）具有极好的折叠特性，并且是生物降解的。它们尚不能在经济性方面竞争，但是一旦可用性增加，它们将在要求折叠的场合有取代铝箔的机会。
      在修改感应封口设备后采用特别的金属化薄膜是有可能的。一旦可能后，市场如液体纸基包装（亦即砖状包装）将会舍弃采用铝箔。 
          

      结论
      金属化行业获取在包装结构中原来通常采用铝箔的商务远景是好的。薄膜技术的新发展有希望得到酷似铝箔甚至更好的阻隔性能或附加性能，在这方面将有所帮助。然而，总的来说铝箔具有最好的阻隔性能对于包装应用是极端迷惑的，而在这里金属化薄膜的经济性加上它本身的性能，是在包装材料中帮助替代铝箔的主要理由。
      金属化薄膜最终能替代铝箔吗？回答是：已经做到了！